BRPI0600219B1 - Sistema de compensação do movimento vertical em risers de configuração em catenária - Google Patents

Abstract

sistema de compensação do movimento vertical em risers de configuração em catenária. a presente invenção refere-se a um sistema destinado a compensar a movimentação vertical do ponto de suspensão de risers lançados em uma configuração de catenária, provocados pela movimentação natural presente em embarcações do tipo offshore. o objetivo acima é alcançado com a concepção de um sistema que, segundo a presente invenção, basicamente compreende um compensador de movimentos (5) hidro-pneumático que suporta o riser (r) em configuração em catenária até o fundo do mar e um segmento de riser flexível (3) conectado às facilidades de produção da unidade estacionária de produção (u). o sistema da presente invenção oferece a opção de operação dependente das condições ambientais, ou seja, pode ser mantido travado caso as condições sejam brandas e liberado quando as condições ambientais estiverem acima de um valor critico pré-determinado.

Description

(54) Título: SISTEMA DE COMPENSAÇÃO DO MOVIMENTO VERTICAL EM RISERS DE CONFIGURAÇÃO EM CATENÁRIA (51) Int.CI.: B63B 21/50 (73) Titular(es): PETROLEO BRASILEIRO S.A. - PETROBRAS (72) Inventor(es): FRANCISCO EDWARD ROVERI

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SISTEMA DE COMPENSAÇÃO DO MOVIMENTO VERTICAL EM RISERS DE CONFIGURAÇÃO EM CATENÃRIA

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção encontra seu campo de aplicação dentre os sistemas destinados a compensar a movimentação vertical do ponto de suspensão de risers lançados em uma configuração de catenária, provocados pela movimentação natural presente em embarcações do tipo offshore.

ESTADO DA TÉCNICA

Em sistemas marítimos de produção, o petróleo que é produzido nos poços localizados no fundo do oceano, são transportados até uma unidade de produção por meio de tubulações que podem ser rígidas, flexíveis, ou mesmo uma conjugação de ambas.

Isso não quer dizer que tubulações análogas à que foi mencionada acima, não sejam utilizadas para outras operações tais como: exportação de óleo ou gás para outras unidades marítimas ou para a costa diretamente, e injeção de água ou de gás nos poços para operações de recuperação secundária ou de estimulação à produção.

Estas tubulações são conhecidas pelos versados na técnica como risers, os quais podem fazer a interligação entre uma unidade flutuante e o fundo do mar em duas configurações principais: vertical e catenária.

Unidades flutuantes ancoradas, como no caso de plataformas semisubmersíveis, por mais que sejam estáveis, não deixam de sofrer influências do próprio meio-ambiente, ora cíclico, ora mutável. Exemplos destes movimentos ficam por conta da indução do movimento das ondas da superfície, ou de ventos ou mesmo da correnteza do próprio mar.

Os movimentos acima sacrificam e muito as conexões dos risers com a plataforma e, em casos mais graves, atingem a própria estrutura do riser que pode sofrer danos que vão de um colapso a uma flambagem estrutural.

O problema sempre foi mais grave para risers rígidos, nos quais o estresse sempre foi mais agressivo. Os risers flexíveis minimizaram um

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pouco o estresse mas apenas transferindo-o, em parte, para a integridade dos materiais flexíveis.

No estado da técnica, sempre existiu a preocupação em atenuar os efeitos de uma ação, invariavelmente conjunta, de vento, onda e correnteza sobre unidades flutuantes quando ancoradas em alto mar, bem como sobre as estruturas que a estas se conectam, como por exemplo, tubulações do tipo riser.

Iniciativas neste sentido têm dado origem a concepções que vem evoluindo nas mais diversas aplicações.

São exemplos, o documento US 4,955,310, pertencente a Jack Pollack e o documento US 5,839,387, pertencente a I. P. Huse A.S..

Ambos dizem respeito a sistemas de ancoragem do tipo turret, voltados mormente para a liberação de movimento de rotação da unidade flutuante em torno de um eixo vertical que lhe sirva de meio de conexão às amarras.

As concepções descritas nestes documentos visam permitir o alinhamento natural da embarcação, uma vez ancorada, às forças ambientais, minimizando seus efeitos e propiciando, desta maneira, maior estabilidade da unidade flutuante por atenuar suas rotações em torno dos eixos horizontais, ou seja, por tender diminuir os movimentos de roír e pitch.

Pode-se observar que a preocupação em melhorar os sistemas de suportação chegam a detalhes construtivos específicos, como no documento US 4,088,089 pertencente à Exxon Research & Engineering Co., que menciona muito particularmente uma junta universal na composição da inovação.

O sistema de ancoragem e transbordo mencionado no documento US 4,459,930, tem aplicação temporária ou de uso substancialmente intermitente e pretende reunir em um só sistema, um meio de ancoragem, um meio de encamisamento para passagem de uma tubulação flexível de produção e um meio de auto - sustentação de todo o sistema, inclusive da tubulação flexível,

3/10 • · * · « « · * « 4 ♦ ft ft · · • ft ft ft · · com um tanque de flutuação solidário próximo à linha d'água.

O sistema não parece apresentar muita flexibilidade no caso de grandes rotações, o que é facilmente compreendido já que o acoplamento é meramente temporário, característica que o tornaria inviável em águas profundas e super-profundas e em circunstâncias nas quais os tempos de utilização praticamente exigissem um acoplamento não eventual, determinando com isso uma instalação fixa por assim dizer.

De um modo geral, pode-se dizer que atualmente a conexão de risers rígidos com unidades flutuantes envolve duas técnicas distintas. Uma delas se vale de conexões flexíveis com emprego de berços de material eiastomérico que permitem a rotação de um riser, com uma pequena resistência aos movimentos, de forma a tornar mínimo o flexionamento da tubulação e, ainda, suportar a carga vertical. Com relação ao uso deste tipo de solução para suporte e conexão de risers rígidos em catenãria, existem registros de tipos de falha no elastômero que resultaram em vazamentos e paradas de produção.

A segunda técnica em voga para a conexão de risers rígidos, peças de material mais resistente que o aço (ligas especiais de titânio), são conectadas à extremidade dos risers por meio de flange e assentadas rigidamente pela extremidade oposta, geralmente de seção transversal mais larga sobre um suporte cônico solidário à unidade flutuante, de forma a transmitir quase que integralmente as cargas axiais e momentos fletores a esta última. Neste caso, a transmissão de momentos fletores elevados exigem uma estrutura de sustentação robusta e de reforço no casco da unidade flutuante, com impacto direto sobre o peso da mesma.

No caso de risers flexíveis, a técnica usual implica em enrijecimento na região do riser próxima à conexão com a unidade flutuante, mais sujeita aos efeitos de flexão.

A sustentação da carga axial é feita diretamente por meio do conector de extremidade e a flexão é absorvida por meio do encamisamento da região

4/10 do topo do riser com equipamentos conhecidos como enrijecedores poliméricos dotados de uma seção transversal variávei. Neste caso, momentos fletores de valor elevado são transmitidos ao enrijecedor e há relatos de falhas deste último.

Risers em uma configuração de lançamento em catenária, também //Q conhecidos como SCR (Steel catenary riser) têm sido largamente utilizados na produção em águas profundas.

Normalmente os risers apresentam duas regiões críticas. Uma delas já foi discutida acima e trata da interface entre o riser e a unidade flutuante de produção (Floating Production System - FPS) ou unidade estacionária de produção (UEP). A outra está localizada na região em que o riser entra em contato com o solo submarino, conhecida como touch down zone^H (TDZ).

A TDZ é um elemento crítico, uma vez que é uma região de baixa tração e susceptível à uma compressão dinâmica e a efeitos de fadiga do material.

Os movimentos já referidos da unidade flutuante, gerados por ventos, ondas e correntes, transmitidos ao riser pelo ponto de suspensão nesta unidade, afetam o comportamento deste riser na TDZ, principalmente os movimentos verticais.

A depender das características hidrodinâmicas do casco da embarcação e das ações ambientais de corrente, ondas e vento, o movimento vertical resultante pode ser bastante pronunciado e ter consequências diretas sobre a resposta dinâmica da estrutura do riser na TDZ.

As unidades flutuantes mais comuns, são as plataformas semisubmersíveis, navios FPSO e plataformas do tipo SPAR.

Sistemas de compensação de movimentos verticais de unidades flutuantes são de utilização comum na indústria offshore, por exempo, em sondas de perfuração, nas quais é utilizado o sistema conhecido como DSC (Drill String Compensator) para controlar o peso da coluna de perfuração sobre a broca dentro do poço.

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Como exemplos, o documento US 4,176,722 apresenta um sistema de manuseio ativo e de tensionamento passivo em risers de perfuração em uma configuração vertical. O documento US 6,691,784, expõe um sistema de tensionamento individual para risers verticais de produção, combinado com um sistema de ajuste de posição vertical de uma grelha, na qual estão conectados todos os risers de produção. Os risers têm um sistema de tensionamento individual e a grelha também, podendo atuar em conjunto ou individualmente para compensação de movimentos verticais, também conhecido pelo termo heave. Um terceiro documento, US 6,739,395 apresenta um equipamento que incorpora as funções de tensionador (compensador de heave) e uma junta telescópica, em um riser de perfuração vertical.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O objetivo da presente invenção é um sistema de compensação do movimento vertical transmitido por uma unidade estacionária de produção a um riser, na região da interface deste riser com esta unidade estacionária de produção, de forma que apenas uma parte do mencionado movimento vertical do ponto de suspensão deste riser seja transmitido à configuração em catenária deste último e, por conseguinte, atenue os esforços dinâmicos na região do riser que se encontra em contato com o solo submarino.

O objetivo acima é alcançado com a concepção de um sistema que, segundo a presente invenção, basicamente compreende um conjunto de conexão flexível conectado às facilidades de produção da unidade flutuante aliado a um sistema de compensação de movimentos hidro-pneumático.

O sistema da presente invenção oferece a opção de operação dependente das condições ambientais, ou seja, pode ser mantido travado caso as condições sejam brandas e liberado quando as condições ambientais estiverem acima de um valor critico pré-determinado.

Por operar emerso, o sistema oferece uma facilidade de inspeção e manutenção preventiva de seus componentes e acessórios.

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O sistema da presente invenção tem como características a imposição de um comportamento complacente, que desacopla significativamente o movimento imposto do movimento resultante no riser.

Adicionalmente o sistema se insere em um nicho de aplicação para águas profundas, notadamente na viabilização de configurações de riser em catenária conectados a unidades flutuantes de comportamento hidrodinâmico não otimizado, como navios por exemplo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As características do sistema de compensação de movimentos verticais em risers de configuração em catenária, objeto da presente invenção, serão melhor percebidas a partir da descrição detalhada que se fará a seguir, a mero título de exemplo, associada aos desenhos abaixo referenciados, os quais são parte integrante do presente relatório.

A FIGURA 1 é uma representação da utilização de um riser de aço em catenária largamente conhecido no estado da técnica.

A FIGURA 2 é uma representação em vista lateral do sistema compensador de movimentos de acordo com a presente invenção.

A FIGURA 3 é uma representação esquemática do compensador de movimentos da presente invenção.

A FIGURA 4 é uma representação gráfica da amplitude do movimento vertical ao longo do tempo comparando suspensão rígida e suspensão complacente.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A descrição detalhada do sistema de compensação de movimentos verticais em risers de configuração em catenária, objeto da presente invenção, será feita de acordo com a identificação dos componentes que o formam, com base nas figuras acima descritas.

Trata a presente invenção de um sistema de compensação de movimentos verticais transmitidos por uma unidade estacionária de produção a um riser de configuração em catenária, na região da interface deste riser

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A Figura 1 mostra um exemplo de utilização, corriqueira no estado da técnica, de riser de aço em catenária simples, que é a configuração mais empregada deste tipo de estrutura, e sua interface com a plataforma. Este tipo de interface pode ser denominado de suspensão rígida, em contraposição a um tipo de suspensão complacente, objeto da presente invenção e que será abordada mais tarde.

Pode ser observada nesta Fígura 1, uma unidade estacionária de produção (U) sobre a superfície do oceano, conectada na região tracejada (C) a um riser (R) de aço, que repousa no fundo do oceano em uma região de contato (Z) (touch down zone).

A conexão típica de uma unidade estacionária de produção (U) com o riser (R) pode ser observada na ampliação feita no interior da região tracejada (C).

Uma tubulação (F) pré instalada e ligada às facilidades de produção da unidade, é suportada por um suporte rígido (S) e ligada a um trecho de tubulação conhecido pelos especialistas pelo termo em inglês spool (SP) que, por sua vez se conecta a um flange da junta flexível (J, que repousa em um receptáculo (T) ligado ao casco da unidade estacionária de produção (U).

A junta flexível (J) permite que a extremidade superior do riser (R) tenha um deslocamento angular diferente do ângulo de spool (SP), ao mesmo tempo que permite a passagem do fluxo em seu interior.

A Figura 2 mostra o sistema da presente invenção e seus componentes principais. Pode-se observar que ele compreende:

- uma primeira estrutura de suporte (1), fixa e rigidamente unida ao convés de uma unidade estacionária de produção (U), serve para suportar a carga de

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uma primeira tubulação rígida (2) proveniente das facilidades de produção;

- um segmento de riser flexível, o qual será tratado daqui por diante de jumper flexível (3), é ligado por uma de suas extremidades à primeira tubulação rígida (2) e sua carga também é suportada pela primeira estrutura de suporte (1)e pqla outra extremidade à tubulação rígida (6);

- uma segunda estrutura de suporte (4), fixa e rigidamente ligada à uma região próxima ao costado da unidade estacionária de produção (U) e serve para suportar um compensador de movimentos (5);

- uma segunda tubulação rígida (6), fixa ao topo do compensador de movimentos (5), é conectada por uma extremidade ao jumper flexível (3) e, apresenta em sua outra extremidade, uma interface (7) para conexão com um riser (R).

A conexão entre a primeira tubulação rígida (2) e o jumper flexível (3), feita por uma interface (7, convencional, pode ser por exemplo, uma junta flexível ou um enrijecedor (não mostrado em qualquerfigura nem referenciado numericamente).

A conexão entre o jumper flexível (3, e a segunda tubulação rígida (6) é feita por uma interface (7) convencional, por exemplo, uma junta flexível ou um enrijecedor (não mostrado em qualquer figura nem referenciado numericamente).

O compensador de movimentos (5) pode ser visto esquematicamente na Figura 3, utiliza-se de um sistema hidro-pneumático cuja pressão de operação é ajustável à carga aplicada ao mesmo e, adicionalmente compreende:

- pelo menos dois cilindros hidro-pneumáticos (51), rigidamente fixados pelas carcaças (52) à segunda estrutura de suporte (4) e, na extremidade dos seus êmbolos (53), apresentam meios de rolamento (54) para elementos de suspensão, como roldanas, por exemplo;

- uma pluralidade de acumuladores de ar (55) ou nitrogênio pressurizado, ligados à câmara inferior formada pelo êmbolo (53) dentro da carcaça (52) em

9/10 cada um dos cilindros hidro-pneumáticos (51);

- pelo menos dois acumuladores de fluido hidráulico (56), são ligados à câmara superior formada pelo êmbolo (53) dentro da carcaça (52) em cada um dos cilindros hidro-pneumáticos (51);

- uma mesa de conexão (57), destinada a suportar a carga do riser (R), a segunda tubulação rígida (6) e o jumper flexível (3) com suas interfaces (7) de conexão, liga-se pelos elementos de suspensão que são cabos (58) e que passam por sobre os meios de rolamento (54) e se fixam rigidamente à segunda estrutura de suporte (4).

Em termos da presente invenção deve ser notado que, por ação do compensador de movimentos (5), a amplitude de movimento vertical da unidade estacionária de produção (U) é significativamente diferente da amplitude do movimento vertical da mesa de conexão (57), que suporta os pesos do riser (R), da tubulação rígida (6) e do jumper flexível (3). Este fato propicia um comportamento dinâmico do riser (R) na região de contato (Z) com o fundo do mar reduzindo a compressão dinâmica e o dano à fadiga do material como um todo.

A característica de resposta, ou seja, os valores obtidos na relação entre a força aplicada e o deslocamento realizado pelo compensador de movimentos (5) depende diretamente do volume de armazenamento nos acumuladores de ar (55). Quanto maiorfor o volume de armazenamento, mais uniforme é a resposta de compensação de movimentos, que confere ao compensador de movimentos uma característica adicional de complacência.

A Figura 4, apresenta uma representação gráfica de movimentação vertical (MV) versus tempo (t), que mostra duas curvas de comportamento da movimentação vertical da extremidade de um riser (R), comparando um sistema com suspensão rígida (SR, e a suspensão complacente (SC) da presente invenção. Graficamente pode ser observado que a curva gerada pelo comportamento da suspensão complacente (SC) é mais atenuada em relação ao comportamento de uma suspensão rígida (SR).

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O sistema de compensação apresenta uma característica de operação flexível e de acordo com as condições ambientais, ou seja, pode ser mantido travado caso as condições ambientais em termos de ventos, ondas e correntes sejam brandas e pode ser ativado, quando as condições ambientais estiverem acima de um valor crítico pré-determinado.

O sistema de compensação, permite operações de inspeção e de manutenção de seus componentes e acessórios com facilidade, uma vez que trabalha emerso.

A descrição que se fez até aqui do sistema de compensação do movimento vertical em risers de configuração em catenária, objeto da presente invenção, deve ser considerada apenas como possível concretização, e quaisquer características particulares nele introduzidos devem ser entendidas apenas como algo que foi descrito para facilitar a compreensão. Dessa forma, não podem de forma alguma serem considerados como limitantes da invenção, a qual está apenas limitada ao escopo das reivindicações que seguem.

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Claims (4)

1. REIVINDICAÇÕES

   1 - Sistema de compensação do movimento vertical em risers de configuração em catenária destinado a compensar a movimentação vertical do ponto de suspensão de risers lançados em uma configuração de catenária, provocados Z ~

   5 pela movimentação natural presente em embarcações do tipo offshore. caracterizado por compreender:

   - uma primeira estrutura de suporte (1), fixa e rigidamente unida ao convés de uma unidade estacionária de produção (U), serve para suportar a carga de uma primeira tubulação rígida (2) proveniente das facilidades de produção;

   10 - um jumper flexível (3), ligado por uma de suas extremidades à primeira tubulação rígida (2), com sua carga também suportada pela primeira estrutura de suporte (1) e pela outra extremidade à tubulação rígida (6);

   - uma segunda estrutura de suporte (4), fixa e rigidamente ligada à uma região próxima ao costado da unidade estacionária de produção (U), serve

   15 para suportar um compensador de movimentos (5);

   - uma segunda tubulação rígida (6), fixa ao topo do compensador de movimentos (5), conectada por uma extremidade ao jumper flexível (3) e, em sua outra extremidade, apresentar uma interface (7) para conexão com um riser (R).

   20 2 - Sistema de compensação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a conexão entre a primeira tubulação rígida (2) e o jumper flexível (3) ser feita por uma interface (7) convencional, podendo ser uma junta flexível ou um enrijecedor.

   3 - Sistema de compensação de acordo com a reivindicação 1,

   25 caracterizado por a conexão entre o jumper flexível (3) e a segunda tubulação rígida (6) ser feita por uma interface (7) convencional, podendo ser uma junta flexível ou um enrijecedor.

   4 - Sistema de compensação de acordo com a reivindicação 1, 2 e 3, caracterizado por a interface (7) ser preferencialmente uma junta flexível.

   30 5 - Sistema de compensação de acordo com a reivindicação 1,
2. 2/2 caracterizado por o compensador de movimentos (5) utilizar-se de um sistema hidro-pneumático cuja pressão de operação é ajustável à carga aplicada ao mesmo e, adicionalmente compreender:

   - pelo menos dois cilindros hidro-pneumáticos (51), rigidamente fixados pelas carcaças (52, à segunda estrutura de suporte (4) e, na extremidade dos seus êmbolos (54), apresentarem meios de rolamento (54) para cabos;

   - uma pluralidade de acumuladores de ar (55) ou nitrogênio pressurizado, ligados à câmara inferior formada pelo êmbolo (53) dentro da carcaça (52) em cada um dos cilindros hidro-pneumáticos (51);

   - peio menos dois acumuladores de fluido hidráulico (56) ligados à câmara superior formada pelo êmbolo (53, dentro da carcaça (52, em cada um dos cilindros hidro-pneumáticos (51);

   - uma mesa de conexão (57), destinada a suportar a carga do riser (R), a segunda tubulação rígida (6, e o jumper flexível (3) com suas interfaces de conexão (7), ligada por cabos (58) que passam por sobre os meios de rolamento (54) e se fixam rigidamente à segunda estrutura de suporte (4).

   6 - Sistema de compensação de acordo com a reivindicação 5 caracterizado por os valores obtidos na relação entre a força aplicada e o deslocamento realizado pelo compensador de movimentos (5, dependerem diretamente do volume de armazenamento nos acumuladores de ar (55).

   7 - Sistema de compensação de acordo com a reivindicação 5 e 6 caracterizado porquanto maioro volume de armazenamento, mais uniforme ser a resposta de compensação de movimentos que confere ao compensador de movimentos uma característica adicional de complacência.

   8 - Sistema de compensação de acordo com as reivindicações 1, 2,3,4,5, 6 e 7 caracterizado por poder ser mantido travado caso as condições ambientais em termos de ventos, ondas e correntes sejam brandas e ativado, quando as condições ambientais estiverem acima de um valor crítico predeterminado.

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   FIGURA 1

   2/4
3. 3Ζ4

   FIGURA 3
4. 4/4

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