BRPI0702973B1

BRPI0702973B1 - Sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas e método de operação

Info

Publication number: BRPI0702973B1
Application number: BRPI0702973-0A
Authority: BR
Inventors: Mate Paz Vladimir; De Campos Porto Elisabeth; José De Medeiros Junior Cipriano
Original assignee: Petroleo Brasileiro S. A. - Petrobras
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2018-06-12
Also published as: NO20083177L; BRPI0702973A2; US7752989B2; US20090020065A1; NO338204B1

Abstract

sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas e método de operação. refere-se a presente invenção a um sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas, em que a cravação de uma estrutura de ancoragem sob camadas compactadas do solo marinho é alcançada utilizando jateamento de fluido em direções ascendentes e, simultaneamente em direção radial e/ou perpendicular às faces externas da dita estrutura de ancoragem, injetados a partir de sua extremidade inferior, garantindo assim a ancoragem de estruturas flutuantes de grande porte, relacionadas à indústria petrolifera, tais como unidades estacionárias de produção (uep's) e plataformas para prospecção de petróleo.

Description

(54) Título: SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS E MÉTODO DE OPERAÇÃO (51) Int.CI.: B63B 21/26 (73) Titular(es): PETROLEO BRASILEIRO S. A. - PETROBRAS (72) Inventor(es): VLADIMIR MATE PAZ; ELISABETH DE CAMPOS PORTO; CIPRIANO JOSÉ DE MEDEIROS JUNIOR

S ·<

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SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS E MÉTODO DE OPERAÇÃO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um sistema de ancoragem por 5 jateamento aplicado a âncoras leves, com alta capacidade de carga, que garantem a ancoragem de estruturas flutuantes de grande porte, relacionadas à indústria petrolífera, tais como unidades estacionárias de produção (UEP*s) e plataformas para prospecção de petróleo. Mais particularmente, a invenção refere-se também a um método de instalação de uma âncora de alta capacidade.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A indústria petrolífera, em águas profundas, requer a utilização de plataformas flutuantes ou unidades estacionárias de produção (UEP’s), as quais necessitam ser ancorada ao leito do mar para operarem como uma unidade produtiva ou para a exploração de um poço de petróleo. Esta ancoragem é feita por meio de um conjunto de elementos específicos, que compreende linhas de ancoragem, âncoras e meios para fixar as âncoras no leito do mar.

Atualmente, existem alguns sistemas disponíveis de ancoragem que podem ser utilizados de acordo com as condições locais de instalação e com a carga que terão que resistir, a saber: âncoras de arraste, âncoras torpedo e âncoras de sucção.

As âncoras torpedo são caras e pesadas, chegam a pesar até 98 toneladas, e necessitam de procedimentos técnicos específicos de instalação e certificação. Estas âncoras conseguem atingir uma profundidade de penetração de aproximadamente 20m no leito marinho.

As âncoras de sucção também necessitam de um procedimento oneroso, lento e complexo para sua instalação, pois é necessário a utilização de embarcações com controle de posicionamento horizontal e de compensador de oscilação vertical, sem as quais não é possível a

2/18 implementação da ancoragem por sucção. Estas âncoras geralmente são constituídas por tubulões de aço ou concreto de aproximadamente 25m de altura, que são cravados até que sua extremidade superior faceie a superfície do solo marinho. São âncoras pesadas, volumosas e de difícií manuseio.

Os dois tipos de ancoragem citados, âncora torpedo e âncora de sucção, são aplicados em solo de pouca compactação, e a profundidade em que são instaladas, em torno de 20m, não chega a atingir as camadas mais compactas do subsolo marinho.

Existem ainda as âncoras de arraste que são mais simples e leves, (pesando em torno de 10 toneladas) se comparadas com as anteriormente citadas. Esta classe de âncoras se divide em duas categorias básicas: âncoras de arrasto normal e âncora de arrasto de carga vertical, esta última designada pelo jargão técnico de “VLA” (Vertical Load Anchorj.

Nesta modalidade de ancoragem, para que ocorra o adequado cravamento, há a necessidade de se utilizar embarcações capazes de exercer uma força de propulsão (no meio técnico conhecida por “bollard puir) na ordem de 600 toneladas ou mais, para que a âncora penetre no subsolo marinho e garanta uma capacidade de carga útil, sem alcançar o seu limite de resistência ao arrancamento.

No campo de conhecimento de ancoragem de grandes estruturas flutuantes, pode-se citar ainda a patente US 3431879 de 11/03/1969. Em resumo, esta patente cita como principal característica o fato da âncora possuir a forma de um “balão”, ou seja, uma estrutura composta por uma casca que forma um espaço interno vazio, o qual deve ser preenchido com sedimento do próprio solo marinho.

A aplicação desta âncora se restringe a leito do mar constituído por material não-consolidado, não sendo a mesma aplicável a solos compactos. A maior vantagem da âncora citada na patente US 3431879 restringe-se ao fato de que a âncora pode ser removida pela retirada do ·<

3/18 sedimento de preenchimento, o que propicia uma estrutura mais leve facilitando a remoção para outra locação. Porém, também é citada a necessidade de mergulhador para tal operação.

A penetração desta âncora no solo marinho pode ocorrer como 5 conseqüência de processo alternativo de enchimento do corpo da âncora com o sedimento local. Uma cavitação abaixo da âncora é induzida pelo succionamento do solo, ou seja, a injeção de um fluido no interior do balão provoca o succionamento indireto do solo abaixo da âncora para seu interior.

Claramente, a grande vantagem proposta na patente US 3431879 é disponibilizar uma âncora de estrutura leve para locação e re-locação, e ao mesmo tempo pesada o suficiente quando cheia de sedimento, para propiciar ancoragem satisfatória sobre o leito marinho superior mais fraco.

Ainda na técnica relacionada à ancoragem, pode-se citar a patente

US 3518957 de 07/07/1970. Fundamentalmente, esta patente revela um elemento de ancoragem provisória para reutilização frequente. Seu princípio de funcionamento baseia-se na indução de um fluxo de fluido através do interior do seu corpo tubular principal, de modo a direcionar jatos deste fluido nas extremidades cravadas, e assim facilitar a sua remoção. Esta facilitação é obtida simplesmente pela desmobilização do solo adjacente do leito do mar, pela combinação de jateamento de fluido e impacto.

Depreende-se que tal solução não prevê cravamento da âncora em profundidade no solo, não servindo para a realidade de ancoragem de plataformas de petróleo, que são estruturas que demandam grandes cargas sobre sua ancoragem, requerendo elementos de ancoragem assentados em camadas profundas de solo, com maiores resistências passivas.

Considerando-se ainda outra vertente no conhecimento de ancoragem de estruturas de grande porte, pode-se citar o emprego de <1

4/18 estacas pré-moldadas utilizadas na construção civil para fundações de prédios, particularmente os localizados em regiões litorâneas. Usualmente estas fundações são assentadas por jateamento em terrenos arenosos muito compactos.

Em resumo, esta técnica consiste em concretar uma estaca que possua uma tubulação disposta longitudinalmente em seu centro, de forma que permita o bombeamento de água até sua extremidade inferior. A água desagrega a areia na ponta da estaca e permite a penetração da mesma simplesmente por peso próprio. Atingida uma profundidade próxima àquela especificada em projeto, o jateamento é substituído pelo apiloamento (uso de bate-estaca) para mobilização da resistência do solo arenoso, até atingir um deslocamento desprezível para um determinado número de golpes do pilão.

A presente invenção visa criar uma nova opção de ancoragem, de aplicação técnica simples e de maior viabilidade econômica.

Como resultado de pesquisas neste sentido, foi inventado o sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas agora proposto e um método para sua operação.

A preocupação no desenvolvimento deste novo sistema de ancoragem e método de instalação visa simplificar e baratear a operação de ancoragem, oferecendo mais uma opção de ancoragem de alta capacidade de carga, tornando-a aplicável no fundeamento de grandes estruturas flutuantes em lâminas d’água de grande profundidade.

A invenção descrita a seguir decorre da contínua pesquisa neste seguimento de tecnologias de ancoragem, cujo enfoque objetiva simplificar, reduzir custos nas operações de fundeamento e disponibilizar uma solução de alta eficiência estrutural.

Outros Objetivos que o sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas e seu método de operação, objeto da presente invenção, se propõem a alcançar são a seguir elencados:

1*

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a. Baratear custos, tanto de material quanto de manuseio.

b. Disponibilizar uma opção de ancoragem com alta eficiência estrutural (baixo peso x alta capacidade de carga).

c. A aplicação é pouco influenciada pelo perfil geológico do local de fundeamento.

d. Ausência de flexão global devido à maior compactação da forma da estrutura.

e. A maioria dos elementos da estrutura pode ser formada de chapas de aço planas, barateando sua construção.

f. Possibilidade de eliminar a necessidade de mais do que uma embarcação para lançar e instalar todo o sistema de ancoragem.

g. Possibilidade de bombeamento submerso, aumentando a flexibilidade operacional quando condições adversas de mar dificultarem a operação das embarcações.

h. Garantir a máxima eficiência de cravamento da âncora com o menor custo e com procedimento simples.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a um sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas, em que a cravação da estrutura de ancoragem é alcançada utilizando jateamento de fluido em direções ascendentes ie, simultaneamente em direção radial e/ou perpendicular às faces externas.

Em um primeiro aspecto, a invenção compreende uma estrutura de ancoragem metálica, de formato preponderantemente cônico, provida de amarra, o conjunto é lançado ao solo marinho a partir de uma embarcação de manuseio. A embarcação de manuseio também provê um sistema de bombeio, embarcado ou submerso, que injeta em uma das extremidades da estrutura de ancoragem, um fluxo de fluido, por meio de um mangote.

A estratura de ancoragem apresenta quatro funções básicas e

6/18 primordiais:

1^a - direcionar o carreamento ascendente de um substrato erodido sob a dita estrutura de ancoragem.

2^a - oferecer pouca resistência à cravação.

3^a - ao mesmo tempo oferecer alta resistência ao arrancamento.

4^a - propiciar seu próprio deslocamento vertical descendente pelo peso próprio e pela forma externa tendendo a cônica.

Em virtude destas funções, a configuração construtiva da estrutura de ancoragem obedece a certos parâmetros mínimos, tais como: apresentar um formato cônico circular, ou piramidal de no mínimo três faces. Apresentar uma estrutura de ancoragem provida de um corpo central, em que seu vértice é provido de um dispositivo de jateamento. Um fluido é injetado em uma das extremidades da estrutura de ancoragem, por meio de mangote. O fluido atravessa o interior do corpo principal da dita estrutura de ancoragem e é expelido, em forma de jato contínuo e direcionado,” pelo dispositivo de jateamento, localizado na outra extremidade.

O dispositivo de jateamento consiste em uma ponta direcional cônica e maciça provida de uma série de orifícios ou bicos dispostos ortogonalmente ao eixo principal do corpo central, ao longo de todo o perímetro do dispositivo de jateamento. Simultaneamente, uma segunda série de orifícios ou bicos dispostos ao longo de todo o perímetro do mesmo dispositivo de jateamento, os quais têm suas saídas voltadas para cima, de modo a liberar o fluido em um sentido ascendente paralelo à face externa inferior da estrutura de ancoragem.

Em um segundo aspecto a invenção compreende um método de operação, que resumidamente compreende as seguintes etapas:

a) uma embarcação de manuseio lança a estrutura de ancoragem fixada a uma amarra;

b) uma vez a estrutura de ancoragem encontrando-se totalmente apoiada

7/18 sobre o solo marinho, bombeia-se um fluido injetando-o na extremidade da estrutura de ancoragem;

c) há a geração de jatos de fluido na região da extremidade da estrutura de ancoragem, provocando-se uma cavitação no solo marinho;

d) em conseqüência da ação dos fluxos de fluido e do peso próprio da estrutura de ancoragem ocorre a penetração da mesma através do subsolo marinho, ultrapassando todas as camadas de subsolo pouco compactado, e atingindo as camadas de subsolo compactadas, penetrando-as em profundidade pré-determinada por projeto;

e) atingida a^r profundidade exigida em projeto, cessa-se o bombeio de fluido e traciona-se o mangote até que o mesmo desengate da extremidadetio corpo central;

f) desacoplado o mangote, a embarcação de manuseio desloca-se para um ponto afastado do local de cravamento, de modo a tracionar em ângulo a amarra, até obter a consolidação de maiores resistências passivas da porção de subsolo contígua à área de perfuração.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente a título de exemplo, acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, e nos quais:

A Figura 1 retrata uma vista esquemática do sistema de ancoragem sendo fundeado no subsolo marinho.

A Figura 2 apresenta a aplicação alternativa de bombeamento submerso, em vista esquemática do sistema de ancoragem sendo fundeado no subsolo marinho.

A Figura 3A retrata uma vista lateral da estrutura de ancoragem.

A Figura 3B retrata uma vista em perspectiva da estrutura de ancoragem. *

A Figura 4 mostra em vista explodida os principais elementos

8/18' constituintes da estrutura de ancoragem.

A Figura 5 revela detalhamento do dispositivo de jateamento.

As Figuras 6A a 6E representam etapas do método de operação.

A Figura 7 apresenta tabela da estimativa de capacidade de carga da estrutura de ancoragem aplicada em um primeiro perfil de variação linear de resistência do solo pela profundidade.

A Figura 8 apresenta tabela da estimativa de capacidade de carga da estrutura de ancoragem aplicada em um segundo perfil de variação linear de resistência do solo pefa profundidade.

A Figura 9 apresenta tabela da estimativa de capacidade de carga da estrutura de ancoragem aplicada em um terceiro perfil de variação linear de rèsistência do solo pela profundidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas, objeto da presente invenção, foi desenvolvido a partir de pesquisas que visavam otimizar a aplicação direta de um princípio de carreamento por jateãmento cte fluido do solo de sustentação de um elemento estrutural de ancoragem. A aplicação deste princípio na extremidade inferior de uma âncora provoca uma erosão continuada, com perda de sustentação do solo sob a área da âncora, e a conseqüente penetração da mesma no subsolo marinho. A penetração também é influenciada pela conicidade da forma externa da âncora, tanto para facilitar o carreamento quanto para guiar a âncora durante sua descida vertical em direção ao maciço de solo.

Neste sentido, as pesquisas foram voltadas para o desenvolvimento de um sistema de ancoragem que viabilizasse uma ancoragem permanente, em que uma estrutura de ancoragem pudesse ser cravada em camadas profundas do solo marinho, onde pode mobilizar maiores resistências passivas do solo e alcançar um alto limite de resistência ao arrancamento.

Conforme revelado pela Figura 1, na qual se apresenta uma vista

9/18 /(ο esquemática do sistema de ancoragem (1) de alta capacidade em águas profundas, pode-se verificar que a invenção é basicamente compreendida por uma estrutura de ancoragem (100), amarras (120), um dispositivo de jateamento (200), um sistema de bombeio (300), uma embarcação de manuseio (F) da qual pode ser lançada a estrutura de ancoragem e conduzida à operação de cravamento.

Resumidamente, o sistema de ancoragem (1) de alta capacidade em águas profundas consiste em uma estrutura de ancoragem (100) metálica de formato preponderantemente cônico, provida com uma amarra (120), que é lançada ao solo marinho (S), a partir de uma embarcação de manuseio (F). A embarcação de manuseio por sua vez é provida de um sistema de bombeio (300), que consiste em bombas (301), mangote (302) e seus acessórios, e, supre a extremidade da estrutura de ancoragem (100) com um fluxo específico e contínuo de fluido, o qual provocará a cravação da dita estrutura de ancoragem.

As bombas podem estar localizadas na própria embarcação de manuseio (F) ou podem ser submersas. Adotando-se bombas localizadas na superfície, opcionafmente pode-se utilizar o sistema de incêndio da dita embarcação de manuseio (F) como meio de bombeio.

Assim, o fluido bombeado pela bomba (301) é injetado através de uma das extremidades da estrutura de ancoragem (100) por meio de mangote (302), atravessando o interior do corpo tubular principal da estrutura de ancoragem (100) e em seguida é expelido, em forma de jato contínuo e direcionado, pela outra extremidade da dita estrutura de ancoragem, através de um dispositivo de jateamento (200). O sistema de ancoragem (1) de alta capacidade em águas profundas permite adotar fluidos cuja densidade seja maior, igual ou menor do que a da água do mar.

Também é possível observar na Figura 1, á profundidade de cravamento (P, alcançada pela estrutura de ancoragem (100) no solo

10/18 marinho. Conforme pesquisas realizadas, a profundidade de cravamento (P) deverá atingir valores bem acima dos atualmente praticados pelos atuais métodos e modelos de ancoragem, que atualmente encontram-se em torno de 20m de profundidade, em solos que apresentam pouca compactação.

A Figura 2 apresenta vista esquemática detalhada da alternativa de localização preferida do sistema de bombeio (300). Devido à intenção de aplicar o sistema de ancoragem (1) de alta capacidade aqui proposto, em lâminas d’água de profundidade da ordem acima de 2000m, a adoção de um sistema de bombeio (300) submerso apresenta maiores vantagens, como por exemplo, minimizar a perda de carga, dispensando o uso de bombas de maiores capacidades, adotar mangotes de menor espessura de parede e de menor extensão; diminuir o volume e peso de manuseio dos carretéis de mangote sobre a embarcação de manuseio, e, facilitar a operação de ancoragem independentemente da condição de mar, visto que os mangotes (302) são suscetíveis a oscilações de posicionamento da embarcação.

As Figuras 3A e 3B, mostram respectivamente uma vista lateral e em perspectiva de uma configuração construtiva preferida da estrutura de ancoragem (100) que deve ser empregada com o sistema de ancoragem (1) de alta capacidade em águas profundas, objeto da presente invenção.

A estrutura de ancoragem (100) tem quatro funções básicas e primordiais no sistema de ancoragem (1) de alta capacidade em águas profundas, a saber: direcionar o carreamento do substrato erodido sob a dita estrutura de ancoragem, oferecer pouca resistência à cravação, ao mesmo tempo em que oferece alta resistência ao arrancamento, e, propiciar deslocamento vertical descendente pelo peso próprio e pela forma externa tendendo a cônica. Estas quatro funções básicas serão pormenorizadas ao longo da descrição. Em virtude destas funções, a configuração construtiva da estrutura de ancoragem (100) deve obedecer

11/18 a certos parâmetros mínimos.

Para satisfazer a esses parâmetros, a estrutura de ancoragem (100) deve apresentar um formato cônico circular, ou piramidal de no mínimo três faces. Nos testes tem-se utilizado preferencialmente um formato piramidal de seis faces planas (101), cada uma das faces tendo formato triangular isósceles. As faces são interligadas pelas suas arestas iguais (101a). Cada interseção entre as faces iguais é travada por uma chapa enrijecedora (102) de formato triangular retângulo. A aresta oblíqua (102a), correspondente á hipotenusa do triângulo retângulo, da chapa enrijecedora (102) apresenta-se soldada na interseção das arestas iguais (101a) que unem duas faces planas (101) contíguas. Uma das arestas retas (102b) da mesma chapa enrijecedora (102), correspondente a um dos catetos, é soldada a um corpo central (103), alinhada com o eixo vertical do mesmo.

O corpo central (103) é constituído preferencialmente por um segmento de tubo metálico que se estende verticalmente desde o vértice (104) da pirâmide invertida formada pela união das faces planas (101), até a uma altura correspondente à base da referida pirâmide. O corpo central (103) está focalizado internamente à pirâmide, e, no corpo central, coincidente ao vértice (104), é afixada a ponta da estrutura de ancoragem (100), contendo um dispositivo de jateamento (200).

A extremidade livre (103b) do dito corpo central é provida de um olhai (105) e um meio para o engate e fixação de um mangote (302) (não mostrado). Ao olhai (105) se fixa a amarra (120) visualizada na Figura 1.

Os componentes da estrutura de ancoragem (100): face plana (101) com suas arestas iguais (101a), chapa enrijecedora (102) com aresta oblíqua (102a) e aresta vertical (102b), corpo central (103), e olhai (105), podem ser mais bem visualizados na representação explodida da Figura 4. Por meio desta Figura, fica fácil constatar a simplicidade construtiva da estrutura, uma vez que, adotando-se esta configuração preferida, a maior

12/18 parte dos seus componentes pode ser obtida a partir de chapas planas, todas interligadas por soldagem entre si e/ou ao corpo central tubular e ao olhal.

O uso apenas de chapas planas e um tubo central com olhal torna o custo total da estrutura de ancoragem (100) mais baixo, se comparado com as outras âncoras empregadas na ancoragem de estruturas flutuantes de grande porte, em especial uma plataforma de petróleo.

A Figura 5 detalha o dispositivo de jateamento (200) localizado no vértice (104) da estrutura de ancoragem (100).

O dispositivo de jateamento (200) consiste em uma ponta direcional cônica (201), metálica e maciça que se conecta a extremidade inferior (103a) do corpo centrai (103), vedando-o. A ponta direcional (201) é provida por uma série de orifícios ou bicos (202) dispostos ortogonalmente ao eixo principal do corpo central (103), ao longo de todo o perímetro do dispositivo de jateamento (200). O jateamento, no sentido radial ao eixo vertical da estrutura de ancoragem (100), propicia a desagregação das camadas compactadas do solo sob a área de projeção da conicidade da dita estrutura; facilitando sua penetração. Os jatos radiais tendem a afastar as partículas de solo da zona de penetração, facilitando a descida da estrutura de ancoragem por peso próprio.

Opcionalmente estes orifícios (202) podem ser dispostos intercaladamente em posição ortogonal à face externa da ponta direcional (201). A função destes orifícios ou bicos (202), dispostos ortogonais à face externa da ponta direcional (201), é de ejetar direcionadamente o fluido pressurizado no interior do corpo central (103), de modo a gerar uma cortina de jatos de fluido em forma de copo, em sentido oposto ao da conicidade da estrutura de ancoragem (100), voltado diretamente contra o solo (S) marinho.

A cortina de jatos (CJ) de fluido em forma de copo atua como uma broca desagregando o substrato marinho e acarretando também perda de c^S

13/18 sustentação do solo sob a estrutura de ancoragem (100).

Também opcionalmente, a direção dos orifícios ou bicos poderá ser alterada para radial em relação ao eixo vertical alternada com ângulos diversos em relação a este eixo, objetivando maximizar a desagregação do solo subjacente à estrutura da âncora.

Simultaneamente, uma segunda série de orifícios ou bicos (203), os quais são dispostos ao longo de todo o perímetro do dispositivo de jateamento (200) têm suas saídas voltadas para cima, de modo a liberar o fluido em um sentido ascendente paralelo à face externa inferior da âncora (201), direcionando o fluido pressurizado no interior do corpo central (103) para cima.

Esta série de orifícios ou bicos (203) é importante para o sistema ora proposto, pois o fluxo de fluido gerado por eles flui paralelamente às faces planas (101) de modo a erodir e carrear o substrato de solo, além de diminuir o atrito entre estas superfícies e o solo marinho.

Este fluxo paralelo às faces também colabora com o carreamento para cima da dita estrutura de ancoragem, e para fora da cavidade que vai se formando, do substrato desagregado pelo conjunto de jatos dispostos radialmente ao eixo vertical da estrutura, ou por qualquer dos jatos gerados pela ponta direcional (201).

É importante frisar que deve haver um equilíbrio entre o diâmetro total da estrutura de ancoragem (100) e o ângulo (φ) de disposição das suas faces pianas (101) com a horizontal. O lado convexo da estrutura de ancoragem (100), que é voltado para a cavidade do solo marinho (S) que está se formando, deve apresentar um grau de penetração adequado, e o lado côncavo deve apresentar uma área total suficiente para que mobilize o bastante de massa do substrato marinho de modo a alcançar a resistência ao arrancamento desejada em projeto. Assim o ângulo (φ) oferece maior equilíbrio entre estes dois objetivos, quando se encontra dentro da faixa de 30° a 60°.

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6^5

As diversas vantagens inerentes ao sistema de ancoragem de alta capacidade em águas profundas (1) proposto se tornarão evidentes ao desenrolar da descrição do método de utilização, baseado nas etapas apresentadas nas Figuras 6A a 6E.

De acordo com a Figura 6A, que representa a etapa inicial do método preferido, a estrutura de ancoragem (100) fixada a uma amarra (120) é lançada de uma embarcação de manuseio (F) qualquer. A amarra (120) deve ser liberada até que a estrutura de ancoragem (100) fique totalmente apoiada sobre o solo marinho (S) e a dita amarra (120) esteja folgada ou parcialmente deitada sobre o leito marinho.

É importante que a amarra tenha sido baixada em comprimento excedente ao da profundidade de operação, para que durante o procedimento de cravação não ocorra tensão ao longo da amarra devido à oscilação natural da embarcação de manuseio (F), o que podería causar possíveis danos no seu guincho.

Esta etapa é bem menos complexa do que seria para o lançamento de uma âncora de sucção, por exemplo. Do ponto de vista operacional este tipo de âncora apresenta uma estrutura grande e de difícil manuseio, e do ponto de vista de recursos técnicos, o lançamento de uma âncora de sucção necessita de embarcações equipadas com estabilizador posicionai e compensador de oscilação vertical. Logo, a julgar pela etapa inicial do sistema proposto, pode-se observar que é totalmente desnecessária a utilização de embarcações de manuseio providas com estes sistemas de estabilização.

Uma vez a estrutura de ancoragem (100) encontrando-se totalmente apoiada sobre o solo (S) marinho, prossegue-se com a segunda etapa, conforme ilustra a Figura 6B. Aciona-se o sistema de bombeio (300), que por meio de bombas (301) e mangote (302) bombeia um fluido injetando-o na extremidade (103b) da estrutura de ancoragem (100), mantendo-o pressurizado no interior do seu corpo central (103).

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2^Ζ

Com o início da pressurizaçâo, há a geração de jatos de fluido na região da extremidade (104) da estrutura de ancoragem (100). Devido à localização do centro de gravidade da estrutura de ancoragem (100) aproximadamente a 2/3 do vértice (104), à medida que o jateamento inicial provoca uma cavitação no solo marinho (S), a dita estrutura de ancoragem (100) tenderá a rotacionar até que se encaixe verticalmente na cavidade que está se formando.

A terceira etapa, ainda percebida na Figura 6B, é iniciada com a pressurizaçâo do fluido no interior do corpo central (103). Nesta etapa são gerados a partir do dispositivo de jateamento (200) preferencialmente dois fluxos de fluido de sentidos divergentes: um fluxo inferior, em forma de copo (CJ) ou de jatos radialmente dispostos com relação ao eixo vertical ou ainda em ângulos diversos, que são direcionados diretamente contra o solo (S) marinho, acarretando uma erosão continuada deste, com perda de sustentação do solo sob a projeção da área da estrutura de ancoragem (100). O outro fluxo (FC), contíguo à superfície externa da estrutura de ancoragem (100) e voltado para cima, além de desagregar e carrear o substrato revolvido ou não pelo fluxo inferior (CJ) reduz o atrito entre esta superfície e o solo, e carreia para cima o substrato revolvido.

Em conseqüência da ação destes dois fluxos de fluido e do peso próprio da estrutura de ancoragem (100) ocorre a penetração da mesma através do subsolo marinho, que pode ser visualizada na Figura 6C.

A quarta etapa, representada pela Figura 6D, a operação de cravamento por erosão continuada combinada com o carreamento do sedimento é realizada com a alimentação de fluido pressurizado concomitantemente com a descida da amarra (120), até que a estrutura de ancoragem (100) ultrapasse todas as camadas de subsolo desconsolidado e/ou pouco compactado, e atinja as camadas de subsolo compactadas, penetrando-as até uma profundidade (p) pré-determinada por projeto.

Atingida a profundidade exigida em projeto, a etapa seguinte

16/18 consiste em cessar o bombeio de fluido e tracionar o mangote (302) para que o mesmo desengate da extremidade (103b) do corpo centrai (103).

Opcionalmente, o mangote (302) pode ser provido com um engate rápido na extremidade de afloramento próximo ao leito do mar. Neste caso, ao se tracionar o mangote, o mesmo se desaclopará na altura do engate rápido, junto ao leito do mar, descartando a seção cravada junto com a estrutura de ancoragem (100).

A sexta e última etapa, representada na Figura 6E, consiste no deslocamento da embarcação de manuseio (F) para um ponto afastado do local de cravamento, de modo a tracionar em ângulo a amarra (120), e conseqüentemente consolidar maiores resistências passivas da porção de subsolo contígua à área de perfuração, em que as camadas estão mais compactadas, alcançando assim um alto limite de resistência ao arrancamento.

Com esta operação final, é também objetivado que o tracionamento da âncora em região desagregada de solo proporcione, por rotação combinada com deslocamento, o alinhamento do eixo longitudinal do corpo central cilíndrico (103) da estrutura de ancoragem (100) com a direção de aplicação do carregamento pela amarra (120) no olhai (105).

O maior desenvolvimento apresentado pelo objeto desta invenção é disponibilizar um sistema de ancoragem capaz de alcançar grandes profundidades de solo, de modo que se mobilize empuxo passivo em camadas com maiores resistências, baseado em um procedimento simples e utilizando um elemento de ancoragem leve e barato.

Por si só, o diferencial de peso, característico dos componentes da aparelhagem proposta, já possibilita uma fácil manipulação durante qualquer etapa da operação de cravação. A título de exemplo, uma estrutura de ancoragem (100) poderá alcançar em torno de 5 toneladas, peso bem abaixo se comparado com 98 toneladas de uma âncora torpedo, ou mesmo 10 toneladas de uma âncora de arraste.

17/18

2/f

A título de exemplo de aplicação do sistema de ancoragem da presente invenção, apresenta-se uma estimativa prévia da capacidade de carga da estrutura de ancoragem (100) em solo argiloso, onde se pode lançar mão da seguinte relação:

Qu = 10. (Su/10). A [t] (1)

Onde:

Qu = capacidade de carga contra arrancamento, em toneladas,

Su = resistência ao cisalhamento de argilas (KNm²),

A = área da projeção perpendicular à direção da resultante do carregamento (m²).

θ = diâmetro da base invertida (m)

A resistência ao cisalhamento (Su) em argilas basicamente varia com a profundidade. Com base nos perfis geotécnicos até o momento encontrados para a ancoragem de plataformas brasileiras, a seguinte relação pode ser considerada para a presente estimativa:

Su = 5 + 2z [KNm²] (2)

Onde:

z = profundidade do ponto de aplicação da carga (m).

A título meramente ilustrativo, a Tabela 1 apresentada na Figura 7, traz cálculos para a capacidade de carga da estrutura de ancoragem (100) utilizando as equações (1) e (2) (considerada projeção preponderantemente circular da estrutura de ancoragem).

As Tabelas 2 e 3, apresentadas respectivamente nas Figuras 8 e 9, apresentam as considerações para a resistência ao cisalhamento Su nas estimativas de capacidade de carga da âncora.

Das Tabelas 1,2 e 3, é importante ressaltar que diâmetros elevados da estrutura de ancoragem (100), bem como maiores resistências do solo, tendem a dificultar a instalação da âncora, item que deverá ter sua dificuldade tratada de forma adequada por um sistema de jateamento adequado para cada caso de aplicação do sistema de ancoragem (1) ora

18/18 proposto.

A redução de custos com a implementação deste sistema de ancoragem aplicado em unidades estacionárias de produção (UEP’s), ou de outras estruturas flutuantes, elimina todas as limitações e despesas inerentes aos equipamentos e métodos atualmente conhecidos.

Ao se adotar o sistema de ancoragem (1) de afta capacidade em águas profundas com a implementação de uma estrutura de ancoragem (100), esta permanecerá cravada até o fim da vida útil da estrutura flutuante, mobilizando resistências em camadas mais compactadas do subsolo marinho, geralmente localizadas em profundidades maiores do que as convencionais. Conforme dados das Tabelas apresentadas, é possível viabilizar cravamentos em profundidades na faixa de 25 a 40 metros.

A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro que a invenção não está limitada⁷ a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1- SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS, o qual compreende uma estrutura de ancoragem (100) metálica, de formato preponderantemente cônico, provida com uma

5 amarra (120), lançada ao solo marinho (S) a partir de uma embarcação de manuseio (F), esta provida com um sistema de bombeio (300) que supre uma das extremidades da estrutura de ancoragem (100) através de um mangote (302) com um fluxo de fluido, e adicionalmente ser caracterizado por a estrutura de ancoragem (100) apresentar quatro funções básicas e

10 primordiais;

1^a - direcionar o carreamento ascendente de um substrato erodido sob a dita estrutura de ancoragem,
2^a - oferecer pouca resistência à cravação,
3^a - ao mesmo tempo oferecer alta resistência ao arrancamento,

15 4^a - propiciar seu próprio deslocamento vertical descendente pelo peso próprio e peía forma externa tendendo a cônica; em virtude destas funções, a configuração construtiva da estrutura de ancoragem (100) obedece a certos parâmetros mínimos, tais como apresentar um formato cônico circular, ou piramidai de no mínimo três faces; o ângulo φ de

20 disposição das faces externa (101) da estrutura de ancoragem (100) com a horizontal encontrar-se dentro da faixa de 30° a 60°; a dita estrutura de ancoragem (100) ser provida de um corpo central (103) constituído preferencialmente por um segmento de tubo metálico que se estende desde o vértice (104) da dita estrutura de ancoragem (100) até a uma

25 altura correspondente a sua base invertida; no corpo centrai (103), coincidente ao vértice (104), é afixada a ponta da estrutura de ancoragem (100), esta provida com um dispositivo de jateamento (200); a outra extremidade (103b), do dito corpo central (103), é provida de um olhai (105) e um meio de engate para o mangote (302); ao olhai (105) fixa-se

30 uma amarra (120); um fluido é injetado na da extremidade (103b) da

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7-7 estrutura de ancoragem (100) por meio de mangote (302), atravessando o interior do corpo tubular principal (103) e é expelido em forma de jato contínuo e direcionado, pela outra extremidade da estrutura de ancoragem (100) , através do dispositivo de jateamento (200); o dito dispositivo de 5 jateamento (200) consiste em uma ponta direcional (201) cônica, metálica e maciça que conecta-se a extremidade inferior (103a) do corpo central (103) vedando-o; a ponta direcional (201) é provida por uma série de orifícios ou bicos (202) dispostos ortogonalmente ao eixo principal do corpo central (103), ao longo de todo o perímetro do dispositivo de

10 jateamento (200); simultaneamente, uma segunda série de orifícios ou bicos (203) dispostos ao longo de todo o perímetro do dispositivo de jateamento (200) têm suas saídas voltadas para cima, de modo a liberar o fluido em um sentido ascendente paralelo à face externa inferior da estrutura de ancoragem (100); o sistema de bombeio consiste em bombas

15 (301) e mangote (302); as bombas (301) podem ser localizadas na própria embarcação de manuseio (F, ou submersas; o fluido bombeado pela bomba (301) pode apresentar densidade maior, igual ou menor do que o da água do mar.

2- SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS

20 PROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por preferencialmente apresentar um formato piramidal de seis faces planas (101) , com cada uma das faces de formato triangular isósceles; as faces sendo interligadas pelas suas arestas iguais (101a); cada interseção entre as faces iguais travada por uma chapa enrijecedora (102) de formato de

25 triângulo retângulo; uma das arestas oblíqua (102a), correspondente à hipotenusa do triângulo retângulo, da chapa enrijecedora (102) apresentarse soldada na interseção das arestas iguais (101a) que unem duas faces planas (101) contíguas e uma das arestas retas (102b) da mesma chapa enrijecedora (102), correspondente a um dos catetos, ser soldada

30 perpendicularmente a um corpo central (103), alinhada com o eixo vertical

3/6 do mesmo; o corpo central (103) ser constituído preferenciaimente por um segmento de tubo metálico que se estende desde o vértice (104) da pirâmide até a uma altura correspondente a base invertida da pirâmide; no vértice (104) do corpo central (103) ser afixada a ponta da estrutura de

5 ancoragem (100), contendo um dispositivo de jateamento (200); a extremidade (103b) do dito corpo central ser provida de um olhai (105) e um meio de engate e fixação para o mangote (302); ao olhai (105) fixa-se a amarra (120).

3 - SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS

10 PROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo de jateamento (200) consistir em uma ponta direcional (201) cônica, metálica e maciça que conecta-se a extremidade inferior (103a) do corpo central (103) vedando-o; a dita ponta direcional (201) é provida por uma série de orifícios ou bicos (202) dispostos ortogonalmente ao eixo

15 principal do corpo central (103), ao longo de todo o perímetro do dispositivo de jateamento (200); simultaneamente, uma segunda série de orifícios ou bicos (203) dispostos ao longo de todo o perímetro do dispositivo de jateamento (200) têm suas saídas voltadas para cima, de modo a liberar o fluido em um sentido ascendente paralelo à face externa

20 inferior da âncora (201), de modo a direcionar o fluido pressurizado no interior do corpo central (103) para cima.
4 - SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dispositivo de jateamento (200) opcionalmente apresentar a série de

25 orifícios ou bicos (202) dispostos ortogonais à face externa da ponta direcional (201), de modo a ejetar direcionadamente o fluido pressurizado no interior do corpo central (103), gerando uma cortina de jatos de fluido em forma de copo, em sentido oposto ao da conicídade da estrutura de ancoragem (100).

30 5 - SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS

0-3

4/6

PROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dispositivo de jateamento (200) apresentar opcionalmente a série de orifícios ou bicos (202) que estão dispostos ortogonalmente ao eixo principal do corpo central (103), intercaladamente com uma segunda série
5 de orifícios ou bicos (202) dispostos em posição ortogonal à face externa da ponta direcional (201).
6 - SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dispositivo de jateamento (200) apresentar ainda opcionalmente a direção

10 dos orifícios ou bicos (202) radial em relação ao eixo vertical alternada com orifícios ou bicos (202) dispostos em ângulos diversos em relação a este eixo.
7 - SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por

15 quando se adotar um sistema de bombeio localizado na própria embarcação de manuseio (F), opcionalmente pode-se utilizar o sistema de incêndio da dita embarcação de manuseio (F) como meio de bombeio.
8 - SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se

20 adotar preferencialmente um sistema de bombeio (300) submerso.
9 - MÉTODO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DE ANCORAGEM DE ALTA CAPACIDADE EM ÁGUAS PROFUNDAS (100) conforme descrito ha reivindicação 1, caracterizado por seguir as seguintes etapas:

a) uma única embarcação de manuseio inicia o processo de

25 cravação lançando a estrutura de. ancoragem (100) fixada a uma amarra (120), sendo que a amarra (120) deve ser liberada até que a estrutura de ancoragem (100) fique totalmente apoiada sobre o solo marinho (S) e a dita amarra (120) esteja folgada ou parcralmente deitada sobre o leito marinho;

b, uma^j vez a estrutura de ancoragem (100) encontrando-se

5/6 “

C3 totalmente apoiada sobre o solo (S) marinho, aciona-se o sistema de bombeio (300), que por meio de bombas (301) e mangote (302) bombeia um fluido injetando-o na extremidade (103b) da estrutura de ancoragem (100), mantendo-o pressurizado no

5 interior do seu corpo central (103);

c) com o início da pressurização, conseqüentemente há a geração de jatos de fluido na região da extremidade (104) da estrutura de ancoragem (100), provocando-se uma cavitação no solo marinho (S); a dita estrutura de ancoragem (100) rotacionará até que se
10 encaixe verticalmente na cavidade que está se formando;

d) em conseqüência da ação dos dois fluxos principais de fluido e do peso próprio da estrutura de ancoragem (100) ocorre a penetração da mesma através do subsolo marinho; o bombeamento do fluido será mantido concomitantemente com a
15 descida da amarra (120), até que a estrutura de ancoragem (100) ultrapasse todas as camadas de subsolo desconsolidado e/ou pouco compactado, e atinja as camadas de subsolo compactadas, penetrando-as em profundidade pré-determinada por projeto;

e) atingida a profundidade exigida em projeto, é cessado o bombeio
20 de fluido e traciona-se o mangote (302), até que o mesmo desengate da extremidade (103b) do corpo central (103); ou opcionalmente, em um engate rápido provido ao mangote (302), em uma posição coincidente a altura do leito do mar;

f) desacoplado o mangote (302), a embarcação de manuseio (F,
25 deslocará para um ponto afastado do locai de cravamento, de modo a tracionar em ângulo a amarra (120), até obter a consolidação de maiores resistências passivas da porção de subsolo contígua à área de perfuração, e alcançar um alto limite de resistência ao arrancamento; ao mesmo tempo que por
30 rotação combinada com deslocamento, ocorra o alinhamento do

6/6 eixo longitudinal do corpo central cilíndrico (103) da estrutura de ancoragem (100) com a direção de aplicação do carregamento pela amarra (120) no olhai (105).

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