BRPI0904890A2 - módulo flutuante de riser com pequenas depressões - Google Patents

Abstract

<B>MóDULO FLUTUANTE DE RISER COM PEQUENAS DEPRESSOES<D>A presente invenção refere-se a um riser submarino aperfeiçoado para uso em aplicações de perfuração de petróleo e gás que têm umcomponente flutuante cilíndrico adaptado para fixação a uma válvula de segurança. O componente pode ser configurado com uma pluralidade de pequenas depressões, recortes dentados ou saílências de forma geral igualmente espaçadas em torno da circunferência do componente para propocionar um fluxo de água hidrodinâmico em torno do riser que reduz a turbulência e as oscilações do riser. As pequenas depressões, recortes dentados ou saílências podem ser dispostas de várias formas que incluem configurações icosa-hédricas, dodecaédricas e octaédricas, além de outras configurações poliédricas.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÓDULOFLUTUANTE DE RISER COM PEQUENAS DEPRESSÕES".

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados

Este pedido reivindica prioridade de um pedido provisório para apatente que ostenta o número de série 60/933.570, depositado em 7 de ju-nho de 2008, intitulado Dimpled Riser Floatation e incorporado em sua totali-dade neste documento.

Declaração Referente à Pesquisa ou Desenvolvimento Federalmente Patro-cinados

Não-aplicável

Descrição de Anexos Acostados

Não-aplicável

Fundamentos da Invenção

A presente invenção refere-se de modo geral, ao campo dos ri-sers submarinos e, mais especificamente, a um módulo flutuante aperfeiço-ado com pequenas depressões. Perfurar e produzir petróleo/gás enfrentariscos em razão da exposição de componentes submersos de sonda a cor-rentes marítimas submarinas. Com a presente invenção, interrupções daprodução devido a fortes correntes submarinas, podem ser atenuadas atra-vés da redução da turbulência em torno do riser e de oscilações que podeminterromper a produção e potencialmente levar a uma ruptura catastróficados componentes submersos de sonda.

Breve Sumário da Invenção

A principal vantagem da invenção é proporcionar um flutuadormais hidrodinâmico.

Outra vantagem da invenção é proporcionar arrasto reduzido nacoluna de riser.

Outra vantagem da invenção é que ela necessitará de menostensão para manter o riser vertical e, em conseqüência, reduzir a carga so-bre a sonda.

Outra vantagem da invenção é que ela possivelmente reduzirá aquantidade de tensores necessários à própria sonda.De acordo com uma modalidade preferencial da invenção, apre-senta-se um riser que tem um componente geralmente cilíndrico adaptadopara fixação a uma válvula de segurança da plataforma de perfuração ousonda a fim de proporcionar um duto em uma instalação de campo petrolífe-ro, além de uma pluralidade de pequenas depressões igualmente espaçadasem torno da circunferência do componente, sendo que as pequenas depres-sões se prolongam ao longo de uma extensão longitudinal predeterminadado componente.

De acordo com outra modalidade preferencial da invenção, a-presenta-se um riser que tem um componente geralmente cilíndrico adapta-do para fixação a uma válvula de segurança da plataforma de perfuração ousonda a fim de proporcionar um duto em uma instalação de campo petrolífe-ro, além de uma pluralidade de recortes dentados igualmente espaçados emtorno da circunferência do componente, sendo que os recortes dentados seprolongam ao longo de uma extensão longitudinal predeterminada do com-ponente.

De acordo com outra modalidade preferencial da invenção, a-presenta-se um riser que tem um componente geralmente cilíndrico adapta-do para fixação a uma válvula de segurança da plataforma de perfuração ousonda a fim de proporcionar um duto em uma instalação de campo petrolífe-ro, além de uma pluralidade de saliências igualmente espaçadas em tornoda circunferência do componente, sendo que as saliências se prolongam aolongo de uma extensão longitudinal predeterminada do componente.

Outros objetos e vantagens da presente invenção tornar-se-ãoevidentes a partir das descrições que se seguem consideradas juntamentecom os desenhos que as acompanham, nos quais, como forma de ilustraçãoe exemplificação, revela-se uma modalidade da presente invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

Os desenhos constituem uma parte desta especificação e inclu-em modalidades de exemplificação para a invenção, a qual pode ser concre-tizada de várias formas. Deve ser entendido que em alguns casos váriosaspectos da invenção podem ser mostrados de forma exagerada ou amplia-da para facilitar o entendimento da invenção.

A figura 1 é um diagrama esquemático que ilustra um fluxo defluido em torno de uma esfera.

A figura 2A é um diagrama esquemático do fluxo de fluido emtorno de uma esfera lisa e a turbulência resultante.

A figura 2B é um diagrama esquemático de fluxo de fluido emtorno de uma esfera com pequenas depressões e a turbulência reduzida re-sultante.

A figura 3 é uma curva que apresenta o arrasto resultante dofluxo em torno da superfície de uma esfera lisa e de uma esfera enrugada.

As figuras 4A, 4B, 4C e 4D são vistas em planta de exemplos deconfigurações de pequenas depressões.

A figura 5A é uma vista em planta de um módulo flutuante deacordo com uma modalidade preferencial da invenção

A figura 5B é uma vista em elevação lateral de um módulo flutu-ante de acordo com uma modalidade preferencial da invenção.Descrição Detalhada das Modalidades Preferenciais

Neste documento proporcionam-se descrições detalhadas damodalidade preferencial. Deve ser entendido, contudo, que a presente in-venção pode ser concretizada de várias formas. Em conseqüência, detalhesespecíficos revelados neste documento não devem ser interpretados comolimitantes, porém adicionalmente como base para as reivindicações e comobase de representação para ensinar àqueles versados na técnica o empregoda presente invenção de forma virtual e apropriada em qualquer sistema,estrutura ou modo.

A perfuração e a produção marítima de petróleo/gás enfrentamriscos em razão da exposição de componentes de sonda submersos a cor-rentes marítimas submarinas. São essenciais entre esses componentes osrisers marítimos, que consistem em uma série de longos tubos de aço deseção transversal circular empregados na extração de petróleo e/ou gás na-tural em águas profundas. Essas longas estruturas cilíndricas expostas afortes correntes marítimas induzem ao fluxo em torno delas separar e iniciarescoamentos de vórtices - em razão do que vórtices de sinais opostos es-coam-se da traseira da estrutura de forma sincronizada. As forças de susten-tação e de arrasto resultantes criam turbulências em torno do riser e do me-canismo de flutuação e excitam oscilações forçadas do cilindro. Para aliviartais vibrações, a atual invenção busca reduzir a turbulência em torno do mó-dulo flutuante. Custos crescentes de desenvolvimento e ambientes de cam-po progressivamente hostis demandam projetos e ferramentas mais resis-tentes, confiáveis e refinados. Esta invenção dá tratamento específico à ne-cessidade de reduzir o arrasto e a turbulência em torno do módulo flutuanteconforme descrito neste documento.

Para reduzir o arrasto em torno do módulo flutuante, a presenteinvenção coloca pequenas depressões semelhantes às de uma bola de golfeem volta da periferia do módulo flutuante. Conforme descrito em seguida deforma mais completa, torna-se possível uma variedade de configurações depequenas depressões. As pequenas depressões reduzem o arrasto e o des-gaste causado pela água em movimento ao criar turbulências na água emtorno do módulo flutuante. As superfícies das pequenas depressões forçama água a abraçar o módulo flutuante de forma mais estreita, de modo queem vez de o fluxo passar por ele, a água segue a curvatura do módulo flutu-ante em volta da parte de trás. O resultado é uma esteira menor e menosarrasto.

Os padrões mais comuns de pequenas depressões são o icosa-hedro, o dodeca-hedro e o octa-hedro. O padrão icosa-hedro baseia-se emum poli-hedro com 20 faces triangulares idênticas, muito parecido com umdado de 20 faces. De forma similar, um dodeca-hedro baseia-se em um poli-hedro com 12 faces em formato de pentágono idênticas. O octa-hedro ba-seia-se em um poli-hedro de oito lados com faces triangulares. Como regrageral, quanto mais algo tem pequenas depressões menor o arrasto e melhoras propriedades dinâmicas do fluido, uma vez que essas propriedades seaplicam a qualquer fluido com alguma viscosidade que incluem aplicaçõesaerodinâmicas e hidrodinâmicas.

Tamanho, formato e profundidade de pequenas depressões po-dem também afetar o desempenho. Concluiu-se que formatos hexagonais epentagonais reduzem mais ainda o arrasto. Pequenas depressões rasas so-bre uma bola de golfe, por exemplo, geram mais rotação em uma bola degolfe do que pequenas depressões profundas, as quais aumentam a susten-tação e fazem a bola se elevar, permanecer no ar mais tempo e rolar menos.Pequenas depressões profundas geram menos rotação em uma bola de gol-fe do que pequenas depressões rasas, diminuindo a sustentação e fazendoa bola permanecer em uma trajetória baixa, com menos tempo no ar e maiorrolagem. Geralmente, pequenas depressões dão à bola uma trajetória baixae bom controle no vento, enquanto que grandes depressões dão à bola umatrajetória mais alta e tempo mais longo de voo.

As pequenas depressões possuem efeito dinâmico de fluido (hi-drodinâmico ou aerodinâmico). Água ou ar movendo-se sobre a superfíciedo objeto causa fricção, o que, por sua vez, produz pressão negativa atrásdo objeto, chamada de arrasto. O "arrasto laminado" sobre uma superfícielisa desprende-se muito mais rapidamente que o "arrasto turbulento" sobreuma superfície com pequenas depressões. Isto produz menos pressão, e oar ou a água movimenta-se facilmente em torno da superfície do objeto.

Pequenas depressões criam uma camada de contorno turbulen-ta quando um fluido (por exemplo, ar ou água) flui pela superfície do móduloflutuante. Isto permite ao fluido "abraçar" a superfície ainda mais em torno domódulo flutuante quando passa, o que reduz o tamanho de sua esteira e,consequentemente, o seu arrasto. Por esta razão, uma superfície com pe-quenas depressões de profundidades adequadas é mais aerodinâmica queuma superfície lisa.

A figura 1 mostra uma esfera com pequenas depressões 102(mostrada aqui como uma bola de golfe) movendo-se através de um meio debaixa viscosidade, tal como ar ou água, que cria um fluxo de fluido equiva-lente 104, neste caso ar de fluxo contínuo. Como posteriormente descrito, ofluxo de fluido 104 segue mais estreitamente o contorno da esfera 102, umavez que a superfície não é lisa.

As figuras 2A e 2B mostram a camada de contorno que é a ca-mada fina de ar próxima da bola. A figura 2A mostra uma bola lisa 200 emum fluxo de fluido 202 que produz uma camada contínua 204 de contornolaminado. Uma vez que o fluxo de fluido 202 resvala pela bola lisa em vez deseguir a superfície do hemisfério da bola oposto ao fluxo de fluido 202, cria-se uma grande área de ar turbulento ou esteira 206 atrás da bola 200. A fi-gura 2B mostra uma bola com pequenas depressões 210. Em vez de fluirem uma contínua camada de contorno laminado, ela tem um padrão micros-cópico de flutuações e fluxo de fluido randômico 212. Em resumo, uma ca-mada de contorno turbulento 214 tem melhor aros de roda; o que significaque no fluxo de fluido 212, neste exemplo, o ar agarra partes da bola compequenas depressões 210 e reduz a rotação quase como um pneumáticocom boa banda de rodagem que se agarra à estrada. O fluxo de fluido 212adequa-se à superfície do hemisfério da bola oposto à direção do fluxo defluido 212 criando uma área muito menor de ar turbulento ou esteira 216 a-trás da bola. O ar movimenta-se em torno da bola ainda antes de se separar,criando uma esteira menor 216 e muito menos arrasto enquanto o movimen-to de rotação enrola o fluxo de ar para gerar sustentação.

A figura 3 representa de forma gráfica o fenômeno acima descri-to, o qual dá à bola de golfe com pequenas depressões apenas cerca demetade do arrasto de uma bola lisa. O eixo Y do gráfico mostra a escala docoeficiente de arrasto 300 e o eixo χ mostra uma escala logarítmica de nú-mero de Reynolds 302. Uma bola de golfe perfeitamente lisa sem pequenasdepressões mover-se-ia em torno de 118,17 metros (130 jardas) quandogolpeada com um taco por um bom jogador, em razão do coeficiente de ar-rasto mais baixo em relação ao número de Reynolds apresentado como alinha de esfera lisa 304. Por outro lado, uma bola com pequenas depressõesbem projetadas, golpeada da mesma forma, movimentar-se-á cerca de265,17 metros (290 jardas) em razão do coeficiente de arrasto mais alto emrelação ao número de Reynolds apresentado como a linha da bola de golfe306.

O projeto de pequenas depressões tem mudado significativa-mente ao longo do tempo, de padrões randômicos, para linhas formafs, epara projetos intersticiais. A profundidade, o formato e a quantidade foramtodas muito variadas e testadas. Com relação ao número de pequenas de-pressões, à medida que se aumenta a quantidade de pequenas depressõeselas precisam ser menores para se encaixarem na área de superfície esco-lhida. Consequentemente, quando a quantidade aumenta, as pequenas de-pressões tornam-se menores e a superfície torna-se quase lisa e se compor-tará da mesma forma. Em consequencia, a resposta é um meio-termo.

Concluiu-se de modo geral que menos que cerca de 300 peque-nas depressões é muito pouco, e mais que cerca de 500 é demasiado, nocaso típico de uma bola de golfe. A maioria das bolas hoje no mercado con-verge assim para um meio caminho entre 350 e 450 pequenas depressões.As figuras 4A, 4B, 4C e 4D mostram projetos e distribuições de exemplo. Asfiguras 4A e 4B mostram uma bola com 392 pequenas depressões em umadisposição octaédrica 400 e 402. O octa-hedro baseia-se em um poli-hedrode oito lados com faces triangulares. As figuras 4C e 4D mostram uma bolacom 432 pequenas depressões em uma disposição icosa-hédrica 404 e 406.Conforme descrito neste documento, o padrão icosa-hédrico baseia-se emum poli-hedro com 20 faces triangulares idênticas, muito parecido com umdado de 20 lados.

Seria vantajosa uma densidade similar de pequenas depressõesem torno da periferia do módulo flutuante conforme mostrado na figura 5A. Afigura 5A mostra uma vista em planta de corte transversal do módulo flutuan-te 500 com uma pluralidade de depressões de superfície ou pequenas de-pressões 502 posicionadas em torno da superfície de uma forma a produzirmáxima redução de arrasto. Como mostrado na figura 5B, uma vista em ele-vação lateral parcial de um módulo flutuante 520, há numerosas pequenasdepressões 522 posicionadas em torno da superfície do módulo flutuante. Aspequenas depressões 502 e 522 quebram o fluxo de água em torno do mó-dulo flutuante e criam uma turbulência que reduz o arrasto no módulo flutu-ante 500 e 520. Isto reduz grandemente o desgaste e a ruptura do móduloflutuante e, conforme descrito neste documento, pode reduzir a turbulência ea vibração do módulo flutuante e do riser.Em uma modalidade alternativa, pequenas saliências podem sercolocadas simetricamente em torno da circunferência do riser, cada uma de-las tendo um padrão de pequenas depressões nas saliências. Dessa forma,as saliências agem como pequenos esferóides com depressões para alcan-çar o objetivo geral de quebrar o fluxo laminado e criar turbulências que pro-duzam efeitos hidrodinâmicos ampliados. Para obter o objetivo desejado, assaliências podem ter qualquer tamanho ou formato de uma variedade deles.

Essa solução pode ser usada em uma variedade de aplicaçõessubmarinas nas quais um significativo fluxo de água constitui-se em proble-ma que pode ser reduzido através da presente invenção, o que aumenta,assim, a vida útil do equipamento submarino. Da mesma forma que uma bo-la de golfe, ao se tornar ótima a quantidade e a formação das pequenas de-pressões, o arrasto pode ser reduzido e se diminui os efeitos erosivos dofluxo de água em torno do flutuador.

Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com umamodalidade preferencial, não se pretende limitar o escopo da invenção àforma apresentada, mas, pelo contrário, objetiva-se cobrir tais alternativas,modificações e equivalências que possam ser incluídas dentro do espírito eescopo da invenção conforme definidos pelas reivindicações.

Claims (15)

1. Riser que compreende:um componente geralmente cilíndrico adaptado para fixação auma válvula de segurança de uma plataforma de perfuração ou sonda a fimde proporcionar um duto em uma instalação de campo de petróleo; euma pluralidade de pequenas depressões de forma geral igual-mente espaçadas em torno da circunferência do dito componente, sendoque as ditas pequenas depressões se dispõem ao longo de uma extensãolongitudinal predeterminada do dito componente.

2. Riser de acordo com a reivindicação 1, em que as ditas pe-quenas depressões são dispostas em um padrão icosa-hédrico com baseem um poli-hedro de faces triangulares idênticas.

3. Riser de acordo com a reivindicação 1, em que as ditas pe-quenas depressões são dispostas em um padrão dodeca-hédrico com baseem um poli-hedro de faces pentagonais idênticas.

4. Riser de acordo com a reivindicação 1, em que as ditas pe-quenas depressões são dispostas em um padrão octa-hédrico com base emum poli-hedro de faces triangulares idênticas.

5. Riser de acordo com a reivindicação 1, em que as ditas pe-quenas depressões são endentadas em uma quantidade predeterminadarelativa ao raio do anel externo do dito componente.

6. Riser que compreende:um componente geralmente cilíndrico adaptado para fixação auma válvula de segurança de uma plataforma de perfuração ou sonda a fimde proporcionar um duto em uma instalação de campo de petróleo;e uma pluralidade de recortes dentados de forma geral espaça-dos igualmente em torno da circunferência do dito componente, sendo queos ditos recortes dentados se dispõem ao longo de uma extensão longitudi-nal predeterminada do dito componente.

7. Riser, de acordo com a reivindicação 6, que compreende ain-da pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na superfície dodito recorte dentado.

8. Riser de acordo com a reivindicação 6, que compreende ain-da:pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na su-perfície do dito recorte dentado; as ditas pequenas depressões dispostas emum formato icosa-hédrico com base em um poli-hedro com faces triangula-res idênticas.

9. Riser de acordo com a reivindicação 6, que compreende ain-da:pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na su-perfície do dito recorte dentado; as ditas pequenas depressões dispostas emum formato dodeca-hédrico com base em um poli-hedro com faces pentago-nais idênticas.

10. Riser1 de acordo com a reivindicação 6, que compreendeainda:pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na su-perfície do dito recorte dentado; as ditas pequenas depressões dispostas emum formato octa-hédrico com base em um poli-hedro com faces triangularesidênticas.

11. Riser que compreende:um componente geralmente cilíndrico adaptado para fixação auma válvula de segurança de uma plataforma de perfuração ou sonda a fimde proporcionar um duto em uma instalação de campo de petróleo; euma pluralidade de saliências de forma geral espaçadas igual-mente em torno da circunferência do dito componente, em que as ditas sali-ências se dispõem ao longo de uma extensão longitudinal predeterminadado dito componente.

12. Riser de acordo com a reivindicação 11, que compreendeainda:pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na su-perfície das ditas saliências.

13. Riser de acordo com a reivindicação 11, que compreendeainda:pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na su-perfície das ditas saliências; as ditas pequenas depressões dispostas em umpadrão icosa-hédrico com base em um poli-hedro com faces triangularesidênticas.

14. Riser de acordo com a reivindicação 11, que compreendeainda:pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na su-perfície das ditas saliências; as ditas pequenas depressões dispostas em umpadrão dodeca-hédrico com base em um poli-hedro com faces pentagonaisidênticas.

15. Riser de acordo com a reivindicação 11, que compreendeainda:pequenas depressões dispostas em um padrão simétrico na su-perfície das ditas saliências; as ditas pequenas depressões dispostas em umpadrão octa-hédrico com base em um poli-hedro com faces triangulares i-dênticas.