BRPI0905439A2

BRPI0905439A2 - dispositivo e método de geração de força submarina

Info

Publication number: BRPI0905439A2
Application number: BRPI0905439-1A
Authority: BR
Inventors: Ryan Gustafson
Original assignee: Hydril Usa Mfg Llc
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-21
Also published as: CA2686730A1; BRPI0905439B8; MY151819A; US20100155071A1; CA2686730C; SG182202A1; MX2009013453A; CN101748987A; US8602109B2; BRPI0905439B1; SG162704A1; AU2009245887A1; CN101748987B; AU2009245887B2; EP2199535A1; EP2199535B1

Abstract

DISPOSITIVO E MéTODO DE GERAçãO DE FORçA SUBMARINA. Trata-se de um método e dispositivo submerso em água para gerar uma força sob a água. O dispositivo inclui um recipiente de baixa pressão (60) configurado para conter um volume de um primeiro fluido em um volume de baixa pressão, uma entrada (62d) conectada ao recipiente de baixa pressão (60) e configurada para trocar um segundo fluido com um invólucro externo (36), e uma válvula (62) conectada ao invólucro externo (36) e à entrada (62d) e configurada para separar uma fonte de pressão no invólucro externo (36) do recipiente de baixa pressão. Quando a válvula (62) for aberta, de modo que haja uma comunicação de fluxo entre o invólucro externo (36) e o recipiente de baixa pressão (60), causa um desequilíbrio de pressão no invólucro externo (36) que gera a força e o segundo fluido do invólucro externo (36) entra no recipiente de baixa pressão (60) e comprime o primeiro fluido.

Description

"DISPOSITIVO E MÉTODO DE GERAÇÃO DE FORÇA SUBMARINA"

FundamentosCampo Da Técnica

As modalidades da matéria ora revelada referem-se,genericamente, a métodos e sistemas e, mais particularmente, a mecanismos etécnicas de geração de uma força submarina.

Discussão Dos Antecedentes

No decorrer dos últimos anos, com o aumento do preço decombustíveis fósseis, o interesse no desenvolvimento de novos campos deprodução aumentou substancialmente. Entretanto, a disponibilidade de camposde produção baseados em terra é limitada. Assim, a indústria estendeu agora aperfuração a locais offshore, que parecem conter uma grande quantidade decombustível fóssil.

As tecnologias existentes para extração do combustível fóssil decampos offshore utilizam um sistema 10 como mostrado na Figura 1. Maisespecificamente, o sistema 10 inclui uma embarcação 12 que possui umabobina 14 que fornece cabos de energia/comunicação 16 a um controlador 18.Uma bobina Mux pode ser usada para transmitir energia e comunicação.Alguns sistemas possuem enroladores de mangueira para transmitir fluido sobpressão ou um tubo resistente (conduto rígido) para transmitir o fluido sobpressão ou ambos. Outros sistemas podem possuir uma mangueira comcomunicação ou linhas (piloto) para fornecer e operar funções debaixo daágua. Entretanto, uma característica comum desses sistemas é suaprofundidade de operação limitada. O controlador 18, que será discutido maisadiante nesse documento, fica disposto no fundo do mar, próximo ou no leitodo mar 20. Nesse aspecto, observa-se que os elementos mostrados na Figura1 não são representados em escala e nenhuma dimensão deve ser deduzida apartir da Figura 1.A Figura 1 também mostra uma cabeça de poço 22 do poçosubmarino e uma tubulação de produção 24 que entra no poço submarino. Nofinal da tubulação de produção 24 há uma sonda (não mostrada). Váriosmecanismos, também não mostrados, são empregados para girar a tubulaçãode produção 24, e implicitamente a sonda, para estender o poço submarino.

Entretanto, durante a operação de perfuração normal, podemocorrer eventos inesperados que poderiam danificar o poço e/ou oequipamento usado para perfuração. Tal evento é o fluxo descontrolado degás, petróleo ou outros fluidos do poço a partir de uma formação subterrâneadentro do poço. Tal evento é, às vezes, referido como "pancada" ou uma"explosão" e pode ocorrer quando a pressão de formação exceder a pressãoaplicada a essa pela coluna de fluido de perfuração. Esse evento é imprevisívele se nenhuma medida for tirada para impedir isso, o poço e/ou o equipamentoassociado pode ser danificado.

Outro evento que pode danificar o poço e/ou o equipamentoassociado é um ciclone ou um terremoto. Cada um desses fenômenos naturaispode danificar a integridade do poço e do equipamento associado. Por exemplo,devido aos fortes ventos produzidos por um ciclone na superfície do mar, aembarcação ou a plataforma que aciona o equipamento submarino começa a sedesviar resultando no rompimento dos cabos de energia/comunicação ou outroselementos que conectam o poço à embarcação ou plataforma. Outros eventos quepodem danificar a integridade do poço e/ou equipamento associado são possíveisconforme pode ser avaliado pelos versados na técnica.

Assim, um preventor de erupção (BOP) deve ser instalado naparte superior do poço para vedar o mesmo no caso de um dos eventos acimaestar ameaçando a integridade do poço. O BOP é convencionalmenteimplementado como uma válvula para impedir a liberação de pressão tanto noespaço anular entre o revestimento e o tubo de perfuração ou no furo aberto(ou seja, furo sem tubo de perfuração) durante as operações de perfuração oufinalização. A Figura 1 mostra BOPs 26 ou 28 que são controlados pelocontrolador 18, comumente conhecido como um POD. O controlador depreventor de erupção 18 controla um acumulador 30 para fechar ou abrir osBOPs 26 e 28. Mais especificamente, o controlador 18 controla um sistema deválvulas para abrir e fechar os BOPs. O fluido hidráulico, que é usado paraabrir e fechar as válvulas, é comumente pressurizado pelo equipamento sobrea superfície. O fluido pressurizado é armazenado em acumuladores sobre asuperfície e no fundo do mar para operar os BOPs. O fluido armazenado nofundo do mar em acumuladores também pode ser usado paraautocisalhamento e/ou para funções de suporte quando o controle do poço forperdido. O acumulador 30 pode incluir contêineres (recipientes) quearmazenam o fluido hidráulico sob pressão e fornecem a pressão necessáriapara abrir e fechar os BOPs. A pressão do acumulador 30 é transportada pormeio de tubo ou mangueira 32 para os BOPs 26 e 28.

Como entendido por um versado na técnica, em perfuração emáguas profundas, para superar as altas pressões hidrostáticas geradas pelaágua do mar na profundidade de operação dos BOPs, o acumulador 30 deveser inicialmente carregado a uma pressão acima da pressão submarinaambiente. Acumuladores típicos são carregados com nitrogênio, porém, àmedida que as pressões de pré-carga aumentam, a eficiência de nitrogêniodiminui acrescentando custos adicionais e peso, pois mais acumuladores sãoexigidos no fundo do mar para realizar a mesma operação na superfície. Porexemplo, um acumulador de 60 litros (L) na superfície pode possuir um volumeutilizável de 24 L na superfície, porém, a 3000 m de profundidade da água ovolume utilizável é menor que 4 L. Para mostrar que a pressão em águasprofundas é dispendiosa, o equipamento para fornecer a alta pressão évolumoso, visto que o tamanho dos recipientes que fazem parte do acumulador30 é grande, e a faixa de operação dos BOPs é limitada pela diferença depressão inicial entre a pressão de carga e a pressão hidrostática naprofundidade de operação.

Nesse aspecto, a Figura 2 mostra o acumulador 30 conectadoatravés da válvula 34 a um cilindro 36. O cilindro 36 pode incluir um pistão (nãomostrado) que se move quando uma primeira pressão em um lado do pistão formaior que uma segunda pressão no outro lado do pistão. A primeira pressãopode ser a pressão hidrostática mais a pressão liberada pelo acumulador 30enquanto a segunda pressão pode ser a pressão hidrostática. Portanto, o usode recipientes apertados para armazenar fluidos de alta pressão para operarum BOP torna a operação da plataforma offshore dispendiosa e exige amanipulação de partes grandes.

Ainda em relação á Figura 2, a válvula 34 pode ser fornecidaentre o acumulador 30 e o cilindro 36 para controlar o tempo de aplicação dapressão suplementar do acumulador 30. A pressão suplementar pode sergerada pelo acumulador 30, de acordo com uma modalidade exemplificativa,fornecendo, por exemplo, 16 garrafas de 300 L, sendo que cada umatransporta nitrogênio sob pressão. A Figura 3 mostra tal exemplo de umagarrafa 50. A Figura 3 mostra que uma garrafa 50 possui uma primeira câmara52 que inclui nitrogênio sob pressão e uma segunda câmara 54, separada poruma bexiga ou pistão 56 da primeira câmara 52. A segunda câmara 54 éconectada ao tubo 32 e inclui fluido hidráulico. Quando o controlador 18 instruio acumulador 30 a liberar sua pressão, cada garrafa 50 usa a pressão denitrogênio para mover a bexiga 56 em direção ao tubo 32 de modo que apressão suplementar seja fornecida através do tubo 32 até o cilindro 36.

Consequentemente pode ser desejado fornecer sistemas emétodos que evitam os problemas e desvantagens anteriormente descritos, ouseja, baixa eficiência, questões de segurança relacionadas às altas pressõesde pré-carga de superfície, tamanho e peso avantajados do acumulador, etc.

Descrição Resumida

De acordo com uma modalidade exemplificativa, há umdispositivo submerso em água para gerar uma força sob a água. O dispositivoinclui um recipiente de baixa pressão configurado para conter um volume deum primeiro fluido em um volume de baixa pressão; uma entrada conectada aorecipiente de baixa pressão e configurada para trocar um segundo fluido comum invólucro externo; e uma válvula conectada ao invólucro externo e àentrada e configurada para separar uma fonte de pressão no invólucro externodo recipiente de baixa pressão. Quando a válvula for aberta, de modo que hajauma comunicação de fluxo entre o invólucro externo e o recipiente de baixapressão, ocorre um desequilíbrio de pressão no invólucro externo que gera aforça e o segundo fluido do invólucro externo entra no recipiente de baixapressão e comprime o primeiro fluido.

De acordo com outra modalidade exemplificativa, há um métodode geração de uma força movendo um pistão dentro de um invólucro externode um dispositivo submerso na água, sendo que o pistão divide o invólucroexterno em uma câmara de fechamento e uma câmara de abertura e a câmarade abertura se comunica com um recipiente de baixa pressão através de umtubo dotado de uma válvula, sendo que a válvula separa uma fonte de pressãoem uma câmara de abertura do recipiente de baixa pressão, e o recipiente debaixa pressão contendo um volume de um primeiro fluido. O método incluiaplicar de uma primeira pressão às câmaras de fechamento e abertura, onde aprimeira pressão é gerada por um peso da água em uma determinadaprofundidade do dispositivo; aplicar uma segunda pressão ao primeiro fluido dorecipiente de baixa pressão, sendo que a segunda pressão é menor que aprimeira pressão; abrir a válvula entre a câmara de abertura e o recipiente debaixa pressão de modo que um segundo fluido da câmara de abertura se movadentro do recipiente de baixa pressão e comprima o primeiro fluido; e gerar aforça produzindo um desequilíbrio de pressão sobre o pistão.

Ainda de acordo com outra modalidade exemplificativa, há umdispositivo de ativação de preventor de erupção. O dispositivo inclui umrecipiente de baixa pressão configurado para conter um volume de um primeirofluido em um volume de baixa pressão; uma entrada conectada ao recipientede baixa pressão e configurada para trocar um segundo fluido com uminvólucro externo; uma válvula conectada ao invólucro externo e à entrada econfigurada para separar uma fonte de pressão no invólucro externo dorecipiente de baixa pressão; e ao menos um preventor de gaveta inclusiveconectado a um pistão do invólucro externo e configurado para receber a forçae fechar gavetas para cisalhar um tubo entre as gavetas, e um preventor deerupção anular conectado a um pistão do invólucro externo e configurado parareceber a força para vedar um furo de poço. Quando a válvula for aberta, demodo que haja uma comunicação de fluxo entre o invólucro externo e orecipiente de baixa pressão, ocorre um desequilíbrio de pressão no invólucroexterno que gera a força e o segundo fluido do invólucro externo entra norecipiente de baixa pressão e comprime o primeiro fluido.

Breve Descrição Das Figuras

Os desenhos em anexo, que estão incorporados e constituemuma parte do relatório descritivo, ilustram uma ou mais modalidades e,juntamente com a descrição, explicam essas modalidades. Nos desenhos:

A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma plataformaoffshore convencional;

A Figura 2 é um diagrama esquemático de um dispositivosubmerso na água para gerar uma força com base em um acumulador;

A Figura 3 é um diagrama esquemático de um recipiente paraproduzir pressão suplementar;A Figura 4 é um diagrama esquemático de um dispositivosubmerso na água para gerar uma força sem um acumulador de acordo comuma modalidade exemplificativa;

A Figura 5 é um gráfico que ilustra a dependência de umapressão relativa a um volume de um fluido dentro do dispositivo submerso deacordo com uma modalidade exemplificativa;

A Figura 6 é um diagrama esquemático de um dispositivosubmerso na água que ilustra várias pressões que atuam sobre o dispositivo;

A Figura 7 é um diagrama esquemático de um dispositivosubmerso na água para gerar uma força com base em um acumulador deacordo com uma modalidade exemplificativa;

A Figura 8 é um gráfico que ilustra várias dependências depressão com volume de acordo com as modalidades exemplificativas;

A Figura 9 é um diagrama esquemático de um dispositivosubmerso na água para gerar uma força de acordo com uma modalidadeexemplificativa;

A Figura 10 é um diagrama esquemático de um dispositivosubmerso na água para gerar uma força de acordo com outra modalidadeexemplificativa;

As Figuras 11A e B são diagramas esquemáticos de uma válvulaque conecta o BOP ao dispositivo submerso na água para gerar a força; e

A Figura 12 é um fluxograma que ilustra as etapas realizadas porum método para gerar uma força de acordo com uma modalidadeexemplificativa.

Descrição Detalhada

A seguinte descrição das modalidades exemplificativas se refereaos desenhos em anexo. As referências numéricas similares em desenhosdiferentes identificam os elementos similares ou parecidos. A seguintedescrição detalhada não limita a invenção. De preferência, o escopo dainvenção é definido pelas reivindicações em anexo. As modalidades a seguirsão discutidas, para simplicidade, em relação à terminologia e estrutura desistemas BOP. Entretanto, as modalidades que serão discutidas a seguir nãosão limitadas a esses sistemas, porém podem ser aplicadas a outros sistemasque exigem o fornecimento de força quando a pressão ambiente estiver altacomo em um ambiente submarino.

A referência ao longo do relatório descritivo a "uma modalidade"ou "qualquer modalidade" significa que um recurso, estrutura, ou característicaparticular descrito em conjunto com uma modalidade está incluído em aomenos uma modalidade do assunto descrito. Assim, o aspecto das frases "emuma modalidade" ou "em qualquer modalidade" em vários lugares ao longo dorelatório descritivo não está se referindo necessariamente à mesmamodalidade. Ademais, os recursos, estruturas ou características particularespodem ser combinados de qualquer maneira em uma ou mais modalidades.

Como discutido acima em relação à Figura 2, o acumulador 30 évolumoso devido à baixa eficiência de nitrogênio em altas pressões. Visto queos campos offshore ficam localizados cada vez mais profundos (no sentido deque a distância da superfície do mar até o leito do mar está se tornando cadavez maior), os acumuladores à base de nitrogênio se tornam menos eficazesdevido ao fato de que a diferença entre a pressão de carga inicial para apressão hidrostática local diminui para uma determinada carga inicial decâmara 52, assim, exigindo que o tamanho dos acumuladores aumente (énecessário utilizar 16 garrafas de 320 L), e aumentando o preço paraimplementar e manter os acumuladores.

De acordo com uma modalidade exemplificativa, uma novadisposição, como mostrado na Figura 4, pode ser usada para gerar a força F. AFigura 4 mostra um invólucro 36 que inclui um pistão 38 capaz de se moverdentro do invólucro 36. O pistão 38 divide o invólucro 36 em uma câmara 40,definida pelo cilindro 36 e o pistão 38. A câmara 40 é denominada câmara defechamento. O invólucro 36 também inclui uma câmara de abertura 42 comomostrado na Figura 4.

A pressão em ambas as câmaras 40 e 42 pode ser igual, ou seja,a pressão do mar (pressão ambiente). A pressão ambiente em ambas ascâmaras 40 e 42 pode ser obtida permitindo que a água do mar entrelivremente nessas câmaras. Assim, visto que não há diferença de pressão emcada lado do pistão 38, o pistão 38 está em repouso.

Quando for necessário que uma força seja fornecida para ativaruma peça do equipamento, a haste 44 associada ao pistão 38 deve sermovida. Isso pode ser obtido gerando um desequilíbrio de pressão sobre doislados do pistão 38.

Embora a modalidade exemplificativa, que é mostrada na Figura4, descreva como gerar a força submarina sem o uso dos acumuladores,entretanto, como será discutido posteriormente, de acordo com outramodalidade exemplificativa, os acumuladores ainda podem ser usados parafornecer a pressão suplementar. A Figura 4 mostra o invólucro 36 (que podeser um cilindro) que inclui o pistão 38 e uma haste 44 conectada ao pistão 38.

A câmara de abertura 42 pode ser conectada a um recipiente dearmazenamento de baixa pressão 60. Uma válvula 62 pode ser inserida entre acâmara de abertura 42 e o recipiente de baixa pressão 60 para controlar aspressões entre a câmara de abertura e o recipiente 60. O recipiente de baixapressão 60 pode incluir um pistão 61 que é colocado no recipiente de baixapressão 60 para deslizar dentro do recipiente de baixa pressão 60 de modo adividir um fluido compressível, dentro do recipiente de baixa pressão 60, doinvólucro 36. O recipiente de baixa pressão 60 pode incluir uma bexiga ou umelemento de vedação em vez do pistão 61. O fluido compressível (primeirofluido) pode ser, por exemplo, ar.

O recipiente de armazenamento de baixa pressão 60 podepossuir qualquer formato e pode ser feito de aço, ou qualquer material que sejacapaz de suportar as pressões da água do mar. Entretanto, a pressão inicialdentro do recipiente de baixa pressão é de cerca de 1 atm ou menos paraaprimorar a eficiência, quando o recipiente estiver no nível do mar. Após orecipiente ser reduzido para o leito do mar, a pressão dentro do recipiente podese tornar maior, visto que o nível do mar exerce uma alta pressão sobre asparedes do recipiente, assim, comprimindo o gás para dentro. Outros fluidos,exceto ar, podem ser usados para preencher o recipiente de baixa pressão.Entretanto, a pressão dentro do recipiente 60 é menor do que a pressãoambiente Pamb, que é aproximadamente 350 atm a 4000 m de profundidade.

Como mostrado na Figura 4, quando não houver a necessidadede fornecer a força, a pressão tanto nas câmaras de fechamento como deabertura é Pamb, enquanto a pressão dentro do recipiente 60 éaproximadamente Pr = 1 atm. Quando uma força aplicada à haste 44 forexigida para a atuação de uma peça do equipamento na plataforma, a válvula62 se abre de modo que a câmara de abertura 42 possa se comunicar com orecipiente de armazenamento de baixa pressão 60. As alterações de pressão aseguir ocorrem na câmara de fechamento 40, a câmara de abertura 42 e orecipiente 60. A câmara de fechamento 40 permanece na pressão ambientevisto que mais água do mar entra através do tubo 64 na câmara de fechamento40 à medida que o pistão 38 começa a se mover da esquerda para a direita naFigura 4. A pressão na câmara de abertura 42 diminui à medida que a baixapressão Pr se torna disponível através da válvula 42, ou seja, a água do mar(segundo fluido, que pode ser incompressível) da câmara de abertura 42 semove até o recipiente 60 para equalizar as pressões entre a câmara deabertura 42 e o recipiente 60. Assim, um desequilíbrio de pressão é causadoentre a câmara de fechamento 40 e a câmara de abertura 42 e essedesequilíbrio de pressão ativa o movimento do pistão 38.

A Figura 5 mostra um gráfico da pressão versus volume dacâmara de fechamento 40 e o recipiente 60. A pressão da câmara defechamento 40 permanece substancialmente constante (veja curva A)enquanto o volume da câmara de fechamento 40 se expande de um pequenovolume inicial, V1, para um volume final maior, V2, enquanto a pressão norecipiente 60 aumenta levemente de aproximadamente 1 atm devido ao líquidorecebido da câmara de abertura 42, como mostrado pela curva B.

Assim, de acordo com uma modalidade exemplificativa, umagrande força F é obtida sem utilizar nenhum recipiente carregado comnitrogênio em alta pressão. Portanto, o sistema mostrado na Figura 4proporciona vantajosamente uma solução de custo reduzido para gerar umaforça à medida que o recipiente de baixa pressão 60 é preenchido com, porexemplo, ar na superfície do nível do mar. Ademais, o dispositivo para gerar aforça pode possuir um tamanho pequeno visto que o tamanho do recipiente debaixa pressão é menor comparado com os acumuladores existentes. Em umamodalidade exemplificativa, o recipiente de baixa pressão pode ser umcontêiner de aço inoxidável que possui um volume de 250I. Outra vantagem dodispositivo mostrado na Figura 4 é a possibilidade de retroajustar facilmente asplataformas de águas profundas existentes com tal dispositivo.

De acordo com uma modalidade exemplificativa mostrada naFigura 6, um exemplo numérico é fornecido para avaliar a eficácia do recipientede baixa pressão 60. O exemplo mostrado na Figura 6 não pretende limitar asmodalidades exemplificativas, porém apenas oferecer ao leitor um melhorentendimento da força gerada pelo recipiente de baixa pressão 60. A Figura 6mostra o invólucro 36 que inclui o pistão 38 com as várias pressões atuandosobre esse. Mais especificamente, a pressão na câmara de fechamento 40 éPamb, a pressão na câmara de abertura é Patm, quando a câmara de abertura42 se comunicar com o recipiente de baixa pressão 60, e a pressão que atuasobre a haste 44 for Pmud, que é a pressão de coluna ou pressão de furo depoço dependendo da aplicação. A força líquida Fnet, que é calculada nesseexemplo, é constante ao longo de todo o curso do pistão. Isso é diferente dosdispositivos convencionais onde a força diminui à medida que o pistão noacumulador se move devido à pressão perdida à medida que o gás nitrogêniose expande. De preferência, uma pressão constante poderia garantirpressão/força suficientes para cortar o tubo de perfuração quando necessário.

Supondo que Pamb seja 4.500 psi, Patm seja 14.5 psi, Pmud seja15.000 psi, D1 seja 22 in, e D2 seja 5,825 in, a força líquida Fnet é determinadapor:

Fnet= Pamb(tt/4)(D1 )2 - Patm(tt/4)[(D1)2 - (D2)2] - Pmud(tt/4)(D2)2 = 1.298.850 Ibf

Supondo que Patm seja 4.500 psi, a força de abertura líquida Fneté -284.639 lbf. De acordo com uma modalidade exemplificativa, a pressãoambiente (alta pressão) pode estar entre 200 e 400 atm e a Patm ( baixapressão) pode estar entre 0,5 e 10 atm.

De acordo com outra modalidade exemplificativa, o recipiente debaixa pressão 60 pode ser usado em conjunto com acumuladores à base denitrogênio como mostrado na Figura 7. A câmara de fechamento 40 doinvólucro 36 é conectada não só à água do mar através do tubo 64 comotambém ao acumulador 30 que é capaz de fornecer pressão suplementar.Quando apropriado, condições são obtidas, uma válvula 66 pode fechar ofornecimento de água do mar à câmara de fechamento 40 e a válvula 46 podeser aberta para permitir que a pressão suplementar do acumulador 30 atinja acâmara de fechamento 40. De acordo com uma modalidade exemplificativa, olíquido hidráulico do acumulador 30 se mistura com a água do mar a partir dacâmara de fechamento 40. De acordo com outra modalidade exemplificativa,outro pistão (não mostrado) separa o líquido hidráulico do acumulador 30 daágua do mar dentro da câmara de fechamento 40. Opcionalmente, a válvula 66se abre quando a pressão no acumulador 30 se torna menor do que um limitepré-ajustado. A variação de pressão como uma função de volume doacumulador 30 é ilustrada pelo formato de C na Figura 8. Assim, a pressãosuplementar (curva C) diminui à medida que o pistão 38 se move, produzindouma força suplementar decrescente sobre a haste 44. O perfil de curva C édeterminado por uma equação apropriada de estado para o gás particularusado no acumulador 30, dependendo se a temperatura ou transferência decalor for considerada constante ou desprezível, ou seja, se a alteração deestado do gás for isotérmica ou adiabática, respectivamente.

Entretanto, como um versado na técnica conhece, o produto depressão e volume de um gás ideal é proporcional à temperatura de gás, comoilustrado pela curva C na Figura 8. Assim, em um acumulador convencional,quando a pressão dos recipientes for liberada a um dispositivo específico, apressão diminui à medida que o volume aumenta. Em contrapartida, a pressãona câmara de fechamento 40 não se altera inversamente proporcional com oaumento de volume dessa câmara como mostrado pela curva A na Figura 5, ouseja, a pressão permanece substancialmente constante quando o volume dacâmara de fechamento 40 aumenta.

Entretanto, quando a pressão suplementar do acumulador 30 forcombinada com a baixa pressão do recipiente de baixa pressão 60, a pressãoexercida sobre o pistão 38 da câmara de fechamento 40 possui o perfilmostrado pela curva D na Figura 8, ou seja, uma alta pressão que diminuilevemente com o movimento do pistão 38. De acordo com uma modalidadeexemplificativa, a pressão do acumulador 30, PAc> pode ser liberada após orecipiente de armazenamento de baixa pressão 60 ser ativado, produzindoassim o perfil de pressão mostrado pela curva E na Figura 8. Observa-se quede acordo com esse perfil, a pressão na câmara de fechamento é Pamb após aválvula 62 ser aberta e aumentar para Pamb + Pac quando a pressãosuplementar do acumulador 30 se tornar disponível.

O pico na pressão mostrado na Figura 8 no perfil E pode servantajoso, como discutido a seguir. Retornando para a Figura 1, o BOP émostrado incluindo dois elementos 26 e 28. O elemento 28 pode ser umpreventor de erupção anular enquanto o elemento 26 pode ser um preventor degaveta. O preventor de erupção anular 28 é uma válvula, que pode serinstalada acima do preventor de gaveta 26 para vedar o espaço anular entre otubo e o furo do poço ou, se nenhum tubo estiver presente, o próprio furo depoço. O preventor de erupção anular não corta (cisalha) as linhas ou tubospresentes no furo do poço, porém apenas veda o poço. Entretanto, se opreventor de erupção anular não conseguir vedar o furo do poço ou não forsuficiente, o preventor de gaveta pode ser ativado.

O preventor de gaveta usa gavetas para vedar a pressão em umfuro que possui ou não um tubo. Se o furo incluir um tubo, o preventor degaveta precisa de força suficiente para cisalhar (cortar) o tubo e quaisquercabos que podem estar próximos ou dentro do tubo de modo que o poço sejacompletamente fechado, para impedir a liberação de pressão para a atmosfera.

Assim, os dispositivos de fornecimento de força discutidos nasmodalidades exemplificativas podem ser usados para fornecer a forçanecessária ao preventor de erupção anular, o preventor de gaveta, ambos, etc.Outras aplicações da força que fornecem modalidades exemplificativas podemser previstas por um versado na técnica, como, por exemplo, aplicar a força aqualquer válvula submarina sobre o conjunto BOP ou árvores de produção.

Várias válvulas e pilotos podem ser adicionadas entre cadacâmara e o recipiente de baixa pressão 60 e/ou acumulador 30 como seráavaliado pelos versados na técnica. Dois diagramas exemplificativos quemostram a implementação do recipiente de baixa pressão 60 são mostradosnas Figuras 9 e 10. Entretanto, esses exemplos pretendem facilitar oentendimento do leitor e não limitar as modalidades exemplificativas. A Figura 9mostra o cilindro 36 conectado ao tubo 64 e o recipiente de baixa pressão 60através da válvula 62. A válvula 62 é conectada a uma válvula de êmbolo 68que é conectada a um acumulador piloto 70. O acumulador piloto 70 pode ser,por exemplo, um recipiente de 2,5 L. O acumulador piloto 70 pode serconectado, através de um acoplador 72 a um piloto de válvula deautocisalhamento 74 e um piloto de ativação de autocisalhamento 76. Umaporta I é fornecida para conectar a linha 64 à água do mar e uma porta Il éconectada ao acoplador 72 e a um piloto de desativação de autocisalhamento.Em outra modalidade exemplificativa mostrada na FiguraIO1 a válvula deêmbolo 68 é substituída por uma válvula que é conectada ao piloto de válvula 74.

A válvula 62 é discutida em mais detalhes em relação às Figuras11A e Β. A Figura 11A mostra o invólucro 36 conectado ao recipiente de baixapressão 60 através de uma válvula corrediça 67 e a válvula 62. A válvulacorrediça 67 pode ser um tipo de inclinação de mola para impedir o ingresso deágua do mar e manter a posição correta de passagem. A válvula 62 (que éproduzida junto à Hydril, Houston, Texas, US) pode ser uma válvula trifásica de2 posições que é carregada por mola para manter sua posição. Comomostrado na Figura 11 A, a câmara de abertura 42 é conectada a uma porta deventilação 62a na válvula 62 que é sempre aberta para a água do mar.

Entretanto, a porta 62b da válvula 62, que é conectada ao recipiente de baixapressão 60, é bloqueada para manter a pressão baixa no recipiente de baixapressão 60. Quando atuado por um piloto externo (não mostrado), um carreteiinterno da válvula se move comprimindo a mola 62c, bloqueando a porta deventilação 62a, e abrindo a câmara de abertura 42 para o recipiente de baixapressão 60. Após a válvula 62 ser orientada pelo piloto externo como mostradona Figura 11B1 onde uma comunicação livre é permitida entre a câmara deabertura 42 e o recipiente de baixa pressão 60. O elemento 62e mostrado naFigura 11A bloqueia a porta de ventilação 62a na Figura 10B.

De acordo com uma modalidade exemplificativa, ilustrada naFigura 12, há um método para gerar uma força movendo um pistão dentro deum invólucro externo de um dispositivo submerso em água, sendo que o pistãodivide o invólucro externo em uma câmara de fechamento e uma câmara deabertura e a câmara de abertura se comunica com um recipiente de baixapressão através de um tubo que possui uma válvula, sendo que a válvulasepara uma fonte de pressão na câmara de abertura do recipiente de baixapressão, e o recipiente de baixa pressão contendo um volume de um primeirofluido. O método inclui uma etapa 1200 de aplicação de uma primeira pressãoàs câmaras de fechamento e abertura, onde a primeira pressão é gerada porum peso da água em uma determinada profundidade do dispositivo, uma etapa1210 de aplicação de uma segunda pressão ao primeiro fluido do recipiente debaixa pressão, sendo que a segunda pressão é menor que a primeira pressão,uma etapa 1220 de abertura da válvula entre a câmara de abertura e orecipiente de baixa pressão de modo que um segundo fluido da câmara deabertura se mova para dentro do recipiente de baixa pressão e comprima oprimeiro fluido, e uma etapa 1230 de geração da força produzindo umdesequilíbrio de pressão sobre o pistão.

De acordo com uma modalidade exemplificativa, um ou maissensores de pressão podem ser inseridos no recipiente de baixa pressão 60para monitorar sua pressão. Quando o sensor de pressão determinar que apressão dentro do recipiente 60 está longe de 1 atm, o operador da plataformaé informado desse fato de modo que o operador possa contar com outrogerador de força para fechar o preventor de gaveta no caso de umaemergência ou para substituir o recipiente 60. Alternativamente, o recipiente 60pode ser proporcionado com um equipamento hidráulico (não mostrado) queinicia o bombeamento da água para fora do recipiente quando o sensorperceber que a pressão dentro do recipiente está acima de um determinadolimite. Em outra modalidade exemplificativa, o equipamento hidráulico podebombear a água para fora do recipiente 60 após a válvula 62 ser aberta e opreventor de gaveta ser fechado. Observa-se que após o recipiente 60 serpreenchido com água esse não pode ser usado para gerar a força, a menosque a baixa pressão seja restabelecida dentro do recipiente 60.

De acordo com outra modalidade exemplificativa, mais de umrecipiente 60 pode ser usado tanto de maneira simultânea como seqüencial, ouuma combinação dessas. Ademais, ao menos um recipiente 60 pode serconectado a um dispositivo que esvazia o recipiente 60 da água do mar após aválvula 62 ser aberta e a água do mar entrar no recipiente. Assim, de acordocom essa modalidade, o recipiente 60 pode ser reutilizado múltiplas vezes.

De acordo com outra modalidade exemplificativa, a diferença depressão entre (i) a pressão da água do mar a 2000 a 4000 m na câmara defechamento e (ii) a pressão atmosférica dentro do recipiente 60 gera uma forçaadequada para fechar o preventor de gaveta. Entretanto, se o leito do mar formais fundo que 4000 m do nível do mar, adaptadores (por exemplo, válvulas deredução de pressão) podem ser usados para reduzir a diferença de pressão demodo que o preventor de gaveta não seja danificado pela diferença de pressãoexcessiva. Em contrapartida, se o leito do mar estiver situado a menos de 2000m da superfície do mar, a diferença de pressão pode não ser suficiente paracriar força suficiente para fechar o preventor de gaveta. Assim, de acordo comuma modalidade exemplificativa, os acumuladores podem ser usados parasuplementar a pressão hidrostática. Entretanto, mesmo que nenhumacumulador seja usado, a força pode ser gerada desde que haja uma diferençade pressão entre a câmara de abertura e o recipiente de armazenamento debaixa pressão.

As modalidades exemplificativas descritas fornecem um sistema eum método para gerar uma força no fundo do mar com um consumo reduzidode energia e em um baixo custo. Deve ser entendido que essa descrição nãopretende limitar a invenção. Em contrapartida, as modalidades exemplificativaspretendem abranger alternativas, modificações e equivalentes, que estãoincluídas no espírito e escopo da invenção como definido pelas reivindicaçõesem anexo. Ademais, na descrição detalhada das modalidades exemplificativas,inúmeros detalhes específicos são apresentados para proporcionar um amploentendimento da invenção reivindicada. Entretanto, um versado na técnicapoderia entender que várias modalidades podem ser praticadas sem taisdetalhes específicos.

Embora as características e elementos das presentesmodalidades exemplificativas sejam descritas nas modalidades emcombinações particulares, cada característica ou elemento pode ser usadoseparadamente ou em várias combinações com ou sem outras característicase elementos descritos aqui.

Essa descrição escrita usa exemplos para descrever a invenção,inclusive o melhor modo, e também para permitir que qualquer versado natécnica pratique a invenção, inclusive criando e utilizando qualquer dispositivoou sistema e realizando qualquer método incorporado. O escopo patenteávelda invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplossugeridos pelos versados na técnica. Tais outros exemplos pretendem estardentro do escopo das reivindicações e se esses possuírem elementosestruturais que não se diferem da linguagem literal das reivindicações, ou seesses incluírem elementos estruturais equivalentes com diferençasinsubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Claims

1. DISPOSITIVO SUBMERSO EM ÁGUA PARA GERARUMA FORÇA SOB A ÁGUA, sendo que o dispositivo é caracterizado pelo fatode que compreende:um recipiente de baixa pressão (60) configurado para conter umvolume de um primeiro fluido em uma baixa pressão;uma entrada (62d) conectada ao recipiente de baixa pressão (60)e configurada para trocar um segundo fluido com um invólucro externo (36); euma válvula conectada (62) ao invólucro externo (36) e à entrada(62d) e configurada para separar uma fonte de pressão no invólucro externo(36) do recipiente de baixa pressão (60),em que quando a válvula (62) for aberta, de modo que haja umacomunicação de fluxo entre o invólucro externo (36) e o recipiente de baixapressão (60), ocorre um desequilíbrio de pressão no invólucro externo (36) quegera a força e o segundo fluido do invólucro externo (36) entra no recipiente debaixa pressão (60) e comprime o primeiro fluido.

2. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,que compreende adicionalmente:um pistão (61) posicionado no recipiente de baixa pressão (60) econfigurado para deslizar dentro do recipiente de baixa pressão (60) paradividir o primeiro fluido do invólucro externo (36) de modo que o segundo fluidodo invólucro externo (36) seja separado do primeiro fluido.

3. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,que compreende adicionalmente:uma bexiga (61) posicionada no recipiente de baixa pressão (60)e configurada como uma barreira para dividir o recipiente de baixa pressão (60)do invólucro externo (36) de modo que o segundo fluido do invólucro externo(36) seja separado do primeiro fluido.

4. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,que compreende adicionalmente:um elemento de metal de vedação (61) posicionado no recipientede baixa pressão (60) e configurado como uma barreira para dividir o recipientede baixa pressão (60) do invólucro externo (36) de modo que o segundo fluidodo invólucro externo (36) seja separado do primeiro fluido.

5. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,que compreende adicionalmente:o invólucro externo (36); eum preventor de gaveta (26) conectado a um pistão (38)posicionado no invólucro externo (36) e configurado para receber a força efechar as gavetas para cisalhar um tubo entre as gavetas.

6. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,compreendendo adicionalmente:o invólucro externo (36); eum preventor de erupção anular (28) conectado a um pistão (38)posicionado no invólucro externo (36) e configurado para receber a força demodo a vedar um furo de poço (24).

7. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,compreendendo adicionalmente:o invólucro externo (36); eum acumulador (30) conectado a uma câmara de fechamento (40)do invólucro externo (36) e configurado para fornecer uma pressãosuplementar à câmara de fechamento (40).

8. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,compreendendo adicionalmente:o invólucro externo (36); euma unidade de controle (74, 76) configurada para ativar a válvula(62) de modo que uma câmara de abertura (42) do invólucro externo (36) secomunique através de um fluxo com o recipiente de baixa pressão (60).

9. DISPOSITIVO DE ACORDO COM A REIVINDICAÇÃO 1,em que o invólucro (36) é um cilindro e o primeiro fluido é compressível.

10. MÉTODO DE GERAÇÃO DE UMA FORÇA AO MOVERUM PISTÃO (38) DENTRO DE UM INVÓLUCRO EXTERNO (36) DE UMDISPOSITIVO SUBMERSO EM ÁGUA, sendo que o pistão (38) divide oinvólucro externo (36) em uma câmara de fechamento (40) e uma câmara deabertura (42) e a câmara de abertura (42) se comunica com um recipiente debaixa pressão (60) através de um tubo que possui uma válvula (62), sendo quea válvula (62) separa uma fonte de pressão na câmara de abertura (42) dorecipiente de baixa pressão (60), e o recipiente de baixa pressão (60) quecontém um volume de um primeiro fluido, sendo que o método é caracterizadopelo fato de que compreende:aplicar uma primeira pressão às câmaras de fechamento (40) eabertura (42), onde a primeira pressão é gerada por um peso da água em umadeterminada profundidade do dispositivo;aplicar uma segunda pressão ao primeiro fluido do recipiente debaixa pressão (60), sendo que a segunda pressão é menor que a primeirapressão;abrir a válvula (62) entre a câmara de abertura (42) e o recipientede baixa pressão (60) de modo que um segundo fluido da câmara de abertura(42) se mova para dentro do recipiente de baixa pressão (60) e comprima oprimeiro fluido; egeração de força, produzindo um desequilíbrio de pressão sobre opistão (38).

11. DISPOSITIVO DE ATIVAÇÃO DE PREVENTOR DEERUPÇÃO, caracterizado pelo fato de que compreende:um recipiente de baixa pressão (60) configurado para conter umvolume de um primeiro fluido em uma baixa pressão;uma entrada (62d) conectada ao recipiente de baixa pressão (60)e configurada para trocar um segundo fluido com um invólucro externo (36);uma válvula (62) conectada ao invólucro externo (36) e à entrada(62d) e configurada para separar uma fonte de pressão no invólucro externo(36) do recipiente de baixa pressão; eao menos um entreum preventor de gaveta (26) conectado a um pistão (38) do invólucroexterno (36) e configurado para receber a força e fechar as gavetas paracisalhar um tubo entre as gavetas, ouum preventor de erupção anular (28) conectado a um pistão (38)do invólucro externo (36) e configurado para receber a força de modo a cisalharum furo de poço (24),em que quando a válvula (62) for aberta, de modo que haja umacomunicação de fluxo entre o invólucro externo (36) e o recipiente de baixapressão (60), causa um desequilíbrio de pressão no invólucro externo (36) quegera a força e o segundo fluido do invólucro externo (36) entra no recipiente debaixa pressão (60) e comprime o primeiro fluido.