BRPI0916400B1 - instalação de coluna ascendente e processo de colocação no lugar de uma instalação de coluna ascendente - Google Patents
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Abstract
instalação de coluna ascendente e processo de colocação no lugar de uma instalação de coluna ascendente nesta instalação de coluna ascendente produzida com um conduto flexível (10 de tipo não ligado, o conduto (1) é disposto verticalmente entre /por um lado uma conexão mecânica (7) no topo em uma instalação de superfície (3) e por outro lado uma conexão mecânica (6, 6, 6) no pé com o fundo marinho (5), conexões fluídicas sendo previstas no topo e no pé para ligar a coluna ascendente por um lado com equipamentos de superfície e por outro lado com equipamentos de fundo (2); o pé da coluna está a pelo menos 1000 m de profundidade onde ele é submetido a um efeito de fundo inverso máximo calculável f e meios tensores (8) impõem no pé da coluna ascendente uma tensão de reação t superior a pelo menos 50%, e mesmo 100% do efeito de fundo inverso máximo calculável f desenvolvido no pé de coluna.
Description
“INSTALAÇÃO DE COLUNA ASCENDENTE E PROCESSO DE COLOCAÇÃO NO LUGAR DE UMA INSTALAÇÃO DE COLUNA ASCENDENTE” [0001] A presente invenção se refere a uma instalação de conduto ascendente flexível de transporte de hidrocarbonetos ou de outros fluidos sob alta pressão, e a um processo de realização de uma tal instalação.
[0002] Os condutos flexíveis de transporte dos hidrocarbonetos, que se opõem aos condutos rígidos, já são bem conhecidos, e eles compreendem geralmente do interior para o exterior do conduto, uma carcaça metálica, para compensar os esforços radiais de esmagamento, recoberta por uma bainha de estanqueidade interna feita de polímero, uma abóbada de pressão para resistir à pressão interna do hidrocarboneto, mantas de armadura de tração para compensar os esforços de tensão axial e uma bainha externa feita de polímero para proteger o conjunto do conduto e notadamente para impedir que a água do mar penetre em sua espessura. A carcaça metálica e a abóbada de pressão (em inglês “pressure vault”) são constituídas por elementos longitudinais enrolados com passo curto, e elas conferem ao conduto sua resistência aos esforços radiais enquanto que as mantas de armadura de tração (em inglês “tensile armour layers”) são constituídas por fios geralmente metálicos enrolados de acordo com passos longos de modo a compensar os esforços axiais. Deve ser notado que no presente pedido, a noção de enrolamento com passo curto designa qualquer enrolamento helicoidal de acordo com um ângulo de hélice próximo de 90°, tipicamente compreendido entre 75° e 90°. A noção de enrolamento com passo longo recobre no que lhe diz respeito os ângulos de hélice inferiores a 55°, tipicamente compreendidos entre 25° e 55° para as mantas de armadura de tração.
[0003] Esses condutos são destinados ao transporte dos hidrocarbonetos notadamente nos fundos marinhos e isso, a grandes profundidades. Mais precisamente, eles são ditos de tipo não ligado (em inglês “unbounded”) e eles são assim descritos nos documentos normativos publicados pelo American Petroleum Institute (API), API 17J e API RP 17B.
[0004] Quando um conduto não ligado, qualquer que seja sua estrutura, é
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2/19 submetido a uma pressão externa que é maior do que a pressão interna, se produzem na parede do conduto esforços de compressão orientados paralelamente ao eixo do conduto e que tendem a encurtar o comprimento do conduto. Esse fenômeno leva o nome de efeito de fundo inverso (“reverse end cap efect” em inglês). A intensidade dos esforços de compressão axial é substancialmente proporcional à diferença entre a pressão externa e a pressão interna. Essa intensidade pode atingir um nível muito elevado no caso de um conduto flexível não ligado imerso em grande profundidade, devido ao fato de que a pressão interna pode, em certas condições, ser muito inferior à pressão hidrostática.
[0005] No caso de um conduto flexível de estrutura clássica, por exemplo de acordo com os documentos normativos do API, o efeito de fundo inverso tem tendência a induzir um esforço longitudinal de compressão nos fios que constituem as mantas de armadura de tração, e a encurtar o comprimento do conduto flexível. Além disso, o conduto flexível é também submetido a solicitações dinâmicas de flexão notadamente por ocasião da instalação ou em serviço no caso de um conduto ascendente (“riser” em língua inglesa), quer dizer de um conduto que faz a ligação entre uma instalação de superfície ao nível do mar ou em sua proximidade, e uma instalação no fundo do mar. O conjunto dessas tensões pode fazer os fios das mantas de armadura de tração sofrerem uma flambagem e desorganizar de modo irreversível as mantas de armadura de tração, provocando assim a ruína do conduto flexível.
[0006] Foram procuradas, portanto, melhorias estruturais dos condutos flexíveis para aumentar a resistência das mantas de armadura à compressão axial.
[0007] Assim, o documento WO 03/083343 descreve uma tal solução que consiste em enrolar em torno das mantas de armadura de tração fitas reforçadas por exemplo de fibras aramidas. Dessa maneira limita-se e controla-se a dilatação das mantas de armadura de tração. No entanto se essa solução permite resolver os problemas ligados à flambagem radial dos fios que constituem as mantas de armadura de tração, ela permite somente limitar o risco de flambagem lateral dos ditos fios que perdura.
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3/19 [0008] O documento WO 2006/042939 descreve uma solução que consiste em utilizar fios que apresentam uma grande relação largura sobre espessura e em reduzir o número total de fios que constituem cada manta de armadura de tração. No entanto, se essa solução reduz o risco de flambagem lateral das mantas de armadura de tração, ela não o suprime totalmente.
[0009] O pedido FR 2 904 993 em nome da Requerente faz conhecer uma solução que consiste em acrescentar ao interior da estrutura do conduto flexível uma camada tubular de bloqueio axial. Essa camada é projetada para compensar os esforços de compressão axial e limitar o encurtamento do conduto, o que permite evitar danificar as mantas de armadura de tração.
[0010] Essas soluções são eficazes, mas apresentam um certo número de restrições, notadamente financeiras, que levam a desejar soluções alternativas, pelo menos em casos específicos, e notadamente no caso especial dos condutos ascendentes.
[0011] São conhecidas diferentes configurações de condutos flexíveis ascendentes. As configurações mais correntes são representadas na figura 4 do documento normativo “API RP 17B; Recommended Practice for Flexible Pipes; Third Edition; March 2002”. Elas são conhecidas pelo profissional sob os nomes “Free Hanging”, “Steep S”, “Lazy S”, “Steep Wave” e “Lazy Wave”. Uma outra configuração conhecida sob o nome de “Pliant Wave ®” é descrita na patente US 4 906 137.
[0012] Nas configurações “Steep S”, “Lazy S”, “Steep Wave”, “Lazy Wave” e “Pliant Wave ®, o conduto flexível ascendente é sustentado, a uma profundidade intermediária entre o fundo e a superfície, por um ou vários órgãos de flutuabilidade positiva, de tipo arco ou bóia submarina. Isso confere ao conduto flexível ascendente uma geometria em forma de S ou de onda, o que permite que ele suporte os movimentos verticais da instalação de superfície sem gerar curvaturas excessivas do dito conduto, especialmente na zona situada na proximidade do fundo marinho, as ditas curvaturas excessivas sendo por outro lado suscetíveis de danificar o dito conduto. Essas configurações são geralmente reservadas às aplicações dinâmicas a uma profundidade inferior a 500 m.
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4/19 [0013] Na configuração “Free Hanging”, o conduto flexível ascendente é disposto em catenária entre o fundo marinho e a instalação de superfície. Essa configuração apresenta a vantagem da simplicidade, mas o inconveniente de ser mal adaptada às aplicações dinâmicas de pouca profundidade, em razão das variações de curvatura excessivas que podem ser geradas na proximidade do fundo marinho. No entanto, essa configuração é correntemente utilizada para as aplicações em grande profundidade, quer dizer a mais de 1000 m, e mesmo de 1500 m. De fato, nessas condições, a amplitude relativa dos movimentos de suporte flutuante, e mais especialmente dos movimentos verticais ligados ao vagalhão, permanece muito inferior ao comprimento da catenária, o que limita a amplitude das variações de curvatura na proximidade do fundo marinho e permite controlar os riscos de fadiga do conduto. No entanto, para garantir a resistência do conduto flexível ao efeito de fundo inverso, que pode nessas grandes profundidades atingir um nível muito grande, a estrutura do conduto deve ser dimensionada de acordo com as técnicas conhecidas precitadas, o que leva a soluções complexas e custosas.
[0014] São conhecidas também colunas ascendentes hibridas que utilizam ao mesmo tempo condutos rígidos e condutos flexíveis. Assim, os documentos FR 2 507 672, FR 2 809 136, FR 2 876 142, GB 2 346 188, WO 00/49267, WO 02/053869, WO 02/063128, WO 02/066786 e WO 02/103153 divulgam uma coluna ascendente de tipo torre hibrida conhecida pelo profissional sob o nome de “Hybrid Rise Tower”. Um ou vários condutos rígidos se elevam ao longo de uma torre substancialmente vertical a partir do fundo marinho até uma profundidade próxima da superfície, profundidade a partir da qual um ou vários condutos flexíveis asseguram a ligação entre o topo da torre e o suporte flutuante. A torre é munida de meios de flutuabilidade para permanecer na posição vertical. Essas torres hibridas são principalmente utilizadas para aplicações em grande profundidade. Elas apresentam o inconveniente de ser difíceis de instalar. Em especial, a instalação no mar do segmento rígido necessita geralmente de meios de elevação muito potentes.
[0015] São conhecidas também colunas ascendentes rígidas em catenária, chamadas SCR (“Steel Catenary Riser”, coluna ascendente de aço em catenária).
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Essas colunas formadas por tubos metálicos são mais simples e geralmente menos custosas do que as colunas flexíveis. No entanto elas suportam menos bem as solicitações dinâmicas e são na prática reservadas para os suportes flutuantes muito estáveis tais como aqueles conhecidos na profissão sob os nomes de SPAR (cf. notadamente US 6648074 e US 7377225), as TLP (“Tension Leg Plataform”) ou as plataformas semi-submersíveis de grande calado (“Deep Draft Semi Submersible Plataform”) como as EDP (“Extendable Draft Plataform”, cf. notadamente US 6024040 e US 6718901). Essas plataformas de perfuração e de produção, devido à estabilidade das mesmas, permitem desviar para a superfície os manifolds (solução dita “dry tree”). No caso de suportes flutuantes de tipo navio (FPSO “Floating Production Storage and Offloading”) ou plataforma semi-submersível padrão, os movimentos induzidos pelo vagalhão e pelas ondas são maiores e prefere-se geralmente nesse caso dispor os manifolds no fundo marinho (solução dita “wet tree”) e utilizar uma coluna ascendente que compreende pelo menos um segmento de conduto flexível em uma das zonas solicitadas em flexão dinâmicas. Condutos ascendentes clássicos 100% flexíveis (catenária, Lazy S, Lazy Wave, Steep S, Steep Wave, Pliant Wave ®) mas também as “Tower Risers” (condutos flexíveis que ligam o topo da torre rígida ao FPSO) e os condutos híbridos em três partes flexívelrígido-flexível, como aqueles descritos em EP 1078144.
[0016] Mas até agora, não se conhece uma instalação de conduto ascendente produzida em conduto flexível não ligado disposta verticalmente entre uma instalação de superfície e um fundo marinho e que possa resistir eficazmente ao efeito de fundo inverso nas utilizações em mar profundo (quer dizer tipicamente a mais de 1000 m, e mesmo 1500 m ou 2000 m), sem recorrer a modificações estruturais onerosas do conduto. Nessas grandes profundidades, o efeito de fundo se manifesta com uma amplitude muito grande em razão da importância da pressão hidrostática. Quando em uma instalação de transporte de hidrocarbonetos, notadamente sob a forma gasosa, a produção é interrompida, por exemplo fechando-se uma válvula, a pressão interior dentro do conduto pode cair e a diferença entre a pressão hidrostática exterior elevada e a pressão interna pequena
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6/19 ou nula pode se tornar considerável. Essas são as condições que geram o efeito de fundo inverso. Se for desejado utilizar um conduto flexível em uma instalação de coluna ascendente clássica, se é, portanto, obrigado a adaptar a estrutura do conduto para poder resistir no pé de coluna ao efeito de fundo inverso, o que obriga a dimensionar as camadas de reforço do conduto em conseqüência disso, o pé de coluna sendo a parte dimensionante, o que leva a um superdimensionamento do resto da coluna e, portanto, a um custo suplementar.
[0017] A invenção tem como objetivo propor uma instalação de conduto ascendente flexível não ligado que resiste eficazmente ao efeito de fundo inverso apesar da grande profundidade, mas que não exige modificações estruturais prejudiciais. A invenção tem também como objetivo propor um processo de instalação no mar desse conduto.
[0018] A invenção atinge seu objetivo graças a uma instalação de coluna ascendente produzida com um conduto flexível de tipo não ligado, o dito conduto compreendendo do interior para o exterior pelo menos uma bainha de estanqueidade interna e pelo menos duas mantas de fios de armadura de tração enrolados com passo longo, o conduto sendo disposto entre por um lado uma conexão mecânica no topo em uma instalação de superfície e por outro lado uma conexão mecânica no pé com o fundo marinho, conexões fluídicas sendo previstas no topo e no pé para ligar a coluna ascendente por um lado com equipamentos de superfície e por outro lado com equipamentos de fundo, caracterizada pelo fato de que o conduto flexível é disposto com o pé da coluna a pelo menos 1000 m de profundidade onde ele é submetido a um efeito de fundo inverso máximo calculável F e pelo fato de que são previstos meios tensores adaptados para provocar no pé da coluna ascendente uma tensão de reação T superior a pelo menos 50% do efeito de fundo inverso máximo calculável F desenvolvido no pé de coluna.
[0019] Entende-se por bainha de estanqueidade interna a primeira camada, partindo-se do interior do conduto, cuja função é assegurar a estanqueidade em relação ao fluido que circula dentro do conduto. Geralmente, a bainha de estanqueidade interna é um tubo feito de polímero extrudado. No entanto, a
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7/19 presente invenção se aplica ao caso em que a dita bainha de estanqueidade interna é constituída por um tubo metálico flexível e estanque, do tipo daquele divulgado no documento WO 98/25063.
[0020] No presente pedido, o efeito de fundo inverso é dado pela fórmula F = (Pext x Sext) - (Pint x Sint) [0021] Pext é a pressão hidrostática que existe no exterior do conduto, na zona situada na proximidade do fundo marinho. Pint é a pressão mínima que existe no interior do conduto, na zona situada na proximidade do fundo marinho. É a pressão interna menor vista pelo conduto, durante toda sua duração de serviço, na zona situada na proximidade do fundo marinho. Essa pressão mínima é geralmente avaliada desde a fase de concepção do conduto, pois ela condiciona o dimensionamento do conduto. Sint é a seção transversal interna da bainha de estanqueidade interna sobre a qual se aplica diretamente a pressão interna. Sext é a seção transversal externa da bainha de estanqueidade sobre a qual se aplica diretamente a pressão externa.
[0022] No caso de um conduto flexível que só compreende uma única bainha estanque, a saber a bainha de estanqueidade interna, Sext é igual à seção transversal externa dessa bainha. De fato, a pressão hidrostática se aplica nesse caso diretamente sobre a face externa da bainha de estanqueidade interna. Condutos flexíveis de acordo com essa característica são notadamente descritos nos documentos WO02/31394 e WO2005/04030. Tais condutos podem compreender uma bainha polimérica externa não estanque que, devido a sua ausência de estanqueidade, não intervém no cálculo de F.
[0023] Geralmente, o conduto flexível compreende pelo menos duas bainhas estanques, a saber por um lado uma bainha de estanqueidade interna sobre a face interna da qual se aplica diretamente a pressão interna, e por outro lado uma outra bainha estanque que circunda a dita bainha de estanqueidade interna e sobre a face externa da qual se aplica diretamente a pressão externa.
[0024] Freqüentemente, essa outra bainha estanque diretamente submetida à pressão hidrostática é a camada mais externa do conduto flexível, e ela é nesse
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8/19 caso designada sob o nome de bainha de estanqueidade externa. Nesse caso, Sext é igual à seção transversal externa dessa bainha de estanqueidade externa.
[0025] No entanto, existem também condutos flexíveis, notadamente aqueles de passagem lisa (“smooth bore” em inglês), nos quais essa outra bainha estanque diretamente submetida à pressão hidrostática é uma bainha intermediária de estanqueidade geralmente situada entre a abóbada de pressão e a manta interna de fios de armaduras de tração. Nesse caso, Sext é igual à seção transversal externa dessa bainha intermediária de estanqueidade diretamente submetida à pressão hidrostática.
[0026] A título de exemplo, se for considerado um conduto flexível de passagem não lisa (“rough bore”, em inglês) composto, partindo-se do interior para o exterior, de uma carcaça metálica, por uma bainha polimérica de estanqueidade interna de diâmetro interior Dint, por uma abóbada de pressão, por um par de mantas de armadura de tração e por uma bainha polimérica de estanqueidade externa de diâmetro exterior Dext, o efeito de fundo inverso máximo calculável F é dado pela fórmula:
F = (Pext x π D2ext/4) - (Pint x π D2int/4) [0027] Graças a uma tensão T no pé de coluna amplamente superior ao que a simples sustentação da coluna ascendente flexível justificaria, compensa-se pelo menos em parte o efeito de fundo inverso e evita-se fazer trabalhar demais as mantas de armadura de tração em compressão, o que permite simplificar a estrutura do conduto e, portanto, reduzir seu custo. Além disso, é assim possível aumentar as profundidades de água acessíveis sem ter necessidade de recorrer a modificações maiores das técnicas conhecidas de concepção e de fabricação dos condutos flexíveis. A invenção permite assim se liberar do emprego de uma camada tubular de bloqueio axial do tipo daquela descrita no pedido FR 2 904 993. Ela permite também suprimir ou reduzir a espessura da ou das camadas anti-dilatação, camadas descritas em especial no documento WO 03/083343, e cuja função é limitar a dilatação das mantas de armadura de tração quando essas últimas são submetidas a um esforço de compressão. Essas camadas anti-dilatação são geralmente
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9/19 constituídas de tiras reforçadas feitas de Kevlar® enroladas em torno das mantas de armadura de tração. Devido ao custo elevado do Kevlar®, a redução ou a supressão dessas tiras permite uma economia grande. Uma outra vantagem da invenção é reduzir o risco de flambagem lateral das armaduras de tração, e, portanto, aumentar a profundidade na qual os condutos flexíveis podem ser utilizados como coluna ascendente. Isso permite também evitar o emprego de fios de armadura de tração que apresentam uma grande relação largura sobre espessura, o que facilita a fabricação dos condutos.
[0028] A presente invenção se aplica vantajosamente a qualquer conduto flexível de tipo não ligado, uma vez que esse último compreende pelo menos uma bainha de estanqueidade interna e um par de fios de armadura de tração.
[0029] Vantajosamente os meios tensores são adaptados para exercer sobre a coluna ascendente uma tensão T superior a pelo menos 75% do efeito de fundo inverso máximo F desenvolvido no pé de coluna, e de maneira ainda mais vantajosa a bóia é dimensionada para exercer sobre a coluna ascendente uma tensão T superior a pelo menos 100% do efeito de fundo inverso máximo F desenvolvido no pé de coluna. Nesse último caso, tem-se a segurança que as armaduras de tração não serão nunca colocadas em compressão pelo efeito de fundo inverso e é nesse caso especialmente vantajoso escolher realizar o conduto flexível com fios de armadura de tração feitos de material compósito, à base de fibras de carbono por exemplo, ou de fibras de vidro, ou mais geralmente de qualquer outro material compósito. Tais mantas de armadura de tração oferecem a vantagem da leveza, mas resistem mal à compressão. A invenção permite utilizar as mesmas para uma coluna ascendente, mediante essas precauções de tensão elevada imposta pelos tensores de acordo com a invenção.
[0030] Os meios tensores da invenção podem ser integrados à instalação de superfície e/ou estar situados no pé de coluna ascendente.
[0031] Quando eles estão integrados à instalação de superfície, eles podem compreender tensores de macacos, notadamente de macaco hidráulico. Eles podem também compreender um flutuador fixado na ponteira superior do conduto e que
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10/19 desliza em uma guia no interior da instalação de superfície.
[0032] Quando eles são previstos no pé de coluna, eles compreendem vantajosamente uma massa ligada à parte inferior do conduto, por exemplo por meio de cabo de suspensão de massa ou de pinças de enganchamento de lastro. A massa pode ser distribuída em um certo comprimento da extremidade do conduto ou estar localizada em um ponto, por exemplo ao nível da ponteira inferior. Pode se tratar de uma massa que desliza dentro de um poço previsto no fundo marinho.
[0033] Naturalmente é possível combinar elementos tensores no pé e elementos no topo de coluna.
[0034] A coluna da invenção é vantajosamente disposta verticalmente, mas ela pode também ser suspensa em catenária e ser estendida com o auxílio de massas dispostas na parte de baixo do conduto.
[0035] Uma instalação de acordo com a invenção apresenta por outro lado vantajosamente uma ou várias das características seguintes:
- A bainha de estanqueidade interna do conduto flexível vertical é polimérica.
- O conduto flexível vertical compreende uma bainha polimérica externa de estanqueidade que circunda as mantas de fios de armadura de tração.
- A pressão hidrostática se aplica diretamente sobre a face externa da bainha de estanqueidade interna, e mesmo sobra a face externa de uma bainha intermediária ou de um abainha externa.
- O conduto flexível vertical compreende, entre a bainha de estanqueidade interna e as mantas de fios de armadura de tração, uma abóbada de pressão interna produzida por um enrolamento helicoidal com passo curto de fio, destinado a resistir à pressão interna do fluido transportado.
- As mantas de fio de armadura de tração do conduto flexível vertical compreendem mantas de fios feitos de material compósito à base de fibras de carbono ou de fibras de vidro.
- A conexão mecânica no pé compreende pelo menos um cabo de ancoragem que liga a parte de baixo do conduto flexível vertical a um ponto de
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11/19 ancoragem fixado no fundo marinho. Esse cabo de ancoragem pode ser substituído por qualquer meio de ligação equivalente, que apresenta ao mesmo tempo uma grande resistência mecânica em tensão e uma boa flexibilidade em flexão, como por exemplo uma corrente ou um dispositivo mecânico articulado.
- A conexão fluida no pé compreende um conduto flexível de ligação no pé que liga a parte de baixo da coluna ascendente a um conduto de produção, por intermédio de ponteira e de acessórios apropriados.
- A conexão fluida no pé é feita por uma ponteira inferior de ligação fixada na parte de baixo do conduto flexível vertical, e o pelo menos um cabo de ancoragem mencionado acima é solidarizado em sua extremidade superior à dita ponteira inferior de ligação.
- O dito conduto flexível de ligação no pé tem uma flutuabilidade repartida.
- A conexão fluida no topo compreende geralmente um conduto flexível de ligação no topo que liga a parte de cima da coluna ascendente aos equipamentos de superfície, por intermédio de ponteiras e de acessórios apropriados.
- A instalação de superfície é notadamente de tipo plataforma, semisubmersível, SPAR, FPSO.
[0036] A invenção também se refere a um processo de colocação no lugar da instalação de acordo com a invenção.
[0037] Trata-se portanto de um processo de colocação no lugar de uma instalação de coluna ascendente produzida com um conduto flexível de tipo não ligado, o dito conduto compreendendo do interior para o exterior pelo menos uma bainha de estanqueidade interna e pelo menos duas mantas de fios de armadura de tração enroladas com passo longo, o conduto devendo ser disposto entre por um lado uma conexão mecânica no topo em uma instalação de superfície e por outro lado uma conexão mecânica no pé com o fundo marinho, conexões fluídicas devendo ser previstas no topo e no pé para ligar a coluna ascendente por um lado com equipamentos de superfície e por outro lado com equipamentos de fundo, o processo sendo caracterizado pelo fato de que se dispõe o pé da coluna a pelo
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12/19 menos 1000 m de profundidade onde ele é submetido a um efeito de fundo inverso máximo calculável F e pelo fato de que são previstos meios tensores para provocar no pé da coluna ascendente uma tensão de reação T superior a pelo menos 50% do efeito de fundo inverso máximo calculável F desenvolvido no pé de coluna.
[0038] Vantajosamente, enche-se o conduto flexível com água durante a colocação.
[0039] Outras particularidades e vantagens da invenção se destacarão com a leitura da descrição feita abaixo, dada a título indicativo, mas não limitativo, em referência aos desenhos anexos nos quais:
- a figura 1 é uma vista esquemática parcial em perspectiva de um conduto flexível utilizável de acordo com a invenção;
- a figura 2 é uma vista esquemática em elevação de uma instalação de conduto ascendente de acordo com a invenção;
- a figura 3 é uma vista mais de detalhe de um primeiro modo de realização dos meios tensores, no topo de conduto;
- a figura 4 é uma vista mais de detalhe de um segundo modo de realização dos meios tensores, no topo de conduto;
- a figura 5 é uma vista mais de detalhe de um terceiro modo de realização dos meios tensores, no topo de conduto;
- a figura 6 é uma vista esquemática em elevação de um conduto flexível suspenso em catenária e estendido por baixo.
[0040] A Figura 1 ilustra um conduto flexível não ligado 10 do tipo de passagem não lisa (em inglês “rough bore”) e que apresenta aqui, do interior do conduto para o exterior uma carcaça metálica interna 16, uma bainha de estanqueidade interna 18 feita de matéria plástica, uma abóbada de pressão grampeada 20, duas mantas cruzadas de armadura de tração 22, 24, uma camada anti-dilatação 25 produzida por enrolamento de tiras de alta resistência mecânica, como por exemplo tiras tecidas feitas de fibras de Kevlar®, e uma bainha externa de estanqueidade 26. O conduto flexível 10 se estende assim longitudinalmente de acordo com o eixo 17. A carcaça interna metálica 16, a abóbada de pressão grampeada 20 e a camada anti
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13/19 dilatação 25 são produzidas graças a elementos longitudinais enrolados de modo helicoidal com passo curto, enquanto que as mantas cruzadas de armadura 22, 24 são formadas por enrolamentos helicoidais com passo longo de fios de armadura. [0041] Em um outro tipo de conduto, de passagem lisa (dito “smooth bore” em inglês), a carcaça metálica 16 é suprimida e uma bainha intermediária de estanqueidade é geralmente acrescentada entre por um lado a abóbada de pressão 20 e por outro lado a manta interna de armadura 22. É possível também notar que certos condutos flexíveis não compreendem abóbada de pressão, mas adquirem sua resistência à pressão por um enrolamento de armaduras especial, sob um ângulo favorável, por exemplo a 55°.
[0042] A figura 2 representa esquematicamente a coluna ascendente 1 da invenção destinada a fazer subir um fluido, em princípio um hidrocarboneto líquido ou gasoso, ou bifásico, entre uma instalação de produção 2 situada no fundo marinho 5 e uma instalação de exploração 3 flutuante na superfície 4 do mar, por exemplo do tipo SPAR que compreende uma plataforma propriamente dita 3' de vários pisos, levada por um flutuador 3”. A instalação de produção 2 representada na figura 2 é um conduto, geralmente rígido, que repousa no fundo marinho e conhecido pelo profissional sob o nome de “flowline”. Esse conduto assegura a ligação entre por um lado o pé da coluna ascendente 1, e por outro lado uma instalação submarina do tipo por exemplo coletor (“manifold” em inglês) ou cabeça de poço.
[0043] A coluna ascendente é composta essencialmente por uma porção de conduto flexível 10 estendida entre uma conexão mecânica 6', 6”, 6”’ de fixação no fundo marinho 5 no pé de coluna e uma conexão mecânica 7’, 7’’ de fixação a meios tensores 8 aqui no topo de coluna (configuração dita “topside”), representados esquematicamente na figura 2 e mais em detalhe na figura 3. Os meios de fixação 7’, 7’’ têm como função transmitir à parte superior do conduto flexível as forças de tração geradas pelos meios tensores 8. Os meios de fixação mecânica 6’, 6’’, 6’’’ têm como função ancorar a base do conduto flexível 10 ao fundo marinho 5.
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14/19 [0044] Em uma instalação típica considerada pela Requerente, a profundidade P do mar é superior a 1000 m e pode atingir por exemplo 3000 m. Os meios tensores 8 exercem no topo de coluna sobre essa última uma tensão T1 dirigida para cima. Considerando-se o peso aparente do conduto sob a água, a força de reação T que é exercida no pé de coluna ao nível da fixação 6' tem como intensidade a diferença entre a tensão T no topo e o peso aparente relativo da coluna.
[0045] De acordo com a presente invenção, os meios tensores 8 são adaptados de tal modo para que a tensão T resultante aplicada à parte inferior do conduto flexível ascendente seja suficientemente grande para compensar pelo menos 50%, vantajosamente 75% e preferencialmente 100% do esforço de compressão axial gerado pelo efeito de fundo inverso.
[0046] De acordo com a invenção, a tensão imposta sobre a coluna pode exceder 70 000 daN, e mesmo 100 000 daN ou mesmo 200 000 daN, o que é um valor muito grande. Com certeza, isso exige empregar meios tensores que impõem um custo suplementar à instalação, mas graças a eles, obtém-se, um ganho maior sobre a estrutura do conduto flexível vertical 10, essa vantagem vindo amplamente compensar o inconveniente ligado ao custo suplementar dos meios tensores.
[0047] O exemplo seguinte ilustra esse ponto. Será considerado um conduto flexível vertical 10 de transporte de gás, de diâmetro interior 225 mm e de diâmetro exterior 335 mm, e que se estende entre o fundo marinho situado a uma profundidade P = 2000 m e a instalação de superfície. Será suposto por outro lado que em caso de paralisação de produção, a pressão no interior do conduto possa cair para 1 bar, na zona situada na proximidade do fundo marinho, essa pressão interna sendo por outro lado a pressão mínima prevista durante a duração de vida e de funcionamento do conduto. A pressão hidrostática no pé de conduto é substancialmente igual a 200 bar. Conseqüentemente, nesse exemplo:
Pext = 200 bar = 2 daN/mm2
Pint = 1 bar = 0,01 daN/mm2
Dext = 335 mm
Dint = 225 mm
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15/19 [0048] De modo que o efeito de fundo inverso máximo é:
F = (2 x π x 3352/4) - (0,01 x π s 2252/4) - 176 000 daN [0049] Se a invenção não fosse aplicada, seria, portanto, necessário dimensionar o conduto para resistir a um efeito de fundo inverso da ordem de 180 000 daN para levar em consideração as margens de segurança. Na prática, nesse exemplo, isso teria levado a escolher uma estrutura que compreende duas mantas de armadura de tração 22, 24 feitas de aço de 4 mm de espessura cada uma delas, assim como uma camada anti-dilatação 25 feita de Kevlar® de grande espessura. Os fios feitos de aço que constituem as mantas de armadura de tração teriam além disso apresentado uma grande relação largura sobre espessura, tipicamente 20 mm por 4 mm, para evitar a flambagem lateral das mantas de armadura de tração. O peso na água de um tal conduto, quando ele está cheio de gás, teria nesse caso sido da ordem de 100 daN por metro linear, o que teria levado a um peso total de 200 000 daN.
[0050] De acordo com um primeiro modo de realização da invenção, a tensão T no pé de coluna é igual a 50% de F, quer dizer 88 000 daN. O conduto flexível 10 deve nesse caso ser dimensionado para resistir a um esforço de compressão axial da ordem de 90 000 daN no lugar dos 180 000 daN precitados de acordo com a arte anterior. Essa grande diminuição da compressão axial permite nesse exemplo escolher uma estrutura que compreende duas mantas de armadura de tração 22, 24 feitas de aço de 3 mm de espessura cada uma delas, e constituídas de fios clássicos que não apresentam uma grande relação largura sobre espessura. A espessura da camada anti-dilatação 25 feita de Kevlar® é nesse caso quase duas vezes menor do que aquela de acordo com a arte anterior precitada. O peso na água de um tal conduto, quando ele está cheio de gás, é da ordem de 90 daN por metro linear, quer dizer substancialmente inferior àquele de um conduto da arte anterior precitada. O peso total na água do conduto 10 se aproxima, portanto, de 180 000 daN.
[0051] De acordo com um segundo modo de realização especialmente vantajoso da invenção, a tensão T no pé de coluna é igual a F, quer dizer a 176 000 daN.
[0052] Nesse caso, na medida em que o efeito de fundo inverso F é totalmente
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16/19 compensado e em que se evita colocar as mantas de armadura de tração 22, 24 em compressão, é possível e vantajoso escolher para essas últimas, fios feitos de material compósito, preferencialmente à base de fibras de carbono. Será possível por exemplo se referir ao documento US 6 620 471 em nome da Requerente, que faz conhecer fitas compósitas que compreendem fibras compósitas embutidas em uma matriz termoplástica. Tais armaduras trazem uma grande resistência à tração e levam a um conduto flexível mais leve que armaduras metálicas. Em contrapartida, como eles resistem mal à compressão, elas só podem ser empregadas em condições nas quais o risco de colocação em compressão é conjurado, o que é o caso com a invenção que permite sempre manter as armaduras em tração.
[0053] O emprego de armaduras de tração feitas de fibras de carbono no lugar e ao invés de armaduras feitas de aço permite não somente tornar o conduto mais leve, o que facilita sua manutenção e sua instalação no mar, mas também melhorar sua resistência à corrosão e evitar os fenômenos de fragilização pelo hidrogênio encontrados com os aços de altas características mecânicas. De acordo com outros modos de realização, será possível utilizar armaduras feitas de material compósito à base de fibras de vidro. A ausência de compressão axial permite também suprimir a camada anti-dilatação 25 feita de Kevlar®, o que permite uma economia grande. O peso na água de um tal com duto, quando ele está cheio de gás, é nesse exemplo da ordem de 60 daN por metro linear, o que representa um ganho de peso de 40% em relação à arte anterior precitada. O peso total na água do conduto 10 se aproxima, portanto, de 120 000 daN.
[0054] Agora será descrita mais em detalhe a realização de alguns dos equipamentos da instalação de acordo com a invenção.
[0055] São vistos na figura 2 meios de conexão no pé que asseguram a continuidade do escoamento do fluido transportado entre por um lado a instalação submarina de produção 2 e por outro lado a parte inferior do conduto flexível vertical 10 ao nível da ponteira 6'. Esses meios compreendem um conduto 30 de ligação no pé, geralmente de curto comprimento, na prática menos de 100 m. Esse conduto de ligação no pé deve ser dimensionado para resistir à totalidade do efeito de fundo
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17/19 inverso. Esse conduto de ligação no pé pode compreende rum ou vários segmentos de conduto rígido ou flexível eventualmente combinados entre si. Ele pode também compreender um dispositivo mecânico de tipo junta flexível, dispositivo do qual a função é assegurar a continuidade do escoamento ao mesmo tempo em que permite graus de liberdade em flexão similares àqueles de um conduto flexível. É possível também ter outros tipos de conexões verticais, por exemplo de simples flange e limitador de curvatura para compensar as variações de ângulo.
[0056] Vantajosamente o conduto 30 de ligação no pé é um conduto flexível reforçado de acordo com as técnicas precitadas da arte anterior, a fim de resistir ao efeito de fundo inverso e de suprimir o risco de flambagem lateral das mantas de armadura de tração. A estrutura desse conduto flexível 30 de ligação no pé é geralmente muito diferente daquela do conduto flexível vertical 10. Na figura 2, o conduto flexível 30 é conectado em sua extremidade inferior por uma ponteira 32 à ponteira 35 de uma pequena luva rígida 34 que permite uma conexão por cima com um conector vertical 33 colocado na extremidade do conduto de produção (“flowline”) 2 e que opera junto com uma ponteira adaptada 36 da pequena luva 34. A extremidade superior do flexível 30 compreende uma ponteira 31 conectada à ponteira inferior 6' do conduto flexível 10, que é fixa a um ponto de ancoragem 6”’ por um cabo ou corrente 6’’. O ponto de ancoragem 6’’’ é solidário do fundo marinho
5. Ele é dimensionado para resistir a uma tensão de arrancamento superior à tensão T exercida pelo pé da coluna. O ponto de ancoragem 6’’’ é vantajosamente uma ancora de sucção (“succion pile” em inglês) ou um pilar de ancoragem por gravidade.
[0057] A figura 3 mostra a extremidade vertical alta do flexível 10 munida de uma ponteira 7’ que repousa sobre um anel de retenção 7’’ levado sobre macacos hidráulicos 8’ (que constituem os meios tensores 8’) montados verticalmente sobre um piso 3’a da plataforma 3’ e que permitem fazer a altura h da ponteira 7’ variar em relação ao piso 3’a. A ponteira 7’ pode ser conectada, através de uma válvula 41, a um cotovelo rígido 40, ele próprio ligado por uma conexão 43 a uma tubulação 42 disposta em um piso 3’b da plataforma (pode se tratar do mesmo piso 3’a ou de um
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18/19 outro piso). A conexão 43 é uma conexão curta flexível (do tipo chamado “jumper” na profissão) para acomodar as variações de altura h.
[0058] A figura 4 representa o detalhe de um segundo modo de realização dos meios tensores no topo de coluna. A ponteira 7' do flexível 10 repousa sobre um anel anular 7” levado por uma bóia anular 8 atravessada pelo flexível 10 e guiada em um poço central 3”a do flutuador 3” da SPAR. A bóia 8 é imersa, mas diferentemente das instalações que utilizam bóias isoladas imersas a profundidades de 200 a 300 m sob uma superfície 4 da água, a fim de evitar as correntes marinhas, trata-se aqui de uma bóia guiada pela instalação de superfície 3 e portanto situada a uma pequena distância desse última mas insensível no entanto às correntes marinhas na medida em que ela é protegida pelo poço central 3”a. Como no modo de realização precedente, a parte superior do conduto 10 é ligado a um conduto rígido 40 que atravessa o piso inferior 3'a da plataforma e leva, por intermédio de uma conexão flexível 43 que compensa as variações de altura h, a uma tubulação 42 ligada ao manifold. A bóia 8 é dimensionada para por um lado compensar o peso do conduto imerso e por outro lado exercer sobre o conduto 10 a tensão necessária para anular em parte ou totalmente o efeito de fundo inverso T sobre o pé da coluna. A flutuabilidade necessária da bóia 8 para exercer essa tensão permanece razoável na medida em que a medida preconizada pela invenção permite diminuir o peso do conduto.
[0059] A figura 5 mostra um outro modo de realização no qual são previstos meios tensores 8 na parte de baixo da coluna. A ponteira 6' na parte de baixo da coluna é tornada solidária por cabos de uma massa 8 que desliza verticalmente em um furo 36 formado no fundo marinho 5 e guarnecido de tubos. A formação do furo 36 é facilitada se a plataforma 3 é uma plataforma de perfuração. A massa 8 impõe uma tração permanente T no pé da coluna e essa última, de acordo com a invenção, é escolhida para compensar pelo menos a metade do efeito de fundo inverso. A fim de acomodar as variações da altura h da massa, a primeira conexão 30 é flexível e compreende eventualmente flutuadores 37.
[0060] A figura 6 mostra uma variante da invenção na qual o conduto
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19/19 ascendente flexível 10 não está estendido na posição vertical, mas sim em catenária. Ele se estende entre a instalação de superfície 3 ao nível 4 do mar e uma conexão flexível 30 que resiste à compressão e que é ligada ao flowline 2 do fundo marinho 5. A ponteira inferior 6' do conduto, que é situada acima do fundo marinho 5, a uma certa distância, sustenta uma massa 8 que impõe uma força T2 dirigida verticalmente para baixo sobre essa ponteira, que corresponde a uma força T levada na tangente ao eixo do conduto em sua extremidade de um valor de T2/cosa, se α designa o ângulo formado pela parte de baixo do conduto com a vertical. De acordo com a invenção escolhe-se a massa 8 para que T compense pelo menos 50% do efeito de fundo inverso calculável que pode se aplicar na extremidade inferior do conduto 10. A massa 8 pode ser dividida em várias massas. No lugar de ser suspensa, ela pode ser enganchada por pinças de lastro no conduto, representadas em 8”’.
[0061] No que diz respeito à colocação no lugar do conduto da invenção, é vantajoso colocar o conduto flexível cheio de água, ou totalmente, ou parcialmente, de modo a limitar o efeito de fundo inverso durante a operação de colocação, enquanto a tensão T não foi aplicada. De fato, a coluna de água no interior do conduto flexível gera uma pressão interna que se opõe à pressão hidrostática externa, e reduz o efeito de fundo inverso. É assim possível, ajustando-se o nível de água no interior do conduto flexível, reduzir e controlar em permanência as tensões axiais de compressão suportadas pelo conduto flexível durante a operação de colocação, de modo a evitar danificar o dito conduto. Uma vez que a tensão T foi aplicada, a coluna ascendente pode ser esvaziada por bombeamento da água que serviu por ocasião das fases prévias de instalação, sem risco de danificar o conduto flexível vertical. Não se sairia do âmbito da presente invenção substituindo-se a água por um outro fluido, tal como por exemplo um hidrocarboneto do tipo gasóleo. Essa solução seria especialmente adaptada para a colocação de condutos flexíveis de transporte de gás, pois a presença de água ou de umidade no interior desses condutos é suscetível de provocar ulteriormente a formação de tampões de hidratos.
Claims (16)
- REIVINDICAÇÕES1. Instalação de coluna ascendente produzida com um conduto flexível (10) de tipo não ligado, o dito conduto (10) compreendendo do interior para o exterior pelo menos uma bainha de estanqueidade interna (18) e pelo menos duas mantas (22, 24) de fios de armadura de tração enroladas com passo longo, o conduto (10) sendo disposto entre por um lado uma conexão mecânica no topo (7') em uma instalação de superfície (3) e por outro lado uma conexão mecânica no pé (6') com o fundo marinho (5), conexões fluídicas (40, 30) sendo previstas no topo e no pé para ligar a coluna ascendente (10) por um lado com equipamentos de superfície (42) e por outro lado com equipamentos de fundo (2), caracterizada pelo fato de que o conduto flexível (10) é disposto com o pé da coluna a pelo menos 1000 m de profundidade onde ele é submetido a um efeito de fundo inverso máximo calculável F e em que são previstos meios tensores (8) adaptados para provocar no pé da coluna ascendente uma tensão de reação T superior a pelo menos 50% do efeito de fundo inverso máximo calculável F desenvolvido no pé de coluna.
- 2. Instalação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os meios tensores (8) são adaptados para exercer sobre a coluna ascendente (10) uma tensão T superior a pelo menos 75% do efeito de fundo inverso máximo F desenvolvido no pé de coluna.
- 3. Instalação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os meios tensores (8) são adaptados para exercer sobre a coluna ascendente (10) uma tensão T superior a pelo menos 100% do efeito de fundo inverso máximo F desenvolvido no pé de coluna.
- 4. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que os meios tensores (8) são integrados à instalação de superfície.
- 5. Instalação de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que os meios tensores (8) compreendem meios tensores hidráulicos (8').
- 6. Instalação de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que os meios tensores (8) compreendem um flutuador fixado na ponteira superior doPetição 870190057785, de 24/06/2019, pág. 26/292/3 conduto (10) e que desliza em uma guia (3”a) no interior da instalação de superfície (3).
- 7. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que os meios tensores (8) estão situados no pé de coluna ascendente.
- 8. Instalação de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que os meios tensores (8) compreendem uma massa ligada à parte inferior do conduto.
- 9. Instalação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a massa desliza em um furo (36) previsto no fundo marinho (5).
- 10. Instalação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a massa é repartida na extremidade do conduto.
- 11. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que a coluna (10) é disposta verticalmente.
- 12. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que a coluna (10) é suspensa em catenária e estendida com o auxílio de massas dispostas na parte de baixo do conduto.
- 13. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que o conduto compreende armaduras de tração produzidas em material compósito à base de fibras de carbono.
- 14. Instalação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que o conduto compreende armaduras de tração produzidas em material compósito à base de fibras de vidro.
- 15. Processo de colocação no lugar de uma instalação de coluna ascendente produzida com um conduto flexível (10) de tipo não ligado, o dito conduto compreendendo do interior para o exterior pelo menos uma bainha de estanqueidade interna (18) e pelo menos duas mantas (22, 24) de fios de armadura de tração enroladas com passo longo, o processo compreendendo dispor o conduto (10) entre por um lado uma conexão mecânica (7') no topo em uma instalação de superfície (3) e por outro lado uma conexão mecânica (6') no pé com o fundoPetição 870190057785, de 24/06/2019, pág. 27/293/3 marinho (5), prever conexões fluídicas no topo e no pé para ligar a coluna ascendente (10) por um lado com equipamentos de superfície (42) e por outro lado com equipamentos de fundo (2), o processo sendo caracterizado pelo fato de que compreende dispor o pé da coluna (10) a pelo menos 1000 m de profundidade onde ele é submetido a um efeito de fundo inverso máximo calculável F e prever meios tensores (8) para provocar no pé da coluna ascendente (10) uma tensão de reação T superior a pelo menos 50% do efeito de fundo inverso máximo calculável F desenvolvido no pé de coluna.
- 16. Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende encher o conduto flexível (10) com água durante a colocação do conduto.
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