BOYA MARINA PARA SOPORTE MAR ADENTRO
Antecedentes de la Invención 1. Campo de la Invención La invención se refiere generalmente a navios flotantes usados para dar soporte a operaciones de perforación mar adentro.
2. Descripción del Estado de Técnica La producción de petróleo a menudo requiere de la colocación de una torre de perforación en un lugar mar adentro. En aguas poco profundas, las torres de perforación y las instalaciones de producción pueden colocarse en plataformas mar adentro, erectas libremente. Sin embargo, al tornarse mas profundo el mar, éstas se tornan imprácticas, y es necesario tener una plataforma flotante, o navio de soporte, sobre la cual puedan colocarse las torres de perforación y las instalaciones de producción . Un tipo de navio de soporte para aguas profundas es la plataforma de patas de tensión (TLP) . La TLP es una plataforma boyante que es asegurada al lecho marino usando trabas o barras rígidas, orientadas verticalmente, que restringen la plataforma contra movimiento vertical y horizontal con relación al pozo en el lecho marino mas abajo. De esta manera, estas plataformas tienen un periodo muy corto en respuesta a la acción de las olas. Una alternativa a la TLP es el navio de compuerta flotante, calado profundo (DDCV) . El DDCV es un navio de flotación libre que está amarrado al lecho marino usando trabas flexibles de modo que se restrinja el movimiento vertical y horizontal del navio, aunque no se elimina. Ejemplos de DDCVs se encuentran en la patente US 4,803,321. Los métodos para restringir los DDCVs intentan hacer mas lento, mas que eliminar, el periodo natural de respuesta del navio a los efectos de las olas. Los arreglos actuales de DDCV "desacoplan" el navio de los pozos individuales que están siendo soportados de modo que los pozos no estén sujetos a los mismos movimientos inducidos que el navio. El desacoplamiento es típicamente logrado usando medios boyantes para hacer los pozos de libre erección por separado y usando mangueras flexibles para interconectar los elevadores verticales del pozo con las instalaciones de producción. Una variedad común de DDCV es el tipo mostrado en la patente US 4,702,321, que utiliza una estructura cilindrica larga y comúnmente se conoce como verga. Cuando el navio está en su posición instalada, la estructura cilindrica exhibe movimientos de oleada y viraje muy lentos. El movimiento de viraje, sin embargo, no se elimina totalmente, permitiendo que la estructura oscile hacia arriba y abajo en el mar. Se han hecho intentos por añadir varias placas que se extienden horizontalmente a lo largo de la longitud de la verga para ayudar a la verga a ser mas resistente al viraje.
Incluso con las placas, la verga debe ser ensamblada y transportada en una posición horizontal y luego instalada volteándose en su extremo en o cerca del sitio final usando una grúa grande que también debe ser transportada al sitio de instalación. Como estas estructuras de compuerta flotante son a menudo de alrededor de 650 pies (198.25 m) de longitud, las maniobras de transporte y volteo por su extremo son riesgosas. Además, solamente después de volteo por su extremo y amarre exitosos de la estructura pueden colocarse los componentes de la torre de perforación sobre la verga. Recientemente, se ha desarrollado un navio flotante que provee movimientos reducidos y periodos de respuesta natural lentos al viraje, pero que puede también ensamblarse y transportarse en una orientación vertical o erecta. Un navio de este tipo permite colocar los componentes de la torre de perforación sobre el navio antes de o durante el transporte. Lo que se necesita es un navio que pueda actuar como un vehículo de soporte para operaciones de perforación en una de estas plataformas de perforación recién desarrolladas. Existe una necesidad de un navio de soporte que pueda generar energía y proveer almacenamiento extra para estos nuevos navios de perforación en mares profundos, mientras también se proveen movimientos y periodos naturales de respuesta lentos al viraje iguales o comparables, y que pueda ensamblarse y transportarse en una orientación vertical o erecta. Un navio de este tipo permite colocar los suministros y el equipo en la parte superior y dentro de las áreas de almacenamiento del navio antes o durante el transporte . Compendio de la Invención La presente invención provee una boya marina mejorada para soporte mar adentro de operaciones de perforación en el lecho marino, que es capaz de ser amarrada por trabar al lecho marino, así como un proceso para dar soporte a actividades de perforación bajo el mar. La boya marina tiene una sección inferior de base, totalmente encerrada, una sección superior fija a la sección inferior de base con un área en sección transversal menor que la sección inferior de base, y una flecha de elevador con un elevador corriendo desde la parte superior de la sección superior a la sección inferior de base. El piso de la sección inferior de base es un lastre sólido a través de toda la sección transversal de la sección inferior de base. La sección inferior de base también contiene tanques de lastre que pueden llenarse para ayudar a bajar la sección inferior de base y parte de la sección superior bajo la línea de agua. El agua es el lastre para las cámaras de lastre variable. Sólidos como magnetita o lastre-creto son el lastre para las cámaras de lastre fijas. Los tanques de lastre pueden también ser vaciados de lastre para ayudar a alzar la boya marina en el agua de modo que parte de la sección inferior de base esté sobre la línea de agua.
La sección superior contiene espacios huecos entre la superficie externa y la pared de la flecha de elevador que son formadas en compartimientos en niveles diferentes. Al menos uno de estos compartimientos es otra cámara de lastre que puede llenarse con aire o lastre para ayudar a la boya a alzarse o hundirse ella misma en el agua. Algunos de los compartimientos hacia la parte superior de la sección superior pueden usarse como recintos para instrumentación, controles y generación de energía. Algunos de los compartimientos mas hacia abajo en la sección superior pueden ser usados como almacenamiento para equipo o productos químicos y sus bombas. La flecha de elevador y el elevador se extienden en el centro vertical de la sección superior de base. El elevador es usado para transportar equipo, personal y suministros a y desde la cubierta a los diferentes niveles de la boya. En la base de la flecha de elevador está el cuarto de bombas, en el cual se usan bombas de agua para controlar los niveles de agua en la sección inferior de base y las cámaras de lastre de la sección superior. Uno mas soportes son provistos, los cuales ayudan a asegurar el elevador y absorber energía del movimiento de la plataforma. La boya marina puede ser construida y transportada en una orientación erecta o vertical de modo que no necesite voltearse por el extremo antes de su amarre en el lugar pretendido. En adición, estructuras tales como una grúa y su pedestal pueden colocarse en la parte superior de la cubierta antes de o durante el transporte del navio. Durante el transporte por medio de remolque, los tanques de flotación de las secciones superior e inferior de base son llenados con aire de modo que la sección inferior de base sea alzada parcialmente sobre la superficie del agua. La boya marina es colocada en su posición instalada insertando el lastre de agua en las cámaras de lastre variable en las cámaras de lastre de las secciones superior e inferior de base para hacer que la sección inferior de base se torne sumergida. Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es una vista en perspectiva de una boya marina ejemplar construida de acuerdo con la presente invención. La figura 2 es un dibujo esquemático que muestra una boya marina construida de acuerdo con la presente invención siendo amarrada al piso marino. La figura 3 es una vista en sección transversal de la boya marina mostrada en las figuras 1 y 2. La figura 4 bosqueja el arreglo de la boya marina durante transporte por medio de remolque. Descripción Detallada de las Formas de Realización Preferidas Las figuras 1 y 2 bosquejan una boya marina 11 para soporte de operaciones mar adentro, de perforación bajo el mar, que es capaz de ser amarrada por trabas al lecho marino. La cubierta 13 de la boya marina puede tener construida sobre ella equipo de generación de energía, equipo de control y comunicaciones, una o mas grúas para transferir materiales, y otros dispositivos e instalaciones para dar soporte a la perforación y la producción de petróleo y gas. La boya marina 11 tiene un casco externo 15 y se hace principalmente de una sección superior 14 y una sección inferior de base 19. La sección superior de base 17 sostiene la cubierta 13, sobre la cual se aseguran las grúas, el equipo de comunicaciones y el equipo de generación de energía. La sección inferior de base 19 de preferencia tiene una doble pared para reducir el riesgo de fugas en caso de una colisión. Como se muestra en las figuras 1 y 2, se asegura una pluralidad de líneas de amarre 21 cerca del extremo superior de la sección superior de base 17. Las líneas de amarre 21 se extienden a través de zapatas de flexión 23 en la sección inferior de base 19 y luego se aseguran en una manera conocida en la materia al lecho marino 25 por medio de anclas 27. Se observa que las zapatas de flexión 23 están ubicadas sobre el exterior diametral de la sección inferior de base 19. Como resultado, la boya marina 11 es mantenida en una manera mas estable por las líneas de amarre 21. La sección superior 17 tiene un área en sección transversal que es menor que el área en sección transversal de la sección inferior de base 19. En una forma de realización actualmente preferida, la sección superior 17 es sustancialmente cilindrica, y el área en sección transversal de la sección superior 17 en una forma de realización está basada en un diámetro de entre 23 y 31 pies (7.015 y 9.455 m) . De manera similar, la sección inferior de base 19 también es sustancialmen-te cilindrica, y el área en sección transversal está basada en un diámetro de entre 56 y 74 pies (17.08 y 22.57 m) . La altura de la sección inferior de base 19 es menor que la altura de la sección superior 17, de preferencia en aproximadamente un tercio. La altura global desde la parte inferior de la sección inferior de base 19 a la cubierta 13 puede estar en el rango de 150 a 200 pies (45.75 a 61 m) . Deberá notarse que estas dimensiones no están destinadas a ser limitativas y que pueden usarse otras dimensiones, según se requiera por las condiciones del mar y del equipo a que haya que darse soporte . Haciendo referencia a la figura 3, un elevador 29 dentro de una cámara de flecha de elevador 31 puede verse definido centralmente dentro de la boya marina 11. La sección inferior 19 de la boya marina 11 contiene un lastre de peso sólido 33 distribuido horizontalmente en una manera uniforme a lo largo de su piso inferior 35. La distribución horizontal del lastre contrabalanceado 33 provee un momento de inercia de masa adicional que sirve para reducir movimientos de inclinación. El lastre pesado 33 de preferencia comprende lastre de mineral de hierro, aunque puede usarse otro lastre adecuado para contrabalancear la estructura, como magnetita o lastre-creto . Las cámaras de lastre 37 de la sección inferior de base están ubicadas sobre el lastre contrabalanceado 33 en la sección inferior de base 19. Las cámaras inferiores de lastre 37 son provistas con aditamentos o válvulas (no mostrados) que permiten llenar los tanques con aire o, si se desea, llenarlos por completo con lastre a fin de bajar la sección inferior de base 19 por debajo de la línea de agua 41. En la forma de realización preferida, la sección superior 17 de la boya marina también incluye al menos una cámara superior de lastre 39 a lo largo de su longitud formada en compartimientos. Las cámaras de lastre 39 en la sección superior 17 son de preferencia tanques de presión variable con aditamentos (no mostrados) que permiten a las cámaras de lastre ser llenadas parcialmente con lastre y parcialmente con aire, de modo que sea ajustable la magnitud de la fuerza ascensional provista por las cámaras de lastre 37 y 39. La forma alargada de la sección superior 17 asegura que la boya marina 11 sea estable y resista fuerzas de inclinación y volcadura. Además, el hecho de que la sección superior 17 presenta un área reducida en sección transversal, implica que haya un área efectiva limitada que está expuesta a la acción de las olas o cerca de la superficie 41 del agua. Aunque la sección superior 17 tiene una forma alargada, su longitud puede ser mas corta que la de una verga estándar debido a la presencia de la sección de base 19 diametralmente agrandada. El agrandamiento radial de la sección inferior de base 19 aporta resistencia al viraje de modo que la boya marina 11 tenga una baja respuesta al viraje. Cuando se coloca en su configuración instalada, la boya marina 11 tiene un calado de alrededor de 160 pies (48.8 m) , o menos, en la forma de realiza-ción preferida. La figura 1 muestra la cubierta 13 ubicada sobre la sección superior 17, la estructura y la operación de la cual serán mejor comprendidas por referencia a la figura 3. La colocación preferida de equipo ya sea en la cubierta 13 o en el casco 15 está basada en el tipo de equipo o de suministros. El enfoque global es el de asignar todo el equipo marino, de control de procesos y de comunicaciones dentro de la sección inferior de base 19 del casco 15, con la excepción de cualquier equipo en el que puedan estar presentes hidrocarburos. Además, el equipo que requiere de acceso y mantenimiento, tal como paneles de control y equipo giratorio, está ubicado en la cubierta 13 o tan cerca de la parte superior del casco 15 como sea posible. La sección superior de base 17 tiene mas de un nivel en la forma de realización preferida, cada uno teniendo comparti-mientos 43 para equipo tal como bombas 45, equipo de generación de energía y equipo de control. Asimismo, de preferencia se proveen áreas de almacenamiento en la sección superior 17 para productos químicos usados en la producción del pozo. El equipo de bombeo 45 entrega los productos químicos al pozo. El equipo de bombeo es usado también para sacar por bombeo el agua de lastre . En operación, la boya marina 11 es capaz de ser convertida entre una configuración de remolque o de transporte y una configuración instalada. La configuración de remolque es ilustrada por la figura 4, que muestra la boya marina 11 dispuesta dentro del mar de modo que la sección superior 14 y una porción de la sección inferior de base 15 estén ubicadas sobre la línea de agua 25. Una porción sumergida 26 de la sección inferior de base 15 reside por debajo de la línea de agua 25. La configuración de remolque es lograda vaciando las cámaras de flotación de lastre 23 de la sección inferior de base y las cámaras de lastre 24 de la sección superior de base de modo que la boya marina 11 sea alzada dentro del agua sustancialmente , como se muestra en la figura 4. La boya marina 11 es capaz de moverse por remolque directo en la configuración erecta de transporte por remolcadores u otros navios (no mostrados) . El calado puede ser de alrededor de 25 pies (7.625 m) mientras se remolca. La boya marina 11 puede también colocarse a bordo de una barcaza (no mostrada) para transporte . Cuando la boya marina 11 está ubicada en el lugar donde se desea instalar, las cámaras inferiores de lastre 23 y las cámaras superiores de lastre 24 (según se necesite) son llenadas con agua. La adición del lastre ocasiona que la sección inferior de base 15 y parte de la sección superior 14 se tornen dispuestas debajo de la superficie del agua 25, como se bosqueja en las figuras 2-3. Cuando está en esta posición instalada, la boya marina tiene un calado de alrededor de 160 pies (48.8 m) o menos. En la posición instalada, la boya marina 11 provee una estación de soporte estable que provee respuestas armónicas controladas a las cargas dinámicas de su ambiente producidas por las olas y marejadas en el mar, como será evidente a los técnicos en la materia. La energía eléctrica puede ser generada a bordo, pero de preferencia es entregada por un cable desde una platafor-ma anfitriona remota. Esto reduce la necesidad de almacenar combustible y equipo de generación de energía. Suministros tales como productos químicos para tratamiento del pozo pueden ser entregados y almacenados en los compartimientos 43. El personal puede tener acceso a las bombas 45 y el equipo de bombeo 47 vía el elevador 29. En un uso, la posición instalada puede estar a una distancia considerable de una plataforma de producción principal. Por ejemplo, puede estar cerca de pozos distantes y usarse para almacenar y entregar diversos productos químicos a los pozos productores. Esto evita tener que transportar productos químicos por distancias grandes desde una plataforma de producción principal. Puede también usarse para lanzar metales de limpieza a diversos pozos y líneas de flujo. Sin embargo, no se contempla que la boya pueda ser usada para almacenar o procesar los hidrocarburos producidos. Asimismo, la boya puede estar ubicada cerca de un navio de perforación para almacenar fango de perforación. También puede proveer energía para equipo de perforación bajo el mar. Normalmente, la boya no tiene personal de operación. Además, como también será evidente a los técnicos en la materia, pueden hacerse cambios, modificaciones y sustituciones en la invención descrita en la divulgación precedente. En consecuencia, es apropiado que las reivindicaciones anexas sean interpretadas en forma amplia y en la manera consistente con el espíritu y alcances de la invención descrita en la presente.