MXPA99003871A - Estructura perforadora/productora flotante en mar abierto - Google Patents

Abstract

Una estructura perforadora/productora en mar abierto flotante. La estructura estáformada por una pluralidad de columnas flotantes orientadas de manera vertical separadas a corta distancia sobre las cuales puede colocarse uno o más módulos o cubiertas para soportar equipo de procesamiento, aparejos de perforación, instalaciones de servicio e instalaciones para el personal. Las columnas quedan sujetadas en forma separada por medio de una pluralidad de placas horizontales separadas a lo largo de la longitud de las columnas y las placas verticales que se encuentran cerca de la parte inferior de las columnas y próximas a la parte superior de las columnas. La perforación y/o producción se efectúa a través de tubos montantes que se encuentran aproximadamente en el centro de la estructura. La estructura incluye lastre fijo, unárea de almacenamiento de petróleo y huecos y lastre variable para desviar el peso más ligero del petróleo almacenado. Las columnas tienen unárea plana de agua menor que las placas horizontales.

Description

ESTRUCTURA PERFORADORA/PRODUCTORA FLOTANTE EN MAR ABIERTO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere de manera general a estructuras perforadoras y productoras de petróleo en mar abierto y de manera más particular a estructuras flotantes que se utilizan en tales operaciones. En la industria petrolera en mar abierto, se utilizan estructuras flotantes en aquellas áreas en donde la profundidad del agua da por resultado que el costo de una camisa fijada al suelo marino sea demasiado alto para obtener dividendos económicos suficientes, incluso en los yacimientos petrolíferos grandes. Tales estructuras flotantes han sido semisumergibles, una embarcación estabilizada mediante columnas que se ancla en su lugar mediante el uso de anclas múltiples, estructuras del tipo de pértiga de columna individual, que se ancla en su lugar mediante anclas múltiples, embarcaciones colocadas en forma dinámica que utilizan un número de sujetadores para mantener la embarcación en su posición en el lugar, y plataformas de extremidad de tensión (TLP's) . Cada estructura presenta ventajas y desventajas. Por ejemplo, con las embarcaciones dinámicamente colocadas elimina la necesidad de anclas y lineas de anclaje, presentan una gran área de superficie respecto a las olas y las corrientes, lo que da por resultado que se requiera una cantidad sustancial de potencia para mantener la embarcación en posición. La gran área de superficie también da por resultado que la embarcación quede sujeta a movimientos ascendentes, cabezadas y movimientos giratorios en respuesta a la acción de las olas. Las estructuras semisumergibles presentan un área de superficie menor respecto a las olas y por lo tanto son menos susceptibles a los movimientos giratorios- y de cabezeada, sin embargo aún quedan sujetas a los movimientos de elevación y no están diseñadas para almacenar grandes cantidades de petróleo. Es deseable reducir al minimo los movimientos inducidos por el ambiente no solo desde un punto de vista de seguridad y comodidad, sino también desde un punto de vista operativo, ya que la perforación y la producción mediante tubos montantes que se conectan desde la embarcación a la cabeza del pozo del suelo marino deben diseñarse para albergar los movimientos de la estructura. El costo de diseñar y construir tubos montantes está directamente relacionada a la cantidad de movimiento ascendente, cabezada y movimientos giratorios de la estructura, asi como a las fuerzas de las olas, las corrientes y la gravedad que actúan sobre los propios tubos montantes . La TLP tiene un éxito relativo en cuando a reducir al minimo los movimientos ascendentes, de cabezada y giratorios. Sin embargo, las TLP son estructuras de calado relativamente poco profundo que resultan costosas y limitadas para moderar en aguas profundas. Asi mismo, son virtualmente inmóviles una vez que han sido instaladas. Las estructuras del tipo de pértiga (un casco de columna individual tal como aquel descrito en la Patente de E.U.A. No. 4,702,321) están sujetas a las vibraciones inducidas por el vórtice en las corrientes altas. Esto se ha manejado incluyendo tracas helicoidales a lo largo de la longitud del casco. Debido al gran diámetro del casco, estas estructuras deben construirse en una instalación de construcción especialmente equipada. Asi mismo, en tanto que el diámetro de estas estructuras es más grande, la fabricación resulta más difícil. El transporte de una estructura del tipo de pértiga grande al sitio de instalación, sea que se trate de una embarcación de elevación pesada o haciendo flotar el casco completo, también puede presentar dificultades. Las desventajas de las tracas requeridas sobre las columna de pértiga individual en altas corrientes son que incrementan el costo y disminuyen la draga, que a su vez aumenta el costo de anclaje. La invención se dirige a los problemas presentes en las estructuras flotantes del tipo de pértiga mayores. Lo que se proporciona es una estructura flotante de calado profundo que incluye los beneficios de las estructuras flotantes de tipo de pértiga de columna individual, pero elimina algunas de las desventajas. La estructura de la presente invención se forma mediante una pluralidad de columnas orientadas de manera vertical flotantes separadas a una distancia estrecha. Las columnas se sujetan en forma estrecha juntas mediante una pluralidad de placas horizontales y verticales separadas a lo largo del eje vertical de la estructura. Las placas verticales pueden incluir conexiones de armadura y se fijan entre las columnas en la cercanía de la quilla y cerca de la linea de agua de la estructura. Las placas horizontales aumentan la masa efectiva de la estructura al atrapar el agua verticalmente. Las conexiones de armadura/placas verticales tiene la función estructural de sujetar las columnas en su lugar verticalmente una respecto a la otra y además sirven para reducir" el movimiento de elevación que causan las olas y reducir el movimiento de las olas dentro . de las columnas para proteger los tubos montantes. Una cubierta se encuentra soportada por arriba de la línea del agua sobre la parte superior de las columnas. Toda la estructura puede anclarse o sujetarse en su lugar mediante el uso de posicionamiento dinámico . Un objeto de la invención es proporcionar un tipo de pértiga de estructura flotante en mar abierto que reduce las vibraciones inducidas por el vórtice provenientes de las corrientes oceánicas.

Otro objeto de la invención es proporcionar una estructura flotante en mar abierto de tipo pértiga que tenga cargas de dragas reducidas provenientes de las corrientes oceánicas . Otro objeto de la invención es proporcionar un tipo de pértiga de estructura flotante en mar abierto que reduzca el calado al incrementar la masa efectiva respecto a la relación del plano de agua. Otro objeto de la invención es proporcionar un tipo de pértiga de estructura flotante en mar abierto que reduzca el costo al proporcionar la capacidad del uso de diferentes métodos de construcción y ensamblado. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para comprender adicionalmente la naturaleza de los objetos de la presente invención deberá hacerse referencia a la siguiente descripción, tomada en conjunto con los dibujos anexos en los cuales las partes semejantes tienen números de referencia iguales, y en los cuales: La Figura 1 es una vista en perfil fuera de borda de la invención. La Figura 2 es una vista en sección transversal de la invención. La Figura 3 es una vista tomada a lo largo de las líneas 3-3 en la Figura 1.

La Figura 4 es una vista en sección en perspectiva de la porción inferior de la invención. La Figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra el flujo del agua alrededor de la invención. La Figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra el flujo del agua alrededor de la invención a un ángulo diferente de aquel de la Figura 5. La Figura 7 ilustra una modalidad alternativa de la invención. Las Figuras 8-12 son vistas en sección superior de modalidades alternativas de la invención. Las Figuras 13A-C ilustran un método para ensamblar las columnas de la invención en una estructura individual. La Figura 14 ilustra el uso de una camisa fijada a la estructura para proteger el tubo montante. La Figura 15 ilustra los medios de control de flujo provistos en conjunto con la camisa de la Figura 14. Con referencia a los dibujos, se observa en la Figura 1 que la invención se indica de manera general mediante el número 10. Puede observarse en las Figuras 1-4 que la estructura 10 flotante en mar abierto está compuesta por lo general por una pluralidad de cascos o columnas 12 flotantes orientadas verticalmente, las placas 14 horizontales y las placas 16 verticales. Una cubierta 18 o lado superior se encuentra soportado por arriba del agua mediante el extremo superior de las columnas 12. Las placas 14 horizontales y las placas 16 verticales tienen cada una dos funciones. Ambas tiene una función estructural para fijar las columnas 12 juntas en una disposición paralela separadas a corta distancia, adyacentes entre sí. Las placas 14 horizontales también sirven como placas de atrapamiento de agua para atrapar el agua en la dirección vertical. Esto aumenta la masa efectiva de la estructura total y por lo tanto aumenta el período natural de la estructura en el oleaje total (movimiento ascendente/descendente) de manera que es mayor que aquel de la banda de energía de las olas. El principio de trabajo de las placas 14 horizontales se explica por completo en la Patente de E.U.A. No. 5, 558,467. Como se observa en la Figura 3, las placas 14 horizontales están provistas con ranuras o agujeros 28 a través de las mismas para recibir los tubos montantes utilizados en las operaciones de perforación y producción. Las placas 14 horizontales están separadas a lo largo de la longitud vertical de Las columnas 12, de preferencia comenzando muy por debajo de la línea del agua en donde la acción del oleaje es baja, y se extienden al extremo inferior de las columnas 12.

Las placas 14 horizontales dan por resultado que la estructura pueda ser construida con menos calado que aquellas estructuras de pértiga de casco individual ya que las placas horizontales atrapan el agua, incrementando con ello la masa efectiva de la estructura en la dirección vertical. El período natural en la estructura en el oleaje se da aproximadamente mediante la siguiente ecuación: En donde T = Período Natural; M = Masa de la estructura incluyendo la masa del agua atrapada entre las placas; y K = Constante de resorte de sistema que es una función del área del plano del agua en la línea del agua. En la invención, el área de plano del agua de la estructura 10 es menor que el área del plano horizontal de las placas de atrapado. Así pues, se logrará un período más prolongado a un calado menor que aquel de la estructura de pértiga descrita en la Patente de E.U.A. No. 4,702,321. Las placas 16 verticales pueden ser ya sea placas de esfuerzo cortante sólidas o una combinación de placas de esfuerzo contante sólidas y una armadura abierta. Las placas 16 verticales se colocan de preferencia en -el extremo inferior de las columnas en la cercanía de la quilla y cerca del extremo superior de las columnas, en la línea del agua. Cerca del extremo inferior, en la vecindad de la quilla, las placas de esfuerzo cortante sólidas sirven para atrapar el agua en forma horizontal y reducen el movimiento de elevación. Cerca del extremo superior, por debajo de la línea del agua normal, las placas 16 verticales reducen el movimiento del oleaje dentro de la cubierta definida por los cascos 12. El movimiento - de oleaje reducido dentro de las columnas ayuda a proteger los tubos montantes y reduce los cambios en la altura del agua entre las columnas durante las corrientes pesadas. Cada columna 12 está provista con una configuración similar de tanques 20 de flotación duros, uno o más tanques 22 suaves y el lastre 24 fijo. Se proporcionan galápagos guía 25 en posiciones seleccionadas para recibir las líneas de anclaje 27. Por lo menos uno de los tanques 20 de flotación duros es- capaz de cargar el lastre variable en la forma de agua marina, designado mediante el número 26. Los tanques 22 suaves se igualan con la presión del ambiente al fluir con el agua marina y/o utilizarse para almacenar petróleo. La estructura de columnas múltiples de la invención es menos susceptible a la vibración inducida por el vórtice ya que las columnas adyacentes de preferencia están separadas mediante espacios de aproximadamente una décima parte al triple de su diámetro para permitir un flujo intersticial de agua entre las columnas. La estrecha cercanía de las columnas adyacentes suprime la formación de vórtices entre las columnas. Se requiere una distancia de aproximadamente cuatro diámetros de cilindro para la formación de vórtices inmediatamente después de las columnas cilindricas en el ambiente de corriente de alto número de Reynolds . Como se observa en el diagrama de flujo de la Figura 5, la separación preferida entre las columnas no permite la formación de grandes vórtices entre las mismas. El efecto del flujo intersticial sobre el derrame del vórtice que se descorrelaciona ocurre a pesar de la dirección del flujo. El período de derrame del vórtice desde el diseño de la columna múltiple global es proporcional a su ancho total D. Las oscilaciones inducidas por el vórtice ocurren cuando el período de derrame del vórtice coincide con el período natural D del diseño de la columna múltiple sobre sus anclajes. Esta condición se da mediante la siguiente fórmula: 5<UT/D<8 Al aumentar la separación entre las columnas, D se aumenta y la velocidad U de la corriente mínima para las oscilaciones inducidas por el vórtice .puede elevarse por arriba de la velocidad de la corriente en cualquier sitio particular. Por lo tanto, la separación del diámetro del diseño de las columnas puede ajustarse para un sitio particular con el objeto de evitar la vibración inducida por el vórtice. Como resultado, los dispositivos de supresión de vibración inducida por el vórtice por lo general no se requieren en el diseño de columna múltiple reduciendo la draga . Como se observa en la Figura 5, las dos columnas corriente arriba protegen las dos columnas corriente abajo del flujo de entrada, reduciendo en gran medida o eliminando la draga de presión positiva sobre la cara delantera de las columnas corriente arriba. En segundo lugar, el flujo de la corriente se desprende en el punto A desde el lado corriente arriba de las columnas corriente arriba y se vuelve a fijar a las columnas corriente abajo en el punto B. El flujo permanece fijado al lado corriente abajo de las columnas corriente abajo hasta el punto C. Esta fijación nueva del flujo reduce en gran medida el oleaje, la extensión de la región baja en el aguaje y la draga de la estela. Así pues, la colocación de las columnas permite que el flujo externo forme una forma hidrodinámica virtual del flujo alrededor de las columnas que tienen una draga menor que un cilindro individual de área equivalente en la misma corriente. Como se observa en la Figura 6, cuando las columnas enfrentan la corriente en una formación de diamante, el flujo intersticial también mantiene la capa de límite sobre la cara posterior de las columnas corriente arriba, lo que reduce al mínimo la draga. Así pues, el efecto de reducción de draga de las columnas separadas a distancia estrecha ocurre a pesar de la dirección del flujo.

Aunque una observación inicial a la estructura 10 pueda dar la impresión de que la estructura simplemente es una estructura semisumergible de calado muy profundo, tal como aquella descrita en la Patente de E.U.A. No., 4,983,073, este no es el caso. En la estructura 10, los cascos 12 no se conectan entre sí mediante los pontones horizontales, y la separación entre los cascos 12 es mucho más cercana. Así mismo, la integridad estructural de la estructura se desarrolla mediante las placas 14, 16 horizontales. Además, la estabilidad hidrodinámica de la estructura se desarrolla por el hecho de que el centro de gravedad está muy por debajo del centro de flotación. El momento de inercia del plano del agua es una contribución menor a la altura metacéntrica . La Figura 7 ilustra una modalidad alternativa de la invención en donde la porción inferior de cada columna tiene un diámetro reducido desde la porción superior de la columna. La porción de diámetro reducido se ubica por debajo de las secciones del tanque duro, como se ilustra en la Figura 2. El diámetro reducido de la porción inferior de las columnas brindará la ventaja de peso estructural reducido así como cargas de draga reducidas provenientes de las corrientes. La Figura 8 es una vista en sección superior de una modalidad alternativa de la invención que utiliza dos columnas 12, y también ilustra el flujo de corriente alrededor de las columnas 12. Como se observa en el diagrama de flujo, la draga es menor de lo que se esperaría debido al acojinamiento de la columna corriente abajo mediante la columna corriente arriba y por la fijación nueva del flujo sobre el cilindro corriente abajo. Las pruebas de modelo han demostrado que el coeficiente de draga de los dos cilindros separados a distancia corta es .menor que un cilindro de área cerrada equivalente. Así pues, la estructura de la invención tiene una draga menor proveniente de las corrientes oceánicas. La reducción en la draga de las columnas separadas a corta distancia múltiples en los ambientes de número alto de Reynolds es el resultado del ancoj inamiento de las columnas corriente abajo mediante las columnas corriente arriba y mediante la refijación de la capa de límite turbulenta sobre el lado corriente abajo de las columnas, con lo que se reduce al mínimo su draga de aguaje. Las Figuras 10-12 ilustran diferentes disposiciones de la invención en donde pueden utilizarse tres, seis u ocho columnas. Pueden utilizarse dos o tres columnas para estructuras relativamente pequeñas con cargas de cubierta ligeras, en tanto que pueden usarse seis y ocho columnas para las estructuras relativamente grandes con cargas de cubierta pesadas . La Figura 9 ilustra una disposición de dos columnas en donde la columna corriente abajo tiene un diámetro menor que la columna corriente arriba. Mediante el uso de un diámetro menor para la columna corriente abajo, las fuerzas oscilatorias del vórtice sobre la columna corriente abajo se reducen al mínimo, se produce una configuración estable inherentemente hidrodinámica y puede reducirse adicionalmente la draga para la separación del espacio óptima entre una décima parte y una vez el diámetro de la columna corriente arriba . Debido al coeficiente de draga bajo de las dos estructuras de columna, puede autocolocarse dinámicamente. La Figura 13A-C ilustran un medio para el ensamblado de la invención. Se sumergen dos de las columnas 12 que se han unido juntas con una sección de una placa 14 horizontal a una profundidad adecuada mediante lastres de manera que las columnas restantes que van a unirse puedan ponerse a flotación sobre el plano horizontal. Se retira el lastre a las dos columnas inferiores para elevar las dos columnas superiores por arriba de la línea del agua para permitir la soldadura y la unión del resto de la placa horizontal a las columnas superiores. Este método de ensamblado, en oposición al ensamblado completo en el patio de las fábricas, es útil cuando la estructura 10 debe ser revolcada a través de aguas poco profundas y el calado de la estructura de cuatro columnas completa es mayor que la profundidad de las aguas menos profundas del trayecto de revolcado . Se entenderá que las columnas 12 pueden formarse a partir de cualquier material adecuado tal como acero o concreto. Si se forman de concreto, las columnas pueden formarse por deslizamiento en un lugar de agua poco profunda adecuado. La__formación por deslizamiento de las columnas por concreto es un método muy conocido en la industria. La Figura 14- ilustra una camisa 30 de tubo montante provista para proteger de las aguas turbulentas al tubo montante 32 y el módulo 34 de flotación. El casquillo 30 de tubo montante se fija a la estructura 10 y se extiende hacia abajo desde arriba de la línea- -del agua a una profundidad más allá de la energía de onda significativa. El casquillo 30 del tubo montante se abre en ambos extremos y está dimensionado para recibir el tubo montante 32 y las boyas 34 de flotación. Las guias 36 pueden proporcionarse sobre las boyas 34 de flotación para evitar colgaduras y para reducir al mínimo el desgaste al casquillo 30 y la boya 34. La Figura 15 ilustra una disposición opcional para el casquillo 30 de tubo montante y la lata de flotación en donde una primera placa 38 se fija rígidamente al interior del casquillo 30 del tubo montante por debajo de la linea del agua y es recibida en forma ajustada alrededor de la porción del tubo montante 32 por arriba de la lata 34 de flotación para el movimiento de deslizamiento alrededor. Una segunda placa 40 se fija de manera rígida a la porción del tubo montante 32 inmediatamente por arriba de la lata 34 de flotación y recibida de manera ajustada dentro del casquillo 30 para movimiento de deslizamiento en el mismo. Las placas 38, 40 definen un espacio con un volumen que varía en proporción directa respecto a la posición de la lata 34 de flotación; mientras más próxima se encuentre la lata de flotación a la superficie del agua, menor será el volumen del agua entre las placas 38, 40. La primera placa está provista de preferencia por los medios 42 para controlar la velocidad de cambio del volumen de agua entre las placas en respuesta al movimiento del módulo de flotación, que puede deberse a la falla del tubo montante. Los medios 42 de control pueden ser tan simples como el orificio que se ilustra o una válvula. El control de la velocidad a la cual- el volumen de agua cambia limita la velocidad de la lata 34 de flotación en el caso de que falle _un tubo montante por debajo de la lata de flotación. Esto sirve para eliminar o reducir al mínimo el daño a la estructura 10, la lata 34 de flotación y las porciones restantes del tubo montante 32. _ Los sellos 44 de deslizamiento pueden proporcionarse sobre ambas placas. Debido a que muchas modalidades variantes y diferentes pueden estar dentro del alcance de] concepto de la invención que se enseña en la presente y debido a que pueden hacerse muchas modificaciones en la modalidad detallada en la presente de acuerdo con los requerimientos descriptivos de acuerdo con la ley, se entenderá que los detalles expuestos en la presente han de interpretarse en sentido ilustrativo y no limitativo..

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES 1. Una estructura de perforación/producción flotante en mar -abierto caracterizada porque comprende: a. una pluralidad de columnas flotantes verticalmente orientadas a una disposición separada a corta distancia adyacentes entre sí; b. una pluralidad de placas horizontales fijadas a las columnas y separadas a lo largo de la longitud de tales columnas, las placas horizontales estando colocadas por debajo del nivel del agua a una distancia por debajo de la energía de onda significativa; y c. por lo menos dos placas verticales fijadas entre tales columnas y separadas a lo largo de la longitud de las columnas, estando una de las placas verticales colocada adyacente al extremo inferior de tales columnas y estando la segunda placa vertical colocada adyacente a la porción superior de tales columnas.
2. 2. La estructura de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la separación entre tales columnas es aproximadamente un décimo a tres veces el diámetro de las columnas .
3. 3. La estructura de conformidad con- la reivindicación 1, caracterizada porque el centro de gravedad está por debajo del centro de flotación.
4. 4. La estructura de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las columnas incluyen medios de lastre variable.
5. 5. En una estructura en mar abierto diseñada para perforar y producir hidrocarburos que tiene un tubo montante soportado de manera independiente mediante un módulo de flotación, la mejora está caracterizada porque comprende un casquillo fijado de manera rígida a la estructura en mar abierto y recibido alrededor del tubo montante y el módulo de flotación, estando tal casquillo abierto en ambos extremos y extendiéndose desde arriba de la línea del agua hacia abajo a una profundidad más allá de la energía del - agua significativa.
6. 6. El casquillo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque comprende además: a. una primera placa fijada de manera rígida al interior del casquillo por debajo de la línea del agua y recibida- en forma ajustada alrededor del tubo montante; b. una segunda placa fijada de manera rígida al tubo montante por arriba del módulo de flotación y recibida de manera ajustada dentro del casquillo; y c. medios sobre la primera placa para controlar la velocidad de- cambio en el volumen del agua entre las placas en respuesta al movimiento del módulo de flotación.