WO2012151644A1

WO2012151644A1 - Bóia multi-coluna para terminais aquaviários em águas profundas e ultraprofundas

Info

Publication number: WO2012151644A1
Application number: PCT/BR2011/000133
Authority: WO
Inventors: Rodrigo Augusto BARREIRA
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-15
Also published as: US9334025B2; US20140187109A1

Abstract

A invenção trata de uma estrutura flutuante costeira utilizada em terminais aquaviários de escoamento de produção da indústria petrolífera. A estrutura apresenta uma configuração construtiva conformada por múltiplas monobóias interligadas em um arranjo e em uma relação dimensional específicos, sendo capaz de atenuar as instabilidades e movimentos gerados pelos efeitos hidrodinâmicos das ondas, reduzindo consequentemente os esforços dos componentes acessórios, tais como linhas de ancoragem, linha de transferência de óleo e mangotes de descarga, a ela conectados.

Description

BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a uma estrutura flutuante costeira utilizada em terminais aquaviários de escoamento de produção da indústria petrolífera.

A estrutura apresenta uma configuração construtiva diferenciada da tradicional, sendo capaz de atenuar as instabilidades e movimentos gerados pelos efeitos hidrodinâmicos das ondas, reduzindo consequentemente os esforços dos componentes acessórios, tais como linhas de ancoragem, linha de transferência de óleo e mangotes de descarga, a ela conectados.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A indústria petrolífera em águas profundas requer a utilização de unidades estacionárias de produção (UEP), que depois de ancoradas ao leito do mar, operam como uma unidade de produção e/ou de exploração de poços de petróleo e gás.

Em decorrência do aumento da profundidade da lâmina de água e consequentemente das exigências de segurança para que estas UEP's possam operar nessas regiões, torna-se cada vez mais complexa a busca de soluções técnicas para enfrentar os desafios inerentes às condições ambientais de onda, vento e correnteza típicas de alto-mar.

Um dos principais desafios neste ambiente é a realização de forma segura da operação de transferência de óleo da UEP para os navios de transporte da produção, conhecidos no meio técnico por "navios aliviadores".

Atualmente existem dois modos básicos de fazer esta transferência: diretamente entre o navio aliviador e a UEP, ou por meio de um terminal aquaviário costeiro.

No cenário da Bacia de Santos (Brasil) na região do Pré-Sal, onde novas UEP's serão fundeadas, as condições de mar geralmente são rigorosas, e a transferência direta, além de necessitar de navios aliviadores especiais dotados de sistema de posicionamento dinâmico, apresenta muitos riscos de acidentes, desde o risco de rompimento dos mangotes flutuantes a abalroamento entre embarcações, o que além de acarretar grandes prejuízos materiais, também representa um imenso dano ambiental.

O segundo modo de fazer a transferência da produção é utilizando um terminal aquaviário costeiro entre as duas embarcações, representado basicamente por uma grande monobóia que serve como uma estação de conexão intermediária entre o navio aliviador e a UEP. Deste modo o navio aliviador pode ficar em uma distância segura da UEP caso haja uma falha no controle da estabilidade posicionai de uma das embarcações.

No entanto, este conceito de escoamento de óleo por meio de monobóias já é amplamente utilizado em terminais aquaviários próximos à costa, em águas rasas, cujas condições ambientais são geralmente amenas por se tratar de águas abrigadas. Nestes casos são utilizadas como terminais aquaviários monobóias convencionais cilíndricas de pequeno deslocamento, ou seja, diâmetro < 12 m e calado < 5 m.

A indústria como um todo ganhou grande experiência com estes sistemas de transferências em água rasas instalados em condições ambientais moderadas, como as existentes na costa oeste da África. Entretanto, projetos para regiões ultrapronfundas e condições ambientais mais severas como da costa do Brasil na Bacia de Santos representa ainda um desafio, especialmente no que se refere à fadiga da linha de transferência de óleo, especificamente nas regiões de conexão.

TÉCNICA RELACIONADA

Podemos citar algumas tecnologias que estão sendo pesquisadas e desenvolvidas por diversas empresas do ramo, como por exemplo, SBM, APL, BlueWater, Modec. A SBM desenvolveu a TSALM (Tendon Single Anchor Leg Mooring), a DDCALM (Deep Draft CALM) as duas inspiradas no conceito SPAR. No entanto já podemos identificar que estas tecnologias apresentam as conexões das linhas de ancoragem e de transferência de óleo abaixo da linha d'água, e qualquer procedimento nelas dependem de operações complexas com mergulhadores ou robôs remotamente operados.

Têm-se ainda trabalhos apresentados em Congressos que discutem as atuais problemáticas e pesquisas sobre o assunto:

[1] C. Blanc, J. -L. Isnard, R. Smith, 2006. "Deepwater OH Export Systems: Past, Present, and Future". OTC 18085.

[2] P. Jean, K. Goessens, D.L' Hostis, 2005. "Failure of Chains by Bending on Deepwater Mooring Systems". OTC 17238.

[3] S. Montbarbon, S.H. Quintin, G. Deroux, 2005. "Experience With New

Cost-Effective Solutions to Export OH From Deepwater Floating Production Units Using Suspended Pipelines". OTC 17318.

[4] N.C. Nolop, H.H. Wang, W.C. Kan, J.B. Sutherland, E.S. Elholm, D.S.

Hoyt, S. Montbarbon, H. Quintin, 2007. "Erna and Er a North

Development: Steel Catenary Risers and Offloading System". OTC 18657.

[5] J.L. Cozijn, T.H.J. Bunnik, 2004, "Coupled Mooring Analysis for a Deep Water CALM Buoy". OMAE 2004.

[6] C. Bauduin, C. Blanc, E.S. Elholm, G. de Roux, MJ. SAntala, 2004.

'ERHA Deep Water Export System - Couple Analysis and Model Tests

Calibration". DOT 2004.

Independente das condições de mar, o objetivo destas pesquisas consiste na redução dos esforços entre os três componentes básicos que formam o sistema de escoamento de um terminal aquaviário costeiro: linha de transferência de óleo; sistema de ancoragem da monobóia; casco da monobóia.

Neste sentido busca-se reduzir ao máximo os deslocamentos do terminal aquaviário, representado pela monobóia, nos seis graus de BR2011/000133

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liberdade possíveis, ou seja, três graus de liberdades planares e três graus de liberdades angulares. Os três graus de liberdades planares xyz correspondem respectivamente aos movimentos de avanço (heave), deriva (sway) e afundamento (heave), e os três graus de liberdades angulares, correspondem aos movimentos de rolamento (roll), caturro (pitch) e guinada (yaw).

O deslocamento vertical na direção z é ocasionado, dentre outros fatores, pelas ondas marinhas que ao passarem pelo casco da monobóia fazem com que ela suba e desça as ondas devido ao efeito hidrodinâmico hidrostático em suas bases. Neste tipo de deslocamento o posicionamento do terminal aquaviário chega a variar até 10 metros em relação à superfície média do mar dependendo da condição ambiental. Já o deslocamento angular, devido ao seu formato, pode ocorrer igualmente em qualquer sentido.

Estes deslocamentos acarretam várias dificuldades operacionais, desde problemas com as linhas de transferência de óleo e suas conexões até mesmo a fadiga das linhas de ancoragem, que chegam a romper.

Atualmente, diversos sistemas de escoamento de óleo estão sendo (ou já foram) instalados em águas profundas na costa oeste da África. A tecnologia de todos estes sistemas de escoamento está baseada no tradicional conceito de uma monobóia cilíndrica de grande deslocamento, ou seja, diâmetro > 23 metros, acoplada a uma UEP por meio de duas ou mais linhas de transferência de óleo a meia água.

Entre os sistemas da costa da África, existem diferenças no arranjo e composição das linhas de ancoragem, e também no diâmetro, configuração e material da linha de transferência de óleo.

Vistas de longe, as monobóias de água profunda se assemelham muito com a popular monobóia de água rasa. De fato as primeiras monobóias de água profunda foram uma extrapolação das monobóias de água rasa, porém com premissas de projeto bem diferentes e específicas para cada cenário ambiental.

Em condições ambientais mais severas, como as existentes na costa brasileira da Bacia de Santos, cujos períodos das ondas variam entre 5 segundos e 20 segundos e sua altura máxima pode chegar a 18 metros, as monobóias cilíndricas convencionais da costa da África apresentam acentuados movimentos verticais e rotacionais inerentes a hidrodinâmica de sua geometria, impondo severos esforços tanto nas linhas de ancoragem como nas linhas de transferência de óleo.

Uma das possíveis soluções para terminais aquaviários na bacia de Santos, e já empregada na costa oeste da África, é o aumento do diâmetro das amarras na região crítica, no entanto, isto gera maior carga vertical no sistema. Já para a linha de transferência a diminuição de seu diâmetro poderia ser uma solução, porém traz como consequência a diminuição da taxa de transferência de óleo da UEP para o navio aliviador. Em alguns casos esta solução pode inviabilizar todo o projeto do campo.

Assim, a atual invenção visa superar estes problemas criando uma solução técnica e economicamente viável e que não altere a taxa de transferência da produção.

Como resultado destas pesquisas, foi concebida uma bóia multi- coluna para terminais aquaviários em águas profundas e ultraprofundas.

A preocupação no desenvolvimento deste novo equipamento visa alcançar o mínimo movimento, principalmente, verticais e rotacionais do terminal aquaviário, reduzindo ao máximo os esforços resultantes nas conexões das linhas de ancoragem e linhas de transferência.

A invenção descrita a seguir decorre da contínua pesquisa no seguimento de transferência de produção, cujo enfoque objetiva aumentar significativamente a taxa de transferência da produção dentro de condições seguras de operação.

Outros objetivos que a bóia multi-coluna para terminais aquaviários em águas profundas e ultraprofundas, se propõe alcançar são a seguir elencados:

1. Baratear custos de construção e instalação;

2. Proporcionar maior segurança operacional;

3. Assegurar uma estrutura mais estável independente das condições de mar;

4. Diminuir o tempo de transferência da produção;

5. Diminuir a necessidade de vistorias periódicas dos acessórios, tais como amarras e conexões;

6. Evitar desastres ambientais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a uma bóia multi-coluna para ser empregada em terminais aquaviários instalados em águas profundas e ultraprofundas.

Basicamente a invenção é constituída por um conjunto de monobóias dispostas equidistantemente de um centro comum às mesmas, e interligadas por uma estrutura superior treliçada. Cada monobóia apresenta uma configuração típica, predominantemente cilíndrica.

A estrutura treliçada é conformada por tantas vigas centrais quanto o número de monobóias utilizadas, sendo que cada viga central se reúne no centro da estrutura e liga o centro da dita estrutura treliçada até o ponto de fixação da respectiva monobóia. A estrutura treliçada é disposta sobre as monobóias, sendo que cada uma das monobóias é fixada na extremidade de sua respectiva viga central. Vigas periféricas interligam as extremidades livres das vigas centrais de modo a fechar a estrutura treliçada.

O centro da estrutura treliçada é provido com uma junta rotatória (swivel) onde ocorre a conexão da linha de transferência de óleo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, e nos quais:

A Figura 1 retrata um terminal aquaviário típico do estado da técnica.

A Figura 2 retrata uma vista em perspectiva do terminal aquaviário proposto.

A Figura 3 retrata uma vista superior do terminal aquaviário da invenção.

A Figura 4 retrata uma vista lateral do terminal aquaviário da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A Figura 1 mostra um terminal aquaviário (1) típico do estado da técnica com um navio aliviador (2) ancorado, e suas respectivas conexões das linhas de ancoragem (3), linhas de transferência de óleo (4) e mangote flutuante (5). Pode-se perceber a configuração padrão, em forma de monobóia cilíndrica. Para águas rasas costumam aplicar diâmetros < 12 metros e calado < 5 metros, enquanto que para águas profundas os diâmetros são comumente > 23 metros.

A Figura 2 revela em uma vista de perspectiva a bóia multi-coluna (100) para terminais aquaviários em águas profundas e ultraprofundas objeto da presente invenção. A dita bóia foi desenvolvida a partir de pesquisas que visavam aperfeiçoar o controle não só do amortecimento de terminais aquaviários, mas principalmente reduzir os esforços de fadiga impostos às conexões das linhas de ancoragem e linhas de transferência.

Observando-se em conjunto as Figuras 2, 3 e 4, é possível entender todo o princípio de atuação da atual invenção. A bóia multi-coluna (100) é constituída por um conjunto de monobóias (10) dispostas equidistantemente de um centro (20) comum às mesmas e interligadas por meio de uma estrutura superior treliçada (30).

Pelo menos três monobóias (10) com a mesma dimensão, mas preferencialmente seis monobóias, são necessárias e capazes de fornecer as condições ideais de estabilização. Nesta configuração preferida as monobóias (10) ficam dispostas em uma distância angular de 60° e uma distância radial fixa em relação ao centro (20) da estrutura treliçada (30), formando assim, uma configuração predominantemente circular.

Cada monobóia (10) apresenta uma configuração típica, predominantemente cilíndrica, e pode apresentar uma saia (11) de estabilização na seção inferior dos seus cascos, otimizando assim o amortecimento global dos movimentos da bóia multi-coluna (100). As saias (11) por sua vez são providas com pontos de fixação das linhas de ancoragem à bóia multi-coluna (100) (não mostrado na figura).

A estrutura treliçada (30) é conformada por tantas vigas centrais (31 ) quanto o número de monobóias (10) utilizadas, sendo que cada viga central (31) liga o centro (20) da dita estrutura treliçada até o ponto de fixação da respectiva monobóia (10).

Vigas periféricas (32) interligam as extremidades livres das vigas centrais (31) de modo a fechar a estrutura treliçada (30), reforçando-a.

A estrutura treliçada (30) é disposta sobre as monobóias (10), sendo que cada uma das monobóias pode ser fixada diretamente na extremidade livre de sua correspondente viga central (31), ou opcionalmente, pode ser utilizado uma junta esférica como acoplamento. Esta opção otimiza o amortecimento global dos movimentos da bóia multi-coluna (100) ante as ondas do mar.

O centro (20) da estrutura treliçada (30) é provido com uma junta rotatória (swivel) (não mostrada na figura) onde ocorrerá a conexão da linha de transferência de óleo.

Cabe ressaltar que a nova geometria de casco proposto permite que a linha de transferência de óleo (5) seja instalada de forma segura e a seco próximo ao centro de gravidade da estrutura. A configuração construtiva diminui os esforços transferidos pelos movimentos rotacionais do casco para a conexão, devido às ondas, aumentando de forma significativa sua vida útil em relação à fadiga.

Nos terminais aquaviários da técnica anterior, formava-se um braço de esforço, determinado pela distância entre o ponto de fixação da linha de transferência (5), geralmente na base do casco, e o centro de gravidade da estrutura, colaborando para o aumento dos esforços, principalmente na região de conexão.

Tão importante quanto à configuração construtiva da bóia multi- coluna (100) é a dimensão dos componentes em relação às ondas e correntezas esperadas na área de instalação. Assim os componentes da bóia multi-coluna (100) devem preferencialmente satisfazer as seguintes condições:

0,15 < Dcil / Dt < 0,5 0,30 < Dcil / T < 2

Onde: Dcil = diâmetro de cada monobóia (10),

Dt = diâmetro da circunferência que contém a borda externa das monobóias (10), e

T = dimensão do calado de cada monobóia (10).

Foram realizados testes em condições de mar equiparáveis às condições extremas da Bacia de Santos, onde uma onda centenária com Tp (período de pico) de 15,5 segundos e Hs (altura significativa) de 11 ,1 metros (altura máxima de aproximadamente 18 metros). A bóia multi- coluna (100) utilizando a relação dimensional proposta apresentou apenas 9,12 graus de amplitude máxima para o movimento angular (pitch). Uma monobóia convencional apresenta aproximadamente 30 graus de amplitude máxima para este mesmo estado de mar.

Para condição limite operacional de conexão de um navio aliviador ligado a terminais aquaviários, com Hs de 3,5 metros, e adotando-se um Tp de 10,5 segundos, a bóia multi-coluna (100) apresentou apenas 5 graus de amplitude máxima para o movimento angular (pitch).

Deve ficar salientado que outra grande vantagem no emprego desta configuração preferida é a possibilidade atuar em condições extremas de mar sem oferecer riscos operacionais, e mantendo a conexão das linhas de transferência de óleo sempre fora d'água.

Assim o terminal aquaviário antes uma monobóia simples, passou a ser uma estrutura capaz de oferecer meios de controle de flutuação com influência direta na durabilidade das linhas de transferência de óleo, consequentemente na segurança ambiental, pois minimiza ao extremo os esforços nos pontos de conexão.

A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro, que a invenção não está limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito.

Claims

REIVINDICAÇÕES

BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, caracterizado por compreender:

- um conjunto de pelo menos três monobóias (10), com configuração típica, predominantemente cilíndrica, dispostas equidistantemente de um centro (20) comum às mesmas e interligadas por uma estrutura superior treliçada (30) conformada por tantas vigas centrais (31 ) quanto o número de monobóias (10) utilizadas, sendo que cada viga central (31) liga o centro (20) da dita estrutura treliçada até o ponto de fixação da respectiva monobóia (10);

- pelo menos três vigas periféricas (32), que interligam as extremidades livres das vigas centrais (31 ) de modo a fechar a estrutura treliçada (30), que é disposta sobre as monobóias (10), sendo que cada uma das monobóias é fixada na extremidade livre de sua correspondente viga central (31 );

- uma junta rotatória, provida no centro (20) da estrutura treliçada (30), onde ocorre a conexão da linha de transferência de óleo.

BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os componentes da bóia multi- coluna (100) satisfazer as condições: 0,15 < Dcil / Dt < 0,5 e 0,30 < Dcil / T < 2, onde Dcil é o diâmetro de cada monobóia (10), Dt é o diâmetro da circunferência que contém a borda externa das monobóias (10) e T é a dimensão do calado de cada monobóia (10).

BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por compreender preferencialmente seis monobóias, o que seria capaz de fornecer as condições ideais de estabilização, ficando as monobóias (10) dispostas em uma distância angular de 60° e a uma distância radial fixa em relação ao centro (20) da estrutura treliçada (30) formando uma configuração predominantemente circular.

4- BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por cada monobóia (10) apresentar uma saia (11 ) de estabilização na seção inferior dos seus cascos.

5- BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por as saias (11 ) serem providas com pontos de fixação das linhas de ancoragem.

6- BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a quantidade de vigas centrais em uma concretização corresponder ao número de monobóias desta concretização.

7- BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por cada monobóia (10) ser fixada diretamente na extremidade livre das respectivas vigas centrais (31 ) por meio de uma junta esférica (32).

8- BÓIA MULTI-COLUNA PARA TERMINAIS AQUAVIÁRIOS EM ÁGUAS PROFUNDAS E ULTRAPROFUNDAS, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por os esforços de peso referentes às linhas de transferência (5) serem preponderantemente concentrados no centro de gravidade da bóia multi-coluna (100).