EM CATENÁRIA

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção encontra-se no campo dos componentes de um sistema submarino de produção de petróleo. Mais particularmente, esse componente é um tubo ascendente em catenária livre que transporta hidrocarbonetos e demais fluidos envolvidos nesse processo de produção de petróleo. Mais especificamente, trata de dispositivos na forma de seções de sobrerrevestimento que são aplicados em segmentos ao longo do tubo ascendente de forma a modificar sua resposta dinâmica e evitar a ocorrência de flambagem na região em que toca o solo submarino.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A exploração e produção de petróleo estão a cada dia, sendo conduzida em lâminas d'água mais profundas, já ultrapassando os 2.500 metros de profundidade.

Tipicamente, uma unidade flutuante de perfuração é utilizada para criar um poço. Uma vez que o poço tenha sido completado, uma unidade flutuante de produção que pode ser uma plataforma semi-submersível, uma bóia ou um navio de produção conhecido pelos especialistas como FPSO (Floatíng Production Storage and Offloading) é instalado no local para que a produção dos poços possa ser escoada e processada.

O componente principal para que o petróleo seja elevado desde o reservatório abaixo do solo submarino até a unidade flutuante de produção é um duto que transporta hidrocarbonetos, água e demais fluidos utilizados no processo de produção de petróleo, conhecido também como tubo ascendente e, pelo termo em inglês "risef termo pelo qual será referenciado daqui por diante ao longo do presente relatório. O riser também é utilizado para o transporte de hidrocarbonetos entre duas plataformas ou entre uma plataforma e um duto de escoamento para a terra. Os risers apresentam diversos tipos de construção e podem tomar várias formas e configurações.

A configuração mais simples e comumente adotada é a chamada çatenária livre. Nesta configuração, os risers podem ser flexíveis ou rígidos.

Os risers rígidos normalmente são nomeados pela técnica pela sigla "SCR" (Steel Catenary Riser) e, em geral, são formados por uma pluralidade de tubos de aço soldados que conferem uma simplicidade na operação de instalação, ausência de conexões intermediárias e uma razoável complacência diante dos movimentos que a unidade flutuante de produção possa sofrer por causa do meio ambiente.

Quando eventos ambientais extremos, como ondas muito grandes e ventos muito fortes atingem uma unidade flutuante de produção, induzem a esta unidade flutuante de produção movimentos que normalmente apresentam uma grande amplitude. Como o topo do riser está conectado a esta unidade flutuante de produção, os movimentos de grande amplitude realizados pela unidade flutuante de produção são imediatamente transmitidos ao riser.

Os movimentos no riser geram uma onda de compressão que se propaga desde o topo até o ponto onde a çatenária formada toca o solo submarino, conhecido pelos especialistas pela sigla "TDP" (Touch Down Point). Uma vez atingido o TDP, a onda de compressão encontra um obstáculo à sua propagação que é o próprio solo. Evocando o princípio de ação e reação, o solo marinho tende a refletir a onda de compressão de volta, aumentando ainda mais o nível de compressão nesta região.

Se as cargas compressivas, tanto de ação e como de reação, atingem um limite crítico, a estrutura do riser libera toda a energia compressiva por meio de uma instabilidade geométrica conhecida pelos especialistas pelo termo flambagem, a qual submete a estrutura de construção do riser a níveis de tensão muito elevados, podendo acarretar um colapso estrutural. Tentativas de solução envolvem a colocação de dispositivos flutuadores ao longo do comprimento riser de forma a reduzir o peso do mesmo, ou mesmo de modificar a forma pela qual ele desce até o solo submarino, afastando-o da configuração em descida em catenária livre.

Uma outra causa natural que pode afetar estruturalmente um riser é a incidência de correntes marinhas. Ao passar no entorno de um riser, atrás da chamada superfície de ataque (que é a parte da superfície cilíndrica do riser diretamente voltada contra o sentido da corrente), são criados vórtices de água do mar em uma frequência que é proporcional à velocidade da corrente marítima. Se a velocidade da corrente for muito forte, a frequência de criação dos vórtices pode alcançar valores críticos; como resultado o riser começa a vibrar em conformidade a um fenómeno conhecido pelos especialistas pela sigla "VIV" (Vibrações Induzidas por Vorticidade).

Estas vibrações trazem consequências particularmente nocivas ao material que compõe o riser e que reduzem drasticamente a vida útil deste último, resultando na chamada de fadiga.

Para que este fenómeno tenha seus efeitos prevenidos, dispositivos conhecidos como supressores de vórtice foram criados e são instalados ao longo do comprimento do riser de forma a orientar a passagem da corrente marítima pelo riser de uma forma que não gere turbulências.

Embora os supressores de vórtice sejam empregados e funcionem em suas diversas formas construtivas conhecidas pela técnica, esses dispositivos acabam gerando uma elevação demasiada do custo final do riser, devido não apenas ao custo do dispositivo em si, mas também do tempo para instalação dos mesmos sobre o riser.

Até então, as soluções que o estado da arte apresenta para eliminação ou pelo menos a supressão dos efeitos de movimentação crítica no TDP dos risers, têm raiz no desacoplamento dos movimentos da unidade flutuante de produção da região de contato do ríser com o solo submarino.

Como exemplos destas soluções podem ser citados o "Riser Lazy Wave", "Riser Lazy-S", "Riser Pliant-Wave", "Riser Híbrido Auto- sustentável" e a "Bóia de Subsuperfície". No entanto, as configurações utilizando estas soluções citadas são muito complexas, com aplicação que demanda muita logística, tempo e traz desvantagens relativas ao alto custo envolvido.

TÉCNICA RELACIONADA

Na literatura técnica especializada e em diversos documentos de patente são citadas como exemplo composições que se tornaram largamente difundidas.

O documento US 4,400,110 (Pierre A. Beynet), aqui inserido como referência, apresenta a descrição de um sistema flutuante de produção para poços que produzem óleo e gás que emprega uma bóia de subsuperfície para diminuir a tensão em um ríser flexível usado para conectar uma tubulação de produção a uma unidade flutuante. A bóia de subsuperfície utiliza uma montagem em forma de berço com um dispositivo de balanceamento contra arraste de forma a neutralizar os momentos de torsão aplicados ao berço por efeito das correntes marinhas.

O documento US 4,567,842 (Peter R. Gibb), aqui inserido como referência, apresenta a descrição de um sistema de amarração e transferência de hidrocarbonetos em alto mar para um navio de produção que utiliza um sistema de ríser tensionado por um sistema de compensação de peso instalado no navio. O ríser é conectado ao navio em uma extremidade de um braço de balancim de forma a compensar as cargas verticais impostas ao ríser pelos movimentos verticais do navio. Desta forma são minimizados os efeitos de carga elevada que levam à fadiga a estrutura do ríser diminuindo sua vida útil.

O documento US 6,824,330 (Avie Max Grobe), aqui inserido como referência, apresenta um sistema de riser em catenária que inclui um mecanismo de tensionamento em uma estrutura flutuante que aplica uma tensão substancialmente constante e de maneira controlada no riser, o qual encontra-se acoplado à estrutura flutuante por um conduto flexível. Mais especificamente, a porção superior do riser encontra-se acima da superfície da água e é conectado ao mecanismo de tensionamento por meio de uma corda, cabo, corrente ou arame. Hidraulicamente o topo do riseré conectado a um conduto flexível que transporta os fluidos do interior do riser para a estrutura flutuante. O tensionamento constante do mecanismo de tensionamento visa minimizar os efeitos de fadiga do riser aumentando sua vida útil e evitando os arranjos de conexão fixa conhecidos da técnica.

O documento WO 2007/017574 (Roberto Jourdan de Aquino e outros), aqui inserido como referência, apresenta um limitador de curvatura para um sistema de transferência submarina de hidrocarbonetos, caracterizado por compreender um membro tubular flexível onde uma porção intermediária deste tubo flexível compreende uma pluralidade de seções sucessivas, substancialmente circulares montadas articuladamente umas em relação às outras, definindo um plano mediano de modo que o tubo flexível forme uma curvatura moderada igual ao raio de curvatura deste plano mediano. O objetivo é manter a porção intermediária do tubo flexível em suspensão entre o solo submarino e a estrutura flutuante.

O documento WO 2009/063163 (Zhimin Tan e outros), aqui inserido como referência, apresenta um sistema de suporte para tubulação flexível no qual uma quantidade de suportes adaptados no tubo flexível, que servem para manter o tubo a uma determinada altura do solo submarino, imprima uma flutuabilidade controlada a um trecho do tubo flexível e seja adaptável e complacente com as condições às quais o tubo flexível pode experimentar por influência do meio.

A técnica ainda se ressente de uma alternativa para evitar a diminuição da vida útil, particularmente em risers do tipo SCR, de uma forma eficiente e de simples implementação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

São objetivos da presente invenção: a redução do fenómeno de flambagem no ponto em que um riser do tipo SCR em uma configuração de catenária livre toca o solo submarino, a redução do seu peso aparente e a redução do dano que causa fadiga do material do qual o riser é formado, sejam esses problemas causados pelos movimentos oriundos da unidade flutuante à qual ele está ligado, ou pela passagem de correntes marinhas no entorno do riser.

Tais objetivos são alcançados por meio da aplicação de amortecedores hidrodinâmicos em, pelo menos, um determinado segmento do riser.

A característica principal do amortecedor hidrodínâmico é eminentemente funcional, ou seja, o amortecedor hidrodínâmico tem a função de interromper a propagação de uma onda compressiva pelo riser, induzindo uma flambagem de forma controlada e esperada a uma certa distância do ponto de toque do riser com o solo submarino.

Um benefício secundário, porém não menos importante é o aumento da vida útil devida à fadiga por vibrações induzidas por vórtices (VIV). Os amortecedores hidrodinâmicos modificam a resposta dinâmica do riser e os resultados de simulações numéricas apontam para a possibilidade de redução ou, até mesmo, eliminação da necessidade do uso de supressores de vórtices.

Há, ainda, a redução do peso aparente do riser por ser o amortecedor hidrodínâmico constituído de material de baixa densidade, o que pode reduzir as cargas na unidade de produção.

O amortecedor hidrodínâmico da presente invenção apresenta uma pluralidade de concretizações possíveis e dependentes do cenário no qual o riser se encontra, porém a característica comum a todas as concretizações é ter a conformação de um sobrerrevestimento com fácil adaptação e manter o ríser na configuração em catenária livre.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

As características do amortecedor hidrodinâmico para riser em catenária, objeto da presente invenção, serão melhor percebidas a partir da descrição detalhada que se fará a seguir, a mero título de exemplo, associada aos desenhos abaixo referenciados, os quais são parte integrante do presente relatório.

As Figuras 1A, 1 B, 1C e 1 D, são representações de algumas concretizações possíveis para o amortecedor hidrodinâmico da presente invenção instalado em um ríser do tipo SCR.

A Figura 2 é uma representação da aplicação do amortecedor hidrodinâmico da presente invenção em apenas um segmento do SCR e sem carga hidrodinâmica.

A Figura 3 é uma representação da aplicação do amortecedor hidrodinâmico da Figura 2 onde este amortecedor encontra-se na configuração deformada devido à ação de cargas hidrodinâmicas.

A Figura 4 é uma representação da aplicação do amortecedor hidrodinâmico da presente invenção em mais de um segmento do SCR apresentando também sua configuração deformada.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A descrição detalhada do amortecedor hidrodinâmico para ríser em catenária, objeto da presente invenção, será feita de acordo com a identificação dos componentes que os formam, com base nas Figuras acima descritas.

É objetivo da presente invenção a redução do fenómeno de flambagem no ponto em que um ríser em uma configuração de catenária livre toca o solo submarino, a redução do seu peso aparente e a redução do dano causado por VIV devido aos efeitos dos carregamentos hidrodinâmicos que são impostos ao ríser pelas condições do meio ambiente, sejam essas condições devidas à indução de movimentos pela unidade flutuante à qual ele está ligado, sejam essas condições devidas à passagem de correntes marinhas no entorno do.

A título de esclarecimento, a palavra riser daqui por diante será utilizada como designação para especificar um riser do tipo SCR {Steel Catenary Riser).

Como já abordado anteriormente, a técnica atual ainda não encontrou uma solução eficiente que evite a ocorrência de flambagem na região do TDP (Touch Down Point) em risers de catenária livre. Na aplicação prática, para que esse problema seja contornado, são empregados outros tipos de risers em configurações que desacoplam movimentos relativos à unidade flutuante do ponto de contato do riser com o solo. No entanto essas soluções elevam em demasia os custos envolvidos.

Uma primeira experiência na busca de uma solução para o problema da flambagem envolveu a utilização de um trecho de revestimento leve no ponto onde o riser toca o solo submarino levando- se em consideração como unidade flutuante um navio do tipo FPSO, ancorado em forma de ancoragem multiponto, recebendo a incidência de ondas extremas em uma lâmina d'água ultra profunda, obteve-se resultado negativo em relação à eficiência na redução de tensões extremas no riser.

Os objetivos da presente invenção foram alcançados por meio da aplicação de um ou mais trechos de revestimento leve por sobre segmentos do riser que se encontram ao longo do comprimento suspenso em vez de apenas na região (P) do TDP.

Os amortecedores hidrodinâmicos (1) da presente invenção são caracterizados por interromper a propagação de uma onda compressiva (O) pelo riser (R) por meio da indução de uma flambagem de forma calculada e controlada, em uma porção do comprimento suspenso do riser (R), a uma certa distância do ponto de toque (P) do riser (R) com o solo submarino, ou seja, a região do TDP.

As Figuras 1A, 1 B, 1C e 1 D mostram possíveis, mas não limitantes concretizações para o amortecedor hidrodinâmico, objeto da presente invenção.

Na Figura 1A, em uma primeira concretização, o amortecedor hidrodinâmico (1) compreende um único trecho (11) de revestimento leve, com diâmetro constante, aplicado por sobre, pelo menos um segmento do comprimento suspenso de um riser (R).

Na Figura 1 B, em uma segunda concretização, o amortecedor hidrodinâmico (1 ) compreende um trecho de maior diâmetro (12) de revestimento leve, aplicado por sobre, pelo menos, um segmento do comprimento suspenso de um riser (R) e, pelo menos, um trecho (11) de revestimento leve, instalado junto a, pelo menos, uma das extremidades do trecho de maior diâmetro (12), trecho (11 ) com diâmetro intermediário entre o diâmetro do riser e o diâmetro do trecho de maior diâmetro (12).

Na Figura 1C, em uma terceira concretização, o amortecedor hidrodinâmico (1 ) compreende um trecho de maior diâmetro (12) de revestimento leve, aplicado por sobre, pelo menos, um segmento do comprimento suspenso de um riser (R), pelo menos, um trecho de transição (13) de revestimento leve, instalado junto a, pelo menos, uma das extremidades do trecho de maior diâmetro (12), e, pelo menos, um trecho (11 ) de revestimento leve, instalado junto a, pelo menos, uma das extremidades do trecho de transição (13), o qual possui um diâmetro intermediário entre o diâmetro do riser (R) e o diâmetro do trecho de (11)

Na Figura 1 D, em uma quarta concretização, o amortecedor hidrodinâmico (1 ) compreende um segmento (16) de revestimento leve, de diâmetro variável, onde este diâmetro aumenta continuamente desde as suas extremidades (E1 , E2) de diâmetro próximo ao diâmetro do riser (R), a um diâmetro máximo (Dm), segmento (16) que é aplicado por sobre pelo menos um segmento do comprimento suspenso do riser (R).

O emprego do trecho (11) em relação às extremidades do trecho de maior diâmetro (12) tem um posicionamento que pode ser escolhido entre: em uma das extremidades, e, em ambas as extremidades.

Quando empregado mais de uma unidade, o trecho (11) pode ser escolhido entre: ter mesmo comprimento, ter comprimentos diferentes, ter mesmos diâmetros e ter diâmetros diferentes entre si.

O emprego tanto do trecho de transição (13) quanto do trecho

(11 ) em relação às extremidades do trecho de maior diâmetro (12) tem um posicionamento que pode ser escolhido entre: ser assimétrico com trechos (11 , 13) diferentes, com mais de um trecho (11 ,13) em uma extremidade e, pelo menos um elemento na outra extremidade e trechos (11 , 13) em apenas uma extremidade.

O amortecedor hidrodinâmico (1) emprega como elemento de constituição material de revestimento comum que atenda simultaneamente os requisitos de resistência mecânica e de baixa densidade. Exemplo típico deste material é o que constitui os revestimentos térmicos de riser (R) utilizados normalmente e disponíveis no mercado.

A utilização de material de baixa densidade reduz o peso aparente do segmento de riser (R) onde o mesmo é instalado, tornando- o mais complacente. O aumento do diâmetro hidrodinâmico do riser (R) pela adaptação do amortecedor hidrodinâmico (1 ) torna-o mais suscetível aos carregamentos hidrodinâmicos (CH).

A Figura 2 mostra um amortecedor hidrodinâmico segundo uma das possíveis concretizações, aplicado em um segmento do comprimento suspenso do riser (R), afastado da região (P) do TDP e em uma situação isenta de carregamentos hidrodinâmicos (CH). A Figura 3 mostra um amortecedor hidrodinâmico (1) sob ação de propagação de uma onda compressiva (O) e carregamentos fciidrodinâmicos (CH).

Pode ser observado que quando a unidade flutuante (U) se movimenta por ação das ondas da superfície, o movimento vertical (V) que a unidade executa é transmitido diretamente ao topo do riser (R). Este movimento gera uma carga vertical no sentido de compressão do riser (R) que se propaga em direção ao solo submarino. Além disso, o riser (R) também se movimenta gerando carregamentos hidrodinâmicos (CH) perpendiculares à parede do mesmo, devido à presença do fluido externo (água do mar) (detalhe hachurado na Figura 3).

O diâmetro do riser (R) torna-se maior no segmento em que o amortecedor hidrodinâmico é aplicado. As cargas perpendiculares à parede do riser (R) são proporcionais ao diâmetro hidrodinâmico do mesmo. Devido a isto, as cargas hidrodinâmícas neste segmento também serão maiores.

A resultante dos esforços incidentes sobre o segmento de riser (R) e sobre o amortecedor faz com que estes últimos se curvem controladamente em resposta às solicitações e interrompa a propagação da onda compressiva (O) proveniente do topo do riser (R).

O controle da curvatura do segmento de riser (R) em função da magnitude da solicitação de carga pode ser obtido controlando-se parâmetros que compreendem: o comprimento do segmento, o peso específico do material e a espessura do amortecedor hidrodinâmico (1).

A Figura 4 ilustra uma situação onde mais de um segmento do riser (R) encontra-se equipado com amortecedor hidrodinâmico, situação que aumenta a eficiência na interrupção da propagação da onda compressiva (O) e na solução do problema de flambagem na região (P) do TDP. No detalhe hachurado desta Figura 4, podem ser observados os amortecedores hidrodinâmicos (1) em uma situação de deformação, devido ao fato de estarem submetidos a carregamentos hidrodinâmicos (CH) e de compressão.

O segmento de riser (R) com amortecedor hidrodinâmico ao se flexionar sob carga, evita que as cargas de compressão oriundas dos movimentos impostos no topo do riser (R) causem flambagem na região (P) do TDP onde este riser (R) toca o solo submarino.

Com o objetivo de estudar a viabilidade do emprego de risers (R) do tipo SCR acoplados em unidades flutuantes do tipo FPSO, foram realizadas simulações numéricas utilizando como base os dados de um cenário localizado na Bacia de Santos, Brasil, aqui apresentadas a título de mero exemplo.

As simulações foram feitas levando-se em conta um riser (R) sem o amortecedor hidrodinâmico e com amortecedor hidrodinâmico. Os resultados numéricos obtidos mostraram que o riser (R) com o amortecedor hidrodinâmico da presente invenção eliminou a flambagem na região (P) onde o riser (R) toca o solo submarino e, mesmo ao simular situações de carregamentos em níveis extremos, o nível de tensões impostas ao riser (R) apresentou reduções de até 60%.

Com o emprego dos amortecedores hidrodinâmicos, abre-se a possibilidade de utilização de risers (R) de aço em catenária livre, que é ainda o conceito mais simples e robusto em termos de riser (R), sem o custo elevado advindo da aplicação de supressores de vórtices, e eliminando problemas de emprego dos SCR em função de eventos extremos.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em sua forma de realização preferida, o conceito principal que norteia a presente invenção, que é um amortecedor hidrodinâmico (1 ) que tem a função de interromper a propagação de uma onda compressiva (O) por um riser (R) induzindo uma flambagem de forma controlada e esperada a uma certa distância da região (P) de toque do riser (R) com o solo submarino, se mantém preservado quanto ao seu caráter inovador, onde aqueles usualmente yersados na técnica poderão vislumbrar e praticar variações, modificações, alterações, adaptações e equivalentes cabíveis e compatíveis ao meio de trabalho em questão, sem, contudo se afastar da abrangência do espírito e escopo da presente invenção, que estão representados pelas reivindicações que se seguem.