CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção está relacionada a um sistema de elevação artificial e garantia de escoamento de produção de poços de petróleo submarinos. Mais especificamente, a invenção está , relacionada à montagem de equipamentos no interior de risers de produção de unidades de produção flutuantes do tipo FPSO.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[000?] Durante o processo de produção de petróleo no mar, em eàpecial em águas profundas, diversos sistemas e equipamentos têm sido desenvolvidos para fornecer energia ao petróleo, tanto na forma' de pressão como na forma de calor, com o intuito de facilitar o seu escoamento para a superfície.

[0003] O uso de bombas no interior de poços de petróleo permite, quando aplicável, aumentar a produção do poço. No entanto, tais equipamentos têm uma taxa de falhas alta, na média da ordem de 1 falha a cada dois 2 anos para bombas centrífugas i

submersas, BCS, o tipo mais usado. Falhas em poços submarinos de í

completação molhada requerem intervenção para manutenção com altos custos, já que são necessárias: a interrupção da produção, a retirada da coluna de produção e respectiva bomba, o uso de uma sonda offshore. Em muitos casos esses custos altos representam um obstáculo para a viabilidade económica de projetos de desenvolvimento da produção. [0004] Diversas alternativas para mitigação desse problema têm sido propostas. Atualmente para poços submarinos, sempre que as condições de pressão e quantidade de gás livre são favoráveis, bombas são instaladas, preferencialmente, fora do poço produtor sobre o solo marinho; facilitando sua instalação e eventual troca em caso de falha. Exemplos desta prática são descritos nos pedidos de patente US7314084 e US7516795.

[0005] Apesar disso, mesmo para as falhas de bombas instaladas sobre o solo marinho continua a ser necessário recursos de sondas e/ou embarcações especiais, gerando ainda perdas de produção consideráveis. Além do alto custo destes recursos navais é necessário aguardar a disponibilidade e movimentação dos mesmos, podendo se passar dezenas de dias até ser possível executar tais operações.

[0006] Algumas concretizações têm sido propostas com o objetivo de viabilizar soluções para instalação e retirada de bombas a partir da própria unidade de produção dispensando o uso de outros recursos navais, nem sempre prontamente disponíveis. Um exemplo é o pedido de patente PI 0109766-0 onde é descrito um sistema de riser usado tanto para transportar fluidos produzidos como meio físico para alojar e guiar a descida, instalação e desinstalação de equipamentos de produção, entre eles uma bomba.

[0007] No documento US6412562/ PI 0113728-0 posterior ao

PI 0109766-0, também é proposta a instalação de uma BCS acima de uma árvore de natal molhada, ANM, descida pelo interior de um riser. Na configuração proposta é necessário e obrigatório que o riser seja vertical, ou seja, sem curvatura, e tenha um sistema de compensação de movimento, dificultando sua aplicação em sistemas de produção do tipo FPSO, sigla do inglês Floating Production Storage and Offloading.

[0008] Ainda no documento US8857519 é proposto um método de modernização de sistemas de produção, popularmente conhecido como retrofitting, onde sistemas de separação e bombeamento submarino podem ser instalados e descidos através de risers de produção.

[0009] No documento US8087464 é proposta uma estrutura do tipo varanda instalada no costado de um FPSO para apoio e troca de bombas tipo BCS de sistemas de modulo de bombeamento submarino.

[00010] Assim, apesar dos méritos dos diversos pedidos de patentes para instalação de bombas no interior de risers de produção não é apresentada nenhuma solução que reduza a dificuldade de instalação de uma sonda ou outro meio de intervenção com acesso ao topo de um conjunto de risers de produção, principalmente em unidades de produção do tipo FPSO com casco clássico de navio na forma de "ship shaped hulf.

[00011] Desta forma, no atual estado da técnica carece de um sistema que facilite a instalação/substituição/reparos de equipamentos no interior de um conjunto de risers, em especial bombas, equipamentos de aquecimento ou despressurização de linhas, em sistemas de produção flutuante do tipo FPSO.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[00012] A presente invenção tem por objetivo principal prover um sistema de intervenção e instalação de equipamentos no interior de um conjunto de risers em unidades de produção flutuante sem que se demande a utilização de recursos navais de alto custo. [00013] Assim, de forma a alcançar tal objetivo, a presente invenção provê um sistema de intervenção e instalação de pelo menos um equipamento de elevação e escoamento de produção no interior de pelo menos um riser de produção em uma unidade de produção flutuante tipo FPSO, onde pelo menos um equipamento de intervenção e instalação é apoiado sobre uma estrutura deslizante, que se move facilmente sobre o topo do conjunto de risers de produção. O equipamento de elevação e escoamento instalado no interior dos risers pode compreender pelo menos um de: uma bomba; uma BCS; um aquecedor elétrico; um mandril de gás // ^' #; e uma bomba de jato. O equipamento de intervenção e instalação pode compreender pelo menos um de: uma sonda; uma unidade de tubo flexível; uma unidade de arame; uma ponte rolante; e um guindaste.

[00014] Complementarmente, ainda é proposta uma nova geometria de riser em h de forma a facilitar o alojamento de um ou mais equipamentos de elevação e escoamento no interior dos risers de produção.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[00015] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência, representando as modalidades da presente invenção.

[00016] A figura 1A ilustra uma vista de uma unidade de produção flutuante de acordo com uma configuração opcional da presente invenção.

[00017] A figura 1B ilustra uma vista de um corte transversal frontal da unidade de produção flutuante ilustrada na figura 1A.

[00018] A figura 2A ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que uma bomba BCS com um tubo direcionador de fluxo conhecido por shroud, invertido, é instalada com uma coluna de produção no interior de um riser.

[00019] A figura 2B ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que uma bomba BCS sem shroud é instalada com uma coluna de produção no interior de um riser.

[00020] A figura 2C ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que os elementos coluna de produção e cabo de potência elétrica são integrados numa única estrutura circular.

[00021] A figura 3A ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que uma bomba BCS é instalada no interior de um riser com o auxílio de um cabo elétrico armado.

[00022] A figura 3B ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que uma bomba BCS é instalada no interior de um riser com o auxílio de um cabo elétrico armado, em que o cabo elétrico é posicionado externamente ao riser.

[00023] A figura 4A ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que um sistema de aquecimento elétrico é instalados no interior de um riser.

[00024] A figura 4B ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que um sistema de duto flexível dotado de um mandril de gás lift é instalado no interior de um riser.

[00025] A figura 5A ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que uma bomba do tipo BCS é instalada no interior de um riser e é acionada por uma haste.

[00026] A figura 5B ilustra uma vista de uma configuração variante da figura 5A em que a haste é acionada por um motor de maior potência. [00027] Ã figura 5C ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que um sistema de tubo flexível duplo concêntrico é instalado juntamente com uma bomba de jato no interior de um \riser.

[00028] † figura 6A ilustra uma configuração opcional de um elemento vértebra bipartida em sua posição aberta.

[00029] A figura 6B ilustra uma configuração opcional de um elemento vértebra bipartida em sua posição fechada.

[00030] A figura 6C ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que um elementos tipo vértebra bipartida são instalados em três risers.

[00031] A figura 7 ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que é adotado um riser do tipo h com bolsão.

[00032] A figura 8 ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que é adotado um riser 6o tipo h sem bolsão. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00033] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção, aplicada a um sistema de produção de petróleo compreendendo uma unidade de produção flutuante (FPSO), com casco cilíndrico ou com casco longitudinal na forma de navio' "ship shaped hull", dotada de um balcão onde os risers de produção são pendurados. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular.

[00034] A presente invenção refere-se a um sistema de intervenção e instalação de pelo menos um equipamento de elevação e escoamento de produção no interior de um conjunto de risers de produção em uma unidade de produção flutuante dotada de um balcão onde são pendurados os risers de produção.

[00035] Em adição, o balcão compreende um sistema deslizante, onde é apoiado pelo menos um equipamento de intervenção e instalação, como sonda, unidade de tubo flexível e unidade de arame, podendo se movimentar sobre o topo do conjunto de risers de produção. Deste modo, um único sistema deslizante, preferencialmente uma estrutura sobre trilho, viabiliza a instalação de equipamentos de produção no interior de um conjunto de risers de produção, de modo que, tais equipamentos de produção podem englobar pelo menos um de BCS, aquecedor elétrico, mandril de gás lift, bomba de jato, bomba acionada hidraulicamente dentre outros.

[00036] Assim, de acordo com a invenção ora proposta, a operação de instalação de equipamentos de produção, como uma bomba BCS, pode ser executada a partir de um sistema compreendido no próprio FPSO, sem necessidade de aguardar a disponibilidade e movimentação de embarcações, reduzindo drasticamente o tempo e os custos de operações de substituição de BCSs.

[00037] Também de acordo com a presente invenção, na porção superior dos risers, a qual é posicionada acima do balcão, são instaladas árvores de natal secas horizontais ou convencionais, com ou sem a adoção de cabeças de produção. Nessa configuração, as colunas de produção são apoiadas por suspensores, de modo que as saídas das árvores de natal são utilizadas para enviar o petróleo produzido para uma planta de separação de petróleo.

[00038] De modo a facilitar a intervenção dos equipamentos alojados no interior do conjunto de risers, quando necessário, a invenção provê uma estrutura deslizante, apoiada em trilhos, posicionada acima do balcão. Nessa estrutura é instalado pelo menos um equipamento de intervenção com tecnologia similar aos utilizados para intervenção de poço, como sonda, unidade hidráulica, unidade de tubo flexível e unidade de arame. Em adição, outros equipamentos como ponte rolante e guindaste podem ser adicionados para trabalhar conjuntamente com a estrutura deslizante, para facilitar a movimentação dos equipamentos.

[00039] Opcionalmente, os risers de produção, onde são assentados os equipamentos de produção, podem ter uma geometria convencional (em catenária) ou uma geometna em h, com ou sem bolsão (rathole).

[00040] Assim, a invenção ora descrita compreende a montagem de equipamentos no interior de risers suspensos em balcões de unidades de produção flutuantes, como por exemplo FPSO.

[00041] A seguir, serão descritas figuras que ilustram configurações opcionais da invenção, as quais facilitarão o entendimento da mesma.

[00042] A figura 1A ilustra uma vista de uma unidade de produção flutuante 1 de acordo com uma configuração opcional da presente invenção, e a figura 1 B ilustra uma vista de um corte transversal frontal da unidade de produção flutuante 1 ilustrada na figura 1A. Conforme ilustrado, a unidade de produção flutuante 1 da presente invenção compreende um balcão 6 dotado de sistemas de intervenção apoiados em um sistema deslizante 50 sobre trilhos 20, para a instalação de equipamentos de elevação e escoamento no interior do conjunto de risers 49, em que os sistemas de intervenção podem ser uma sonda 7 e/ou uma unidade de tubo flexível 8 e/ou uma unidade de arame 19, dentre outros. Ainda na figura são indicados os elementos ilustrativos: linhas de ancoragem 3, tocha 5, conjunto de risers de produção 49.

[00043] Adicionalmente, a invenção também provê um elemento riser curto 32 usada para teste e armazenamento em atmosfera controlada, o qual pode ser utilizado para pré-teste de funcionamento de conjuntos de BCS utilizados.

[00044] Novamente com referência à figura 1B observa-se uma porção superior de um riser 2 conectado a uma árvore de natal seca 13. Em configuração opcionalmente adotada, a arvore de natal seca 13 é do tipo horizontal, no entanto, em configurações alternativas, pode ser adotada uma árvore de natal seca convencional. A árvore de natal seca 13 compreende uma saída de produção 9 por onde fluí os hidrocarbonetos produzidos pelo poço de petróleo, os quais são direcionados para uma unidade de separação e produção 4. Ainda na Figura é indicado o elemento ilustrativo: superfície do mar 36.

[00045] Em adição, observa-se que sistemas de intervenção, tais como sonda 7, unidade de tubo flexível 8 e unidade de arame 19, são instalados sobre um sistema deslizante 50, preferencialmente um trilho 20, de modo que esses sistemas de intervenção possam ser movimentados sobre as cabeças de intervenção de cada riser 2. As cabeças de intervenção são dispositivos conhecidos do estado da técnica, que têm a função de facilitar intervenções nos risers 2, como descida e instalação de equipamentos, similares àquelas realizadas em cabeças de poço com completação seca. Em especial, as cabeças de intervenção podem ser usadas para auxiliar a instalação de uma bomba, opcionalmente uma BCS, no interior dos risers. [00046} As figuras que se seguem, a saber, figuras 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B e 5C, ilustram diversas configurações de montagem de uma bomba no interior do riser, com coluna, sem coluna, com coluna flexível, com coluna flexível integrada tipo umbilical, com cabo, com haste, com separação de gás, sem separação, etc. Embora não mostrado nas figuras, a bomba pode ser instalada em qualquer posição relativa, mesmo no trecho horizontal de um riser em catenária.

[00047] A figura 2A ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que uma bomba do tipo BCS 14 é instalada no interior de um riser 2, de modo que a BCS 14 é alimentada por um cabo elétrico de potência 15 e se conecta a uma coluna de produção 16. O riser 2 ainda é conectado a uma árvore de natal seca 13, a qual compreende uma saída de produção 9, por onde flui o petróleo bombeado do poço, o qual é escoado para a unidade de separação e produção 4 da unidade de produção flutuante 1. Preferencialmente é adotada uma árvore de natal seca 13 horizontal.

[00048] Em um espaço anular, definido entre a coluna de produção 16 e o interior do riser 2, normalmente ocorre a separação e acumulo de gás, de modo que a saída de gás 27 e respectiva válvula de controle 28, ambos na árvore de natal seca 13, são utilizadas para controle de retirada de gás. Na configuração opcional ilustrada, a produção se dá com separação gás líquido.

[00049] Em adição, a árvore de natal seca pode compreender uma ou mais válvulas 11 de manobra, as quais permitem bloquear o fluxo para a linha de produção 9 quando desejado.

[00050] Em adição, um sistema de automação, controle e otimização de retirada de gás (não indicado na figura) pode realizar uma otimização da quantidade de gás retirada pela saída de gás 27 e respectiva válvula de controle 28, podendo inclusive operar no modo sem separação caso esta seja a melhor condição para um determinado cenário de produção.

[00051] Também opcionalmente, um separador 30 de gás e líquido, dinâmico ou estático, é instalado na sucção 24 da BCS 14 de forma intensificar a separação gás líquido. Preferencialmente o separador 30 de gás e líquido é do tipo tubo invertido.

[00052] Ainda na Figura são indicados os elementos ilustrativos: suspensor de coluna 29 e solo marinho 26.

[00053] A figura 2B ilustra uma configuração variante da ilustrada na figura 2A, em que é adotada uma configuração em que o riser 2 é conectado a uma árvore de natal convencional 10, de modo que se faz necessário a utilização de uma cabeça de produção 12 conectando o riser 2 à árvore de natal 10. Nessa configuração particular, o separador 30 de gás e líquido, ilustrado na figura 2A é suprimido.

[00054] A figura 2C ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que os elementos coluna de produção 16 e cabo de potência elétrica 15 são integrados numa única estrutura flexível circular 31 tipo umbilical, facilitando seu manuseio na superfície por um único carretel enrolador.

[00055] A figura 3A ilustra uma configuração opcional da presente invenção em que é o riser 2 é acoplado a uma árvore de natal seca 13 horizontal, em que uma BCS 15 é instalada no interior do riser 2, com o auxílio do cabo elétrico de potência 15. Na configuração ilustrada, um elemento de travamento 17 e vedação (opcionalmente um packer) é utilizado para realizar o travamento do conjunto BCS 14 em sua posição ideal no interior do riser. Na configuração ilustrada, não existe separação de gás e líquido.

[00056] A figura 3B ilustra uma configuração opcional da presente invenção em que é o riser 2 é acoplado a uma árvore de natal seca 13 horizontal, em que uma BCS 14 é instalada no interior do riser 2, em que o cabo elétrico de potência 15 é instalado externamente ao riser 2. Nessa configuração, a instalação e retirada da BCS 14 é feita com o auxílio de uma unidade de tubo flexível 8 ou unidade de arame 19.

[00057] A figura 4A ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que é o riser 2 é acoplado a uma árvore de natal seca 13 horizontal, em que um aquecedor elétrico 21 é instalado no interior do riser 2.

[00058] A figura 4B ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que é o riser 2 é acoplado a uma árvore de natal seca 13 horizontal, onde um tubo flexível 18, o qual é dotado de um mandril de gás lift 22 em sua extremidade inferior, é instalado no interior de um riser {2).

[00059] A figura 5A ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que é o riser 2 é acoplado a uma árvore de natal seca 13 horizontal. Na configuração opcionalmente adotada, uma bomba do tipo BCS 14 é acionada através de uma haste 40, a qual é atuada por um cabeçote com motor elétrico 41. Ainda são indicados na figura os elementos: amplificador de rotação 45 e descarga da bomba 46.

[00060] A figura 5B ilustra uma configuração variante da ilustrada figura 5A, em que a haste 40 é acionada por um motor 42 de maior potência. Desta forma, também se faz uso de um redutor de rotação 43, bem como uma transmissão de rotação 44, esta última acoplada à haste 40.

[00061] A figura 5C ilustra uma configuração opcional da presente invenção, em que é o riser 2 é acoplado a uma árvore de natal seca 13 horizontal, em que um sistema de tubo flexível duplo concêntrico 25, dotado de uma bomba tipo jato 23 em sua extremidade inferior, é descido pelo interior do riser 2. A configuração descrita pode ser adotada para operações de despressurização, com propósito de mitigação de hidrato, ou mesmo com propósitos de produção.

[00062] Adicionalmente, de modo a promover um maior enrijecimento do trecho de riser em catenária onde a bomba é alojada, tornando o trecho substantivamente linear, a presente invenção também prevê a utilização de um elemento vértebra bipartida 33, conforme ilustrado nas figuras 6A, 6B e 6C. O elemento vértebra bipartida 33 é fabricado em material rígido, e configurado para envolver o riser 2, reduzindo significativamente a flexão no trecho em que é posicionado. Em adição, a vértebra bipartida 33 pode compreender aletas transversais que aumentam sua estabilidade.

[00063] A figura 7 ilustra uma concretização opcional da invenção em que é adotado um riser 2 com geometria tipo h, em que o riser 2 compreende um trecho substancialmente vertical, de modo que sua extremidade inferior seja afastada do fundo do mar. Em adição, o riser 2 compreende uma bifurcação lateral 35 acima de sua extremidade inferior, criando um rathole 48. Uma amarra 37 pode ser usada para restringir a movimentação do riser 2, devido a correntes submarinas. [00064] Na configuração particular descrita, o trecho vertical do riser 2 pode ser instalado com auxílio de sonda, a partir da junção de tubos conectados um aos outros por solda e/ou conector e/ou rosca.

[00065] A geometria de riser 2 em h também pode ser usada para aplicações em geral, em grandes laminas de água, como forma de mitigar problemas de fadiga, mesmò para aplicações que não requeiram bombeamento no interior do riser 2.

[00066] A figura 8 ilustra uma concretização particular da invenção em que o riser 2 compreende um bolsão 47 em sua porção inferior, de modo que o bolsão possui um diâmetro substancialmente maior do que o do riser, em especial em comparação com as porções central e superior do riser 2, de modo que o bolsão 47 acomoda uma bomba 14 e um separador 30 do tipo tubo investido em seu interior.

[00067] Nessa configuração, em sua extremidade inferior, após o bolsão 47, o riser 2 compreende um trecho curvo e um mandril com funil 34 para permitir a conexão com uma linha submarina 39, que pode ser pré-lançada, antes mesmo da ancoragem da unidade de produção na locação. Opcionalmente, dependendo do diâmetro do riser 2 e da bomba 14, o bolsão 47 pode ser suprimido, de modo que o riser vertical compreenda substancialmente o mesmo diâmetro por toda a sua extensão.

[00068] Em configurações alternativas, quando não se objetiva realizar separação de líquido e gás no próprio riser 2, a linha de saída de gás 27, mostrada nas diversas figuras, pode ser suprimida.

[00069] Ainda opcionalmente, em concretizações que requeiram vedação no riser 2, para evitar o refluxo entre a descarga e sucção da bomba 14, podem ser empregados elementos usuais de poço, tais como obturador 17, junta telescópica, conhecida em inglês por tubing seal receptacler (TSR), ou válvula de anular, não todos ilustrados em todas as figuras.

[00070] Assim, de forma sucinta, a presente invenção provê um sistema de intervenção e instalação de pelo menos um equipamento de elevação e escoamento de produção no interior de pelo menos um riser de produção 2 em uma unidade de produção flutuante 1 , em que um conjunto de risers de produção 49 é suportado por um balcão 6, onde pelo menos um equipamento de intervenção e instalação é apoiado sobre uma estrutura deslizante sobre trilhos 20, que se move facilmente sobre o topo do conjunto de risers de produção 49. O equipamento de elevação e escoamento instalado no interior dos risers 2 pode compreender pelo menos um de: uma bomba; uma BCS 14; um aquecedor elétrico 21 ; um mandril de gás lift 22; e uma bomba de jato 23. O equipamento de intervenção e instalação pode compreender pelo menos um de: uma sonda 7; uma unidade de tubo flexível 8; uma unidade de arame 19; uma ponte rolante; e um guindaste.