CONSTRUÇÃO DO MESMO

Setor Técnico a que se refere a Invenção

A presente invenção aplica- se ao campo técnico de exploração de óleo e gás, sendo representada por um sistema de conexão direta entre risers fabricados em material compósito e linhas horizontais instaladas no leito marinho (flowlines), denominado LRTA ( Lower Riser Termination Assembly). O sistema desenvolvido é aplicável a riser híbrido e seu método de construção permite, entre outros, a redução de custos e a otimização do tempo de montagem/instalação do sistema. O sistema de conexão LRTA revelado apresenta como uma de suas principais vantagens ser aplicável tanto a flowlines rígidos quanto flexíveis sem a necessidade de qualquer trecho/equipamento de conexão intermediário entre estes e os risers.

Estado da Técnica

Em sistemas marítimos de produção, o petróleo produzido nos poços localizados no fundo do oceano é transportado até uma unidade estacionária de produção (UEP) por meio de tubulações. Este conjunto de tubulações formado por linhas de injeção e de coleta e convencionalmente denominado linhas do sistema de produção.

Este conjunto de tubulações, que constituem as linhas de produção, se subdivide basicamente em duas porções distintas:

• A primeira porção, preponderantemente horizontal, denominada “trecho horizontal” é estática e conhecida especificamente no jargão técnico por flowline; • A segunda porção é constituída por uma tubulação preponderantemente vertical conectada à extremidade do trecho horizontal e que ascende do leito do mar é denominado trecho vertical e conhecida pelo seu jargão técnico: riser.

Especificamente sobre tubulações verticais, denominados Risers, a presente patente é aplicável à Torre de Riser Híbrido para águas profundas e ultra- profundas, como descrito, por exemplo, na patente US 6.082.391 (Stolt/Doris).

Torres de Riser Híbrido são compostas por um agrupamento de risers rígidos (aço) dotados de flutuadores, ancorados ao fundo do mar e tensionados por meio de um tanque de flutuação. O sistema está ligado a uma UEP através de jumpers flexíveis e conectado a dutos rígidos instalados no leito marinho. Tais sistemas foram construídos e instalados, por exemplo, nos campos de Girassol, Greater Plutonio e

CLOV, na África Ocidental.

A partir da experiência de campo, ficou demonstrado o alto custo de fabricação deste sistema devido, entre outros fatores, à grande quantidade de componentes necessários, tamanho do canteiro de construção, custo do transporte e içamento da estrutura.

Diante deste cenário, concluiu-se que tubos de aço convencionais para o transporte de fluidos toma o riser híbrido muito pesado, tomando a flutuabilidade um grande desafio. Assim, surgiu o conceito de Riser Híbrido fabricado com material compósito, tal como descrito na patente US6612370 (Composite Hybrid Riser). A utilização de material compósito para a constmção de Torres de Riser Híbrido agregou, entre outros, redução de peso à estmtura, uma vez que os componentes fabricados a partir de materiais compósitos têm um peso que é apenas uma fracção do dos componentes de aço. Como resultado da economia de peso, os requisitos de flutuabilidade e trabalho de base foram reduzidos.

Com a questão do peso otimizada a partir do emprego de materiais compósitos nas Torres de Riser Híbrido, a demanda recaiu sobre a necessidade de simplificações estruturais do sistema de conexão risers x flowlines, muito complexo nas estruturas até então conhecidas e instaladas.

Propostas de simplificações no sistema de conexão entre risers e flowlines estão descritas nos documentos US6837311 (Bl) - Hybrid Riser Configuration; US7025535 (B2) - Seafloor/surface connecting installation for a submarine pipeline which is connected to a riser by means of at least one elbow pipe element that is supported by a base; US6869253 (B2) - Hybrid Riser or pipe for fluid transfer; US8267179 (B2) - Connection tool with indexing system;

US20150047852 (Al) - Installation comprising seabed-to-surface connections of the multi-riser hybrid tower type, including positive-buoyancy flexible pipes; US 2017/0074426 - Method for connecting a bottom pipe and riser pipe.

As patentes US6837311 (Bl) e US7025535 (B2) apresentam um Riser Híbrido que possui, conectado à sua parte inferior, uma estrutura de base que acomoda os trechos/equipamentos intermediários de ligação entre risers/flowlines, bem como os seus respectivos conectores. Essas patentes revelam avanços no sistema de conexão entre os risers e flowlines, eliminando esforços devido ao movimento da torre de riser híbrido, mas não eliminam a necessidade de trechos/equipamentos para a interligação entre os risers e flowlines.

A patente US6869253 (B2) apresenta outra proposta de conexão entre risers e flowlines, buscando simplificar e reduzir o número de componentes no sistema. Nessa proposta a extremidade inferior do riser rígido ou do conjunto de risers rígidos é ancorada a uma linha de tração chamada“tendon”. A conexão com o flowline rígido é feita por um trecho intermediário flexível e dois conectores. No presente pedido de patente, o sistema de conexão LRTA revelado elimina a necessidade de um trecho intermediário e de conectores adicionais, simplificando a estrutura do Riser Hibrido.

A patente US8267179 (B2) apresenta o conector utilizado para a conexão entre riser e jumper flexível como uma ferramenta recuperável após da conexão. O principal avanço técnico promovido pelo sistema de conexão LRTA é que, além da conexão direta, o sistema apresenta guias para risers fabricados em material compósito e uma estrutura limitadora de flexão dos risers, o que garante o funcionamento da conexão direta sem a necessidade de nenhum trecho/equipamento intermediário.

O documento US20150047852 (Al) revela um sistema de Riser Híbrido parecido com o sistema apresentado no patente US 6.082.391 (Stolt/Doris), modificando a conexão dos risers com flowlines e propondo que tal conexão seja realizada com um jumper flexível. Novamente vê-se a necessidade de trechos intermediários de conexão entre risers e flowlines, o que, no sistema proposto no presente pedido de patente toma-se desnecessário.

O documento US2017/0074426 (Al) revela um método de conexão entre riser e flowline que inclui um conector de conexão direta e dispositivos para limitar a flexão do duto flexível. Este método de conexão apresenta uma simplificação com relação ao estado da técnica, uma vez que permite uma conexão direta entre risers e flowlines para os casos em que o flowline é flexível. Porém, para flowlines rígidos tal conexão direta não é possível, sendo necessária a presença de um trecho intermediário de conexão. Dessa forma, o relevante avanço técnico do sistema de conexão LRTA do presente pedido de patente é que a conexão direta é realizada independente do material do flowline. Assim, a conexão entre risers e flowlines é feita de maneira direta tanto para flowlines rígidos quanto para flexíveis, não sendo necessários trechos/equipamentos intermediários.

Outro aspecto abordado no presente pedido de patente refere-se ao inovador método de constmção desenvolvido para o sistema proposto. Os métodos de constmção do estado da técnica apresentam algumas desvantagens a serem superadas, como, por exemplo, a necessidade de canteiros de obra significativamente grandes para comportarem as estruturas durante e após a montagem. De modo sucinto, as principais desvantagens apresentadas pelos métodos do estado da técnica e que são superadas pelo método de construção aqui proposto são: • Necessidade de um canteiro com extensão mínima, em linha reta até a costa, da ordem de 2km;

• Tempo de construção muito elevado.

Assim, e de modo a superar os problemas/limitações do estado da técnica conhecido, foi desenvolvido um inovador sistema de conexão entre risers fabricados em material compósito e flowlines, aplicável a riser híbrido, o qual, além de apresentar vantagens com relação à redução de custos, na quantidade de componentes e no peso da estrutura, também o seu método de construção mostra um grande avanço frente aos conhecidos. A novidade e o efeito técnico deste sistema residem, também, na simplicidade do mesmo frente ao estado da técnica.

Objetivos e Breve Descrição da Invenção

Conforme exposto anteriormente, os sistemas de conexão do estado da técnica possuem limitações a serem superadas (problemas técnicos existentes), como por exemplo: a dependência de equipamentos/trechos intermediários de conexão entre flowlines e risers, aumentando custos e tempo de montagem, limitações quanto ao material dos flowlines (rígidos ou flexíveis), necessidade de uma grande área para que o sistema seja montado, peso global do sistema, entre outros. Desta forma, o sistema desenvolvido tem como principais objetivos e vantagens:

• Eliminar a necessidade de equipamentos/trechos intermediários de conexão entre risers de material compósito e flowlines rígidos ou flexíveis;

• Permitir a conexão direta entre risers fabricados em material compósito e flowlines rígidos ou flexíveis;

• Reduzir o tempo e o custo de montagem do sistema • Reduzir o peso total do sistema como um todo, facilitando o processo de instalação

• Reduzir significativamente a área em terra necessária para a montagem do sistema

O presente Sistema de Conexão entre Risers e Flowlines LRTA é composto, basicamente, por:

• Núcleo de duto rígido

• Risers fabricados em material compósito

• Guias para os risers, conectadas ao núcleo de duto rígido

• Estrutura limitadora de flexão dos risers, conectada ao núcleo de duto rígido

• Flowlines (rígidos ou flexíveis)

• Conectores de conexão direta entre risers e flowlines

Em linhas gerais, o núcleo de duto rígido é um componente estrutural do Riser Híbrido, fornecendo apoio para todos os seus componentes. Os risers fabricados em material compósito, juntamente com núcleo de duto rígido, formam um conjunto dos risers, conhecido no jargão técnico como“bundle”. Os guias para os risers, fabricados em material polimérico, são conectados ao núcleo de duto rígido através de braçadeiras incorporadas na estrutura dos guias, tendo como função garantir a posição dos risers em relação ao núcleo de duto rígido. Os guias, além de transferirem as forças laterais dos risers (devido a força de arraste da correnteza e eventuais vibrações) para o núcleo, possuem, também, a finalidade de assegurar o deslocamento axial dos risers, evitando, assim, a ocorrência de flambagem. A Estrutura limitadora de flexão dos risers é uma estrutura metálica que possui compartimentos que guiam risers na direção dos flowlines evitando as interferências entre os risers e mantendo a curvatura deles dentro dos limites de flexão informados pelo fornecedor do duto de riser, sendo conectada ao núcleo de duto rígido. Por fim, os conectores de conexão direta são equipamentos que permitem a ligação de risers de material compósito com os flowlines, os quais, no sistema em questão, podem ser tanto rígidos quanto flexíveis.

A conexão direta entre os risers de material compósito e os flowlines é um dos grandes avanços tecnológicos proporcionados pelo sistema aqui revelado, uma vez que, no estado da técnica atual, as conexões entre risers e flowlines são realizadas com a utilização de equipamentos intermediários de transferência, como, por exemplo, spools ou jumpers.

No sistema apresentado, a conexão direta é possível, principalmente, pela associação de três fatores: os risers serem fabricados em material compósito, permitindo a flexão da estrutura; a utilização do limitador de flexão dos risers; e o correto dimensionamento da posição do limitador e da posição do conector de conexão direta com relação ao leito marinho. Os limitadores de flexão são dimensionados de acordo com o limite de flexão fornecido pelos fabricantes dos risers.

Outra característica importante do sistema revelado reside no fato de que a sua construtividade permite a livre expansão vertical dos risers ao longo de toda a estrutura, inclusive na região do limitador de flexão, uma vez que este funciona como um guia, não havendo, portanto, pontos de fixação/restrição risers x limitador.

Além das vantagens e dos avanços tecnológicos alcançados com o sistema de conexão revelado, também o seu método de construção mostra-se inovador frente aos conhecidos do estado da técnica. Enquanto, no estado da técnica, os métodos convencionais exigem uma grande área para a montagem e construção, com extensão mínima, em linha reta até a costa, da ordem de 2km, no método de construção desenvolvido para o presente sistema, a área necessária é significativamente reduzida, em tomo de 6000m ² , com extensão, em linha reta até a costa, da ordem de 200m, ou seja, 10 vezes menor do que a extensão requerida para os métodos de construção conhecidos.

Para a construção do presente sistema, o canteiro de obras é composto por: linha de produção do bundle com estações de soldagem e de inspeção das soldas que são realizadas no núcleo de duto rígido; estação de revestimento das juntas de soldagem; tensionador; estações de montagem das guias dos risers; bobinas de risers fabricados com material compósito; rampa de lançamento no mar; e área de armazenamento dos componentes. De maneira resumida, a construção é realizada na seguinte sequência:

1. Soldagem, inspeção e eventual reparação do primeiro trecho do núcleo de duto rígido. O núcleo de duto rígido é formado a partir da soldagem de tubos de 12m;

2. Revestimento da junta de soldagem;

3. Uma vez soldado o primeiro trecho do núcleo de duto rígido, com aplicação do revestimento na junta, este trecho passa pelo tensionador e é puxado em direção à rampa de lançamento no mar (com o auxílio de um barco rebocador), permitindo que o próximo tubo a integrar o núcleo de duto rígido entre na área de soldagem e revestimento, formando, progressivamente, a estrutura deste núcleo. Procede-se assim até que todo o núcleo de duto rígido esteja montado;

4. Após o tensionador, localiza-se a estação de instalação das guias dos risers. Assim, e cada vez que um trecho do núcleo de duto rígido em construção ultrapassa o tensionador, ele recebe em sua estrutura as partes internas das guias dos risers, montadas na estação de montagem das guias dos riser;

5. Quando o comprimento do núcleo de duto rígido alcança a rampa de lançamento no mar, a construção do núcleo é interrompida para montagem do sistema de conexão entre risers e flowlines - LRTA. Tal sistema é pré-fabricado, sendo composto por parte do núcleo de duto rígido, partes internas das guias dos risers e parte da estrutura limitadora de flexão dos risers, a qual, neste momento, ainda se apresenta sem os membros tubulares de fechamento. As partes externas das guias e os membros tubulares de fechamento serão instalados somente após a montagem dos risers de compósito.

6. Uma vez montado o sistema de conexão LRTA, a construção do núcleo de duto rígido é reiniciada;

7. A medida que o núcleo de duto rígido é montado e as partes internas das guias dos risers instaladas, os risers fabricados em material compósito são posicionados e a parte externa das guias dos risers, bem como os membros tubulares de fechamento da estrutura limitadora de flexão, são instalados;

8. Segue-se assim o processo de montagem em linha, repetindo-se as etapas até a completa montagem do sistema.

Vale ressaltar que a área reduzida de montagem é possível em função da atuação conjunta do barco rebocador com a linha de produção, permitindo que o sistema seja progressivamente puxado em direção à rampa de lançamento no mar a medida em que é montado. Tal procedimento evita a necessidade de um grande espaço de armazenamento em terra para a estrutura durante e após a sua montagem.

Descrição das Figuras

FIGURA 01 - Arranjo geral do Riser Híbrido de Compósito

FIGURA 02 - Posições extremas do Riser Híbrido

FIGURA 03 - Sistema de conexão entre risers e flowlines - estado de técnica FIGURA 04 - Sistema de conexão entre risers e flowlines - sistema desenvolvido FIGURA 05 - Estrutura limitadora de flexão

FIGURA 06 - Guias de direcionamento dos risers fabricados em material compósito FIGURA 07 - Disposição do canteiro

Descrição Detalhada da Invenção

Para a melhor compreensão das vantagens da presente invenção frente ao estado da técnica, é apresentado, a seguir, um comparativo entre os componentes necessários para os sistemas do estado da técnica (Figura 03) e os componentes necessários para o sistema aqui revelado (Figura 04).

** ou flexíveis

Tabela 1- Comparativo entre sistemas do estado da técnica e o Sistema

desenvolvido

A partir da tabela 1 é possível observar claramente as vantagens do sistema proposto, principalmente no tocante à redução significativa do número de componentes necessários ao funcionamento do sistema.

A Figura 01 ilustra um sistema de Riser Híbrido (1) fabricado em material compósito, composto por um trecho vertical, chamado bundle (3), tracionado por uma bóia de flutuação (4) em sua extremidade superior (6), cujo empuxo fornece estabilidade ao sistema. A ligação entre a bóia de flutuação (4) e a extremidade superior (6) do bundle (3) é feita por um tirante (5). A extremidade superior (6) fornece, também, um ponto de fixação para os risers de compósito (9), bem como uma ligação entre os jumpers flexíveis (7) e os risers de compósito (9) do bundle

(3). Os jumpers flexíveis (7) são conectados a unidade estacionária de produção (UEP) (2), garantindo que somente parte da carga dinâmica seja transferida ao Riser Híbrido (1).

O bundle (3) é composto por: um núcleo de duto rígido (8) - componente estrutural, fabricado com tubo de aço com diâmetro nominal entre 18 e 30 polegadas, que transfere a força de sustentação produzida pela bóia de flutuação

(4) para âncora (14); por risers de compósito (9) com diâmetro nominal entre 3 e 14 polegadas; e guias (10) para os risers (9). Devido ao peso submerso dos risers de compósito (9), o bundle (3) não necessita de flutuadores adicionais. O Sistema de Conexão LRTA (15) entre risers de compósito (9) e flowlines (13), objeto da presente invenção, está localizado na extremidade inferior do bundle (3). Tal sistema (15) é composto: por guias (10B) que direcionam os risers de compósito (9) para a posição final de conexão com os flowlines (13); estrutura limitadora de flexão (11) dos risers (9); e conectores de conexão direta (12) entre risers (9) e flowlines (13). Os conectores de conexão direta (12) possuem um sistema de alinhamento entre a parte do conector localizada no riser de compósito (9) e a parte do conector localizada no flowline (13). Este sistema permite um alinhamento em qualquer posição do eixo de conexão, ou seja, é um sistema de alinhamento que funciona independente da posição das partes a serem conectadas. Tal sistema pode ser incorporado nas partes do conector (12) ou numa ferramenta recuperável ou, ainda, em ambos.

O projeto do Riser Híbrido (1) deve estabelecer: a posição de montagem da estrutura limitadora de flexão (11) em relação do leito marinho; o comprimento da mesma; e a posição do conector de conexão direta (12) entre os riser de compósito (9) e o flowline (13). Tais parâmetros dependem da resistência do flowline (13) e das posições extremas (16) e (16A) do Riser Híbrido (1) frente à movimentação da UEP (2) e da correnteza, conforme representado na Figura 02.

A Figura 05 apresenta a estrutura limitadora de flexão (11) que pode ser fabricada, por exemplo, a partir de membros tubulares de aço. A estrutura limitadora de flexão (11) é composta por membros tubulares de passagem (20), por onde passam os risers (9), e membros tubulares de fechamento (20 A), que definem a curvatura limite dos risers (9). A estrutura limitadora de flexão (11) possui compartimentos (21) que direcionam os risers de compósito (9), com o auxílio de guias (10B), para a correta posição de conexão com os flowlines (13), evitando interferências. Os membros tubulares de fechamento (20 A) formam uma curvatura de modo a limitar a flexão dos risers de compósito (9), sendo instalados após a montagem dos risers de compósito (9). O raio dessa curvatura deve ser maior que o raio mínimo de flexão informado pelo fabricante do duto de risers (9), o qual, tipicamente, varia entre 4 e 20m. O comprimento de arco da estrutura limitadora de flexão (11) que limita a flexão do riser (9) deve corresponder a um ângulo entre 15 e 60 graus.

A Figura 06 apresenta as guias de direcionamento (10B) dos risers de compósito (9) em direção aos compartimentos (21) da estrutura limitadora de flexão (11). As guias de direcionamento (10B), bem como as demais guias (10) do bundle (3), são compostas por partes internas (22) e partes externas (23) fabricadas, por exemplo, em material polimérico. Todas as partes (22) e (23) são fixadas ao núcleo de duto rígido (8) através de uma fita de compressão (24) fabricada em material resistente como, por exemplo, kevlar.

A Figura 07 apresenta a planta do canteiro de construção (42) do sistema proposto, sendo composta por: uma área de armazenamento de tubos (25) destinados à montagem do núcleo de duto rígido (8); um guindaste móvel (26), uma estação de soldagem (27), uma estação de inspeção de soldagem (28), uma estação de reparo de solda (29), uma estação de revestimento das juntas de soldagem (30), um tensionador (31), uma área de armazenamento de partes internas das guias dos risers (32), uma estação de montagem das partes internas das guias dos risers (33), uma área de posicionamento (34) das bobinas (35) de risers (9), uma área de armazenamento de partes externas das guias dos risers (36), uma estação de montagem das partes externas das guias dos risers (37), uma rampa de lançamento no mar (38), uma área de armazenamento (39) do sistema de conexão entre risers e flowlines LRTA (15), um guindaste (40) e um barco rebocador (41).

A construção do Riser Híbrido (1), dotado do sistema de conexão LRTA (15) aqui revelado, é iniciada pela montagem do núcleo de duto rígido (8), o qual é composto pela soldagem de tubos padrão de 12m de comprimento. Assim, após a soldagem (estação 27), inspeção (estação 28), eventual reparo (estação 29) e revestimento de junta de soldagem (estação 30) no primeiro trecho do núcleo de duto rígido (8), o trecho é contido pelo tensionador (31) e sua extremidade é conectada ao barco rebocador (41). O primeiro trecho do núcleo de duto rígido (8) é então puxado pelo barco rebocador (41) em direção à rampa de lançamento no mar (38), abrindo espaço para que um próximo tubo seja soldado no núcleo (8). A tração do barco rebocador (41) é compensada pelo tensionador (31) e, assim, o núcleo de duto rígido (8) fica parado, permitindo a construção do sistema nas estações. Neste momento, o trecho do núcleo de duto rígido (8) em construção que se encontra logo à frente do tensionador (31) recebe, em sua estrutura, as partes internas das guias dos risers (22), montados na estação de montagem das guias dos risers (33). Prossegue-se, dessa forma, com a montagem do núcleo de duto rígido (8) até o limite em que sua extremidade alcance a rampa de lançamento no mar (38). Nesse momento, a construção do núcleo de duto rígido (8) é interrompida para a conexão do sistema de conexão entre risers e flowlines LRTA (15). Esse sistema (15) é pré-fabricado, contendo as partes internas (22) das guias (10B) e a estrutura limitadora de flexão (11), sem os membros tubulares de fechamento (20 A), já montados. O sistema (15) é posicionado na rampa de lançamento no mar (38) por um guindaste (40) para, então, ser conectado ao núcleo de duto rígido (8).

Uma vez estando o sistema de conexão entre risers e flowlines (15) conectado ao núcleo de duto rígido (8), os risers de compósito (9), armazenados em bobinas (35), são conectados à estrutura (nas partes internas das guias (33)), passando pelos compartimentos (21) e pelas guias (10B) do sistema de conexão (15), de modo a estarem corretamente posicionados para a conexão com os flowlines (13). Nesse momento os membros tubulares de fechamento (20 A) da estrutura limitadora de flexão (11) e partes externas (23) das guias (10B) podem ser fixadas através de fitas de compressão (24). Finalizada a conexão, a construção do núcleo de duto rígido (8) é reiniciada.

Uma vez finalizada a construção do bundle (3), este é transportado pela rampa de lançamento no mar (38) ate atingir a completa flutuabilidade.