"TORRE DE TUBO ASCENDENTE HÍBRIDO E MÉTODOS PARA SUA INSTALAÇÃO"
A presente invenção refere-se a um método e um a-parelho para distribuição flutuante de estrutura de águasprofundas costa afora, em particular, mas não limitado à,distribuição flutuante ao longo de uma estrutura marítimasubstancialmente vertical, como um tubo ascendente, um feixede tubos ascendentes ou qualquer outro elemento estrutural.
A estrutura pode fazer parte do chamado tubo as-cendente híbrido, que tem uma parte superior e/ou inferior("pontes") feita de conduto flexível e adequada para desen-volvimento em águas profundas e ultra-profundas. 0 documentoUS-A-6082391 (Stolt/Doris) propõe uma Torre de Tubo Ascen-dente Híbrido (HRT) que consiste em um núcleo central vazio,que sustenta um feixe de tubos ascendentes, alguns utiliza-dos na produção de óleo, alguns utilizados na injeção de á-guas e gás. Este tipo de torre foi desenvolvido e utilizadono campo Girassol, na costa de Angola. Um material isolantesob a forma de blocos de espuma sintética circunda o núcleoe os tubos e separa os condutos de fluido quente e frio. Ou-tros antecedentes foram publicados no trabalho "Hybrid RiserTower: from Functional Specification to Cost per Unit Leng-th", de J-F Saint-Marcoux e M Rochereau, DOT XIII Rio de Ja-neiro, 18 de outubro de 2001. Versões atualizadas de taistubos ascendentes foram propostas no documento WO 02/053869Al. 0 conteúdo de todos estes documento é aqui incorporado àguisa de referência, como antecedentes à presente revelação.Em casos específicos, como uma torre de tubo as-cendente híbrido (feixe de tubos ascendentes, fabricado emterra), a flutuação pode ser necessária para a sustentaçãode uma estrutura em duas (ou mais) orientações completamentediferentes, como uma orientação horizontal (durante a insta-lação) e uma orientação vertical (em operação).
A HRT tem freqüentemente uma quantidade substanci-al de espuma sintética integrada de modo a torná-la quaseneutralmente flutuante na água e a facilitar a operação derebocamento de seu local de fabricação até as instalaçõescosta afora. Para solucionar os problemas de desenho e fa-bricação, a espuma é geralmente encaixada ao longo do tubode núcleo e mecanicamente travada por meio de detentoresmontados ou soldados no tubo de núcleo, os quais impedem aespuma de deslizar para cima. Em sua conFiguração horizon-tal, a flutuação da espuma e o peso da tubulação quase secompensam uma ao outro. Depois que a estrutura é assentadapelo alto, a flutuação da espuma sintética e o peso da tubu-lação de tubo ascendente suspensa do tanque de topo (a tubu-lação de tubo ascendente estando livre para deslizar com re-lação ao tubo de núcleo) criam uma carga de compressão axialsubstancial ao longo do tubo de núcleo. Esta carga de com-pressão é problemática do ponto de vista do desenho e da fa-bricação uma vez que cria potencialmente uma zona de insta-bilidade por empenamento e uma carga lateral elevada entre otubo de núcleo e os tubos ascendentes, o que impõe tolerân-cias rígidas. Isto torna-se mais crítico uma vez que as HRTssão utilizadas em águas mais profundas ou incorporam maistubos ascendentes no feixe de HRTs, uma vez que a carga decompressão está diretamente relacionada com o peso do tuboascendente suspenso do tanque flutuante. A carga de compres-são deve ser reduzida tanto quanto seja prático.
É, portanto, um objeto da invenção apresentar ummétodo e um aparelho para reduzir estas forças de compressãosubstanciais. É outro objeto da invenção apresentar uma HRTque exige menos dispositivos de ancoragem substanciais queos utilizados no presente. É um outro objeto da invenção a-presentar uma HRT que exige menos tempo para esvaziar seutanque flutuante de lastro de água durante a instalação.
Sob um primeiro aspecto da invenção, é apresentadoum método para instalar uma estrutura submarina alongada, aestrutura submarina alongada compreendendo uma parte alonga-da e uma parte flutuante presa em uma extremidade da partealongada, de modo que, quando em uma conFiguração instaladavertical, a estrutura submarina alongada estende-se substan-cialmente a partir do leito marinho até a superfície com aparte flutuante superior, e em que o método compreende levara estrutura submarina alongada até o local de instalação emuma conFiguração substancialmente horizontal, com a partealongada contendo um primeiro fluido e a parte flutuantecontendo um segundo fluido, o segundo fluido senso mais den-so que o primeiro fluido, e inclinar a estrutura submarinaalongada de modo que ela assuma uma conFiguração substanci-almente vertical, permitindo ao mesmo tempo que o primeirofluido na parte alongada seja trocado com o segundo fluido na parte flutuante.Idealmente, não deve haver fluxo de fluido até oua partir do lado de fora, assegurando-se, portanto, que aflutuação total da estrutura submarina alongada permaneçasubstancialmente constante antes, durante e após a troca defluido.
A parte alongada pode compreender um ou mais con-dutos ascendentes mais rígidos. Em uma modalidade preferida,a parte alongada compreende também um núcleo central oco. 0fluido contido na parte alongada pode ser armazenado no nú-cleo central apenas, em um ou mais dos tubos ascendentes a-penas ou no núcleo central ou em um ou mais dos tubos ascendentes.
A parte flutuante pode ser presa ao núcleo centrale sustentar o peso do pelo menos um conduto ascendente rígi-do, o conduto ascendente rígido estando livre para mover-secom relação ao núcleo central. Pode-se permitir que os flui-dos sejam trocados em um ponto imediatamente anterior ao i-nício do movimento do conduto ascendente rígido com relaçãoao núcleo central, enquanto a estrutura submarina estiversendo inclinada.
0 núcleo central pode ter pelos menos um móduloflutuante preso a ele. Pode haver uma série de módulos flu-tuantes presos ao longo do comprimento do núcleo. Os módulosflutuantes podem compreende espuma sintética e podem ser me-canicamente travados no núcleo por meio de detentores monta-dos ou soldados no tubo de núcleo.
A inclinação pode ser detida de modo a permitir atroca dos fluidos. Alternativamente, pode-se permitir a o-corrência da troca de fluidos à medida que ocorre a inclina-ção. Pode-se também permitir que os fluidos sejam trocadossomente depois de completada a inclinação e quando a estru-tura submarina alongada estiver na conFiguração vertical.
A parte flutuante pode ser um tanque flutuante.
O primeiro fluido pode ser um gás, como nitrogêniocomprimido, e o segundo fluido pode ser um liquido como a água.
A parte flutuante pode ser ligada à parte alongadapor meio de pelo menos um conduto de transferência, o condu-to de transferência permitindo que os fluidos passem entreelas. De preferência, o pelo menos um conduto de transferên-cia tem uma válvula para controle de fluxo. Em uma modalida-de, há dois condutos de transferência, cada um permitindo ofluxo em uma única direção, oposta, e cada um tendo sua pró-pria válvula. 0 método pode incluir a etapa de abrir as vál-vulas a uma conFiguração não horizontal e permitir que osprimeiro e segundo fluidos sejam trocados em conseqüência desuas densidades relativas. Alternativamente, podem ser uti-lizados dispositivos de bombeamento. As válvulas e/ou dispo-sitivos de bombeamento podem ser controlados remotamente, oudiretamente da superfície ou por um veículo submarino, comoum ROV, por exemplo.
Sob um outro aspecto da invenção, é apresentadauma estrutura submarina alongada que compreende uma partealongada e uma parte flutuante de modo que, quando em umaconFiguração instalada vertical, a estrutura submarina alon-gada se estende do leito marinho na direção da superfície,com a parte flutuante presa à extremidade de topo da partealongada, e em que é apresentado um dispositivo para trocaro conteúdo da parte alongada e da parte flutuante durante ainstalação da estrutura submarina alongada.
A parte alongada pode compreender um ou mais con-dutos ascendentes rigidos. Em uma modalidade preferida, aparte alongada compreende também um núcleo central oco. Aestrutura submarina alongada pode compreender uma série detubos ascendentes dispostos em volta do núcleo central.
A parte flutuante pode ser presa ao núcleo centrale sustentar o peso do pelo menos um conduto ascendente rígi-do, o conduto ascendente rígido estando livre para mover-secom relação ao núcleo central. 0 dispositivo para trocar po-de ser disposto para permitir a troca do conteúdo do núcleocentral e do tanque flutuante em um ponto imediatamente an-terior ao início do movimento do conduto com relação ào nú-cleo central em conseqüência da inclinação da estrutura sub-marina alongada de uma conFiguração horizontal para uma con-Figuração vertical.
0 núcleo central pode ter pelo menos um móduloflutuante preso a ele. De preferência, há uma série de módu-los flutuantes presos ao longo do comprimento do núcleo. Osmódulos flutuantes podem compreender espuma sintética e po-dem ser mecanicamente travados no núcleo por meio de deten-tores montados ou soldados no tubo de núcleo.
Os dispositivos para trocar podem compreender pelomenos um conduto de transferência que permite que os fluidospassem entre eles. De preferência, o pelo menos um condutode transferência compreende também um válvula para controledo fluxo. Em uma modalidade, há dois condutos de transferên-cia, cada um permitindo o fluxo em uma única de direção, o-posta, cada um tendo sua própria válvula. Embora se conside-re a possibilidade de que os fluidos sejam trocados em con-seqüência de suas densidades relativas, pode haver tambémdispositivos de bombeamento para bombear os fluidos de modoa se acelerar esta troca de fluidos.
A estrutura submarina alongada pode ter uma juntacônica que ligue a parte alongada e a parte flutuante.
Breve Descrição dos Desenhos
Serão agora descritas modalidades da invenção, atitulo de exemplo apenas, com referência aos desenhos ane-xos, nos quais:
a Figura 1 mostra um tipo conhecido de estruturade tubo ascendente em um sistema de produção de óleo costa afora;
a Figura 2 mostra as forças típicas presentes emuma estrutura de tubo ascendente quando em uma conFiguraçãovertical;
as Figuras 3a-3d mostram um tubo ascendente de a-cordo com uma modalidade da invenção em diferentes estágiosde instalação.
Descrição Detalhada das Modalidades
A Figura 1 mostra uma estrutura costa afora flutu-ante 100 alimentada por feixes de tubos ascendentes 110, quesão sustentados por bóias submarinas 115. Contrafortes 120estendem-se da base do feixe de tubos ascendentes até as di-versas cabeças de poço 130. A estrutura flutuante é mantidano lugar por linhas de amarração (não mostradas) , presa aâncoras (não mostradas) no leito marinho. O exemplo mostradoé de um tipo conhecido geralmente do desenvolvimento no cam-po Girassol, mencionado na introdução acima.
Cada feixe de tubos ascendentes é sustentado pelaforça para cima proporcionada por sua bóia 115 afim. Pontesde conexão 135 são então utilizadas entre as bóias e a es-trutura flutuante 100. A tensão nos feixes de tubos ascen-dentes é uma conseqüência do efeito liquido da flutuaçãocombinada com o peso final da estrutura e dos tubos ascen-dentes nas águas do mar. Os versados na técnica entenderãoque o feixe pode ter alguns metros de diâmetro, mas é umaestrutura muito delgada em vista de seu comprimento (altura)de, por exemplo, 500 m ou mesmo 1 km ou mais. A estruturapode ser protegida do dobramento excessivo e a tensão nofeixe é de ajuda a este respeito.
A Figura 2 mostra as forças típicas que atuam so-bre o tubo de núcleo 200 de uma torre de tubo ascendente 202após o assentamento pelo alto de uma conFiguração horizontal(rebocada) para uma conFiguração vertical (operacional), umavez que o tubo ascendente tenha sido rebocado até seu localde instalação.
A torre de tubo ascendente 202 compreende um tuboascendente 204 suspenso de um tanque flutuante 206 ao qual épreso em sua extremidade de topo, por meio da junta cônica208. Os flexíveis 209 ficam suspensos entre o tanque flutu-ante 206 e a embarcação/plataforma de superfície. Correndoatravés do tubo ascendente 204 há o tubo de núcleo 200, es-tes sendo dispostos de modo que o tubo ascendente 204 fiquelivre para deslizar com relação ao tubo de núcleo 200. Presaao tubo de núcleo 200 em diversos pontos ao longo do seucomprimento há uma espuma flutuante sintética 220, mecanica-mente travada por meio de detentores montados ou soldados notubo de núcleo, impedindo-se assim que a espuma deslize paracima. Esta quantidade substancial de espuma sintética é in-tegrada de modo a tornar a torre de tubo ascendente 202 qua-se neutramente flutuante na água e de modo a facilitar a o-peração de rebocamento de seu local de fabricação até o lo-cal de instalação. É também normal que o tanque flutuante206 seja parcialmente inundado durante o rebocamento pelamesma razão. O desenho mostra também a armação de guia e odetentor 212, a junta flexível 214 e a âncora 216.
As setas representam as forças que atuam sobre otubo de núcleo 200. As setas descendentes grandes 218 repre-sentam o peso do tubo ascendente 204 suspenso do topo datorre de tubo ascendente 202. As setas ascendentes menores219 representam a força de flutuação da espuma sintéticamontada no tubo de núcleo. Em conseqüência destas forças o-postas devidas ao efeito do peso do tubo ascendente e à flu-tuação da espuma sintética, uma parte 222 do tubo de núcleo202 está sujeita a forças de compressão substanciais e inde-sejáveis.
As Figuras 3a-3d mostram um feixe de torres de tu-bo ascendente 300, que é projetado para reduzir ou eliminaras cargas de compressão. Na Figura 3a, a torre de tubo as-cendente 300 é mostrada em sua conFiguração horizontal pararebocamento até o local de instalação. A torre de tubo as-cendente 300 é semelhante à torre de tubo ascendente 202 daFigura 2. Ela difere no sentido de que o tubo de núcleo éenchido com nitrogênio e de que o compartimento do tanqueflutuante 302 e o interior do tubo de núcleo 304 são ligadospor tubos de transferência 306 e por uma disposição de vál-vula de isolamento 308, permitindo-se assim que os fluidossejam transferidos entre eles.
Em sua conFiguração horizontal, a flutuação da es-puma e do nitrogênio e o peso da tubulação e o lastro de á-gua quase se equilibram mutuamente. Esta flutuação quaseneutra da torre de tubo ascendente como um todo facilita a operação de rebocamento.
As Figuras 3b e 3c mostram a torre de tubo ascen-dente 300 tanto antes quanto depois da transferência dosfluidos contidos nela. A torre de tubo ascendente 300 estáno processo de ser inclinada de um ângulo horizontal para umângulo vertical no local de instalação. Em um ponto imedia-tamente antes de o tubo ascendente 204 começar a deslizar eaplicar cargas de compressão sobre o tubo de núcleo 204, asválvulas 308 do sistema de tubulação 306 são abertas, ou pormeio de controle remoto ou por um Veiculo de Acionamento Re-moto (ROV). Se este último, os controles ou as válvulas pro-priamente ditas podem ser adaptadas para serem facilmentemanipuladas pelo ROV. A abertura das válvulas assegura que oliquido e o gás sejam transferidos entre o tanque e o tubode nu devido ao peso da águas e às densidades relativas dosdois fluidos (esta transferência é representada pelas duassetas 310 na Figura 3b) . Isto resulta em uma redução signi-ficativa da carga de compressão induzida no tubo de nu, estaredução sendo equivalente ao valor do peso do liquido trans-ferido do compartimento de tanque para o tubo de núcleo. Aomesmo tempo, o equilíbrio de flutuação global da estruturada torre de tubo ascendente em termos da carga vertical nãoé afetado. Além disto, o lastro de água no tanque flutuanteé esvaziado mais rapidamente do que por métodos convencionais.
Quando a operação de assentamento pelo alto é com-pletada, a torre de tubo ascendente 300 é encaixada em suabase de ancoragem. A Figura 3d mostra a torre de tubo ascen-dente 300 em sua conFiguração vertical ancorada no leito ma-rinho. O tubo de núcleo 304 é enchido com água e o tanqueflutuante 302 enchido com nitrogênio. 0 líquido transferidopara o tubo de núcleo proporciona também a redução do tama-nho da base de ancoragem 320 da HRT embutida no leito marinho.
Considera-se também a possibilidade de se ter nãosó o núcleo central inicialmente enchido com nitrogênio, mastambém os tubos ascendentes enchidos com nitrogênio também,e, tanto ara o núcleo central quanto para o tubo ascendente,se transferir seus conteúdos com a água no tanque flutuante.Considera-se também a possibilidade de se ter apenas os tu-bos ascendentes enchidos e só eles transferirem seus conteú-dos com a água no tanque flutuante. Embora seja a troca defluidos entre o tanque flutuante e o núcleo central que re-sulta na redução das forças de compressão sobre a estruturasubmarina, a existência da troca de fluidos entre os tubosascendentes e o tanque flutuante tem vantagens também. Étambém necessário que o tubo ascendente seja inundado em al-gum estágio, e isto aceleraria os processos de inundação eeliminação de água assim como a transportação do liquido deinundação e o gás eliminador de água diretamente na estrutura.
As modalidades mencionadas acima são para fins deilustração apenas, e outras modalidades e variações podemser consideradas sem que se abandonem o espirito e o alcanceda invenção.