BRPI0616885A2 - coluna montante com condutos auxiliadores rìgidos - Google Patents
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Abstract
COLUNA MONTANTE COM CONDUTOS AUXILIARES RìGIDOS. A presente invenção refere-se a um trecho de coluna montante, comportando uma tubulação principal (2), pelo menos um elemento (3) de conduto auxiliar disposto sensivelmente de modo paralelo a essa tubulação (2), caracterizado pelo fato de que as extremidades da tubulação principal (2) comporta meios de conexão (8) que permitem transmitir esforços longitudinais e pelo fato de que as extremidades do elemento (3) de conduto auxiliar comportam meios de ligação (5, 6) que permitem transmitir esforços longitudinais.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COLUNAMONTANTE COM CONDUTOS AUXILIARES RÍGIDOS".
A presente invenção refere-se ao domínio da perfuração e daexploração petrolífera de jazida em mar profundo. Ela refere-se a um ele-mento de coluna montante (comumente denominado "riser"), compreenden-do pelo menos um conduto, ou linha auxiliar rígida, isto é, que possa trans-mitir esforços de tensão entre os pés e a cabeça da coluna montante.
Uma coluna montante de perfuração é constituída por um con-junto de elementos tubulares de comprimento compreendido entre 15 e 25 mligados por conectores. O peso dessas colunas suportado por uma platafor-ma no mar pode ser muito importante, o que impõe meios de suspensão decapacidade muito grande na superfície e dimensões adaptadas para tubula-ção principal e as conexões de ligação.
Até o presente, as linhas auxiliares: "kill Une", "choke line", "bo-oster line" e "hydraulic line" são dispostas em torno da tubulação principal ecomportam conexões encaixáveis fixadas sobre os conectores dos elemen-tos de riser de maneira tal que essas linhas alta pressão podem admitir umdeslocamento relativo longitudinal entre dois elementos de linhas sucessi-vos, todavia sem possibilidade de desencaixe. Devido a essa montagemdeslizante de um elemento no outro, as linhas destinadas a permitir a circu-lação de alta pressão de um efluente proveniente do poço ou da superfícienão podem participar da resistência mecânica longitudinal da estrutura cons-tituída pelo conjunto da coluna montante.
Ora, na ótica de perfuração a profundidades de água que podematingir 3500 metros ou mais, o peso morto das linhas auxiliares se torna mui-to penalizante. Esse fenômeno é agravado pelo fato de que para uma mes-ma pressão máxima de serviço, o comprimento dessas linhas impõe um di-âmetro interno maior, considerando-se a necessidade de limitar as perdasde carga.
O documento FR 2 799 789 propõe fazer participar as linhas au-xiliares "kill line", "choke line", "booster line" e "hydraulic line" da resistênciamecânica longitudinal da coluna montante. Segundo esse documento, umelemento de coluna montante comporta uma tubulação principal, dos meiosde conexão a suas duas extremidades, pelo menos um comprimento deconduto auxiliar disposto sensivelmente de modo paralelo à tubulação prin-cipal. O comprimento de conduto auxiliar é solidário por suas duas extremi-dades aos meios de conexão da tubulação principal, de maneira que os es-forços mecânicos longitudinais aos quais são submetidos os meios de cone-xão que se repartem na tubulação e no conduto.
Uma dificuldade de realização da coluna montante, segundo odocumento FR 2 799 789, se situa ao nível dos meios de fixação do compri-mento do conduto auxiliar sobre a tubulação principal. Os esforços de tensãosuportados pelo comprimento de conduto auxiliar são transmitidos por essesmeios de fixação. Os imperativos de montagem e de construção impõe dei-xar uma distância entre a tubulação principal e o conduto auxiliar. Essa dis-tância exerce o papel de um braço de alavanca para os esforços de tensãotransmitidos ao conduto auxiliar. Devido aos esforços de tensão associadosao braço de alavanca, os meios de fixação são sujeitos a deformações deflexão que podem prejudicar um bom funcionamento da coluna montante.
A presente invenção propõe uma coluna montante construídasegundo um princípio alternativo àquele divulgado pelo documento FR 2 799789. Segundo a presente invenção, as linhas auxiliares em seu conjunto par-ticipam, conjuntamente com a tubulação principal, da recuperação dos es-forços longitudinais aplicados à coluna montante.
De maneira geral, a invenção se refere a um trecho de colunamontante, comportando uma tubulação principal, pelo menos um elementode conduto auxiliar disposto sensivelmente de modo paralelo a essa tubula-ção, caracterizado pelo fato de as extremidades da tubulação principal com-portarem meios de conexão que permitem transmitir esforços longitudinais epelo fato de as extremidades do elemento de conduto auxiliar comportarmeios de conexão que permitem transmitir esforços longitudinais.
De acordo com a invenção, o elemento de conduto auxiliar podeser ligado solidariamente à tubulação principal. Os meios de conexão podemconsistir em um sistema de travamento com baioneta. Os meios de conexãopodem ser escolhidos dentre o grupo constituído por um sistema de trava-mento com baioneta, um sistema de parafusação.
Os meios de conexão podem comportar um primeiro elementode travamento por rotação, no qual os meios de conexão podem comportarum segundo elemento de travamento por rotação, e no qual a rotação doprimeiro elemento de bloqueio pode acarretar a rotação do segundo elemen-to de travamento.
O sistema de travamento com baioneta pode comportar um ele-mento tubular macho e um elemento tubular fêmea que se encaixa um nooutro e tendo um rebordo axial para posicionar longitudinalmente o elementotubular macho em relação ao elemento móvel, um anel de travamento mon-tado móvel em rotação sobre um dos elementos tubulares, o anel compor-tando pinos que cooperam com os pinos do outro elemento tubular para for-mar uma ligação com baioneta.
De acordo com a invenção, a tubulação principal pode ser umatubulação em aço guarnecida por cintas compósitas de reforço. O elementode condução auxiliar pode ser uma tubulação em aço guarnecida com arospor cintas compósitas de reforço. As cintas compósitas de reforço podem serem fibras de vidro, de carbono, de aramida, revestidas em uma matriz polímero.
A invenção se refere também a uma coluna montante, compor-tando pelo menos dois trechos de coluna montante, tais como descritos an-teriormente, ligados extremidade com extremidade, na qual um elemento decondução auxiliar de um trecho transmite esforços longitudinais ao elementode condução auxiliar do outro trecho ao qual é ligado.
Outras características e vantagens da invenção serão melhorcompreendidas e aparecerão claramente com a leitura da descrição feita aseguir com referência aos desenhos dentre os quais:
- a figura 1 representa um trecho de coluna montante;
- a figura 2 esquematiza uma coluna montante.
A figura 1 representa um trecho 1 de uma coluna montante ou"riset". O trecho 1 é munido, em uma de suas extremidades, de meios deconexão fêmea 5 e, na outra extremidade, meios de conexão macho 6. Paraformar uma coluna montante, unem-se ponta a ponta vários trechos 1, gra-ças aos meios de conexão 5 e 6.
O trecho de coluna montante 1 comporta um elemento de tubu-lação principal 2, cujo eixo 4 constitui o eixo da coluna montante. As linhasou condutos auxiliares são disposta(o)s paralelamente ao eixo 4 da coluna,de forma a serem integrados à tubulação principal. As referências 3 desig-nam os elementos unitários das linhas auxiliares. Os elementos 3 têm com-primentos sensivelmente iguais ao comprimento do elemento de tubulaçãoprincipal 2. Há pelo menos uma linha 3 disposta na periferia da tubulaçãoprincipal 2. É desejável dispor de uma repartição simétrica das linhas emtorno da tubulação 2, de maneira a equilibrar a transferência de carga dacoluna. Esses condutos denominados "kill Une", "choke Une" são utilizadospara garantir a segurança do poço durante o desenrolar dos procedimentosde controle das vindas de fluidos sob pressão no poço. O conduto "boosterline" permite injetar lama. O conduto "hydraulic Une" permite comandar o ob-turador comumente denominado "B.O.P" em cabeça de poço.
De acordo com a invenção, os meios de conexão fêmea 5 e ma-cho 6 são compostos de vários conectores: o elemento 2 da tubulação prin-cipal, assim como cada um dos elementos 3 de linha auxiliar são, cada um,providos de um conector mecânico. Esses conectores mecânicos permitemtransmitir esforços longitudinais de um elemento a um outro. Por exemplo,os conectores podem ser do tipo daqueles descritos nos documentos FR 2432 672, FR 2 464 426 e FR 2 526 517. Esses conectores permitem ligardois trechos de tubulação. Um conector comporta um elemento tubular ma-cho e um elemento tubular fêmea, encaixando-se um no outro e tendo umrebordo axial para posicionar longitudinalmente o elemento tubular machoem relação ao elemento fêmea. O conector comporta, além disso, um anelde travamento montado móvel em rotação sobre um dos elementos tubula-res. O anel comporta pinos que cooperam com os pinos do outro elementotubular para formar uma ligação com baioneta.
Alternadamente, os conectores mecânicos dos elementos delinha auxiliares 3 podem também ser ligações clássicas por parafusação efixação com porca. Esses conectores podem também ser conectores "comcão", isto é, com o auxílio de travas radiais.
Para simplificar a ligação dos trechos 1 da coluna montante, osmeios de conexão 6 são providos de um sistema de travamento que permitetravar os diferentes conectores pelo acionamento de uma única peça. Porum lado, a periferia do anel de travamento do conector da tubulação princi-pal 2 é munida de uma coroa denteada. Por outro lado, os anéis de trava-mento de cada um dos conectores dos elementos 3 de linha auxiliar sãomunidos de setor denteado que cooperam com a coroa denteada do conec-tor da tubulação principal 2. Assim, quando se faz girar o anel do conectorda tubulação principal em torno do eixo 4, a coroa denteada engrena cadaum dos setores denteados e, portanto, provoca a rotação de cada um dosanéis dos conectores dos elementos 3 de linhas auxiliares. Esse sistema detravamento simultâneo do conector da tubulação 2 com os conectores doselementos 3 pode ser aplicado a qualquer tipo de conector que utiliza umtravamento por rotação.
Além disso, o elemento de linha auxiliar é solidariamente ligadoà tubulação principal 2. Em outros termos, o trecho de coluna montante 1comporta um meio de fixação 7 que permite fixar mecanicamente o elemento3 de linha auxiliar à tubulação principal 2. O meio de fixação 7 posiciona esolidariza o elemento 3 sobre a tubulação 2. Por exemplo, o meio de fixação7 fica situado no nível da extremidade do trecho 1 munido dos meios de co-nexão fêmea 5. Por exemplo, a tubulação principal 2 comporta uma coroa 20em ressalto e o elemento de linha auxiliar 3 comporta um apêndice 21 muni-do de uma ranhura. O elemento 3 é montado sobre a tubulação 2, de manei-ra que a coroa 20 em ressalto se aloja na ranhura. Parafusos que passamatravés do apêndice 21 e da coroa em ressalto solidarizam o elemento 3 àtubulação 2.
Os elementos 3 podem ser orientados, por exemplo, no nível daextremidade munido dos meios de conexão macho 6, pelos meios de orien-tação 8. A tubulação principal 2 é munida de um flange que comporta umapassagem cilíndrica na qual o elemento de linha auxiliar 3 pode deslizar. Es-sa passagem cilíndrica permite orientar os elementos 3.
A coluna montante esquematizada pela figura 2 comporta umatubulação principal 2 e linhas auxiliares 3. A tubulação principal, assim comocada uma das linhas auxiliares 3 são conectadas à cabeça de poço 10 pelosconectores 11 e ao suporte flutuante 12 pelo conectores 13, pelos conecto-res 11 e 13 transmitindo os esforços longitudinais da coluna montante à ca-beça de poço e ao suporte flutuante. Assim, os trechos 1 permitem realizaruma coluna montante para a qual a tubulação principal forma uma ligaçãomecanicamente rígida que suporta os esforços longitudinais entre a cabeçade poço 10 e o suporte flutuante 12. Além disso, de acordo com a invenção,cada uma das linhas auxiliares formam separadamente uma ligação mecani-camente rígida que suporta também os esforços longitudinais entre a cabeçade poço 10 e o suporte flutuante 12. Por conseguinte, os esforços Iongitudi-nais aplicados à coluna montante são repartidos entre a tubulação principal2 e as diferentes linhas auxiliares 3.
Além disso, no nível do trecho 1, cada um dos elementos 3 delinhas auxiliares é fixado solidariamente à tubulação principal pelos meios defixação 7. Esses meios de fixação 7 são adaptados para repartir ou para e-quilibrar os esforços entre as diferentes linhas auxiliares e a tubulação prin-cipal, notadamente se as deformações entre as linhas e a tubulação principalnão forem iguais, por exemplo em caso de variação de pressão entre as di-ferentes linhas. Assim, os esforços, e notadamente a tensão, suportadospela coluna montante são distribuídos entre as linhas auxiliares e a tubula-ção principal por toda a altura da coluna, graças à multiplicação sobre a altu-ra desses meios de fixação.
A título de exemplo, uma coluna montante, de acordo com a in-venção, pode apresentar as seguintes características:
diâmetro da tubulação principal: 533,4 mm (21")diâmetro das linhas auxiliares: 152,4 mm (6")pressão de serviço: 105 Mpa (1050 bar)esforços de tensão exercidos sobre a coluna montante: 1000toneladas.
Além disso, para poder realizar colunas montantes que podemoperar a profundidades que vão até 3500 m e mais, utilizam-se elementosde tubulações metálicas de resistências otimizada por uma guarnição comaros em material compósito composto de fibras revestidas de matriz políme-ro.
Uma técnica de guarnição com aros de tubulações pode ser a -quela que consiste em enrolar sob tensão das cintas em material compósitoem torno de um corpo tubular em metal descrita nos documentos FR 2 828121, FR 2 828 262, US 4 514 254.
As cintas são constituídas de fibras, por exemplo fibras de vidro,de carbono ou de aramida, as fibras sendo revestidas em uma matriz polí-mero, termoplástica ou termoendurecível, tal como uma poliamida.
Pode-se também aplicar uma técnica conhecida pelo nome deautoguarnição com aros que consiste em criar o esforço de guarnição comaros, quando de uma prova hidráulica da tubulação a uma pressão, provo-cando a ultrapassagem do limite elástico no corpo metálico. Em outros ter-mos, enrolam-se fita em material compósito em torno do corpo tubular emmetal. Quando da operação de enrolamento, as cintas não induzem esforçosou induzem apenas um esforço muito pequeno na tubulação metálica. De-pois, se aplica a uma pressão determinada no interior do corpo em metal, demodo que o corpo metálico se deforma de maneira plástica. Após retorno àpressão nula, subsistem esforços residuais de compressão no corpo em me-tal e esforços de tração nas cintas em material compósito.
A espessura de material compósito enrolado em torno do corpotubular em metal, de preferência em aço, é determinada em função do pré-esforço de guarnição com aros necessário para que a tubulação resista, se-gundo as regras da técnica, aos esforços de pressão e de tensão.
Claims (10)
1. Trecho de coluna montante, comportando uma tubulaçãoprincipal (2), pelo menos um elemento (3) de conduto auxiliar disposto sen-sivelmente de modo paralelo a essa tubulação (2), caracterizado pelo fato deque as extremidades da tubulação principal (2) comportarem meios de cone-xão (8) que permitem esforços longitudinais e pelo fato de que as extremida-des do elemento (3) de conduto auxiliar comportam meios de ligação (5, 6)que permitem transmitir esforços longitudinais.
2. Trecho, de acordo com a reivindicação 1, no qual o elemento(3) de conduto auxiliar é ligado solidariamente à tubulação principal (2).
3. Trecho, de acordo com uma das reivindicações 1 e 2, no qualos meios de conexão (8) consistem em um sistema de travamento com bai-oneta.
4. Trecho, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, no qualos meios de conexão (5, 6) são escolhidos dentre o grupo constituído por umsistema de travamento com baioneta, um sistema de parafusação.
5. Trecho, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, no qualos meios de conexão (8) comportam um primeiro elemento de travamentopor rotação, no qual os meios de conexão (5, 6) comportam um segundoelemento de travamento por rotação, e no qual a rotação do primeiro ele-mento de travamento acarreta a rotação do segundo elemento de travamento.
6. Trecho de coluna montante, de acordo com uma das reivindi-cações 3 a 5, no qual o sistema de travamento com baioneta comporta umelemento tubular macho e um elemento tubular fêmea que se encaixam umno outro e tendo um rebordo axial para posicionar longitudinalmente o ele-mento tubular macho em relação ao elemento fêmea, um anel de travamentomontado móvel em rotação sobre um dos elementos tubulares, o anel com-portando pinos que cooperam com os pinos do outro elemento tubular paraformar uma ligação com baioneta.
7. Trecho de coluna montante, de acordo com uma das reivindi-cações 1 a 6, no qual a tubulação principal (2) é uma tubulação em açoguarnecida com aros por cintas compósitas.
8. Trecho de coluna montante, de acordo com uma das reivindi-cações 1 a 7, no qual o elemento de conduto auxiliar (3) é uma tubulação emaço guarnecida com aros por cintas compósitas.
9. Trecho de coluna montante, de acordo com uma das reivindi-cações 7 e 8, no qual essas cintas compósitas comportam fibras de vidro, decarbono ou de aramida, revestidas em uma matriz polímero.
10. Coluna montante, comportando pelo menos dois trechos (1)de coluna montante, como definido em uma das reivindicações de 1 a 9, Ii-gados ponta a ponta, na qual um elemento (3) de conduto auxiliar de umtrecho transmite esforços longitudinais (3) de conduto auxiliar de outro trechoao qual é ligado.
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