BRPI0904526A2 - suporte submarino fixo para risers e método de instalação do mesmo - Google Patents

Abstract

SUPORTE SUBMARINO FIXO PARA RISERS E MéTODO DE INSTALAçãO DO MESMO. Refere-se a presente invenção a um suporte submarino, destinado a apoiar risers de produção de petróleo principalmente em águas rasas, estando estes risers em operação ou não, de modo a gerar e manter a configuração Lazy S. A invenção em questão compreende basicamente uma estaca cilíndrica, cravada no solo marinho por sua extremidade inferior e uma viga suporte, constituída basicamente por uma barra horizontal e um posicionador.

Description

SUPORTE SUBMARINO FIXO PARA RISERS E MÉTODO DEINSTALAÇÃO DO MESMO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção encontra seu campo de aplicação dentre asestruturas fixas submersas, mais particularmente dentre as estruturas fixassubmersas para suportar risers de produção de petróleo e injeção de gásem poços produtores, bem como o seu método de instalação.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A exploração e a produção de petróleo na atualidade ocorrem,principalmente, no mar e em profundidades cada vez maiores. Devido aesse fato, é comprovada a necessidade de se avançar no estudo de novastecnologias e na solução para sistemas marítimos de produção. Um doscomponentes fundamentais nesses sistemas é um conjunto de dutos,rígidos ou flexíveis, denominados linha de coleta de produção.

Este conjunto de dutos, que constituem as linhas de coleta deprodução se subdivide basicamente em duas porções distintas, sendo aprimeira porção, preponderantemente horizontal, constituída de dutosflexíveis ou rígidos, que liga o poço de petróleo no solo marinho a umponto ainda no solo marinho, próximo à locação da plataforma, e éconhecido pelo termo em inglês "flowline".

A segunda porção é constituída por dutos preponderantementeverticais, conectada à extremidade do trecho horizontal e que ascende dosolo marinho até o casco da plataforma, onde será acoplada. Esta porçãoé conhecida pelo termo em inglês "riser".

Normalmente usam-se dois tipos de risers: flexíveis ou rígidos.Risers flexíveis são compostos por várias camadas metálicas epoliméricas, cujo conjunto das camadas proporciona resistência e torna atubulação estanque, sem comprometer a sua flexibilidade. Os risersflexíveis são empregados, principalmente, com sistemas flutuantes deprodução e completação submarina. Já os risers rígidos, como o próprionome diz, são fabricados em materiais que apresentam baixa flexibilidade.

O sistema de risers também deve atender a certos limitesoperacionais, tais como não sofrer grandes deslocamentos, ou atender alimites de resistência de material estabelecidos por suas normas defabricação e operação.

Os sistemas de risers também podem ser classificados de acordocom a sua configuração, material e finalidade. As configurações de riserspodem ser classificadas em vertical, catenária ou complexa (usandoflutuadores).

Na configuração vertical aplica-se uma força de tração no topo doriser, com a finalidade de mantê-lo sempre tracionado, evitando a suaflambagem. Esta configuração demanda a utilização de plataformas combaixa resposta dinâmica.

A configuração em catenária é aquela cuja geometria do riser édefinida segundo condições da estática, levando-se em consideraçãoapenas o peso próprio do riser desprezando-se todos os demais efeitosexternos. Esta é a mais simples e a mais barata configuração de riser. Noentanto, caso exista qualquer efeito significativo de primeira ordem demovimento de onda na extremidade em contato com a plataforma, aintensidade da tensão é diretamente transferida ao riser, agravando oefeito de compressão da extremidade em contato com o solo marinho.

A configuração complexa deriva da configuração em catenária.Neste caso o riser assume uma geometria em forma de catenária duplapor meio da instalação de flutuadores ou bóias mantidas submersas compoitas.

Como exemplo de configurações complexas pode-se citar asconfigurações Lazy S, Steep S, Lazy Wave, Steep Wave e Pliant Wave,onde cada uma apresenta suas particularidades, suas vantagens edesvantagens. As configurações Lazy S e Steep S que utilizam flutuadoresapresentam uma seção intermediária que passa por um arco dotadodesses flutuadores, onde o empuxo alivia o peso suportado pelo sistemaflutuante e contribui com o momento restaurador quando se encontra sobforças que resultam em deslocamentos laterais. Nesta configuração LazyS, existe um tensionador, que é um cabo de aço com a função de manter estável o arco com flutuadores. Já na configuração Steep S1 o própriopeso do riser apoiado sobre os flutuadores exerce uma força sobre osmesmos, o que garante a estabilidade dos flutuadores.

As configurações Lazy Wave e Steep Wave apresentam ocomportamento semelhante ao das configurações acima descritas, entretanto, nessas configurações, o arco é substituído por uma seçãointermediária dotada de flutuadores distribuídos.

A Pliant wave consiste numa configuração Lazy Wave modificada,ela melhora o desempenho da configuração Lazy Wave principalmentepelo controle do raio de curvatura junto ao ponto de contato com o solo marinho, entretanto ainda é muito afetada pelas forças ambientais, como omovimento do mar, o que possibilita o deslocamento lateral e o choqueentre as linhas de riser.

A configuração Lazy S é a melhor alternativa para esses casos porestar menos sujeita aos movimentos causados pelas forças ambientais do que as outras configurações acima apresentadas.

A patente US 6.364.022 propõe uma configuração de riser híbridoque é dotado de pelo menos uma seção curva em forma de onda (wave)para garantir a flutuabilidade de um segmento do riser. Na referidapatente, são usados alguns meios para obter a seção curva em forma deonda, inclusive a configuração Lazy S, onde a seção curva se apoiaparcialmente em um arco dotado de flutuadores, que é ancorado no solomarinho por meio de uma poita.

O uso de arco dotado de flutuadores, ancorado no solo marinho,para obter a configuração Lazy S apresenta algumas limitações e desvantagens. Dentre elas pode-se citar o complexo projeto e o alto custodos arcos com flutuadores, as dificuldades de instalação e ancoramento, apossibilidade de movimentação lateral dos arcos devido ao movimento domar. Ademais, cada arco instalado no solo marinho, tem capacidade paraapoiar apenas uma pequena quantidade de risers, o que torna necessáriaa instalação de diversos arcos no solo marinho quando se tem umaquantidade significativa de risers.

A invenção descrita e reivindicada a seguir apresenta umaconcepção mais simples e mais vantajosa em relação aos arcos dotadosde flutuadores e às bóias convencionalmente usadas.

A mesma permite obter a configuração Lazy S para um riser flexívelsem a necessidade de flutuadores e sem estar sujeita a deslocamentoslaterais devidos aos movimentos do mar.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a uma estrutura submersa fixa,destinada a apoiar risers de produção de petróleo, de modo a gerar emanter a configuração Lazy S, onde são diversas as vantagens emcomparação com o estado da técnica, dentre as quais se podem destacar:

- simplicidade e baixo custo de construção e instalação;

- maior confiabilidade na operação;

- menor rigor e freqüência nas inspeções submarinas, além de

dispensarem o uso de embarcações dotadas de guindastes e bateestacas convencionais na instalação.

O suporte em questão é cravado no solo marinho e compreendebasicamente os seguintes elementos:

a. uma estaca, cilíndrica, que apresenta um furo parcial a partir desua extremidade superior, sendo sua extremidade inferiorcravada no solo marinho a uma profundidade que possibilitemanter todo o suporte estável e fixado no solo marinho;

b. uma viga suporte, constituída por uma barra horizontal e umposicionador, rigidamente unido, por uma de suas extremidades,à barra horizontal, sendo o posicionador acoplado à estaca demodo a manter a viga suporte unida a todo o conjunto.

Também é descrito e reivindicado o método de instalação dainvenção, que apresenta vantagens em comparação com o estado datécnica principalmente por sua economicidade.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

As características do suporte submarino fixo para risers, objeto dapresente invenção serão mais bem percebidas a partir da descriçãodetalhada, associada às figuras abaixo referenciadas, que representam aconcretização preferida para a presente invenção, na qual:

A FIGURA 1 apresenta uma perspectiva explodida do suportesubmarino fixo para risers.

A FIGURA 2 representa esquematicamente a etapa do método deinstalação na qual a estaca é apoiada em uma embarcação de serviço.

A FIGURA 3 representa esquematicamente a etapa do método deinstalação na qual a estaca fica imersa na água do mar, presa por umcabo de aço, após descrever uma trajetória pendular.

A FIGURA 4 representa esquematicamente a etapa do método deinstalação na qual a estaca é lançada para cravação no solo marinho.

A FIGURA 5 representa esquematicamente a estaca já cravada nosolo marinho.

A FIGURA 6 representa esquematicamente a etapa do método deinstalação na qual a viga suporte é descida e posicionada para seracoplada à estaca.

A FIGURA 7 apresenta uma visão em perspectiva do suporte objetodesta invenção instalado no solo marinho.

A FIGURA 8 apresenta uma visão em perspectiva do suporte, objetodesta invenção, em operação.

AS FIGURAS 9A e 9B apresentam uma visão em perspectiva daestaca dotada de um lastro removível constituído por um cilindro metálicomaciço posicionado no interior do furo parcial da estaca.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Refere-se a presente invenção a um suporte submarino, destinado aapoiar risers de produção de petróleo, estando estes risers em operaçãoou não, de modo a gerar e manter a configuração Lazy S. A invenção édestinada principalmente para suportar risers de unidades flutuantes emlâminas d'água rasas.

São diversas as vantagens que esta invenção apresenta emcomparação com o estado da técnica. Dentre estas vantagens pode-sedestacar: simplicidade e baixo custo de construção e instalação; maiorconfiabilidade na operação; menor rigor e freqüência nas inspeçõessubmarinas, além de dispensarem o uso de embarcações dotadas deguindastes e bate estacas convencionais na instalação.

Outras vantagens podem ser associadas ao método de instalaçãoda presente invenção, como por exemplo, sua economicidade, visto que oreferido método faz uso da energia cinética resultante do lançamento dosuporte submarino para fixá-lo no solo marinho.

A figura 1 apresenta uma perspectiva explodida da estrutura emquestão, que será doravante denominada "suporte".

O suporte, que é destinado a ser cravado no solo marinho paragarantir sua fixação, compreende basicamente os seguintes elementos:

c. uma estaca (1), cilíndrica, que apresenta um furo parcial (14) apartir de sua extremidade superior (12), sendo sua extremidadeinferior (13) cravada no solo marinho a uma profundidade quepossibilite manter todo o suporte estável e fixado no solomarinho;

d. uma viga suporte (2), constituída por uma barra horizontal (21) eum posicionador (22) rigidamente unido, por uma de suasextremidades, à barra horizontal (21), sendo o posicionador (22)acoplado à estaca (1) de modo a manter a viga suporte (2) unidaa todo o conjunto.

A barra horizontal (21) da viga suporte (2) pode ter seção circular,seção semicircular ou secção trapezoidal. O posicionador (22) pode serum cilindro, maciço ou não, com diâmetro externo compatível com o diâmetro do furo parcial (14) de modo a se acoplar à estaca (1) por meiodo furo parcial (14) atuando como um engate tipo macho, ou ser umacamisa cilíndrica com o diâmetro interno compatível com o diâmetro daestaca (1) e se acoplar à estaca (1) envolvendo sua extremidade, atuandocomo um engate tipo fêmea.

Tanto o engate tipo macho quanto o engate tipo fêmea podem sedar por meio de ajuste com interferência ou com folga. No caso de se usarum ajuste com folga, torna-se necessário o uso de um meio de fixação,que pode ser, por exemplo, um pino (não representado nas figuras)inserido radialmente no acoplamento entre o posicionador (22) e a estaca(1).

As figuras 2, 3, 4, 5, 6 e 7 representam esquematicamente ométodo de instalação do suporte definido acima. O referido método faz usode pelo menos uma balsa de serviço e uma embarcação de apoio ecompreende as seguintes etapas:

a. apoiar inicialmente, na balsa de serviço, a estaca (1), com suaextremidade superior (12) ligada à embarcação de apoio pormeio de um cabo de aço (3) (Figura 2);

b. puxar a estaca (1), por meio do cabo de aço (3), para fora dabalsa de serviço de modo que a estaca (1) entre em contato coma água do mar descrevendo uma trajetória pendular (Figura 3);

c. lançar a estaca (1) ao fundo do mar quando a mesma estiver naposição vertical, após cessar a trajetória pendular, de modo que aestaca (1) seja cravada no solo marinho com a energia cinéticaresultante de seu lançamento (Figuras 4 e 5);

30 d. descer a viga suporte (2) e posicioná-la de modo que o posicio-nador (22) fique concentricamente alinhado com a estaca (1)(Figura 6);

e. acoplar a viga suporte (2) à estaca (1) por meio do posicionador(22) (Figura 7).

A Figura 6 apresenta a etapa do método de instalação referente àdescida da viga suporte (2) até o leito marinho. Esta descida pode ocorrerpor meio de cabo de aço ou por qualquer outro meio conhecido da técnica.

Adicionalmente, nos casos em que a energia cinética resultante dolançamento da estaca (1) for insuficiente para atingir a profundidadedesejada na cravação, pode-se usar uma estaca (1) provida de um lastroremovível (15) para aumentar o peso e conseqüentemente a energiacinética, conforme ilustram as figuras 9A e 9B. Este lastro removível (15)pode ser um cilindro metálico maciço posicionado no interior do furoparcial (14) da estaca (3).

Quando se fizer necessária uma cravação adicional, o lastroremovível (15) pode ainda ser usado como um bate estaca para auxiliar acravação da estaca (3) no solo marinho. Neste caso, pode-se usar omovimento alternativo vertical gerado pelas ondas na superfície do mar ouum guincho da balsa de serviço.

A figura 8 apresenta uma visão em perspectiva do suporte instaladono solo marinho, operando de modo a apoiar os risers na configuraçãoLazy S.

A descrição que se fez até aqui do suporte submarino fixo pararisers e método de instalação, objeto da presente invenção, deve serconsiderada apenas como uma possível concretização, e quaisquercaracterísticas particulares devem ser entendidas como algo que foidescrito para facilitar a compreensão. Desta forma, não podem serconsideradas Iimitantes da invenção, a qual está limitada apenas aoescopo das reivindicações que seguem.

Claims (15)

1.- SUPORTE SUBMARINO FIXO PARA RISERS, CRAVADO NO SOLOMARINHO, caracterizado por compreender:a. uma estaca (1), cilíndrica, que apresenta um furo parcial (14) apartir de sua extremidade superior (12), sendo sua extremidadeinferior (13) cravada no solo marinho a uma profundidade quepossibilite manter todo o suporte estável e fixado no solomarinho;b. uma viga suporte (2), constituída por uma barra horizontal (21)e um posicionador (22) rigidamente unido, por uma de suasextremidades, à barra horizontal (21), sendo o posicionador(22) acoplado à estaca (1) de modo a manter a viga suporte (2)unida a todo o conjunto.

2.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a barrahorizontal (21) ter seção circular.

3.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a barrahorizontal (21) ter seção semi-circular.

4.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a barrahorizontal (21) ter secção trapezoidal.

5.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por oposicionador (22) ser um cilindro maciço com diâmetro externocompatível com o diâmetro do furo parcial (14) de modo a se acoplar àestaca (1) por meio do furo parcial (14) atuando como um engate tipomacho.

6.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por oposicionador (22) ser uma camisa cilíndrica com o diâmetro internocompatível com o diâmetro da estaca (1) e se acoplar à estaca (1)envolvendo sua extremidade, atuando como um engate tipo fêmea.

7.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 5 e 6, caracterizado portanto o engate tipo macho quanto o engate tipo fêmea se darem pormeio de um ajuste com interferência.

8.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 5 e 6, caracterizado portanto o engate tipo macho quanto o engate tipo fêmea se darem pormeio de um ajuste com folga e fazerem o uso de um meio de fixação.

9.- SUPORTE, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o meiode fixação ser um pino inserido radialmente no acoplamento entre oposicionador (22) e a estaca (1).

10.- MÉTODO DE INSTALAÇÃO DO SUPORTE definido na reivindicação-1, que faz uso de pelo menos uma balsa de serviço e umaembarcação de apoio caracterizado por compreender as seguintesetapas:a. apoiar inicialmente, na balsa de serviço, a estaca (1), com suaextremidade superior (12) ligada à embarcação de apoio pormeio de um cabo de aço (3);b. puxar a estaca (1), por meio do cabo de aço, para fora da balsade serviço de modo que a estaca (1) entre em contato com aágua do mar descrevendo uma trajetória pendular;c. lançar a estaca (1) ao fundo do mar quando a mesma estiver naposição vertical, após cessar a trajetória pendular, de modo quea estaca (1) seja cravada no solo marinho com a energiacinética proveniente de seu lançamento;d. descer a viga suporte (2) e posicioná-la de modo que oposicionador (22) fique concentricamente alinhado com aestaca (1);e. acoplar a viga suporte (2) à estaca (1) por meio do posicionador(22).

11.- MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por adescida da viga suporte até o leito marinho ocorrer por meio de cabo.

12.- MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por aestaca (1) ser lançada ao fundo do mar provida de um lastroremovível (15), posicionado no interior do furo parcial (14) paraaumentar o peso e atingir a profundidade desejada.

13.- MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por olastro removível (15) ser um cilindro metálico maciço.

14.- MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por olastro removível (15) ser utilizado como bate estaca para auxiliar acravação da estaca (3) no solo marinho.

15.- MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por olastro removível (15), ao ser utilizado como bate estaca e fazer uso domovimento alternativo vertical gerado pelas ondas na superfície domar.