MX2010005485A - Sistema de tubo de subida autonomo que tiene camaras de flotacion multiples. - Google Patents

Abstract

Un sistema elevador autónomo de múltiples filas incluye una o más cámaras de flotación intermedias que están configuradas para proporcionar una fuerza de elevación ascendente en las filas de ensambles elevadores asociados; las cámaras intermedias tienen ya sea un diseño de fondo abierto o de contenedor cerrado; las cámaras también pueden incluir un material de flotación auxiliar que está diseñado ya sea para mezclarse con o para contener fluidos presurizados inyectados en las cámaras; el sistema elevador autónomo también incluye un ensamble elevador inferior que se fija a un accesorio primario de perforación de pozos; el sistema también incluye un ensamble elevador superior y una o más cámaras de flotación adicionales dispuestas en comunicación ya sea directa o indirecta entre sí, así como con equipo de perforación, producción y explotación según lo requiera las operaciones asociadas.

Description

SISTEMA DE TUBO DE SUBIDA AUTONOMO QUE TIENE CAMARAS DE FLOTACION MULTIPLES CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere de manera general a ensambles de tubo de subida autónomos utilizados durante las operaciones de exploración y producción de petróleo y gas, y en particular, aunque no es una modalidad limitante a un sistema de tubo de subida autónomo equipado con cámaras de flotación múltiples adecuadas el despliegue en una variedad de profundidades de agua y condiciones del mar.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los tubos de subida autónomos (en lo sucesivo "SSR") se emplean en la industria de petróleo y gas para suspender la producción y las líneas de inyección desde las unidades de producción submarina, y soportan los tendones de sujeción asociados con las estructuras de alta mar flotantes. El SSR conocido se puede utilizar para facilitar las unidades de perforación de "aguas profundas" estándar (por ejemplo, entre 0 metros y aproximadamente 182 metros de agua) e instalaciones de producción rentables colocando bloqueadores de estallido y árboles de producción en la parte superior de una cámara de flotación.

El método convencional con el diseño SSR ha empleado una cámara de flotación grande que soporta las cargas del tubo de subida y el tendón. Sin embargo, este método ha conducido a costos incrementados asociados con la construcción e instalación de las cámaras de flotación. Dichos factores han tenido como resultado en una falta de un desarrollo de sistema SSR significativo por los operadores, que podrían realizar un espectro amplio de los beneficios asociados. No obstante, la industria como una totalidad desea una reducción en los costos de petróleo y gas, una disminución en demoras de tiempo para la perforación de los pozos de exploración, y un desarrollo incrementado de los campos descubiertos anteriormente. Por lo tanto, existe una necesidad detectada desde hace mucho, aunque insatisfecha de sistemas de tubo de subida más flexibles, más pequeños, con la capacidad de fabricación rápida y despliegue que ayude al desarrollo rentable de los campos de petróleo y gas sub-producidos anteriormente.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Se proporciona un sistema de tubo de subida autónomo adecuado para exploración y producción de petróleo y gas en aguas profundas, el sistema incluye un ensamble de tubo de subida inferior dispuesto en comunicación con un accesorio de perforación de pozos primario; una o más cámaras de flotación intermedias dispuestas en comunicación con el ensamble de tubo de subida inferior y una o más porciones del ensamble de tubo de subida intermedio, en donde una o más de las cámaras de flotación incluye adicionalmente una porción de superficie inferior con el fondo abierto; y un ensamble de tubo de subida superior dispuesto en comunicación con una o más cámaras de flotación superiores, en donde una o más de las cámaras de flotación superiores incluye adicionalmente una porción completamente cerrada.

También se proporcionan las cargas de balasto para las cámaras; el esfuerzo de uniones para los ensambles del tubo de subida; los métodos y medios del despliegue y mantenimiento del sistema; el acceso a los bloqueadores de estallido, las cabezas de pozo y los árboles de producción; y diversas interconexiones del sistema.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las modalidades descritas en la presente descripción se comprenderán mejor, y numerosos objetos, características y ventajas se volverán evidentes para aquellos expertos en la materia haciendo referencia a los dibujos que la acompañan.

La figura 1A, es un diagrama esquemático de un sistema de tubo de subida autónomo equipado con una cámara de flotación de fondo abierto en aguas calmadas, de acuerdo con una modalidad de ejemplo conocida en la materia.

La figura 1B, es un diagrama esquemático de un sistema de tubo de subida autónomo equipado con una cámara de flotación de fondo abierto que está acercándose a su punto de derrame.

La figura 1C, es un diagrama esquemático de un tubo de subido autónomo con una cámara de flotación de fondo abierto que tiene una inclinación más allá del punto de derrame.

La figura 2, es un diagrama esquemático que representa los efectos de presión, temperatura y profundidad en una cámara de flotación de fondo cerrado.

La figura 3, es un diagrama esquemático de un sistema de tubo de subida autónomo que comprende cámaras de flotación múltiple, de acuerdo con las modalidades de ejemplo de la presente invención.

Las figuras 4A-4D son diagramas esquemáticos que representan la instalación de un sistema de tubo de subida autónomo que comprende cámaras de flotación múltiples, de acuerdo con las modalidades de ejemplo de la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Actualmente, existen dos tipos conocidos de cámaras de flotación sumergibles adecuadas para exploración y producción de petróleo y gas; un diseño de contenedor cerrado, y un diseño de fondo abierto. Ambos tipos de cámaras, si están presurizadas y aseguradas mediante un tubo de subida, ejercerán una fuerza de levantamiento hacia arriba sobre el tubo de subida. Ciertas modalidades también comprenden características que aportan capacidad de ajuste al sistema, como las que pueden ser conocidas por aquellos expertos en la materia.

El diseño de contenedor cerrado es similar en algunos aspectos a un submarino, en el sentido de que existe normalmente una o más cámaras de balasto utilizadas para alojar un fluido, tal como un gas ligero, agua de mar, etc. Una vez que se ha logrado la proporción deseada de fluidos, la cámara se cierra mediante válvulas u otros medios conocidos en la materia.

Una cámara de flotación con fondo abierto incluye muchas funciones de diseño similares a aquellas del diseño del contenedor cerrado. Sin embargo, una vez que se logran las características de flotación deseadas, el fluido dispuesto dentro de la cámara, simplemente es atrapado por los lados y parte superior de la misma.

La figura 1A, ilustra una cámara de flotación, de fondo abierto, conocida dispuesta en comunicación con un SSR y llena con un fluido, por ejemplo, un gas presurizado. Como se observa, una combinación de corrientes de agua en calma, fuerzas externas mínimas y una cantidad suficiente de flotación aplicadas al SSR tiene como resultado una fuerza de desplazamiento lateral mínima. Por consiguiente, la cámara de flotación ilustrada en la figura 1A, experimenta muy poca o ninguna inclinación en relación con su eje vertical, y el fluido contenido dentro de la cámara permanece encerrado.

Sin embargo, si se aplica una cantidad de fuerza suficientemente grande a la cámara, tal como una corriente fuerte, como está representada en la figura 1B, el SSR empezará a inclinarse en alejamiento de su eje vertical. La figura 1 B, también ilustra cómo el fluido contenido dentro de la cámara ha cambiado en relación con la inclinación del sistema en alejamiento de su eje vertical. Sin embargo, la cámara puede acomodar una inclinación de arriba hasta un ángulo crítico determinado (el cual depende en gran medida de sus dimensiones de diseño) antes de alcanzar el ángulo de punto de derrame crítico, y el fluido empieza a escapar de la cámara.

La figura 1C, ilustra adicionalmente como el índice de derrame del gas contenido dentro de una cámara de flotación de fondo abierto, se incrementará a medida que su ángulo de inclinación crítico es alcanzado y excedido. En particular, el derrame tendrá como resultado una pérdida aún mayor de la flotación, y por consiguiente, un ángulo de inclinación proporcionalmente creciente, lo cual provocará que más y más gas se escape de la cámara. Eventualmente, escapa gas suficiente al punto en que la fuerza de la boya es reducida hasta que ya no puede soportar al tubo de subida, provocando de esta manera que falle el sistema.

Independientemente de las desventajas, las cámaras de fondo abierto pueden operar en profundidades extremas en el agua con una preocupación reducida sobre su colapso estructural en contraste con un sistema cerrado, debido a que el diseño abierto permite que las presiones del fluido dentro de la cámara se igualen con las presiones circundantes aún en profundidades mayores. Adicionalmente, el diseño de fondo abierto tiene menos peso del sistema en general debido a una reducción en los materiales de construcción requeridos debido a que no existe un fondo, y el resto de la coraza requerirá menos espesor y refuerzo con el objeto de soportar las presiones del fluido en aguas profundas.

En contraste, las cámaras de flotación de contenedor cerrado no sufren en gran medida del problema de inclinarse, produzco por las corrientes y los efectos de la superficie, y normalmente son la elección de diseño adecuada en áreas en las que las corrientes y efectos de la superficie son suficientemente significativas para provocar un desplazamiento lateral mayor desde el eje vertical. Sin embargo, si cualquiera de las cámaras de flotación descritas sostiene una fuga (por ejemplo, una fuga producida por que se agrieta el contenedor, por el mal funcionamiento de la válvula, etc.) el gas u otro fluido escapará y el SSR puede fallar, como está ilustrado en la figura 1C.

Las cámaras de flotación de contenedor cerrado también deben ser lo suficientemente robustas para compensar las fuerzas externas tales como la presión de fluido de aguas profundas. Como está ilustrado en la figura 2, dichas cámaras deben, como una cuestión de umbral, tener integridad estructural y espesores de pared suficientes para resistir las presiones esperadas, que pueden producir un colapso de la coraza exterior de la cámara. Además, cuando se despliega una cámara de flotación cerrada llena con un cas, las presiones y temperaturas internas del gas deben ser suficientemente proporcionales con las presiones y temperaturas del agua en el exterior para que un gradiente de presión o temperatura asociado no induzca un cambio efectivo en el volumen del gas dentro de la cámara, lo cual podría provocar que la coraza exterior de la cámara se agriete o colapse.

Normalmente, los sistemas SSR están limitados para incluir el uso de únicamente una cámara de flotación única debido al gran tamaño de la cámara. Sin embargo, los diseños de cámara de flotación más grandes incrementan el tiempo y costo asociados con la construcción y despliegue del sistema de operación. Adicionalmente, el despliegue de una cámara presurizada grande, en profundidades grandes (por ejemplo, >150 metros, aproximadamente) puede demostrar ser una tarea excesivamente difícil. Adicionalmente, a medida que el diámetro de la cámara de flotación se incrementa, también se incrementa la probabilidad de falla estructural y deformación producida por el manejo durante la construcción y despliegue.

La descripción detallada que se encuentra a continuación incluye sistemas de ejemplo, métodos y técnicas que representan a las técnicas del sujeto actualmente inventivo. Sin embargo, aquellos expertos en la materia deberán comprender que las modalidades descritas pueden ser practicadas sin uno o más de los detalles específicos descritos en la presente descripción. En otros casos, el equipo, protocolos, estructuras y técnicas de fabricación bien conocidos no se han mostrado con detalle con el objeto de evitar la confusión de la descripción.

Haciendo referencia ahora a la modalidad de ejemplo representada en la figura 3, un sistema SSR 14 está representado comprendiendo una pluralidad de cámaras de flotación subordinadas configuradas para aceptar ser instaladas a profundidades de aguas más profundas que los sistemas SSR conocidos con anterioridad. De acuerdo con una modalidad alternativa, el SSR 14 puede ser apilado con cámaras de flotación múltiples, como las ilustradas en las figuras 4A, 4B, 4C y 4D. Aunque en la figura 3 están ilustradas como una combinación del ensamble SSR inferior 10 y el ensamble superior SSR 12, las modalidades del sistema SSR general 14 pueden comprender cualquier número de ensambles SSR individuales.

En la modalidad representada en la figura 3, primero se despliega el ensamble SSR inferior 10. En un ejemplo, se despliega una embarcación diseñada especialmente, equipada en forma específica para desplegar las cámaras de flotación y los ensambles SSR. Después del despliegue, el ensamble SSR inferior 10 se une en comunicación mecánica con una cubierta de cabeza de pozo establecida cerca de la línea del fondo del mar. En una modalidad típica, la cubierta de cabeza de pozo ha sido establecida previamente dentro de un orificio de pozo realizado dentro de una superficie del lecho marino asociada.

En las modalidades adicionales, se une una o más cámaras de flotación intermedias 16 al ensamble SSR inferior 10, proporcionando de esta manera estabilidad incrementada en aguas profundas o turbulentas.

Dependiendo de las condiciones de operación, la cámara de flotación intermedia 16 puede comprender un diseño de contenedor cerrado, aunque en la mayoría de los casos comprenderá el diseño de fondo abierto por las razones descritas anteriormente, con el único requerimiento firme siendo que la cámara intermedia 16 debe, en cualquier caso, tener la capacidad de proporcionar el soporte requerido para controlar el ensamble SSR inferior 10 y el ensamble SSR superior 14.

En modalidades de ejemplo adicionales, la cámara de flotación intermedia 16 es interpuesta en comunicación mecánica con el equipo de perforación, producción y exploración conocido anteriormente o diseñado a medida. Por lo tanto, por ejemplo, las porciones superiores e inferiores de cualquier cámara de flotación intermedia pueden comprender uno o más de un bloqueador de estallido, un árbol de producción, o una cabeza de pozo que funciona de una manera similar a la cubierta de cabeza de pozo colocada cerca de la línea del fondo del fondo del océano. La unión del equipo de perforación, producción y exploración puede . lograrse utilizando cualquier técnica conocida o conexión hecha a medida y sujetando los miembros, por ejemplo, acopladores hidráulicos, ensambles de tuercas y tornillos diversos, uniones soldadas, adaptadores de presión (ya sea con o sin empaques), estampados, etc., sin alejarse del alcance de la presente invención.

En las modalidades adicionales, un ensamble SSR superior 12 es desplegado y está dispuesto en comunicación mecánica con una cabeza de pozo, un bloqueador de estallido, o árbol de producción (u otro de los elementos combinados del dispositivo diseñado a medida de uno o más de dichos dispositivos) instalado en la parte superior de una superficie superior de la cámara intermedia 16, o un elemento de conexión asociado con la misma. De acuerdo con otras modalidades de ejemplo, el procedimiento de instalación continúa hasta que se instala el número deseado de dichos ensambles en comunicación serial uno con el otro con el objeto de lograr un sistema SSR estable y eficiente 14, como el representado en las figuras 4A a 4D.

Con el objeto de estabilizar adicionalmente el sistema SSR 14, las modalidades de ejemplo pueden utilizar uniones de esfuerzo 22, como las representadas en la figura 3. Las uniones de esfuerzo 22 pueden comprender cualquier material conocido, por ejemplo, un material de plástico, hule o metal, aunque, en cualquier caso debe tener la capacidad de mantener la integridad estructural y estabilidad general del sistema SSR 14.

En consistencia con el sistema SSR de ejemplo 14 ilustrado en la figura 3, una pluralidad de cámaras de flotación superiores 18, 20 incluyen una cámara de fondo abierto 18 y una cámara tipo contenedor cerrada 20. En una modalidad de ejemplo, por lo menos una de dichas cámaras superiores -generalmente la de más arriba - comprenderá un diseño cerrado, mientras que otras en el sistema, incluyendo la cámara intermedia 16 comprenderán un diseño de fondo abierto. En otra modalidad de ejemplo, todas las cámaras en el sistema están ya sea abiertas o cerradas, y en modalidades todavía adicionales, las combinaciones de cámaras abierta y cerrada se emplean a través del sistema.

En algunas modalidades, las clamara de flotación de diseño de fondo abierto múltiple, se utilizan para facilitar el despliegue en aguas más profundas, en las cuales las presiones de fluido circundante son mayores. Otras modalidades utilizan una pluralidad de cámaras tipo contenedor cerrado dispuestas cerca de la parte superior del sistema SSR 14, mejorando de esta manera la estabilidad y equilibrio general del sistema. Dichas configuraciones también pueden ayudar a evitar la tendencia del sistema a inclinarse lejos de su eje vertical como resultado de las fuerzas laterales externas, tales como una contracorriente poderosa.

En modalidades todavía adicionales, una pluralidad de cámaras de flotación dispuestas en comunicación mecánica con el ensamble SSR superior 12, permiten que el sistema SSR general 14 mantenga la funcionalidad y estabilidad requeridas en profundidades y condiciones variables de agua, mejorando de esta manera su eficiencia y capacidad de operación.

Las modalidades de ejemplo adicionales comprenden una pluralidad de cámaras de flotación superiores dispuestas en comunicación mecánica con el equipo de perforación, producción y exploración conocido comúnmente. Por lo tanto, por ejemplo, las porciones superior e inferior de una cámara de flotación superior pueden comprender uno o más de un bloqueador de estallido, un árbol de producción o una cabeza de pozo diseñada para funcionar en una forma similar a la cubierta de cabeza de pozo colocada cerca de la línea del lecho oceánico.

En las modalidades adicionales, las cámaras de flotación utilizadas a través de todo el sistema, comprenden adicionalmente materiales de flotación auxiliares, tales como espuma sintáctica o micro-esferas de vidrio rellenas con aire que otorga flotación al sistema. La inyección de uno o más de estos materiales dentro de una cámara de fondo abierto ayudarán a evitar que la pérdida del fluido de flotación (por ejemplo gas, líquido, etc.) ocasione la inclinación, o si existe una grieta o falla de tubería, válvulas u otro equipo utilizado en conexión con la cámara de flotación.

En la modalidad de ejemplo ilustrada en la figura 4A, un despliegue de embarcación despliega un ensamble SSR inferior 40 al lecho marino en donde está dispuesto mecánicamente en comunicación con una cubierta de cabeza de pozo cerca de la línea del fondo del mar. La figura 4A, representa adicionalmente una cámara de flotación intermedia 41 , instalada en la parte superior del ensamble SSR 40. Las diversas modalidades de la cámara de flotación intermedia 41 , comprenden adicionalmente uno o más de los mecanismos de unión conocidos anteriormente o adaptadas a medida, tales como un bloqueador de estallido y un árbol de producción combinados, de manera que la cámara intermedia 41 es útil durante las operaciones con propósitos diferentes que la mera conexión con un ensamble SSR superior 42. En otras varias modalidades, una pluralidad de cámaras de flotación intermedias 41 son desplegadas y dispuestas mecánicamente en comunicación con un ensamble SSR instalado previamente u otra cámara de flotación intermedia (véanse, por ejemplo, las figuras 4B a 4D).

En la figura 4C, los ensambles SSR intermedios 42 y 44 son desplegados y dispuestos en comunicación mecánica con una cabeza de pozo fija en la parte superior de la cámara de flotación intermedia 41. En algunas modalidades de ejemplo, las cámaras de flotación intermedias adicionales 41 , 43, 45 sirven como componentes de soporte y conexión adicionales para los ensambles SSR intermedios. Dichas modalidades redundantes pueden lograr en lo sucesivo que las profundidades del sistema SSR desconocidas de más de 4,500 metros, con la adición de ensambles SSR intermedios múltiples.

En la modalidad de ejemplo representada en la figura 4D, un ensamble SSR final 46 es desplegado para completar el sistema SSR 50. La figura 4D, representa adicionalmente una modalidad que emplea una pluralidad de cámaras de flotación 47 en la parte superior del ensamble SSR 46 con el objeto de completar el sistema SSR general 50. Como se planteó anteriormente, las modalidades de la pluralidad de cámaras de flotación 47 pueden comprender una mezcla de diseños con fondo abierto y contenedor cerrado, o cualquier otra configuración que sea deseable por las condiciones de operación, incluyendo desde luego, la instalación de únicamente una cámara de flotación única.

La especificación anterior es provista únicamente con propósitos ilustrativos, y no pretende describir todos los aspectos posibles de la presente invención. Adicionalmente, aunque la presente invención ha sido mostrada y descrita en detalle con respeto a las diversas modalidades de ejemplo, aquellos expertos en la materia apreciarán que se pueden también realizar cambios menores a la descripción y varios otras modificaciones, omisiones y adiciones diversas sin alejarse del espíritu y alcance de la misma.

Claims (16)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un sistema de tubo de subida autónomo, adecuado para exploración y producción de petróleo y gas en aguas profundas, dicho sistema comprende: un ensamble de tubo de subida inferior dispuesto en comunicación con un accesorio de perforación de perforación de pozo primario; una o más cámaras de flotación intermedias dispuestas en comunicación con dicho ensamble de tubo de subida inferior y una o más porciones del ensamble de tubo de subida intermedio, en donde una o más de dichas cámaras de flotación comprenden adicionalmente una porción de fondo abierto; y un ensamble de tubo de subida superior dispuesto en comunicación con una o más cámaras de flotación superiores, en donde una o más de dichas cámaras de flotación superiores comprende adicionalmente una porción de fondo abierto.

2. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque cada una de dichas cámaras de flotación intermedias de fondo abierto comprende adicionalmente un balasto de fluido.

3. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto de gas.

4. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto de líquido.

5. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto que incluye tanto un líquido como un gas.

6. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto auxiliar que otorga una presión y densidad adicionales a dicho fluido.

7. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque dicho balasto auxiliar retarda el escape de fluido del interior de dichas cámaras de flotación intermedias de fondo abierto en el caso de que dichas cámaras se inclinen más allá de un ángulo crítico en relación con su eje vertical.

8. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque una o más de dichas cámaras de flotación intermedias comprende adicionalmente una porción con fondo cerrado.

9.- El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque una o más de dichas cámaras de flotación superiores comprende adicionalmente una porción de fondo cerrado.

10.- El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque cada una de dichas cámaras de flotación superiores con fondo abierto comprende adicionalmente un balasto de fluido.

11. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto de gas.

12. - El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto de líquido.

13.- El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto que incluye tanto a un líquido como a un gas.

14.- El sistema de tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho balasto de fluido comprende adicionalmente un balasto adicional que otorga una presión y densidad adicionales a dicho fluido.

15.- El tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicho balasto auxiliar retarda el escape de fluido del interior de dichas cámaras de flotación intermedias de fondo abierto en el caso de que dichas cámaras se inclinen más allá de un ángulo crítico en relación con su eje vertical.

16 - El tubo de subida autónomo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque una o más longitudes de dicho ensamble de tubo de subida inferior y dicho ensamble de tubo de subida superior comprenden adicionalmente una o más uniones de esfuerzo para absorber el esfuerzo acumulado dentro de dichas longitudes de dichos ensambles.