Sistemas de tensionado de riser

Qué hace un tensor de riser

En la parte superior del riser hay una junta telescópica. Su tubo interior cuelga de la unidad, bajo el piso de perforación, y se desliza dentro del tubo exterior, que forma la parte superior del riser. Los tensores se fijan al anillo tensor del tubo exterior y sostienen el riser desde allí (Figura 1). Cuando la unidad experimenta heave, el tubo interior se desliza y los tensores recorren su carrera, mientras el riser inferior permanece en su posición.

Cada tensor es un cilindro hidráulico que trabaja contra gas a alta presión. Cuando la unidad asciende, el tensor extiende su carrera, impulsa aceite hacia las botellas de gas y comprime el gas, de modo que la tensión aumenta un poco. Cuando la unidad desciende, el gas devuelve el aceite y la tensión disminuye un poco. El gas actúa como resorte y su volumen determina cuánto varía la tensión.

Cuánta tensión necesita un riser

El riser debe estar sometido a tracción en toda su longitud para evitar el pandeo. La tensión en su extremo superior también limita los ángulos en las juntas flexibles cuando hay corriente y cuando la unidad se desvía del pozo. API RP 16Q establece el mínimo mediante un balance en el anillo tensor, al que denomina anillo deslizante:

Aquí W_s es el peso sumergido del riser y B_n la sustentación neta de sus módulos de flotabilidad. Los factores f_{wt} \ge 1.05 y f_{bt} \le 0.96 representan la tolerancia del peso y la pérdida de flotabilidad por compresión y absorción de agua. A_i es el área interior del riser, incluidas las líneas de estrangulación, control del pozo y auxiliares, y d_m H_m y d_w H_w son las presiones de la columna de lodo interior y la columna de agua de mar exterior en la base del riser.

Los tensores deben aportar más que ese valor, porque algunos pueden fallar al mismo tiempo y se pierde una parte de la fuerza antes de llegar al anillo:

con N líneas o cilindros tensores, n de ellos que pueden fallar repentinamente, y R_f, normalmente entre 0.90 y 0.95, para tener en cuenta el ángulo de desviación del cable respecto a la vertical y la fricción.

Ejemplo resuelto: un riser de 1,500 m

1. Datos de entrada. Cifras redondeadas e ilustrativas: 1,500 m de riser con un peso sumergido de 900 t y una fuerza de flotabilidad de 800 t, y A_i = 0.22\ \text{m}^2 para el conducto interior y sus líneas. El lodo tiene una densidad de 1.50 SG frente a 1.025 para el agua de mar; se consideran columnas de 1,500 m en ambos casos. Hay doce líneas tensoras, de las que una unidad doble (dos líneas) puede fallar repentinamente, y R_f = 0.95.
2. En el anillo tensor. En toneladas, con las densidades en t/m³, el término del peso es 900 \cdot 1.05 = 945, el término de flotabilidad es 800 \cdot 0.96 = 768 y el término del lodo es 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, por lo que
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. Ajuste del tensor.
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   Eso equivale a unas 4.1 MN, o 930 kips.

La flotabilidad sostiene la mayor parte del acero, y los factores de tolerancia por sí solos añaden unas 80 t: 5 % sobre 900 t y una reducción del 4 % de 800 t. La profundidad del agua y la densidad del lodo determinan el resto. El mismo riser a 3,000 m de profundidad, con lodo de 1.8 SG, necesita unas 1,100 t. Las unidades de perforación en aguas profundas disponen de una capacidad de tensionado de unas 1,400 a 1,800 t para cubrir ese mínimo, el aumento de tensión a lo largo de la carrera y la tensión adicional exigida por la corriente y el desplazamiento respecto al pozo.

Un cálculo real toma los pesos de las fichas técnicas de las secciones del riser y comprueba la tensión efectiva a lo largo de todo él, no solo en la parte superior. También hay un límite superior de tensión impuesto por el riser, la junta telescópica, el anillo tensor, el cabezal del pozo y el conductor.

Carrera y volumen de gas

La carrera debe cubrir el heave de la unidad en el riser, el descenso relativo cuando la unidad se desvía del pozo, la marea y el alargamiento del propio riser, con margen en ambos extremos para que el tensor nunca llegue al tope. Las unidades de aguas profundas tienen unos 15 m (50 ft) de recorrido.

La variación de tensión a lo largo de esa carrera depende del gas. Con un volumen de gas V_0 a mitad de carrera y un área de pistón A, un desplazamiento x desde la mitad de carrera que comprime el gas produce

donde \kappa varía entre 1.0 para una compresión isotérmica lenta y alrededor de 1.4 para una compresión adiabática rápida de un gas ideal. A las presiones de trabajo de 100 a 200 bar de un tensor, el nitrógeno real es aún más rígido, por lo que las carreras rápidas requieren más gas. Cuanto mayor sea el volumen de gas respecto al volumen desplazado durante la carrera, más plana será la curva (Figura 2). Para mantener la tensión dentro de ±5 % durante toda la carrera, por ejemplo, se necesita un volumen de gas unas 14 veces mayor que el volumen desplazado; por eso los sistemas tensores incorporan baterías de grandes botellas de gas.

El mismo resorte de gas confiere al riser y sus tensores un período natural vertical que se compara con los períodos de ola de la operación. Esto importa especialmente cuando el riser está desconectado y cuelga de los tensores sin sujeción en el extremo inferior.

Tensores por cable y de acción directa

Cables de los tensores

En un sistema por cable, este es el elemento que se desgasta. Las unidades actuales trabajan con líneas de hasta unas 250 kips cada una. Cada ciclo de ola flexiona los mismos metros de cable sobre las poleas, y el aire salino lo corroe; por eso las unidades desplazan el cable periódicamente para repartir el desgaste (deslizamiento y corte), lo inspeccionan y lo sustituyen al final de su vida útil. El cable se especifica conforme a API Spec 9A, y su cuidado y uso siguen API RP 9B. Las poleas guía se colocan para reducir el ángulo de desviación del cable, lo que permite dedicar una mayor parte de la tensión del cable a elevar el riser y prolonga su vida útil.

Risers de producción

Los risers de producción tensados desde arriba en plataformas de patas tensadas y tipo spar se sostienen del mismo modo, mediante tensores hidroneumáticos o, en algunas plataformas tipo spar, mediante flotadores. En ese caso, la tensión se ajusta para toda la vida del campo, en vez de para una campaña de perforación.

Casos de diseño que debe cubrir el tensor

1. Fallo de un tensor. El factor N/(N – n) hace que los tensores restantes mantengan la tensión mínima si falla uno o, según la configuración del sistema, una unidad doble. En un sistema de acción directa, un cilindro averiado también puede tirar hacia abajo del anillo tensor, y esa carga se añade al mínimo.
2. Retroceso tras una desconexión de emergencia. Cuando el conjunto inferior del riser marino (LMRP) se desconecta del BOP en una emergencia, los tensores siguen tirando con cientos de toneladas de un riser que ha perdido su conexión inferior, y el lodo empieza a salir de él. La tensión debe elevar el LMRP hasta separarlo del BOP sin que vuelva a caer sobre el conjunto, pero el riser no debe salir disparado hacia la unidad, destensar los cables de los tensores ni colapsar la junta telescópica. Un sistema antirretroceso restringe el caudal entre las botellas de gas y los cilindros, y un análisis del retroceso establece la tensión y los ajustes antirretroceso para cada densidad de lodo.
3. Margen de carrera. El heave, el descenso relativo, la marea y el alargamiento deben quedar dentro de la carrera, con margen en ambos extremos, en todos los estados de mar en que la unidad permanezca conectada. Si la unidad pierde su posición, la carrera restante es uno de los límites que determinan con cuánta antelación debe iniciarse la desconexión.
4. Límite superior de tensión. Un lodo pesado eleva el mínimo hacia el límite que pueden soportar el riser, el anillo tensor, el cabezal del pozo y los propios tensores; el aumento de tensión durante la carrera también debe mantenerse por debajo de ese límite.

Tensionado de respaldo y SIRIUS

Un tensor puede quedar fuera de servicio por el fallo de una junta, un cambio de cable o tareas de mantenimiento. Con una unidad fuera de servicio, las demás soportan su parte de la carga y se reduce el margen para el siguiente fallo, lo que puede obligar a usar un lodo menos denso o a restringir los límites operativos hasta que la unidad vuelva a funcionar. Un tensor de respaldo asume la parte de carga de la unidad indisponible mientras se restablece la principal.

Como referencia de escala, un respaldo que sustituye a una unidad doble por cable soporta unas 230 t, la carga de dos líneas de 250-kip.

SIRIUS, nuestra familia de tensores de uso general en desarrollo, puede servir como ese respaldo: unidades de superficie con amortiguación de ajuste manual, previstas para cargas de 5 a 5,000 t y carreras de 1 a 12 m, destinadas al tensionado de respaldo de risers, el reacondicionamiento de pozos y otras aplicaciones de tensión constante. La tecnología detrás de SIRIUS no es nueva: nuestro equipo ya ha entregado tensores de carrera larga, incluido un tensor de perforación de 500 t con 8 m de carrera.

Los tensores de riser y los compensadores de heave para izado son máquinas del mismo tipo: un cilindro que trabaja contra un resorte de gas, aunque se evalúan de forma distinta. En un tensor se evalúa la constancia de la tensión durante la carrera y su funcionamiento se prolonga durante semanas. En un compensador de izado se evalúa cuánto movimiento de la unidad llega a la carga durante una maniobra de izado. Para la compensación en una sarta de reacondicionamiento o en tubería flexible suspendida de una grúa, consulte compensación de heave para tubería flexible.