Sistemas de tensionamento de riser

O que faz um tensionador de riser

O topo do riser tem uma junta telescópica. Seu tubo interno fica suspenso na sonda, sob o piso de perfuração, e desliza dentro do tubo externo, que forma o topo do riser. Os tensionadores se prendem ao anel de tensionamento no tubo externo e sustentam o riser por esse ponto (Figura 1). À medida que a sonda se move em heave, o tubo interno desliza e os tensionadores percorrem seu curso, enquanto o riser abaixo permanece na posição.

Cada tensionador é um cilindro hidráulico que trabalha contra gás de alta pressão. Quando a sonda sobe, o tensionador avança no curso, empurra óleo para as garrafas de gás e comprime o gás, elevando um pouco a tração. Quando a sonda desce, o gás empurra o óleo de volta e a tração cai um pouco. O gás funciona como mola, e seu volume determina quanto a tração varia.

Quanta tração um riser exige

O riser precisa permanecer tracionado em todo o seu comprimento para evitar flambagem. A tração no topo também mantém pequenos os ângulos nas juntas flexíveis sob correnteza e quando a sonda se afasta do poço. A API RP 16Q define o mínimo por um balanço no anel de tensionamento, chamado de anel deslizante na norma:

Aqui W_s é o peso submerso do riser e B_n o empuxo líquido de seus módulos de flutuabilidade. Os fatores f_{wt} \ge 1.05 e f_{bt} \le 0.96 consideram a tolerância de peso e a perda de flutuabilidade por compressão e absorção de água. A_i é a área interna do riser, incluindo as linhas de choke, kill e auxiliares, e d_m H_m e d_w H_w são as pressões da coluna de lama interna e da coluna de água do mar externa na base do riser.

Os tensionadores precisam fornecer mais do que isso, pois alguns podem falhar ao mesmo tempo e há pequenas perdas na transmissão da força até o anel:

com N cabos ou cilindros tensionadores, n que podem falhar repentinamente, e R_f, geralmente de 0.90 a 0.95, para o ângulo de desvio do cabo em relação à vertical e o atrito.

Exemplo de cálculo: um riser de 1,500 m

1. Dados de entrada. Valores arredondados para ilustração: 1,500 m de riser com peso submerso de 900 t e empuxo de 800 t, e A_i = 0.22\ \text{m}^2 para a seção interna e suas linhas. A lama tem 1.50 SG, contra 1.025 para a água do mar, e ambas as colunas são consideradas com 1,500 m. Há doze cabos tensionadores, dos quais uma unidade dupla (dois cabos) pode falhar repentinamente, e R_f = 0.95.
2. No anel de tensionamento. Em toneladas, com densidades em t/m³, o termo do peso é 900 \cdot 1.05 = 945, o termo do empuxo é 800 \cdot 0.96 = 768 e o termo da lama é 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, portanto
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. A regulagem do tensionador.
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   Isso equivale a cerca de 4.1 MN ou 930 kips.

O empuxo sustenta a maior parte do aço, e só os fatores de tolerância acrescentam cerca de 80 t: 5 % sobre 900 t e 4 % de redução sobre 800 t. A profundidade da água e a densidade da lama determinam o restante. O mesmo riser em 3,000 m de lâmina d’água, com lama de 1.8 SG, precisa de cerca de 1,100 t. Unidades de perfuração em águas profundas têm capacidade de tensionamento de cerca de 1,400 a 1,800 t para cobrir esse mínimo, o aumento da tração ao longo do curso e a tração adicional exigida pela correnteza e pelo afastamento da sonda.

Na composição real da coluna, usam-se os pesos das fichas técnicas dos trechos do riser e verifica-se a tração efetiva ao longo de todo o riser, não apenas no topo. O limite superior da faixa também depende do riser, da junta telescópica e do anel de tensionamento, além da cabeça do poço e do tubo condutor.

Curso e volume de gás

O curso precisa acomodar o heave da sonda no riser, o deslocamento vertical quando a sonda se afasta do poço, a maré e o alongamento do próprio riser, com margem nas duas extremidades para que o tensionador nunca chegue ao fim de curso. Unidades de águas profundas têm cerca de 15 m (50 ft) de deslocamento.

A variação da tração ao longo desse curso depende do gás. Com um volume de gás V_0 na metade do curso e uma área de pistão A, um deslocamento x a partir da metade do curso que comprime o gás resulta em

em que \kappa varia de 1.0 para compressão lenta e isotérmica até cerca de 1.4 para compressão rápida e adiabática de um gás ideal. Nas pressões de operação de um tensionador, de 100 a 200 bar, o nitrogênio real é ainda mais rígido, de modo que cursos rápidos exigem mais gás. Quanto maior o volume de gás em relação ao volume deslocado pelo curso, mais plana a curva (Figura 2). Para manter a tração dentro de ±5 % ao longo do curso completo, por exemplo, é necessário um volume de gás cerca de 14 vezes o volume deslocado. Por isso, os sistemas de tensionamento têm conjuntos de grandes garrafas de gás.

A mesma mola a gás confere ao riser e a seus tensionadores um período natural vertical, que é comparado aos períodos das ondas durante a operação. Isso é mais importante quando o riser está desconectado e suspenso pelos tensionadores, sem apoio na extremidade inferior.

Tensionadores com cabos e de ação direta

Cabos dos tensionadores

Em sistemas com cabos, são eles que se desgastam. As unidades atuais usam cabos com capacidade de até cerca de 250 kips cada. A cada ciclo de onda, os mesmos poucos metros de cabo se dobram sobre as polias, e o ar salino causa corrosão. Por isso, as sondas deslocam e cortam o cabo periodicamente para distribuir o desgaste, inspecionam-no e o substituem ao fim da vida útil. O cabo é especificado conforme API Spec 9A, e seus cuidados e uso seguem a API RP 9B. As polias de desvio são posicionadas para manter pequeno o ângulo de desvio do cabo, direcionando uma parcela maior da tração do cabo à sustentação do riser e aumentando sua vida útil.

Risers de produção

Risers de produção tensionados no topo em plataformas de pernas tracionadas e plataformas do tipo spar são sustentados da mesma forma, por tensionadores hidropneumáticos ou, em algumas plataformas spar, por flutuadores. Nesses casos, a tração é definida para a vida útil do campo, e não para uma campanha de perfuração.

Casos de projeto que o tensionador deve atender

1. Falha de um tensionador. O fator N/(N – n) faz com que os tensionadores restantes mantenham a tração mínima se houver falha de um tensionador ou de uma unidade dupla, conforme a divisão do sistema. Em um sistema de ação direta, um cilindro com falha também pode puxar o anel de tensionamento para baixo, e essa carga é somada ao mínimo.
2. Recuo após uma desconexão de emergência. Quando o conjunto inferior do riser marítimo (LMRP) se desconecta do BOP em uma emergência, os tensionadores ainda puxam com centenas de toneladas um riser que perdeu sua conexão inferior, enquanto a lama começa a escoar. A tração precisa elevar o LMRP e afastá-lo do BOP sem que ele caia de volta sobre o conjunto, mas o riser não pode subir bruscamente até a sonda, deixar frouxos os cabos dos tensionadores nem provocar o colapso da junta telescópica. Um sistema antirrecuo restringe o fluxo entre as garrafas de gás e os cilindros, e uma análise de recuo define a tração e os ajustes antirrecuo para cada densidade de lama.
3. Margem de curso. O heave, o deslocamento vertical por afastamento da sonda, a maré e o alongamento devem caber no curso, com margem nas duas extremidades, em todos os estados de mar nos quais a sonda permanece conectada. Se a sonda perder posição, o curso restante é um dos fatores que determinam quando a desconexão deve começar.
4. Limite superior de tração. Lama pesada eleva a tração mínima em direção aos limites suportados pelo riser, pelo anel de tensionamento, pela cabeça do poço e pelos próprios tensionadores. O aumento da tração ao longo do curso também deve permanecer abaixo desse limite.

Tensionamento de reserva e SIRIUS

Um tensionador pode sair de serviço por falha de vedação, troca de cabo ou manutenção. Com uma unidade fora de serviço, as demais assumem sua parcela da carga, e a margem para uma nova falha diminui. Isso pode exigir lama menos densa ou limites operacionais mais restritos até o retorno da unidade. Um tensionador de reserva assume a parcela da unidade indisponível enquanto a principal é restabelecida.

Como referência de escala, um tensionador de reserva que substitua uma unidade dupla com cabos suporta cerca de 230 t, a carga de dois cabos de 250-kip.

SIRIUS, nossa família de tensionadores de uso geral em desenvolvimento, pode exercer essa função: unidades de superfície com amortecimento ajustado manualmente, planejadas para 5 a 5,000 t e curso de 1 a 12 m, destinadas ao tensionamento de riser de reserva, à intervenção em poços e a outras aplicações de tração constante. A tecnologia por trás de SIRIUS não é nova: nossa equipe já forneceu tensionadores de curso longo, inclusive um tensionador de perfuração de 500 t com curso de 8 m.

Tensionadores de riser e compensadores de heave para içamento são o mesmo tipo de equipamento: um cilindro que trabalha contra uma mola a gás, mas são avaliados por critérios diferentes. Um tensionador é avaliado pela constância da tração ao longo do curso e opera por semanas. Um compensador para içamento é avaliado por quanto do movimento da embarcação chega à carga durante uma operação de içamento. Para compensação em uma coluna de intervenção ou em uma operação com tubo flexível contínuo a partir de uma grua, consulte compensação de heave para tubo flexível contínuo.