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2 Sistemas de Produo Offshore

2.1. Introduo

O conjunto de equipamentos utilizados para a prospeco e explorao marinha de petrleo conhecido como Sistema Offshore e compreende basicamente quatro grupos: o casco, as linhas, os equipamentos submarinos e os poos [1].

Com o avano da explorao e produo de petrleo em guas profundas, o uso de unidades flutuantes torna-se cada vez mais freqente e seu posicionamento numa determinada rea durante algum tipo de operao passa a ser garantido por meio da utilizao de estruturas esbeltas chamadas linhas de ancoragem. A ancoragem pode ter uma composio homognea ou heterognea (mais usada em guas profundas, visando minimizar o peso suspenso), sendo comumente formada por amarras, cabos de ao e/ou cabos sintticos (por exemplo, de polister).

Neste captulo, so apresentados, de forma sucinta, os principais componentes dos sistemas de ancoragem e algumas configuraes possveis de linhas para a utilizao na ancoragem de estruturas offshore.

2.2. Casco

Com a descoberta de novos poos e reservatrios de petrleo em profundidades cada vez mais elevadas, foi necessria a utilizao de novas unidades de produo, denominadas unidades flutuantes, as quais podem ser classificadas em plataformas semi-submersveis, navios (FPSO), pernas atirantadas (TLP Tension Leg Press) e SPAR [1].

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Sistemas de Produo Offshore 17

2.2.1. Plataforma Semi-submersvel

As plataformas semi-submersveis (Figura 2.1), compostas por estruturas flutuantes, so largamente empregadas na produo e perfurao. Consistem de um casco compartilhado e composto por flutuadores e colunas. Os flutuadores, tambm conhecidos como pontoons, apiam as colunas, tambm chamadas de pernas, e que por sua vez sustentam os conveses.

Uma das principais desvantagens deste tipo de plataforma o fato de no serem adequadas para o armazenamento do leo produzido durante o processo de explorao, necessitando assim de meios para a exportao do leo [1].

Figura 2.1 Plataforma semi-submersvel [1].

2.2.2. Navios

Diferentemente das plataformas semi-submersveis, os navios (Figura 2.2) so capazes de armazenar o leo produzido durante o processo de explorao. Tambm conhecidos como unidades de produo ou pelo termo FPSO (Floating Production, Storage and Offloading Vessel), os navios so muitas vezes utilizados como suporte de outras unidades (plataformas) para armazenar e transportar o leo; neste caso adquire o nome de FSO (Floating Storage and Offloading Vessel) [1].



Figura 2.2 Navio FPSO [1].

2.2.3. TLP Tension Leg Platform

A TLP (Figura 2.3) consiste em uma estrutura com um casco semelhante ao da plataforma semi-submersvel. Quando comparada com outros cascos, a TLP apresenta movimentos menores, o que possibilita que a completao dos poos seja do tipo seca, ou seja, o controle e a interveno nos poos so feitos na plataforma e no no fundo do mar, o que representa uma diminuio nos custos de instalao e produo dos poos [1].

Figura 2.3 Unidade TLP [1].



2.2.4. SPAR

O SPAR consiste em um nico cilindro vertical de ao, de grande dimetro, ancorado, que opera com um calado de profundidade constante de cerca de 200 metros, o que gera pequenos movimentos verticais e, portanto, possibilita o uso de risers rgidos de produo [1].

2.3. Linhas de Ancoragem

As linhas de ancoragem so estruturas esbeltas dispostas em catenria, taut-leg ou tendes. Sua principal funo fornecer as foras de restaurao que mantm em posio as unidades flutuantes.

Os materiais mais utilizados na construo das linhas de ancoragem so amarras de ao, cabos de ao e, mais recentemente, cabos de polister [1]. As amarras so utilizadas geralmente nos trechos iniciais e finais das linhas, j que este material mais resistente ao atrito com o fundo do mar e com os guinchos das unidades flutuantes.

2.3.1. Amarras

De acordo com Albrecht [1], os tipos de amarras mais utilizados na ancoragem de unidades flutuantes so os que possuem elos com malhete. So diversos os tipos de elo que existem para unir duas partes de corrente, dos quais o mais usado o Kenter. Uma das principais desvantagens destes elementos de unio que, apesar de possurem uma carga de ruptura igual, e em certas ocasies superior, de uma corrente da mesma dimenso, a durabilidade fadiga sensivelmente menor. por isto que o nmero de elos de ligao utilizado nas linhas de ancoragem deve ser mnimo.

2.3.2. Cabos de Ao

So vrios os tipos de cabos de ao utilizados na ancoragem de unidades flutuantes, sendo os principais os six strand e os spiral strand. Os primeiros, por apresentarem um fcil manuseio, so empregados com maior freqncia em



unidades de perfurao. No entanto, os segundos possuem alta resistncia e durabilidade, sendo mais comumente utilizados em unidades de produo.

Devido corroso da trana metlica, o cabos apresentam uma vida til inferior das amarras, mas este problema pode ser contornado com a utilizao de cabos galvanizados. Com relao resistncia dos arames que formam o cabo, so utilizados normalmente os tipos IPS (Improved Plow Steel) e EIPS (Extra Improved Plow Steel) [1]. Os cabos com este ltimo tipo de arame so mais resistentes trao e, portanto, mais recomendados nos sistemas de unidades flutuantes. A Figura 2.4 ilustra os tipos de cabos de ao mais utilizados nos sistemas de ancoragem.

(a) Six Strand Rope (b) Spiral Strand (c) Multi Strand Figura 2.4 Cabos de ao [1]

2.3.3. Cabos de Polister

Geralmente, so classificados como cabos todos os cabos sintticos e, como cordas, todos os cabos e cordas feitos de qualquer tipo de fibra [1]. As fibras mais utilizadas para a fabricao dos cabos so: polietileno, sisal, poliamida (comercialmente conhecida como nylon), polipropileno, poliaramida (com grande mdulo elasticidade), HMPE (High Modulus Polyethylene) e polister. Este ltimo muito utilizado em sistemas de ancoragem, esperando-se que atinja uma vida til de at 20 anos. A Figura 2.5 mostra um tpico cabo de polister utilizado em ancoragens de unidades flutuantes.



Figura 2.5 Cabo de polister [1].

2.4. Tipos de Ancoragem

Os tipos de ancoragem mais utilizados nas operaes de explorao de petrleo por estruturas offshore so descritos nas sub-sees seguintes [4].

2.4.1. Ancoragem em Catenria

A ancoragem em catenria a tcnica convencional utilizada em operaes de produo ou perfurao, com a vantagem de possibilitar maiores passeios da embarcao sem a necessidade de ncoras com elevado poder de garra. O fato de possuir um raio de ancoragem razoavelmente grande (superior a 1000 metros) e o prprio atrito do trecho de linha encostado no fundo so responsveis por absorver as solicitaes do carregamento ambiental, aliviando os esforos nas ncoras, em condies normais de operao. Sua principal desvantagem o congestionamento com as linhas de unidades prximas, que interfere diretamente no posicionamento das unidades, alm da interferncia de linhas com equipamentos submarinos.

2.4.2. Ancoragem em Taut-Leg

Para contornar as desvantagens do sistema em catenria utiliza-se a ancoragem em taut-leg. Neste sistema, a linha se encontra mais tensionada, com um ngulo de topo de aproximadamente 45 com a vertical, tendo assim uma projeo horizontal menor, para uma mesma ordem de grandeza da lmina dgua (Figura 2.6). Este tipo de ancoragem proporciona maior rigidez ao sistema, sendo o passeio da embarcao limitado a offsets menores. Neste



caso, as ncoras a serem utilizadas precisam resistir a valores elevados de cargas verticais. A ancoragem taut-leg geralmente utilizada em sistemas localizados em regies de grandes profundidades.

Figura 2.6 Ancoragem em catenria x Ancoragem taut-leg [1].

2.4.3. Ancoragem Vertical

baseada na utilizao de tendes verticais, que precisam estar sempre tracionados devido ao excesso de empuxo proveniente da parte submersa da embarcao. Trata-se da ancoragem usada principalmente em plataformas TLP (Tension Leg Platform), mas que tambm pode ser adotada por bias e monobias, dentre outras. Os tendes podem ser de cabo de ao ou de material sinttico, proporcionando uma elevada rigidez no plano vertical e baixa rigidez no plano horizontal. A fora de restaurao no plano horizontal fornecida pela componente horizontal da fora de trao nos tendes. Para tendes de pequenos dimetros (d 0.25 m) os efeitos de flexo podem ser desprezados, enquanto que, para grandes dimetros (d 1.00 m), tais efeitos devem ser considerados. A Figura 2.7 ilustra este tipo de ancoragem.



Figura 2.7 Ancoragem Vertical TLP [1].

2.5. Risers

Os risers so tubulaes verticais, geralmente dispostos em configuraes de catenria, utilizados para transportar o leo ou o gs do fundo do mar at a superfcie. Podendo ser flexveis, compostos por camadas de plstico e ao, ou rgidos, compostos de ao, os risers tambm so usados para injetar a gua necessria para estimular o poo durante o processo de explorao [1]

A Figura 2.8 ilustra os dois tipos bsicos de risers utilizados no processo de explorao de petrleo.

(a) Riser Flexvel (b) Riser Rgido Figura 2.8 Exemplos de Risers: (a) Flexvel e (b) Rgido [1].



2.6. Sistemas de Ancoragem

Uma vez que o sistema de ancoragem se encontra sob a ao do carregamento ambiental, normal que a unidade sofra um passeio ou deslocamento, o qual corresponde distncia horizontal que a unidade percorre desde sua posio inicial de equilbrio neutro at a posio final de equilbrio sob a ao das cargas [1]. O passeio medido como um percentual da lmina dgua.

Uma medida da eficincia do sistema de ancoragem a magnitude do deslocamento da unidade flutuante. O passeio inversamente proporcional rigidez do sistema de ancoragem; assim, quanto mais alta a rigidez menor ser o passeio, porm o tipo de material utilizado para construir as linhas de ancoragem determinar o limite superior da rigidez do sistema. importante salientar que, ao se aumentar a rigidez do sistema, esto se aumentando as tenses aplicadas s linhas e, portanto, as tenses internas, as quais devem respeitar certos limites de segurana [1].

Para um conjunto de dados ambientais (ventos, ondas e correntes) necessrio estabelecer as correspondncias entre eles e suas probabilidades de ocorrncia. De acordo com Albrecht [1], so duas as condies ambientais tipicamente aplicadas em projetos de ancoragem: condio mxima de projeto e condio mxima de operao.

A condio mxima de projeto a condio extrema que o sistema deve suportar sem danos e definida como uma combinao de ventos, ondas e correntes para a qual o sistema deve ser projetado. Para isto necessrio definir o tipo de ancoragem que ser utilizado, dependendo do tempo que o sistema permanecer em operao. Isto , podem ser utilizadas ancoragens permanentes ou provisrias a primeira delas considera um perodo de 100 anos para a recorrncia de um evento, ou seja, o sistema deve ser projetado para um carregamento ambiental que poder ocorrer uma vez a cada 100 anos. J a ancoragem provisria utilizada em sistemas que permanecero em operao por um perodo inferior a 5 anos em uma locao.

A condio mxima de operao a combinao mxima de condies ambientais (ventos, ondas e correntes) sob a qual o sistema dever operar, seja em atividades de produo ou perfurao.

A seguir, trs diferentes sistemas de ancoragem utilizados em estruturas flutuantes sero apresentados: ancoragem com ponto nico SPM (Single Point



Mooring), amarrao com quadro de ancoragem SM (Spread Mooring) e ancoragem com posicionamento dinmico DP (Dynamic Position).

2.6.1. Ancoragem com Ponto nico

A ancoragem SPM mais freqentemente utilizada por navios petroleiros convertidos em FSOs (Floating Storage and Offloading Units) ou FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading Units). Ela permite que a embarcao se alinhe com o carregamento ambiental, minimizando as foras sobre o casco. Como exemplos, temos: ancoragem com turret, CALM (Catenary Anchor Leg Mooring) e SALM (Single Anchor Leg Mooring).

No sistema de ancoragem com turret, todas as linhas de ancoragem e risers so presos no turret que, essencialmente, faz parte da estrutura a ser ancorada. O turret permite que a embarcao gire livremente em torno das linhas e pode ser montado interna ou externamente embarcao. (Figura 2.9).

Figura 2.9 Turret externo [1].

O sistema CALM (Figura 2.10) consiste em uma bia de grandes dimenses que suporta um determinado nmero de linhas de ancoragem em catenria. Os risers so presos na parte inferior da bia e utilizam um cabo sinttico para fazer a amarrao entre a bia e o navio. Uma desvantagem deste sistema a limitao de sua capacidade de resistir s condies ambientais quando a reao da bia razoavelmente diferente da resposta do navio sob



influncia das ondas. Assim, quando as condies do mar atingem uma certa magnitude, torna-se necessrio desconectar o navio.

Figura 2.10 Ancoragem tipo CALM com hawser [1].

O sistema SALM utiliza um riser vertical que tem uma elevada capacidade de flutuao prximo superfcie e, algumas vezes, na superfcie, mantido por um riser pr-tensionado. O sistema basicamente emprega um riser articulado com uma forquilha rgida de acoplamento (Figura 2.11).

Figura 2.11 SALM com riser e yoke [1].



2.6.2. Amarrao com Quadro de Ancoragem (SM)

Este tipo de amarrao mais freqentemente utilizada por plataformas semi-submersveis em operaes de perfurao e produo. Suas linhas de ancoragem se encontram distribudas em torno da embarcao (Figura 2.12), tornando-a capaz de resistir a carregamentos ambientais. Assim, a unidade flutuante poder resistir s cargas ambientais independentemente das direes de atuao.

Figura 2.12 Plataforma semi-submersvel com amarrao de quadro de ancoragem [1].

Uma concepo recente de ancoragem para navios consiste na adoo de linhas distribudas, como no caso das plataformas semi-submersveis, apesar de navios sofrerem maior influncia em relao s direes dos carregamentos. Este sistema conhecido como DICAS (Differentiated Compliance Anchoring System) [5] e fornece um alinhamento parcial com a pior direo do carregamento ambiental.

O sistema DICAS, desenvolvido pela Petrobras para produo e armazenamento em rea offshore brasileira, consiste em um conjunto de linhas



de ancoragem com conexes na proa e na popa do navio [5]. A localizao das linhas do sistema de ancoragem DICAS proporciona a existncia de diferentes nveis de rigidez na popa e na proa do navio. Tal diferena de rigidez obtida por meio de uma variao nas pr-tenses das linhas, o que permite ao navio adquirir uma configurao (aproamento) adequada s caractersticas ambientais. Diferentes nveis de pr-tenses das linhas iro conduzir a diferentes ngulos crticos de incidncia, resultando num melhor posicionamento do navio em relao s mais freqentes direes de incidncia das condies ambientais. A Figura 2.13 mostra uma vista 3D de um sistema DICAS.

Figura 2.13 Vista 3D de um sistema DICAS [1].

2.6.3. Ancoragem com Posicionamento Dinmico

O sistema DP (Dynamic Position) pode ser utilizado de forma isolada ou como auxlio para um sistema j ancorado. Trata-se de um tipo de ancoragem utilizado em atividades de perfurao e interveno em poos de petrleo. As unidades DP (Figura 2.14) podem ser constitudas de navios ou plataformas semi-submersveis que mantm sua posio com o auxlio de um conjunto de propulsores. Quando tais unidades operam muito prximas a outras j ancoradas, pode-se fazer necessria a utilizao de ncoras de segurana, para o caso de sofrerem alguma falha na gerao de energia para os propulsores.



Figura 2.14 Sistema de ancoragem DP [1].


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