Estudio del comportamiento de ductos para transporte de petróleo en alta mar

Abstract

La extracción de petróleo en el mar tuvo inicio en 1889 en Luisiana y avanzó para el Golfo de México, en aguas con profundidades de hasta 60m. Las sucesivas crisis del petróleo iniciadas en 1973, bien como el rápido crecimiento de la demanda acompañado de la escasez de los pozos en tierra, posibilitaron las dificultades inherentes a la exploración en el mar, en profundidades cada vez mayores. En el Perú se comenzó a producir petróleo en el año de 1860 al norte del país, en la ciudad de Zorritos. Actualmente la región norte es el mayor polo de petróleo del país. Actualmente, el Perú posee una de las mayores reservas de gas natural a nivel mundial (Camisea). El yacimiento de gas natural de Camisea está localizado en la cuenca de Ucayali – Cuzco, fue descubierto en 1983 por la empresa Shell. En la actualidad, con inversiones de empresas privadas en el país, están siendo descubiertos nuevas áreas de producción de petróleo y gas, las cuales son económicamente viables de producir debido a las condiciones actuales de la economía mundial. Estas nuevas descubiertas están localizadas principalmente en campos de tierra firme (campos onshore). Algunas nuevas áreas estan siendo descubiertas campos en alta mar (campos offshore). Una importante área de gas localizada en el mar de Piura, bahía de Bayóvar, fue anunciada por la empresa Petro Tech, cuya capacidad de producción es estimada en 20 millones de pies cúbicos por día. Actualmente, la exploración de petróleo en el mar es una práctica común en el Golfo de México, Mar del Norte, costa de Brasil y África y en otras regiones del mundo. Teniendo sistemas operando en profundidades superiores de 2000 m. Entre los principales agentes que permitieron este desenvolvimiento tecnológico, están los ductos flexibles y rígidos, utilizados en la producción y transporte del petróleo y gas desde el pozo hasta la unidad flotante (embarcación, boya, etc.), en el anclaje y en el control electro-hidráulico de la operación (Lustrosa, 2000). La creciente demanda por operaciones de producción y transporte de petróleo y gas en profundidades cada vez mayores requiere la utilización de ductos rígidos y flexibles como solución a los complejos problemas de ingeniería submarina offshore (características naturales del ambiente oceánico) en el uso de plataformas semi-submersibles y de otros tipos. El sistema unidad flotante y ducto (flexible o rígido) son sometidos a cargas ambientales como corrientes marinas y ondas. Este, por presentar movimiento, provoca variaciones temporales de los esfuerzos en la estructura que compone el ducto, siendo susceptible a daños o fallas por fatiga y de otros tipos. En tales condiciones de operación, la demanda por innovaciones tecnológicas y soluciones de desafiadores problemas de ingeniería imponen una necesidad de grandes inversiones en investigación y formación calificada de recursos humanos en el país. Del punto de vista estructural los ductos (rígidos y flexibles) son componentes con la característica geométrica principal de poseer una de sus dimensiones, la longitud, típicamente con dos a cuatro órdenes de grandeza mayores que el diámetro, permitiendo clasificarlos como líneas, podiendose de esta forma, analizar los respectivos comportamientos dinámicos utilizándose un mismo modelo matemático. Esta pronunciada esbeltez resulta que los ductos presenten el comportamiento no linear geométrico correspondiente a la ocurrencia de grandes desplazamientos, con acoplamiento entre los esfuerzos axial e transversal (Mourelle, 1993). Con eso, los ductos de producción y transporte de petróleo y gas en alta mar deben ser proyectados especialmente para soportar grandes desplazamientos, en condiciones dinámicas de cargas y vinculación. Delante de esta realidad, el presente trabajo tiene el objetivo de explicar sobre las diferentes unidades de producción de petróleo y gas en alta mar utilizadas en la actualidad, asi como de los ductos (rígidos y flexibles) utilizados en conjunto con estos sistemas de producción. Se presenta una metodología numérica para el análisis estático y dinámico bidimensional del comportamiento de ductos de producción y transporte de petróleo y gas en condiciones ambientales de alta mar, en que el contacto del ducto con el suelo marino es considerado, empleándose el método de los elementos finitos. Estos ductos son conocidos como risers, los cuales según el método de construcción pueden ser de dos tipos: los ductos rígidos que consisten en una serie de tubos de acero unidos por medio de soldadura o conexiones mecánicas y los ductos flexibles que son constituidos por una serie de camadas superpuestas de diversos materiales. El modelo implementado no son considerados los efectos de las fuerzas de atrito con el fondo marino, cuja rigidez es considerada muy superior a la del cable. El problema de contacto es entonces tratado, similarmente, al de dos cuerpos en contacto unilateral, siendo uno de ellos considerado rígido. Utilizase aquí la representación propuesta en (Chaudary, 1985; Yau, 1982) donde permitese la interpenetración entre los cuerpos y un algoritmo iterativo de aplicación de esfuerzos restituye las superficies a manterse sobre una línea (superficie) común.