Estudio del comportamiento de un sistema flotante de producción de petróleo en alta mar

Abstract

La organización de esta tesis por capitulo es mostrada de la siguiente manera: Capítulo 1.- Introducción Capítulo 2.- En el este capítulo se muestra mediante una tabla a los principales países exportadores de petróleo a nivel mundial, destacando la importancia que tiene la OPEP que es un organismo de países productores de petróleo y que regulan el precio del crudo a nivel internacional, se muestra también al Perú dentro del contexto latinoamericano sobre cuanto se estiman sus reservas así como también se muestran las principales cuencas de petróleo y gas en Latinoamérica. Las principales empresas que están invirtiendo en el Perú. En este capítulo también se muestran, de forma general, las principales Unidades Estacionarias de Producción que son usadas tanto en la perforación como en la producción de crudo, estas plataformas trabajan en distintas condiciones ambientales llámese alta corriente marina, olas de grandes alturas o láminas de aguas pequeña, mediana, profunda y ultra profundas. Por último se presentan las diferentes configuraciones de un ducto o línea de producción las cuales pueden ser configuraciones de forma vertical, en catenaria y complejas. Capítulo 3.- En este capítulo se presenta el comportamiento estático de un sistema llamado RAS (riser Auto-sustentable) la cual el ducto se presenta en una configuración vertical unido a una boya. Como parte del comportamiento estático en este trabajo fueron hechos cálculos numéricos y analíticos, partiendo de un elemento de riser sometido a diversos cargamentos estáticos internos y externos actuando sobre éste. (Patel, 1989), pueden ser destacados dentro de estas fuerzas la fuerza de arrastre debido a la corriente, las presiones debido al fluido interno y externo, así como las tracción en las pared del riser y los esfuerzos debido al cizallamiento y la flexión. Partiendo de las condiciones de contorno obtenidas de la bibliografía (Lu, P., 2001), se obtuvieron los coeficientes de solución en la parte analítica del comportamiento estático. La solución numérica del comportamiento estático considera la formulación flaca del método de Galerkin (Paz, 1991) la cual es usada para la solución de la ecuación diferencial estática. En esta solución el riser es dividido en elementos, donde casa elemento presenta dos nodos en sus extremos, los cuales tienen 3 grados de libertad. Estos grados de libertad son descritos por dos desplazamientos laterales y una rotación dando forma a la matriz de rigidez del elemento. A través de la composición de matrices de rigidez de cada elemento será obtenida la matriz de rigidez global del riser considerando sus componentes de rigidez elástica y geométrica. Se presenta en este capítulo el estudio numérico y analítico de vibración libre utilizando la metodología presentada en la bibliografía (Burden, 1993), se determinan los auto valores del sistema a partir de la ecuación característica del sistema. Capítulo 4.- En este capítulo se muestran las fuerzas que intervienen en el sistema RAS debido a la ola, corriente y movimientos de la plataforma o unidad estacionaria de producción son presentadas estas fuerzas principalmente en dos direcciones, la dirección in line que es en la dirección de la ola y corriente (las dos en la misma dirección) y la dirección transversal la cual es perpendicular a la dirección in line donde ocurre la vibración inducida por efectos de verticidad. La solución dinámica del Riser Auto Sustentable en el dominio del tiempo en el presente trabajo lleva en consideración la semejanza del comportamiento del dinámico de un sistema masa-resorte-amortecimiento. La ecuación del comportamiento dinámico es compuesta por la matriz de masa, rigidez y amortecimiento de la estructura dividida en elementos. El método usado para la solución numérica es el método de Newmank con que viene siendo muy usado en trabajos anteriores de esta misma área. (Ferrari, 1999 y Morooka, 2004) mostrando buena convergencia en los resultados y rapidez. En este trabajo una parte importante es que lleva en consideración el efecto de VIV o formación de vórtices que son muy importantes en el estudio de estructuras esbeltas dentro de un medio fluido en movimiento (ola y corriente). Capítulo 5.-En este capítulo son mostrados los resultados y discusiones obtenidos del comportamiento dinámico del Riser Auto-Sustentable en las cuales se muestran la influencia del coeficientes hidrodinámico de arrastre, las características geométricas de la boya, las distintas velocidades del fluido así como la influencia de la altura de la ola, la presencia del fluido interno dentro del riser (petróleo) y las diferencias que existen cuando se tiene la presencia o no del efecto de formación de vórtices (VIV) todo esto en función de curvas de máximos y mínimos desplazamientos a lo largo de la longitud del sistema. CONCLUSIONES.-Son mostradas las conclusiones obtenidas con la realización de este trabajo. APÉNDICE A.-Se describe de forma amplia la parte teórica del comportamiento estático analítico y numérico usado para el sistema Riser Auto-Sustentable APÉNDICE B.-Se describe de forma amplia las matrices de masa, rigidez y amortecimiento usado para la solución numérica de la ecuación dinámica, así como también describe la solución dinámica del sistema dentro del dominio del tiempo.