INSTITUTO TECNOLOGICOSUPERIOR DE COATZACOALCOS. Materia. Construcción de Instalaciones Petroleras. Tema. Plataformas Petrolíferas. Docente. Ing. Rene Góngora Romero. Estudiante. Argumedo Rivera Zurisadai Candelaria Cervantes Edgar Agustín Cruz Cervantes Ángel Esteban Martínez Quintero Miguel Ángel Roldan Ramírez Erika Anahí “8B” Coatzacoalcos ver. 17 de Septiembre del 2013 ÍÍ ndice Introducción 3 1.1.- Plataformas Petrolíferas 3 Jacket y Cementación sobre pilotes 4 Módulos Superiores 5 Buque Grúa 7 1.1.2.- Tipos de Plataformas Petrolíferas. 8 Clasificación según su función 8 Clasificación según su soporte 9 1.1.3 Entorno y características de una plataforma petrolífera 11 Conclusión 15 Bibliografía 16 2 Introducción Plataforma petrolífera es una estructura de grandes dimensiones cuya función es extraer petróleo y gas natural de los yacimientos del lecho marino que luego será exportado hacia la costa. También sirve como vivienda de los trabajadores que operan en ella y como torre de telecomunicaciones. Dependiendo de las circunstancias, las plataformas pueden estar fijas al fondo del océano, flotar o ser una isla artificial. Debido a la actividad principal, las plataformas petroleras son propensas a sufrir accidentes que pueden ocasionar pérdidas de vidas humanas, derrames de petróleo y graves daños ecológicos. También puede sufrir vandalismo o ser blanco de terrorismo, por lo que varios países entrenan unidades especialmente para combatir estas acciones. 1.1.- Plataformas Petrolíferas. La gran mayoría de las plataformas consiste en una torre sobre pilotos que sustenta los modulas (Jacket), todo ello fabricado en acero como la fig. 1 Fig. 1 Un segundo tipo principal lo constituyen las estructuras de hormigón como la fig. 2 que se utilizan en el mar de norte en los sectores noruegos y británicos. Un tercer tipo lo constituyen las unidades de producción flotantes. El entorno de una plataforma petrolífera en alta mar puede caracterizarse por: Profundidad del agua en el emplazamiento. Suelo, en el lecho marino y subsuelo. Velocidad del viento, temperatura del aire. Olas, fuerza de la marea y tormentas, corriente. Hielo (Fijo, Flotante, Iceberg) Sismos (si fuera el caso). Fig. 2 La estructura del módulo superior debe mantenerse fuera del alcance de las crestas de las olas. El espacio libre u holgura entre la cresta de las olas y el modulo se fija normalmente a 57 ft. El entorno así como el aspecto financiero, exige que gran parte de la construcción previa se efectué en tierra. Es necesario realizar el diseño de manera que se limite al mínimo el trabajo en el mar. El coste global de una hora de trabajo operario en el mar es aproximadamente cinco veces el de una hora de operario en tierra. El coste de los equipos de construcción necesarios para el manejo de cargas, así como los costes de logística, también son muchos más elevados en el mar. 3 Estos factores, combinados con la magnitud y el peso de las piezas, exigen que el proyectista se vea obligado a prestar una gran atención a todas las actividades de construcción entre el trabajo de taller y el montaje en el mar. En resume los diferentes requisitos de una plataforma petrolífera, así como las fases típicas para su explotación. Tras varias etapas iniciales entre las que incluye el estudio sísmico del campo, se perforan uno o más pozos de exploración. Para esta labor se utilizan plataformas de perforación autoelevadoras en profundidades del agua de hasta 100 – 120 m; para aguas más profundas se utilizan equipos de perforación flotantes. Se estudian los resultados y evalúan los aspectos económicos y los riesgos de los diferentes planes de explotación. Los factores que toman parte en la evaluación pueden incluir los números de pozos necesarios, instalaciones de producción fija o flotante, el número de estas instalaciones y la descarga mediante oleoductos o petroleros. Tan pronto como se decide y se aprueba la explotación, hay cuatro actividades técnicas principales, anteriores a la producción: Ingeniería y diseño. Trabajo de fabricación y montaje de la instalación de producción. Perforación de los pozos de producción, que se prolongan durante 2 – 3 meses por pozos. Suministro del sistema de descarga (oleoductos, petroleros, etc.) La interacción entre la perforación y la construcción se describe a continuación para dos conceptos típicos de plataforma fija. Plataformas cimentadas sobre Jacket para aguas poco profundas. En primer lugar se instala la Jacket. Luego se perforan los pozos utilizando una unidad de perforación autoelevadora emplazada en las proximidades que se extiende por encima de las Jacket. La figura 3 muestra una unidad de perforación autoelevadora con un equipo de perforación. (En este ejemplo se encuentra efectuado labores de perforación exploratoria y por lo tanto trabaja sola.) El diseño de construcción del módulo superior se efectúa paralelamente a la perforación, permitiendo que la producción se inicie poco después del montaje de la cubierta. Para la perforación de pozos adicionales, se llamara de nuevo a la unidad de perforación autoelevadora y se colocará sobre el área a perforar donde está emplazada la plataforma de producción. Jacket y Cementación sobre pilotes. Las Jacket, las estructuras tubulares ancladas con forma de torre, cumplen generalmente dos funciones: Proporcionan la estructuras de apoyo para la instalación de producción (módulo), manteniéndola estable por encima de las olas. Soporta lateralmente y protegen los conductores del pozo de 26 – 30 pulgadas y el oleoducto ascendente. 4 Los métodos de montaje de la Jacket y de los pilotes ejercen un profundo impacto sobre el diseño. Cimentación sobre Pilotes. La cimentación de la Jacket se lleva a cabo mediante pilotes tubulares de acero con el extremo abierto, de diámetro de hasta 2m. Los pilotes se introducen en el lecho marino hasta una profundidad de 40 – 80 m y, en algunos casos, hasta 120m. Básicamente existe tres tipos de disposición de pilotes/Jacket (Véase la fig. 3): Concepto de pilotes a través de las patas, en el que se instala el pilote en las patas de las esquinas de la Jacket. Pilotes en el zócalo a través de alojamientos para el pilote situado en la base de la Jacket, en el que el pilote se instala en guías acopladas a los pilares de la Jacket. Los pilotes en zócalo pueden colocarse formando agrupaciones alrededor de capa pilar de la Jacket. Pilotes en el zócalo vertical se instalan directamente en el alojamiento del pilote en la base de la Jacket; se eliminan todas las demás guías. Esta disposición tiene como resultado un menor peso estructural y una mayor facilidad del hinchamiento de los pilotes. En cambio, los pilotes inclinados agrandan la cimentación en su base, proporcionando de esta manera una estructura más fuerte. Fig. 3 Módulos Superiores. Las funciones principales de los módulos de una plataforma petrolífera son: Control del pozo. Soporte para los equipos de los trabajos de complementos. Separación del gas, petróleo y componentes no transportables del producto en bruto, por ejemplo agua, parafinas/ceras y arena. Soporte para las bombas/compresores necesarios para transportar el producto a tierra. 5 Generación de energía. Alojamiento para el personal de operación y mantenimiento. Básicamente hay dos tipos de estructuras para los módulos, el integrado y el modularizado, que se colocan bien sobre una Jacket o sobre una estructura de apoyo de hormigón. El diseño de plataformas petrolíferas ha de considerar varias exigencias de la construcción relacionadas con: Fabricación Peso Embarque de la barcaza Transporte Marítimo Montaje en el mar Montaje de módulos Uniones Puesta en servicios Se debe disponer de una estrategia de construcción documentada durante todas las fases del diseño y debe efectuarse un seguimiento del desarrollo real del diseño, cotejándolo con la estrategia de construcción. Jackets instaladas con grúas. Se construye la Jacket en posición vertical (Jacket pequeñas) u horizontal (Jacket más grandes) en un muelle del emplazamiento de fabricación. Se iza y se sujeta la Jacket a bordo de una barcaza. En el emplazamiento de la plataforma, se fondea la barcaza junto a un buque grúa. Se levanta la Jacket de la barcaza, se coloca en posición vertical desde la horizontal en la que estaba y se coloca cuidadosamente sobre el lecho marino. Para su izado a bordo de la barcaza de transporte se coloca la Jacket sobre rodillos que se deslizan sobre una vía recta de vigas metálicas y se le arrastra para subir la barcaza. Una vez en el emplazamiento de la plataforma, se desliza la Jacket fuera de la barcaza. Se sumerge profundamente en el agua y posteriormente adopta una posición flotante. (Véase la figura 4) 6 Fig. 4 Buque Grúa. El levantamiento de cargas pesadas en el mar exige el uso de buques grúa especializada. Para el levantamiento se utilizan eslingas de acero en una disposición de cuatro cables que descansa directamente en el gancho de cuatro puntos del buque grúa. (Véase la fig. en las diapositivas). La eslinga más pesada disponible actualmente tiene un diámetro de aproximadamente 48 MN y carga útil de seguridad (CUS) de 16 MN. Hay grilletes disponibles con una carga útil de seguridad de hasta 10 MN para conectar los cáncamos (padeyes) instalados en los pilares de los módulos. Debido al espacio necesario, la unión de más de un grillete al mismo pilar no resulta una opción muy atractiva. Así pues, cuando la carga de la eslinga supera los 10 MN los muñones (trunnions) se convierte en una opción. Notas: 1. Capacidad de carga nominal en toneladas métricas. 2. Cuando los buques grúas están provistos de dos grúas, éstas se encuentran en la proa y popa del buque, aproximadamente a 60m de distancia entre ejes. 3. Giratoria= Capacidad de carga con grúa totalmente giratoria. Fijo= Capacidad de carga con grúa fija. Análisis Estructural. Se lleva a cabo tres tipos de análisis. Estado de supervivencia, bajo el ataque de olas/corriente/viento con un período de recurrencia de 50 a 100 años. Estado operacional, bajo el ataque de olas/corriente/viento con un período de recurrencia de 1 a 5 años, en condiciones de pleno rendimiento. Evaluación de la fatiga. Accidental. Todo estos análisis se efectuá sobre la estructura completa e intacta. Las evaluaciones de estructura dañadas, por ejemplo a las que les falta un elemento y las evaluaciones de situaciones de colisión se llevan a cabo ocasionalmente. La fase de construcción más importante durante las que la integridad estructural puede verse amenazada son: Izado a bordo. 7 Transporte marítimo. Puesta de posición vertical de las Jackets. Levantamiento. Gestión del proyecto y diseño. Compra de materiales y equipos. Fabricación. Transporte y montaje. Unión y puesta en servicio. Las aguas profundas introducen una amplia gama de dificultades extra para el operador, la ingeniería y el constructor de plataformas petrolíferas. Recientemente se han instalados plataformas fijas en aguas de 410m de profundidad, concretamente la “Bullwinkle” desarrollada por Shell Oíl para un emplazamiento en el golfo de México. La Jacket tenía un peso de casi 500MN. Varias plataformas fijas (Cerveza, Cognac) están en funcionamiento en el Golfo de México y frente a las costas de California en aguas de 250 – 350m de profundidad. 1.1.2.- Tipos básicos de plataformas. Las plataformas pueden clasificarse según su función o el sistema que utilicen como soporte. Los principales equipos utilizados en la perforación de pozos petroleros en campos marinos son: 1) Plataforma fijas de perforación. 2) Plataformas autoelevables. 3) Plataformas semisumergible. 4) Barcos de perforación. De los equipos mencionados, las plataformas fijas son las más utilizadas para campos de desarrollo. Actualmente el 90% del aceite producido en campos marino proviene de pozos perforados en este tipo de plataformas. En los campos de producción marino la mayoría de los pozos en producción tienen en plataformas fijas de perforación, aunque también los hay en “Tetrápodos de apoyo”, los cuales las plataformas fijas de menores dimensiones y sin equipo de perforación, donde los pozos son perforados por plataformas autoelevables o semisumergibles. Las plataformas satélites llamadas así por encontrarse alejadas del complejo de producción, puede ser cualquiera de las plataformas fijas que contenga pozos en explotación: Es decir estén conectadas al complejo de producción mediante líneas de descarga. La función de las líneas de descarga, es el de permitir la conducción de los hidrocarburos desde los cabezales de recolección de la plataformas satélites, hasta el complejo de producción. Esta tubería va a ser tendida en el lecho marino y su diseño se hace atendiendo al gasto máximo 8 esperado y a la presión máxima obtenida con el o los pozos cerrados. Aunque también, se debe tomar en cuenta las condiciones de la zona que atraviesa, la presión del colector donde descarga y las propiedades de los fluidos que transporta. Clasificación según su Función. Los complejos de producción son por lo general, un grupo de plataformas fijas comunicadas entre sí por medio de las estructuras (puentes) que permiten el tendido aéreo de tuberías que transportan diversos tipos de fluidos, así como el libre acceso del personal que ahí labora. Un complejo está integrado por las siguientes plataformas. 1) Plataforma Habitacional. 2) Plataforma de compresión. 3) Plataforma de enlace. 4) Plataforma de perforación. 5) Plataforma de producción (puede ser varias). Plataforma Habitacional.- Como su nombre lo indica, es una plataforma acondicionada para que los trabajadores permanezcan con la mayor comodidad posible fuera de sus horas de labores. Plataforma de compresión.- Esta plataforma contiene equipo necesario para manejar y enviar el gas natural obtenido en el proceso de separación del aceite. Plataforma de Enlace.- Esta plataforma se concentran las llegadas de los oleogasoductos provenientes de las plataformas satélites, los cuales se conectan al cabezal colector general, que tiene la función de distribuir el aceite hacia las plataformas de producción. También de esta plataforma, salen las tuberías por las que se envía el aceite ya procesado (oleoductos). Adicionalmente, en esta plataforma se encuentran instaladas las trampas para recuperar o enviar los dispositivos mecánicos (diablos), utilizados en la limpieza de los ductos. Plataforma de perforación.- Es idéntica a las plataformas satélites, con la diferencia que está, la línea de descarga de los pozos se conecta directamente al cabezal colector general, sin que exista ningún tendido submarino como en las otras. Plataformas de producción.- Por lo general en el campo, los complejos de producción contiene de dos a tres plataformas de producción, dependiendo del volumen de aceite que sea necesario manejar. En estas plataformas se efectúa la separación y medición del gas y el aceite; así mismo, mediante equipo de bombeo se envía el crudo, a los centros de contribución, almacenamiento o refinación. Clasificación según su soporte. Plataformas marinas semisumergibles. Las plataformas semisumergibles son flotantes y permanecen posicionadas con anclas o posicionamiento dinámico, se utilizan para perforar en tirantes de aguas mayores de 100 metros, usando para ello conexiones submarinas. Plataformas marinas autoelevables. 9 Las plataformas autoelevables pueden ser de patas independientes o no independientes, las de patas independientes permanecen posicionadas hincadas las patas en el lecho marino y las de patas no independientes asientan su pontón¹ en el lecho marino, en los dos casos levantan la plataforma dejando un colchón de aire entre el casco y el nivel de agua. Estas plataformas se utilizan para perforar y dar mantenimiento a los pozos, en aguas someras hasta con un máximo de 100 metros de tirante de agua. ¹ El pontón es un tipo de embarcación o casco, hecho de acero, de madera (preferentemente en el pasado) o de los materiales plásticos, generalmente en forma paralelepípedo usado como plataforma flotante en usos diferentes: para transportar mercancías y personas, grúas flotantes, mediante puentes, transbordadores, balsas etc... Plataformas marinas fijas con equipo convencional y modular. Los equipos convencionales y modulares se utilizan para la terminación, reparación, reentrada y/o profundización de pozos los cuales son instalados sobre la estructura fijas. Los equipos convencionales, tienen mástil y cuentan con mayor caballaje para operar en pozos de mayor profundidad. Los equipos modulares tienen torres de perforación, están compuestos por módulos, que son instalados por su propia grúa y son equipos para operar en pozos someros. Barcos Perforadores. (Drill Ships). Son unidades de perforación con mayor movilidad, y operan profundidades entre 200 y mil metros, utilizados un sistema de anclas, y en aguas con profundidad de 1000 m utilizado un sistema de posición dinámica. Son básicamente, grandes barcos instalados con un sistema completo de perforación. Son particularmente útiles en áreas lejanas puesto que necesitan un apoyo limitado. La perforación se efectúa por el medio de una gran apertura al fondo del casco, que se llama “The Moon Pool” (La piscina de la luna). Un barco de perforación es una embarcación marítima que ha sido equipado con los equipos de perforación. Se utiliza con mayor frecuencia para la perforación exploratoria mar adentro de petróleo, pozos de gas en aguas profundas o para perforaciones científicas. El buque de perforación también puede ser utilizado como una plataforma para llevar a cabo trabajos de mantenimiento o bien contemplación tales como tuberías de revestimiento y de instalación en sistemas submarinos o árboles. A menudo se construyen cumpliendo con las especificaciones de diseño de la compañía de producción de petróleo y/o inversores, pero también se puede hacer una modificación del casco para modificación del casco para equiparlo con un sistema de posicionamiento dinámico para mantener su posición sobre el pozo. Las mayores ventajas de estos barcos perforadores, es que modelos modernos tienen la capacidad para perforar en aguas de 2500 metros y reducción de tiempo entre campos de petróleo en todo el mundo. Drillships son completamente independientes, en contraste con los sumergibles y barcazas autoelevables. Con el fin de perforar, una tubería vertical marina se baja el barco de perforación al fondo del mar con un dispositivo para evitar explosiones (BOP) en la parte inferior que se conecta a la boca del pozo. 10 Drillships no solo es una manera de realizar la perforación exploratoria. Esta función también puede ser realizada por los semi – sumergibles, Jack-up barcazas, gabarras o plataformas. 1.1.3 Entorno y características de una plataforma petrolífera Entorno: Profundidad del agua Suelo, en el lecho marino y en el subsuelo Condiciones climáticas extremas: Velocidad del viento, temperatura del aire Olas, fuerza de la marea y tormentas, corriente Hielo (fijo, flotante, icebergs) Sismos Carácteristicas: Se trata de las plataformas petroleras, enormes estructuras de acero y hormigón enclavadas a kilómetros de tierra firme, en donde tierra y mar se unen; con un peso superior a un millón de toneladas métricas y con una altura de hasta 50 metros o más sobre el nivel del mar. • Peso • Capacidad de profundidad • Dimensiones • Ciclo de vida • El ciclo de vida comprende 3 grandes etapas: 1) Etapa de diseño 2) Etapa de fabricación 3) Etapa de explotación 11 (Figura7 y 8 del Deepwater Horizon, antes y después de la explosión). • Deepwater Horizon (Fig1.1) era una torre petrolífera de diseño RBS-8D de quinta generación, semi sumergible, de posicionamiento dinámico y de aguas ultra-profundas, cuyos taladros perforaban el lecho marino, mientras que otro tipo de torres y plataformas son utilizadas para extraer petróleo de pozos ya taladrados, era una de las torres de perforación más grandes de aguas profundas. Podía operar en aguas de hasta 2400 m de profundidad, y tenía una profundidad máxima de perforación de 9100 m. La torre podía alojar una tripulación de hasta 130 miembros. Plataforma petrolífera Statfjord B Esta plataforma está hecha de 824.000 toneladas de acero y hormigón, con una altura de casi 200 metros desde los tanques de almacenamiento del fondo basta la plataforma para helicópteros situada en lo alto. Su construcción costó 1.840 millones de dólares de la época. 12 Desde el fondo del mar hasta lo más alto de la torre de perforación, la Sratfjord B tiene una altura de 271 metros. La base sobre la que se asienta está formada por 24 tanques de hormigón armado, construidos en un dique. La base y la plataforma se construyeron por separado, y después se acoplaron en el mar, en una operación de precisión absoluta. 13 Figura 17. Bloque de la plataforma Statfjord. El resultado es una plataforma instalada en posición correcta y que se desvía menos de un grado de la verticalidad. Es capaz de resistir los peores ataques que el mar del Norte pueda lanzar contra ella olas de 30 metros de altura y vientos de más de 160 kilómetros por hora sin oscilar gran cosa. Se espera que este campo petrolífero se mantenga en producción hasta el año 2019. El campo petrolífero de Statfjord fue uno de los primeros en ser explotados en la plataforma continental noruega y uno de los mayores productores de petróleo del Mar del Norte. 14 15 Conclusión. Las plataformas se construyen con el objetivo de extraer petróleo y gas. La contribución que representa la producción de crudo en las plataformas es de gran importancia en el país. Esto es unos de los hechos del por qué la importancia en el conocimiento sobre su construcción, sus diferentes opciones de trabajos y el entorno que se tiene, al laborar ahí. Para poder entender sus sistemas y procesos de trabajo. La complejidad de la construcción de cada plataforma petrolera marina se hace con un previo análisis por expertos y bajo ciertas previsiones y todas absolutamente van auditadas por diferentes organismos. Para ello se tiene el previo conocimiento del lugar al que serán destinadas, el tipo de plataforma, sus condiciones atmosféricas, su entorno y las diferentes características con las que pueda contar. Una vez que se pasan por las 3 etapas de la construcción de una plataforma, previamente revisada y autorizada, se procede a darle utilidad para la que fue creada, la perforación en y debajo del lecho marino para la extracción de petróleo y gas. 16 Bibliografía. Sistemas Estructurales: Plataformas Petrolíferas. Instituto técnico de la estructura en acero. Tomo 17. Mendoza May L. Andrés; “Separación y Medición de Aceite y Gas en una Plataforma de Producción del Campo Cantarell”; Facultad de Ingeniería. UNAM. Tesis Profesional; Nov.1984 http://www.iie.org.mx/boletin032004/act.pdf (Revisado el 02/10/2013), Gómez Camargo, Octavio; Vázquez Bustos, Jesús. http://cantabricpetroleum.files.wordpress.com/2009/10/plataformas-petroleras-cantabricoo.pdf (Revisado el 29/09/2013). http://almadeherrero.blogspot.mx/2009/03/plataforma-petrolifera-statfjord-b.html (Revisado el 29/09/2013). http://kta2103.wix.com/offshore#!vstc3=operaciones-offshore-b (Revisado el 29/09/2013). 17