0200 consideraciones principales de diseño

Contenidos del Tema 0200 – Características del Ambiente Marino 0201 – Principales Requisitos de Diseño 0202 – El comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes

FUNDAMENTOS DE LAS INSTALACIONES DE PRODUCCIÓN

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JJE Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (1)

0200 - Características del Ambiente Marino • Hay elementos comunes o similares para onshore (Ingeniería de Diseño)

• Diseño • Estructural • Civil – Fundaciones • Naval • Perforación • Producción (submarina o en superficie) • Procesos

• Flow Assurance • Topsides

• Presencia del mar presenta desafíos de diseño • Es una amenaza constante


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Características del Ambiente Marino Rango de Ambientes


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Características del Ambiente Marino • Son consideraciones promedio (DOMINANTES) significativas para la ingeniería de

diseño • Efectos a largo plazo (fatiga) en buques y estructuras fijas

• Eventos Extremos • Golfo de México: Huracanes con corrientes parásitas • China: tifón • Mar del Norte: una tormenta de invierno • Océano Indico: monzón • Costa del Pacífico: terremoto, tsunami • África Occidental:

• Tormenta Eléctrica • Corrientes inusualmente fuertes • Cambio de dirección de corrientes marinas


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Sección: 02 – Consideraciones Principales de Diseño para Instalaciones de Producción Offshore (5)

Características del Ambiente Marino • Profundidad del Agua

• Efectos a largo plazo (fatiga) en buques y estructuras fijas • Muy superficiales hasta los 3000 m ( 10000 pies) • Parámetro Principalmente Estático

• Variación con las mareas • Presión Hidrostática

Las Principales Fuerzas Ambientales • OLAS

• 1era Fuerza de Importancia • Impulsadas por el viento • Mar de Fondo

• Ambientes Severos, en conjunto y se potencian • Ambientes Calmos, rara ocurrencia simultánea

• Corta Duración o Estacional • Cinco Parámetros Medibles y Registrables

• Frecuencia o período • Amplitud o altura • Velocidad • Longitud • Dirección


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Las Principales Fuerzas Ambientales • OLAS

• Los parámetros: • Determinan el régimen de oleaje y estado temporal del mar

• En un lugar determinado • Si son eventos extremos • Variaciones estacionales • Medias anuales o mensuales

• Los regímenes de olas difieren en la energía que transportan • La energía de una ola es proporcional al cuadrado de su altura • La frecuencia debe ser conocida para evitar efectos de resonancia con buques

o estructuras • Altura Significativa de Ola Hs (promedio del tercio de olas mas altas – Espectro) • Altura de Ola Extrema (registro histórico)


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Intensidad Energética Media del Oleaje (kW/m). Sorensen 2004


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Las Principales Fuerzas Ambientales • VIENTOS

• 2da Fuerza Ambiental en importancia • Factor de Diseño Importante en velocidades extremas

• Vientos sostenidos de alta velocidad • Ráfagas extremas • Gradiente de velocidad respecto a la superficie del agua • Direccionalidad

• Sistemas de amarres


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Las Principales Fuerzas Ambientales • CORRIENTES MARINAS

• Mediciones sencillas • Complicación de registros históricos para una completa descripción

• Aceleraciones • Cambios bruscos

• Factor de Diseño Dominante en zonas de climas calmos • Gradiente de velocidad función de la profundidad • Vórtices de derrame • VIV

• Risers • Amarres • TLP y SPAR


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Las Principales Fuerzas Ambientales • MAREAS

• Ascenso y Descenso en Línea de Agua: • Estructuras fijas: niveles de cubierta y topsides

• Zona Splash (ciclos de mojado y secado) • Estructuras Flotantes: tensión en líneas de amarre

• Subsidencia lecho marino

• Compactación del reservorio • Ekofisk (80)


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• Subsidencia del Lecho Marino (continuación)

• Ekofisk – Enormes esfuerzos de Ingeniería y Construcción • 1987 – 6.5 metros de elevación • Cambio Climático (Recientes Investigaciones)

• 0.5 a 1 m por siglo


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Las Principales Fuerzas Ambientales • DIRECCIONALIDAD

• Sobre todo estructuras flotantes • Oleaje • Vientos • Corrientes marinas • “Rosa de los Vientos”


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Las Principales Fuerzas Ambientales • CARACTERÍSTICAS DEL SUELO MARINO

• Composición variable entre regiones y diferentes zonas margen continental • Importante tener un conocimiento completo

• Fundaciones Estructuras Fijas • Asentamiento Plataformas CGB

• Sismicidad y Estabilidad del lecho marino • Oleoductos y Gasoductos

• QUÍMICA DEL AGUA

• Salinidad • Temperaturas

• CORRIENTES PARÁSITAS • Diferencias de Temperaturas


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Determinación de los Factores Controlantes • EN AMBIENTES OFFSHORE

• Un factor, o una combinación de factores son el o los DOMINANTES • Factor DOMINANTE CONTROLA el diseño • Es un proceso complicado de evaluar

• Efectos de fenómenos únicos y severos • Efectos a largo plazo

• La situación difiere según

• Calmo • Moderado • Severo


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• AMBIENTES CALMOS

• Por definición un ambiente calmo no puede ofrecer una tormenta destructora de una plataforma

• Corrientes marinas serán los factores dominantes

• En África Occidental se experimentan persistentes corrientes de mar de fondo

• Significativo en términos de fatiga para estructuras y sistemas de amarres.

Factor de Diseño Controlante en Ambientes Calmos


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• AMBIENTES MODERADOS

• Una tormenta severa puede tener potencial destructivo

• Combinación de: • Ola Extrema • Vientos de 160 km/hr • Fuertes Corrientes Parásitas

• Importancia de la direccionalidad de las fuerzas de fatiga.

Factor de Diseño Controlante en Ambientes Moderados


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• AMBIENTES SEVEROS

• De igual consideración • Fenómenos de Fatiga • Tormenta Extrema

• Se aumentan los costos de las

instalaciones • Fallos Estructurales

• Alexander Kielland • 123 vidas humanas

Factor de Diseño Controlante en Ambientes Severos


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• FALLA POR FATIGA EN ESTRUCTURA

SOLDADA EN D6

Alexander Kielland – Ekofisk - 1980


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• Las instalaciones offshore deben estar diseñadas para:

• Resistir o sobrevivir fuerzas ambientales de una magnitud determinada

• Los factores de diseño se determinan mediante cálculo de probabilidad de ocurrencia durante la vida útil.

• Agencias Reguladoras y Entes Técnicos, define o recomiendan: • Tormentas de Diseño • Olas de Diseño • Para 50 o 100 años

• En 2005 en el Golfo de México hubieron tres tormentas categoría 5, o superiores al criterio de los cien años.

Notas Finales sobre Factores de Diseño


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• Naufragio de la Alexander Keilland (00:03:17) https://www.youtube.com/watch?v=fNI6_8JQXzQ • Falla Simulada en la Alexander Keilland (00:02:39) https://www.youtube.com/watch?v=7QVn3NUW_aQ • El Desastre de la Ocean Ranger (00:04:47) - https://www.youtube.com/watch?v=e-1m1og8Iqo • Ocean Ranger en las noticias (00:07:20) - https://www.youtube.com/watch?v=npPMoHz7Rgg • Documental 1/6 National Geographic (00:09:22) - https://www.youtube.com/watch?v=Zc-gEtByAV4 • Documental 2/6 National Geographic (00:09:33) - https://www.youtube.com/watch?v=EdThd9tXU5w • Documental 3/6 National Geographic (00:08:01) - https://www.youtube.com/watch?v=fS2PU9Ohd2s • Documental 4/6 National Geographic (00:09:48) - https://www.youtube.com/watch?v=6hRZHEWntN0 • Documental 5/6 National Geographic (00:06:59) - https://www.youtube.com/watch?v=pQ3eTkgmaaA • Documental 5/6 National Geographic (00:06:16) - https://www.youtube.com/watch?v=KyHEfDmFRos

Videoreferencias


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https://www.youtube.com/watch?v=fNI6_8JQXzQ

https://www.youtube.com/watch?v=7QVn3NUW_aQ

https://www.youtube.com/watch?v=7QVn3NUW_aQ

https://www.youtube.com/watch?v=e-1m1og8Iqo



https://www.youtube.com/watch?v=npPMoHz7Rgg

https://www.youtube.com/watch?v=Zc-gEtByAV4



https://www.youtube.com/watch?v=EdThd9tXU5w

https://www.youtube.com/watch?v=EdThd9tXU5w

https://www.youtube.com/watch?v=fS2PU9Ohd2s

https://www.youtube.com/watch?v=6hRZHEWntN0

https://www.youtube.com/watch?v=pQ3eTkgmaaA

https://www.youtube.com/watch?v=KyHEfDmFRos

https://www.youtube.com/watch?v=KyHEfDmFRos

0201 – Principales Requisitos de Diseño • Cada instalación offshore debe cumplir una serie de requisitos generales de diseño

definidos. • Las instalaciones deben ser adecuadas para sus objetivos o propósito, y deben

cumplir ciertos criterios de: • construcción, • instalación, • operación, • mantenimiento y • remoción.

• En la discusión que sigue, se revisan estas consideraciones y los desafíos que

plantean para el diseño de instalaciones offshore.


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0201 – Principales Requisitos de Diseño • Adecuación según propósito de las instalaciones

• Debe cumplir los objetivos para lo cual fue diseñada y construida • Debe ser capaz de sobrevivir a las condiciones ambientales predeterminadas • Debe ser capaz de recibir y procesar los tipos y volúmenes de fluidos a ser

producidos • Debe ser habitable para la tripulación y demás personal auxiliar

• Condiciones Ambientales

• Para cada fase del proyecto • Duración de eventos extremos o fenómenos de larga duración durante 50 o

100 años • API: brinda consideraciones ambientales adicionales


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Principales Requisitos de Diseño

• Tipos de Fluidos y Volúmenes • Composición (envolvente de fases) • Impurezas • Caudales • Calidad de Productos • Define

• Tamaño y peso de Topsides • Control de Costos

• Subestimación (NO) • Sobreestimación (NO)


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• Habitabilidad • Según tamaño y funciones

• Albergue y Soporte Vital y Operativo • Plataformas Hotel

• Personal Adicional durante: • Montaje • Comisionado • Puesta en Marcha • Tareas especiales (workover)

• Todos los elementos de Seguridad • Sistemas de Emergencia


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• Construcción • Procedimientos de construcción

• Diseño Standard Astilleros Standard • Diseño Standard Cumplimiento de Cronogramas • Diseños Inusuales Mayores Costos

• Soldaduras Especiales • Materiales Exóticos • Limitación de Contratistas

• Diseños Inusuales Incertidumbre Cronogramas • Trabajo Onshore

• Siempre que sea posible • Trabajo Offshore

• No siempre se puede evitar • Conexionado, tie-ins, montaje topsides


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• Estabilidad y Flotación • Durante ciertas etapas todas las estructuras deben

• Presentar características de flotación • Estabilidad hidrostática e hidrodinámica • Fenómenos Meteorológicos Extremos

• Localización del Trabajo • Requisitos regulatorios sobre mano de obra local • FPSO en Corea del Sur • SPAR en Finlandia


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• Transporte e Instalacion • Transporte

• Húmedo (mayoría flotantes) • En Seco (jackup)

• Montaje • Fase Crítica • Cargas Impuestas Extremas • Ventana de Tiempo

• Cargas de Montaje como Factor Controlante • Jackets con cargas máximas durante montaje • CGB con enormes presiones hidrostáticas • Tensionado crítico para las TLP|


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Operación

• Garantía de Producción • Costo Unitario • Condiciones Ambientales

• Normales • Límite extremo

• Operabilidad • Casos de Producción • Design / OffDesign • Salida de servicio • Funciones específicas

• Descarga en FPSO

Seguridad, Salud y Medioambiente

• Condicion de Operación • Garantía de

• Seguridad del personal • Integridad del Medioambiente

• Tareas Simultáneas • Producción /Workover

• Pronósticos Climáticos • Amarres desconectables • Evacuación



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CAPEX

• Gastos de Capital • Capital Expenditures • Conocido como Inversión Inicial

OPEX

• Gastos de Operación • Operating Expenditures

• Capital de Trabajo


Costos durante la Vida Útil


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• CAPEX • Decisiones de diseño • Selección de tecnologías • Decisiones durante construcción • Afectarán OPEX • Estimación previa

• OPEX • Se definen por las decisiones de

diseño • Aumentos de OPEX por bajas en

CAPEX • Bajas en CAPEX por aumentos

en OPEX

Mantenimiento


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• EL MANTENIMIENTO ES INEVITABLE • Dureza medio marino • Necesidades mas estrictas • Adecuación e Integridad • Instalaciones para su Operación • “Fitness for Purpose”

• Requerimientos de Inspección • Accesibilidad

• Inspección humana • Inspección robotizada

• Enfoques de Mantenimiento • Inspección • Mantenimiento • Reparación

Principales Requisitos de Diseño - Mantenimiento


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• IMR • Históricamente con MTBF • Enfoque Prescriptivo • Reparación se hace cuando el

equipo falló

• Estudios de Seguridad • Evaluación de Riesgo

• Confiabilidad • Equipos • Componentes

• Reemplazo de piezas • Antes del fallo • Calendario Anual • Predictivo

Principales Requisitos de Diseño - Mantenimiento


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• Convención de la Plataforma Continental (Ginebra, 1958) • Convención de las Naciones Unidas sobre el derecho del Mar (Montego Bay, 1982)

• Requisitos para eliminación completa de • Instalaciones offshore abandonadas, pozos submarinos,

manifolds, plantillas, flowlines, risers, ductos. • Criterios de remoción parcial o in situ • Detoxificación

• Taponamiento y Abandono (P&A, Plugging and Abandon)

• Golfo de México (bien documentado) • Mar del Norte (grandes remociones)

• Técnicas

• Cortes • Re-flotación • Derrumbe • Remolque a la costa

Principales Requisitos de Diseño - Remoción


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• Aunque el agua se considera un elemento hostil • Permite un tipo de operación que es clave:

• TRANSPORTE DE OBJETOS DE GRAN MASA • Troll A: 1.2 millones de toneladas. Peso seco de 656 kTons

• Jackets • De Base Pesada • MODU’s

0202 – Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes

Deben Flotar Deben Ser estables


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• Desplazamiento y Flotabilidad • Flotabilidad:

• Fuerza Vertical Ascendente • “Buoyancy”

• La Flotabilidad permite el desplazamiento de los objetos sobre el agua • El desplazamiento debe conllevar la estabilidad • Estabilidad

• Objetos que flotan pero no ofrecen estabilidad: • Pelota de goma inflada (no estable) • Un tronco de madera (estabilidad parcial)

• Es la capacidad de: • Mantener una superficie preferida por encima del agua • Mantener el nivel de flotación dentro de parámetros definidos

Comportamiento de Buques y Estructuras Flotantes


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• Estabilidad • Metacentro (M) • Centro de Gravedad (G)


• Centro de Carena (B) • Punto de Referencia en la Quilla (K)

Si Altura Metacéntrica (MG) < 0 Zozobra, Naufragio


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• Altura Metacéntrica • Puede ser muy pequeña • FPSO en el Golfo de México

• 500.000 barriles de almacenamiento • Sobrevivencia a Tormenta de 100 años • Tanques de lastre 15% completos • Carga en Tanques de hasta 90% • ALTURA METACÉNTRICA DE 0.15 m



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• Movimientos de los Buques (IMPORTANTE) • Navío Estable (amarrado o flotando

libremente: • Seis grados de libertad

• Traslaciones: • 1. Movimiento vertical de ascenso y

descenso: Arfada (heave) • 2. Movimiento lateral a ambas bandas: Deriva

(sway) • 3. Movimiento longitudinal

de avance o retroceso (surge)


• Rotaciones: • 4. Según el eje vertical 'Z' : Guiñada de

rumbo (yaw). • 5. Según el eje trasversal 'Y': Cabeceo

(pitch). • 6. Según el eje longitudinal

'X': Balanceo o rolido (roll).


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• Movimientos de los Buques (IMPORTANTE) • Navío Estable (amarrado o flotando

libremente: • Seis grados de libertad

• Traslaciones: • 1. Movimiento vertical de ascenso y

descenso: Arfada (heave) • 2. Movimiento lateral a ambas bandas: Deriva

(sway) • 3. Movimiento longitudinal

de avance o retroceso (surge)


• Rotaciones: • 4. Según el eje vertical 'Z' : Guiñada de

rumbo (yaw). • 5. Según el eje trasversal 'Y': Cabeceo

(pitch). • 6. Según el eje longitudinal

'X': Balanceo o rolido (roll).


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