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Tecnología

Estabilidad profunda

Científicos de la USP desarrollan un inédito proyecto de plataforma de extracción de petróleo en alta mar

Los movimientos provocados en alta mar por la acción de las olas pueden convertirse en uno de los grandes enemigos de las plataformas que extraen petróleo a miles de metros de profundidad, en aguas profundas y ultraprofundas. Es posible verificar este fenómeno en la cuenca de Campos, el mayor campo petrolífero brasileño, donde las aguas del Océano Atlántico son lo suficientemente fuertes como para balancear en demasía a las plataformas de extracción, por más grandes que éstas sean. Este balanceo es indeseable, tanto en función de la estabilidad del sistema como para la seguridad de los trabajadores que viven en alta mar.

Las peculiaridades oceanográficas de las aguas de la costa brasileña, donde se encuentran algunos de los mayores campos petrolíferos de grandes profundidades del mundo, llevaron a los investigadores del Departamento de Ingeniería Oceánica y Naval de la Escuela Politécnica (Poli) de la Universidad de São Paulo (USP) a idear un innovador proyecto de plataforma. El nuevo y sorprendente diseño de sostén de una planta de producción de petróleo está formado por una sola columna y no por varias, como en las plataformas semisumergibles.

“Todas las simulaciones llevadas a cabo en el inédito sistema monocolumna mostraron que las ventajas con relación al movimiento, la estabilidad y la seguridad son grandes”, afirma el ingeniero naval Daniel Cueva, del equipo del profesor Kazuo Nishimoto, de la Poli, coordinador de la investigación realizada en asociación con Petrobras en el ámbito del Centro de Excelencia en Ingeniería Naval y Oceánica, del cual forman parte la USP, el Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT, sigla en portugués), la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) y el Centro de Investigación y Desarrollo de Petrobras (Cenpes). De acuerdo con el investigador, el proyecto de construcción de la plataforma de columna única ha resultado en un pedido de patente por parte de Petrobras en Estados Unidos. En dos años la empresa invirtió 1,2 millones de reales en el proyecto.

Este desarrollo tecnológico consiste en la creación de una plataforma de tipo flotante, sin compartimentos para el almacenaje de crudo. Es una opción a las convencionales plataformas semisubmergibles, bastante empleadas en todo el mundo. Dentro de la categoría de las unidades flotantes, Petrobras cuenta también con los buques FPSO (floating, production, storage and offloading, o flotación, producción, almacenamiento y descarga). En otra familia se encuentran las plataformas denominadas de chaqueta, fijadas directamente en el fondo oceánico.

“La MonoBR (tal como se denomina al nuevo proyecto de plataforma) se encuadra en el sentido de los objetivos de Petrobras, esto es: invertir en alternativas consistentes para cascos de unidades flotantes de producción de gran porte, que tengan como premisa una mayor seguridad y mejores características operativas”, explica Isaías Quaresma Masetti, ingeniero del Cenpes y responsable del proyecto.

De acuerdo con el equipo técnico, la plataforma monocolumna ha pasado por todos los rigurosos exámenes de factibilidad técnica y económica a los cuales un proyecto como éste debe someterse en el ámbito interno de Petrobras. Uno de los problemas fundamentales que la MonoBR logró sortear fue la reducción de las amplitudes de los movimientos de la unidad debido a la acción de las olas, lo que dota al sistema de una mayor flexibilidad operativa.Una vez realizadas todas las evaluaciones durante el período de desarrollo, el nuevo concepto fue validado y actualmente se encuentra en la lista de alternativas disponibles.

Cuando se llame a nueva licitación y se determinen las unidades seleccionadas con base en las necesidades de seguridad, de operación y de costos, la monocolumna puede ser una de las opciones tenidas en cuenta. El ganador de la licitación no tiene el poder de vetar o alterar la elección tecnológica previa hecha por parte de la empresa. “Explotar petróleo a 3 mil metros de profundidad en el agua es desde todo punto de vista una actividad innovadora y requiere mucha audacia técnica, al margen de responsabilidad”, afirma Masetti.

La línea de razonamiento científico del proyecto de la monocolumna se basó en las discusiones que comprendieron conceptos básicos de la ingeniería naval, alineados a algunas adaptaciones de estructuras utilizadas a menudo por la industria de petróleo mundial, pero en una función diferente. De acuerdo con los ingenieros que participan en el proyecto, la localización de estos campos en el Océano Atlántico, a más de 1.500 metros de profundidad, es una de las grandes dificultades para la prospección de petróleo.

El impacto de las oscilaciones no es únicamente sentido al nivel de la superficie, sino también en las cañerías que cargan el crudo desde la cabeza del pozo hasta la unidad. “En la actualidad, en grandes profundidades, la utilización de los tubos rígidos de acero llamados de steel catenary risers (SCRs) ha pasado a ser uno de los grandes objetivos”, explica Marcos Cueva, primo de Daniel y también alumno de doctorado de Nishimoto. De acuerdo con el ingeniero, los caños flexibles, llamados risers flexibles, están siendo dejados de lado debido a algunas limitaciones tecnológicas para su uso en profundidades superiores a los 1.500 metros y por su costo superior si se los compara con los rígidos.

“El gran problema de las cañerías rígidas radica en que quedan sujetas no solamente a los efectos de la corriente del fondo del mar, sino también a las oscilaciones de la unidad flotante. Si la plataforma de arriba también estuviera oscilando mucho, comenzaríamos a tener problemas relacionados con la fatiga de los caños, algo que no se registra en los tubos flexibles, debido a la naturaleza de los materiales usados”, explica Daniel Cueva.

Para permitir que el sistema se mantuviera dentro de niveles aceptables de movimiento, los proyectistas resolvieron adaptar un sistema conocido de los proyectistas del sector, pero que nunca había sido utilizado para tal finalidad. “El ‘moonpool’, una especie de abertura instalada en el casco de la plataforma, es bastante utilizado en embarcaciones para permitir el acceso al fondo del mar de las instalaciones de perforación”, explica Marcos. “Resolvimos emplearlo como una manera de reducir la amplitud de los movimientos verticales.”

El trabajo de investigación y simulación de proyectos como el de esta plataforma se acercó a la realidad desde que se inauguró en la USP el llamado tanque de pruebas numéricas (TPN) (lea en Pesquisa FAPESP nº 73). Más allá de los tanques físicos, como es el caso del que existe en el IPT y el de la Coordinación de Programas de Posgrado e Investigación en Ingeniería (Coppe) de Río de Janeiro, un conjunto de 120 computadoras y una pantalla de proyección tridimensional operan en sintonía fina para brindarles a los científicos condiciones bastante parecidas a las reales.

La simulación realizada en el TPN permite a los ingenieros hacer observaciones desde todos los ángulos de la plataforma. E incluso descender a más de 1.500 metros de profundidad para analizar si los SCRs están o no oscilando más que lo permitido. “La fatiga en estos materiales es siempre una preocupación”, informa Daniel. Con base en ésta y en otras herramientas computacionales exclusivas, desarrolladas en función de las necesidades del proyecto de desarrollo de la plataforma, los científicos logran afirmar que la MonoBR, por ejemplo, tienen un elevado nivel de seguridad. “Efectuamos pruebas en las que hasta un cuarto del volumen de la unidad es inundado, y la plataforma no se hundió”, afirma Marcos.

Pero la MonoBR no surgió únicamente a partir de pruebas virtuales. El prototipo ya ha entrado en el tanque paulista del IPT y durante este mes de junio va a hacer su debut en Río de Janeiro. Serán cuatro semanas de pruebas en las que la MonoBR será observada en el tanque de la Coppe, que es uno de los mayores en operación en el mundo y es ideal para el estudio de plataformas. Tiene 40 metros de largo por 30 metros de ancho y 15 metros de profundidad.

“Si usamos un prototipo en la escala de 1:100, por ejemplo, vamos a lograr observarlo a una profundidad de 1.500 mil metros”, explica Daniel. El proceso de desarrollo, de acuerdo con los investigadores, tiene una gran importancia académica, debido al modo como evolucionó dentro de la universidad, integrado con las empresas de proyectos de plataformas. “Nosotros hicimos algo que puede caracterizarse como un proyecto conceptual avanzado”, explica Daniel. Normalmente, los proyectos académicos como éste se restringen únicamente a la fase conceptual. “No entran en la fase del llamado proyecto básico, y mucho menos aún en los detalles, que solamente se concretan cuando ya se está cerca del proceso de licitación.”

En el caso de la plataforma proyectada para Petrobras, los números que constan en los estudios realizados en la USP brindan un dimensión precisa acerca de los desafíos de la extracción de petróleo en las profundidades del océano. “Nuestro proyecto prevé la explotación de petróleo a 1.800 metros de profundidad. El peso previsto de la MonoBR es de 135 mil toneladas, y el ancho del casco es de 95 metros, por citar algunos datos”, dice Daniel. El precio estimado de la plataforma monocolumna es de entre 500 y 700 millones de dólares, un valor mucho más bajo que el de las comerciales.

Varias pequeñas innovaciones tecnológicas están previstas en el diseño final. “Esta plataforma tiene por ejemplo aquello que podemos denominar simetrías geométricas. Esto facilita mucho la construcción y las inspecciones de puntos críticos de la estructura”, informa Marcos. Los investigadores explican que las dimensiones de una plataforma de este porte no se relacionan únicamente con las grandes profundidades. Debido a las características del petróleo brasileño, que es de alta viscosidad, la planta de producción debe ser mayor, para dar espacio a los robustos equipos de extracción y de producción. La cubierta en este caso debe soportar siempre altas cargas.

Desde el punto de vista conceptual, las condiciones hidrodinámicas (el movimiento de las olas y de las corrientes marítimas) del mar brasileño pueden considerarse que son las grandes responsables del desarrollo de la plataforma de columna única, que es capaz de soportar estas condiciones con mayor flexibilidad.

Los investigadores brasileños eligieron por lo tanto un camino único debido a las diferencias ambientales de cada región. En el mar del Norte, en Europa, por ejemplo, las condiciones de olas, de las corrientes, del viento y de profundidad son distintas. Según Daniel, la discusión sobre una columna única es reciente. “Todo empezó a comienzos de los años 1990. Los japoneses, los noruegos y los estadounidenses también están pensando en esto, pero el único proyecto realmente adaptado a Brasil es el nuestro.”

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