En un contexto global, existe una indudable dependencia a los combustibles fósiles a falta de soluciones efectivas y extendidas para la generación de electricidad. Ello, sumado a la creciente demanda de hidrocarburos por parte países en vías de desarrollo, hace prever un incremento en la explotación de yacimientos de petróleo.
Estos escenarios han producido un incremento en la demanda de nuevas y renovadas plataformas (Figure 1) , más adaptadas a los nuevos tiempos, que tengan en cuenta renovadas técnicas y una integración lo menos impactante posible con el medio ambiente marino.
Figure 1. Tipos de plataformas offshore.
Elección de la Plataforma
A la hora de elegir el tipo de plataforma que se debe diseñar, únicamente se deben de tener en cuenta aquellas de producción; ya que son las estructuras encargadas de la extracción del crudo. Por lo tanto, las estructuras que se deben tener presente son:
- Semi sumergible.
- Buques de producción.
- Plataforma de patas tensoras (TLP).
- Torres fijas (Jackets).
- Estructuras por gravedad (GBS).
Criterios de Diseño
Una vez determinado el emplazamiento final de la estructura, hay una serie factores que determinarán que tipo de plataforma offshore es la más adecuada. Los criterios de diseño básicos para la elección de la plataforma son:
- Profundidad
- Movilidad
- Capacidad de carga
Diseño, Cálculos y Dimensionamiento Preliminar de la Superestructura
En esta parte del proyecto se aborda el problema de diseñar la superestructura de la plataforma petrolífera, entendiendo dicha superestructura como el conjunto de vigas que soportan los elementos funcionales de la plataforma.
A fin de simplificar y aplicar una metodología que permita obtener buenos resultados se considera apropiado los siguientes aspectos:
1) Normativa y diseño: Se resumen los puntos importantes a tener en cuenta para el cumplimiento a las normas de diseño. En términos de diseño, los estándares o normas especifican una serie de criterios a tener en cuenta que se resumen de la siguiente forma:
- Tener presente la orientación, profundidad de las aguas y el acceso a la propia plataforma; así como la elevación de la superestructura respecto a la cresta de la ola de diseño y un conjunto de fenómenos geológicos y ambientales tales como el viento, el hielo, la actividad sísmica o la inestabilidad del fondo marino.
- Tener más conocimientos sobre el estado del lecho marino, a fin de poder permitir un diseño no solo económico y seguro, sino adecuado para futuras ampliaciones; ya sea de la propia plataforma o mediante plataformas anexas, sin que ello requiera realizar nuevos estudios.
2) Dimensionamiento preliminar de la superestructura: Fase del proyecto en la que se realiza un dimensionamiento inicial. Se establecen las primeras formas, definiendo por primera vez los elementos que se pretenden integrar en la estructura. Dichos elementos se consideran instalaciones del tipo “Topsides”, en donde se realizan las principales funciones operacionales y de apoyo para la extracción del crudo.
En base a las consideraciones que se han mencionado en las líneas anteriores, se realiza un dimensionamiento previo de formas de la superestructura partiendo de geometrías simples (Figure 2), que serán definidas en el punto 3.
Figure 2. Dimensionamiento Preliminar de la Plataforma y los Topsides.
3. Definición de cargas y elementos: En dicha fase se pretende desarrollar el diseño preliminar, definiendo más detalladamente tanto los elementos a integrar en la estructura, como sus pesos y formas (Figure 3).
Figure 3. Diseño de la Superestructura y Disposición de los Topsides.
Una vez ejecutadas las fases anteriores, se pretende obtener una serie de resultados de vital importancia para el estudio relacionada a los pilares de la plataforma. El objetivo consistirá en:
- Conocer y entender el comportamiento de la superestructura a partir de la disposición de los topsides, en base a los perfiles escogidos para todas y a cada una de las vigas.
- Obtener un valor de carga a transmitir, al extremo de las columnas a modo de esfuerzo axial y optimizar el modelo.
Desarrollo de Simulaciones y Análisis de Cargas
Definidos los elementos del topside, luego se buscará interpretar las cargas que todos y cada uno de dichos elementos transmitirán al conjunto de vigas. Por ejemplo, para estructuras fijas, según el estándar API-RP2A “Recommended Practice for Planning, Design and Constructing Fixed Offshore Platforms – Working Strees Design”, los conjuntos de cargas a tener en cuenta son:
- Cargas muertas.
- Cargas vivas.
- Cargas ambientales.
- Cargas constructivas.
- Cargas de reinstalación o instalación de la plataforma.
- Cargas dinámicas.
Una vez determinadas las cargas a aplicar sobre la estructuras, se está en la disposición de introducir estos datos en diferentes software especializados (Figure 4), cuyo cálculo está basado en elementos finitos y otras metodologías; acortando el tiempo de predicción del comportamiento de todo la plataforma y sin el desarrollo de prototipos a pequeñas escalas que siguen siendo costosos de producir.
Figure 4. Simulación y Análisis de Cargas en Software Especializado.
Tras la obtención de la estructura final, procedemos a analizar el comportamiento global teniendo en cuenta todas las cargas, que previamente se deben haber distribuido adecuadamente. El objetivo que se persigue, es observar cómo se comporta la estructura entera y si todas y cada una de las secciones presentan niveles de tensión admisibles o no. Dependiendo de los resultados, se reevaluarán secciones y/o se rediseñarán a fin de cumplir con la seguridad y confiabilidad operacional que requiere la plataforma.
Autor: Alberto Guerrero Parra. Docente del Máster en Petróleo y Gas: Prospección, Transformación y Gestión de EADIC.