Appunti Mezzi navali offshore completi

Tipologie di mezzi offshore

Abbiamo fatto una veloce carrellata sulle tipologie di mezzi offshore per quanto riguarda principalmente l'indotto petrolifero. In realtà, molte caratteristiche delle varie unità si ripetono indipendentemente da quale sia l'applicazione del mezzo navale. Questo perché ogni mezzo offshore deve sempre tenere conto di una serie di requisiti o di necessità che può avere qualsiasi mezzo che opera in mare aperto, indipendentemente (in parte) dall'applicazione.

Wind farms support vessels

Le wind farms support vessels hanno il requisito di trasportare materiale che serve alla costruzione della turbina eolica e alla sua manutenzione. Vedremo col tempo quanto siano analoghe le attrezzature che servono sia per un pozzo petrolifero (ovviamente molto probabile che l'azione di una turbina eolica non serva una cassa di cemento) sia per una turbina eolica.

Supply vessel e supporto diving

Tutti i supply vessel e molti altri mezzi offshore sono predisposti per il supporto diving, quindi per l'attività di supporto agli operatori umani sottomarini e le operazioni meccaniche sottomarine chiamate ROV (remotely operated vehicles).

Oil and gas

Il ciclo vita del greggio viene diviso in tre flussi:

• Upstream
• Midstream
• Downstream

Questi tre flussi della vita e della lavorazione del petrolio identificano lo stato del greggio dal pozzo fino alla pompa di benzina o alla presa di corrente.

Upstream

Parleremo soprattutto della upstream che riguarda l'oil e gas exploration and production: ovvero tutto quello che riguarda l'esplorazione e la produzione (con produzione si intende la separazione del greggio dai prodotti di scarto, che sono l'acqua che viene estratta insieme al greggio e i gas che non possono essere trasformati in fonti di energia), quindi la production si riferisce all'estrazione.

L'esplorazione è l'unica attività di questi tre flussi principali che non garantisce un ritorno economico diretto perché l'esplorazione si riferisce allo scandagliare il fondale marino individuando zone di fondale dov'è più o meno probabile sia situato un pozzo. Questa attività è estremamente costosa. Fa parte della upstream anche la costruzione del pozzo (attività di nuovo prettamente navale perché si utilizzano le drill ship, ovvero le unità navali di perforazione) e le FPSO (Floating Production Storage Offloading) che trasportano il greggio dal fondale marino alla superficie.

Midstream

Midstream riguarda tutto ciò che collega l'estrazione con la raffineria, quindi per quanto riguarda le applicazioni in mare aperto si fa riferimento o alle tanker che caricano il greggio e lo portano a terra, o all'infrastruttura subacquea di condotte se i pozzi non sono troppo distanti da terra.

Downstream

Downstream è l'ultima parte (parte in cui l'attività navale non è più quella offshore ma quella mercantile) e riguarda l'affinazione del prodotto (che è greggio e deve diventare un idrocarburo) e l'utilizzo.

Seismic vessel

Questa unità ha una forma molto particolare perché ha il compito di trascinarsi dietro delle linee (lunghe qualche chilometro) di oggetti che si chiamano airguns. Si utilizzano dei fucili ad aria compressa che generano delle onde di pressione sul fondale marino che vengono inviate a poppa via dell'unità. A qualche chilometro di distanza sono disposti degli idrofoni che analizzano il modo in cui l'onda di pressione (che ha impattato sul fondale) ritorna in superficie. A seconda di come queste onde di pressione vengono deviate dal fondale è possibile valutare qual è la probabilità di trovare un giacimento. Queste navi indirettamente hanno un compito ancora più nobile, ovvero tracciare la forma del sottosuolo marino.

La linea di lavoro

La linea di lavoro viene chiamata streamer. Essa è tenuta ad una certa profondità (2/5 m); all'estremità dello streamer si trova un tail buoy (galleggiante) che controlla l'immersione di tutto lo streamer. Sull' streamer sono disposti gli idrofoni. Con un solo streamer abbiamo una rilevazione 2D del fondale, mentre più linee di streamer permettono di avere un rilevamento tridimensionale del fondale marino.

Oltre ad avere tutti gli impianti che la rendono un mezzo offshore, ha un argano per ogni streamer e (quindi ha molti argani a bordo). Queste unità sono dotate di sistema di posizionamento dinamico; migliore è il mantenimento di una traiettoria, migliore sarà la misurazione sul fondale. Queste unità operano anche per la previsione di terremoti nelle zone più soggette.

Sistema di posizionamento dinamico

Il sistema di posizionamento dinamico è la capacità di un mezzo di mantenere posizione e angolo di prua rispetto al nord nello spazio nel tempo solo attraverso l'uso del proprio sistema propulsivo. Questa manovra, che fa riferimento al posizionamento dinamico, si chiama station keeping. Il posizionamento dinamico prevede non solo la capacità di stare fermi in mezzo al mare, ma di far percorrere alla nave una traiettoria predefinita (che è diversa da una rotta); controllare la traiettoria significa imporre che la nave segua una curva cinematica (cioè al punto sono associate le componenti della velocità di quel mezzo).

Drillship

Una volta trovata la posizione di un giacimento petrolifero, dobbiamo costruire un pozzo. Per questo utilizziamo una drillship (o drilling vessels unità di perforazione).

Caratteristiche principali di una drill ship

• La turret, ovvero il traliccio a centro nave che ospita la trivella.
• Una zona di lavoro molto ampia.
• Un'industria di supporto all'attività di trivellazione (esattamente come una trivella che si trova a terra).
• Posizionamento dinamico (station keeping) di altissimo livello; infatti, anche se è possibile prevedere con un certo anticipo le condizioni meteo marine, un'unità che comincia a perforare ha delle fasi in cui non è possibile interrompere la lavorazione, pertanto queste unità hanno i requisiti più stringenti di stazionamento proprio per poter operare e mantenere la loro posizione anche in condizioni meteo marine molto avverse.
• La nave ha dei requisiti di stabilità estremamente stringenti (il traliccio quindi in questo senso è svantaggioso); infatti, il traliccio potrebbe servire più in alto ma non supera mai i 50 m per motivi di stabilità. Per questo motivo non è una torre piena ma è un traliccio, in modo tale da avere una superficie esposta al vento minore (cava).
• Le dimensioni di queste navi sono molto grandi e quindi hanno delle aree di galleggiamento ampie che gli garantiscono un po' di stabilità; capita spesso che queste unità (anche in fondali bassi) non siano ancorate perché se ancorate hanno meno riserva di stabilità.
• La configurazione propulsiva tipica drillship sono almeno 5 o 6 propulsori azimutali, ovvero eliche che possono ruotare su loro stesse di 360°.

Una caratteristica abbastanza tipica dei mezzi offshore è che sono unità a fondo piatto con una serie di propulsori che stanno sotto il fondo (tipico dei mezzi che fanno un posizionamento dinamico). Scendendo giù nel terreno sul fondale, si incontrano diversi strati di materia; questo è il motivo per cui la testa della trivella viene cambiata ad ogni strato (ci sono teste in ferro, in diamante, ecc.).

Uso del fango

Il fango si usa perché ha un doppio effetto:

• Uscendo da un tubo situato all'interno della trivella, tende a fuoriuscire dallo scavo verso l'alto e porta con sé i detriti che produce la trivella.
• Mantiene in pressione tutta la linea.

Come tutti i mezzi offshore, non operano mai da sole; hanno sempre delle unità di supporto (c'è almeno un PSV), le drill ship più di altre unità poiché hanno pochissimo spazio libero sul ponte.

La nave è dotata anche di bowthruster, ovvero eliche monodirezionali che si trovano installate sulla carena, nelle navi mercantili generalmente a proravia. In sostanza, la carena nelle zone del bulbo ha un tunnel trasversale (che serve a garantire una certa accelerazione del flusso nell’elica) all'interno del quale vi è un elica che può spingere la nave o a dritta o a sinistra, aiutandola nelle manovre portuali. Esistono bowthruster (a prua) e sternthruster (a poppa).

Le drill ship sono dotate di un'apertura centrale dello scafo che corre per tutta l'altezza di esso chiamata moon pool e che serve per far passare la trivella (la stessa situazione si trova nelle unità di production che, o hanno la moon pool o hanno una piccola turret esterna per far passare i collegamenti col pozzo).

I propulsori azimutali sono spesso disposti in questo modo:

Drilling vessels semi-submersible

Hanno le stesse proprietà delle drilling vessel ma non hanno la forma di una nave, si chiamano piattaforme semi sommergibili. Anche questa unità è caratterizzata dall'avere a centro scafo la moon pool. Non hanno meno di 8 propulsori azimutali (due per angolo), quindi ogni pontone sul suo fondo ha almeno quattro propulsori.

Pro e contro: drill ship e semi sommergibile

Tra una drill ship normale e una semi sommergibile ci sono dei pro e dei contro:

• Su una drill ship il vantaggio è che i trasferimenti sono sicuramente più semplici (proprio perché hanno la forma di una nave normale e per questo vengono chiamate hull shaped).
• La piattaforma ha il vantaggio invece di avere molto più spazio a bordo. Le velocità di trasferimento non superano i 5 nodi (questo è uno svantaggio poiché rende lento lo spostamento da un punto di lavoro ad un altro), ma è molto stabile quando è in posizione (più stabile della drill ship in stazionamento). Questo dà la possibilità di fare tralicci più alti, e questo è dovuto al fatto che in stazionamento espone al mare solo le colonne; inoltre, avendo le colonne, ha la possibilità di sopraelevare la zona di lavoro di diversi metri rispetto al mare.

Tipologie di unità semi sommergibili

Esistono due tipologie di unità semi sommergibili:

• Bottom-type semisubs: non hanno un impianto propulsivo e sono ancorate. Abbiamo la struttura che è una piattaforma con sotto quattro colonne. La particolarità è che l'acqua all'interno delle colonne è controllata, per poter variare la sopraelevazione della piattaforma rispetto al mare.
• Column-stabilized semisubs: è la tecnologia di semisubmersible più diffusa ed è costituita da due puntoni, 4-6-8 colonne, la piattaforma ed il traliccio per la trivella. Ovviamente è dotata di un suo apparato propulsivo.

Sia le drill ship che le semi sommergibili (quelle dotate di impianto propulsivo) vengono chiamate “mobile offshore and drilling units” (MODU).

Jackup vessels

Un'altra tipologia di unità da perforazione, che trova la sua maggiore applicazione nel mondo wind farm, è la jackup vessels. Le jackup vessels originariamente sono delle unità navali dotate di tralicci che possono scorrere lungo l'asse verticale. L'unità è in grado di spostarsi in mare, arrivare in posizione, far scorrere verso il basso i tralicci, poggiarsi sul fondo e sopra elevarsi rispetto alla superficie del mare.

Le jackup vessels trovano maggiore applicazione nel mondo wind farm. Generalmente le wind farm (e quindi i campi di turbine eoliche) non si trovano a grandi distanze dalla costa e sono molto diffuse in zone dove le acque non sono molto profonde. Difatti un jackup di solito non è in grado di superare i 70 m di fondale (possono arrivare a massimo 100 m), proprio perché i tralicci devono essere trasportati durante la navigazione e quindi non possono essere troppo alti.

Questi sono mezzi molto versatili e sono tendenzialmente un buon compromesso fra una drill ship hull shaped e una piattaforma semisommergibile perché raccolgono i vantaggi di entrambe. La limitazione di questa unità sta proprio nel fatto che può operare soltanto a bassi fondali.

In queste unità vi è una parte dell’equipaggio legata alle attività nave e una parte dell'equipaggio che invece non è composta da operatori ufficiali che hanno competenze prettamente navali, ma da tecnici e ingegneri di ambiti meccanici, elettrici, elettronici, geologi che devono abituarsi a svolgere un lavoro in mare e integrarsi col resto del personale.

DP3: sistema di posizionamento dinamico che garantisce certe capacità di station keeping (anche in condizioni ambientali avverse) proprio offshore supply vessel: l'unità in questione in ogni caso è sempre supportata da almeno quella offshore supply vessel.

Nella realtà, attorno a una piattaforma di questo tipo orbitano nell'arco della giornata e della nottata diversi mezzi, con diversi compiti. Fra le unità più multitasking abbiamo le chiatte (barge).

Offshore barge

Molte delle chiatte in ambito offshore sono dotate di un apparato propulsivo. Generalmente hanno una piccola sovrastruttura, un certo numero di cabine e una gru che serve a spostare materiale.

Tipologie di chiatte di supporto

Le chiatte di supporto alla wind farm si riconoscono dal fatto che a bordo hanno i vari pezzi delle turbine. Esistono tantissime tipologie di chiatte:

• Cargo barges classiche: sono semplicemente delle superfici galleggianti che possono essere considerate come delle estensioni dello spazio dove depositare o appoggiare o trasportare materiali, oppure come semplicemente un'estensione del ponte di coperta delle unità offshore.
• Launch cargo barges: sono unità che si occupano di trasportare e sversare i tralicci o altre parti in mare aperto. Ovviamente esistono unità in grado di sollevare elevati pesi; esistono delle chiatte che di fatto sono delle porta a gru (queste nella realtà le vediamo anche in cantieristica sottocosta, ovvero esiste spesso sia nei cantieri di riparazione che nei cantieri di costruzione la necessità di appoggiarsi a delle gru galleggianti, ovvero delle chiatte con la gru installata sopra).
• Accomodation barges: possono essere viste sia come delle barge, che come delle navi. Esistono delle barge (ad esempio cargo barges generiche) che vengono allestite con una serie di container alloggi (e quindi si trasformano in accomodation barge), esistono anche delle navi che sono praticamente delle cruise di dimensioni ridotte e con servizi orientati alla vita post lavoro.

Anchor handling tug supply vessels

Sono dei rimorchiatori d'altura. Hanno delle forme di carena caratteristiche dei rimorchiatori ma con delle dimensioni più adeguate alla navigazione in mare aperto (quindi sono mezzi d'altura come tutti i mezzi offshore). Non hanno solo capacità di tiro come tutti i rimorchiatori ma hanno anche come compito principale quello di movimentare gli ancoraggi delle piattaforme.

Recentemente questa classe di mezzi, in conformità con la multidisciplinarietà dei mezzi offshore, è diventato un anchor handling supply vessels, quindi contiene anche tutti gli altri impianti che caratterizzano tutti i mezzi navali offshore di supporto. Quindi è una supply vessel a tutti gli effetti, che ha anche requisiti di tiro (per il traino delle piattaforme sia da una posizione all'altra, sia da porti a installazioni sul mare), ed in più ha delle configurazioni particolari della forma di poppa (particolarmente spiovente, non ha un dritto di poppa) legata al fatto che è in grado di trattenere cavi e funi in tiro utilizzando il ponte e l'uscita di poppa.

Queste unità tendono ad assomigliare sempre di più a supply vessel e sempre meno a rimorchiatori, mentre i vecchi anchor handling assomigliano di più a dei rimorchiatori.

Anchor handling supply vessels e rimorchiatori: similitudini e differenze

• Le forme di carena dell'opera viva sono simili a quelle di un rimorchiatore (carena molto panciuta perché queste unità devono tenere in tiro l'estremità poppiere prodiere delle navi per agevolare la manovra in porto).
• Un rimorchiatore d'altura ha tonnellaggi molto più alti, infatti deve soddisfare la necessità di mantenere in rotta per diverse miglia dei mezzi galleggianti che non hanno un impianto propulsivo, piuttosto che dare delle agevolazioni di manovra in un'area portuale ad un grande mezzo (nave) che ha scarse capacità di manovra. Inoltre queste unità devono soddisfare la necessità di stare fermi in un punto ed agganciarsi ad un'ancora (posizionata anche a 1000 m di profondità), tenerla in tiro e (senza ribaltarsi) tirarla su fino al ponte.

Questa unità è caratterizzata dalla disposizione a bordo di una serie di argani in grado di collegare e raccogliere metri di catene e cime. Abbiamo anche dei vericcelli che devono avere una certa capacità di tiro e di sospensione. Nella parte prodiera abbiamo dei tamburi da rimorchio (adibiti al rimorchio dei mezzi navali o galleggianti). La nave è inoltre dotata di un certo numero di barbotin (oggetti che sono in grado di raccogliere e raddrizzare le catene).

Generalmente dai 500 m di fondale in su sono rare le unità che stazionano con mooring line. Esce il posizionamento dinamico. Su questa unità gli impianti sono tutti posizionati a murata e protetti da una sorta di cofferdam, in questo modo si evita di danneggiarli durante le operazioni della nave.

Bollard pull

Tiro a punto fisso, si misura in questo modo: si collega tramite una cima l'unità (anchor handling supply vessel) alla banchina, si fanno ruotare le eliche al massimo in modo tale da tendere la cima, dopodiché si misura la tensione sulla cima. Quindi questo parametro indica la capacità di tiro del mezzo, ovvero quanto le eliche riescono a tenere in tensione la fune. Questo parametro è proporzionale alla capacità di tiro.