Cajón de succión

Los cajones de succión (también conocidos como anclajes de succión , pilotes de succión o cubos de succión ) son un tipo de anclaje fijo para plataformas, consistente en un tubo de fondo abierto incrustado en el sedimento y sellado en la parte superior durante su uso. De esta forma, las fuerzas de elevación generan una diferencia de presión que mantiene el cajón en su lugar. Presentan varias ventajas sobre las cimentaciones marinas convencionales, principalmente por ser más rápidos de instalar que los pilotes de cimentación profunda y más fáciles de retirar durante el desmantelamiento. Actualmente, los cajones de succión se utilizan ampliamente en todo el mundo para anclar grandes instalaciones marinas, como plataformas petrolíferas , plataformas de perforación y plataformas de alojamiento , al lecho marino a grandes profundidades. En los últimos años, también se han utilizado para turbinas eólicas marinas, tanto fijas como flotantes .

La recuperación de petróleo y gas a gran profundidad habría sido una tarea muy difícil sin la tecnología de anclaje por succión, desarrollada y utilizada por primera vez en el Mar del Norte hace 30 años. ^{[ 1 ]} El uso de cajones/anclajes por succión se ha convertido en una práctica común en todo el mundo. Las estadísticas de 2002 revelaron que se habían instalado 485 cajones por succión en más de 50 localidades diferentes alrededor del mundo, a profundidades de hasta aproximadamente 2000 m. Se han instalado cajones por succión en la mayoría de las zonas productoras de petróleo en aguas profundas del mundo: el Mar del Norte , el Golfo de México , la costa de África Occidental, la costa de Brasil, al oeste de las Islas Shetland, el Mar de China Meridional , el Mar Adriático y el Mar de Timor . No se han producido estadísticas fiables después de 2002, pero el uso de cajones por succión sigue en aumento. ^{[ 2 ]}

Un cajón de succión puede describirse como un cubo invertido incrustado en el sedimento marino . Su fijación al lecho marino se logra mediante empuje o creando una presión negativa dentro de la falda del cajón al bombear agua hacia afuera; ambas técnicas aseguran el cajón al lecho marino. La cimentación también puede retirarse rápidamente invirtiendo el proceso de instalación, bombeando agua al interior del cajón para generar una sobrepresión. ^{[ 3 ]}

El concepto de tecnología de succión se desarrolló para proyectos donde la carga gravitatoria no es suficiente para presionar los faldones de cimentación contra el suelo. Esta tecnología también se desarrolló para anclajes sometidos a grandes fuerzas de tensión debido a las olas y las tormentas . La tecnología de cajones de succión funciona muy bien en lechos marinos con arcillas blandas u otros sedimentos de baja resistencia . En muchos casos, los cajones de succión son más fáciles de instalar que los pilotes, que deben hincarse (golpearse) en el suelo con una hincadora de pilotes . ^{[ 4 ]}

Las líneas de amarre se fijan generalmente al lateral del cajón de succión en el punto óptimo de anclaje de la carga, que debe calcularse para cada cajón. Una vez instalado, el cajón se comporta como un pilote rígido corto y es capaz de resistir cargas laterales y axiales. Para calcular la capacidad de carga se utilizan métodos de equilibrio límite o análisis de elementos finitos en 3D. ^{[ 5 ]}

Los cajones de succión se utilizaron por primera vez como anclas para estructuras flotantes en la industria petrolera y gasística en alta mar, incluidas plataformas marinas como la plataforma petrolífera Draupner E.

Existen grandes diferencias entre los primeros cajones de succión pequeños instalados para Shell en el yacimiento de Gorm, en el Mar del Norte, en 1981, y los grandes cajones de succión instalados para la plataforma Diana en el Golfo de México en 1999. Los doce cajones de succión del yacimiento de Gorm tenían como objetivo asegurar un sencillo dispositivo de boya de carga a una profundidad de 40 metros, mientras que la instalación de anclas de succión para la plataforma Diana constituyó un récord mundial en su momento, tanto por la profundidad del agua como por el tamaño de las anclas. Los cajones de succión de Diana tienen una altura de 30 metros, un diámetro de 6,5 metros y se instalaron a una profundidad de unos 1500 metros sobre depósitos de arcilla blanda. Desde entonces, se han instalado cajones de succión a profundidades aún mayores, pero la instalación de Diana representó un avance tecnológico sin precedentes en el siglo XX. ^{[ 6 ]} Un importante avance en el desarrollo de la tecnología de cajones de succión surgió de la cooperación entre el antiguo operador en el Mar del Norte, Saga Petroleum AS , y el Instituto Geotécnico Noruego (NGI). La plataforma productora de petróleo Snorre A de Saga Petroleum era una plataforma de patas de tensión del tipo que en otras partes del mundo se habría cimentado con pilotes de hasta 90 metros de longitud. Desafortunadamente, en el campo petrolífero de Snorre , era difícil utilizar pilotes largos debido a la presencia de enormes guijarros a 60 m de profundidad bajo el lecho marino. Por lo tanto, Saga Petroleum decidió utilizar cajones de succión, que fueron analizados por el NGI. Estos análisis fueron verificados mediante extensas pruebas de modelos. Los cálculos mostraron que la plataforma podía asegurarse de forma segura con cajones de succión de tan solo 12 m de longitud. Snorre A comenzó a producir petróleo en 1992 y ahora es operada por la compañía petrolera noruega Statoil .

Los cubos de succión se probaron con turbinas eólicas marinas en Frederikshavn en 2002, en Horns Rev en 2008 ^{[ 7 ] [ 8 ]} y Borkum Riffgrund en 2014, y se utilizarán en un tercio de las cimentaciones en el desarrollo inicial del parque eólico de Hornsea . ^{[ 9 ]} Statoil ha seguido utilizando la tecnología para parques eólicos. ^{[ 10 ]} También se planea utilizarlos para algunas de las turbinas eólicas en el parque eólico Hornsea Project One, cuya finalización está prevista para 2020. ^{[ 11 ] [ 12 ]} De manera similar, se ha adjudicado un contrato de cubos de succión para el parque eólico de Aberdeen Bay . Los anclajes de succión también se utilizaron para Hywind Scotland , el primer parque eólico flotante comercial del mundo . ^{[ 13 ]}

Los cajones de succión presentan muchas similitudes con los principios y soluciones de diseño de cimentaciones para las grandes plataformas petrolíferas de gravedad instaladas en el Mar del Norte cuando comenzó la producción de petróleo en alta mar a principios de la década de 1970. La primera plataforma petrolífera de gravedad en el yacimiento de Ekofisk tenía una superficie de cimentación del tamaño de un campo de fútbol y se ubicaba sobre un lecho marino de arena muy densa. La plataforma fue diseñada para soportar olas de hasta 24 metros de altura.

A medida que continuaba la instalación de plataformas petrolíferas en el Mar del Norte, en zonas con terrenos desfavorables, como arcillas blandas, estas se diseñaron para resistir olas de tormenta aún más intensas. Dichas plataformas se asentaban sobre un sistema de faldones cilíndricos que se hundían en el suelo bajo la acción combinada de la gravedad y la presión. La plataforma petrolífera del yacimiento Gullfaks C estaba equipada con faldones de 22 m de longitud. La plataforma Troll A , situada a 330 m de profundidad con faldones de 30 m de longitud, es la plataforma de gravedad más grande del mundo.

El Instituto Geotécnico Noruego (NGI) ha participado activamente en el desarrollo conceptual, el diseño y la instalación de anclajes de succión desde sus inicios. El proyecto «Aplicación de cimentaciones y anclajes de cubo en alta mar en lugar de diseños convencionales» (1994-1998), patrocinado por 15 empresas internacionales del sector petrolero e industrial, fue uno de los estudios más importantes. El proyecto «Cimentaciones y anclajes con faldón en arcilla» (1997-1999) fue patrocinado por 19 empresas internacionales organizadas a través del Centro de Investigación de Tecnología Offshore (OTRC) en EE. UU., y el proyecto «Cimentaciones y anclajes con faldón en alta mar en arena» (1997-2000) fue patrocinado por 8 empresas internacionales. Las principales conclusiones de los proyectos se presentaron en el documento n.º 10824 del OTC de 1999 .

En 2003 se completó un estudio patrocinado por la industria sobre el diseño y análisis de anclajes para aguas profundas en arcilla blanda, en el que NGI participó junto con OTRC y el Centro de Sistemas de Cimentación Marina (COFS) de Australia. El objetivo general era proporcionar al Grupo de Trabajo Geotécnico de la API (RG7) y al Proyecto Conjunto Industrial Deepstar VI la información de base, los datos y demás información necesaria para desarrollar una práctica recomendada de amplia aplicación para el diseño e instalación de anclajes para aguas profundas.

La sociedad de clasificación noruega DNV ( Det Norske Veritas ), activa a nivel mundial en el análisis de riesgos y la evaluación de la seguridad de construcciones especiales, ha elaborado un informe de buenas prácticas sobre los procedimientos de diseño para anclajes de succión, basado en una estrecha colaboración con NGI. La información principal del proyecto se presentó en el documento OTC n.º 18038 de 2006.

En 2002, NGI estableció la filial NGI Inc. en Houston. Desde entonces, a esta filial se le ha adjudicado el diseño geotécnico detallado de más de 15 proyectos de anclajes de succión en el Golfo de México, entre ellos el complejo proyecto Mad Dog Spar, que implica el diseño de anclajes ubicados en antiguos depósitos de deslizamiento bajo la escarpa de Sigsbee . Para obtener más información, consulte los documentos OTC n.° 17949 y 17950 de 2006. ^{[ 14 ]}