Los cajones de succión (también conocidos como anclas de succión , pilotes de succión o cubos de succión ) son una forma de anclaje de plataforma fija en forma de un tubo de fondo abierto incrustado en el sedimento y sellado en la parte superior mientras está en uso para que las fuerzas de elevación generen un diferencial de presión que mantiene el cajón abajo. Tienen una serie de ventajas sobre las cimentaciones marinas convencionales, principalmente son más rápidos de instalar que los pilotes de cimentación profunda y son más fáciles de quitar durante el desmantelamiento. Los cajones de succión ahora se utilizan ampliamente en todo el mundo para anclar grandes instalaciones marinas, como plataformas petrolíferas , perforaciones marinas y plataformas de alojamiento al fondo marino a grandes profundidades. En los últimos años, los cajones de succión también se han utilizado para turbinas eólicas marinas en aguas menos profundas.
La recuperación de petróleo y gas a gran profundidad podría haber sido una tarea muy difícil sin la tecnología de anclaje de succión, que se desarrolló y utilizó por primera vez en el Mar del Norte hace 30 años. [1] El uso de cajones/anclajes de succión se ha convertido en una práctica común en todo el mundo. Las estadísticas de 2002 revelaron que se habían instalado 485 cajones de succión en más de 50 localidades diferentes en todo el mundo, a profundidades de aproximadamente 2000 m. Se han instalado cajones de succión en la mayoría de las áreas de producción de petróleo en aguas profundas en todo el mundo: el Mar del Norte , el Golfo de México , las costas de África Occidental, las costas de Brasil, el oeste de Shetland, el Mar de China Meridional , el Mar Adriático y el Mar de Timor . No se han elaborado estadísticas confiables después de 2002, pero el uso de cajones de succión sigue aumentando. [2]
Un cajón de succión puede describirse efectivamente como un balde invertido que está incrustado en el sedimento marino . La fijación al lecho marino se logra ya sea empujándolo o creando una presión negativa dentro del faldón del cajón bombeando agua fuera del cajón; ambas técnicas tienen el efecto de asegurar el cajón en el lecho marino. La base también se puede quitar rápidamente invirtiendo el proceso de instalación, bombeando agua dentro del cajón para crear una sobrepresión. [3]
El concepto de tecnología de succión fue desarrollado para proyectos donde la carga de gravedad no es suficiente para presionar los faldones de cimentación en el suelo. La tecnología también fue desarrollada para anclajes sujetos a grandes fuerzas de tensión debido a las olas y el clima tormentoso . La tecnología de cajones de succión funciona muy bien en un lecho marino con arcillas blandas u otros sedimentos de baja resistencia . Los cajones de succión son en muchos casos más fáciles de instalar que los pilotes, que deben hincarse (martillarse) en el suelo con un martinete . [4]
Las líneas de amarre se suelen fijar al lateral del cajón de succión en el punto de fijación de carga óptimo, que debe calcularse para cada cajón. Una vez instalado, el cajón actúa de forma muy similar a un pilote rígido corto y es capaz de resistir cargas tanto laterales como axiales. Para calcular la capacidad de retención se utilizan métodos de equilibrio límite o análisis de elementos finitos 3D. [5]
Los cajones de succión se utilizaron por primera vez como anclas para estructuras flotantes en la industria del petróleo y el gas en alta mar, incluidas plataformas marinas como la plataforma petrolífera Draupner E.
Existen grandes diferencias entre los primeros cajones de succión pequeños que se instalaron para Shell en el campo Gorm en el Mar del Norte en 1981 y los grandes cajones de succión que se instalaron para la plataforma Diana en el Golfo de México en 1999. Los doce cajones de succión en el campo Gorm estaban destinados a asegurar un dispositivo de boya de carga simple a una profundidad de 40 metros, mientras que la instalación de anclas de succión para la plataforma Diana fue un récord mundial en ese momento en lo que respecta a la profundidad del agua y el tamaño de las anclas. La altura de los cajones de succión Diana es de 30 metros, su diámetro de 6,5 metros, y se instalaron a una profundidad de aproximadamente 1500 m sobre depósitos de arcilla blanda. Desde entonces, se han instalado cajones de succión a profundidades aún mayores, pero la instalación de Diana fue un avance tecnológico para el siglo XX. [6] Un importante paso en el desarrollo de la tecnología de los 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 petrolífera Snorre A de Saga Petroleum era una plataforma de columna de tensión de un tipo que en otras partes del mundo se habría cimentado con pilotes de hasta 90 metros de largo. 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 NGI. Estos análisis se verificaron a partir de extensas pruebas con modelos. Los cálculos mostraron que la plataforma podía ser asegurada de manera segura mediante cajones de succión de solo 12 m de longitud. Snorre A comenzó a producir petróleo en 1992 y ahora es operada por la compañía petrolera noruega Statoil .
Los baldes 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 los cimientos en el desarrollo inicial en el parque eólico de Hornsea . [9] Statoil ha seguido utilizando la tecnología para parques eólicos. [10] También está previsto que se utilicen para algunas de las turbinas eólicas en el parque eólico Hornsea Project One, cuya finalización está prevista para 2020. [11] [12] De forma similar, se ha adjudicado un contrato de baldes de succión para el parque eólico de Aberdeen Bay .
Los cajones de succión tienen muchas similitudes con los principios y soluciones de diseño de cimentación de las grandes plataformas petrolíferas de gravedad que se instalaron en el Mar del Norte cuando comenzó la producción de petróleo en alta mar a principios de los años 70. La primera plataforma petrolífera de gravedad en el yacimiento petrolífero de Ekofisk tenía una superficie de cimentación tan grande como un campo de fútbol y estaba ubicada sobre un fondo marino con arena muy densa. La plataforma fue diseñada para soportar olas de hasta 24 m de altura.
A medida que se fueron instalando plataformas petrolíferas en el Mar del Norte, en zonas con malas condiciones del suelo, como arcillas blandas, se diseñaron para resistir olas de tormenta aún más altas. Estas plataformas se basaron en un sistema de faldones cilíndricos que se hundieron en el suelo bajo una combinación de carga de gravedad y subpresión. La plataforma petrolífera del campo Gullfaks C estaba equipada con faldones de 22 m de largo. La plataforma Troll A está fundada a 330 m de profundidad con faldones de 30 m de largo y es la plataforma de gravedad más grande del mundo.
El Instituto Geotécnico Noruego (NGI) ha estado muy involucrado en el desarrollo conceptual, diseño e instalación de anclajes de succión desde el principio. El proyecto "Aplicación de cimentaciones de cangilones y anclajes en alta mar en lugar de diseños convencionales" (1994-1998) fue patrocinado por 15 compañías petroleras e industriales internacionales y fue uno de los estudios más importantes. El proyecto "Cimentaciones con faldón y anclajes en arcilla" (1997-1999) fue patrocinado por 19 compañías internacionales organizadas a través del Centro de Investigación de Tecnología Offshore (OTRC) en los EE. UU., y el proyecto "Cimentaciones con faldón y anclajes en arena" (1997-2000) fue patrocinado por 8 compañías internacionales. Las principales conclusiones de los proyectos se presentaron en el documento OTC de 1999 n.º 10824.
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 Offshore (COFS) en Australia. El objetivo general era proporcionar al Grupo de Trabajo Geotécnico de API (RG7) y al Proyecto Industrial Conjunto Deepstar VI los antecedentes, datos y otra 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 prácticas recomendadas sobre los procedimientos de diseño de anclajes de succión, que se basa 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 subsidiaria NGI Inc en Houston. Desde entonces, la subsidiaria ha sido adjudicataria del diseño geotécnico detallado para más de 15 proyectos de anclajes de succión en el Golfo de México, y entre ellos, el desafiante proyecto Mad Dog Spar que implica el diseño de anclajes ubicados en antiguos depósitos de deslizamiento debajo de la escarpa Sigsbee . Para obtener más información, se puede consultar los documentos OTC de 2006 n.° 17949 y 17950. [13]