Avaliacao Da Integridade Estrutural de u

IBP1891_14 AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL DE UMA SUBESTRU TURA DE SONDA DE PRODUÇÃO TERRESTRE Copyright 2014, Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis - IBP Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2014, realizado no período de 15 a 18 de setembro de 2014, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, seguindo as informações contidas no trabalho completo submetido pelo(s) autor(es). Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis, Sócios e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2014.

______________________________ 1 Doutor, Professor, - UFPB 2 Engenheiro Mecânico, Gerente – BRASERV 3 Aluno, Engenharia Mecânica, - UFPB 4 Aluno, Engenharia Mecânica, - UFPB

IBP1891_14 AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL DE UMA

SUBESTRUTURA DE SONDA DE PRODUÇÃO TERRESTRE Marcelo C. Rodrigues1, José A. F. Araújo 2, Felipe M. P. Souza3,

João V. M.A. Sousa4.

Resumo Neste artigo, apresentam-se os resultados da análise numérica da distribuição de tensões de von Mises e deformação de uma subestrutura usada em sonda de produção terrestre da BRASERV Petróleo Ltda. Essa subestrutura está submetida a carregamentos máximos de tração, torque e flexão verificados em operações cotidianas de workover. A motivação deste trabalho foi devido à resolução ANP Nº 36, de 13.11.2007, que a partir da 7ª rodada de licitações, realizada em 2005, a ANP introduziu novas regras e exigências para cumprimento de Conteúdo Local contratual que estabelece que os compromissos dos concessionários quanto à aquisição local de bens e serviços serão comprovados junto à ANP pela apresentação de certificado de conteúdo local, serão de extrema importância o estudo, pesquisa e desenvolvimento de equipamentos usados para exploração e produção de petróleo e gás para a formação de mão de obra nacional e qualificada para certificação. A partir disto, é importante obter o comportamento estrutural de equipamentos que podem ser fabricados e otimizados para se obter maior desempenho de operação. A subestrutura é usada no apoio do mastro da sonda, dando estabilidade e segurança, além de suportar cargas de tração devido ao peso da coluna de produção, torque devido às operações de corte de cimento, revestimento, etc e a flexões, flambagens devido ao momento gerado por essas cargas. Esta subestrutura suporta cargas de até 300.000 lbf, sendo uma das maiores usadas em campos terrestres. O objetivo deste trabalho é conhecer os pontos de maiores concentrações de tensões e assim possibilitar máxima segurança de operação, desempenho e agilidade nas operações. Abstract In this article, present the results of numerical analysis of von Mises stress and deformation for a land rig substructure of used in onshore production oil BRASERV PETROLEO Ltda. This substructure is subjected to traction, torque and bending loading checked in daily workover operations. The motivation for this work was due the ANP Resolution number 36, dated 13.11.2007, which from the 7th round of bidding held in 2005, the ANP has introduced new rules and requirements for fulfilling contractual Local Content which requires commitments from dealers as for the local purchase of goods and services shall be supported by the ANP by presenting local certificate, study, research and development for all equipment used for oil and gas exploration and production. It is important to obtain the structural behavior of equipment’s that can be made in Brazil. The land rig substructure is used to support the mast of the oil rig, giving stability and security. This land rig substructure supports loads of up to 300,000 lbf . The objective of this work is to know the points of greatest stress concentrations and thus ensure maximum operating safety, performance and agility in operations.

Rio Oil & Gas Expo and Conference 2014

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1. Introdução Operações de Completação e Workover em poços de petróleo são realizadas após o termino da perfuração com o objetivo de deixá-lo em condições de operar de forma segura e econômica durante sua vida produtiva e por necessidade de manutenção.

Uma sonda de produção terrestre (SPT) é um equipamento que permite a realização de intervenções em poços de petróleo e gás, com objetivos diversos, sejam eles: aumentar a produtividade do poço, tamponar ou explorar novas zonas, substituir equipamentos de sub superfície, etc.

Para que uma sonda possa executar as atividades de produção (completação, workover e limpeza), é necessário que equipamentos auxiliares tornem as atividades seguras e exequíveis dentro de normas operacionais de manutenção, operação, segurança e meio-ambiente.

Os principais equipamentos auxiliares que compõe uma sonda de produção terrestre e que deverão ser alvos de grande atenção em virtude das condições operacionais a que são submetidos ou simplesmente pela sua importância são: sistemas de transmissão de movimentos, sustentação e movimentação de cargas, rotativos, segurança de erupção de poços e por fim, bombeamento de fluido. Podem-se chamar esses equipamentos auxiliares de equipamentos críticos, pois uma falha inesperada de qualquer um deles poderá ocasionar perdas irreparáveis à saúde humana e ao meio – ambiente.

A preocupação com a integridade estrutural desses equipamentos deve seguir normas como a API 4F (Specification for Drilling and Well Servicing Structures) e recomendações técnicas dos seus fabricantes de forma a potencializar e assegurar que as suas funções sejam alcançadas.

A sonda de produção terrestre (SPT) realiza um conjunto de operações que visam por o poço em produção. As operações básicas que compõe uma completação podem ser definidas como: Instalação dos equipamentos de segurança para controle do poço; substituição do fluido contido no poço por um fluido de completação; condicionamento do revestimento de produção e do fluido nele contido; verificação da qualidade da cimentação primária; canhoneio; teste de formação; instalação dos equipamentos de subsuperfície e de superfície e colocação do poço em produção. Além dessas existem operações de workover e limpeza, atividades desenvolvidas por uma SPT para proporcionar a manutenção da produção do poço de petróleo ou gás. Basicamente, resumem-se em um conjunto de operação complexas que visam corrigir problemas em intervalos produtores ou em equipamentos de subsuperfície, de forma a restabelecer a vazão do poço. Podem ser classificadas em: recompletação; restauração; mudança de método de elevação; estimulação; avaliação; limpeza (Thomas, 2001). Neste trabalho uma subestrutura usada em sonda de produção terrestre para suportar 300.000 lbs é modelada numericamente para análise estrutural dos esforços aplicados durante a operação. O modelo da subestrutura é submetido a uma carga de compressão de 200.000 lbs que equivale a 400 tubos de 3 ½” IF estaleirados sobre a plataforma da subestrutura (22,1 psi de pressão sobre uma área da subestrutura), onde realiza-se análise numérica com os tubos prontos para descida no poço, considerando também o peso próprio da estrutura.

2. Subestrutura A sonda de produção terrestre possui sistemas de sustentação de cargas responsáveis por suportar a coluna de tubos e/ou equipamentos de subsuperfície. Devem ter capacidade de carga estática e dinâmica compatível com a operação a ser desenvolvida e por sofrerem cargas cíclicas, são considerados como os equipamentos mais críticos de uma sonda de produção terrestre. Podem-se citar os equipamentos como: cunha pneumática, mastro e subestrutura (Araújo, 2012).

A subestrutura do mastro de uma sonda de produção terrestre também é constituída por treliças soldadas em suas extremidades que permite que os equipamentos de segurança de poço, tais como BOP e BOP Anular sejam instalados na cabeça do poço.

Esta estrutura deve estar bem apoiada em uma base de concreto armado e fundação de madeira, conhecidos popularmente como pranchões, de modo a evitar que o terreno se desloque ocasionando sérias consequências como inclinação excessiva ou tombamento do mastro.

A subestrutura deve suportar o peso da coluna, o peso dos tubos sobre a sua plataforma, carga de tração e compressão assim como torque devido a operações de corte de cimento. Na figura 1 observa-se a subestrutura anexada a sonda de produção terrestre.


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Figura 1. Subestrutura do mastro.

A subestrutura foi construída com perfis I de aço ASTM A-572 Gr 50 (um aço-carbono microligado de alta resistência mecânica) com mínimo de 345 MPa de limite de escoamento, 450 MPa de limite de resistência, módulo de elasticidade de 210 GPa e coeficiente de Poisson de 0,29. Na figura 2 apresentam-se algumas etapas de construção e montagem da subestrutura.

Figura 2. Construção e montagem da subestrutura. A subestrutura foi montada na empresa BRASERV PETROLEO LTDA em Maceió, Alagoas. As partes foram soldadas e dimensionadas de forma que não se conhecia as suas resistências quando em operação. A importância de se obter e realizar simulações numéricas são de obter resultados aproximados das tensões geradas por solicitações do cotidiano da subestrutura. Existem pontos que podem ser críticos quanto a sua complexidade e dimensão, por exemplo, os furos e pinos que suportam as colunas da subestrutura, estes pinos são fabricados em aço 4340. Logo esses detalhes serão observados nos resultados.

3. Modelagem numérica A modelagem numérica foi realizada sem a parte inferior para otimizar tempo de computação. Foram usados os dados reais de material e dimensão. Observam-se os pontos de restrições (verde) e os carregamentos de tração e torção sobre a plataforma superior da subestrutura. As cargas selecionadas foram as que mais representam o cotidiano de operações da subestrutura como, por exemplo, o peso da própria subestrutura em cerca de 10 toneladas, peso dos 538 tubos 3 ½” IF sobre sua plataforma superior de aproximadamente 200.000 lbf, peso da coluna com 538 tubos que pesa aproximadamente 200.000 lbf e um torque de 7.300 lbf.ft. na Tabela 1 apresentam-se os dois casos a considerar para as situações de carregamentos.


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Tabela 1. Casos de carregamentos para a subestrutura

CASO DESCRIÇÃO CARGA (lbf) I Peso da subestrutura + 538 tubos 3 ½” IF Compressão + flexão geradas por 200.000 lbf de

peso

II Peso da subestrutura e o peso de 538 tubos na coluna com o torque de 7.300 lbf.ft

Tração de 200.000 lbf + torque de 7.300 lbf.ft

4. Resultados

4.1 Subestrutura Os resultados da distribuição de tensão de von Mises são apresentados na figura 4, onde a tensão de von Mises leva em consideração as tensões normais a cada pano nos eixos XYZ e também os seus cisalhamentos. A equação de tensão de von Mises calcula um valor resultante mais conservador que outros valores de tensão, como por exemplo o cisalhamento máximo, logo é seguro e confiável sobre cargas que geram tensões normais (compressão, tração, flexão) e cisalhamentos (cortante, torção).

4.1.1 Caso I – Peso da subestrutura + 538 tubos 3 ½” IF que equivale a carga de 200.000 lbf.

Figura 3. Modelo numérico da subestrutura

Observa-se na figura 3 o modelo numérico da subestrutura com a situação de carregamento para o caso I com o peso próprio da subestrutura e o peso dos tubos sobre a plataforma superior. Pode-se ver também as restrições aplicadas nas colunas e nos braços de sustentação. Na figura 4 apresentam-se os resultados para os valores e tensão de von Mises e deformação.


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(a) (b) Figura 4. Resultados de tensão de von Mises (a) e deformação (b) para a subestrutura da SPT.

A subestrutura apresentou tensões de von Mises em torno de 247 MPa na parte superior da plataforma como apresentado na figura 4(a) e também apresentou valores de tensões na faixa azul claro nos braços. De todo modo a subestrutura suporta bem a carga aplicada de 200.000 lbf tendo em vista que está em plena operação. Na figura 4(b) observa-se que deformações são visualizadas na plataforma (vermelho) em torno de 3,7 mm onde os tubos estão apoiados e nos braços laterais (verde) em torno de 2,0 mm, mesmo assim os valores são abaixo do limite de tensão de escoamento do material.

4.1.2 Caso II - Peso da subestrutura e o peso de 538 tubos na coluna com o torque de 7.300 lbf.ft

Figura 5. Modelo numérico da subestrutura para o caso II.

O torque foi aplicado na localização da mesa rotativa, onde se origina o torque de 7300 lbf.ft para situações de corte de revestimento, cimento, etc. Nos braços de sustentação foram aplicados condições de restrição nos pino, com anel de retenção sem translação. Na figura 6 apresentam-se os detalhes de aplicação do torque e da conexão do pino dos braços de sustentação.


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Figura 6. Local de aplicação do torque e condição de restrição nos pinos dos braços.

Figura 7. Resultado para tensão de von Mises.

Na figura 7 observa-se tensões de von Mises na faixa de 297 MPa que foram observados na parte inferior da subestrutura e nos furos dos pinos das colunas. Na figura 8(a) apresenta-se a configuração da distribuição de tensão de von Mises no furo localizado na coluna de sustentação onde observa-se valor de 231 MPa. Na figura 8 (b) pode-se observar a pecepção de projeto onde inicia-se a distribuição de tensão a partir das quatro vigas de apoio lateral (azul). Esses componentes devem ser bem projetados para suportar as solicitações de peso, torque e tração.

(a) (b)

Figura 8. Resultado para tensão de von Mises no furo da coluna e de percepção de projeto.

Esses resultados apontam a importãncia de maior manutenção e inspeção visual e por ultrassom no furo da

coluna de sustentação da subestrutura. Conclui-se que como o furo é um concentrador de tensão, ocorre acúmulo


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exatamente onde se espera, ainda que a estrutura esteja bem dimensionada para suportar os carregamentos, essas partes devem ser objeto de inspeção visual e por ultrassom para melhor detecção de possíveis gerações de trincas.

5. Conclusões

A subestrutura faz parte dos equipamentos de segurança e estrutural de uma sonda de produção terrestre, sendo importante na sustentação de cargas para as operações realizadas. A subestrutura foi modelada utilizando o Método dos Elementos Finitos para o determinação da distribuição de tensão e deformação de todas as partes envolvidas. A modelagem foi realizada em tamanho real com dados utilizados durante a sua construção física. Condições limites de carregamentos foram realizados para obter o máximo de tensão esperado em suas partes.

Foram observados pontos de concetrações de tensão nos locais esperados, como nos furos dos pinos localizados nas colunas de sustentação e nos furos dos braços laterais, porém os valores ficaram abaixo do valor de tensão limite de escoamento do material.

No geral a subestrutura que está em operação suporta os carregamentos solicitados com boa margem de segurança devendo a área de manutenção da empresa realizar inspeções visuais e por ultrassom nos locais indicados pela análise numérica para evitar surgimento de trincas e descontinuidades que poderão gerar tensões residuais.

8. Referências ARAÚJO, J. A., Sistemas de Sonda de Produção Terrestre – Inspeção e Manutenção, 1ª Edição, 2012. BELYTSCHKO, T., FISH, J., A First Course in Finite Elements, JohnWiley & Sons, Ltd, England, 2007. HAHN, B. D, VALENTINE, D. T., Essential MATLAB for Engineers and Scientists, Third edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2007. LIU, G. R., QUEK, S. S., The Finite Element Method: A Practical Course, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2003. THOMAS, J. E., ” Fundamentos de Engenharia de Petróleo”, 1ª ed., Interciência: Petrobras, Rio de Janeiro, Brazil, 2001.

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