Análise Comparativa do Uso de Semissubmersível e Navios em
Atividades de Perfuração
Thiago Mussel Dias Soares da Silva
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica, Escola Politécnica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Naval e Oceânico.
Análise Comparativa do Uso de Semissubmersível e Navios em Atividades de Perfuração
Thiago Mussel Dias Soares da Silva
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.
Examinado por:
Orientadora: Prof.ª D.Sc. Marta Cecilia Tapia Reyes
Prof. D. Sc. Julio Cesar Ramalho Cyrino
Prof. D. Sc. Carl Horst Albrecht
Eng. D. Sc. Isaias Quaresma Masetti
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
Mussel Dias Soares da Silva, Thiago
Análise Comparativa do Uso de Semissubmersível e Navios em Atividades de Perfuração / Thiago Mussel Dias Soares da Silva - Rio de Janeiro: UFRJ/ ESCOLA POLITÉCNICA, 2019
vi, 79 p.: il.: 29,7 cm.
Orientador: Marta Cecilia Tapia Reyes
Projeto de Graduação - UFRJ/ POLI/ Engenharia Naval e Oceânica, 2019.
Referências Bibliográficas: p.70.
1.Comparação 2. Perfuração 3. Riser 4. Semissubmersível 5. Navio. Tapia Reyes, Marta Cecilia. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III. Análise comparativa da perfuração em sondas baseadas em navios e semissubmersível.
AGRADECIMENTOS
Agradeço à toda minha família por sempre acreditar em mim, mas principalmente aos meus pais e minha irmã pelo apoio incondicional, paciência e por tornarem qualquer conquista minha possível.
Agradeço a minha (incrível) orientadora Marta por toda ajuda, disposição, experiência e empatia demonstradas em sala de aula e principalmente durante a orientação deste trabalho.
Agradeço a todos os amigos da Wood, em especial ao Germain, Juliana, Marcelo, Max e Rafael Fachini pelos ensinamentos, dedicação e por serem para mim exemplos diários de profissionais e engenheiros.
Agradeço aos meus amigos do Colégio Pedro II - Centro por serem certeza constante na minha vida, e aos meus amigos de período Ana Clara, Edivaldo Ramos, Gabriel Mello, Gustavo Zan, Leonardo de Bem, Renata Marsillac e Rogério Moller meu mais sincero obrigado por todos os momentos de estudos, descontração e por terem tornado os meus dias mais leves em meio as pressões diárias.
Por fim agradeço aos três irmãos que esse anos de graduação me presentearam: Heitor Nickel, Hugo Jebe e Guilherme Muniz pela parceria impecável, pelo incentivo e por terem permanecido do meu lado do início ao fim.
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.
Análise Comparativa do Uso de Semissubmersível e Navios em Atividades de Perfuração
Thiago Mussel Dias Soares da Silva
Dezembro/2019
Orientadora: Marta Cecília Tapia Reyes
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
Partindo de uma estrutura de riser de perfuração genérica, este projeto visa comparar o desempenho operacional de uma semissubmersível e um navio de perfuração através da variação das condições ambientais como lâmina d’água, intensidade de corrente, onda e vento. A partir de cada variação determinar critérios de falhas para a estrutura do riser afim de identificar os pontos mais críticos para cada sonda de perfuração. Além disso realizar análise situacional de emergência, em caso de perda da capacidade de posicionamento dinâmico durante
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Naval Engineer.
Comparative Analysis of the Use of Semi-Submersible and Ships in Drilling Activities
Thiago Mussel Dias Soares da Silva
December/2019
Advisor: Marta Cecília Tapia Reyes
Graduation: Naval Engineering
Starting from a generic drilling riser structure, this project aims to compare the operational performance of a semi-submersible and a drilling vessel by varying environmental conditions such as water depth, current intensity, wave and wind. From each variation, determine failure criteria for the riser structure to identify the most critical points for each drill rig. In addition, perform emergency situational analysis in case of loss of dynamic positioning capability during operation in order to determine the available drift time for disconnection in the well. Finally, comparative analysis of the costs related to both cases.
INDICE Lista de Abreviaturas ... 6 1 INTRODUÇÃO ... 7 1.1 Objetivo ... 8 2 PERFURAÇÃO DE POÇOS ... 9 2.1 As Embarcações ... 9 2.2 Riser de Perfuração ... 11 2.2.1 Diverter ... 12 2.2.2 Junta Telescópica ... 13 2.2.3 Juntas de Riser ... 14 2.2.4 Juntas Flexíveis ... 16 2.2.5 Riser Adapter ... 17
2.2.6 Blow Out Preventer (BOP) ... 18
2.2.7 Lower Marine Riser Package - LMRP ... 19
2.2.8 Cabeça de Poço ... 20
2.2.9 Condutor e Casing... 21
3 MODELAGEM ... 23
3.2.1 Correntes ... 26 3.2.2 Ventos ... 30 3.2.3 Ondas ... 31 4 ANÁLISES ... 34 4.1 Operabilidade ... 34 4.2 Deriva – Segurança ... 35 4.3 Dados Gerais ... 36 4.3.1 Stack-Up ... 37 4.3.2 Critérios Limitantes ... 38 4.3.3 Solo ... 40 4.3.4 Lama ... 40 4.3.5 Aproamento ... 40 4.3.6 Overpull ... 40 4.3.7 Matriz de Casos ... 41 4.4 Análise Econômica... 41 5 RESULTADOS ... 43 5.1 Operabilidade ... 43 5.1.1 Águas Rasas ... 44 5.1.2 Águas Profundas ... 46
5.1.3 Águas Ultra Profundas ... 48
5.2 Deriva ... 50
6 CONCLUSÕES ... 76
Lista de Abreviaturas
API American Petroleum Institute BOP Blow Out Preventer
CG Centro de Gravidade DP Dynamic Positioning
EDS Emergency Disconnect Sequence LFJ Lower Flexible Joint
LMRP Lower Marine Riser Package MF Momento Fletor
MODU Mobile Offshore Drilling Unit POD Point of Disconnection QTF Quadratic Transfer Function RAO Response Amplitude Operator UB Upper Bound
1 INTRODUÇÃO
A taxa de consumo de óleo mundial tem apresentado ao longo das últimas décadas um crescimento constante. Em janeiro de 2017 o consumo de óleo foi de aproximadamente 100 milhões de barris por dia, um crescimento de 250% se comparado à mesma estimativa de janeiro de 1969. A imagem a seguir apresenta esses dados ao longo dos anos e evidencia o crescimento desta demanda.
Figura 1-1 Consumo diário mundial de óleo ao longo dos anos [7]
Para satisfazer essa demanda, diversas companhias de exploração da indústria de petróleo e gás incentivam e desenvolvem a área de pesquisa de descobrimento de reservatórios ao redor do mundo. Com diversas descobertas ao longo das décadas, o que surgem em conjunto são os desafios a serem vencidos para realizar a exploração em diversas condições ambientais-geológicas diferentes.
Com isso, surgiu-se a necessidade de se investir cada vez mais no desenvolvimento tecnológico e consequentemente operacional das sondas de perfuração offshore, sendo necessárias em campanhas de perfurações de lâminas d’águas que vão de rasas (até aproximadamente 500 metros de profundidade) até lâminas d’águas ultra
plataformas jaquetas e auto elevatórias. A partir do desenvolvimento do sistema de posicionamento dinâmico (DP) possibilitou-se expandir (literalmente) os horizontes dessas operações para regiões mais profundas utilizando sondas semissubmersíveis e navios.
Hoje em dia esses dois meios de exploração são os que tem apresentado maior demanda, levantando o questionamento de no geral, dentre essas duas unidades, qual apresenta melhor desempenho operacional e econômico?
1.1 Objetivo
O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo comparativo operacional, econômico e de segurança entre uma semissubmersível e um navio de perfuração para diferentes condições ambientais e lâminas d’água, afim de averiguar qual destas apresenta, para cada critério adotado e descrito ao longo deste relatório o melhor desempenho.
As análises presentes nesses estudo são de operabilidade, deriva e econômica. A análise de operabilidade visa determinar a janela de operação permissível para ambas as sondas, enquanto que a análise de deriva tem o objetivo principal de simular uma ocasião de perda de capacidade de posicionamento dinâmico e com isso determinar o tempo disponível para desconexão do sistema de perfuração do poço. Por último a análise econômica é realizada com o intuito de determinar os custos e taxas de frete comum para cada um dos dois tipos estudados neste escopo.
No capítulo 2 serão apresentadas as principais componentes do modelo, comumente utilizadas em campanhas de perfuração, tais como as embarcações e as juntas de riser, afim de apresentar as funcionalidades e importância de cada uma durante uma operação.
No capítulo 3 será explicado como cada elemento apresentado no capitulo 2 é adotado no modelo, além de serem também apresentadas as considerações de projeto necessárias para garantir uma análise comparativa e conclusiva.
No capítulo 4 serão explicadas as metodologias adotadas em cada análise proposta tal como o objetivo de realiza-las. A interpretação dos resultados obtidos para cada uma serão apresentados no capítulo 5, seguido por fim das conclusões finais decorrentes desses resultados no capítulo 6.
2 PERFURAÇÃO DE POÇOS
Para realizar o desenvolvimento e exploração de poços offshore, normalmente são utilizadas as chamadas unidades de perfuração offshore móveis (MODU), que podem ser jack-ups para lâminas d’água rasas, ou navios e semissubmersíveis de perfuração que podem operar até em lâminas d’água ultra profundas. O escopo deste estudo gira em torno da comparação de desempenho operacional de uma semissubmersível e um navio de perfuração dotados de um sistema de posicionamento dinâmico.
Além da escolha das embarcações outras duas principais modelagens devem ser consideradas: a estrutura de riser de perfuração e as cargas ambientais características da região. O riser de perfuração possui uma estrutura de elementos padrões que são adotados independentemente do tipo de unidade responsável pela operação. As cargas ambientais que devem ser consideradas são ondas, correntes e ventos.
2.1 As Embarcações
Como já foi dito, devido à alta aplicabilidade no cenário de perfuração mundial atual, optou-se por comparar o desempenho operacional e financeiro de uma semissubmersível de perfuração, em relação a um navio de perfuração.
Uma semissubmersível de perfuração não é fixa no solo marinho, como embarcações jack-ups por exemplo. O convés principal, onde fica situada a torre de perfuração, é suportado por grandes colunas ocas apoiadas em pontões que oferecem flutuabilidade suficiente para a estrutura da embarcação permanecer quase toda acima da superfície. Quando situado no campo de perfuração, parte dos pontões são lastrados para submergir parcialmente a plataforma, permitindo maior estabilidade para operação.
Devido à sua característica de boa performance de estabilidade, a semissubmersível é capaz de perfurar em condições ambientais adversas e para uma grande margem de profundidades. Por ser uma unidade flutuante, necessita-se de um meio para manter
Figura 2-1 Semissubmersível de perfuração
Os navios de perfuração são capazes de navegar e possuem os equipamentos de perfuração instalados no seu convés principal, assim como sua torre responsável por sustentar e descer o riser. Normalmente ela é instalada próxima à região central da embarcação onde fica localizado o moonpool através do qual é realizada a descida do riser e a operação.
Devido à sua alta capacidade de carga e mobilidade, este tipo de unidade é vastamente utilizada em campanhas de perfuração ao redor do mundo. Apesar de geralmente não ser tão estável quanto uma semissubmersível, um navio apresenta a grande vantagem de poder se deslocar de um local ao outro mais rápido. Também pode utilizar tanto linhas de ancoragem, quanto sistema de DP como meios de manter a posição durante a operação, mas para este escopo será considerado apenas a capacidade de posicionamento dinâmico.
Figura 2-2 Navio de perfuração (Drillship)
2.2 Riser de Perfuração
O riser de perfuração é a estrutura responsável por envolver/proteger as ferramentas necessárias para realizar a perfuração e instalação nos poços de petróleo. Ele é composto por diversos elementos, que variam em quantidade e propriedades de acordo com as demandas de cada operação. A Figura 2-3 exemplifica um esquemático padrão desta estrutura de riser, cujas componentes serão explicadas nos tópicos a seguir.
Figura 2-3 – Estrutura padrão de riser de perfuração
2.2.1 Diverter
É o componente responsável por redirecionar qualquer fluido interno que retorna pela coluna de perfuração, antes do fechamento do BOP. O controle de pressão do poço é feito através da injeção de um fluido específico, porém quando o fluido de retorno é maior que o injetado, ocorre um retorno de fluxo denominado kick. Portanto o Diverter é um equipamento de extrema importância, uma vez que reduz esse kick e consequentemente o risco de explosões evitando risco de explosões. A Figura 2-4 a seguir apresenta um exemplo deste componente.
Figura 2-4 – Representação de um diverter
2.2.2 Junta Telescópica
Responsável por desacoplar o movimento de heave da embarcação em relação ao riser, esta junta consiste em um sistema de cilindros concêntricos (interno e externo) acoplados entre si. O interno é fixo no diverter, enquanto que o externo possui um curso máximo e mínimo, que atua como um limitante de operação. Neste está associado o anel de tração (tension ring), onde são conectados os cabos de tracionadores que interliga a embarcação com o riser, fazendo a compensação do movimento da sonda e que também possui um curso máximo que atua como limitante operacional.
Em uma operação de perfuração o objetivo é manter o curso mais próximo possível da sua metade, tanto da junta telescópica, quanto das linhas tracionadoras. Desta forma as oscilações da embarcação principalmente devido às cargas ambientais possuem menos chance de fazer esses dois componentes atingirem o seu limite de curso pra dentro (stroke-in) ou para fora (stroke-out). O curso máximo de uma junta telescópica costuma variar de 50 à 80 pés. A Figura 2-5 a seguir apresenta um exemplo deste sistema de tração.
Figura 2-5 – Representação esquemátia e real de um sistema tracionador
2.2.3 Juntas de Riser
A maior parte da estrutura de perfuração é composta de juntas tubulares de riser que protegem a coluna de perfuração e podem variar quantitativamente e geometricamente de acordo com as demandas da operação. Dentre as suas variações pode-se destacar as juntas com boias, juntas slicks e as juntas pups.
As juntas com boias possuem o objetivo principal de reduzir o peso total do riser submerso afim de não exceder os limites do sistema tracionador da embarcação. Nesta são acoplados módulos de flutuação identificados por cores e classificadas de acordo com a profundidade máxima permissível para operação. Deve-se porém, considerar o acréscimo de arrasto que pode ser ocasionado devido ao aumento do diâmetro na junta de riser pelo acréscimo do módulo.
Figura 2-7 – Exemplo de juntas de boias
Quando não são necessárias as juntas com boias utiliza-se as juntas slicks que são completamente feitas de aço, e possui a principal função de compor o riser, protegendo a coluna de perfuração. Nesta ficam acopladas as linhas periféricas, também conhecidas como choke e kill-lines, são instaladas externamente ao tubo do riser de perfuração, e possuem o objetivo principal de controlar o excessos de pressão provenientes do poço.
Figura 2-9 – Representação transversal das linhas periféricas
Por fim chama-se de juntas pup aquelas com comprimentos menores do que o padrão, existentes em diversos tamanhos e utilizadas no topo da estrutura de perfuração, com o objetivo de alcançar a altura de riser de projeto necessária para a operação que não poderia ser alcançada com precisão apenas com o comprimento de junta tradicional de 90 ou 75 pés.
Figura 2-10 – Juntas pups
2.2.4 Juntas Flexíveis
As juntas flexíveis são estruturas compostas de elastômero e metal, projetadas para permitir rotações angulares no riser atenuando o risco de falhas ocasionadas por tensão de flexão. Em uma estrutura padrão de perfuração são utilizadas duas juntas
flexíveis: a junta flexível de topo (Upper Flexible Joint – UFJ) e a junta flexível de fundo (Lower Flex Joint – LFJ).
A junta flexível de topo permite que as angulações ocasionados pelos movimentos de rotação e translação da embarcação não sejam transmitidas diretamente ao riser, diminuindo a tensão ocasionada por flexão na coluna de perfuração e nos equipamentos da sonda. Enquanto que a junta flexível de fundo permite o desalinhamento angular na conexão do riser com o BOP, reduzindo a tensão de flexão transmitida para as componentes do fundo.
Figura 2-11 – Exemplo de junta flexível
2.2.5 Riser Adapter
Riser adapter é uma junta localizado no fundo do riser, responsável por interligar a base da última junta de riser com o topo da junta flexível inferior. Seu objetivo é proporcionar uma transição de rigidez mais branda entre essas duas componentes devido às diferenças entre suas características geométricas.
Figura 2-12 Exemplo de Riser Adaptor
2.2.6 Blow Out Preventer (BOP)
O BOP é uma componente constituída de um conjunto de válvulas de segurança instaladas acima da cabeça de poço que possibilitam o monitoramento, controle e se necessário o selamento do poço. Eles são projetados para lidar com pressões em alta magnitude e possíveis fluxos descontrolados (kicks) que possam ocorrer durante uma perfuração. Esse equipamento é de extrema importância uma vez que estes cenários indesejados podem levar a situações catastróficas não só para integridade do sistema, mas também para o meio ambiente, caso haja o risco de explosões que possam ocasionar no vazamento de óleo ou gás no ambiente marinho.
Figura 2-13 – Exemplo de um Blow Out Preventer (BOP)
2.2.7 Lower Marine Riser Package - LMRP
O LMRP é um dispositivo mecânico que atua como uma interseção entre a estrutura de riser e o BOP, provendo também o controle hidráulico para executar as funções do BOP. Ele é usualmente composto por um conector que faz o acoplamento com o BOP, um sistema de controle e válvulas para controle de fluidos.
Figura 2-14 – Exemplo de um Lower Marine Riser Package (LMRP)
2.2.8 Cabeça de Poço
A cabeça de poço é o componente presente durante toda a vida de operação, desde a sua perfuração, completação até sua produção. Ele possibilita o controle do poço, e fica conectado à superfície de revestimento (surface casing) que já abrange a região abaixo do solo marinho.
Além disso, a cabeça de poço atua na interface entres os dutos de revestimento e o BOP, realizando o controle de pressão nesta interseção. Importante ressaltar que durante toda a operação de perfuração esta componente não pose ficar sobre compressão devido ao peso do riser, sendo este portanto um dos parâmetros a serem analisados e controlados a todo o tempo.
Figura 2-15 – Representação de uma cabeça de poço
2.2.9 Condutor e Casing
O condutor e casing são dutos de revestimento de poço inseridos no solo perfurado, e estão presentes em diferentes camadas que vão variar de acordo com a profundidade perfurada. Seu assentamento no solo costuma ser realizado de duas formas principais, sendo elas a cementação e jateamento. Eles possuem as funções principais de suportar a cabeça de poço e as demais componentes acima do solo marinho responsáveis pela completação.
3 MODELAGEM
O software utilizado para realização do estudo é o DeepRiser. Desenvolvido pela Wood PLC, o DeepRiser é um software de elementos finitos voltado, através de uma interface sofisticada e intuitiva, para a elaboração ágil de diversas capacidades de modelos e análises de projetos utilizando sistemas de riser de perfuração. Todas as análises e resultados apresentados neste relatório foram realizados com permissão da empresa.
O modelo completo proposto consiste em uma abordagem que considera três profundidades de perfuração (águas rasas, profundas e ultra profundas), duas embarcações (semissubmersível e navio de perfuração), três estruturas de riser chamadas de stack-ups (uma para cada lâmina d’água), cargas ambientais (ondas, correntes e ventos) e alguns dados gerais que devem ser adotados para realização das análises.
A seguir serão explicados como cada elemento necessário para o estudo foi considerado e modelado no software, além das matrizes de casos para efetuar as análises e os critérios adotados.
3.1 Modelo
De forma direta, um modelo padrão consiste em uma embarcação, as cargas ambientais adotadas e um stack-up de perfuração, que é modelado utilizando o método de elementos finitos linear em que cada elemento é composto por 3 nós e representa uma (ou mais) componente da estrutura do riser, dependendo do tamanho de malha adotado. Cada um desses parâmetros são explicados a seguir.
3.1.1 Embarcação
O programa apresenta uma interface que faz representação das embarcações, mas em nenhum momento a forma da embarcação é importada para o modelo. Os dados de entradas utilizados para determinação das respostas das embarcações para as
como os movimentos de amplitude de resposta de onda que são relativos ao CG das sondas. A intensidade das forças é proporcional às suas áreas de aplicação e são melhores explicados no subtópico seguinte.
Figura 3-1 Alguns dado de entrada da embarcação no software
Para este estudo foram considerados uma semissubmersível e um navio de perfuração, ambos de sexta geração. Na Tabela 3-1 estão apresentados os dados principais das duas embarcações.
Tabela 3-1 Características das embarcações
Parâmetro Navio Semissubmersível
LOA (m) 230,0 73,3
Boca (m) 40,0 73,3
Calado (m) 11,0 19,5
Pontal (m) 18,5 39,0
3.1.2 Riser
A estrutura do riser é composta por diversas componentes, em que cada uma delas é modelada separadamente a partir das suas propriedades gerais como comprimentos, diâmetros, massas e materiais. Além disso são considerados os coeficientes hidrodinâmicos necessários para interação da coluna com o escoamento do fluido.
A condição de contorno no topo do riser conectado à embarcação é solidáro fixo à embarcação para todos os graus de liberdade, o que significa que este ponto de move junto com a sonda e portanto vai ter seu movimento descrito ao longo do domínio do tempo a partir desta. No fundo do riser a condição de contorno aplicada foi para considerar o torque, com isso a análise inclui a amplitude de yaw da embarcação e seu efeito na base do riser
Os elementos do modelo de riser são lineares e possuem uma configuração de dimensionamento padrão sugerida pelo software de elemento mínimo de 3,3 pés ou 1,1 metros e comprimento máximo de 16,4 pés ou 5,4 metros. A rigidez é calculada automaticamente para cada elemento a partir das propriedades especificadas.
A Tabela 3-2 a seguir apresenta todas as componentes do riser utilizadas nas três configurações de lâmina d’água e as respectivas propriedades adotadas.
Tabela 3-2 Propriedades das componentes de Riser
Componente Comprimento (Pés) Externo (in) Diâmetro Interno (in) Diâmetro (kips) Peso d'água (kips) Peso Dentro
Diverter 5,50 81.75 21,25 70,05 64.43 UFJ 6,70 23,00 21,00 4,50 3.90 Junta Telescópica - Cilindro Interno 65,00 21,00 19,8 20.2 17.60 Junta telescópica Cilindro Externo 78,00 26.5 24,5 71,00 65,00 Junta Pup 10.75ft 10,75 21,25 19,5 11.2 9.70 Junta Pup 18.75ft 18,75 21,25 19,5 14.9 13,00 Junta de Bóia 2k 75,00 21,25 19,5 52.49 -6,30
LMRP 15,57 240,00 18,00 411,05 357,38 BOP 28,00 240,00 19,00 573,00 498,50 Cabeça de Poço 6,56 36,00 18.75 3.40 2,30 Condutor 241,14 36,00 33,00 - - Casing 241,14 20,00 18,00 - -
3.2 Cargas Ambientais
No modelo as três cargas ambientais consideradas são correntes, ondas e ventos. Para a análise de operabilidade apenas são adotadas as cargas de ondas e correntes, pois considera-se que o sistema de DP é capaz de equilibrar a atuação das forças de vento na embarcação, enquanto que na de deriva utiliza-se as três. Neste estudo, convencionou-se uma condição crítica de operação em que todas as cargas são colineares, sendo aplicadas na mesma direção e sentido em relação às embarcações. A seguir será explicado como elas são consideradas no modelo.
3.2.1 Correntes
As cargas de corrente são consideradas através da inserção de dados de velocidade associadas às suas respectivas profundidades, criando-se um perfil de corrente para cada lâmina d’água como o apresentado na Figura 3-2.
Figura 3-2 – Exemplo de perfil de velocidade de corrente
Para análise de deriva, o programa utiliza como base a seguinte relação matemática que relaciona a intensidade e incidência das cargas com o movimento de drift da embarcação. Forças de Surge: Força de Sway: Força de Yaw: Onde:
é o coeficiente de corrente de surge para uma incidência
é o coeficiente de corrente de sway para uma incidência
é o coeficiente de corrente de yaw para uma incidência é a incidência equivalente de corrente
é a densidade da água do mar
Para isso, torna-se necessário um anexo no programa de arquivo de extensão .txt no software que possui, para diversas direções de aproamentos os coeficientes a serem usados nas relações apresentadas acima, com isso possibilitando o cálculo da força de corrente para diferentes condições de aproamento da embarcação. A figura abaixo apresenta um exemplo desse arquivo.
Figura 3-3 – Exemplo de arquivo com os coeficientes de corrente de Surge, Sway e Yaw
As tabelas a seguir apresentam os perfis de corrente considerados para cada caso de lamina d’água deste estudo.
Tabela 3-3 – Perfil de velocidade para lâmina d’água rasa – 350 metros Profundidade
(m)
Velocidade (m/s)
0 0.55
230 0.89
345 0.46
350 0.00
Tabela 3-4 – Perfil de velocidade para lamina d’água profunda – 1100 metros
Profundidade (m) Velocidade (m/s) 0 1.14 100 1.06 350 0.82 500 0.72 1000 0.60 1090 0.56 1100 0.00
Tabela 3-5 – Perfil de velocidade para lâmina d’água Ultra Profunda – 2065 metros Profundidade (m) Velocidade (m/s) 0 1.17 10 1.07 25 0.99 50 0.91 70 0.87 100 0.80 125 0.75 150 0.71 200 0.63 250 0.55 300 0.49 350 0.43 400 0.39 500 0.31 600 0.23
2065 0.00
3.2.2 Ventos
Similar às cargas de corrente, as de vento são calculadas a partir formulações abaixo para os três graus de liberdade do plano de linha d’água. Os dados de entrada para esta carga são a velocidade de vento, direção e sentido em que ela é aplicada na embarcação. A área vélica é considerada nos dados de entrada da embarcação no DeepRiser, e para os coeficientes também é necessário uma arquivo de extensão .txt que o software vai interpretar e utilizar para o cálculo das forças de vento.
Forças de Surge: Força de Sway: Força de Yaw: Onde:
é o coeficiente de vento de surge para uma incidência
é o coeficiente de vento de sway para uma incidência
é o coeficiente de vento de yaw para uma incidência é a incidência equivalente de vento
é a densidade do ar
é a área vélica transversal da embarcação
é a velocidade equivalente de vento
Figura 3-4 - Exemplo de arquivo com os coeficientes de vento de Surge, Sway e Yaw
3.2.3 Ondas
Os parâmetros de onda foram escolhidos a partir de um diagrama HsxTp (Altura significativa x Período de Retorno) para cada região que foram escolhidas as profundidades de lâminas d’água. O critério adotado para a intensidade de cada onda foi determinar a altura significativa de um ano, ou seja, a maior altura registrada a
Na análise de operabilidade utiliza-se como base a teoria de onda regular, em que os movimentos para os seis graus de liberdade da embarcação são considerados a partir dos dados de RAO da mesma. Os dados de entrada são a amplitude de onda, período, direção, sentido e um arquivo .txt com as amplitudes de resposta para cada condição de onda a ser analisada. As ondas escolhidas selecionadas estão presentes na Tabela 4-3 na seção de matriz de casos e a figura abaixo apresenta um exemplo desse arquivo, cujos dados apresentados são: frequência de onda, direção, fases e as respectivas amplitudes de surge, sway, heave, roll, pitch e yaw para esta condição de onda.
Figura 3-5 - Exemplo de arquivo com as amplitudes de RAO para os seis graus de liberdade
Para análise de deriva, utiliza-se como base a teoria de onda irregular afim de poder capturar os movimentos de segunda ordem da sonda de resposta às condições de onda escolhidas. As cargas de drift das embarcacoes são calculadas utilizando funções de transferência quadrática (QTF), a partir da relação abaixo.
, + =1 , +
Onde:
QTFG αk ωk) é o valor de QTF relativo à incidência de onda para a direção em questão ak é a amplitude de kth ωk é a frequência de kth ϕk é a fase de kth sign(p) = -1 se p<0, e 1 if p>0
αk é a direção de onda relativa à orientação instantânea da embarcação
Onde:
FDGMean é uma das três cargas aplicadas no CG da embarcação (FDy, FDz ou FDθ G)
4 ANÁLISES
Neste capítulo serão explicadas as metodologias aplicadas para cada uma das análises propostas e a apresentação de dados gerais necessários para rodar os modelos, que são unitizados para as duas sondas, com o intuito de garantir as mesmas condições físicas representativas e com isso possibilitar análises comparativas coerentes.
4.1 Operabilidade
A análise de operabilidade é uma das mais importantes avaliações que podem ser realizadas em um escopo pré-operação, uma vez que seu objetivo principal é determinar dentro das normas de segurança e com aplicação adequada de conservadorismo, a condição ambiental máxima que o sistema riser-embarcação pode operar conectado ao poço sem causar danos à sua integridade.
Normalmente esta análise é realizada para as condições de drilling e non-drilling. A condição de drilling considera o sistema de riser rígido de perfuração efetivamente perfurando, ou seja, com a linha de perfuração rotacionando dentro do riser, enquanto que a non-drilling desconsidera o riser em operação, apenas conectado ao poço. Com isso as condições são mais limitantes para o caso de drilling e portanto a janela de operação costuma ser mais limitada.
Para este projeto, esta análise possui um objetivo inteiramente comparativo, cujo intuito é aplicar as condições ambientais para diferentes lâminas d’água, afim de determinar a janela de operação das embarcações de interesse e com isso analisar qual possui maior margem para operar em cada condição de estudo.
A metodologia consiste em aplicar offsets na embarcação, na mesma direção das cargas ambientais para os dois sentidos. Quando o offset é no sentido contrário à aplicação da corrente, este é denominado como deslocamento upstream ou positivo, enquanto que no mesmo sentido denomina-se como um deslocamento downstream ou negativo. Neste estudo serão aplicados offsets em função de porcentagem da lâmina d’água em questão, variando de 1 em 1 por cento, partindo do 0% (embarcação exatamente acima do poço) até 10% da lâmina d’água, em ambos sentidos descritos.
A análise irá calcular todos os parâmetros especificados na tabela de critérios limitantes para cada offset, afim de determinar em qual posição - dadas as cargas
ambientais - o primeiro deles será atingido, definindo com isso a janela limite na qual a sonda em questão pode operar.
Figura 4-1 – Esquemático da análise de operabilidade
4.2 Deriva – Segurança
Como já foi dito, este estudo utiliza como consideração perfurações utilizando apenas embarcações que utilizam DP como sistema responsável por manter a posição da sonda. Porém deve-se considerar casos inesperados em que ocorre a falha completa do sistema de DP, deixando a embarcação à deriva, ou seja, à mercê das cargas ambientais.
Normalmente existe um valor de tempo padrão necessário e específico de cada embarcação para realizar este processo.
Tempo de POD (Point of Disconnection). É o tempo que a embarcação demora para atingir o ponto em que ocorre a primeira falha de acordo com os critérios descritos na Tabela 4-2. Ou seja, o riser deve ser desconectado antes deste ponto
Tempo de Alerta Vermelho: O tempo máximo, após perda da capacidade de DP em que deve-se iniciar a sequência de desconexão do poço (EDS), de forma que a desconexão final ocorra antes de atingir o tempo de POD.
Tempo de Alerta Amarelo: O tempo após a perda da capacidade de DP, que o operador deve considerar a necessidade de desconexão. Definiu-se neste estudo como o tempo até atingir metade do deslocamento da embarcação até o ponto de POD.
Figura 4-2 – Representação circular de resultados da análise de deriva
4.3 Dados Gerais
Nos subtópicos a seguir são apresentados os dados gerais, adotados para composição do modelo e igualmente aplicados para o navio e para a semissubmersível.
4.3.1 Stack-Up
A seguir estão apresentados as estruturas de riser de perfuração adotadas para cada lâmina d’água
Figura 4-5 - Stack-Up utilizado para lâmina d’água profunda– 2065 metros
4.3.2 Critérios Limitantes
Para determinar os limites de operação e controlar os riscos envolvidos, deve-se determinar os critérios que a limita. Desta forma, ao realizar as análises cada um desses critérios podem ser mapeados ou calculados, afim de obter uma conclusão segura que deve ser obedecida ao longo da campanha de perfuração. Neste escopo, os critérios utilizados são os mesmos para as duas embarcações e estão evidenciados na Tabela 4-1 e Tabela 4-2 a seguir.
Tabela 4-1 – Critérios limitantes para análise de operabilidade Critérios Limitantes - Operabilidade
Condição Drilling Drilling Non-Ângulo Médio da Junta Flexível de
Fundo (°) 2,0 9,0
Ângulo Máximo da Junta Flexível de
Fundo (°) 2,0 9,0
Ângulo Médio da Junta Flexível de
Topo (°) 4.0 9,0
Ângulo Máximo da Junta Flexível de
Topo (°) 4,0 9,0
Máximo Curso da Junta Telescópica
(pés) 60,0 60,0
Mínimo Curso da Junta Telescópica
(pés) 5,0 5,0
Máximo Curso do Tracionador (pés) 50,0 50,0 Mínimo Curso do Tracionador (pés) 5,0 5,0 Tensão de von Mises (ksi) 53,6 53,6 Mínima Tração Efetiva (kips) 0,0 0,0 Momento Fletor na Cabeça de Poço
(kips.ft) 2400,0 2400,0
Folga no Moonpool (pés) 1,0 1,0
Tabela 4-2 - Critérios limitantes para análise de deriva Critérios Limitantes – Deriva
Ângulo da Junta Flexível de Topo (°) 4,0 Ângulo da Junta Flexível de Topo (°) 4,0 Máximo Curso da Junta Telescópica (pés) 60,0 Máximo Curso do Tracionador (pés) 50,0 Mínimo Curso do Tracionador (pés) 5,0 Tensão de von Mises (ksi) 53,6 Mínima Tração Efetiva (kips) 0,0 Momento Fletor na Cabeça de Poço
(kips.ft) 2400,0
seus limites impostos por suas características geométricas como os cursos máximos da junta telescópica e dos tracionadores e a tração efetiva mínima foi dado em função do critério de projeto de que o riser não deve entrar em compressão.
4.3.3 Solo
Os dados de solo variam de acordo com a região perfurada. Sua modelagem consiste em considerar sua composição e propriedades de rigidez, afim de calcular a interação do solo com o os dutos de revestimento a partir de cargas aplicadas no conjunto. Para este estudo considerou-se um solo de perfil UB (Upper Bound – Limite Superior) para todas as condições de lâmina d’água e para ambas embarcações
4.3.4 Lama
Um dos parâmetros que influenciam diretamente no peso do riser é a lama de perfuração, que pode apresentar uma gama de valores, que vão depender da etapa e do tipo de instalação sendo realizada durante a operação. Seus valores de densidade costumam variar de 10 a 16 ppg e neste estudo o valor adotado foi de 11.4ppg para todas as análises
4.3.5 Aproamento
O aproamento é um parâmetro importante uma vez que as respostas das embarcações às cargas ambientais, para os seis graus de liberdade variam em intensidade de acordo com a direção e sentido das cargas aplicadas. Neste estudo adotou-se um aproamento de 45°, considerado crítico para os movimentos combinados de Roll e Pitch da embarcação, uma vez que são esses os que mais influenciam na integridade do sistema.
4.3.6 Overpull
O overpull é a tração no topo da cabeça de poço, e é ajustada a partir da tração de topo do riser aplicada pelo operador. Este valor é de extrema importância, uma vez que seu monitoramento visa manter a cabeça de poço sem compressão, o que poderia trazer consequências acidentais à operação. Este valor costuma variar de 50 a 200 kips, e o adotado para este estudo foi um valor de overpull de 100 kips.
4.3.7 Matriz de Casos
A Tabela 4-3 e Tabela 4-4 apresentam as matrizes de casos de carregamentos adotados nas análises de operabilidade e de deriva. Nelas estão evidenciados os dados de profundidade da água, densidade de lama, aproamentos das embarcações, tração de overpull e condições ambientais.
Tabela 4-3 – Matriz de Casos - Análise de Operabilidade
Lâminas d'àgua Densidade de lama Aproamento Overpull (Superfície) Corrente Onda Rasas 350 m
11.4 ppg 45º (mar oblíquo) 100 kips
0.55 m/s Hs = 2.8 m Tp = 13 s Profundas 1100 m 1.14 m/s Hs = 3.9 m Tp = 9 s Ultra Profundas 2060 m 1.17 m/s Hs = 6.0 m Tp = 9 s
Tabela 4-4 - Matriz de Casos - Análise de Deriva
Lâminas d'àgua Densidade de lama Aproamento Overpull (Superfície) Corrente Onda Vento Rasas 350 m 11.4 ppg 0°(Mar de Proa), 45º(Mar Oblíquo) e 90°(Mar de Través) 100 kips 0.55 m/s Hs = 2.8 m Tp = 13 s 11.7 m/s Profundas 1100 m 1.14 m/s Hs = 3.9 m Tp = 9 s 18.64 m/s Ultra Profundas 2060 m 1.17 m/s Hs = 6.0 m Tp = 9 s 19.20 m/s
dispõem a investir tempo e capital em estudos sismológicos para garantir em probabilidade as chances de se encontrar reservas disponíveis para exploração.
As duas embarcações de escopo deste projeto são de sexta geração, o que significa que suas construções foram realizadas após 2005, em resposta ao aumento do preço do óleo e das taxas de frete nesta década, além da necessidade crescente de se perfurar em poços cada vez mais profundos.
O aumento de oportunidades de perfuração nestas regiões de maiores lâminas d’água ocasionou em um desenvolvimento mais aprimorado dessas unidades. A partir desta época todas as embarcações construídas passaram a dispor de sistema de DP, aumentaram suas velocidades de navegação e aplicaram o conceito de “duo activity” que consiste na disposição de duas mesas paralelas de descida de riser, possibilitando operações de instalação simultâneas, diminuindo o tempo de operação necessário e consequentemente o custo total.
Figura 4-6 Definições das gerações de embarcações
Nesta análise serão apresentados os custos de construção, de reposição/substituição e as taxas de frete para semissubmersíveis e navios de perfuração com dados das últimas duas décadas.
5 RESULTADOS
Este capítulo dedica-se a apresentação e interpretação dos resultados obtidos para cada uma das análises apresentadas no capítulo 4.
5.1 Operabilidade
Para a análise de operabilidade observa-se que para cada lâmina d'agua estudada, o critério limitante para ambas as embarcações tende a ser o mesmo. Para os casos de drilling os primeiros critérios limitantes atingidos estão associados ao ângulo médio das juntas flexíveis, uma vez que para esta condição de perfuração, o valor de ângulo permissível se torna mais conservador.
Para os casos de non-drilling, ou seja, sem considerar a coluna de perfuração rotacionando (efetivamente perfurando), o critério limitante muda. Para as três profundidades analisadas, o primeiro critério limitante atingido é o momento fletor na cabeça de poço.
Olhando apenas para as embarcações, observa-se que em todos os casos a semissubmersível apresentou maior janela de operação. No entanto as diferenças entre os valores para cada embarcação não foram expressivas, apresentando discrepâncias baixas entre eles. Pode-se concluir que uma vez que as posições e angulação são pré-determinadas e adotadas igualmente para ambas, o resultado para esta análise depende mais da estrutura de riser adotada, do que da resposta da embarcação às cargas ambientais.
Uma vez que as estruturas de riser e perfis de correntes adotadas para as duas sondas foram os mesmos as diferenças de janelas apresentadas podem ser devido às respostas da embarcação para os casos de onda adotados. Espera-se que para a semissubmersível os resultados sejam melhores, pois tendem a apresentar melhores propriedades de estabilidade devido a sua geometria transparente à ação das ondas.
como os dutos de revestimento e o BOP. Quanto maior a lâmina d’água, mais imprecisa é essa operação e proporcionalmente mais demorada.
A seguir estão apresentados os resultados comparativos para cada sonda divididos por lâminas d’água e condições de operação (drilling e non-drilling). São apresentados os critérios limitantes downstream (offset negativo) e upstream (offset positivo), e a posição em que esta falha ocorre sendo possível com isso determinar a janela de operação permissível para cada caso.
5.1.1 Águas Rasas
A Tabela 5-1 eTabela 5-2 apresentam respectivamente os resultados para as condições de drilling e non-drilling e a Figura 5-1 e Figura 5-2 as representações gráficas desses resultados.
Tabela 5-1 Janela de Operação Para Águas Rasas (350 metros) - Drilling Drilling Embarcação Offset Downstrea m Máximo (%WD) Limitante Offset Upstream Máximo (%WD)
Limitante Janela de Operação (%WD) Semissubmersív el -1,87 Ângulo Médio da LFJ 3,12 Ângulo Médio da UFJ 4,99% (17,5m)
Navio -1,88 Médio da Ângulo LFJ
2,59 Médio da Ângulo UFJ
4,47% (15,6m)
Figura 5-1 Janela de Operação Para Águas Rasas (350 metros) – Drilling
Tabela 5-2 - Janela de Operação Para Águas Rasas (350 metros) – Non-Drilling Non-Drilling Embarcação Offset Downstream Máximo (%WD) Limitante Offset Upstream Máximo (%WD)
Limitante Janela de Operação (%WD) Semissubmersível -3,46 MF na Cabeça de Poço 9,68 MF na Cabeça de Poço 13,14% (46,0m) Navio -3,45 Cabeça de MF na Poço 9,59 MF na Cabeça de Poço 13.04% (45,6m) 4,99% 4,47% 4,20% 4,40% 4,60% 4,80% 5,00% 5,20% ja n ela d e O p era ção (% Lâ m in a d 'águ a) Sondas
Drilling
Semisubmersível NavioFigura 5-2 Janela de Operação Para Águas Rasas (350 metros) – Non-Drilling
5.1.2 Águas Profundas
A Tabela 5-3 e Tabela 5-4 a seguir apresentam respectivamente os resultados para as condições de drilling e non-drilling e a Figura 5-3 e Figura 5-4 as representações gráficas desses resultados.
Tabela 5-3 Janela de Operação Para Águas Profundas (1100 metros) - Drilling Drilling Embarcação Offset Downstrea m Máximo (%WD) Limitante Offset Upstream Máximo (%WD)
Limitante Janela de Operação (%WD) Semissubmersível -1,28 Ângulo Médio da LFJ 1,51 Ângulo Médio da UFJ 2,79% (30,7m)
Navio -1,47 Médio da Ângulo
LFJ 1,19 Ângulo Médio da UFJ 2,66% (29,3m) 13,14% 13,04% 12,98% 13,00% 13,02% 13,04% 13,06% 13,08% 13,10% 13,12% 13,14% 13,16% ja n ela d e O p era ção (% Lâ m in a d 'águ a) Sondas
Non-Drilling
Semisubmersível NavioFigura 5-3 Janela de Operação Para Águas Profundas (1100 metros) Drilling
Tabela 5-4 Janela de Operação Para Águas Profundas (1100 metros) - Non-Drilling Non-Drilling Embarcação Offset Downstrea m Máximo (%WD) Limitante Offset Upstream Máximo (%WD)
Limitante Janela de Operação (%WD) Semissubmersí vel -3,64 MF na Cabeça de Poço 9,24 MF na Cabeça de Poço 12,88% (141,7m) Navio -3,45 Cabeça de MF na Poço 8,71 Cabeça de MF na Poço 12,16% (133,8m) 2,79% 2,66% 2,55% 2,60% 2,65% 2,70% 2,75% 2,80% ja n ela d e O p era ção (% Lâ m in a d 'águ a) Sondas
Drilling
Semisubmersível NavioFigura 5-4 Janela de Operação Para Águas Profundas (1100 metros) - Non-Drilling
5.1.3 Águas Ultra Profundas
A Tabela 5-5 e Tabela 5-6 a seguir apresentam respectivamente os resultados para as condições de drilling e non-drilling e a Figura 5-5 e Figura 5-6 as representações gráficas desses resultados.
Tabela 5-5 Janela de Operação Para Águas Ultra Profundas (2060 metros) - Drilling Drilling Embarcação Offset Downstrea m Máximo (%WD) Limitante Offset Upstream Máximo (%WD)
Limitante Janela de Operação (%WD) Semissubmersív el -3,52 MF na Cabeça de Poço -1,27 Máximo da Ângulo UFJ 2,25% (46,5m)
Navio -2,61 Médio da Ângulo
LFJ 0,59 Ângulo Máximo da UFJ 3.2% (66,1m) 12,88% 12,16% 11,80% 12,00% 12,20% 12,40% 12,60% 12,80% 13,00% ja n ela d e O p era ção (% Lâ m in a d 'águ a) Sondas
Non-Drilling
Semisubmersível NavioFigura 5-5 Janela de Operação Para Águas Ultra Profundas (2060 metros) - Drilling
Tabela 5-6 Janela de Operação Para Águas Ultra Profundas (2060 metros) - Non-Drilling Non-Drilling Embarcação Offset Downstream Máximo (%WD) Limitante Offset Upstream Máximo (%WD) Limitante Janela de Operação (%WD) Semissubmersí vel
-3,64
MF na Cabeça de Poço9,24
MF na Cabeça de Poço12.88%
(141.7m)
Navio-3,45
Cabeça de MF na Poço8,71
MF na Cabeça de Poço12.16%
(133.8m)
2,25% 3,20% 0,00% 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50% ja n ela d e O p era ção (% Lâ m in a d 'águ a) SondasDrilling
Semisubmersível NavioFigura 5-6 Janela de Operação Para Águas Ultra Profundas (2060 metros) - Non-Drilling
5.2 Deriva
Para análise de deriva foram obtidas conclusões voltadas para as diferentes respostas das embarcações às condições adotadas. Observa-se que as direções de cargas ambientais aplicadas influenciam diretamente nas conclusões comparativas e por isso foram realizadas simulações para três aproamentos diferentes: mar de proa (0°), mar oblíquo (45°) e mar de través (90°).
A Tabela 5-7, Tabela 5-8 e Tabela 5-9 apresentam para cada embarcação os tempos de POD, de alerta vermelho e de alerta amarelo obtidos como resultado das análises realizadas. Além disso apresentam os deslocamentos que a embarcação teve de seu ponto inicial (acima do poço) até atingir cada ponto desses tempos citados. Por último tem-se o critério que falhou primeiro na análise, responsável por determinar o tempo máximo disponível para desconexão do poço (Tempo de POD).
Como o objetivo desta análise é determinar o tempo máximo permissível para a desconexão do poço em um caso de perda da capacidade de DP, quanto maior o tempo de POD encontrado melhor e mais segura é a operação. Desta forma serão realizadas as comparações entre as duas sondas, afim de determinar para cada caso qual apresenta melhor resposta.
12,88% 12,16% 11,80% 12,00% 12,20% 12,40% 12,60% 12,80% 13,00% ja n ela d e O p era ção (% Lâ m in a d 'águ a) Sondas
Non-Drilling
Semisubmersível NavioTabela 5-7 Resultados para Lâmina d’água Rasa Aproamento Embarcação Tempo (s) Raios (m) Critério limitante Tempo de POD Alerta
Vermelho Amarelo Alerta POD Vermelho Alerta Amarelo Alerta
0°
Semissubmersível 69,2 9,2 6,8 17,2 0,4 0,2 MF na Cabeça de Poço Navio 96,4 36,4 25,8 16,5 2,7 1,3 MF na Cabeça de Poço
45° Semissubmersível 67,8 7,8 5,6 17,2 0,3 0,2
MF na Cabeça de Poço Navio 75,0 15,0 10,6 18,1 0,8 0,4 MF na Cabeça de Poço
90°
Semissubmersível 75,4 15,4 11 16,9 0,9 0,4 MF na Cabeça de Poço
Navio 72,2 12,2 8,8 17,3 0,6 0,3 MF na Cabeça
de Poço
Figura 5-8 Tempo de POD para a Semissumersível em Águas Rasas
Tabela 5-8 Resultados para Lâmina d’água Profunda
Aproamento Embarcação Tempo (s) Raios (m) Critério limitante Tempo de POD Alerta Vermelho Alerta Amarelo POD Alerta Vermelho Alerta Amarelo 0°
Semissubmersível 88,4 28,4 20,0 69,3 8,4 4,2 MF na Cabeça de Poço Navio 124,8 64,8 45,2 65,7 19,4 9,7 MF na Cabeça de Poço
45°
Semissubmersível 87,8 27,8 19,4 69 8,3 4,1 MF na Cabeça de Poço Navio 91,2 31,2 22,2 81,1 10,2 5,1 MF na Cabeça de Poço
90° Semissubmersível 101,2 41,2 28,6 65,2 12,6 6,3
MF na Cabeça de Poço Navio 89,8 29,8 21 76,3 9,4 4,7 MF na Cabeça de Poço
Figura 5-9 Tempo de POD para o Navio em Águas Profundas
Tabela 5-9 Resultados para Lâmina d’água Ultra Profundas Aproamento Embarcação Tempo (s) Raios (m) Critério limitante Tempo de POD Alerta
Vermelho Amarelo Alerta POD Vermelho Alerta Amarelo Alerta
0° Semissubmersível 103,2
43,2 29,8 134,5 28,7 14,3 do Tracionador Curso Máximo
Navio 165,6 105,6 72,6 147,8 66,9 33,5 do Tracionador Curso Máximo
45° Semissubmersível
104,8 44,8 30,6 134,7 31,1 15,5 Curso Máximo do Tracionador Navio 87,2 27,2 19,4 121,9 13 6,5 do Tracionador Curso Máximo
90° Semissubmersível 131,2
71,2 48,2 143 50,7 25,3 do Tracionador Curso Máximo
Navio 88,4 28,4 20 120 14,4 7,2 do Tracionador Curso Máximo
Figura 5-12 Tempo de POD para a Semissubmersível em Águas Ultra Profundas
As conclusões obtidas foram diferentes para cada aproamento adotado. Para a condição de mar oblíquo, a embarcação que apresentou pior desempenho nas lâminas d’água rasas e profundas foi a semissubmersível. Esta conclusão pode ser explicada por esta ser a direção de aplicação de carga mais crítica para a plataforma, uma vez que é a que apresenta maior área de incidência sobre ela.
Porém, para a condição de lâmina d’água ultra profunda de mar oblíquo, o navio apresentou pior tempo de resposta. Este resultado pode ser explicado devido à mudança no critério limitante para esta profundidade que deixou de ser o momento fletor na cabeça de poço e passou a ser o curso máximo das linhas tracionadoras.
Quanto menor for lâmina d’água, maior é a angulação do riser em relação ao poço e por isso maior é o momento fletor atuando sobre ele, que foi o critério de falha resultante para os casos de lâmina d’água rasa e profunda. A Figura 5-13 abaixo apresenta uma representação dessa angulação e evidencia a variação devido à mudança de profundidade. As figuras seguintes apresentam os tempos de POD para
Figura 5-13 Representação de Angulação do Riser Para Diferentes Profundidades
Tem-se que
Onde:
é o ângulo do riser adotado para a condição de águas rasas em relação à um plano vertical perpendicular ao plano longitudinal da embarcação.
é o ângulo do riser adotado para a condição de águas profundas em relação à um plano vertical perpendicular ao plano longitudinal da embarcação.
é o ângulo do riser adotado para a condição de águas ultra profundas em relação à um plano vertical perpendicular ao plano longitudinal da embarcação.
Figura 5-16 Tempo de POD para Águas Ultra Profundas – Mar Oblíquo
Para a condição mar de través, naturalmente o navio apresentou pior resposta para todos os casos de lâminas d’água, uma vez que é a direção que incide sobre maior área da embarcação, neste caso a área longitudinal. Com isso quanto maior a área de aplicação de força, maior é a intensidade e influência desta no movimento de deriva.
Figura 5-18 Tempo de POD para Águas Profundas – Mar de Través
intensidade da forças sobre ele. Por mais que a intensidade de forças sejam próximas para este aproamento, a diferença de inércia entre as duas determina a melhor resposta para o navio.
Figura 5-20 Tempo de POD para Águas Rasas – Mar de de Proa
Figura 5-22 Tempo de POD para Águas Ultra Profundas – Mar de Proa
Para fins de interpretação dos resultados, foram analisadas a resultante das forças ambientais atuantes nas duas embarcações para a condição de mar oblíquo (mais crítica para semissubmersível) e de mar de través (mais crítica para o navio). No geral as cargas ambientais apresentam consideravelmente menor intensidade na semissubmersível do que no navio, o que pode ser explicado devido à diferença entre as áreas vélicas e submersas das duas embarcações.
Considerando apenas a intensidade das forças, espera-se que a semissubmersível apresente melhores resultados de tempo disponível para desconexão. Porém, deve-se considerar o deslocamento das duas sondas e as suas propriedades de massas adicionais para duas amplitudes de movimentos no plano de linha d’água: Surge e Sway.
O navio apresenta propriedade de inércia maior do que a semissubmersível, e por este motivo é necessária uma força maior para acelerá-lo igualmente. Para comparar
Com isso tem-se que:
Onde:
é a força ambiental resultante na embarcação em função do tempo
é a massa da embarcação
é a massa adicional de Surge
é a massa adicional de Sway
é a aceleração da embarcação ao longo do tempo
Figura 5-24 Aceleração de surge nas sondas – Mar Oblíquo em Águas Rasas
Figura 5-26 Força Resultante nas sondas – Mar Oblíquo em Águas Profundas
Figura 5-28 Aceleração de sway nas sondas – Mar Oblíquo em Águas Profundas
Figura 5-30 Aceleração de surge nas sondas – Mar Oblíquo em Ultra Profundas
Figura 5-32 Força Resultante nas sondas – Mar de Través em Águas Rasas
Figura 5-34 Aceleração de sway nas sondas – Mar de Través em Águas Rasas
Figura 5-36 Aceleração de surge nas sondas – Mar de Través em Águas Profundas
Figura 5-38 Força Resultante nas sondas – Mar de Través em Águas Ultra Profundas
Figura 5-39 Aceleração de surge nas sondas – Mar de Través em Águas Ultra Profundas
Figura 5-40 Aceleração de Sway nas sondas – Mar de Través em Águas Ultra Profundas
Em relação às lâminas d’água, não pode-se concluir qual embarcação apresentou melhor desempenho no escopo de análise de deriva. Porém deve-se observar que para os resultados encontrados, quanto maior a profundidade maior é tempo disponível para desconexão. Isto ocorre porque a distância de deriva até atingir a primeira falha segue uma lógica de proporção de lâmina d’água.
Portanto, se a perfuração for em uma lâmina d’água rasa, a distância de deriva até atingir o primeiro critério limitante vai ser proporcional à profundidade e quanto menor for essa distância, mais rápido a sonda é capaz de cobri-la e consequentemente menor é o tempo disponível para a desconexão.
A Figura 5-42 e Figura 5-43 apresentam uma comparação entre os custos de construção médios, mínimos e máximos de jackups, semissubmersíveis e navios de perfuração, para as duas últimas décadas.
Figura 5-41 Custo de Contrução de embarcações de perfuração em 2012 [8]
Figura 5-42 Custos de construção de navios e semissubmersíves [8]
Pode-se observar que os custos de construção de semissubmersíveis e navios são próximos e apresentam variações ao longo dos anos. Porém para semissubmersíveis esses valores são levemente menores que os custos relativos à construção de navios de perfuração, pelo menos para os últimos navios da quinta geração e os de sexta geração.
Os custos de reposição/substituição respondem de maneira similar às mudanças no mercado dos custos de construção. Devida às altas rotatividades no mercado de construção, os custos de substituição são relativamente altos, até para embarcações mais antigas. A Figura 5-43 apresenta alguns exemplos para esses custos e como eles variam de acordo com o tipo de embarcação e o seu ano de construção.
Figura 5-43 Exemplos de Custos de Substituição em 2012 [8]
A taxa de frete é o custo diário especificado na licitação de contratação de uma embarcação, que depende principalmente dos custos operacionais e da demanda do mercado, enquanto que a utilização é a porcentagem de embarcações contratadas em relação ao número total disponível no mercado mundial.
A Figura 5-44 e Figura 5-45 apresentam respectivamente gráficos em histograma das médias das taxas de frete e utilização para semissubmersíveis e navios de perfuração nos últimos três anos com capacidade para perfurar em profundidades acima de 7500 pés.
Figura 5-44 – Taxas de Frete e Utilização para Semissubmersíveis de Perfuração [9]
Figura 5-45 Taxas de Frete e Utilização para Navios de Perfuração [9]
Pode-se observar que as taxas médias variam consideravelmente ao longo dos anos, e nem sempre seguem a mesma lógica em relação à qual dos dois tipos de sondas
este valor é maior. Porém é possível constatar que o valor médio máximo atingido foi para navios e as utilizações para semissubmersíveis são menores que os navios.
6 CONCLUSÕES
Para todas as análises apresentadas ao longo deste projeto, é possível concluir que uma semissubmersível e um navio para campanhas de perfuração se diferem em desempenho tanto operacional quanto econômico.
A análise de operabilidade, não foi conclusiva em relação ao objetivo traçado de determinar quais das duas sondas analisadas possuem maior janela operacional, uma vez que os valores obtidos foram próximos. O que permite concluir que a margem permissível para operação depende mais de critérios estáticos como os ângulos das juntas flexíveis e o momento fletor na cabeça de poço do que de critérios dinâmicos, cujos resultados são influenciados pelas respostas em amplitude das sondas em função das ondas. Ou seja, depende principalmente de fatores como a posição da embarcação, a estrutura do riser adotadas, a profundidade e os critérios limitantes do conjunto, que foram os mesmos aplicados para cada embarcação.
A análise de deriva foi conclusiva na comparação entre sondas para cada lâmina d’água e direção de aproamento adotados. Observou-se uma tendência lógica de que os piores resultados são característicos das situações em que as cargas ambientais incidem sobre as maiores áreas projetadas das embarcações. Para o navio os piores resultados são de mar de través, enquanto que para semissubmersível os menores tempos foram obtidos para a condição de mar oblíquo.
Portanto depende principalmente da resposta das embarcações às cargas aplicadas, que além de depender da intensidade e direção de incidência, ela varia também de acordo com as características de inércia das duas.
Por fim para análise econômica pôde-se observar que os custos analisados e envolvidos na construção são mais expressivos para navios do que semissubmersíveis de perfuração. Em relação ao custo de substituição pode-se observar que a situação do mercado de construção e a idade da embarcação são fatores fundamentais para determinar em valor este parâmetro, não sendo possível dizer em média qual das duas apresenta mais vantagem em relação a outra.
Para as taxas de frete diárias a comparação apresentou valores bem semelhantes entre as duas embarcações, com picos maiores para a média das taxas para os navios, enquanto que utilização de semissubmersíveis apresentou porcentagens menos expressivas.
Pode-se concluir portanto que para os parâmetros operacionais e de segurança, a tomada de decisão acerca de qual embarcação é mais vantajosa não é conclusiva, uma vez que ambas apresentam margem de operabilidade similares e as diferentes respostas às cargas ambientais devido à direção de aproamento é um fator controlável durante a operação de sondas com sistemas de posicionamento dinâmico.
Para trabalhos futuros sugere-se que seja aprofundada a análise de custos envolvidos desde a concepção, passando pela vida operacional até o descomissionamento das embarcações. Esta análise completa pode apresentar valores mais conclusivos acerca de qual embarcação é mais vantajosa em critério de custo-benefício.
