TRANSMISSÃO DE SINAIS ACÚSTICOS DE CONTROLE ATRAVÉS DE DUTOS SUBMARINOS RÍGIDOS. Daniel Leite Lima

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1 TRANSMISSÃO DE SINAIS ACÚSTICOS DE CONTROLE ATRAVÉS DE DUTOS SUBMARINOS RÍGIDOS Daniel Leite Lima TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA. Aprovada por: Prof. Carlos Eduardo Parente Ribeiro, D.Sc. João Mansur, Ph.D. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2004

2 LIMA, DANEL LEITE Transmissão de Sinais Acústicos de Controle através de Dutos Submarinos Rígidos [Rio de Janeiro] 2004 XI, 161p., 29,7 cm (COPPEKJFRJ, M.Sc., Engenharia Oceânica, 2004) Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Comunicação Hidro-Acústica 2. Completação de Poços Submarinos I. COPPEWFRJ 11. Título (série)

3 Este trabalho é dedicado à pesquisa tecnológica no Brasil, como instrumento indispensável ao progresso de nosso país. iii

4 AGRADECIMENTOS Ao professor Carlos Eduardo Parente Ribeiro, pela orientação na elaboração deste trabalho e pela oportunidade de contato com sua experiência na área de acústica submarina. Ao professor Webe João Mansur pela orientação nos estudos de modelagens numéricas e pela permanente disposição e interesse no entendimento do problema. Ao engenheiro Cezar Augusto Silva Paulo, gerente de Tecnologia Submarina do CENPES/PDP/TS, pelo apoio à conclusão do curso de mestrado em engenharia oceânica. Ao engenheiro Remo Zauli Machado Filho pela sugestão do tema de dissertação, pelo apoio na viabilização dos ensaios experimentais, e pelas explicações durante o desenvolvimento do tema. Ao engenheiro Cássio Kuchpil, pelas contribuições e revisões ao longo do trabalho. Ao professor Murilo Augusto Vaz, pelo incentivo e acompanhamento durante todo o período do curso. Ao CC Arthur Bettega, CT(EN) Ana Greco de Souza, engenheiros Marcelo Bossan, Orlando Affonso e William Soares Filho, pela participação nos ensaios experimentais e reuniões. Aos engenheiros José Roberto Moreira, Ricardo Juiniti, Eduardo Ueta, Sandro Rappini e Anderson Custódio pelas contribuições dadas e pela disponibilização de seu escasso tempo. Ao engenheiro João Carlos Bittencourt, pelo incentivo na fase inicial do curso. Aos engenheiros Djalma Manoel Soares Filho, André Bulcão e Cláudio Martins, pela participação (e execução) nas modelagem numéricas. A todos os demais professores do PEnO, pela dedicação no desempenho de suas atividades. A todos os demais colegas do CENPESIPDPiTS, pelo aprendizado diário, profissional e pessoal.

5 Resumo da Tese apresentada à COPPEIUFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) TRANSMISSÃO DE SINAIS ACÚSTICOS DE CONTROLE ATRAVÉS DE DUTOS SUBMARINOS RÍGIDOS Daniel Leite Lima Março I2004 Orientadores: Carlos Eduardo Parente Ribeiro, D.Sc. Webe João Mansur, Ph.D. Programa: Engenharia Oceânica Este trabalho apresenta um estudo sobre transmissão de sinais acústicos através da parede de dutos rígidos metálicos, em condições similares às de um sistema de completação de poços de petróleo no mar em profundidades até 3000 metros. Entendese por completação o conjunto de operações destinadas a equipar um poço para a produção de hidrocarbonetos, ou ainda para injeção de fluidos nos reservatórios. Neste trabalho são estudados os parâmetros básicos do sistema acústico, o qual deverá transmitir com confiabilidade um comando em sinal digital em um enlace horizontal de fora para dentro do duto e vice-versa. Um ensaio em tamanho natural foi realizado a fim de validar os modelos desenvolvidos.

6 Abstract of Thesis presented to COPPWUFRJ as a partia1 fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) THROUGH-RISER ACOUSTIC COMMIJNICATION SYSTEM FOR ULTRA-DEEP WATER COMPLETION Daniel Leite Lima March Advisors: Carlos Eduardo Parente Ribeiro, D.Sc. Webe João Mansur, Ph.D. Department: Ocean Engineering This work presents the concepts of a through-riser acoustic cornrnunication module, as part of an undenvater completion system for hydrocarbon wells up to 3000 meters of water depth. It is comprehended by completion the set of operations which allow the well to start producing oil and gas, or even for injecting fluids into the reservoir. Some parameters for the system are defined, in order to establish a horizontal link between modules inside and outside riser, with appropriate reliability. A set of experimental essays were conducted to validate the models which were developed during this project.

7 1.1 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 1.2 CONSIDERAÇÕES GERAIS II. COMPLETAÇÃO DE POÇOS SUBMARINOS 11.1 ETAPAS DA COMPLETAÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS 11.2 PERFILADORES ACÚSTICOS PARA AVALIAÇÃO DA CIMENTAÇÃO 11.3 A VÁLVULA DE SEGURANÇA DE SUB-SUPERFÍCIE - DHSV 11.4 O TUBING HANGER 11.5 O DRILL PIPE RISER 11.6 INTERVENÇÃO EM POÇOS SUBMARINOS 11.7 ASPECTOS NA COMPLETAÇÃO DE POÇOS SUBMARINOS DESAFIOS NA COMPLETAÇÃO FUNÇÕES HIDRÁULICAS NA COMPLETAÇÃO III. SISTEMA RISER-3000 E MÓDULO ACÚSTICO DE CONTROLE CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA RISER MODOS DE OPERAÇÃO DO SISTEMA RISER MODO OPEN-SEA MODO IN-RISER CONSIDERAÇÕES SOBRE O MÓDULO ACÚSTICO DO RISER-3000 IV.1 A EQUAÇÃO SONAR IV.2 A EQUAÇÃO DA ONDA IV.2.1 EQUAÇÕES DIFERENCIAIS PARCIAIS IV.2.2 OBTENÇÃO DA EQUAÇÃO DA ONDA IV.3 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DO SOM NO OCEANO IV.4 INTENSIDADE ACÚSTICA IV.5 ATENUAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS IVS. 1 ATENUAÇÃO POR DISPERSÃO OU DIVERGÊNCIA IV.5.2 ATENUAÇÃO POR ABSORÇÃO DE ENERGIA IV.8 REFLEXÃO E TRANSMISSÃO DE ONDAS IV.9 ONDAS LONGITUDINAIS E TRANSVERSAIS 1v.10 REVERBERAÇÃO IV CARACTERÍSTICAS DA REVERBERAÇÃO IV.11 DETECÇÃO DE SINAIS ACÚSTICOS IV MÉTODOS DE DETECÇÃO

8 IV DEZECÇÃO DE SINAIS EM MEIO A RUÍDO E REVERBERAÇÁO 60 IV TRANSMISSÃO EM BANDA LARGA 61 IV.12 CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS SOBRE OS ENSAIOS IV ETAPAS DA PROPAGAÇÃO NOS ENSAIOS 1v.12.2 CÁLCULO DA ATENUAÇÃO NA ÁGUA IV PERDAS POR TRANSMISSÃO NA PAREDE DO DUTO IV ÂNGULO MÁXIMO DE INCIDÊNCIA V.1 APROXIMAÇÃO ALGÉBRICA DA EQUAÇÃO DA ONDA v. i. i &TODO DE DIFERENÇAS FINITAS V.2 MODELAGEM BI-DIMENSIONAL DA PROPAGAÇÃO ACÚSTICA NO INTERIOR DO DUTO MET~CO POR DIFERENÇAS FINITAS 73 V.2.1 RESULTADOS OBTIDOS 75 V.2.2 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS 78 V.3 MODELAGEM DA PROPAGAÇÃO ACÚSTICA NO INTERIOR DO DUTO METÁLICO POR ELEMENTOS FINITOS 79 V.3.1 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES 80 V.3.2 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS 83 VI.1 DESCRIÇÃO GERAIS DOS ENSAIOS 85 VI. 1.1 ENSAIOS NO LABORAT~IUO HIDRO-AC~STICO DO IP~M 85 VI. 1.2 ENSAIOS NO LABORATÓRIO HIDRO-ACÚSTICO DO PEBICOPPE 89 v1.2 PRIMEIRA PARTE: FREQUÊNCIAS ENTRE 10 E 30 HIZ VI.2.1 MATERIAIS UTILIZADOS V1.2.2 PROCEDIMENTO DE EXECUÇÃO VI.2.3 RESULTADOS OBTIDOS V1.2.4 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS VI.3 SEGUNDA PARTE: FREQÜÊNCIAS ENTRE 25 E 130 khz V1.3.1 MATERIAIS UTILIZADOS E PROCEDIMENTO VI.3.2 RESULTADOS OBTIDOS VI.3.3 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS OBTIDOS VI.4 TERCEIRA PARTE: FREQÜÊNCIAS ENTRE 0,3 E 5,O MHz 108 VIA. i VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO NA PAREDE METÁLICA 108 V1.4.2 COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO DA ONDA ULTRA-SÔNICA LONGITUDINAL ATRAVÉS DA PAREDE DE AÇO, PARA INCIDÊNCIA OBLÍQUA 110 VI.4.3 MEDIÇÃO EXPERTMENTAL DO COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO 112 VIS DETERMINAÇÃO DO TEMPO DE REVERBERAÇÃO VIS. 1 RESULTADOS OBTIDOS VI.6 TESTE DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS 121 VI.6.1 CODIFICAÇÃO DOS DADOS 121 VI.6.2 TESTE DO SISTEMA DE COMUNICAÇÃO NO TANQUE AC~STICO 123 VIL ANÁLISE COMPARATIVA DOS RESULTADOS OBTIDOS 126 VII.l CONSIDERAÇÕES INICIAIS PARA ANÁLISE COMPARATIVA 126 VI13 RESPOSTA NO TEMPO NAS MODELAGENS NUMÉRICAS 126 v11.3 ANÁLISE DA ATENUAÇÃO NA TRANSMISSÃO ATRAVÉS DO DUTO A PARTIR DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS 129

9 VIU. 1 EVIDÊNCIAS NOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS V ANÁLISE PRELIMINAR VII.3.3 INCIDÊNCIA NORMAL SOBRE CAMADAS FINAS VII.3.4 CÁLCULOS E GRÁFICOS A PARTIR DA SOLUÇÃO OBTIDA VIIA ATENUAÇÃO TOTAL VII.5 RECOMENDAÇÕES SOBRE OS PARÂMETROS DO SISTEMA v11.5. I FREQÜÊNCIA DE OPERAÇÃO VII.5.2 MÉTODOS DE DE'IECÇÃO E MODULAÇÃO ANEXO A

10 GLOSSÁRIO DE TERMOS TÉCNICOS UTILIZADOS Nesta seção são listados, em ordem alfabética, os termos técnicos específicos de completação de poços submarinos que foram utilizados ao longo do texto. - ANM: Árvore de natal molhada. Conjunto de válvulas para controle e operação do poço. - ANMH: Árvore de natal molhada horizontal. - BAP: Base adaptadora de produção (ver capítulo II). - BCS: Bombeamento centrífugo submerso. Método de elevação artificial. - BOP: Blow-out preventer. Dispositivo instalado na fase inicial da perfuração como elemento de segurança contra elevações bruscas de pressão no poço. - Bundle: Conjunto de mangueiras hidráulicas unidas de forma a formar um umbilical "empacotado" e configurável. - DHPT: Dowh-hole pressure and temperature gauge. Sensor de pressão e temperatura instalado no interior do poço. - DHSV: Dowh-hole safety valve. Válvula de segurança de sub-superfície. Ver capítulo 11, item 3. - DPR: Drill Pipe Riser. Ver capítulo 11, item 5. - EDS: Emergency disconnect shutdown. Procedimento de desconexão de emergência adotado em sistemas oflshore. - FSK: Frequency shift keying. Método de modulação por chaveamento na freqüência. - Gas-lift: Método de elevação artificial de petróleo em poços sem condições de surgência natural. - Heave: Movimento oscilatório longitudinal do corpo flutuante ou imerso em água, na direção vertical. - HPU: Hydraulic pressure unit, ou Unidade Hidráulica de Potência. - Kill: Operação de fechamento repentino do poço em casos de emergência com corte, se necessário, da coluna de produção.

11 - LARS: Launch And Recovery System. Sistema proposto para redundância (back-up) do módulo de controle acústico do sistema RISER Marine riser: Duto de maior diâmetro utilizado em operações de completação ou perfuração, no interior do qual um segundo riser desce para intervir no interior do poço. - MWD: Measurernent while drilling. Sistema que, durante a perfuração, adquire variáveis do processo (pressão, temperatura, inclinação, etc), enviando os dados adquiridos através de pulsos de ultra-som, utilizando a lama de perfuração como meio de transmissão. - PDG: Permanent Downhole Gauge. Sensor múltiplo instalado no interior do poço, para funcionamento durante toda a fase de produção. - Pod: Vaso hiperbárico onde é acondicionado sistema elétrico ou hidráulico. - Riser: Duto metálico ligando o fundo do oceano à superfície, em instalações marítimas de perfuração, completação ou produção. - ROV: Remotely Operated Vehicle: Veículo submarino de operação remota. - SMS: Segurança, meio-ambiente e saúde. - THRT: Tubing hanger running tool. Ferramenta para descida e instalação do tubing hanger. - Thruster: Propulsor marítimo usado em ROV's e embarcações com posicionamento dinâmico, com suprimento hidráulico ou elétrico. - Tubing Hanger: Suspensor de coluna. Ver capítulo 11, item 4. - Well testing: Teste de poço, a partir dos sensores e estimuladores instalados. - Workover: Literalmente, "trabalho sobre". Intervenção sobre uma instalação submarina já existente (ver capítulo Ii,item 6).

12 A produção de hidrocarbonetos em áreas marítimas deve alcançar em um futuro próximo a marca dos 3000 metros de profundidade. Devido a isto, os recursos materiais necessários para instalação e completação de poços submarinos estão adquirindo, além de características de desempenho mais exigentes, dimensões e pesos proibitivos no cenário atual. Um dos problemas reside nos umbilicais eletro-hidráulicos para atuação junto à cabeça do poço, cujos carretéis, para comportar o comprimento necessário, sobrecarregam a embarcação quanto a espaço físico e capacidade de carga. Além disso, tais umbilicais são descidos no interior do marine riser, presos por abraçadeiras junto à coluna de completação, o que traz riscos de ruptura e queda destas abraçadeiras no interior do poço, danos aos umbilicais e diversos problemas hidráulicos. Outro problema é o tempo demandado para descida e recolhimento destes umbilicais, bem como o retardo nas operações hidráulicas (tipicamente superior a 30 segundos) causado pela distância entre a unidade de superfície e os atuadores, Buscando a solução deste problema, a PETROBRAS iniciou o desenvolvimento de uma solução integrada para equipamentos necessários à completação de poços nas condições descritas, solução na qual deverá ser eliminado o umbilical eletro-hidráulico interno, que atua, entre outras tarefas, na instalação do tubing hanger e no teste, seguido de instalação, da DHSV - down hole safety valve. Na solução proposta, dispositivos presos à coluna de completação, internos ao marine riser, executarão as tarefas antes atribuídas ao umbilical e serão controlados por um sistema acústico, o qual deverá garantir que o sinal de controle atravesse a parede do marine riser e chegue até tais dispositivos. O conjunto deverá conter acumuladores de energia hidráulica e elétrica, atuadores hidráulicos, módulos de controle e transdutores acústico para comunicação entre os meios interno e externo. Entretanto, até o presente momento, não existe um estudo que forneça uma base teórica ou experimental de modo a assegurar a viabilidade desta comunicação acústica, dentro da solução proposta, ou mesmo definir em que condições isto seria viável.

13 1.1 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO Para definir-se as bases de trabalho, foi realizada inicialmente uma série de contatos com profissionais ligados às atividades correlatas (acústica submarina, perfuração, completação e intervenção em poços submarinos, simulações numéricas). Esta etapa inicial permitiu um levantamento da situação presente, a partir da experiência de campo obtida pela PETROBRAS e outras instituições ao longo do desenvolvimento da indústria do petróleo no Brasil. Como resultado, um resumo sobre completação de poços submarinos é apresentado no capítulo H. Em seguida, buscou-se artigos recentemente publicados em congressos na área, como OTC (Offshore Technology Conference) e DOT (Deep Offshore Technology), no intuito de assimilar novas concepções propostas ou em fase de desenvolvimento. O capítulo III apresenta o sistema RISER-3000 ou WOCS-3000 (Workover Riser System), cuja concepção inclui o objeto de estudo deste trabalho. As ferramentas matemáticas para análise do problema foram recolhidas de fontes tradicionais na área de acústica submarina, sendo apresentadas no capítulo IV. Um trabalho de modelagens numéricas da propagação acústica nas condições previstas permitiu rim melhor entendimento e, adicionalmente, a visualização dos fenômenos decorrentes da penetração da onda acústica no interior do duto rígido. O resultado das modelagens é apresentado no capítulo V. A realização de um conjunto de ensaios em tamanho natural, em tanque acústico, forneceu resultados importantes para a caracterização de parâmetros do sistema de comunicação. O capítulo VI descreve os critérios adotados, a sistemática de execução e os resultados colhidos. As análises e conciusões contidas nos capítulos Vil e ViIí buscam sintetizar as informações apresentadas e os resultados obtidos nos capítulos anteriores, bem como sua aplicação no cenário previsto, com as implicações decorrentes das limitações físicas e da confiabilidade necessária para as tarefas a serem comandadas pelo sistema acústico. 1.2 CONSIDERAÇÕES GERAIS Este trabalho não se aprofunda em questões específicas de perfuração e completação de poços, dada a complexidade dos temas, Detalhes como características físicas e funcionais dos módulos interno e externo ao marine riser não serão abordados,

14 uma vez que diferentes situações podem exigir mais ou menos recursos de energia elétrica e hidráulica, compactação física de módulos, quantidade de recursos funcionais e confiabilidade de dispositivos. Em relação à operação do sistema nas condições do problema, o objetivo principal deste trabalho é comprovar a viabilidade da comunicação acústica através da parede de um duto rígido, para os casos de desalinhamento vertical e de azimute, em presença de heave e ruídos intensos, como em caso de choques entre o riser e ferramentas internas, acionamento de thncsters, hélices e outras máquinas. A configuração do sistema prevê dois sensores hidro-acústicos separados pela parede de um duto metálico cilíndrico. Não se aborda neste trabalho como os mesmos serão instalados ou supridos, ou que funções serão executadas a partir dos sinais de controle enviados desde a superfície até os atuadores no interior do duto. Os estudos e ensaios realizados objetivaram uma taxa de comunicação relativamente baixa, da ordem de 10 a 20 bits por segundo, a qual deve, no entanto, ser suficiente para as operações de comando de funções hidráulicas. O uso deste sistema para monitoração de sensores no fundo do poço com taxas mais altas de transmissão pode, no futuro, ser considerado, desde que as configurações dos dispositivos externo e interno sejam melhor detalhadas de modo a favorecer este tipo de aplicação.

15 Este capítulo apresenta informações básicas sobre completação de poços submarinos, apresentando situações onde a aplicação de controle acústico é possível, a fim de permitir um melhor entendimento dos capítulos subseqüentes. Alguns equipamentos são especificamente detalhados ao longo deste capítulo por sua importância em operações com o novo sistema acústico proposto. Conforme já citado, a completação, fase subseqüente à perfuração, é o conjunto de instalações necessárias para exploração dos hidrocarbonetos acessados pela perfuração do poço, ou ainda injeção de fluidos no reservatório, a fim de permitir um melhor aproveitamento econômico do reservatório [I]. A completação no mar é diretamente afetada pela profundidade do poço a ser equipado. Poços em águas rasas (até 300 metros, limite de mergulho comercial), em águas profundas (entre 300 e 1500 metros, limite atual dos risers de exportação) ou ultraprofundas (acima de 1500 metros) podem ser, conforme questões econômicas e tecnológicas, completados de modos diferentes e com recursos materiais diferentes. Os fatores que influem na completação a ser realizada são, dentre outros: - Profundidade local. - Extensão do poço (sob o leito marinho). - Localização do poço (distância em relação à costa e a outras instalações ofsshore). - Dimensão do reservatório. - Vazão máxima esperada. - Período total de produção previsto. - Custos de instalação e custos operacionais. - Histórico local de completações ETAPAS DA COMPLETAÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS O conjunto de operações realizado durante uma completação marítima, em ordem seqüencial, segue geralmente os seguintes passos:

16 - Condicionamento do poço: Esta fase tem como objetivo a limpeza e conformação do revestimento, o qual geralmente ainda está irregular e impregnado pelo fluido de perfuração, por restos e por tampões de cimentação. Consiste na descida de uma coluna com uma broca e um raspador (figura 2.1), de modo a deixar o interior do revestimento gabaritado e em condições de receber os equipamentos necessários. Depois de realizada a limpeza e conformação, procede-se um teste de estanqueidade do revestimento, o qual é seguido por correções necessárias, em caso de vazamentos. O fluido de perfuração (genericamente uma lama com aditivos) é substituído pelo fluido de completação, o qual se trata de uma solução salina de alto teor, cuja principal função é a de estabelecer uma pressão hidrostática superior à pressão do próprio poço sem reagir com os fluidos presentes no reservatório, e assim garantir a estabilidade dos fluidos. C Drill Pipe de Topo / Liner Raspac Broca figura Condicionamento do poço - Avaliação da qualidade da cimentação: A cimentação, realizada durante a perfuração do poço, tem a dupla finalidade de suporte mecânico ao revestimento e de vedação hidráulica entre os intervalos verticalmente atravessados pelo revestimento. A avaliação da cimentação é feita com perfis acústicos (ver item II.2), a fim de identificar eventuais falhas (espaços sem cimentação ou rarefeitos, preenchidos por fluidos). Estes perfis acústicos são

17 executados por equipamentos dotados de pequenos transdutores acústicos, desenvolvidos especialmente para essa operação e operados por companhias especializadas. Esses transdutores são descidos por um cabo com a tripla função de energização, transmissão de sinais (ou comunicação digital) e sustentação mecânica. - Canhoneio: Esta fase consiste na perfuração do revestimento do poço a partir da detonação de cargas explosivas, de modo a formar os canais de fluxo necessários ao escoamento dos hidrocarbonetos, desde o reservatório até o interior da coluna de produção. A figura 2.2 representa a formação, coluna de revestimento e os canais provocados pelo detonador. Figura Canhoneio de revestimento - Instalação da coluna de produção: A coluna de produção, formada por tubos metálicos, será instalada no interior do poço e receberá componentes de subsuperfície necessários à produção e controle do reservatório. Os principais componentes que compõem ou instalam-se na coluna de produção são listados abaixo e apresentados na figura 2.3, em seguida: Tubos de produção: São os componentes básicos da coluna. Devem assegurar a integridade do revestimento e a vedação entre suas juntas. Válvula de segurança de sub-superfície (DHSV): Válvula, que como o nome indica, situa-se no interior do poço, geralmente instalada na

18 coluna de produção. Este elemento é de especial importância no desenvolvimento deste trabalho (ver item IT.3). Árvore de natal simples flangeada Adaptador Cabep de Suspensor de coluna Cabeça de revestimento - Tubos de produção 4 1/2" EU Redução 3 112" EU x 4 112"EU Tubos de prodiição 3 1r2"EU - -- Mandris de gas lifi - - Packer hidráulico Tubo de produção 3 112" Sfiear-out dupla Figura Coluna de Produção com Gas-Lift Demais componentes auxiliares da coluna de produção: Shear-out (ou Sub de Pressurização) e Hydro-tip, Nipples de assentamento, Camisas deslizantes (sliding sleeves), Válvulas de retenção (Check Valves), Obturador (Packer de produção), Unidade selante, Junta Telescópica (TSR- Tubing seal receptacle), Mandril de gas-li$ - Retirada do BOP e Instalação de equipamentos acima da cabeça do poço: Base adaptadora de produção, árvore de natal molhada, tubing hanger.

19 - Colocação do poço em produção: Ao final da fase de completação, é necessário aliviar a pressão causada pelo fluido de completação, uma vez que é normal a ocorrência de uma barreira hidrostática que impeça a surgência natural dos hidrocarbonetos. Isto pode ser feito pela substituição ou retirada parcial do fluido de completação, por gas-li@ (gaseificação do fluido na coluna), por pistoneio (ação de um pistão descido por cabo), ou ainda por elevação artificial (bombeamento), nos poços que não têm condições de produção por surgência natural. Feito isto, encerra-se a fase de completação e o poço está apto a produzir PERFILADORES ACÚSTICOS PARA AVALIAÇAO DA CIMENTAÇAO A cimentação tem a função de garantir a vedação hidráulica entre os diversos intervalos permeáveis no entorno do poço perfurado e completado. Além disso, propicia suporte mecânico ao revestimento. Problemas no revestimento podem gerar produção de fluidos indesejáveis ou contaminados, prejuízo no controle do reservatório e em último caso, perda do poço. Para se avaliar a qualidade da cimentação são utilizados perfiladores acústicos, que medem a homogeneidade da cimentação, assim como a aderência do cimento ao revestimento e à formação. Basicamente, o sistema realiza uma refectometria no domínio do tempo, ou seja, analisa a quantidade de energia acústica recebida a cada instante pela reflexão de pulsos emitidos nas diferentes camadas circulares ao redor do poço. Os perfis acústicos são classificados de acordo com a sua freqüência de operação: - Perfil SÔnico (freqüências até 20kHz): O sistema é composto geralmente por um emissor, dois receptores, e um módulo eletrônico para processamento do sinal. O pulsos produzidos pelo emissor se propagam através do revestimento, cimento e formação, antes de atingir os dois receptores, que são dispostos próximos ao emissor: 1 metro a cerca de 1,5m do emissor. Ao menos dois gráficos no domínio do tempo são gerados a partir de cada perfilagem. O perfil denominado CBL (cement bond logging ou controle da aderência da cimentação) registra a amplitude em volts da primeira chegada de sinal ao receptor que está a cerca de 1 m. A atenuação do sinal é associada à aderência do cimento ao revestimento e depende de fatores como resistência do cimento à compressão, diâmetro e espessura do revestimento, e parcela da

20 circunferência cimentada. Já o perfil VDL (variable densiíy logging) registra a onda detectada pelo segundo receptor, que está a 1,5m. A boa aderência cimento-revestimento é detectada pela presença de valores baixos nas leituras do perfil CBL, enquanto a boa aderência cimento-formação é detectada pela ausência de sinal de revestimento e presença de sinal de fosmagão no perfil VDL. Além dos dois perfis citados, existem outras análises, como o perfil de raios gama (GR), para comparação dos perfis de poço aberto com os pe~s CBLWDL; o perfil de localização das luvas do revestimento (CCL - casing colar locator), e as curvas de tempo de trânsito (TT). A figura 2.4(a) representa uma configuração de perfilagem sônica. Um exemplo de carta de análise é apresentada na figura 2.4(b): Cimentação prirnári Figuras 2.4(a) Diagrama típico de perfilagem sônica e 2.4(b) Análise de Perfis Sônicos - Perfil Ultra-Sônico (Freqüências entre 20 e SOkHz): Seu arranjo apresenta oito transdutores dispostos circularmente, de tal modo que cada um deles permita avalias 45" de asco no espaço circular do poço. O perfil ultra-sônico CEL (cement evaluation log) apresenta uma melhor resolução angular, mas não é tão eficiente quanto o CBUVDL para investigas a aderência cimentoformação. Outro sistema de perfilagem ultra-sônica mais recentemente desenvolvido é o USIT (Ultra Sonic Imager Tool), que apresenta um único transdutor que gira a cerca de 7 a 8Hz, cobsindo todo o perímetro circular e emitindo 18 pulsos ultra-sônicos por giro [I]. Além disso, apresenta facilidades como asmazenamento e transmissão digital de dados, medição direta da impedância acústica e maiores recursos de software.

21 I Casing Collar Locator (CCL) r20 c...) -80 IMPEDANCE r l,_. v. CCL (CCLU) 'V.. I.er 1-40 (-..-i 1 O 4". - Z.. i- 3; ;:g..~;::;:;,: \ O = 2..,.... Figura Análise de Perfis Ultra-Sônicos O uso combinado dos dois métodos, conforme representado na figura 2.5, permite uma completa avaliação da qualidade da cimentação ao longo da coluna de produção. A válvula de segurança de sub-superfície é um dos principais componentes de segurança do poço, sendo instalada na coluna de produção. Seu conceito invariavelmente é o "fecha-ao-falhar" (fail-to-dose), devendo ser mantida aberta por pressurização durante toda sua vida útil. Fica situada a cerca de 30 metros abaixo da cabeça do poço, de modo a minirnizar a chance de avarias por eventuais acidentes, quando sua atuação será realmente necessária. A atuação da válvula (para fechamento do poço) é feita por retirada da pressão que a mantém na posição aberta. Os principais componentes de uma DHSV típica são apresentados na figura 2.6:

22 1 -rlj_ Linha de Controle.ede Pistão Pressão do Fluido Hidiaulico Ação da Força da Mola Pressão da Coluna Figura 2.,6- Diagrama típico de uma DHSV Existem dois tipos de DHSV, quanto à sua instalação: As que são descidas conectadas à coluna de produção (tipo tubing mounted), e as que são instaladas após a descida da coluna através de operação com cabo (chamadas wireline retrievable). Na árvore de natal existe uma válvula para isolamento da linha de controle hidráulico da DHSV. Esta válvula é geralmente operada com ROV's O TUBING HANGER Tubing Hanger é o termo usado na indústria do petróleo para o conjunto suspensor de coluna de produção ou injeção de cada poço, sendo instalado junto à árvore de natal molhada como elemento de interface entre esta e a coluna de produção. Suportando o peso da coluna de produção, o TH é ancorado e travado no último suspensor de revestimento (chamado casing hanger), que é situado geralmente na BAP (base adaptadora de produção), e atua na vedação para o espaço anular, formado entre o revestimento de produção e a coluna de perfuração.

23 O Tubing Hanger pode ser do tipo concêntrico ou excêntrico, sendo o último o mais usado na Bacia de Campos. Estas denominações são relacionadas ao furo de acesso ao espaço anular na coluna de produção. O tipo excêntrico permite maior flexibilidade de instalação de equipamentos de fabricantes distintos (p.ex., BAP, TH e ANM). Este tipo de TH, conforme apresentado na figura 2.7, possui tipicamente um furo de 4" para acesso à coluna de produção, um furo de 2" para acesso ao espaço anular, um ou dois furos de W' para acionamento da DHSV, e um último furo para passagem do cabo elétrico utilizado nos sensores PDG (pemzanent downhole gauge), que são responsáveis pela leitura e envio em tempo real da pressão e temperatura de fundo de poço. Os sensores PDG resolvem tipicamente 0,01 em psi e O,l C, e sua aquisição pode ser diária (no caso de reservatórios em produção normal); em taxas entre 1 e 5 segundos (no caso de fechamento de poços); ou da ordem de minutos (durante a descida de equipamentos, neste caso para teste de integridade).

24 11.5 O DRILL PIPE RISER O Drill Pipe Riser (DPR) é um sistema alternativo de completação e instalação de equipamentos submarinos, cuja principal vantagem consiste na redução do tempo necessário para instalação de equipamentos como tubing hangers e árvores de natal, nas condições específicas de águas ultraprofundas. A isto se soma o baixo custo de manutenção e operação do sistema, se comparado aos outros sistemas convencionais. O DPR é composto basicamente de coluna de perfuração (elemento principal), vaso submarino de controle, sistema de superfície e umbilical eletro-hidráulico de controle. Este sistema foi concebido a partir da observação das limitações dos sistemas convencionais quanto a espaço ocupado nas sondas de perfuração e completação, tempo de instalação e de retirada, os quais se tornam críticos a partir de cerca de 1000 metros de profundidade d'água. A figura 2.8 apresenta um arranjo geral de concepção do DPR, apresentando seus principais componentes. Nota-se, no centro da figura, um umbilical clamp, um dos fatores de riscos e atrasos no sistema DPR. Vários tipos de sistemas de completação são usados ao redor do mundo, tendo em comum o acesso ao espaço anular do poço, necessário para operações de teste, estimulação, produção e fechamento (kill) do poço. Isto implica em conexões maiores, mais complicadas e, por isso, mais sujeitas a falhas. A concepção básica do DPR é a de usar juntas convencionais de risers de perfuração, para instalação tanto das árvores de natal (conforme representado na figura 2.9) quanto dos tubing hangers (figura 2.10). Os dois fatores repercutem nas reduções de custo e tempo da operação, conforme dito. Torna-se necessário, no entanto, prover o acesso ao espaço anular do poço e um sistema multiplexado de controle através do umbilical eletro-hidráulico, sendo este último por questões de redução de tamanho e peso do umbilical. A operação de descida do tubing hanger requer a fixação do umbilical junto à coluna do DPR, descendo internamente ao marine riser. Esta fixação é provida por meios de abraçadeiras ou clamps, cuja confiabilidade é essencial para evitar danos ao umbilical e queda destas abraçadeiras no poço. O DPR passa a ter, em média, oito vezes menos conexões hidráulicas que os sistemas convencionais, fator que repercute no índice de confiabilidade do sistema.

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Completação. Prof. Delmárcio Gomes Completação Prof. Delmárcio Gomes Ao final desse capítulo, o treinando poderá: Explicar o conceito de completação; Diferenciar os tipos de completação; Identificar as etapas de uma intervenção de completação;

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