MONITORAMENTO DE RISERS FLEXÍVEIS: FERRAMENTA MANDRIL VENTURI

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1 MONITORAMENTO DE RISERS FLEXÍVEIS: FERRAMENTA MANDRIL VENTURI Aluno: Hilton Betta Junior Orientador: Arthur Martins B. Braga Introdução Com a consolidação do petróleo como uma das principais fontes de energia além das recentes descobertas de novos campos, como o pré-sal, a indústria mostra grande necessidade para o aprimoramento nas técnicas de exploração. A ferramenta mandril venturi (FMV) surge com o propósito de otimizar o tempo e os recursos gastos no processo de cementação e acidificação de um poço de petróleo. Enquanto no processo antigo diversas fases deveriam ser executadas com diferentes peças e em diferentes passos, a FMV supre todo o processo apenas com a substituição de uma válvula, sem a necessidade da ferramenta ser retirada do poço ou utilização de uma bomba suplementar utilizada somente para esta operação. Considerando o material a ser utilizado pela FMV, além de seu diâmetro externo como parâmetros, foi possível simular determinadas condições críticas em que o FMV poderia ser aplicado fazendo o uso de um software de elementos finitos. Com estas simulações, pôde-se então verificar o comportamento da ferramenta, para que a partir deste ponto, futuras mudanças para diminuir as perdas de cargas tornassem possíveis. Metodologia Foi especificado que o protótipo da FMV fosse desenvolvida com o metal SAE 4140 (S y = 640Mpa), logo, após modelar as peças que formariam a FMV, foi necessário fazer diversas simulações estruturais para especificar as melhores dimensões possíveis para a FMV trabalhar com uma vazão de 300m³/dia sem que esta peça não venha a falhar mecanicamente. Para determinar o comportamento da FMV com a maior segurança possível, para que a ferramenta não sofra nenhuma falha mecânica, foram feitas as seguintes simulações: Pressão externa de 30MPa e zero de pressão interna. Pressão interna de 50MPa e zero de pressão externa. Pressão diferencial. Onde os dois primeiros itens são situações surreais para um cenário de trabalho em que a ferramenta venha a trabalha, já que é impossível um diferencial de pressão desta magnitude. Estas simulações tiveram como objetivo mostrar a confiabilidade da FMV mesmo em situações supercríticas.

2 Em todas as três análises foram consideradas a mesma malha de elementos finitos, a mesma condição de contorno (engaste na área da rosca) e as mesmas propriedades do material (aço 4140), alterando apenas as áreas onde a pressão atua. Para o modelo analisado foi aplicada uma condição de simetria em relação ao plano YX como pode ser observado nas figuras a seguir. A. Pressão Externa Nesta análise foi considerado uma pressão externa de 30MPa e uma pressão interna de zero. Como dito anteriormente, análise com o intuito de mostrar a resistência mecânica da estrutura até mesmo em uma situação surreal. A Figura 1 apresenta os valores de deformação para uma análise estática do protótipo. Na região de máxima deformação os valores em microstrain são da ordem de 1100 µm/m com isso o fator de segurança dessa área é próximo de 2, como pode ser observado na Figura 2. Figura 1 - Deformação para pressão externa máxima e pressão interna zero (escala em m/m)

3 Figura 2 - Fator de Segurança As Figuras 3 e 4 mostram o resultado de uma análise de flambagem do protótipo devido à pressão externa. Nestas imagens é possível observar se a estrutura irá falhar sobre o efeito de flambagem na região em que a ferramenta possui um maior diâmetro interno. Na escala é possível observar que o máximo valor de deslocamento na região crítica é de 1 mm garantindo assim não irá ocorrer dano por colapso. Figura 3 - Análise de flambagem (escala em mm - deslocamento)

4 Figura 4 - Análise de flambagem (escala em mm), detalhe da seção crítica. B. Pressão Interna Nesta simulação foi considerado uma pressão interna de 50MPa e uma pressão externa de zero. Observa-se na figura 5 que os valores de deformação do material está próximo de seu limite elástico, porém cabe ressaltar que este caso é uma situação irreal, já que em nenhum momento a pressão externa a FMV será de zero ou o diferencial de pressão interno-externo será desta magnitude. Figura 5 - Deformação para pressão interna máxima e pressão externa zero (escala em m/m)

5 Figura 6 - Fator de Segurança C. Pressão Diferencial Este é o modelo que melhor representa a realidade de trabalho da FMV, já que este equipamento irá trabalhar com uma pressão interna e externa. Porém, seguindo o mesmo padrão dos casos anteriores, será considerado um diferencial de pressão máximo para que possa ser observada a reação da ferramenta em outra situação crítica. Logo, foi considerado uma pressão interna de 50MPa e uma pressão externa de 30MPa, gerando assim um diferencial de pressão de 20MPa no sentido interno-externo. A Figura 7 apresenta os valores de deformação da análise estática do modelo. Pode ser observado que o valor de deformação na bolsa superior (região crítica) possui valores próximos de 1000 µm/m de forma que o fator de segurança para essa pressão de trabalho é próximo de 2 tal como se pode ver na Figura 8.

6 Figura 7 - Deformação com pressão diferencial (escala em m/m) Figura 8 - Fator de Segurança

7 Conclusões Foram definidas as geometrias Da FMV, com estes dados foram feitas simulações em elementos finitos com o que se pode verificar o comportamento da ferramenta para as condições de trabalho normal e também para situações extremas de trabalho. As simulações mostraram que a geometria escolhida para o material já prédeterminado foi satisfatória já que na simulação mais próxima de uma situação real, o comportamento da FMV esteve dentro do planejado. Logo, após todo o trabalho de análise estrutural, foi possível fazer as análises necessárias para otimizar o fluxo, diminuindo as perdas de carga. Referências 1 GERE, J. M.; GOODNO, B. J. Mecânica dos Materiais. 7ª edição, CENGAGE Learning, 2010, p