ANÁLISE DE OPERAÇÕES DE ABASTECIMENTO DE CARGA GERAL PARA UNIDADES DE PRODUÇÃO OFFSHORE

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1 ANÁLISE DE OPERAÇÕES DE ABASTECIMENTO DE CARGA GERAL PARA UNIDADES DE PRODUÇÃO OFFSHORE Gustavo Pacheco Restum Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Junior Orientador: Prof. Floriano Carlos Martins Pires Coorientador: Prof. Luiz Felipe Assis Rio de Janeiro Setembro 2017

2 ANÁLISE DE OPERAÇÕES DE ABASTECIMENTO DE CARGA GERAL PARA UNIDADES DE PRODUÇÃO OFFSHORE Gustavo Pacheco Restum 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: Prof. Floriano Carlos Martins Pires Junior, D.Sc. Prof. Luiz Felipe Assis, D.Sc. Prof. Jean-David Job Emmanuel Marie Caprace, Ph.D. Prof. Luiz Antônio Vaz Pinto, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO de 2017 ii

3 Restum, Gustavo Pacheco Análise de Operações de Abastecimento de Carga Geral para Unidades de Produção Offshore/Gustavo Pacheco Restum - Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, XI, 80 p.: il.; 29,7cm Orientador: Floriano Carlos Martins Pires Junior Projeto de Graduação UFRJ/Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Naval e Oceânica, Referências Bibliográficas: p Introdução 2.Panorama Geral da Operação 3.Descrição do Problema 4.Simulação da Operação 5.Conclusão e Considerações Finais I. Junior, Floriano Carlos Martins Pires II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia Naval e Oceânica. III. Análise de Operações de Abastecimento de Carga Geral para Unidades de Produção Offshore. iii

4 AGRADECIMENTOS À toda minha família. Em especial, aos meus pais Suzana e Humberto, minha avó Jeannette e minha tia Margarida, pela minha formação como homem, e por todo carinho, suporte e incentivo dados durante toda a minha vida, sobretudo nesses anos difíceis. Todo esse apoio, aliado a esforços inigualáveis para que eu sempre tivesse as melhores condições físicas e educacionais, fizeram-me capaz de chegar até aqui. A todos os professores e funcionários da UFRJ que contribuíram para minha formação acadêmica, com destaque para meu orientador Floriano e meu coorientador Luiz Felipe, por todo auxílio, empenho, paciência e conhecimentos depositados na realização deste trabalho. Por fim, a todos os meus amigos, com destaque para os que estiveram comigo durante todo o curso e ajudaram-me de alguma maneira a completar este ciclo, seja através de companhia nas horas árduas de estudo, conselhos ou mesmo momentos de diversão e companheirismo. Eu não seria capaz de completar essa etapa sem essas pessoas. iv

5 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 de Operações de Abastecimento de Carga Geral para Unidades de Produção Offshore Gustavo Pacheco Restum Setembro/2017 Orientador: Prof. Floriano Carlos Martins Pires Junior Coorientador: Prof. Luiz Felipe Assis Departamento: Engenharia Naval e Oceânica As operações de abastecimento de carga geral para unidades offshore são extremamente importantes para a produção e a exploração do petróleo na costa brasileira. Atualmente, devido a essas atividades, a necessidade de atendimento às unidades é grande. Na Bacia de Campos, as mais de 60 unidades requerem aproximadamente 100 visitas semanais, em média. Além disso, a demanda de carga geral das plataformas apresenta altos índices de incerteza e variações, tanto na quantidade quanto no tipo do suprimento. Este projeto realizará uma análise completa das operações de uma frota de navios PSV (Platform Supply Vessel) para transporte de carga para um cluster, definindo de maneira precisa a demanda de carga e dimensionando a frota de navios, através da elaboração de um modelo simulador no software Arena, propondo assim uma programação organizada para as operações. Palavras-chave: Demanda de Carga, Unidades, PSV, Carregamento, Descarregamento, Bacia de Campos. v

6 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for degree of Naval Architecture and Marine Engineering. Analysis of General Cargo Supply Operations to Offshore Production Units. Gustavo Pacheco Restum Setembro/2017 Advisor: Prof. Floriano Carlos Martins Pires Junior Coadvisor: Prof. Luiz Felipe Assis Graduation: Naval Architecture and Marine Engineering General cargo supply operations for offshore units are extremely important for the production and exploitation of oil on the Brazilian coast. Currently, due to these activities, there is a high need for services to attend these units. On the Campos Basin, there are more than 60 units, that require approximately 100 weekly visits, on average. In addition, the overall load demand of the platforms presents high uncertainty and variations, both in quantity and type of supply. This project will carry out a complete analysis of the operations of a fleet of PSV (Platform Supply Vessel) vessels to transport cargo to a cluster, accurately defining the load demand and dimensioning the fleet, through the elaboration of a simulaton model in the software Arena, thus proposing an organized programming for operations. Keywords: General Cargo Demand, Units, PSV, Loading, Backloading, Campos Basin. vi

7 Sumário 1. Introdução Objetivos Motivação Metodologia Panorama Geral da Operação Portos Suprimento Carga de Convés Granéis Líquidos Granéis Sólidos Recursos Disponíveis para o Transporte Line Handling (LH) Pipe Laying Support Vessel Tug Supply Anchor Handling Tug Supply Diving Support Vessel ROV Support Vessels Well Stimulation Support Vessels Subsea Equipament Support Vessels Oil Spill Response Vessel Fire Fighting Plataform Supply Vessel Utility Passenger Boat Descrição do Problema Unidades Offshore Demanda Média Semanal Tempo das Operações de Carregamento/Descarregamento Condições Meteorológicas Simulação da Operação Software Implementação do Modelo, Verificação e Validação Resultados e Análise Conclusão e Considerações Finais vii

8 6. Referências viii

9 Índice de Imagens Figura 1 - Evolução das reservas petrolíferas nacionais. Fonte: Piquet [1] Figura 2 - Porto de Imbetiba, em Macaé (RJ) Figura 3 - Número de visitas por semana registradas ao longo de um período de tempo em Fonte: LEITE [3] Figura 4 - Evolução da produção em águas profundas Figura 5 - Unidades de produção içando contêineres na Bacia de Campos. Fonte: LEITE [3] Figura 6 - A importância de cada porto, de acordo com cada tipo de carga, em Fonte: LEITE [3] Figura 7 - Diferentes tipos de carga organizadas no convés do Maersk Vega. Fonte: LEITE [3] Figura 8 - Contêiner refrigerado, utilizado para transportar água e alimentos Figura 9 Manifold Figura 10 - Dutos distribuídos no convés de uma embarcação supply Figura 11 - Demanda semanal média de unidades de produção na Bacia de Campos - abril de 2011 a março de 2012 [3] Figura 12 - Demanda semanal média de unidades de perfuração na Bacia de Campos - abril de 2011 a março de 2012 [3] Figura 13 - Embarcação tipo PLSV Figura 14 - Navio Tug Supply Figura 15 Diving Support Vessel. Fonte: FILHO [7] Figura 16 - Embarcações Fire Fighting combatendo um incêndio Figura 17 - PSV "Far Star" Figura 18 - UT Randi Nichole Figura 19 - Frequência do número de unidades de produção por cluster. Fonte: JUNIOR [5] Figura 20 - Função densidade de probabilidade da distância entre unidades de produção dentro de um cluster na Bacia de Campos. Fonte: JUNIOR [5] Figura 21 - Configuração do cenário utilizado para simulação Figura 22 - Número de intervalos na amostra Altura significativa de onda limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 23 - Número de intervalos na amostra Altura significativa de onda limite = 4,0 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 24 - Número de intervalos na amostra Altura significativa de onda limite = 4,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "bom tempo" - Verão - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 26 - Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "mau tempo" - Verão - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 27 - Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "bom tempo" - Inverno - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 28 - Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "mau tempo" - Inverno - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 29 - Fator de correção do tempo de navegação. Fonte: JUNIOR [5] Figura 30 - Módulos do Arena ix

10 Figura 31 - Fluxograma simplificado do Modelo Figura 32 - Módulo "Create" Saída do Porto Figura 33 - Saída do 22 PSV rumo às unidades Figura 34 - Ilustração da ocupação instantânea da área útil de convés no modelo de simulação Figura 35 - Módulo "Assign" Figura 36 - Módulo "Assign" Figura 37 - "Delay" entre Porto e Unidade Offshore P Figura 38 - Atribuição dos diferentes fatores de correção, em cada mês Figura 39 - Atribuição do Fator de correção do mês de abril Figura 40 - "Decide" de estação do ano Figura 41 - PSV partindo rumo à unidade P1 em um dia de verão Figura 42 - "Decide" de altura de onda Figura 43 - "Process" de operação, em caso de "bom tempo" Figura 44 - PSV operando na unidade P2 em condições de "bom tempo" Figura 45 - "Process" de operação, em caso de "mau tempo" Figura 46 - Atribuição de novos valores à variável "Carga", pós operação em unidade offshore Figura 47 - "Decide" de lotação da área de convés Figura 48 - Registro de PSV que ficou sem espaço para carga na área de convés Figura 49 - "Delay" de navegação entre unidades P3 e P Figura 50 - Módulo "Dispose" Figura 51 - Dados Inseridos no Arena Figura 52 Distribuição dos valores de média de carga de convés dos PSVs Figura 53 - Distribuição dos valores da taxa de ocupação média da área útil de convés das embarcações Figura 54- Distribuição dos valores de tempo total para completar a operação Figura 55 - Distribuição dos valores de média de carga de convés dos PSVs Figura 56 - Distribuição dos valores da taxa de ocupação da área útil de convés das embarcações Figura 57 - Distribuição dos valores de tempo total para completar a operação Figura 58 - Número de Replicações X Carga Média de Convés (m²) Figura 59 - Número de Replicações X Ocupação Média da Área Útil de Convés (m²). 77 Figura 60 - Número de Replicações X Número Médio de Navios "Lotados" Figura 61 - Número de Replicações X Tempo Médio dos PSVs no Percurso (h) x

11 Índice de Tabelas Tabela 1 - Principais portos brasileiros e suas configurações Tabela 2 - Características das cargas de convés Tabela 3 - Demanda semanal de carga de suprimento e retorno de unidades de produção [3] Tabela 4 - Características da demanda semanal de carga [3] Tabela 5 - Demanda média semanal das unidades de produção Tabela 6 Características médias gerais dos PSVs e UT Tabela 7 - Características de consumo de diesel dos PSVs e UT Tabela 8 - Demanda média semanal de carga geral por viagem para um FPSO típico.. 45 Tabela 9- Amostra de duração dos intervalos. Fonte: JUNIOR [5] Tabela 10 - Resumo da Carga Tabela 11 - Resumo dos Navios Tabela 12 Tempo médio que as embarcações levam para completar a operação Tabela 13 - Resumo da Carga Tabela 14 - Resumo dos Navios Tabela 15 - Tempo médio que as embarcações levam para completar a operação xi

12 1. Introdução Quando se fala sobre petróleo, pode haver a impressão equivocada de que essa substância somente apareceu na história com o advento da Revolução Industrial. Todavia, desde a Antiguidade há relatos da existência desse material em algumas civilizações. Os egípcios utilizavam esse bem para embalsamar os seus mortos, enquanto que entre os povos pré-colombianos esse mesmo produto era pioneiramente empregado na pavimentação de estradas. No Brasil, a existência do petróleo já era computada durante os tempos do regime imperial, mas produção e exploração do mesmo somente iniciaram-se (timidamente) no final da primeira metade do século XX, na região do Recôncavo Baiano, ainda em bacias terrestres. Apesar das descobertas em pequena escala, o surgimento dessa nova riqueza incentivou, em 1953, a oficialização do monopólio estatal sobre a atividade petrolífera e a criação da empresa estatal Petróleo Brasileiro S.A., mais conhecida como Petrobras. A produção petrolífera nacional deu o grande salto na década de 1970, quando ocorreu a descoberta de poços na Bacia de Campos, a maior reserva de petróleo do país. Em 1977, a produção iniciou-se, inserida em um contexto de aumento dos preços do petróleo, tornando a produção offshore economicamente viável. A partir de então, o cenário da exploração petrolífera brasileira alterou-se de maneira bastante considerável. O Recôncavo Baiano deixou de ter destaque na produção nacional e, aos poucos, a Bacia de Campos passou a assumir o seu lugar, com produções cada vez maiores. 10

13 Figura 1 - Evolução das reservas petrolíferas nacionais. Fonte: Piquet [1] Com a descoberta do Campo de Garoupa, o primeiro campo petrolífero da Bacia de Campos, as reservas brasileiras atingiram níveis nunca antes alcançados. Hoje, essa Bacia, de acordo com a ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) [2], é responsável por mais de 80% da produção nacional de petróleo. Também é considerada a maior reserva petrolífera da Plataforma Continental Brasileira, com cerca de 100 mil quilômetros quadrados, estendendo-se do estado do Espírito Santo, nas imediações da cidade de Vitória, até Arraial do Cabo, no litoral norte do Estado do Rio de Janeiro. Atualmente, a Bacia de Campos possui 55 campos, que extraem cerca de 1,49 milhão de barris de óleo e 22 milhões de metros cúbicos de gás por dia. Os maiores campos são os gigantes de Marlim, Marlim Sul e Roncador, localizados em Macaé - RJ. A sustentação dessa produção é realizada através de várias unidades de produção, as chamadas plataformas, e sondas. Essas unidades possuem demandas variadas, desde insumos básicos, como água e comida para os funcionários, até diferentes granéis líquidos e dutos, que podem ser utilizados para diferentes propósitos da operação. O abastecimento das plataformas é realizado basicamente por embarcações do tipo PSV (Platform Supply Vessel). 11

14 Os portos disponíveis para auxiliar a operação das embarcações de apoio na Bacia de Campos são os de Imbetiba (Macaé), Vitória e Rio de Janeiro, sendo o primeiro o que concentra a maior parte da operação, movimentando, de acordo com LEITE [3], 54% de toda a carga de convés da Petrobras. Dados apresentados pela estatal informam que o porto realiza aproximadamente 460 atracações por mês, com movimentação média de 34 mil toneladas de carga geral para embarque e aproximadamente 22 mil para desembarque, além da transferência mensal de cerca de 109 mil toneladas de água e 7,8 mil toneladas de óleo diesel para as embarcações. Figura 2 - Porto de Imbetiba, em Macaé (RJ) Fonte: Na Bacia de Campos, atualmente, há em torno de 60 unidades de produção operando. Sendo assim, a demanda por atendimento à estas é bastante grande, uma vez que elas necessitam de, no mínimo, uma visita por semana. Logo, são necessários 12

15 aproximadamente 100 atendimentos semanais às unidades, como podemos observar na imagem abaixo. Figura 3 - Número de visitas por semana registradas ao longo de um período de tempo em Fonte: LEITE [3] Pode-se observar uma pequena variação na quantidade de visitas necessárias. Isto pode ser resultado de diferentes motivos: alterações na quantidade de produtos demandadas (que exigem mais ou menos visitas a uma unidade), entrada em operação de novas unidades de produção, ou mesmo algumas sondas que podem operar esporadicamente na região devido à perfuração e manutenção de poços. Outro fator que se apresenta como complicador à operação de suprimento das unidades de produção é a distância das mesmas até a costa. Como regiões com lâminas d água cada vez maiores vêm sendo exploradas, a consequência direta é a operação em regiões cada vez mais distantes, tornando o tempo de viagem porto-unidades cada vez mais extenso e a operação cada vez mais complexa. Na figura abaixo, pode-se notar o 13

16 desenvolvimento, com o passar do tempo, da produção e exploração da Petrobras em águas profundas. Figura 4 - Evolução da produção em águas profundas. Fonte: Segundo LEITE [3], atualmente há muitos problemas encontrados no cotidiano das atividades. Existem clusters que necessitam de mais viagens semanais do que as planejadas; é grande o número de revisitas a unidades durante uma viagem; as unidades não sabem quando vão receber uma viagem e há 17% de visitas onde as unidades não estão preparadas para receber a embarcação para operação. Qualquer parada na produção em unidades offshore representa grandes prejuízos financeiros e o atual panorama de 14

17 instabilidades no abastecimento facilita este tipo de problema. Portanto, são necessários estudos mais profundos que possam vir a melhorar este quadro. Além de todo este panorama, as perspectivas para o futuro são ainda mais complexas. A produção de regiões com lâminas d água menores deve chegar à maturidade e diminuir. O foco será, portanto, na produção de regiões cada vez mais distantes da costa. Dessa maneira, o tempo de viagem das embarcações de apoio aumentará, em média. Além disso, com a entrada de operação dos campos do Pré-Sal, muitas novas unidades deverão ser atendidas, sobrecarregando ainda mais os portos que prestam serviço às empresas petrolíferas Objetivos Nesse estudo, pretende-se realizar uma análise completa das operações de uma frota de embarcações do tipo supply, para abastecimento de carga geral em um cluster, definindo de maneira precisa a demanda de carga das unidades e dimensionando a frota de navios. A finalidade deste trabalho é apresentar um modelo de simulação das operações das embarcações de apoio às atividades offshore, desde sua saída do porto, passando para abastecimento (e coleta da carga de retorno) das unidades de produção offshore, até seu retorno ao porto Motivação Este estudo possibilita o entendimento real do sistema atual de operação das embarcações de apoio marítimo às unidades de produção, com objetivo de: 15

18 1. Modelagem, verificação e validação; 2. Implementação de alterações no modelo, estudando as influências no seu comportamento e extraindo estatísticas Para alcançar os resultados adotaram-se os seguintes procedimentos: 1. Análise do sistema real; 2. Coleta de dados, modelagem do sistema, verificação e validação; 3. Experimentação e análise Metodologia Através da simulação, modelou-se o funcionamento do sistema operacional das embarcações de apoio marítimo às unidades de produção offshore. O sistema de operação dos navios offshore no estudo considerado foi modelado no software ARENA, incorporando valores para tempos, distâncias, dados meteorológicos, recursos disponíveis (número de embarcações e características das mesmas, como velocidade de serviço e capacidade), utilizando valores reais e também através de distribuições estatísticas. Estas variáveis referenciam-se ao sistema, ao processo de chegada, à fila e ao processo de atendimento no porto. Este sistema é constituído por um modelo lógico matemático e por animação, onde a simulação reflete a dinâmica do sistema e a movimentação das embarcações para suprir as necessidades das plataformas. 16

19 2. Panorama Geral da Operação Conforme explicado acima, neste trabalho será realizada uma análise da operação de abastecimento de carga geral para unidades de produção. As atividades de produção e exploração offshore são baseadas em um complexo sistema logístico, que requer uma série de componentes: navios, helicópteros, portos, aeroportos, armazéns, caminhões e outros. As principais atividades desse sistema são: - Transporte de carga para as unidades offshore - Transporte de carga das unidades offshore - Transporte de resíduos das unidades offshore - Transporte de pessoal - Transporte terrestre - Movimentação de carga - Armazenamento Nesta seção, será apresentada uma visão geral da logística offshore, através da apresentação e descrição dos clientes, cargas típicas e suas respectivas demandas, portos e principais embarcações. Os principais clientes do sistema de apoio logístico offshore são as unidades de produção e perfuração e alguns navios especiais que apoiam as atividades de produção e exploração do petróleo em águas profundas, como embarcações que instalam dutos. Toda essa operação tem custos bastante elevados, o que torna imprescindível que todo o processo de abastecimento das unidades seja bem planejado, diminuindo assim as chances de que haja atrasos na entrega/retorno das cargas, o que provocaria prejuízos 17

20 consideráveis, economicamente falando. Além disso, o sistema tem que estar sempre preparado para situações emergenciais, uma vez que eventos inesperados nas unidades são frequentes, modificando assim a demanda por determinados tipos de carga. Figura 5 - Unidades de produção içando contêineres na Bacia de Campos. Fonte: LEITE [3] No Brasil, as unidades de produção mais comuns são FPSOs (Floating, Production, Storage and Offloading), semi-submersíveis e plataformas do tipo fixo. Já as unidades de perfuração podem ser do tipo semi-submersível ancorada, semi-submersível de posicionamento dinâmico, auto-elevatória ou drillship. Cada uma dessas unidades possui características e necessidades específicas, em termos de tamanho, área de convés, armazenamento de carga, combustível, planejamento de manutenção e outros. Para o abastecimento das unidades, o primeiro passo é o transporte da carga, desde os armazéns até o porto. O processo de embarque da carga tem início com a chegada da embarcação ao porto e é realizado por meio de prolongamentos construídos para o acesso aos barcos no porto, que são os berços. A quantidade máxima de barcos que podem ser 18

21 atendidos ao mesmo tempo depende da quantidade de berços disponíveis no porto. O Porto de Imbetiba, por exemplo, tem seis. Esses berços devem possuir uma infraestrutura básica para realização das operações, contando com linhas de fluidos e guindastes. O intervalo de tempo necessário para o carregamento dos navios dependerá do tempo por lingada (número de operações de levantamento do guindaste para colocação de carga no deck) característico do porto. Então, o navio, depois de carregado, percorre numa rota as unidades a serem atendidas. Normalmente, não existem sondas e plataformas programadas para uma mesma rota, uma vez que as demandas desses dois tipos de unidades são bem diferentes, e além disso constantes mudanças de posição das sondas provocariam dificuldades no planejamento das rotas para um horizonte maior. As operações de abastecimento de carga geral às unidades ocorrem, na maioria dos casos, da forma descrita acima. A única exceção ocorre no transporte de diesel. Para esta demanda, utiliza-se um navio reservatório desse combustível, funcionando com um hub, que recebe este produto e o armazena. O transporte do diesel deste navio até às plataformas é realizado por embarcações de pequeno porte. Como essa atividade dá-se de forma praticamente independente do transporte de carga geral, não será considerada nessa análise. Abastecimento e descarregamento das unidades offshore devem ocorrer em janelas de tempo fixas, uma vez que a realização dessas operações altera completamente a rotina da plataforma. Uma grande quantidade de funcionários fica responsável por dar apoio ao processo de descarregamento, atividades de mergulho são suspensas, não é possível a realização de troca de turnos de colaboradores, entre outras. Se uma embarcação chegar à unidade fora de uma janela de tempo, ou não conseguir realizar todo o serviço necessário até o final da mesma, pode ser necessário que aguarde a janela 19

22 seguinte, ou mesmo que retorne somente em um outro momento. Esta forma de atendimento é responsável por um grande número de casos em que a demanda de uma unidade não é atendida, e também de inúmeros outros em que há necessidade de novas visitas, posteriormente Portos Os portos para operações offshore devem ser preparados para atividades de logística e serviço de apoio, e podem estar preparados para atividades gerais ou específicas. Um porto, para estar apto para dar suporte à atividades de logística offshore, deve obedecer aos seguintes critérios: - O número de berços deve suprir a demanda das unidades - Os berços devem possuir calado e comprimento suficientes - Os berços devem possuir equipamentos especiais, como guindastes etc - O porto deve ter área suficiente para armazenar a carga de convés que será carregada nas embarcações e descarregada pelas mesmas - Caso seja requerido por lei, o porto deve possuir áreas segregadas para produtos químicos, lixos e resíduos - O porto deve possuir tanques para óleo diesel, água, outros fluidos e granéis sólidos - O acesso marítimo deve ser compatível com o tamanho dos navios Na tabela 1, podemos observar os principais portos brasileiros e suas configurações para suporte de atividades logísticas de apoio marítimo. 20

23 Tabela 1 - Principais portos brasileiros e suas configurações Fonte: LEITE [3] O Porto de Imbetiba opera com todos os tipos de carga, e praticamente todos os tipos de navio. Como o principal porto brasileiro para suporte das atividades offshore, apoia não somente as operações na Bacia de Campos, como em todos os outros campos administrados pela Petrobras. A Cia Docas do Rio de Janeiro, ou Porto de Rio de Janeiro, opera com carga de convés, água, óleo diesel e cimento, e apoia principalmente as operações da Bacia de Santos. Outros portos localizados no Rio são utilizados para operação com granéis líquidos e sólidos, assim como o Porto de Samarco. A Cia Portuária de Vila Velha (CPVV) opera com carga de convés, água e serviços, da mesma forma que o Porto de Itajaí. Este último fornece suporte à região sul da Bacia de Santos. 21

24 de carga. Na figura 6, pode-se observar a importância de cada porto, baseado em cada tipo Figura 6 - A importância de cada porto, de acordo com cada tipo de carga, em Fonte: LEITE [3] 2.2. Suprimento A demanda de carga dessas unidades varia muito, de acordo com o tipo (produção e perfuração). Para unidades de produção, a demanda é um pouco mais previsível e estável. Apesar disso, em geral, cada plataforma apresenta demandas bastante características e específicas, o que é uma consequência de como a produção é realizada, e as peculiaridades de cada tipo de campo. Normalmente, na programação de embarcações de apoio, os clusters são formados por unidades de produção e perfuração. Neste estudo, o cluster analisado será formado somente por unidades de produção. 22

25 A logística offshore engloba cargas de suprimento e cargas de retorno, em fluxos razoavelmente balanceados. O custo do transporte marítimo de apoio é bastante importante no custo total das operações, e, por isso, requer muita atenção, tanto na etapa de projeto quanto na de operação. A capacidade de armazenagem das unidades é limitada. Em virtude disso, são requeridas elevadas frequências das embarcações, para que assim possa-se evitar a escassez de abastecimento de carga geral, e também o acúmulo excessivo de carga de retorno. Além do custo de estocagem e espaço, a frequência no transporte da carga de retorno deve considerar os casos de equipamentos alugados, que podem ter altos custos ou multas por atraso na entrega. Os fatores responsáveis pela variação da demanda de transporte de carga para unidades offshore são, além do tipo de unidade: lâmina d água, profundidade e qualidade do gerenciamento das operações e fase de maturidade dos poços. Na presente análise, serão levados em consideração indicadores disponíveis característicos de unidades de produção em atividade no Brasil A carga movimentada pode ser classificada como carga de convés, granéis líquidos (água, diesel, e outros fluidos) e granéis sólidos Carga de Convés - Carga geral: pode ser unitizada, ou não. Geralmente, é armazenada em contêineres de pequeno porte, menores que os mais comuns de 1 ou 2 TEU (twenty-foot equivalente unit). Também são utilizados tanques, bags e pallets. Inúmeros itens diferentes são 23

26 transportados, desde canetas até válvulas, parafusos para motores e colchões para instrumentação. Figura 7 - Diferentes tipos de carga organizadas no convés do Maersk Vega. Fonte: LEITE [3] - Alimentos e água potável: são transportadas em contêineres refrigerados. Figura 8 - Contêiner refrigerado, utilizado para transportar água e alimentos Fonte: 24

27 - Produtos químicos, que é uma carga que, assim como as cargas de retorno de resíduos e lixo, precisa de tratamento diferenciado. - Carga não-unitizada: risers, árvores de natal, BOPs e outros equipamentos pesados. Figura 9 Manifold Fonte: - Tubos: normalmente amarrados em conjuntos. - Outras: ferramentas especiais para serviços específicos, contêineres vazios como carga de retorno, entre outros. 25

28 Figura 10 - Dutos distribuídos no convés de uma embarcação supply Fonte: Granéis Líquidos - Óleo diesel - Água industrial - Salmoura e lama Granéis Sólidos - Cimento - Barita - Bentonita 26

29 No caso de unidades de produção, os elementos relevantes são as cargas de convés, diesel e água. As cargas de retorno são basicamente contêineres ou outros recipientes vazios, lixo, equipamentos não utilizados e equipamentos alugados devolvidos. A tabela 2 demonstra as características dos principais grupos de carga de convés [3]. Tabela 2 - Características das cargas de convés Tomando como base as estimativas de Leite [3], os indicadores de demanda média para unidades de produção na Bacia de Campos, referentes ao período 2001/2012, são apresentados na tabela 3. A demanda média é expressa em termos do peso da carga, área de convés e número de lingadas. 27

30 Tabela 3 - Demanda semanal de carga de suprimento e retorno de unidades de produção [3] É importante ressaltar que demanda de área de convés e número de lingadas são maiores para cargas de retorno, apesar de a tonelagem ser menor. Isso acontece porque, em função da própria natureza das operações, a estivagem da carga no embarque na plataforma normalmente é menos eficiente do que no porto. A tabela 4 demonstra as relações entre área, tonelagem e número de lingadas, para os diferentes grupos de carga de convés: 28

31 Tabela 4 - Características da demanda semanal de carga [3] O alto grau de incerteza nas previsões da demanda e das operações, que são também passíveis de muitas variações (até mesmo meteorológicas) deve ser muito bem avaliado para obter bons planejamento e dimensionamento de sistemas logísticos offshore. Os únicos dados disponíveis no Brasil para apoiar a análise da demanda de unidades de produção por transporte de carga geral referem-se ao conjunto de plataformas da Bacia de Campos, durante o período de tempo supracitado. Segundo LEITE [3], as demandas médias semanais para cada tipo de unidade offshore operando na Bacia de Campos comportam-se como na tabela 5. A demanda das unidades de produção é representada em termos da área de deck, em metros quadrados, uma vez que, na prática, o limite de capacidade de uma embarcação ocorre por não haver área suficiente para novas cargas. 29

32 Tabela 5 - Demanda média semanal das unidades de produção Nesse trabalho, como nessa tabela, tratar-se-á da demanda das unidades offshore baseando-se exclusivamente na área de convés das mesmas. As figuras 11 e 12 ilustram a variação semanal da demanda média por transporte da carga de convés (não incluindo carga de retorno) para unidades offshore na Bacia de Campos, entre abril de 2011 e março de 2012 [3]. Figura 11 - Demanda semanal média de unidades de produção na Bacia de Campos - abril de 2011 a março de 2012 [3] 30

33 Figura 12 - Demanda semanal média de unidades de perfuração na Bacia de Campos - abril de 2011 a março de 2012 [3] De acordo com esses dados, pode-se notar uma grande variabilidade na demanda média dos suprimentos, de uma semana para a outra, em praticamente todos os tipos de carga. No caso de alimentos, a demanda média é bem mais estável. Provavelmente, a única fonte de variação significativa seja a ocorrência de interrupções no abastecimento devido a bloqueios meteorológicos Recursos Disponíveis para o Transporte Nesta seção, serão descritos os recursos disponíveis para realizar o transporte de suprimentos em terra para o mar, caracterizando e quantificando os tipos de embarcações disponíveis. 31

34 As atividades em que podem ser utilizadas essas embarcações são inúmeras: reboque e atracação de unidades offshore, suporte para offloading de FPSOs, auxílio em operações emergenciais onde há necessidade de recolhimento de óleo no mar, resgates, inspeções de unidades offshore, suporte à construção offshore, serviços de mergulho, instalações de dutos, operações de estímulo de poços de petróleo, dentre outras. As embarcações que apoiam as operações podem ser divididas em dois tipos: serviço e transporte. Os navios de serviço são: Line Handling (LH) Atuam no auxílio à manipulação de linhas e dutos Pipe Laying Support Vessel (PLSV) Responsáveis pelo lançamento e instalação de dutos no mar. Figura 13 - Embarcação tipo PLSV Fonte: 32

35 Tug Supply (TS) Navios rebocadores, que também podem exercer as mesmas funções dos barcos responsáveis por levarem suprimentos às unidades, como função secundária. Figura 14 - Navio Tug Supply Fonte: Anchor Handling Tug Supply (AHTS) Navios de reboque e de manuseio de âncoras. Podem exercer funções de ancoragem, auxílio à construção e instalação e amarração de unidades no mar. 33

36 Diving Support Vessel (DSV) Navios que apoiam operações com mergulhadores, contando com estruturas e equipamentos necessários para o mergulho. Figura 15 Diving Support Vessel. Fonte: FILHO [7] ROV Support Vessels (RSV) Utilizados em operações em águas profundas, onde há a necessidade da utilização de ROVs (são robôs submarinos responsáveis por operações submarinas à distância) Well Stimulation Support Vessels (WSSV) Navios utilizados em operações de limpeza e estimulação de poços Subsea Equipament Support Vessels (SESV) Utilizados para suporte nas operações com equipamentos subsea. 34

37 Oil Spill Response Vessel (OSRV) Embarcações que ficam em constante stand by, atuando na contenção e combate a derramamentos de óleo, caso algum acidente ocorra Fire Fighting (Fi-Fi) Embarcações utilizadas para auxílio às unidades apenas em caso de incêndio, combatendo-o com jatos de altas vazões d água. Figura 16 - Embarcações Fire Fighting combatendo um incêndio Fonte: _Deepwater_Horizon_fire.jpg As embarcações de serviço são utilizadas, normalmente, em condições esporádicas, específicas, ou emergenciais, não necessitando uma programação das suas frotas. Portanto, apesar de serem extremamente importantes na operação, esse tipo de navio não será o foco deste trabalho. 35

38 Já as embarcações incumbidas do transporte são responsáveis pelas seguintes atividades: transporte de carga para unidades, carga de retorno, transporte de pessoas, transporte de resíduos, estocagem e transporte em terra Plataform Supply Vessel (PSV) Navios com grandes espaços em convés, responsáveis pelo transporte de cargas até unidades, de unidades ou entre unidades. Figura 17 - PSV "Far Star" Fonte: 36

39 Utility (UT) Embarcações pequenas, responsáveis pelo transporte de cargas de deck de forma emergencial, com restrições de peso e tamanho de carga; são navios mais rápidos que PSVs. Figura 18 - UT Randi Nichole Fonte: Passenger Boat (P) Barcos relativamente rápidos, utilizados para trocas de tripulação, além de transporte de pequenas quantidades de combustível, água e equipamentos. Neste trabalho, o foco será nas embarcações do tipo PSV, já que essas atendem exatamente à demanda da operação de abastecimento de carga geral. As cargas transportadas por esses navios podem ser alocadas em seus conveses ou em compartimentos, sob os mesmos. A carga de convés, como dito anteriormente, é bem heterogênea, variando desde contêineres ou contêineres refrigerados e equipamentos de diversos tamanhos, até sacos 37

40 e tanques. Pode ser subdividida em diferentes tipos: carga geral, alimentos, água para consumo humano, dutos, produtos químicos, risers e resíduos. Já para a carga transportada nos tanques e compartimentos dos PSVs, abaixo de seus conveses, destacam-se o óleo diesel, a água industrial, granéis líquidos e granéis sólidos. Os navios PSV são divididos, com base no peso máximo que são capazes de transportar, em três diferentes tipos: PSV 1500 (capaz de transportar até 1500 toneladas), PSV 3000 (capaz de transportar 3000 toneladas e PSV 4500 (capaz de transportar até 4500 toneladas). As características médias de cada embarcação, de acordo com LEITE [3], estão demonstradas nas Tabela 6 e 7. Constata-se, portanto, a grande capacidade e menor velocidade de barcos do tipo PSV comparado com uma menor capacidade e maior velocidade dos barcos do tipo Utility. Em virtude disso, geralmente, os barcos do tipo PSV são utilizados no cotidiano, uma vez que, com eles, é possível formar rotas maiores, contemplando mais unidades, resultando em um custo total menor. Já os barcos do tipo Utility são utilizados, sobretudo, em situações de emergência, em que pequenas cargas precisam chegar ao destino em pouco tempo. Tabela 6 Características médias gerais dos PSVs e UT 38

41 Tabela 7 - Características de consumo de diesel dos PSVs e UT Pode-se notar que a área útil de convés é menor que a área total. Isso acontece devido ao espaço que deve haver para movimentação de operadores pelo convés, à variedade do tamanho de cada tipo de carga (que faz com que seja impossível encaixálas perfeitamente para otimizar o espaço) e também à necessidade de manter as cargas a serem entregues a cada unidade próximas umas às outras, para facilitar o processo de descarregamento. Além disso, a área útil varia de acordo com o local onde a operação ocorre (porto ou mar) e com as condições climáticas, nas operações em alto mar. Desta maneira, considera-se esse valor como 75 % da área total de convés da embarcação. A capacidade de carregamento e descarregamento dos PSVs depende da capacidade de lingadas da unidade offshore, da manobrabilidade do navio e condições climáticas e do mar (visibilidade, força do vento, correntes e altura de onda). Nesta análise, consideram-se iguais os navios e as unidades. Assim, pôde-se desconsiderar as características dos mesmos e, com algumas aproximações, desprezaram-se todos os fatores da natureza, com exceção da altura de onda. 39

42 3. Descrição do Problema O cenário atual do transporte de carga geral para unidades offshore na Bacia de Campos é de uma operação aparentemente planejada. Há uma programação de viagens dos navios de apoio, em que as mesmas são divididas, para cada cluster diferente, em viagens regulares, sob demanda ou emergenciais, para o transporte de diferentes cargas (carga de convés, água, risers). Todavia, na prática, a operação não funciona como deveria. Há problemas como inúmeros casos de unidades que são visitadas mais de uma vez na mesma viagem, atrasos na entrega de carga, unidades não atendidas ou mesmo unidades listadas como emergenciais apenas para que o transporte da carga até as mesmas ocorra mais rapidamente, dentre outros. Atualmente, e a cada dia mais, há tentativas de melhora deste panorama. Contudo, estas esbarram em alguns problemas. Segundo VALENTE [4], a complexidade do problema leva à utilização de procedimentos empíricos, ao passo que os avanços em tecnologia da informação são adotados lentamente pelas empresas, e os responsáveis pela tomada de decisão não aceitam novas ideias, resistindo a uma modificação da maneira com a qual trabalha-se hoje. Portanto, nota-se que o processo de abastecimento das unidades offshore na Bacia de Campos não é tão eficiente quanto deveria. Os principais obstáculos para uma otimização dessas operações são a programação inadequada do transporte da carga pelos PSVs e também o empirismo adotado em boa parte dos casos. Aliado a esses fatores, o porto responsável por suportar a maioria das operações está sobrecarregado. O presente trabalho tem por objetivo analisar o processo de abastecimento de carga geral em unidades de produção offshore, de maneira mais organizada e programada 40

43 do que ocorre hoje em dia na Bacia de Campos. As viagens das embarcações rumo às unidades dar-se-ão de maneira constante, em intervalos de tempo previamente definidos. Nenhuma das unidades do cluster considerado deixará de ser atendida, será visitada por mais de uma vez em uma mesma viagem ou terá suporte emergencial privilegiado. O PSV sairá do porto e passará por cada uma das unidades, e ao completar os processos de abastecimento e coleta de carga de retorno em cada uma delas, regressará novamente ao porto. A simulação desta operação apresenta algumas variáveis consideráveis. A quantidade média semanal de carga demanda pelas unidades de um cluster, a capacidade do PSV em transportar a carga (ou seja, quanto há de área útil no convés da embarcação para levar a carga) e o tempo levado no processo de loading/offloading do navio nas unidades, que depende de condições meteorológicas, são os principais fatores de incerteza das operações de abastecimento de carga. importantes: Para qualificar a análise das operações, é esperada a obtenção de alguns resultados - Tempo total do PSV no percurso - Taxa de ocupação média do convés do PSV (carga/área útil de convés) - Ocorrências de não atendimento da demanda total (casos em que a embarcação tem quantidade de carga superior ao espaço disponível em seu convés) - Número total de viagens 41

44 3.1. Unidades Offshore De acordo com JUNIOR [5], para estudar a sensibilidade do sistema logístico aos fatores da escala de produção, podem ser consideradas três configurações para a localização das unidades offshore. O primeiro cenário considera um afastamento das unidades de produção de 85 km da costa, o segundo, 192,5 km, e o terceiro, 300 km. Essas três configurações cobrem padrões encontrados na atividade de exploração de petróleo na costa brasileira. A maior das distâncias é da ordem obtida entre Porto do Rio de Janeiro e Campo de Júpiter. A menor, observada entre o Campo de Pitu e o Porto de Guamaré. O cenário C2 corresponde a uma distância intermediária. Nesta análise, será considerado o primeiro cenário, com uma distância de 85 km do porto à primeira unidade do cluster. Normalmente, um sistema logístico de apoio offshore, composto por embarcações, portos, unidades e helicópteros, atende a um conjunto determinado de unidades marítimas (cluster), sendo elas unidades de produção e exploração offshore. A figura 19 ilustra a distribuição do número de unidades marítimas por cluster na Bacia de Campos (dados referentes a 14 clusters, que incluem unidades de produção fixas, flutuantes, unidades de manutenção e navios de perfuração). Figura 19 - Frequência do número de unidades de produção por cluster. Fonte: JUNIOR [5] 42

45 No presente trabalho, serão consideradas apenas unidades de produção do tipo FPSO e o cluster considerado terá quatro unidades. Outro fator importante a ser observado é a distância entre as unidades marítimas. O estudo dessa grandeza, referente aos 71 pares de plataformas agrupadas em 14 clusters existentes, teve como resultado a seguinte função densidade de probabilidade da distância entre unidades de produção dentro de um cluster: Figura 20 - Função densidade de probabilidade da distância entre unidades de produção dentro de um cluster na Bacia de Campos. Fonte: JUNIOR [5] A moda da distribuição é de 6.37 km e a média é de 26,76 km. Portanto, para este trabalho, será utilizada uma distância constante entre as unidades, equivalente à moda da distribuição apresentada na Figura 20, que é de 6,37 km. Portanto, a configuração do campo de operação pode ser resumida na figura 21: 43

46 Figura 21 - Configuração do cenário utilizado para simulação Neste trabalho, a ideia é que o foco da análise esteja nas embarcações e nas operações das mesmas no mar. Dessa forma, será considerado que o porto possui capacidade ilimitada, o que tem como consequência a ausência de filas de navios nas chegadas aos terminais. Os PSVs sempre encontrarão um píer disponível para as operações de carregamento/descarregamento, e o porto terá capacidade de despachar ou absorver toda quantidade de carga sem atraso ou limite de espaço Demanda Média Semanal A partir de todas as considerações citadas acima, tem-se que, para um cluster de quatro unidades FPSO, com duas escalas de PSV por semana e a demanda média semanal apresentada na tabela 5, a demanda de carga geral para cada viagem, para cada um dos FPSOs é: 44

47 Tabela 8 - Demanda média semanal de carga geral por viagem para um FPSO típico Valor Carga de Abastecimento (m²) Carga de Retorno (m²) Média 66,5 78 Desvio Padrão Dessa maneira, para cada viagem, a área de convés necessária é igual à soma das demandas médias de suprimento dos quatro FPSOs com a carga de retorno da primeira escala. Considerando as médias e desvios padrão acima e considerando distribuições normais, tem-se: E (Aconvés_necessária) = (66,5 m²*4) + 78 m² = 344 m² DP (Aconvés_necessária) = 77,6 m² Uma embarcação PSV 3000, que possui área útil de convés de 431 m², tem boa probabilidade de atender às demandas das quatro unidades, com variações pequenas nas médias dessas demandas. Para garantir que a operação ocorra praticamente sem casos de lotação da área de convés útil pela carga transportada, seria mais seguro utilizar um PSV 4500, que tem área útil de convés de 660 m². Então, para o caso de um cluster com quatro FPSOs, com duas escalas por semana, há duas opções de embarcação capazes de suprir as necessidades das unidades, com diferentes incertezas Tempo das Operações de Carregamento/Descarregamento Em relação aos tempos de operações de carregamento/descarregamento do PSV para cada plataforma, não há dados de operadores que permitam estimar suas respectivas distribuições de probabilidades. Dessa maneira, com o objetivo de dimensionamento do sistema e avaliação econômica, consideram-se janelas de tempo de 6 horas para as duas operações conjuntas, em boas condições de operação. Nesse tempo, são realizadas, de 45

48 maneira simultânea, as movimentações de carga de convés e água industrial, assim como a descarga de óleo diesel Condições Meteorológicas Para um Plataform Supply Vessel, o fator mais crítico a ser considerado, no que diz respeito a questões meteorológicas, é a altura das ondas, tanto para navegação, quanto para as operações de carregamento/descarregamento. De acordo com AAS, B.; HALSKAU Ø. and WALLACE S. W. [8], para navegação, o limite sugerido é de altura de onda de 4,5 metros, e para operações de carga e descarga, é recomendável considerar 4 m a barlavento e 4,5 m a sotavento. Na simulação das operações de carga e descarga dos PSV nas plataformas e das operações de alívio, serão considerados os intervalos de bloqueio operacional devido a condições do clima. As condições climáticas serão modeladas através das distribuições de probabilidade das durações de intervalos sucessivos de bom tempo e mau tempo, como definidos para cada caso. Neste trabalho, onde o foco está nas operações de carga/descarga nas unidades, serão considerados apenas limites de altura de onda significativa, para embarque/desembarque de carga e para offloading. Para caracterizar os cenários de estudo, serão considerados os dados de uma boia do Programa Nacional de Boias (PNBOIA)² localizada na região de Santos (Latitude - 25,27, Longitude -44,93 ). Esta é a única fonte de dados pública encontrada em uma área dentro da região de interesse, na costa brasileira. 46

49 Os dados apresentam uma frequência de medição de uma hora, entre abril de 2011 e junho de Com base nesses dados, serão estimadas as distribuições de probabilidade da duração de intervalos com alturas de onda significativa abaixo e acima dos limites de 3,5 m, 4,0 m e 4,5 m. Os dados disponíveis cobrem o período entre abril de 2011 e junho de 2016, com registros a cada uma hora, no total de registros. As distribuições de probabilidade para as durações dos intervalos de bom tempo e mau tempo, ou seja, com duração menor e maior, respectivamente, do que a altura limite, foram estimadas para os limites de 3,5 m, 4,0 m e 4,5 m. Inicialmente foram calculadas as durações dos intervalos, considerando, naturalmente os intervalos com início e fim explicitados na amostra. Na tabela 8, pode-se verificar as características das amostras de duração dos intervalos, para as alturas limites de onda consideradas. Tabela 9- Amostra de duração dos intervalos. Fonte: JUNIOR [5] O procedimento indicado seria estimar uma distribuição de probabilidade para cada mês do ano. Todavia, os dados disponíveis não representam amostras significativas para todos os casos, como mostram as figuras 22, 23 e

50 Figura 22 - Número de intervalos na amostra Altura significativa de onda limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 23 - Número de intervalos na amostra Altura significativa de onda limite = 4,0 m. Fonte: JUNIOR [5] 48

51 Figura 24 - Número de intervalos na amostra Altura significativa de onda limite = 4,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Através da análise das imagens acima, fica claro que não há dados suficientes para estimar distribuições por mês. Portanto, a alternativa será considerar duas distribuições: Inverno (de abril a setembro) e Verão (de outubro a março). Outro fator importante é que quanto maior é a altura limite considerada, menor é a quantidade de intervalos observados. Para as alturas significativas de 4,0 m e 4,5 m, há meses em que nenhum registro é obtido. Por conseguinte, a fim de lograr dados mais próximos da realidade ao final da simulação das operações, serão considerados os dados referentes a um limite de 3,5 m para a altura de onda. Os histogramas de duração dos intervalos, para o caso desta altura limite, estão representados nas figuras 25, 26, 27 e 28. A simulação será efetuada com base nessas distribuições. 49

52 Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "bom tempo" - Verão - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 26 - Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "mau tempo" - Verão - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] 50

53 Figura 27 - Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "bom tempo" - Inverno - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] Figura 28 - Figura 25 - Distribuição de duração de intervalos - "mau tempo" - Inverno - Altura Limite = 3,5 m. Fonte: JUNIOR [5] 51

54 A influência das condições de mar no deslocamento das embarcações será considerada através da variação do tempo de viagem ao longo do ano. O tempo de navegação entre as unidades i e j pode ser calculado através da seguinte expressão: Na expressão acima, fc é um fator de correção que ajusta o tempo de viagem ao estado de mar, variando de acordo com a época do ano. Para sua estimativa, considerouse a variação anual do tempo médio de ciclo de todas as embarcações a serviço da Petrobras que carregam no Porto de Imbetiba, que concentra a maior parte das operações de apoio, reportada em [3]. A Figura 29 apresenta os coeficientes. Figura 29 - Fator de correção do tempo de navegação. Fonte: JUNIOR [5] 52

55 4. Simulação da Operação Nesta seção, serão discutidas e apresentadas implementação, verificação e validação do modelo de simulação no Arena A verificação está ligada à construção correta do modelo e serve para comparar o modelo conceitual com aquele que foi desenvolvido no software, averiguando assim se o modelo foi bem implementado e se os parâmetros de entrada e a estrutura lógica do modelo representam-no corretamente. A validação tem por objetivo verificar a precisão do modelo em representar o sistema real. Essa precisão é alcançada através da calibração do modelo, em um processo iterativo de comparação, buscando fazer os ajustes necessários para se alcançar um nível de precisão aceitável Software O Arena é um software de simulação de eventos discretos, que permite trabalhar com uma grande variedade de cenários. Através deste programa, podem-se realizar análises estatísticas, modelagem de processos, animações e também a análise de resultados. A escolha deste software se deu pelos seguintes motivos: - Ele combina a facilidade do uso de simulações de alto nível com linguagens de programação de uso geral, o que permite uma modelagem eficaz, além da consequente exportação de dados para análises posteriores; - Inclui animação dinâmica no mesmo ambiente de trabalho, o que foi muito útil na verificação e validação do modelo; 53

56 - Fornece suporte integrado para projeto e análise estatística. O Arena é apontado por especialistas como sendo um dos mais eficientes para este tipo de atividade. Além disso, é utilizado por grandes empresas, como Petrobras, Vale, Anglo American etc. Para construir um modelo no Arena, são utilizados os seus módulos. Estes são separados em alguns diferentes painéis (templates) e podem ser de dois tipos: Flowchart modules (cor amarelada) e Data modules (cores azul e branca). Os módulos do primeiro tipo são colocados na janela do modelo, e conectados uns aos outros para descrever a lógica do processo, enquanto que os do segundo tipo não aparecem na janela do modelo, e são editados através de uma interface de planilha eletrônica. Figura 30 - Módulos do Arena 54

57 No modelo em questão, serão utilizados basicamente os módulos dos templates Basic Process e Advanced Process Implementação do Modelo, Verificação e Validação Um resumo do fluxograma da simulação da operação de abastecimento de carga geral para o cluster encontra-se na figura 31: 55

58 Saída dos PSVs do Porto Verificação da época do ano Verificação de condições climáticas Operações de Loading e Backloading Verificação de lotação da área útil de convés Verificação da época do ano Verificação de condições climáticas Operações de Loading e Backloading Volta dos PSVs ao Porto Figura 31 - Fluxograma simplificado do Modelo 56

59 As principais variáveis do sistema são: a quantidade de carga embarcada nos navios de apoio, as demandas das unidades offshore e as condições meteorológicas (altura de onda). A simulação foi realizada para um período de 15 anos (ou 5400 dias), começando no primeiro dia do Inverno (1 de abril) de O cenário é de um porto e 4 unidades offshore (P1, P2, P3 e P4). Há somente um tipo de entidade no modelo, que são navios Platform Supply Vessel do tipo PSV 4500, ou seja, embarcações com área útil de convés de 660 metros quadrados e velocidade de serviço de 10,2 nós, que partem do porto a uma taxa constante de 3,5 dias (duas escalas semanais), através do módulo Create. Figura 32 - Módulo "Create" Saída do Porto 57

60 Figura 33 - Saída do 22 PSV rumo às unidades 58

61 Figura 34 - Ilustração da ocupação instantânea da área útil de convés no modelo de simulação Esses navios recebem, ainda no porto, através do módulo Assign uma certa quantidade de carga geral para realizar o suprimento das quatro unidades de produção, baseada na demanda variável das mesmas, conforme valores mostrados anteriormente. As demandas de abastecimento e backload de cada uma das unidades são denominadas Qx e Bx, respectivamente. A quantidade inicial de carga, que é uma soma dos abastecimentos de cada uma das plataformas, é tratada como uma variável no modelo, denominada Carga, e obedece a uma distribuição normal, como uma consequência da distribuição das parcelas que a compõem. 59

62 Figura 35 - Módulo "Assign" Figura 36 - Módulo "Assign" Ainda nesse módulo, foram atribuídos à entidade dois atributos, para verificação do tempo que ela leva entre porto e primeira unidade de produção, e também o tempo total que a mesma leva dentro do sistema, ou seja, o tempo que o navio demora para sair do porto e completar sua operação, abastecendo todas as unidades, e voltar ao porto. Para que o tempo entre porto e plataformas, e também o tempo entre uma unidade e outra fossem computados e relatados, utilizou-se o módulo Process, através de uma ação de Delay, com o valor do tempo de navegação entre as localidades. Esse tempo pode ser calculado com a multiplicação entre o fator de correção da velocidade e a fração da distância entre os locais com a velocidade da embarcação. 60

63 Figura 37 - "Delay" entre Porto e Unidade Offshore P1 Figura 38 - Atribuição dos diferentes fatores de correção, em cada mês 61

64 Figura 39 - Atribuição do Fator de correção do mês de abril As verificações da estação do ano e da altura de onda são realizadas através de módulos Decide. No primeiro, a decisão da estação é baseada no mês em que a simulação se encontra: Figura 40 - "Decide" de estação do ano 62

65 Figura 41 - PSV partindo rumo à unidade P1 em um dia de verão 63

66 No segundo, o percentual de chances de bom tempo obtido nos dados coletados da boia do Programa Nacional de Boias (PNBOIA)² localizada na região de Santos é a saída verdadeira do módulo. Obviamente, como há diferentes probabilidades de bom tempo e mau tempo para verão e inverno, há um módulo Decide para cada estação do ano. Figura 42 - "Decide" de altura de onda Após a verificação das condições meteorológicas, o PSV realiza a operação de carga/descarga diretamente, em condições de bom tempo. Figura 43 - "Process" de operação, em caso de "bom tempo" 64

67 Figura 44 - PSV operando na unidade P2 em condições de "bom tempo" 65

68 Em casos de mau tempo, o PSV aguarda para operar, conforme distribuição discreta abaixo: Figura 45 - "Process" de operação, em caso de "mau tempo" Terminado o processo de abastecimento da unidade, e também o de recolhimento da carga de retorno da mesma, utiliza-se novamente o módulo Assign, para que a variável Carga tenha seu valor modificado de acordo com a demanda de carga/descarga da unidade. A demanda individual semanal das unidades foi dividida em duas escalas, e obedece a uma distribuição normal de probabilidade. 66

69 Figura 46 - Atribuição de novos valores à variável "Carga", pós operação em unidade offshore Terminada a operação de abastecimento da unidade, foi verificado, para todas elas, se a quantidade de carga carregada no convés não excedia o limite da área útil de convés do PSV. Caso não houvesse mais espaço no convés do navio, a embarcação voltava ao porto. Havendo espaço, seguia adiante. Figura 47 - "Decide" de lotação da área de convés 67

70 Figura 48 - Registro de PSV que ficou sem espaço para carga na área de convés 68

71 Entre uma unidade e outra, é contado o tempo de navegação, assim como fez-se entre porto e primeira unidade. Figura 49 - "Delay" de navegação entre unidades P3 e P4 Os procedimentos apresentados para a unidade P1 são repetidos igualmente para as outras 3 unidades. Ao final desse processo, o navio volta ao porto através do módulo Dispose. Figura 50 - Módulo "Dispose" 69

72 Primeiramente, o modelo foi rodado com uma amostra-piloto de uma replicação. Todavia, sabe-se que um modelo de simulação lida com números aleatórios, e seria imprudente tirar conclusões sobre o sistema a partir de uma única rodada do modelo. Cada rodada deve ser entendida como um novo experimento. Para obter dados com uma maior confiança estatística, deve-se encontrá-los, através de cálculos que utilizam parâmetros da amostra-piloto, como seu tamanho e desvio padrão, a fim de definir a quantidade de replicações necessárias para estabilizar os resultados obtidos no modelo. O valor encontrado foi o de 126 replicações. Sendo assim, o modelo foi rodado para esse número. Figura 51 - Dados Inseridos no Arena 70

73 10,31% 15,22% 20,13% 25,04% 29,96% 34,87% 39,78% 44,70% 49,61% 54,52% 59,43% 64,35% 69,26% 74,17% 79,08% 84,00% 88,91% 93,82% 98,74% 103,65% 108,56% 113,47% 118,39% 123,30% 128,21% 133,12% 138,04% 142,95% 147,86% 68, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Resultados e Análise Para uma rodada no modelo, ou seja, uma replicação apenas, foram obtidas as distribuições presentes nos histogramas das figuras 53 e 54 para os valores de carga de convés e taxa de ocupação da área útil de convés: Média de Carga de Convés Transportada (m²) Figura 52 Distribuição dos valores de média de carga de convés dos PSVs Taxa de Ocupação Média da Área Útil de Convés (%) Figura 53 - Distribuição dos valores da taxa de ocupação média da área útil de convés das embarcações 71

74 A média da carga transportada pelas embarcações de apoio foi de 299,40 m², com uma taxa de ocupação média de 45,33 % da área útil de convés. Os navios saem a uma taxa constante de um a cada 3,5 dias. Portanto, 1543 viagens foram registradas no total. De todas essas, em 37 vezes (2,41% dos casos) o navio teve sua área útil de convés totalmente ocupada, não atendendo assim à totalidade da demanda das unidades offshore. Tabela 10 - Resumo da Carga Média de Carga (m²) Taxa Média de Ocupação da Área Útil de Convés (%) 299,40 45,33 Tabela 11 - Resumo dos Navios Total Navios Navios Lotados Percentual de Navios Lotados (%) ,41 O tempo médio registrado para as viagens, excluindo os casos em que as embarcações tiveram suas áreas de convés lotadas, foi de 37,2780 horas. A distribuição dos valores dos tempos das viagens pode ser encontrada no histograma da figura abaixo: Tempo Total dos PSVs no Percurso (h) Figura 54- Distribuição dos valores de tempo total para completar a operação Tabela 12 Tempo médio que as embarcações levam para completar a operação Tempo Médio dos Navios no Percurso (h) 37,278 72

75 0,16% 3,54% 6,93% 10,31% 13,69% 17,08% 20,46% 23,85% 27,23% 30,61% 34,00% 37,38% 40,77% 44,15% 47,53% 50,92% 54,30% 57,69% 61,07% 64,45% 67,84% 71,22% 74,61% 77,99% 81,37% 84,76% 88,14% 91,53% 94,91% 98,29% 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Para 126 replicações, foram obtidas as distribuições presentes nos histogramas das figuras abaixo para os valores de carga de convés e taxa de ocupação da área útil de convés: Média de Carga de Convés Transportada (m²) Figura 55 - Distribuição dos valores de média de carga de convés dos PSVs Taxa de Ocupação Média da Área Útil de Convés (%) Figura 56 - Distribuição dos valores da taxa de ocupação da área útil de convés das embarcações 73

76 30, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,7255 A média da carga transportada pelas embarcações de apoio foi de 298,20 m², com uma taxa de ocupação média de 40,46 % da área útil de convés. Os navios saem a uma taxa constante de um a cada 3,5 dias. Portanto, viagens foram registradas no total. De todas essas, em 3615 vezes (1,86 % dos casos) o navio teve sua área útil de convés totalmente ocupada, não atendendo assim à totalidade da demanda das unidades offshore. Tabela 13 - Resumo da Carga Média de Carga (m²) Taxa Média de Ocupação da Área Útil de Convés (%) 298,20 45,18 Tabela 14 - Resumo dos Navios Total Navios Navios Lotados Percentual de Navios Lotados (%) Média de Navios Lotados ,86% 28,69 O tempo médio registrado para as viagens, excluindo os casos em que as embarcações tiveram suas áreas de convés lotadas, foi de 37,1799 horas. A distribuição dos valores dos tempos das viagens pode ser encontrada no histograma da figura abaixo: Tempo Total dos PSVs no Percurso (h) Figura 57 - Distribuição dos valores de tempo total para completar a operação 74

77 Tabela 15 - Tempo médio que as embarcações levam para completar a operação Tempo Médio dos Navios no Percurso (h) 37,1799 Analisando de maneira geral os resultados acima, percebe-se que tanto os histogramas referentes aos valores da carga de convés, quanto os da ocupação da área de convés, por serem diretamente proporcionais, apresentam características idênticas: valores bem distribuídos, com grande variação em relação à média, devido a um altíssimo desvio padrão, o que se deve à demanda altamente variável e incerta das unidades de produção. Já os histogramas referentes ao tempo de navegação dos PSVs no percurso apresentam uma característica diferente: baixa variação em relação à média, com alta concentração dos valores em uma pequena área. As condições meteorológicas praticamente regem o tempo da operação, neste caso. Como observado nas distribuições de períodos de altura de onda acima ou abaixo do limite considerado para operação, a duração do mau tempo tem uma parcela baixíssima dos valores, uma vez que a costa brasileira raramente experimenta grandes períodos de ondas acima de 3,5 metros. Dessa maneira, as condições são praticamente sempre propícias à operação, fazendo com que as embarcações quase nunca tenham problemas para chegar à unidade e imediatamente iniciar os serviços, o que explica a baixa variação dos valores de tempo de operação, em relação à média. Por fim, outro fator a ser destacado é a semelhança entre as distribuições dos valores para as diferentes quantidades de replicações aplicadas ao modelo. Apesar de ter havido uma pequena variação nos valores da amostra-piloto para a última configuração obtida, os valores de todos os indicadores foram razoavelmente bem próximos. Sendo 75

78 assim, 15 anos pode ser considerado um bom período para uma análise primária dessa operação. Com os resultados coletados para todas as configurações possíveis (diferentes quantidades de replicações), pôde-se chegar a uma análise final. Os gráficos abaixo ilustram valores de quatro indicadores da operação em função do número de replicações para o qual o modelo foi rodado : carga média de convés (valor médio da carga transportada pelas embarcações), taxa de ocupação média da área de convés pela carga transportada, número médio de navios lotados (ou seja, navios incapazes de atender à demanda das unidades) e tempo médio que as embarcações levaram no percurso para concluir a operação. 299,6 299,4 299, ,8 298,6 298,4 298, ,8 297,6 Número de Replicações X Carga Média de Convés (m²) Figura 58 - Número de Replicações X Carga Média de Convés (m²) 76