PROJETO E SIMULAÇÃO DE UMA FERRAMENTA ROBÓTICA PARA INSPEÇÃO INTERNA DE ESTRUTURAS TUBULARES

PROJETO E SIMULAÇÃO DE UMA FERRAMENTA ROBÓTICA PARA INSPEÇÃO INTERNA DE ESTRUTURAS TUBULARES Aluno: Daniel Rotolo Oliveira de Lima Orientador: Marco Antonio Meggiolaro Introdução Na exploração de petróleo, as operações com flexitubo (coiled tubing), via cabo e com arame, passaram a enfrentar grandes desafios com a introdução de poços de alta inclinação e de poços horizontais nos projetos de desenvolvimento de campos petrolíferos. Os trens de arame (conjuntos de ferramentas) eram, basicamente, descidos por gravidade. O atrito dessas ferramentas com as paredes dos poços ou das colunas de produção limitavam sua descida em casos de altas inclinações. Para superar tal desafio foi desenvolvida uma ferramenta de transporte denominada Well Tractor. É desenvolvida pela empresa Welltec, cuja sede é na Dinamarca e presta serviços em poços de petróleo e gás em países como Brasil, Argentina, Equador, Venezuela, México e Colômbia. Inicialmente projetada para flexitubo, essa ferramenta se consolidou com o wireline como solução para conduzir ferramentas por dentro de colunas, revestimento ou poço aberto para cabo elétrico e coiled tubing. O Well Tractor pode operar com diversas linhas de atuação, como testes a poço aberto e poço revestido (open hole and casing hole logging), soluções em limpeza de poço (clean-out solutions), corte em obstruções (perforating), soluções em frisagem (milling solutions), amostragem de fluidos (fluid sampling), soluções mecânicas (mechanical solutions), recuperação de ferramentas/ tubos (pipe recovery), operações de pescaria (fishing), determinar profundidade (depth determination) e amostragem e análise sísmica (seismic measuring). Neste trabalho, foi feito um estudo sobre a ferramenta robótica Well Tractor, que permite aos operadores estender seu alcance em poços altamente desviados para otimizar a produção. A partir de dados fornecidos pela empresa Welltec, em seu site e pesquisas a partir de trabalhos e teses de graduação e pós-graduação, além de artigos que pudessem auxiliar na pesquisa, foram obtidas informações fundamentais para o projeto de sistemas similares: a velocidade usual e a força de um Well Tractor em poços, as condições de contorno do poço, e o material que compõe a ferramenta. Revisão dos Well Tractors existentes Pesquisando sobre o Well Tractor foi possível encontrar informações a respeito e de suas especificações. Através do site da empresa Welltec [1] foi possível determinar os dados da tabela a seguir: 1

Tabela 1- Valores obtidos através do site da empresa Welltec baseado no modelo Well Tractor New Generation (NG), que é o modelo mais recente da ferramenta produzida pela empresa. Dados Valores Velocidade média usual 7000 ft/h 0,6 m/s x Força exercida pelo motor 2700 lbs 1224,7 Kgf 12 kn Profundidade (WT NG) 423,723 ft 129150,77 m x Pressão de suas rodas sobre a parede (rodas a 90 com a parede) 172 MPa quando poço a 400 F ou 204 C x x Além disso, para maiores especificações, outros dados sobre o modelo NG encontra-se na imagem a seguir: Figura 1- Especificações do Well Tractor, produzido pela Welltec O modelo New Generation, produzido pela empresa, incorpora um novo projeto eletrônico/hidráulico para maior velocidade e confiabilidade. O uso deste novo modelo permitiu à empresa alcançar maiores profundidades, cerca de 50% mais profundo que o Well Tractor anterior. Seguem dados do Well Tractor New Generation: Figura 2- Especificações do Well Tractor NG A ferramenta em questão caracteriza-se também por ser, principalmente, versátil, sistema seguro contra falhas, universal, confiável e resistente à corrosão. Seguem algumas imagens de um Well Tractor: 2

Figura 3- Well Tractor New Generation Para melhor visualização do formato da ferramenta: Figura 4- Well Tractor numa perspectiva melhor para visualização do seu sistema de locomoção Figura 5- Well Tractor NG dentro de um poço criado por computador para análise do mesmo 3

Figura 6- Imagem ampliada de como o Well Tractor se movimenta no duto Estudo e análise dos diâmetros dos poços Com relação às condições de contorno do poço, através de uma tese que menciona a construção de poços off-shore [2], descobriu-se que um projeto de típico de um poço em águas profundas consiste de 4 a 5 fases com diâmetro variando de 36 a 8 1 2 polegadas, desde o início até a conclusão da fase horizontal do poço, vide Tabela 2. Tipo de Poço Tabela 2- Diâmetros e Revestimentos usuais de poços comuns ou slender Fase Diâmetro (polegadas) Revestimento (polegadas) Comum 1 36 30 a 36 Slender x x Comum 2 26 x Slender 17 1 2 x Comum 3 x 13 3 8 Slender x x Comum 4 20 a 13 3 8 x Slender x x Comum 5 8 1 2 x Slender x x Lembrando que poço slender/poço fino (slender well) é aquele poço no qual o típico revestimento de superfície de 20 é abolido. Nesse tipo de poço, a coluna de revestimento passa diretamente da bitola de 30 para a de 13 3 8, permitindo redução do volume de fluido de perfuração necessário, uso de risers de menores diâmetros e mais leves, e até mesmo uso de sondas de menor capacidade. 4

A fim de qualificar mais a pesquisa, através de uma tese de iniciação científica sobre projeto e simulação de uma ferramenta robótica para inspeção de soldas e estruturas tubulares submarinas [3], concluiu-se que o Well Tractor irá operar na faixa de diâmetros especificada entre 16 e 24 polegadas da seguinte forma: Tabela 3- Dimensões das linhas principais segundo a norma API 16Q que padroniza os respectivos diâmetros externos das linhas principais e que se conectam aos BOPs. API 16Q - Typical Desings (in) Main line OD (mm) 16" 406.4 18 5/8" 473.1 20" or 21" 508 or 533.4 22" or 24" 558.8 or 609.6 24" 609.6 Além disso, através da mesma tese obteve-se os respetivos diâmetros internos dos BOPs (blowout preventers) relacionados aos diâmetros externos das linhas principais acima, que, portanto, também padronizados pela norma API 16Q Typical Desnigns (2.7.2) [4]. Tabela 4- Dimensões dos BOPs segundo a norma API 16Q API 16Q - Typical Desings (in) BOP bore size (mm) 13 5/8" 346.1 16 3/4" 425.5 18 3/4" 476.3 20 3/4" 527.1 21 1/4" 539.8 Material da ferramenta robótica (Well Tractor) A respeito do material do Well Tractor, sabe-se que deve ser feito de aço já que tal metal apresenta alta resistência mecânica. Contudo, não é o suficiente, e se faz necessária uma ou mais ligas para que o material consiga suportar as diversas adversidades existentes dentro do poço. A fim de evitar a corrosão do material foi concluído que ele deveria apresentar superligas de níquel, já que esse apresenta alta resistência à corrosão. Além disso, percebeu-se que o aço deveria ter ligas de cromo também, visto que a superfície do robô estará em contato com gases que podem danificar a sua estrutura e sua superfície, além das altas temperaturas encontradas em poços mais profundos, vide Tabela 5. 5

Tabela 5- Composição do material e suas respectivas características Composição Aço Ligas de Níquel Ligas de Cromo Características Alta resistência mecânica Alta resistência à corrosão Superfície resistente aos gases existentes nos poços e para resistir às altas temperaturas Após estudos de ligas típicas usadas na indústria do petróleo, foi decidida a escolha pelo material Inconel 718 para o Well Tractor, visto que é uma liga de níquel-cromo-molibdênio, projetada para resistir a uma ampla gama de ambientes severamente corrosivos, corrosão por pites e em fresta. Esta liga de aço também exibe resistência excepcionalmente alta à tração, à fluência e à ruptura por propriedades em altas temperaturas. Ela é usada desde temperaturas criogênicas até serviços a longo prazo em 1200 C. Tabela 6- Tabela com informações sobre o material escolhido Composição química Especificações Designações Principais características Elemento Min % Max % AMS 5662 W.NR 2.4668 Boa resistência à rotura por fluência a temperaturas elevadas Aplicações típicas Turbinas a gás C 0.08 AMS 5663 UNS N07718 Maior resistência que Inconel X-750 Motores de foguete Mn 0.35 AMS 5832 AWS 013 Melhores propriedades mecânicas em temperaturas mais baixas do que a Nimonic 90 e a Inconel X-750 Veículos espaciais Si 0.35 AMS 5962 Endurecível por envelhecimento Reatores nucleares P 0.015 ASTM B637 Aplicações dinâmicas em altas temperaturas Bombas S 0.015 GE B5OTF14/15 Cr 17.00 21.00 GE B14H89 Ni 50.00 55.00 ISO 15156-3 Mo 2.80 3.30 (NACE MR 0175) Nb/Cb 4.75 5.50 Ti 0.65 1.15 Al 0.20 0.80 Co 1.00 Ta 0.05 B 0.006 Cu 0.30 Pb 0.0005 Bi 0.00003 Se 0.0003 Fe bal 6

Estudo de CFD A fricção é um fator muito importante no estudo do movimento do Well Tractor, assim como também é na operação de perfuração. Conforme a ferramenta robótica desce, ele sofre a ação de uma força de arrasto, portanto o fator de atrito acaba tendo muita influência nos cálculos de arraste. A força de atrito pode ser medida no campo ou em laboratório para obter uma comparação dos valores obtidos com o uso de diferentes fluidos ou lubrificantes, sob condições controladas, segundo [4]. No entanto, sabe-se que seu valor medido no laboratório quase nunca será o mesmo que o medido no campo, pois o segundo leva em consideração muitos outros fatores, alguns até imensuráveis com a tecnologia da qual se dispõe nos dias atuais. Alguns desses dados são: geometria do poço; rigidez da coluna do duto; efeitos viscosos; tipo de fluido. Com relação ao tipo de fluido, sabe-se que o Petróleo é um fluido não-newtoniano, portanto sua relação entre tensão cisalhante e a taxa de cisalhamento não é constante, a viscosidade destes tipos de fluidos só são válidas para uma determinada taxa de cisalhamento. Assim, os fluidos não-newtonianos são definidos pela seguinte equação: τ yx = ɳ γ yx onde ɳ é a viscosidade aparente. Sendo ela uma função da temperatura, pressão taxa de cisalhamento e tempo. De acordo com Chhabra e Richardson (2008) [5], os fluidos não-newtonianos podem ser agrupados em três diferentes grupos: fluidos independentes do tempo- esses fluidos possuem a viscosidade aparente independente da duração da aplicação da taxa de deformação, eles também são conhecidos como puramente viscosos, inelásticos ou também como fluidos newtonianos generalizados (GNF); fluidos dependentes do tempo- eles possuem a relação entre tensão e cisalhamento dependente da duração do cisalhamento e do histórico cinemático deles; e fluidos viscoelásticos- esses fluidos exibem características tanto de fluidos ideais e de sólidos elásticos e apresentam parcial recuperação elástica após deformação. Os mesmos autores também afirmam que a maioria dos fluidos reais apresentam a combinação de dois ou até os três tipos de características não-newtonianas, no entanto, é possível identificar a característica dominante. Para maior compreensão dos diferentes tipos de fluidos não-newtonianos, seguem as figuras: 7

Figura 7- Representação esquemática dos fluidos segundo comportamento reológico Figura 8- Equações que relacionam a tensão e a taxa de cisalhamento Figura 9- Tensão de cisalhamento x Taxa de cisalhamento 8

Sabendo que alguns fluidos lubrificantes possuem propriedades levemente tixotrópicas e que alguns desses fluidos derivam do Petróleo e somando o fato de que seu tratamento matemático é complexo (fluido não-newtoniano dependente do tempo), este fator pode ser desconsiderado e, assim, pode ser considerado um fluido independente do tempo. O petróleo é um fluído pseudoplástico, visto que é um fluído muito viscoso. Portanto o coeficiente n do modelo power-law é positivo e menor que 1 (n < 1). Também foi utilizado um valor de 0,5 para o coeficiente n do modelo power-law (n = 0,5) e um valor de 100 adicionado de 5 para a taxa de deformação. O valor do parâmetro m é igual a 1 para fluidos newtonianos, porém como é um fluido não-newtoniano, foi utilizada a viscosidade do óleo. A tabela construída como mencionado acima, encontra-se a seguir, junto com a fórmula da tensão cisalhante para o modelo power-law encontrada numa tese de mestrado sobre os Efeitos Viscosos em Cilindros Imersos em Fluidos Não-Newtonianos. τ xy = m ( u y ) n Tabela 7- Valores da tensão cisalhante variando de acordo com a taxa de deformação tensão [Pa] m [cp] taxa de deformação [s^-1] 0,440 0,044-100 0,5 0,451 0,044-105 0,5 0,461 0,044-110 0,5 0,472 0,044-115 0,5 0,482 0,044-120 0,5 0,492 0,044-125 0,5 0,502 0,044-130 0,5 0,511 0,044-135 0,5 0,521 0,044-140 0,5 0,530 0,044-145 0,5 0,539 0,044-150 0,5 0,548 0,044-155 0,5 0,557 0,044-160 0,5 0,565 0,044-165 0,5 0,574 0,044-170 0,5 0,582 0,044-175 0,5 0,590 0,044-180 0,5 0,598 0,044-185 0,5 0,606 0,044-190 0,5 0,614 0,044-195 0,5 0,622 0,044-200 0,5 0,630 0,044-205 0,5 0,638 0,044-210 0,5 0,645 0,044-215 0,5 0,653 0,044-220 0,5 0,660 0,044-225 0,5 n 9

0,667 0,044-230 0,5 0,675 0,044-235 0,5 0,682 0,044-240 0,5 0,689 0,044-245 0,5 0,696 0,044-250 0,5 0,703 0,044-255 0,5 0,709 0,044-260 0,5 0,716 0,044-265 0,5 0,723 0,044-270 0,5 0,730 0,044-275 0,5 0,736 0,044-280 0,5 0,743 0,044-285 0,5 0,749 0,044-290 0,5 0,756 0,044-295 0,5 0,762 0,044-300 0,5 Para o cálculo do número de Reynolds, utilizou-se um artigo sobre efeitos viscosos em cilindros imersos em fluidos não-newtonianos [7]. A fórmula encontrada no artigo encontra-se a seguir: Portanto: Re = ρ U D μ Re = ρ óleo U D duto μ Tabela 8- Cálculo do número de Reynolds 2. Número de Reynolds Re [-] ρ [kg/m³] U [m/s] D [m] µ [Pa*s] 1,07 10 4 860 0,6 0,914 0,044 É importante ressaltar que como o fluido (petróleo) é absorvido para ser captado e, posteriormente, utilizado para seus fins, sua velocidade é maior que a velocidade de deslocamento do Well Tractor, portanto, por isso foi utilizado o valor da velocidade do fluido como 4 m/s. Através de uma tese de doutorado sobre escoamento laminar de líquidos nãonewtonianos em seções anulares: estudos de CFD e abordagem experimental [7], foi possível encontrar uma fórmula para a força de arrasto: F d = 18 μ C d Re 24 ρ p d p 2 10

Onde µ é a viscosidade do fluido, C d o coeficiente de arrasto, R e o número de Reynolds e ρ p e d p são a massa específica e o diâmetro da partícula, respectivamente. Utilizando o valor de μ = 0,044 Pa. s, o valor de Reynolds encontrado, considerando as partículas como a água que pertence à fase dispersa, visto que o óleo pertence à fase contínua, então, têm-se d p = 0,001 m e ρ p = 998 kg.tais valores foram encontrados em um artigo m³ sobre a Análise do Efeito da Velocidade no Escoamento Bifásico em Dutos Curvados com Vazamento [8]. E através de uma fórmula para o coeficiente de arrasto encontrada, e que se encontra a seguir, numa tese de doutorado sobre Modelagem para o Escoamento Transiente Horizontal e Quase Horizontal na Perfuração de Poços de Petróleo [9] foi possível fazer um cálculo aproximado do coeficiente de arrasto e da força de arrasto no software Microsoft Excel. C d = 24 Re + 4 Re + 0,4 Uma importante observação a respeito da fórmula acima é que ela é válida apenas para Re < 10 5, que é o caso em questão Tabela 9- Valor aproximado do Coeficiente e da Força de arrasto Coeficiente de arrasto Força de arrasto Cd [-] Fd 0,041 14,4 Força normal necessária no poço e torque realizado pelo braço do Well Tractor No que diz respeito a força normal, sabe-se que é a força exercida pelo torque do braço da ferramenta robótica e que gera uma força de reação que a parede do revestimento do poço faz sobre a roda do robô. Segue abaixo um desenho representando o problema em questão. y x L F at T F b F n θ mg F e F d θ r 11

Legenda: F at força de atrito F b força que o braço da ferramenta robótica faz sobre a roda F d força de arrasto do fluido m massa de cada roda M massa do Well Tractor ({ M 8 } massa do Well Tractor por pares de roda) g aceleração da gravidade F e força de empuxo do fluido sobre a roda F n força normal θ ângulo de inclinação do duto L comprimento do braço da ferramenta robótica r raio da roda T torque do braço Para resolver tal problema fez-se um estudo de forças em uma análise estática. 1. F x = 0 [m + ( M 8 )] g sin θ F atrito F e sin θ F d = 0 onde F atrito = μ p F n e F e = ρ L d g logo: 2. F y = 0 F n = ([m + (M 8 )] g ρ L d g) sin θ F d μ p F n = {[m + (M 8 )] ρ L d } g sin θ F d μ p F b + [m + ( M 8 )] g cos θ N F e cos θ = 0 F b = F n {[m + ( M 8 )] ρ L d } g cos θ Substitui-se a expressão encontrada para a força normal F n na expressão encontrada para a força F b : F b = {[m + ( M 8 )] ρ sin θ L d } g ( cos θ) F d μ p μ p Para uma análise numérica aproximada, considerou-se inclinações de poços de 90, 60, 45, 30 e 0, o μ p, que no caso a parede é o revestimento de cimento, então μ p = 0,8 12

aproximadamente, o valor obtido para F d anteriormente e os seguintes valores apresentados em forma de tabela: Dados da roda + Well Tractor m+m/8 (roda+well Tractor por par de roda) [kg] Vd (volume deslocado) [m³] g (gravidade) [m/s²] 27,7 0,5 9,81 r (raio da roda) [m] Dados da roda + Well Tractor comprimento do braço L [m] 0,02 0,15 Força Normal (θ=90 ) Fn Força Normal (θ=60 ) Fn Força Normal (θ=45 ) Fn Força Normal (θ=30 ) Fn Força Normal (θ=0 ) Fn -23,8-23,1-22,1-20,9-18,0 Fb (braço) (θ=90 ) Fb Fb (braço) (θ=60 ) Fb Fb (braço) (θ=45 ) Fb Fb (braço) (θ=30 ) Fb Fb (braço) (θ=0 ) Fb -23,8-20,7-18,9-16,9-13,4 Os valores encontrados para a força de arrasto, força normal e força do braço do Well Tractor apresentam a mesma ordem de grandeza em módulo, o que demonstra que esses valores estão adequados ao problema. Como o valor da força normal e da força do braço deram negativas, isso implica que elas agem no sentido oposto ao arbitrado no desenho. O torque que provoca a força que a roda faz na parede do revestimento e a parede reage com a força normal N, pode ser obtido da seguinte forma: T (na roda) (θ=90 ) T (na roda) (θ=60 ) roda F r at roda = μ p F n r T (na roda) (θ=45 ) T (na roda) (θ=30 ) T (na roda) (θ=0 ) 3,81 10 1 3,69 10 1 3,54 10 1 3,35 10 1 2,89 10 1 13

Para o torque realizado pelo braço do Well Tractor: T = F at (L + r) T = μ p F n (L + r) T = μ p (L + r) { {[m + (M 8 )] ρ L d } g sin θ F d μ p } (do braço) (θ=90 ) T (do braço) (θ=60 ) T (do braço) (θ=45 ) T (do braço) (θ=30 ) T (do braço) (θ=0 ) T -3,24-3,14-3,01-2,85-2,45 Tais valores deram negativos, o que indica que o sentido está contrário. Porém a ordem de grandeza encontrada está de acordo com o esperado. Conclusões Neste trabalho foi feito um estudo da ferramenta robótica Well Tractor, englobando escolha de material e condições de contorno do poço onde atua. Alguns dados foram obtidos a partir de documentos da empresa Welltec, baseado no modelo de ferramenta mais recente Well Tractor New Generation (NG). Além disso, foi obtida uma equação para o cálculo da força de arrasto, para o número de Reynolds e a tensão cisalhante contribuindo, assim, para um estudo CFD mais detalhado. Com a fórmula da força de arrasto foi possível descobrir um valor aproximado para a força em questão. Com seu valor e um diagrama de forças foi encontrado um valor aproximado para a normal N, a tração T, o torque gerado na roda do Well Tractor e o torque gerado pelo braço do Well Tractor. Os dados obtidos e calculados serão de suma importância para a realização de um futuro projeto de construção de uma ferramenta robótica com funções similares às do projeto estudado. 14

Referências 1 WELLTEC. Conveyance Solutions. Dinamarca. Disponível em: http://www.welltec.com/solutions/conveyance/ Acesso em 25/07/2018. 2 DAVID, W. Construção de Poços Off-Shore. Monografia de graduação de curso em Engenharia de Produção. UGF, 2009. 3 SALOMÃO, G. R. Projeto e simulação de uma ferramenta robótica para inspeção de soldas e estruturas tubulares submarinas. Rio de Janeiro, [2018?], 8p. Relatório de Iniciação Científica- Faculdade de Engenharia Mecânica, PUC-Rio. 4 CHIEZA, Carolina Pontes. Diagnósticos de problemas operacionais durante a perfuração de poços de petróleo. 2011. Tese de Mestrado. PUC-Rio. 5 CHHABRA, R. P., RICHARDSON, J. F. Non-Newtonian Flow and Applied Rheology. 2.ed. 2008. 536p. 6 NEVES, F. da S. Efeitos Viscosos em Cilindros Imersos em Fluidos Não-Newtonianos. 1972. Tese (Mestrado em Ciência) Faculdade de Engenharia, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 7 PEREIRA, F. A. R. Escoamento laminar de líquidos não-newtonianos em seções anulares: estudos de CFD e abordagem experimental. 2006. Tese (Doutorado em Engenharia Química) Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia. 8 SARMENTO, L. R. B.; PEREIRA FILHO, G. H. S. ; BARBOSA, E. S.; FARIAS NETO, S. R. de ; LIMA, A. B. de; "ANÁLISE DO EFEITO DA VELOCIDADE NO ESCOAMENTO BIFÁSICO EM DUTOS CURVADOS COM VAZAMENTO", p. 5783-5790. In: Anais do XX Congresso Brasileiro de Engenharia Química - COBEQ 2014 [= Blucher Chemical Engineering Proceedings, v.1, n.2]. São Paulo: Blucher, 2015. ISSN 2359-1757, DOI 10.5151/chemeng-cobeq2014-1228-20387-170060 9 COSTA, S. S. Modelagem para o Escoamento Transiente Horizontal e Quase Horizontal na Perfuração de Poços de Petróleo. 2006. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) Faculdade de Engenharia Civil, PUC Rio, Rio de Janeiro. 15