aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

APLICAÇÕES DE PESQUISA

OPERACIONAL NA

INDÚSTRIA INTERNACIONAL

DE PETRÓLEO E GÁS

MODELAGEM E SOLUÇÃO PARA PROBLEMAS

DA EXPLORAÇÃO À DISTRIBUIÇÃO

Silvio Hamacher

Virgílio José Martins Ferreira Filho

CIP-Brasil. Catalogação-na-fonte.Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ

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A652 Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás: modelagem e solução para problemas da exploração à distribuição / organização Silvio Hamacher; Virgílio José Martins Ferreira Filho. – 1. ed. – Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. il. ; 24 cm.

Inclui bibliografia ISBN 978-85-352-8137-8

1. Indústria petrolífera – Brasil. 2. Gás natural – Indústria – Brasil. 3. Petróleo – Refinação. I. Hamacher, Silvio. II. Ferreira Filho, Virgílio José Martins.

15-22204.CDD: 338.272820981

CDU: 330.123.7

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ISBN 978-85-352-8137-8ISBN digital 978-85-352-8138-5

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Prefácio

Para quem, como eu, trabalhou utilizando Pesquisa Operacional (PO) justamente na indústria do petróleo, o convite dos organizadores para prefaciar esse livro trouxe grande satisfação. É longa e fértil a parceria entre PO e a indústria de óleo e gás. Logo que a Pes-quisa Operacional começou a sair de sua “fase heroica”, após ajudar a resolver diversos problemas de decisão motivados pela 2a Guerra Mundial, o setor de óleo e gás destacou-se como um dos segmentos pioneiros no uso empresarial das novas técnicas disponíveis.

Em meados da década de cinquenta do século passado, grandes empresas de petróleo já desenvolviam e utilizavam seus primeiros modelos de programação linear para elaborar, por exemplo, o plano de produção ótimo de suas refinarias. Esses modelos de otimização, que seriam considerados de “porte pequeno” se vistos por nossa ótica atual, foram muito importantes para a evolução dos algoritmos de otimização empregados em programação matemática. Nessa época, o trabalho conjunto da indústria, da Universidade e dos forne-cedores de software e hardware foi determinante para a acelerada evolução que se verificou no desempenho desses algoritmos.

Nessa mesma década, era criada no Brasil a Petrobras, após campanha memorável, que envolveu e mobilizou intensamente diversos atores da sociedade brasileira. Cerca de uma década depois da criação da Petrobras, um grupo de engenheiros da empresa tomou conhecimento da existência e do uso dos modelos de otimização e criou o primeiro gru-po de PO empresarial no Brasil, colocando a indústria de petróleo brasileira em patamar semelhante ao de suas congêneres internacionais.

A primeira aplicação desenvolvida por esse grupo pioneiro, trabalhando em conjunto com engenheiros e profissionais dos departamentos comercial e industrial da empresa, foi o modelo de otimização denominado de “Seleção de Petróleo” (SP), com gerador de matriz construído internamente, uso de “solver” comercial e que, para produzir uma so-lução viável ótima, demandava, nessa época, cerca de duas semanas de integrado esforço organizacional e forte mobilização.

Dadas as condições tecnológicas do momento, o fundamental foi garantir que as soluções apontadas pelo modelo orientassem as operações comerciais e operacionais da empresa. Era o tempo em que o país importava 80% do petróleo que refinava. Interessante notar que, ainda hoje, após décadas, o sucessor do “SP” continue em uso pleno, em outras condições tecnológicas e viabilizando a integração plena das operações do parque de refino brasileiro. Só que, agora, com a enorme evolução de software e hardware ocorrida, capaz de produzir dezenas de estudos por mês.

ELSEVIERVI Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

Concomitantemente à criação do grupo de PO na Petrobras, em 1969 foi criada a Sociedade Brasileira de Pesquisa Operacional (SOBRAPO), cuja primeira diretoria unia a Universidade e grandes empresas brasileiras. Em paralelo, foram criadas especializações – mestrados e doutorados – em Pesquisa Operacional ou em áreas correlatas em impor-tantes universidades brasileiras, por exemplo, UFRJ, USP, PUC-Rio, ITA, IMPA e outras. Desde então, reforçaram-se os vínculos entre a Universidade e a indústria do petróleo no Brasil e alguns desses profícuos desdobramentos podemos ver nos artigos selecionados para compor este livro.

A Petrobras tem permanentemente apostado no trabalho conjunto entre a empresa e a Universidade como a melhor forma de se gerarem resultados práticos para a tecnologia brasileira nos mais diversos campos. Naturalmente, isso também vale para a PO. Os artigos selecionados pelos organizadores do livro, ambos com conhecimento sólido do funciona-mento da indústria de óleo e gás, cobrem uma vasta extensão dela e contêm exemplos da construção de modelos utilizando as mais diferentes técnicas.

Esses trabalhos, grande parte deles desdobramentos de dissertações e teses de em-pregados da Petrobras, demonstram dois aspectos. O primeiro deles é a abrangência que tomaram as atividades da empresa, com os artigos selecionados cobrindo múltiplos pro-blemas de E&P, planejamento e programação de unidades de refino, logística de transporte de derivados por dutos e de passageiros por helicópteros, planejamento e programação de transporte marítimo, otimização da carteira de projetos de gás natural e da logística de biodiesel. O segundo aspecto relevante diz respeito à importância que a Petrobras tem dado à formação e ao aperfeiçoamento de seu quadro técnico, fundamental para que a empresa tenha atingido o patamar tecnológico atual, exemplo que começa a ser seguido por muitos de seus parceiros e fornecedores.

Cabe mencionar, também, que a utilização de métodos de quantitativos em qualquer empresa, no apoio a decisões em situações complexas como as apresentadas, ajuda a evitar que elas aconteçam de forma pouco criteriosa, dotando-as de mais racionalidade e ensejando melhor acompanhamento em sua execução.

Tenho certeza que essa publicação ajudará fortemente os interessados em aprender como se podem utilizar técnicas diversificadas, criativas e inovadoras de Pesquisa Opera-cional para a resolução de problemas concretos que aparecem na indústria de óleo e gás.

Roberto Iachan

Os Autores

Alex Furtado TeixeiraFormado em Engenharia de Controle e Automação pela Universidade Estadual de Cam-pinas (Unicamp), com mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ). Trabalha no Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello (Cenpes), da Petrobras, há nove anos desenvolvendo e implantando soluções de monitoramento, controle e otimização da produção.

Alexandre Anozé Emerick Engenheiro de petróleo no Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello (Cenpes), da Petrobras, atuando como coordenador e pesquisador em projetos nas áreas de simulação de reservatórios, ajuste de histórico, sísmica 4D, campos inteligentes, quantificação de incertezas e otimização. Mestrado pela Universidade de Brasília e doutorado em Engenharia de Petróleo pela Universidade de Tulsa (EUA). Autor de diversos artigos técnicos em congressos e periódicos internacionais.

Carolina Cerqueira Le Brum de Vielmond Graduada em ciência da computação pela UFRJ, possui mestrado em engenharia de siste-mas e computação pela COPPE/UFRJ e pós-graduação lato sensu em métodos de apoio à decisão pela PUC-RIO. Trabalha desde 2007 com o desenvolvimento de sistemas de apoio à decisão na gerência de Soluções de Pesquisa Operacional da Petrobras.

Claudio BettiniGeólogo pela USP (1964), Mestre em Engenharia de Sistemas pela UFRJ/COPPE (1980), PhD em Geomatemática pela Universidade de Stanford, USA (1987), Geólogo da Petrobras (1965-1990), Pesquisador da Petrobras/Cenpes (1991-1995), Pesquisador Visitante do Departamento de Métodos Estatísticos da UFRJ (1995-1997), Professor Adjunto do Departamento de Geologia da UFRJ (1997-2012), cedido à Empresa de Pesquisa Energética, EPE (2006-2010), Prof. Associado da UFRJ/DGEOL (2012).

ELSEVIERVIII Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

Cláudio Duarte P. LimoeiroEngenheiro de Equipamentos no grupo Petrobras desde 1977, onde constrói modelos de PO aplicados em diversas áreas da companhia. Engenheiro mecânico formado pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica.

Daniel Barry FullerAnalista de Pesquisa Operacional na Petrobras desde 2006, onde constrói modelos de PO aplicados em diversas áreas da companhia. Mestrado em Pesquisa Operacional pela COPPE/UFRJ e doutorando na mesma instituição.

Diego Felipe Barbosa de OliveiraAtua desde 2004 como Engenheiro de Petróleo do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Petrobras. Suas áreas de interesse englobam otimização não linear aplicada à produção, gerenciamento e caracterização de reservatórios. Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Pernambuco (2004). Mestrado pela mesma universidade (2006), com ênfase em otimização da produção de petróleo. Em 2014 terminou o seu Ph.D. em Engenharia de Petróleo pela Universidade de Tulsa (OK/EUA).

Edilson Fernandes de Arruda Graduado em Engenharia Elétrica pela UFMT e doutor em Engenharia Elétrica pela Uni-camp. Juntou-se ao Programa de Engenharia de Produção da COPPE-UFRJ em 2011, e vem atuando desde então na área de Engenharia de Produção, com ênfase na subárea de Pesquisa Operacional. Seus interesses de pesquisa envolvem problemas de modelagem, otimização e controle nas áreas de saúde e petróleo; modelagem e otimização de sistemas sujeitos a incertezas; bem como técnicas de programação dinâmica exata e aproximada, e aprendizado por reforço.

Erito Marques de Souza FilhoLicenciatura em Matemática pela Universidade Federal do Rio de Janeiro – concluído em 2003. Mestrado em Estudos Populacionais e Pesquisa Social pela Escola de Nacional de Ciências Estatísticas (ENCE) – concluído em 2008. Mestrado e doutorado em Engenha-ria de Produção com ênfase em Pesquisa Operacional pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE-UFRJ) concluídos em 2007 e 2013, respectivamente. Atualmente é professor Adjunto I do Departamento de Tecnologias e Linguagens do Instituto Multidis-ciplinar da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro. Experiência na área de Pesquisa Operacional, Demografia e Matemática Aplicada.

Os Autores IX

Fabrício Carlos Pinheiro de OliveiraAtualmente é Professor Assistente no Departamento de Engenharia Industrial (DEI) da PUC-Rio. Doutor em Engenharia de Produção pela PUC-Rio (2012) e graduado em En-genharia Industrial também pela PUC-Rio (2008). Durante seu doutorado, atuou como Pesquisador Visitante na Carnegie Mellon University, onde atuou no Center of Advanced Process Decision-making (CAPD). Atuou, desde 2007, no Núcleo de Excêlencia em Oti-mização (NEXO), laboratório de pesquisa associado ao DEI, onde desenvolve projetos de pesquisa, além de atuar como coordenador de projetos. Possui experiência na área de logística, com ênfase em otimização sob incerteza de sistemas de produção de petróleo e gás e de distribuição de energia por intermédio de técnicas de programação matemática.

Flavia Schittine Campos Graduada em Engenharia Química pela UFRJ. Mestrado em Engenharia de Produção pela PUC-Rio e MBA Executivo pelo COPPEAD. Iniciou sua carreira profissional em 1997 na PUC-Rio no apoio ao desenvolvimento de projetos de pesquisa. Desde 2001 trabalha com o desenvolvimento de sistemas de apoio à decisão na gerência de Soluções de Pesquisa Operacional (TIC/TIC-SERV/SPO) da Petrobras.

Gabriela Ribas Doutora em Engenharia de Produção (2012). Mestre em Engenharia Elétrica (2008). Graduada em Engenharia de Produção (2006). Todos pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). Durante o doutorado desenvolveu parte de sua pesquisa de tese na Norwegian University of Science and Technology (NTNU, Noruega). Participou do grupo de consultores da Coppead no período de 2004 a 2006, tendo oportunidade de desenvolver projetos na área de logística, dentre os quais se destacam: previsão de vendas, roteirização e localização de centros de distribuição. A atuação em consultoria permitiu desenvolver habilidades em gestão de projetos e propiciou uma forte formação em Logística através de cursos de especialização da Coppead. Iniciou suas atividades no Departamento de Engenharia Industrial da PUC-Rio por intermédio do grupo de Apoio à Decisão e Supply Chain no final de 2006. Atualmente o grupo faz parte do Instituto de Pesquisa Tecgraf da PUC-Rio onde atua como coordenadora de projetos e segue desenvol-vendo projetos de pesquisa na área de modelagem matemática e otimização sob incerteza aplicados ao setor de Petróleo e Gás.

Gustavo de Andrade Melo Graduando de Engenharia de Produção na PUC-Rio. Atualmente, trabalha no desenvol-vimento de projetos de pesquisa aplicada no Instituto Tecgraf/PUC-Rio.

ELSEVIERX Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

Gustavo Dias da SilvaGraduado em Engenharia de Comunicações pelo IME (2004), especialização em En-genharia de Software pela PUC/RJ (2006) e mestrado em Engenharia de Produção pela UFRJ (2009), na área de Pesquisa Operacional. Trabalhou por 3 anos como engenheiro na Chemtech e por 4 anos como pesquisador na COPPE/UFRJ. Atualmente é doutorando em informática na École Polytechnique, França. Tem interesse nas áreas de Otimização e Desenvolvimento de Software.

Gustavo Souto dos Santos Diz Engenheiro de Produção formado pela Universidade Federal Fluminense em 2002. Fun-cionário da PETROBRAS, ingressou na companhia em 2004 na área de planejamento e orçamento, onde atuou durante 4 anos. Em 2008 foi transferido para o departamento de logística, onde atua desde então nas atividades de programação de navios no transporte de longo curso e cabotagem de petróleo. Em 2011, concluiu seu mestrado em Logística pela PUC-Rio e, atualmente, é aluno de doutorado em Engenharia de Produção também pela PUC-Rio, tendo como linha de pesquisa o estudo de problemas reais do tipo Maritime Inventory Routing.

Hugo Vinícius BassiEngenheiro de Produção da Petrobras Distribuidora, onde atua na Coordenação da Cadeia Logística da Fábrica de Lubrificantes LUBRAX, em Duque de Caxias. É graduado em En-genharia de Produção pela UFOP e mestre em Pesquisa Operacional pela COPPE/UFRJ. Já atuou como consultor da Gapso em projeto de otimização da circulação de trens para a MRS, como consultor do INDG nas áreas de gerenciamento da rotina e de manutenção para empresas como MSOL e AngloGold Ashanti, e como consultor da Visagio para o cálculo de indicadores de desempenho da VALE / CSC.

Jorge Montechiari Graduado e mestre em Engenharia de Produção pela PUC-Rio. Foi coordenador de pro-jetos durante 5 anos no instituto TecGraf atuando principalmente nas áreas de transporte e logística e óleo e gás. Dentre seus principais projetos está o Plano Diretor de Logística da Globo, o mapeamento e melhoria do processo de avaliação econômica de projetos da Petrobras e o desenvolvimento de metodologias de previsão de reservas de óleo e gás.

Os Autores XI

Larissa Figueiredo Terra de Faria Engenheira eletricista, mestre em engenharia elétrica pela PUC-Rio. Trabalha desde 2008 no desenvolvimento de sistemas de apoio à decisão, usando séries temporais e programa-ção matemática. Ingressou na Petrobras em 2011 e, desde então, participa da criação de modelos na área de petróleo e gás.

Laura Silvia Bahiense da Silva LeiteProfessora Adjunta do Programa de Engenharia de Produção da COPPE/UFRJ, com doutorado em Engenharia de Sistemas e Computação pela COPPE/UFRJ (2000) na área de Otimização Combinatória. Principal área de pesquisa: estudo de problemas NP-difíceis de Otimização Combinatória: Combinatória Poliédrica, desenvolvimento de algoritmos exatos, desenvolvimento de heurísticas Lagrangeanas e meta-heurísticas. Principais áreas de aplicação: Otimização em Energia e Petróleo e Otimização em Grafos e Redes.

Leandro Magatão Engenheiro elétrico, realizou mestrado e doutorado em engenharia elétrica e informática industrial na UTFPR, onde é professor e ministra disciplinas na área de Pesquisa Opera-cional. Suas linhas de pesquisa envolvem Programação Linear Inteira Mista, Programação Lógica por Restrições (Constraint Logic Programming) e integração entre técnicas de otimização combinatória. Realiza estudos de otimização em cenários reais envolvendo redes de polidutos e de energia elétrica.

Leonardo de Almeida Matos de Moraes Engenheiro Eletricista pela UFJF (2004), mestre em Matemática pelo IMPA (2008) e dou-torando em Informática pela PUC-Rio. Desde 2004 atua no desenvolvimento e aplicação de modelos de programação estocástica no processo de planejamento, inicialmente no setor elétrico, no Centro de Pesquisas em Energia Elétrica (CEPEL/Eletrobras), e desde 2008 no setor de óleo e gás, na Petrobras. Atualmente é Analista de Pesquisa Operacional na Petrobras, e suas principais áreas de pesquisa são processos estocásticos, tomada de decisão sob incerteza e data mining.

Lúcia Valéria Ramos de Arruda Doutora em Automação e Processamento de Sinais pela Université de Nice Sophia-Anti-polis – França (UNSA, 1992) e é Professora Titular da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Sua área de pesquisa está relacionada aos seguintes temas: modelos de planejamento e scheduling, sistemas de apoio à decisão, sistemas inteligentes, controle de processos e meta-heurísticas com aplicações nas indústrias de petróleo e gás, energia elétrica e de processos.

ELSEVIERXII Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

Nathália da Silva Sena HermetoConsultora em Logística de Exploração e Produção na Petrobras, onde trabalha desde 2008. Trabalha com Logística de Transportes desde 2006, tendo atuado no Grupo Pão de Açúcar e na Webb Consultoria. Graduou-se em Engenharia de Produção pela UERJ (2006) e tornou-se Mestre em Ciências em Engenharia de Produção pela COPPE/UFRJ (2011), na linha de pesquisa operacional, tendo como objeto de pesquisa modelos de otimização para suporte à decisão no planejamento de redes logísticas de transporte aéreo de exploração e produção de petróleo offshore.

Ormeu Coelho da Silva JúniorDoutor em Engenharia de Produção na COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro (2013), na área de Pesquisa Operacional. Mestre em Engenharia de Produção pela Uni-versidade Federal de Minas Gerais (2007), com ênfase em Pesquisa Operacional aplicada à Engenharia Industrial e à Logística. Graduado em Engenharia de Produção pela Uni-versidade Federal de Ouro Preto (2003), com ênfase na área de Pesquisa Operacional. Professor do Departamento de Engenharia de Produção do CEFET/RJ – Celso Suckow da Fonseca, desde 2010.

Paulo Cesar Ribas Graduado em Engenharia Industrial Elétrica pela UTFPR, mestrado em Engenharia de Produção e Sistemas pela PUC-PR e doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial – Automação e Sistemas pela UTFPR. Atualmente é Analista de Pesquisa Ope-racional na PETROBRAS. Tem experiência na área de Otimização e Gerenciamento da Cadeia de Suprimentos, atuando com análise, modelagem, programação matemática e metaheurísticas, na academia desde 2002 e na indústria desde 2006.

Paulo Roberto dos Santos CarvalhoVinte e oito anos de experiência na indústria do petróleo, 18 destes em Saúde, Segurança, Meio Ambiente e Gestão da Qualidade. Possui também 14 meses de experiência como Gerente de Recursos Humanos. Desde outubro de 2013 trabalha adicionalmente com questões de Anti-Corrupção e Ética. É Engenheiro Mecânico e de Segurança do Trabalho pela PUC-RJ (1986 e 1997), com Mestrado e Doutorado em Engenharia de Produção pela COPPE/UFRJ (2002 e 2012). Atualmente ocupa o cargo de Assessor de QSMS e Gerente de Conformidade para as operações da MODEC no Brasil. Suas especialidades são: Indústria de Petróleo e Gás (Upstream e Downstream), Conformidade Regulatória, Startups, Planejamento Estratégico de Negócios, Desenvolvimento de Negócios, Gestão de QSMS, Sistemas Integrados de Gestão (QSMS), Modelos de Excelência (Fundibeq e EFQM), Gestão de Processos de Negócio.

Os Autores XIII

Rafael de Olivaes Valle dos SantosGraduado em engenharia de computação, ingressou na Petrobras em 2004 e trabalhou durante 9 anos no setor de Pesquisa Operacional da companhia (antiga PESOP). Em 2014 foi transferido para gerência de Eficiência e Otimização de Engenharia de Poço (EOEP). Vem atuando em projetos de suporte à construção de poços, envolvendo principalmente visualização de indicadores, análise estatística e mineração de dados. É doutor em enge-nharia elétrica/métodos de apoio a decisão pela PUC-Rio.

Raphael Riemke de C. C. LeãoEngenheiro Mecânico e de Automóvel formado pelo Instituto Militar de Engenharia/RJ em 2003, com mestrado em Engenharia Industrial pela Pontifícia Universidade Católica – PUC/RJ, em 2009. Funcionário da Petrobras desde 2004, tendo atuado na área de tecnologia para desenvolvimento de mercado de gás natural. Iniciou suas atividades na Petrobras Biocombustível em 2008, sendo desde 2012 responsável pela atuação da companhia jun-to a cadeias de suprimento da agricultura familiar nas áreas de influência das usinas de produção de biodiesel em todo o país, com destaque para a região do semiárido brasileiro.

Ricardo de Melo e Silva AcciolyGraduado em Engenharia Civil pela UFRJ, especialização em Engenharia de Petróleo e D.Sc. em Engenharia de Produção pela COPPE/UFRJ. Consultor Sênior da Petrobras com mais de 30 anos de experiência no E&P. Professor Adjunto do Departamento de Estatística do IME/UERJ. Vem atuando na área de Pesquisa Operacional e Probabilidade e Estatística Aplicadas, tendo desenvolvido aplicações voltadas para dimensionamento de recursos, con-fiabilidade de equipamentos, benchmarking, modelagem estatística e mineração de dados.

Ricardo Vitor J.C. Vasconcellos Formado em Eng.Mecânica pela UFRJ em 1984, Msc Eng. Produção (COPPE 1991) e Dsc em Eng.Produção – Pesquisa Operacional (COPPE-2007). Trabalhou de 1989 a 2002 nos Correios DR/RJ na área de Planejamento de Transportes, desenvolvendo modelos de Simulação e implantação de Roteirição de veículos. No período de 2004 a 2014, traba-lhou na área de Pesquisa Operacional da Petrobras, desenvolvendo ferramentas de apoio a decisão através de modelos de otimização, heurísticas, simulação e estatística. Foi Prof nas disciplinas de Sistemas de Informação em Logística no IDHGE/CEFET RJ e de PCP no MBA de Gestão da Produção e Manutenção no LATEC/UFF.

ELSEVIERXIV Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

Sergio Bruno É Analista de Pesquisa Operacional na Petrobras desde 2004. Graduado em Engenharia Elétrica e Engenharia de Produção Elétrica pela PUC-Rio, possui mestrado em Métodos Matemáticos em Finanças pelo IMPA. Atualmente é doutorando em Engenharia Elétrica na PUC-Rio, tendo realizado parte da pesquisa como visitante na escola de Engenharia Industrial e de Sistemas da Georgia Tech. É especialista em planejamento integrado sob incerteza, aplicado na indústria de Petróleo e Energia.

Silvio Hamacher Professor associado da PUC-Rio, onde ingressou em 1996. Seu envolvimento com a Pesqui-sa Operacional iniciou-se no seu mestrado em Engenharia de Produção pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1991) e doutorado em Génie Industriel pela École Centrale Paris (1995), ambos abordando modelagem em programação matemática. Nesta mesma época trabalhou como Analista de Pesquisa Operacional na Petrobras, tendo participado e coordenado vários projetos ligados à cadeia de petróleo. Desde 2001 tem atuado na Sociedade Brasileira de Pesquisa Operacional, em atividades como membro do comitê científico e da diretoria, sendo o atual presidente da sociedade no mandato 2015-2016. Publicou mais de 110 artigos completos em periódicos nacionais e internacionais, em capítulos de livros e em anais de congressos. Orientou mais de 60 teses de doutorado e dissertações de mestrado.

Thyago Silva HermetoCoordenador de Projetos Logísticos na área de Exploração e Produção na Petrobras, onde trabalha desde 2005. Trabalha no desenvolvimento de projetos de infraestrutura aeroportuária e modelagem de processos. Graduou-se em Engenharia Civil pela UFRJ (2004) e Mestre em Ciências em Engenharia de Infraestrutura Aeronáutica no Instituto Tecnológico da Aeronáutica – ITA (2015), com ênfase em Transporte Aéreo e Aeroportos, tendo como tema pesquisa a análise de tráfego aéreo por meio de simulação fast-time, o caso da aviação offshore de helicópteros. Participa do núcleo de pesquisa de Engenharia de Tráfego Aéreo no Grupo de Engenharia de Tráfego Aéreo (GETA).

Os Autores XV

Túlio Márcio Aguiar OliveiraGraduado em 1993 na UFRJ, iniciou o mestrado em 1994 na UFRJ na área de Geologia de Engenharia e Ambiental. Trabalhou em diversos projetos desta área como: Projeto GE-ROE da EMOP-RJ (Empresa de Obra Pública do Estado do Rio de Janeiro) e mapeamento geológico-geotécnico para a Fundação GEORIO em diversos morros da cidade do Rio de Janeiro. A partir de 1996 começou a prestar serviço de consultor na área de extração mineral e licenciamento ambiental de minerais não metálicos. Em 2003 especializou-se em Tecnologia e Valorização de Rochas Ornamentais na UFRJ. No ano de 2008, iniciou o doutorado na UFRJ, na área de Geologia do Petróleo, concluindo em 2012, defendendo a tese com tema: “Priorização de portfólio de projetos de exploração de petróleo com restri-ções de recursos financeiros, ambientais e logísticos”. Continua atuando como consultor.

Virgílio José Martins Ferreira Filho Professor Titular da UFRJ (na COPPE e na Escola Politécnica) atuando na Engenharia de Produção e na Engenharia de Petróleo, já orientou mais de 60 teses de doutorado e dissertações de mestrado. Atua no setor de petróleo e gás desde 1983, quando entrou para a Petrobras para cursar especialização em Engenharia de Petróleo (1983). No mestrado e doutorado em Engenharia de Produção pela COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro (1990, 1995) especializou-se a área de Pesquisa Operacional. Tem desde então se dedicado a aplicar a Pesquisa Operacional para abordar problemas do setor petróleo e gás. Membro do comitê científico e diretor da Sociedade Brasileira de Pesquisa Operacional, foi também diretor da Society of Petroleum Engineers – Seção Brasil.

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Sumário

Prefácio ............................................................................................................... VOs Autores .......................................................................................................VII

Capítulo 1 Introdução ..................................................................................11.1. A cadeia produtiva do petróleo .......................................................................51.2. Introdução aos trabalhos em cada capítulo dentro do contexto da cadeia .......81.3. Técnicas de PO utilizadas na indústria do petróleo .......................................111.4. Uma nota ao leitor ........................................................................................14

Capítulo 2 Gerenciamento de Portfólio de Projetos de Exploração de Petróleo ...............................................................................15

Túlio Márcio Aguiar OliveiraCláudio BettiniVirgílio José Martins Ferreira Filho

2.1. Introdução.....................................................................................................152.1.1. Contexto ..........................................................................................152.1.2. Objetivo ...........................................................................................172.1.3. Organização do texto .......................................................................17

2.2. Atividades exploratórias e seus condicionantes ambientais e legais ..............172.2.1. Atividades exploratórias ...................................................................17

2.2.1.1. Atividade de sísmica ........................................................ 172.2.2. Atividade de perfuração ...................................................................182.2.3. Questões ambientais ........................................................................18

2.2.3.1. Legislação ambiental na área petrolífera no Brasil ............ 182.2.3.2. Licenciamento para atividade de sísmica ......................... 192.2.3.3. Licenciamento para perfuração ........................................ 19

2.2.4. Leilões e parâmetros ........................................................................202.3. Modelando a priorização de atividades exploratórias ...................................22

2.3.1. O problema .....................................................................................222.3.2. Determinação das variáveis para o modelo ......................................23

2.3.2.1. O Valor Monetário Esperado (VME) – Valor Presente Líquido (VPL) ............................................ 24

ELSEVIERXVIII Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

2.3.3. Dados relevantes e como adquiri-los ...............................................24

2.3.4. Dados dos editais e questionários ....................................................25

2.3.5. Definição do cronograma com identificação das atividades e interdependências .........................................................................28

2.3.6. Tratamento e análise dos dados .......................................................28

2.3.6.1. Avaliação dos custos de cada atividade ........................... 28

2.3.6.2. Avaliação dos tempos de perfuração ................................ 30

2.4. Exemplos de aplicação .................................................................................32

2.4.1. Caso com uma única sonda .............................................................33

2.4.2. Caso com múltiplas sondas ..............................................................38

2.5. Conclusões....................................................................................................40

Capítulo 3 Previsão de Reservas de Petróleo ...........................................43

Jorge MontechiariGustavo MeloSilvio Hamacher

3.1. Introdução.....................................................................................................43

3.2. Definição do problema .................................................................................44

3.3. Metodologia .................................................................................................48

3.4. Resultados .....................................................................................................52

3.5. Conclusões....................................................................................................56

Capítulo 4 Otimização na Engenharia de Reservatórios .........................59

Alexandre Anozé EmerickDiego Felipe Oliveira

4.1. Introdução.....................................................................................................59

4.2. Ajuste de histórico.........................................................................................60

4.2.1. Formulação do problema de ajuste de histórico ...............................61

4.2.2. Métodos ...........................................................................................62

4.2.3. Exemplo ...........................................................................................64

4.3. Otimização da produção...............................................................................68

4.3.1. Formulação do problema de otimização da produção .....................69

4.3.2. Métodos ...........................................................................................70

4.3.3. Exemplo ...........................................................................................72

4.4. Visão de futuro: o gerenciamento de reservatórios em malha fechada ...........74

4.5. Conclusões....................................................................................................75

Sumário XIX

Capítulo 5 Otimização Integrada da Produção .......................................77

Alex Furtado Teixeira

5.1. Introdução.....................................................................................................77

5.2. Modelo de otimização ..................................................................................81

5.3. Algoritmo de otimização ...............................................................................83

5.4. Ciclo de otimização ......................................................................................85

5.5. Sistema de suporte à decisão .........................................................................86

5.6. Resultados .....................................................................................................89

5.7. Conclusões....................................................................................................93

Capítulo 6 Construção de Poços Marítimos .............................................95

Ricardo de Melo e Silva AcciolyRafael de Olivaes Valle dos Santos

6.1. Introdução.....................................................................................................95

6.2. Definição do problema .................................................................................99

6.3. Metodologia ..................................................................................................99

6.3.1. Coleta de dados .............................................................................100

6.3.2. Saneamento dos dados...................................................................101

6.3.3. Regressão linear e ANOVA ............................................................101

6.3.4. Diagnósticos de regressão ..............................................................102

6.4. Resultados ...................................................................................................103

6.4.1. Ambiente computacional ..............................................................104

6.4.2. Análise de resultados .....................................................................104

6.4.3. Benchmarking ................................................................................106

6.5. Conclusões..................................................................................................108

Capítulo 7 Programação de Operações em Poços de Petróleo com Restrição de Recurso e Gerenciamento de Risco ...............109

Ricardo Vitor J.C. VasconcellosVirgílio José Martins Ferreira Filho

7.1. Introdução...................................................................................................109

7.2. Definição do problema ...............................................................................110

7.2.1. O problema de scheduling de projetos com restrições de recursos ......110

7.2.2. O problema de programação de operações em poços para produção de petróleo .............................................................111

ELSEVIERXX Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

7.3. Abordagem de solução................................................................................113

7.3.1. Formulação matemática do problema ............................................113

7.3.2. Modelo de algoritmos genéticos.....................................................115

7.3.3. Abordando as incertezas do problema ...........................................120

7.4. Resultados ...................................................................................................121

7.4.1. Análise dos resultados determinísticos ...........................................121

7.4.2. Resultados considerando incertezas ...............................................123

7.5. Conclusões..................................................................................................124

Capítulo 8 Planejamento e Programação de Sondas ............................127

Hugo Vinícius BassiVirgílio José Martins Ferreira FilhoLaura Bahiense

8.1. Introdução...................................................................................................127


8.3. Metodologia ................................................................................................132

8.3.1. Simulação de dados .......................................................................133

8.3.2. Heurística Construtiva ....................................................................134

8.3.3. GRASP ...........................................................................................136

8.4. Resultados ...................................................................................................138

8.4.1. Dados experimentais ......................................................................138

8.4.2. Dimensionamento da frota de sondas ............................................139

8.4.3. Simulação-Otimização ...................................................................140

8.5. Conclusões..................................................................................................143

Capítulo 9 Planejamento de Rede Logística de Transporte Aéreo de Passageiros Offshore ........................................................145

Nathália da Silva Sena HermetoVirgílio José Martins Ferreira FilhoLaura BahienseThyago Silva Hermeto

9.1. Introdução...................................................................................................145

9.2. Planejamento de transporte de pessoas offshore ..........................................146

9.2.1. O sistema logístico .........................................................................146

9.2.1.1. Aeródromos ................................................................... 147

9.2.1.2. Unidades marítimas ....................................................... 148

9.2.1.3. Helicópteros................................................................... 149

Sumário XXI

9.2.2. Níveis de planejamento logístico de transporte marítimo de pessoas......................................................................................150

9.3. Modelo de planejamento da rede logística ..................................................151

9.3.1. Modelo conceitual .........................................................................152

9.3.2. Modelagem matemática .................................................................152

9.3.2.1. Notações ........................................................................ 152

9.3.2.2. Modelagem matemática ................................................. 154

9.3.3. Pré-processamento .........................................................................155

9.3.4. Estudo de caso ...............................................................................156

9.3.4.1. Demanda ....................................................................... 157

9.3.4.2. Aeródromos ................................................................... 157

9.3.4.3. Helicópteros................................................................... 158

9.3.4.4. Cenários ......................................................................... 158

9.3.4.5. Ambiente computacional .............................................. 160

9.4. Resultados ...................................................................................................160

9.4.1. Provando a viabilidade do modelo.................................................160

9.4.2. Avaliação da evolução do perfil da frota ........................................161

9.4.3. Avaliação de configuração de rede ................................................162

9.4.4. Avaliação da evolução da produtividade da frota...........................163

9.4.5. Análise de sensibilidade1: quantidade de aeródromos abertos .......164

9.4.6. Análise de sensibilidade 2: capacidade, custos operacionais e investimentos nos aeródromos .......................................................165

9.4.7. Análise de sensibilidade 3: variação de demanda ..........................166

9.5. Conclusões..................................................................................................166

Capítulo 10 A Gestão do Ciclo de Vida Aplicada às Operações de Perfuração Offshore ..............................................................169

Paulo Roberto dos Santos CarvalhoVirgílio José Martins Ferreira Filho

10.1. Introdução...................................................................................................169

10.1.1. Objetivo geral ................................................................................173

10.1.2. Objetivos específicos .....................................................................173

10.1.3. Motivação do estudo......................................................................173


10.3. Metodologia/modelo/estratégia de solução..................................................175

10.3.1. Formulação ....................................................................................175

10.3.1.1. Conjuntos ...................................................................... 175

ELSEVIERXXII Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

10.3.1.2. Parâmetros ..................................................................... 176

10.3.1.3. Variáveis de decisão....................................................... 178

10.3.1.4. Formulação matemática ................................................. 178

10.4. Resultados ...................................................................................................179



10.5. Conclusões..................................................................................................183

Capítulo 11 Sistemas de Decisão para Programação de Navios ............185

Gustavo DizSilvio Hamacher

11.1. Introdução...................................................................................................185

11.2. A indústria de shipping e o transporte marítimo ..........................................186

11.2.1. Conceitos básicos sobre a indústria de shipping .............................187

11.2.2. Afretamento de navios ...................................................................188

11.2.2.1. Afretamento por viagem ................................................. 188

11.2.2.2. Afretamento por tempo .................................................. 189

11.2.2.3. Afretamento a casco nu .................................................. 189

11.2.3. Tipos de navios-tanque ..................................................................190

11.3. Problemas de programação de navios na indústria de petróleo e gás...........192

11.3.1. Programação de navios ..................................................................192

11.3.2. Formulação programação de navios...............................................194

11.3.3. Maritime Inventory Routing ............................................................195

11.3.4. Formulação MIR ............................................................................197

11.4. Conclusão ...................................................................................................201

Capítulo 12 Programação Não Linear Inteira Mista para Planejamento de Refinarias ...................................................203

Ormeu CoelhoLaura BahienseVirgílio José Martins Ferreira Filho

12.1. Introdução...................................................................................................203


12.3. Metodologia ...............................................................................................210

12.3.1. Formulação ....................................................................................210

12.4. Experimentos ..............................................................................................217

Sumário XXIII


12.4.2. Ilustração .......................................................................................218


12.5. Conclusões..................................................................................................221

Capítulo 13 Planejamento Operacional de Refinarias sob Incerteza ....223

Gabriela RibasSilvio Hamacher

13.1. Introdução...................................................................................................223


13.3. Otimização sob incerteza............................................................................226

13.3.1. Modelo estocástico de dois estágios ...............................................226

13.3.2. Medidas de comparação entre modelos determinísticos e estocásticos .................................................................................227

13.3.3. Método de geração de cenários .....................................................228

13.3.4. Modelo de planejamento operacional para refinarias .....................230

13.3.5. Árvore de cenários .........................................................................235

13.4. Resultados ...................................................................................................236



13.5. Conclusões..................................................................................................238

Capítulo 14 Programação da Produção de Refinarias Utilizando Programação Matemática e Algoritmos Genéticos ............239

Fabricio OliveiraSilvio Hamacher

14.1. Introdução...................................................................................................239


14.3. Modelo matemático ....................................................................................242

14.3.1. Formulação matemática .................................................................244

14.4. Abordagem via algoritmos genéticos ...........................................................248

14.4.1. Representação ................................................................................248

14.4.2. Avaliação dos indivíduos e a técnica de avaliação multiobjetivo ...250

14.5. Resultados ...................................................................................................251

14.5.1. Dados de entrada ..........................................................................251

14.5.2. Resultados obtidos via programação matemática ...........................253

ELSEVIERXXIV Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

14.5.3. Resultados obtidos via algoritmo genético......................................254

14.5.4. Comparação dos resultados ...........................................................256

14.6. Conclusões..................................................................................................257

Capítulo 15 Simulação de Refinarias .........................................................259

Daniel Barry FullerVirgílio José Martins Ferreira FilhoEdilson Fernandes de ArrudaCláudio Duarte P. Limoeiro

15.1. Introdução...................................................................................................259


15.3. Regras e elementos do modelo ....................................................................262

15.3.1. Produtos.........................................................................................263

15.3.2. Tanques .........................................................................................263

15.3.3. Recursos ........................................................................................265

15.3.4. Operações .....................................................................................266

15.3.4.1. Transferência S → D ...................................................... 268

15.3.4.2. Separação 1 → D ........................................................... 268

15.3.4.3. Mistura S → 1 ................................................................ 268

15.3.4.4. Conversão 1 → 1 ........................................................... 268

15.3.4.5. Demanda 1 → Ø ............................................................ 268

15.3.4.6. Recebimento Ø → 1 ...................................................... 269

15.3.4.7. Oferta Ø → D ................................................................ 269

15.3.5. Eventos e disparadores ...................................................................269

15.3.6. Priorização de operações ...............................................................270

15.4. Resultados da simulação .............................................................................270

15.4.1. Tanques .........................................................................................270

15.4.2. Recursos ........................................................................................272

15.4.3. Operações .....................................................................................272

15.4.4. Análise dos resultados da simulação ..............................................272

15.4.5. Aplicação do modelo .....................................................................274

15.5. Conclusão ...................................................................................................277

Sumário XXV

Capítulo 16 Gerenciamento da Cadeia de Distribuição de Derivados de Petróleo sob Incerteza .....................................................279

Fabricio OliveiraSilvio Hamacher

16.1. Introdução...................................................................................................279


16.3. Modelo matemático ....................................................................................283

16.3.1. Notação .........................................................................................283

16.3.2. Problema de primeiro estágio .........................................................285

16.3.3. Problema de segundo estágio .........................................................286

16.4. Geração de cenários e saa...........................................................................289

16.5. Estudo de caso ............................................................................................291

16.6. Resultados ...................................................................................................294

16.7. Conclusões..................................................................................................297

Capítulo 17 Projeto de Redes de Dutos ...................................................299

Gustavo Dias da SilvaLaura BahienseVirgílio José Martins Ferreira Filho

17.1. Introdução...................................................................................................299


17.2.1. Revisão bibliográfica ......................................................................300

17.2.2. O PRD estudado ............................................................................302

17.2.3. Modelagem matemática .................................................................302

17.2.3.1. Considerações gerais ...................................................... 303

17.2.3.2. Formulação principal ..................................................... 303

17.2.3.3. Formulações alternativas ................................................ 305

17.3. Estratégias de solução..................................................................................307

17.3.1. Considerações gerais......................................................................307

17.3.2. Heurísticas .....................................................................................308

17.3.2.1. Heurística PRDH1 ............................................................ 308

17.3.2.2. Heurística PRDH2 ............................................................ 309

17.3.3. Exatas .............................................................................................309

17.3.3.1. Algoritmo OA................................................................. 309

17.3.3.2. Características das formulações ..................................... 310

17.3.3.3. Comportamento do algoritmo ........................................ 310

ELSEVIERXXVI Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

17.4. Resultados ...................................................................................................311

17.4.1. Casos de teste ...............................................................................312



17.5. Conclusões..................................................................................................315

Capítulo 18 Programação Dutoviária ........................................................317

Paulo Cesar RibasLúcia Valéria Ramos de ArrudaLeandro Magatão

18.1. Introdução...................................................................................................317

18.1.1. Objetivos .......................................................................................319


18.2.1. Restrições operacionais ..................................................................321

18.3. Estratégia de solução ...................................................................................325

18.3.1. Modelo de otimização de curto prazo............................................326

18.3.1.1. Pré e Pós-processamentos............................................... 327

18.3.1.2. Modelo matemático ....................................................... 327

18.4. Resultados ...................................................................................................329

18.5. Conclusões..................................................................................................330

Capítulo 19 Otimização da Programação de Transferência em Redes de Dutos ................................................................333

Erito Marques de Souza FilhoVirgilio José Martins Ferreira FilhoLaura Bahiense

19.1. Introdução...................................................................................................333


19.2.1. Hipóteses operacionais .................................................................336

19.2.2. Hipóteses de modelagem ...............................................................337

19.3. Modelo esquemático e notação utilizada ....................................................338

19.4. Experimentos computacionais .....................................................................344

19.5. Conclusões..................................................................................................348

Sumário XXVII

Capítulo 20 Planejamento da Logística e Comercialização de Gás Natural .............................................................................351

Leonardo de Almeida Matos MoraesCarolina Cerqueira Le Brun de VielmondFlávia Schittine CamposSergio Vitor de Barros BrunoLarissa Figueiredo Terra de Faria

20.1. Introdução...................................................................................................351

20.2. Descrição do problema ...............................................................................355

20.2.1. O mercado de gás Natural .............................................................355

20.2.2. O mercado de geração de energia .................................................356

20.3. Cadeia de modelos de otimização em gás e energia....................................358

20.3.1. Planejamento de investimentos em nível estratégico ......................358

20.3.2. Planejamento da alocação de gás e energia em nível tático ...........361

20.3.3. Modelo da alocação de gás e energia em nível operacional...........364

20.4. Conclusões e desafios futuros ......................................................................365

Capítulo 21 Projeto da Cadeia de Biodiesel .............................................367

Raphael Riemke de C. C. LeãoSilvio Hamacher

21.1. Introdução...................................................................................................367


21.3. Estratégia de solução ...................................................................................372

21.3.1. Formulação ....................................................................................375

21.4. Resultados ...................................................................................................378

21.4.1. Ambiente computacional ...............................................................380


21.5. Conclusões..................................................................................................382

Referências ......................................................................................................385

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1

Capítulo 1

Introdução

O petróleo é o principal produto comercializado no mercado internacional, atenden-do a uma grande parcela das necessidades energéticas globais. Isso significa dizer que, no atual padrão tecnológico, em que a energia fóssil é a força motriz tanto na produção quanto na comercialização de qualquer produto, o petróleo é um dos elementos-chave da economia mundial.

O cenário atual do petróleo no mundo é marcado por uma mudança de parâmetros que afeta todas as fases de sua cadeia produtiva, seus derivados e também a relação com seu mercado consumidor. Nos últimos tempos, a matriz energética mundial, predominantemente dependente da utilização do petróleo e do gás natural, vivencia uma diminuição evidente das reservas de óleo mais acessíveis, que marcaram o boom do petróleo no início do século XX. Ao longo dos próximos anos, se poderá observar uma pequena diminuição da importância relativa do petróleo, mas ele continuará a ser o principal insumo energético do mundo. No entanto, o planeta ainda está repleto de reservas petrolíferas não exploradas, suficientes para abastecer a demanda mundial por muitos anos, porém estas são de difícil produção. Esse petróleo de difícil exploração é caracterizado pela alta necessidade de tecnologia avançada, o que implica maiores custos de exploração, extração e refino.

Atualmente, as reservas provadas de petróleo no mundo, ou seja, aquelas que, com base na análise de dados geológicos e de engenharia, se estima recuperar comercialmente de reservatórios descobertos e avaliados com elevado grau de certeza, compreendem aproximadamente 1,65 trilhão de barris (EIA, 2013).

O consumo mundial de petróleo passou de 79,2 milhões de barris diários, em 2003, para 91,3 milhões de barris diários em 2013, representando, assim, um aumento de 10,8% em dez anos (EIA, 2013). Com a ampliação acelerada das necessidades de petróleo da China e da Índia, e com o desenvolvimento dos países em geral, espera-se um aumento ainda mais acentuado da demanda de petróleo para os próximos anos (vide Figura 1.1 e Tabela 1.1). Como o petróleo é um bem finito, a velocidade de esgotamento em breve ultrapassará a velocidade com que novas reservas possam ser descobertas.

ELSEVIER2 Aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

FIGURA 1.1 – Consumo total de energia por insumo (1012 BTU).1

Fonte: EIA, 2013.

Tabela 1.1 – Consumo percentual de energia por insumo

Insumo 2010 2040

Óleo 33,6% 28,4%

Gás Natural 22,3% 23,3%

Carvão 28,1% 26,8%

Nuclear 5,2% 7,0%

Outras 10,8% 14,5%

Total 100% 100%

Fonte: EIA, 2013.

A fim de sustentar a demanda mundial por hidrocarbonetos, as empresas petrolíferas são obrigadas a atingir reservatórios cada vez mais profundos, obrigando a utilização de recursos cada vez mais caros e refinados, como aluguel de plataformas de perfuração que atingem profundidades até alguns anos impensáveis, operações em lâmina d’água muito alta, contratos de serviços de operações específicos, entre outros. Para fazer face a essas questões, as empresas focam em maior eficiência nas operações como um todo e em in-vestimentos em inovações tecnológicas.

1 BTU (de unidades térmicas britânicas) é usualmente adotado como uma medida de energia proveniente de dife-rentes fontes. 1.1015 BTUs é equivalente a 172.106 barris de petróleo.

Introdução Capítulo | 1 3

Neste contexto, a eficiência nas operações de exploração e produção de óleo e gás é um tema recorrente e que vem ganhando espaço maior nos últimos anos. A preocupação ambiental aliada ao combate desperdício de dinheiro causado por falhas operacionais ou logísticas representam dois dos principais temas que precisam ser muito bem trabalhados na gestão de operações na indústria de petróleo.

No caso da indústria brasileira de petróleo e gás natural, mudanças fundamentais foram introduzidas pela Lei do Petróleo (Lei no 9.478 de 1997), que flexibilizou o monopólio da Petrobras na exploração, produção, importação e transporte de petróleo e gás natural. A abertura da exploração e produção no Brasil representou uma nova era para a indústria nacional de petróleo e gás. Novos segmentos de negócios foram criados e, por consequência, passou a existir uma grande demanda por informações isentas e de qualidade, bem como por sistemas de apoio à decisão de que se utilizem destas informações para responder a questões relevantes para as companhias petrolíferas, para as companhias fornecedoras de bens e serviços ligadas à cadeia de suprimento do petróleo e do gás natural e também para o governo e para a Agência Nacional do Petróleo (ANP).

As descobertas de grandes reservas nas camadas de pré-sal alteram significativamente o ambiente de produção de petróleo, bem como de toda a cadeia envolvida nessas atividades. Os volumes previstos (vide Figura 1.2) demandam e justificam o desenvolvimento de novos métodos e tecnologias para sua extração, bem como geram escala para instalação no Brasil de novas indústrias de bens e serviços. Do ponto de vista do ambiente legal, passaram a coexistir três regimes regulatórios: Concessão, Cessão Onerosa e Partilha da Produção, o que exigirá das companhias um maior rigor na tomada de decisão e na alocação de recursos.

FIGURA 1.2 – Crescimento da produção de óleo, LGN e gás natural da Petrobras no Brasil.Fonte: Petrobras: PNG 2014-2018.


Com isso, instala-se um ambiente que demanda maior eficiência operacional e, por-tanto, propício ao desenvolvimento e à aplicação de técnicas e metodologias em busca da racionalização do uso de recursos. A indústria do petróleo, particularmente, encontra fortes motivadores para dedicar esforços a essa busca. Marcada por grandes escalas de produção, essa indústria exige uma grande quantidade de recursos mobilizados, apresentando, com isso, um altíssimo nível de complexidade operacional relacionada aos seus vários processos. Além disso, justamente pelas grandes escalas envolvidas, mesmo a introdução de peque-nas melhorias nos processos pode traduzir-se em ganhos bastante relevantes na operação como um todo. Outra característica importante da indústria do petróleo é a intensidade de investimentos e a magnitude dos custos incorridos nas fases iniciais dos projetos, re-ferentes às fases de exploração, avaliação e desenvolvimento de um campo. Nessas fases, tecnologias extremamente caras e complexas são utilizadas e um tempo significativo é gasto, fazendo com que os retornos obtidos com a produção e comercialização do óleo sejam postergados. Assim, torna-se grande o impacto que os ganhos de eficiência nas fases iniciais, como a perfuração de poços, podem causar na rentabilidade dos projetos. As descobertas de grandes reservas nas camadas de pré-sal também afetam a cadeia do petróleo em várias dimensões: do ponto de vista da rede logística vinculada à exploração e produção desse petróleo, situado mais longe da costa, em profundidades maiores e em locais sem infraestrutura implantada, novos e desafiantes problemas se colocam, quais se-jam a existência de restrições mais fortes, a necessidade de tratar o problema em diferentes níveis hierárquicos e em diferentes tempos de implantação, além da maior necessidade de se considerar os riscos e incertezas na abordagem dos problemas e na tomada de decisão. A capacidade de refino brasileiro também deve ser expandida, bem como toda a rede de suprimento de petróleo e distribuição de derivados, como bases de distribuição, tanques de armazenagem, terminais marítimos, dutos e polidutos.

Ao desafio de explorar, refinar e distribuir o petróleo e derivados oriundos do pré--sal, soma-se a necessidade de derivados menos poluentes e com uma parcela oriunda de energia renovável. Essa necessidade traduz-se em especificações mais rigorosas dos deri-vados, que impactam a configuração e a operação das refinarias e também pelo aumento da participação dos biocombustíveis, como etanol e biodiesel.

É no contexto da situação descrita nos parágrafos anteriores que se insere este livro, que visa apresentar aos leitores como as diversas aplicações de Pesquisa Operacional podem auxiliar na resolução dos desafios identificados na indústria de petróleo. Essas aplicações abrangem todos os segmentos da cadeia de petróleo, desde a exploração, construção de poços, operações de produção de petróleo, transferência, abastecimento e refino até a distribuição de derivados. Diversas técnicas de pesquisa operacional são também ilustra-das, tais como Teoria da Decisão, Métodos Estatísticos, Simulação, Programação Linear, Programação Inteira, Programação Não Linear, Programação Estocástica, Heurísticas e Meta-heurísticas.


Este livro consiste numa coleção de artigos descrevendo como a Pesquisa Operacional pode ser usada na modelagem e solução de problemas da Indústria do Petróleo. O livro contém muitos exemplos de aplicações reais, a maioria delas implementadas no Brasil.

A obra se destina tanto aos profissionais envolvidos na cadeia de petróleo, como enge-nheiros de petróleo, economistas de petróleo, engenheiros de produção, geólogos, admi-nistradores etc. como a professores, pesquisadores e estudantes nas áreas de engenharia, computação, matemática, dentre outros. O foco do livro é mostrar como as técnicas de Pesquisa Operacional podem ser efetivas na resolução eficiente e eficaz de problemas reais. Ao leitor interessado em conhecer maiores informações, em cada capítulo é elencada uma lista de leituras adicionais, que permitirão aprofundar o tema tanto do ponto de vista da aplicação como da técnica aplicada.

1.1. A CADEIA PRODUTIVA DO PETRÓLEO

O estudo da cadeia do petróleo é extremamente peculiar devido a sua dimensão e complexidade, mas também pelas características econômicas, físicas e técnicas do petróleo, que se refletem em uma forma organizacional estruturada por diferentes segmentos de atividade em uma cadeia integrada verticalmente. Essa forma organizacional proporciona a distribuição de riscos e custos entre os seus vários segmentos e a redução da relação risco/custo médio, permitindo assim a compensação de eventuais diferenciais de custos e o aumento dos ganhos ao longo dos segmentos da indústria.

Tais segmentos são tradicionalmente classificados como: upstream (o segmento extra-tivista), relacionado às atividades de exploração e produção de petróleo e gás natural, e downstream (o segmento industrial), que compreende as atividades de refino, transporte e a importação e exportação de gás natural, petróleo e seus derivados e a distribuição e revenda de derivados. Outros autores, porém, têm utilizado o termo midstream para o refino, transporte e importação de petróleo, ficando o termo downstream restrito às etapas de distribuição e revenda de derivados. As Figuras 1.3 e 1.4 ilustram a cadeia do petróleo com suas segmentações e principais elementos.

FIGURA 1.3 – Cadeia de valor da indústria do petróleo.


FIGURA 1.4 – Os principais elementos da cadeia do petróleo.

Recentemente, o gás natural, que tradicionalmente era considerado de forma conjunta com o petróleo, vem ganhando importância e merecendo um tratamento à parte, particu-larmente nos segmentos ligados ao seu transporte, distribuição e uso. As fontes de energia renováveis, em especial aquelas ligadas aos biocombustíveis, também têm crescido em importância. Ao longo deste livro usaremos a seguinte segmentação:

Exploração e Produção (E&P):Abrange as operações que vão desde a prospecção para identificação de jazidas de óleo até o seu processamento primário para separar o petróleo do gás natural e de impurezas. Compreende tam-bém o armazenamento do petróleo antes de ser transferido para as refinarias. Engloba as atividades de exploração, perfuração de poços e produção.

Abastecimento e Refino (A&R): Consiste no conjunto de operações de obtenção das matérias-primas (diversos tipos de petróleo), seja de fontes internas à companhia, seja por compra, e de refino, em que esses petróleos são transformados em produtos derivados com propriedades bem caracterizadas e adequados a finali-dades específicas (gasolina, diesel, GLP, querosene, entre outros). Compreende, basicamente, as atividades de compra e venda de petróleo, seu transporte, armazenamento e refino.

Transporte e Distribuição (T&D): Ocupa-se das tarefas logísticas necessárias para transportar os produtos desde a refinaria até os clientes finais, levando em conta fatores como a rapidez na entrega do produto ao cliente, o tipo de produto transportado e a característica do transporte a ser utilizado em função das particulari-dades da carga, que muitas vezes envolve o manuseio de produtos perigosos e inflamáveis. Os produtos derivados do petróleo, como a gasolina e o óleo diesel, ao saírem da refinaria produ-tora, fluem através de um “canal de distribuição” que envolve bases primárias e secundárias de armazenamento, até chegarem aos postos de serviço. Compreende as atividades de transporte, distribuição e comercialização.


Gás Natural e Energias Renováveis (G & E): Neste segmento são agrupadas as atividades relacionadas ao suprimento e à distribuição do gás natural e das fontes de energia renováveis, principalmente os biocombustíveis. Na cadeia de gás natural, são consideradas as atividades desde a sua produção até a entrega a clientes, além da atividade de geração de energia elétrica. Não são consideradas as atividades de exploração devido ao fato de, normalmente, a exploração de gás ser vista como consequência do processo de explo-ração de petróleo. A cadeia de biocombustíveis tem características bem diferentes da cadeia de petróleo nos segmentos upstream, contudo, nos segmentos mais próximos aos clientes finais, elas se interligam. Nessa cadeia é essencial que se assegurem condições eficientes de produção, trans-porte e beneficiamento de matérias-primas. Para tal, é importante que se considerem de forma associada parâmetros agrícolas, industriais e logísticos.

A Figura 1.5 apresenta os investimentos previstos pela Petrobras no Plano de Negócios 2014-2018. Destacam-se os investimentos em Exploração e Produção (E&P), seguidos pelo Abastecimento, que engloba as atividades de refino e transporte. Cabe destacar que esses investimentos representam mais da metade de todos os investimentos industriais do Brasil, o que demonstra a importância dessa cadeia.

FIGURA 1.5 – Investimentos da Petrobras por segmento.Fonte: Petrobras: PNG 2014-2018.

O Quadro 1.1, a seguir, relaciona os capítulos deste livro com os segmentos anterior-mente definidos.


Quadro 1.1 – Distribuição dos capítulos por segmento

Segmento Área Capítulo

Exploração e Produção

Exploração 2

Reservas 3

Reservatórios 4

Elevação e Escoamento 5

Construção de Poços 6

Sondas 7

Sondas 8

Logística de E&P 9

Meio Ambiente 10

Abastecimento e Refino

Programação de Navios 11

Planejamento 12

Planejamento 13

Programação 14

Projeto 15

Transporte e Distribuição

Cadeia de Suprimentos 16

Projeto de Redes 17

Programação de Dutos 18

Programação de Dutos 19

Energias Renováveis e Gás Natural

Gás Natural 20

Biodiesel 21

1.2. INTRODUÇÃO AOS TRABALHOS EM CADA CAPÍTULO DENTRO DO CONTEXTO DA CADEIA

Os dois primeiros capítulos do livro, após esta introdução, se ambientam no segmento de Exploração. No capítulo 2, Oliveira, Bettini e Ferreira Filho tratam da questão de ge-renciar um portfólio de projetos de exploração. As principais atividades são descritas e os parâmetros característicos são apresentados. A questão principal é planejar a sequência de atividades exploratórias em um conjunto de prospectos levando em conta aspectos críticos, tais como: tempo da emissão das licenças e os tempos de perfuração. Na sequên-cia, Montechiari, Melo e Hamacher tratam do importante problema de prever como será o processo de evolução do volume de reservas provadas de óleo e gás de uma companhia petrolífera, um dos principais responsáveis pela atração de investimentos e pela valoração da empresa perante o mercado mundial. A metodologia desenvolvida considera a chance de haver novas descobertas de reservas e o conhecimento obtido com o tempo de explo-ração. Previsões de curto prazo (até 5 anos) e longo prazo (mais de 50 anos) do volume de reservas foram realizadas com os dados brasileiros.


Os capítulos 3 e 4 já se ambientam no segmento de Produção e tratam, respectiva-mente, da otimização da produção de longo prazo (no reservatório) e de curto prazo (nas unidades de produção). No capítulo 3, Emerick e Oliveira discutem aplicações de técnicas de otimização na área de Engenharia de Reservatório. São focadas duas categorias principias de modelos: ajuste de histórico e otimização da produção. Ao final do capítulo é apresentada uma discussão sobre uma visão de futuro na qual é introduzido o conceito do gerenciamento de reservatórios em malha fechada. Na sequência Teixeira apresenta um sistema de suporte à decisão, baseado em otimização matemática, desenvolvido para auxiliar os engenheiros e operadores no processo de otimização de produção. Dois estudos de caso são apresentados. Num deles, o uso do sistema resultou num aumento de cerca de 1,18% na vazão total de óleo produzido pela plataforma.

A construção de poços, nos últimos anos, tem representado mais de 50% do investi-mento nos projetos de produção de petróleo no mar. As sondas são o principal equipa-mento usado na construção e também responsáveis pela maior parte desses custos. Esses tópicos são o objeto dos três próximos capítulos. Accioly e Santos, no capítulo 6, estão preocupados em buscar referenciais de desempenho que permitam avaliar se o projeto e a execução de um poço são competitivos ou não. Esses referenciais devem ser criados a partir de uma base de dados de poços construídos, preferencialmente com poços de diversas empresas, de forma a se ter uma base de comparação ampla. No capítulo 7, Vasconcellos e Ferreira Filho apresentam o problema de programação de um conjunto de operações a serem realizadas em poços de petróleo por um conjunto de equipamentos com baixa disponibilidade, também chamados de recursos críticos. A aplicabilidade do método é demonstrada em um caso relativo ao desenvolvimento da produção, com 33 poços de um mesmo campo, desde a perfuração até a completação, de forma que os poços entrem em produção no menor tempo possível (minimização do makespan). Bassi, Ferreira Filho e Bahiense, no capítulo 8, tratam do problema de planejamento e programação de sondas. Para resolver o problema, foi desenvolvido um método de Simulação-Otimização capaz de gerar “soluções esperadas”, em que cada solução fornece os itinerários que as sondas devem percorrer ao longo dos poços, tendo como objetivo o aumento da produção esperada e a redução nos custos de transporte. O método também possibilita dimensionar o tamanho ideal para a frota de sondas e calcular medidas de desempenho para elas, além de apurar as probabilidades de alocação dos poços às sondas.

Os capítulos 9 e 10 finalizam os capítulos relativos ao E&P tratando de questões logísti-cas. Hermeto, Ferreira Filho, Bahiense e Hermeto, no capítulo 9, apresentam o planejamento da logística de transporte aéreo offshore realizado por meio de um modelo de otimização, bem como as variáveis que compõem o sistema. O modelo de otimização apresentado tem com objetivo suportar os gestores na elaboração do planejamento de infraestrutura e recursos logísticos. Tais decisões envolvem localização de aeroportos, distribuição de demanda entre aeroportos e perfil de frota. A logística reversa é o objeto do capítulo 10. Aqui, Carvalho e Ferreira Filho apresentam um modelo para apoio à decisão sobre o


melhor destino final para resíduos de operações de perfuração de poços. Diferentemente do processo decisório convencional, baseado somente no custo financeiro da destinação dos resíduos, a abordagem desenvolvida, colocada dentro de uma pera de Gestão de Ciclo de Vida, propõe considerar também a inclusão do aspecto de sustentabilidade ambiental, medida pela quantidade de CO2 equivalente gerado.

O segmento de Abastecimento e Refino é o objeto dos capítulos 11 a 15. Iniciando pelo transporte marítimo de petróleo, no capítulo 11, no qual Diz e Hamacher apresentam alguns problemas de programação de navios para transporte de petróleo e derivados e como esses problemas vêm sendo abordados pela academia e pela indústria. Eles mostram também alguns casos de sucesso referentes à aplicação de técnicas de pesquisa operacional para apoiar a decisão de programação de navios de petróleo e gás. O planejamento do refino compreende decisões que vão desde a seleção dos petróleos até a especificação dos deriva-dos. Sua complexidade reside no grande número de informações a serem modeladas, que frequentemente tomam a forma de variáveis inteiras ou de restrições não lineares, além de serem muitas vezes incertas. No capítulo 12 Coelho, Bahiense e Ferreira Filho apresentam um modelo de Programação Não Linear Inteira Mista (PNLIM) para planejar, no curto prazo, a operação de uma refinaria. O modelo, determinístico e dinâmico, planeja os fluxos de petróleo e derivados que circulam entre as unidades, suas propriedades físico-químicas e as condições operacionais das unidades de conversão. Também inclui decisões discretas acerca da alocação de campanhas às unidades de processamento e do uso de lotes adicio-nais de petróleo e outros insumos. Ribas e Hamacher, no capítulo seguinte, discutem uma abordagem estocástica para o problema.

No planejamento operacional do refino, Oliveira e Hamacher, no capítulo 14, abordam o problema da programação de operações em refinarias. Tal problema consiste em definir o sequenciamento e instante de realização de cada atividade relacionada com o refino de petróleo e produção de derivados. O sistema em consideração pode ser definido como um sistema multiproduto de três estágios em série, os quais são compostos por tanques, unidades de produção e unidades de mistura (mixers). Tal sistema se encontra sujeito a restrições operacionais e de disponibilidade de recursos, além de operar de forma con-tínua. O objetivo principal do modelo é atender a demanda prevista para os derivados produzidos, observando as restrições operacionais da refinaria e minimizando o número de trocas operacionais durante o horizonte de programação. Fuller, Ferreira Filho, Arruda e Limoeiro abordam, no capítulo 15, a questão da construção de simuladores para refina-rias. Os autores propõe um modelo constituído por elementos básicos padronizados que podem ser combinados para construir simuladores para diferentes processos de refinarias. Complementarmente, também se discute a análise de resultados de simulação de refinarias.

Nos capítulos 16 a 19, são abordados problemas relativos ao processo de distribuição de derivados de petróleo. No capítulo 16, Oliveira e Hamacher abordam o problema de planejamento de investimento para a cadeia de distribuição de derivados sob incerteza na demanda. Para tal, são formulados e resolvidos modelos de programação estocástica que buscam representar de forma precisa às particularidades inerentes ao planejamento de investimentos em infraestrutura logística para distribuição de petróleo.


Redes de dutos são a preocupação dos capítulos seguintes. Dias, Bahiense e Ferreira Filho apresentam, no capítulo 17, ferramentas computacionais para dar suporte ao pro-cesso de avaliação técnico-econômico da construção de redes de dutos para transporte de combustíveis. O caráter combinatório do problema de projeto de redes aliado ao caráter não linear das equações de energia que regem os escoamentos em dutos conduz a modelos de Programação Não Linear Inteira Mista (PNLIM). Ribas, Arruda e Magatão descrevem, no capítulo 18, um modelo de apoio à tomada de decisão de atividades de programação em um sistema de dutos sequenciais, com uma origem e vários destinos; as características do problema real de programação para esse tipo de sistema de dutos sequenciais, bem como os resultados computacionais da aplicação desse modelo a cenários reais. Na sequência, Souza Filho, Ferreira Filho e Bahiense generalizam o problema para a programação de uma malha de dutos. A atividade consiste em determinar quando qual quantidade (ba-telada) de qual produto será bombeada de cada área operacional para seus respectivos destinos. A metodologia desenvolvida inclui uma abordagem de discretização dos dutos e do horizonte de planejamento.

Fechando o livro, dois capítulos tratam das questões relativas a Gás Natural e Biocom-bustíveis. No capítulo 20, Moraes, Vielmond, Campos e Bruno apresentam uma cadeia de modelos aplicados ao planejamento da logística e da comercialização de gás natural para uma empresa integrada, i.e., responsável pelas atividades na cadeia de suprimento de gás natural, desde a sua produção até a entrega dessa commodity a clientes, além da atividade de geração de energia elétrica. São descritos modelos que podem ser utilizados neste processo de planejamento, as técnicas utilizadas para sua solução e a troca de dados entre eles, o que permite que todo o processo seja integrado. Por fim, são apontados os principais desafios ainda encontrados nesse tipo de estudo.

Leão e Hamacher finalizam o livro apresentando uma análise integrada da cadeia de suprimento de óleos vegetais para produção de biodiesel com base na produção de agricul-tores familiares, considerando produção, transporte e esmagamento de grãos e transporte de óleos vegetais até as unidades produtoras de biodiesel. Uma aplicação do modelo na cadeia de suprimento para produção de biodiesel a partir de óleo de mamona na região semiárida é também apresentada.

1.3. TÉCNICAS DE PO UTILIZADAS NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO

As aplicações de PO na indústria do petróleo remontam ao início da história da própria PO. Já em 1955 foram publicados os primeiros artigos relatando usos de PO na indústria de petróleo. Desde então, o número de trabalhos que mostram a aplicação de PO é crescente. A Figura 1.6 mostra, ainda que só para as referências citadas neste livro, a evolução ao longo do tempo do número de publicações envolvendo PO e petróleo. Por outro lado, a Figura 1.7 ilustra, também para as referências citadas neste livro, as principais revistas em que os trabalhos dos pesquisadores interessados nesta temática têm sido mais publicados.


FIGURA 1.6 – Evolução do número de artigos publicados. Fonte: Lista de referências deste livro.

FIGURA 1.7 – Principais publicações.Fonte: Lista de referências deste livro.

Da lista das revistas científicas, emergem três principiais grupos de revistas: o grupo com maior número de artigos publicados é o de revistas de Pesquisa Operacional, como European Journal of Operacional Research, Operations Research, Management Science e Mathematical


Programming. Essas revistas são as mais importantes e tradicionais na área de PO, o que de-monstra o destaque das publicações de PO e petróleo, bem como a relevância das pesquisas relatadas neste livro. Na área da aplicação, destacam-se revistas de dois campos científicos distintos: A área de engenharia química aparece em destaque na revista Computers and Che-mical Engineering, que não se limita a publicar artigos direcionados ao refino, mas também apresenta artigos científicos importantes de logística de petróleo e relacionados ao upstream. Outro campo importante aparece nas revistas e congressos da Society of Petroleum Engineers (SPE) –, com destaque para artigos relacionados à exploração e à produção de petróleo.

Dentro da indústria do petróleo, as mais diversas técnicas de PO têm sido utilizadas. No passado, o grande domínio era de programação linear determinística para a solução de problemas de planejamento do refino. Com a evolução das técnicas de PO, de modelagem e o aumento da capacidade de solução, tanto dos solvers quanto dos computadores, mais recentemente, abordagens mais realistas considerando um grande número de restrições do problema real e aspectos como incerteza têm sido mais frequentes.

O Quadro 1.2, a seguir, relaciona os capítulos deste livro com as principais técnicas de PO.

Quadro 1.2 – Capítulos x Principais técnicas de PO

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10 X 11 X 12 X 13 X 14 X X15 X 16 X 17 X X 18 X 19 X 20 X 21 X


1.4. UMA NOTA AO LEITOR

Este livro ilustra a diversidade das aplicações de Pesquisa Operacional na indústria do petróleo. Contudo, estamos conscientes de que seu conteúdo cobre apenas uma pequena parte das diversas contribuições que a PO pode dar para a indústria. Nossas escolhas necessariamente omitiram um grande número de tópicos relevantes, mas estamos con-vencidos de que o leitor poderá ter uma visão ampla da cadeia de petróleo e das técnicas para tratar de problemas de decisão a ela inerentes. Acreditamos que o livro possa ser útil tanto para pesquisadores quanto para engenheiros e analistas atuando na linha de frente da indústria apoiando ou tomando decisões.

Agradecimentos

Agradecemos a todos os indivíduos e organizações que nos ajudaram de uma forma ou de outra a produzir este livro. Primeiramente, a cada um dos autores pela qualidade de sua contribuição. À Danuza Dreux, pelo seu importante apoio no processo de edição e ao Pedro Ivo dos Santos, pelo apoio com a organização da bibliografia. Este livro começou a ser concebido durante a disciplina Aplicações de Pesquisa Operacional na Indústria do Petróleo, na COPPE/UFRJ; agradecemos a todos os palestrantes e alunos que estimularam a produção desta obra. Naturalmente, agradecemos a nossas instituições, a PUC-Rio e a UFRJ, pelo ambiente estimulante. À Petrobras, em particular à sua gerência de Serviços de Pesquisa Operacional (SPO) e o seu Centro de Pesquisas (CENPES), que foi a fonte primária da maioria dos problemas abordados no livro e que tem apoiado sempre o desen-volvimento científico do país. Expressamos também nossos agradecimentos ao CNPq e à ANP, por meio de seu programa de formação de recursos humanos (PRH), que nos tem financiado ao longo do tempo, por meio de bolsas de produtividade para nossos alunos, muitos dos quais autores neste livro. Por fim, este livro não teria sido produzido sem a assistência e a insistência da Andrea Rodrigues, nossa editora na Elsevier.

aplicações de pesquisa operacional na indústria internacional de petróleo e gás

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