40. SBAI-Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999

ANÁLISE DO DESEMPENHO DE BROCAS DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEOUSANDO SISTEMA NEBULOSO E GRAFO DE CONHECIMENTO

José Ricardo Pelaqulm Mendes*

Celso Kazuyuki Morooka*

Ivan Rizzo Guilherme***Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica , Departamento de Engenharia de Petróleo

Cx. P. 6122 - 13083-970 - Campinas, 8P, Brasil .**Universidade Estadual Paulista, DEMAClIGCFJCampus Rio Claro

Cx. P. 178 - 13500-230 - Rio Claro, 8P, Brasil

Resumo Neste trabalho é apresentado um sistema nebulosopara -avaliação do desempenho de brocas de perfuração .depoços de petróleo. O resultado deste sistema foi comparadocom uma outra técnica utilizada para analisar o problema queemprega o uso de grafos de conhecimentos, Mendes (1998).

O conhecimento especialista foi representado nos doisformalismo, .nebuloso e grafo de conhecimento, e foi usadopara formar sistema inteligente no auxílio de escolha de brocasem perfurações de poços de petróleo. O sistema poderá servirpara o treinamento de novos técnicos .

Palavras Chaves: Brocas, Perfuração, Conhecimento,Especialista.

1 INTRODUÇÃOA. perfuração de um poço de petróleo tem como objetivoestabelecer o fluxo de hidrocarbonetos da rocha reservatórioaté a superfície. Os poços de petróleo.podem atingir grandesprofundidades e por motivos operacionais não são perfurado deuma só vez, mas em diversas etapas. Assim cada etapatem umdiâmetro inferior a da anterior caracterizado pelo diâmetro da.broca em uso.

Para perfuração ' de cada trecho normalmente são necessáriasvárias brocas e o custo da perfuração pode alcançar milhares dedólares . O custo está diretamente relacionado com a escolha eo rendimento das brocas utilizadas durante a perfuração.

Na prática, o processo de análise do rendimento das brocasutilizadas em um poço de petróleo é feito por um especialistana área, analisando caso a caso. .

Esta análise é muita importante para melhorar o processo deescolha das brocas a serem utilizadas em um novo poço depetróleo.

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Como o processo de seleção de brocas é muito pessoal, umaoutra tendência dentro das indústrias da área é verificar odesempenho das brocas utilizadas nos seus poços , não parafazer um plano de brocas para um novo poço, mas sim verificarse seus especialistas estão fazendo as escolhas certas, ou seja,se suas brocas produzem um baixo custo métrico no intervaloperfurado.

Uma broca ao sair do poço pode transmitir valiosasinformações ao operador se os desgastes apresentados foremcorretamente interpretados. Estas informações devem serconvenientemente registradas a fim de que erros não se repitamnaquela área. Para isto existe um sistema de codificação dedesgaste de brocas. O sistema proposto deve analisar estecódigo e dar sua interpretação.

Após uma interpretação correta dos desgaste é necessanoanalisar outros parâmetros para se avaliar o desempenho dabroca.

No caso dos sistema nebuloso os parâmetros relevantes são ametragem que a broca perfurou e a taxa de penetração.

Para o caso do grafo de conhecimento .será usado o grafomontado no trabalho de Mendes (1998) com a eliminação dealgumas entradas não relevantes para o exemplos analisados .

2 ABORDAGEM USANDO GRAFOS DECONHECIMENTO

O grafo de conhecimento , Rocha (1992) , é a representação deum processo de raciocínio baseado redes neurais e lógicanebulosa. Esta representação foi utilizada para codificar oconhecimento especialista.

O processo é feito em duas etapas . Na etapa 1 é utilizado umgrafo que realiza a análise do desgaste e na etapa 2 um-outrografo analisa o desempenho da broca para ser utilizada em umnovo poço. Veja Figuras 1 e 2.

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Figura 1: Grafo para análise do desgaste

Irllld . 188I11III "'CI...."

........ .......,.. ..Figura 2: Grafo de escolha de brocas

• ... a_,

3 ABORDAGEM USANDO CONCEITOS DELÓGICA FUZZV

o sistema, em termos do desgaste, vai analisar a estruturacortante, rolamento e calibre da broca.

A estrutura cortante no código de desgaste é dividida emEstrutura Cortante Interna (213 internos da broca) e EstruturaCortante Externa (l/3 externos da broca). Nas brocas de dentede aço a medida é a redução da altura do dente numa escaladescendente de Oa 8.

Nas brocas de insertos de carbeto de tungstênio a medida é aredução total da estrutura cortante devido a perda, quebra e/ouredução da altura dos insertos.

Para o rolamento usa-se o mesmo sistema de algarismo, ouseja. O indica rolamento novo e 8 indica que toda a vida dorolamento foi gasta.

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A análise do calibre é feita para saber quanto a broca perdeu dediâmetro. Se há redução, este deve ser reportado em 1/16 depolegada.

Coluna 1: 4/8 da estrutura cortante interna usada.Coluna 2: 1/8 da estrutura cortante externa usada.Coluna 3: 2/8 da vida do rolamento usada.Coluna 4: perda de calibre de 2116".

Posteriormente o sistema analisa a metragem, a taxa depenetração junto com a interpretação do desgaste para avaliar odesempenho da broca. Estas informações são guardadas naforma de registro de broca.

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3.1 Estratégia de SoluçãoA primeira etapa é a furrificação das variáveis de entrada, queconsiste essencialmente em traduzir os valores numéricos emconjuntos nebulosos que possam ser confrontados comexpressões lingüísticas.

Os termos lingüísticos para a análise do desgaste são:PD = pequeno desgasteMD = médio desgasteGD = grande desgastePC = pouca perda de calibreMC = média perda de calibreGC = grande perda de calibre

Para facilitar nos cálculos e por ser uma versão ainda inicialpara teste, foi escolhida uma distribuição com forma triangularpara os termos das variáveis. A seguir segue-se a forma gráficadas variáveis:

EsC/llt: estrutura cortante interna. Onde ela assume osseguintes valores:EsC/llt={PD, MD, GD}. Veja Figura 3.

EsClnt

RolSel

r-: // \.0.8 / '\.

/ \. /. E;]0.6 / '\. ./ ,,-/ --MO

0.4 / .'\./ / "- ---GO

/ . '\..0.2 / / '\.

/ . \..OO 4 8

Figura 5: Rolamentos da broca selados ou não

Calibre: para o desgaste do calibre.Calibre ={PC, MC, GC}. Figura 6.

Calibre

r-; /r-: "- .

/ 0.8 "- ./ "- . "- /

0.8 / "- ./ 0.6 "-/ -, ",/.

-- MC0.6 / -, ,,,-/ '''-/ --MO 0.4 ,/ "- - - -GC/ .',,-

004 / / "- -"GO "-0.2 / "-/ "- "-0.2 / / "- O/ . "-.O O 1 2O 4 8

Figura 6: Perda de calibre da brocaFigura 3: Estrutura cortante interna da broca

EsCEx: estrutura cortante externa.EsCEx ={PD, MD, GD}. Figura 4.

EsCEx

O parâmetro de saída foi mapeado da seguinte maneira : Exc,para desgaste excessivo, Alto, Médio e Baixo.Desgaste ={Exc, Alto, Médio, Baixo}

Desgaste

1 r-:/ "- / 1\ .\. \ 10.8 / "- . I

/ -, / 0.8 1 \ \ , --Baixo. ,0.6 / "- . E;] 1 \ 1 , - - Médio, .

/ ,,-/ --MO 0.6 \.' V - •• Alto0.4 / .',,- A .'/ / "- - - -GO 0.4 \

, , - . - . Exc/ "- \

0.2 / / "- 0.2 1 \\ ./ . "- , \. \ .O O

O 4 8 O 4 8 12

Figura 4: Estrutura cortante externa da broca

RolSel: rolamentos selados ou não.RolSel={PD,MD, GD}. Figura 5.

343

Figura 7: Desgaste da broca

A base de regras para esta etapa é apresentada na tabela 1:

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Met

Figura 9: Taxa de penetração da broca

TaxaP

Desgaste

Figura 8: Metragem perfurada da broca

/' /0.8 / '\.

/ '\.'\. /

0.6 / '\.'/ ,/ -"";MM

0.4 ''\. -"GM/ '\.. '\.0.2 / '\.., '\.OO 500 1000

A // '\. ,0.8 / '\. ,

/ '\. /,0.6 / '\. , G]/ '-,/ --MT0.4 / .'\.

/ / "- - - -GT/ . -,,

0.2 / / '\./ . '\.,

OC 6 12

TaxaP: para a taxa de penetração.TaxaP ={PT, MT, GT}. Figura 9

Desgaste: da etapa anterior.. Desgaste =(Exc, Alto, Médio, Baixo}. Figura iO

teT d da a : ase e rezras para a ana ise o es2as

GO GO PO PC ExGO GO MO MC ExGO GO GO GC ExGO GO PO GC ExGO GO GO PC ExGO GO PO MC ExGO GO MO PC ExGO GO GO MC ExGO GO MO GC ExMO MO PO PC MediaMO MO PO MC Medi6MO MO MO PC MediaMO MO GO GC ExMO MO MO MC MediaMO MO GO . MC AltoMO MO MO GC MediaMO GO MO GC ExGO MO MO GC ExMO GO GO MC ExGO MO GO MC ExGO PO GO PC AltoGO PO GO MC ExGO MO GO PC ExPO MO GO PC AltoPO MO PO GC AltoPO MO MO GC AltoGO GO GO GC ExPO PO MO PC Baixo ·PO PO MO MC MediaPO PO PO MC Baixo·PO PO GO PC MediaPO PD PO GC MediaPD GO PO PC MediaGO PO PO PC MediaPO MO PO PC BaixoMO PO PO PC BaixoPO PO GO GC Alto·PO PO MO GC Alto·PO PD GO MC AltoMO MO MO GC AltoGO PO PO MC AltoGO PO MO PC MedioPO GO PO MC AltoPO GO GO GC ExGO PO GO GC ExPO PO PO PC Baixo ·MO MO GO MC Alto

Tbel1b d

Para a segunda etapa do processo onde o sistema usainformações de taxa de penetração, metragem e o resultado daanálise do desgaste também foram escolhidos uma distribuiçãocom forma triangular para os termos das variáveis.

As variáveis e seus termos estão listados a seguir:PM =pequena metragemM =médio metragemGM =grande metragemPT =pequeno taxa de perfuraçãoMT =média taxa de perfuraçãoGT =grande taxa de perfuração

1\ ,\ ,I \ 1 , ,

0.8 ,\ . \ . --Baixo1 . I

1 \ 1 , - - Médio0.6 , ,<: V _. -Alto

0.4 1\ I ', \ I, - .. oExc. , \

1 \ . ,0.2 ,. \ , ,. I \O \'

O 4 8 12

Met: para a metragem que a broca perfurou.Met =(PM, MM, GM}. Figura 8. Figura 10: Desgaste da broca

Para se montar os termos da variável metragem, é necessáriofornecer a metragem da fase determinada no projeto na qual abroca foi utilizada. Por exemplo, na Figura 8 o nosso universoé de 400 metros, ou seja, a broca que se está analisando foi

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utilizada para perfurar uma fase do poço que deverá ter 400 Mamdani para a função de implicação e o máximo para ametros. agregação.

Uma situação semelhante ocorre com a taxa de penetração, énecessário fornecer a melhor taxa de penetração da fase a quepertence a broca que se esteja analisando. No caso da Figura 9,esta taxa é de 5.6 m/h.

o parâmetro de saída desta análise é o desempenho da brocadefinido abaixo (veja Figura 11):Desempenho ={Ótimo, Bom, Regular, Ruim}

Desempenho

A saída fuzzy resultante da operação de composição precisa sertraduzida em termos de um valor numérico. O procedimentoadotado para este fim foi o método do centro de área queconsiste em se calcular a média ponderada entre os valores douniverso, considerando os graus de pertinência como pesos .

4 RESULTADOS E ANÁLISEPara a realização dos testes foram utilizados dados reais deduas regiões de produção no país. Os nomes dos poços sãoadotados de maneira fictícia.

Teste1

--Ruim- - Regular- - - Bom- - - -Ótimo

\

.,

\. ,, ,/\. \

I \\\'

1\ ,\I \ I 'I \ \I \ I\:

1

0.8

0 .6

0.4

0.2

Figura 11: Desempenho da broca

A base de regras para esta etapa é apresentada na tabela 2:

o 4 8 12

No processo de inferência foi utilizado a do controlador fuzzyclássico (Pedrycz & Gomide, 1998). Neste caso foi adotado

314314CR1..

LBR2

Teste2

Neste teste a broca utilizada obteve uma metragem de 1000metros e uma taxa de penetração de 11,4 m/h. O grafoconsiderou o desgaste como Médio e o desempenho Ótimo. Noentanto houve um grande desgaste dos dentes e uma perdaconsiderável de calibre. Com relação ao desempenho geral dabroca, apesar da boa metragem e excelente taxa de penetração,em vista do desgaste o desempenho não deveria serclassificado como Ótimo. O Sistema nebuloso obteveresultados mais coerentes, classificando o desgaste como Altoe o desempenho Regular.

Dados da broca

nhoT d dd, bbela _: ase e rearas para a ana ise o esempe" Met ' ·cc;' TaXaP,A: ·kOe$ éIa-Stf!· "PM PT Baixo RuimMM MT Media RegularGM GT Ex BomPM PT Alto RuimGM MT Media RegularGM GT Baixo OtimoGM GT Alto BomGM GT Media BomGM GT Ex BomGM MT Baixo OtimoMM GT Baixo OtimoPM GT Baixo BomGM PT Baixo BomMM GT Baixo BomGM MT Baixo BomGM MT Media RegularMM GT Medio BomPM GT Media RegularGM PT Medio ReClularMM GT Media BomGM MT Medio BomPM PT Baixo RuimPM PT Medio RuimPM PT Ex RuimPM GT Media RuimPM GT Baixo RegularGM PT Medio RuimGM PT Baixo RegularMM PT Baixo RegularMM MT Baixo BomGM PT Alto BomPM GT Alto Bom

Ta

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Mendes, José Ricardo Pelaquim O Uso de ConhecimentoEspecialista e de Base de Dados na Seleção de Brocasde Perfuração. Campinas: Faculdade de EngenhariaMecânica, Departamento de Engenharia de Petróleo ,Universidade Estadual de Campinas, 1998, I04p . Tesede Mestrado .

Rocha, A. F. Neural Nets: A Theory for Brains and Machines.Lecture Notes in Artificial Intelligence, Springer-Verlag, 1992.

Pedrycz, W. & Gomide , F. AI! Introduction to Fuzzy Sets,Analysis and Design. The MIT Press, Cambridge,Massachusetts, London, England, (1998) .

BomMédio

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7 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAResultado

Neste caso ocorreu um problema semelhante ao teste 1, ou seja,houve um desgaste excessivo dos dentes sendo classificadopelo grafo como Médio e pelo sistema nebuloso como Alto.Com relação ao desempenho da broca, ela obteve uma taxa depenetração regular e uma pequena metragem, isto aliado aodesgaste dos dentes , seu desempenho não deveria seclassificado pelo grafo como Bom. Novamente os sistemanebuloso está mais consistente classificando o desempenhocomo Regular.

Teste3

Resultado

ExcessIvoBom

Neste teste houve uma boa concordância com os dados e aclassificação feita pelo sistema nebuloso e grafo.

Foram realizados mais seis teste, onde na maioria dos casos osresultados eram semelhantes aos testes 1 é 2.

5 CONCLUSÕESo uso de um sistema nebuloso parece adequado para análise dedesempenho de brocas de perfuração de poços de petróleo,podendo ser útil no processo de seleção de brocas para novospoços ou ser usado no treinamento de novos integrantes .

o desempenho do sistema nebuloso é mais refinado do que osgrafos' de conhecimento, como no caso dos testes 1 e 2 e emoutros testes realizados.

6 AGRADECIMENTOSOs autores agradecem o Profes sor Fernando Gomide,UnicamplFEEC, pelos . comentários e sugestões fornecidos.Este trabalho conta com o apoio do MCT/Pronex.

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