novas tecnologias em tubulações na exploração do pré – sal brasileiro
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Novas Tecnologias em Tubulações na Exploração do Pré – Sal BrasileiroTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE PAULISTA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO
CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA
GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS
Novas Tecnologias em Tubulações na Exploração do Pré – Sal
Brasileiro
Carlos Rodrigo Faria de Assis RA A64591 – 8
Cleimis Aline Torres Guilherme RA A26HGB – 0
Hugo Alexandro Souza RA A69339 – 4
Isabella Domingues RA A51219 – 5
Junior Campos Ozono RA A697DJ – 0
Lenilso Francisco da Silva RA A684HJ – 5
SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
MAIO DE 2011
UNIVERSIDADE PAULISTA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO
CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA
GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS
Novas Tecnologias em Tubulações na Exploração do Pré – Sal
Brasileiro
Carlos Rodrigo Faria de Assis RA: A64591 – 8
Cleimis Aline Torres Guilherme RA: A26HGB – 0
Hugo Alexandro Souza RA: A69339 – 4
Isabella Domingues RA A51219 – 5
Junior Campos Ozono RA: A697DJ – 0
Lenilso Francisco da Silva RA: A684HJ – 5
TRABALHO APRESENTADO COMO REQUISITO DE APROVAÇÃO NAS DISCIPLINAS FÍSICA DO PETRÓLEO, AUTOMAÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO, EQUIPAMENTOS E TUBULAÇÕES, GRPL, QUÍMICA DO PETRÓLEO E ESTATÍSTICA APLICADA, NO TERCEIRO SEMESTRE DO CURSO SUPERIOR TECNOLÓGICO DE GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS, NA UNIVERSIDADE PAULISTA.
SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
MAIO DE 2011
Carlos Rodrigo Faria de Assis RA: A64591 – 8
Cleimis Aline Torres Guilherme RA: A26HGB – 0
Hugo Alexandro Souza RA: A69339 – 4
Isabella Domingues RA A51219 – 5
Junior Campos Ozono RA: A697DJ – 0
Lenilso Francisco da Silva RA: A684HJ – 5
Novas Tecnologias em Tubulações na Exploração do Pré – Sal Brasileiro
UNIVERSIDADE PAULISTAINSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃOCURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA
TECNOLOGIA EM PETRÓLEO E GÁS
Data de aprovação:_____de________________de 2011____________________________________________
Prof. Dr. Paulo R. M. SilvaOrientador do PIM III
I
Resumo
O objetivo deste trabalho é retratar um tema muito importante ao futuro do
Brasil, que são as novas tecnologias em tubulações na exploração do pré-sal
brasileiro.
O desenvolvimento acontece desde a camada pré-sal até os processos do
uso das novas tecnologias. Foram apresentadas as definições, métodos, pontos
positivos e negativos, e perspectivas futuras que envolvem a necessidade da
existência das tecnologias em tubulações
As pesquisas foram feitas baseadas em um acontecimento recente, porém
muito importante para o crescimento do Brasil, que incluem como um conjunto,
assuntos como o pré-sal, tubos e tubulações, novas tecnologias em tubulações na
exploração do pré-sal brasileiro, novas tecnologias no processo de separação de
óleo, gás e água, além de outras.
Apresentando desafios existentes para sua exploração, conjunto de
tubulações, classificações, materiais, grau de segurança, resistência ao escoamento
e também os esforços que atualmente visam, pelo menos, diminuir o tamanho das
plataformas e, portanto, os custos por meio do desenvolvimento de sistemas mais
compactos.
O desenvolvimento de novas tecnologias ainda está em andamento, devido
aos desafios existentes para a exploração do pré-sal, já do ponto de vista
econômico, dutos cada vez mais qualificados vem crescendo junto ao
desenvolvimento de novas tecnologias que visam promover um contínuo
desenvolvimento de tubulações para o pré-sal brasileiro.
A importância das tubulações na indústria é enorme. Todas as indústrias
possuem redes de tubulações de maior ou menor importância, e quase todas as
redes são essenciais ao funcionamento da indústria.
Visamos principalmente proporcionar uma compreensão mais aprofundada
dos conteúdos estudados no semestre, dando uma nova visão critica sobre um
assunto tão inovador.
II
Abstract
Our work is designed to portray a very important issue for the future of Brazil,
which are the new technologies in the pipeline operation of the pre-salt area.
The development happens from the pre-salt layer to the process of using new
technologies. Was presented the definitions, methods, strengths and weaknesses,
and future prospects that involve the necessity of the existence of technologies in
pipeline
The surveys were based on a recent event, but very important for the growth
of Brazil, including as a whole, such matters as the pre-salt, tubes and pipes, pipes in
new technologies in the exploration of Brazilian pre-salt, new technologies in the
process of separation of oil, gas and water, and others.
Presenting challenges to their existing operation, a set of pipes, ratings,
materials, degree of security, the yield strength and also the efforts currently are
aimed, at least, reduce the size of the platforms, and therefore the costs through the
development of systems more compact.
The development of new technologies is still in progress, due to existing
challenges to the operation of the pre-salt, since the economic standpoint,
increasingly qualified products has been growing along with the development of new
technologies that promote a continuous development of pipeline for the pre-salt area.
The importance of pipes in the industry is huge. All industries have pipelines of
varying importance, and almost all networks are essential to the functioning of the
industry.
We aim mainly to provide a deeper understanding of the contents studied in
the semester, giving a new critical view on a subject so innovative.
III
Lista de figuras
Figura 1 – Camadas do pré-sal...........................................................................1
Figura 2 – Localização geográfica da área do pré-sal........................................2
Figura 3 – Conjunto de tubulações......................................................................4
Figura 4 – Tubulações na indústria de processo.................................................5
Figura 5 – Classificação das tubulações industriais............................................6
Figura 6 – Conjunto de tubulações em uma indústria química............................7
Figura 7 – Tubulação de água para combate a incêndio....................................8
Figura 8 – Tubulações externas..........................................................................9
Figura 9 – Ilustração de utilização de risers/ dutos flexíveis...............................12
Figura 10 – Flowlines, dutos que transportam o óleo desde a saída do poço
até a conexão com os risers................................................................................13
Figura 11 – Trações internas do risers................................................................14
Figura 12 – Imagem do interior dos risers, suas camadas de trações e suas
blindagens...........................................................................................................15
Figura 13 – Corrosão típica em risers.................................................................16
Figura 14 – Escala reduzida das três camadas do duto sanduíche....................17
Figura 15 – Foto do duto sanduíche formado de duas camadas de aço com
um material polimérico ao meio...........................................................................19
Figura 16 – Válvula ciclônica...............................................................................20
IV
Sumário
Resumo............................................................................................................... I
Abstract............................................................................................................... II
Lista de figuras.................................................................................................... III
Sumário............................................................................................................... IV e V
Introdução...........................................................................................................VI e VII
1.0 – O que é o pré-sal brasileiro?......................................................................1
1.1 – Localização geográfica...............................................................................1
1.2 – Quantidade de barris nele aprisionado.......................................................2
1.3 – Tipo de óleo nele contido...........................................................................3
1.4 – Desafios existentes para sua exploração...................................................3
2.0 – Tubos e tubulações....................................................................................4
2.1 – Classificação das tubulações.....................................................................6
2.2 – Tubulações de processo............................................................................6
2.3 – Tubulações de utilidades............................................................................7
2.4 – Tubulações para instrumentação...............................................................8
2.5 – Tubulações de drenagem...........................................................................8
3.0 – Tubulações fora das instalações industriais...............................................8
3.1 – Tipos de tubulações...................................................................................9
4.0 – Revestimentos internos para tubos de aço................................................11
V
5.0 - Novas tecnologias em tubulações na exploração do pré-sal brasileiro.......12
5.1 - Risers/ dutos flexíveis.................................................................................14
5.2 – Duto sanduíche..........................................................................................17
6.0 - Novas tecnologias no processo de separação de óleo, gás e água...........19
Conclusão...........................................................................................................VIII
Referências bibliográficas................................................................................... IX
VI
Introdução
Este trabalho tem por finalidade informar sobre a E&P (Exploração e
produção) de petróleo em águas profundas na camada pré-sal situada na plataforma
continental brasileira.
Sem sombra de dúvidas, o maior problema enfrentado por empresas que
almejam explorar petróleo na camada pré-sal, está relacionado ao desenvolvimento
de tecnologias capazes de explorar hidrocarbonetos em profundidades além das já
alcançadas.
Com a E&P de petróleo nessa camada, o resultado poderá levar o Brasil às
primeiras posições no ranking dos países produtores.
Contudo, a exploração nessa profundidade exige a obtenção de novas
tecnologias em dutos, sondas e outros materiais necessários à exploração, que
resistam a altas temperaturas, altas pressões, gases corrosivos e também a camada
pré-sal.
Assim, para que se tenha a máxima segurança possível e, se minimize os
riscos de acidentes que possam causar desastres ambientais, o Brasil com a própria
tecnologia e com a parceria de outros países desenvolve novos métodos e
equipamentos necessários para que a E&P no pré-sal ocorra de maneira eficiente e
segura.
No capítulo 1, abordaremos de forma concisa assuntos relacionados ao pré-
sal brasileiro como introdução ao trabalho desenvolvido, tais como: o quê é,
localização geográfica, quantidade de barris de óleo nele aprisionado, tipo de óleo
nele contido e os desafios existentes para sua exploração. No capítulo 2 é a vez de
explicarmos sob um ponto de vista geral assuntos relacionados a tubos e
tubulações, classificação das tubulações, tubulações de processo, tubulações de
utilidades, tubulações para instrumentação e tubulações de drenagem. Em seguida,
VII
no capítulo 3, exemplificaremos sobre as tubulações fora das instalações industriais
e tipos de tubulações fabricadas com materiais metálicos ferrosos, materiais
metálicos não ferrosos, materiais não metálicos feitos com matéria plástica e outros
tipos de materiais não metálicos. Logo após, no capítulo 4, teremos uma visão geral
sobre os revestimentos internos para tubos de aço, e entraremos no capítulo 5
comentando sobre as novas tecnologias em tubulações na exploração do pré-sal
brasileiro, dando ênfase aos risers, os quais são dutos flexíveis que conectam o
poço a plataforma, e também ao duto sanduíche, que é tendência de tecnologia
quando falamos em E&P no pré-sal.
VIII
1
1.0 – O que é o pré-sal brasileiro?
O termo pré-sal refere-se a um conjunto de rochas localizadas nas porções
marinhas de grande parte do litoral brasileiro, com potencial para geração e acúmulo
de petróleo. Convencionou-se chamar de pré-sal porque forma um intervalo de
rochas que se estende por baixo de uma extensa camada de sal, que em certas
áreas da costa atinge espessuras de até 2.000 metros. O termo pré é utilizado
porque, ao longo do tempo, essas rochas foram sendo depositadas antes da
camada de sal. A profundidade total dessas rochas, que é a distância entre a
superfície do mar e os reservatórios de petróleo abaixo da camada de sal, pode
chegar a mais de 7 mil metros como ilustra a figura 1 a seguir:
Figura 1 - Camadas do pré-sal
1.1 – Localização geográfica
O pré-sal brasileiro se encontra sob uma camada de sal situada a alguns
quilômetros abaixo do leito do mar, e acredita-se que a camada do pré-sal, formada
há 150 milhões de anos, possui grandes reservatórios de óleo leve. De acordo com
os resultados obtidos através de perfurações de poços, as rochas do pré-sal se
estendem por 800 quilômetros do litoral brasileiro desde Santa Catarina até o
Espírito Santo, e chegam a atingir até 200 quilômetros de largura, como ilustra a
figura 2 a seguir:
2
Figura 2 - Localização geográfica da área do pré-sal
1.2 – Quantidade de barris nele aprisionado
Estima-se que a camada do pré-sal contenha o equivalente a cerca de 1,6
trilhões de metros cúbicos de gás e óleo. O número supera em mais de cinco vezes
as reservas atuais no país. Só no campo de Tupi (porção fluminense da Bacia de
Santos), haveria cerca de 10 bilhões de barris de petróleo, o suficiente para elevar
as reservas de petróleo e gás da Petrobras, por exemplo, em até 60%.
3
1.3 – Tipo de óleo nele contido
Os primeiros resultados apontam para volumes muito expressivos. Para se ter
uma ideia, só a acumulação de Tupi, na Bacia de Santos, tem volumes recuperáveis
estimados entre 5 e 8 bilhões de barris de óleo equivalente (óleo mais gás). Já o
poço de Guará, também na Bacia de Santos, tem volumes de 1,1 a 2 bilhões de
barris de petróleo leve e gás natural, com densidade em torno de 30° API.
As maiores descobertas de petróleo, no Brasil, foram feitas recentemente pela
Petrobras na camada pré-sal localizada entre os estados de Santa Catarina e
Espírito Santo, onde se encontrou grandes volumes de óleo leve. Na Bacia de
Santos, por exemplo, o óleo já identificado no pré-sal tem uma densidade de 28,5°
API, baixa acidez e baixo teor de enxofre. São características de um petróleo de alta
qualidade e maior valor de mercado.
1.4 – Desafios existentes para sua exploração
A grande polêmica está justamente nas tecnologias que será necessária para
a extração. O Brasil ainda não dispõe de alguns recursos necessários para retirar o
óleo de camadas tão profundas e também terá que alugar ou comprar tecnologia de
outros países. O Campo de Tupi, por exemplo, se encontra a 300 quilômetros do
litoral, a uma profundidade de 7.000 metros e sob 2.000 metros de sal. Entretanto,
grandes empresas estão direcionando parte de seus esforços para a pesquisa e o
desenvolvimento tecnológico que garantirão nos próximos anos a produção dessa
nova fronteira exploratória.
A Petrobras, por exemplo, possui o Programa Tecnológico para o
Desenvolvimento da Produção dos Reservatórios Pré-Sal (Prosal), a exemplo dos
bem sucedidos programas desenvolvidos pelo seu Centro de Pesquisas (Cenpes),
como o Procap, que viabilizou a produção em águas profundas. Além de
desenvolver tecnologia própria, a empresa trabalha em sintonia com a rede de
universidades que contribuem para a formação de um sólido portfólio tecnológico
nacional. O Cenpes já concluiu a modelagem integrada em 3D das bacias de Santos
e Campos, que será fundamental na exploração das novas descobertas.
4
2.0 – Tubos e Tubulações
Tubos são condutos fechados, destinados principalmente ao transporte de
fluidos. Todos os tubos são de seção circular, apresentando-se como cilindros ocos.
A grande maioria dos tubos funciona como condutos forçados, isto é, sem
superfície livre, como o fluido tomando toda área da seção transversal. Fazem
exceções apenas as tubulações de esgoto, e às vezes as de água que trabalham
como superfície livre. Chama-se de tubulação um conjunto de tubos e de seus
diversos acessórios.
A necessidade da existência das tubulações decorre principalmente do fato de
um ponto de geração ou de armazenagem dos fluidos estarem, em geral, distante de
seu ponto de utilização.
Usam-se tubulações para o transporte de todos os materiais capazes de
escoar, isto é, todos os fluidos conhecidos, líquidos ou gasosos, assim como
materiais pastosos e fluidos com sólidos em suspensão, todos em faixa de variação
de pressões e temperaturas usuais nas indústrias.
As tubulações industriais são utilizadas em indústria de processamento,
química, petroquímicas, refinarias de petróleo, alimentícias e farmacêuticas, para
transportar fluidos de uma entrada (bomba), para uma saída (reservatório), como
ilustra a figura 3 a seguir:
Figura 3 - Conjunto de Tubulações
5
A importância das tubulações na indústria é enorme. Todas as indústrias têm
redes de tubulações de maior ou menor importância, e quase todas as redes são
essenciais ao funcionamento da indústria. A importância é ainda maior nas
chamadas indústrias de processo, nas quais as tubulações são os elementos físicos
de ligação entre os equipamentos (vasos de pressão, reatores, tanques, bombas,
trocadores de calor etc.), por onde circulam os fluIdos de processos e de utilidades,
como ilustra a figura 4 a seguir:
Figura 4 - Tubulações na indústria de processo
Nessas indústrias, o valor das tubulações representa em média 20 a 25% do
custo total da instalação industrial. A montagem das tubulações atinge em média 45
a 50% do custo total da montagem de todos os equipamentos, e o projeto das
tubulações vale em média, 20% do custo total do projeto da indústria.
As tubulações industriais podem se dividir em 2 classes distintas: tubulações
dentre das instalações industriais e tubulações fora das instalações industriais.
As tubulações dentre das instalações industriais abrangem tubulações de processo,
utilidades, instrumentação, transmissão hidráulica e de drenagem. As tubulações
fora das instalações industriais abrangem tubulações de transporte (adução,
transporte e drenagem) e tubulações de distribuição (distribuição e coleta).
6
2.1 – Classificação das tubulações
Existe uma imensa de variedade de casos de empregos de tubulações na
indústria. Sem pretender dar uma classificação que abranja todos os casos, na
figura 5 podemos classificar as tubulações industriais nas seguintes classes de
emprego:
Figura 5 - Classificação das tubulações industriais
Tubulações dentro das instalações industriais são tubulações que se
localizam no interior das áreas de trabalho ou de processamento de fluidos que são
as tubulações em unidades de processo.
2.2 – Tubulações de processo
Chamam-se as tubulações de processo as tubulações dos fluidos que
constituem a finalidade básica da indústria, nas indústrias cuja atividade principal é o
processamento, a armazenagem ou a distribuição de fluidos tais são, por exemplo,
as tubulações de óleo nas refinarias, terminais e instalações de armazenagem ou
distribuição de produtos de petróleo, tubulações de vapor em centrais termoelétricas
e tubulações de produtos químicos em indústrias químicas, como ilustra a figura 6 a
seguir:
7
Figura 6 - Conjunto de tubulações em uma indústria química
2.3 – Tubulações de utilidades
As tubulações de utilidades são as tubulações de fluidos auxiliares nas
indústrias cuja atividade principal é o processamento, armazenagem ou a
distribuição de fluidos. As tubulações de utilidades podem servir não só ao
funcionamento da indústria propriamente dita (sistemas de refrigeração,
aquecimento, vapor para acondicionamento de maquinas, etc.), como também
outras finalidades normais ou eventuais, tais como manutenção, limpeza e combate
a incêndio, como ilustra a figura 7 a seguir:
8
Figura 7 - Tubulação de distribuição de água para combate a incêndio
2.4 – Tubulações para instrumentação
Tubulações de instrumentação são as tubulações para a transmissão de
sinais de ar comprimido para válvulas de controle e instrumentos automáticos. As
tubulações de instrumentação não são destinadas ao transporte de fluidos.
As tubulações de transmissão hidráulica, que também não se destinam ao
transporte de fluidos, são as tubulações de líquidos sobre pressão para os
comandos hidráulicos.
2.5 – Tubulações de drenagem
As tubulações de drenagem são as redes encarregadas de coletar e conduzir
ao destino conveniente os diversos efluentes fluidos de uma instalação industrial.
3.0 – Tubulações fora das instalações industriais
Tubulações externas, isto é, as linhas fora das áreas de processo, que são as
tubulações em áreas de processos e armazenagem de fluidos, e tubulações de
interligação em áreas de processo e armazenagem, como ilustra a figura 8 a seguir,
mostrando na parte inferior da imagem as tubulações interligando os reservatórios
de produto acabado.
9
Figura 8 - Tubulações externas
3.1 – Tipos de tubulações
A ASTM (American Society for Testing and Materials), órgão americano
responsável pela normatização e padronização de materiais para diversas áreas da
indústria, especifica mais de 500 tipos de materiais utilizadas na fabricação de
tubulações industriais. Dentre os diversos materiais catalogados pela ASTM,
destacamos os mais utilizados na fabricação dos tubos: tubos metálicos (ferrosos e
não ferrosos), tubos não metálicos, e tubos de aço com revestimento interno. Logo
abaixo veremos alguns exemplos de materiais:
Tubos metálicos ferrosos
Entre todos os tubos metálicos ferrosos existentes, o mais importante para a
indústria do petróleo é o de aço-carbono, o qual apresenta menor relação custo/
resistência mecânica, além de ser um material fácil de soldar e de contornar, é
também fácil de ser encontrado no comércio. Por todos esses motivos, o aço-
carbono é chamado “material de uso geral” em tubulações industriais, isto é, só
deixa de empregar o aço-carbono quando há alguma circunstância especial que o
proíba, desta forma todos os outros materiais são utilizados apenas em alguns
10
casos de exceção. Em uma refinaria de petróleo, mais de 90% das tubulações é
feita de aço-carbono.
Emprega-se o aço-carbono para tubulações de água doce, vapor de baixa
pressão, condensado, ar comprimido, óleos, gases e muitos outros fluidos pouco
corrosivos.
As propriedades do aço-carbono são grandemente influenciadas por sua
composição química e pela temperatura. O aumento de quantidade de carbono no
aço produz basicamente um aumento nos limites de resistência e de escoamento, e
na dureza e temperabilidade do aço, em compensação, esse aumento prejudica
bastante a ductilidade e a soldabilidade do aço. Por esse motivo, em aços para
tubos limita-se a quantidade de carbono em até 0,35%, sendo que em até 0,30% de
C, a solda é bastante fácil, e até 0,25% de C, os tubos podem facilmente serem
dobrados a frio. O aço carbono é a composição da liga que confere ao aço o seu
nível de resistência mecânica. Dentre outros, tais como aço-liga, aço inoxidável,
ferro fundido, ferro forjado e ferro ligado.
Tubos metálicos não ferrosos
De um modo geral os tubos metálicos não ferrosos são pouco utilizados
devido seu alto custo, alguns exemplos são: cobre, latões, cupro-níquel, clumínio,
níquel e ligas, metal monel, chumbo, titânio, zircônio
Tubos não metálicos: Materiais plásticos
A utilização de tubos de plástico tem crescido muito nos últimos anos,
principalmente em substituição aos aços inoxidáveis. Alguns exemplos são: cloreto
de polivinil (PVC), polietileno, acrílicos, acetato de celulose, epóxi, poliéster e
fenólicos.
11
Outros não metálicos
Cimento-amianto, concreto armado, barro vibrado, borrachas, vidro, cerâmica
e porcelana.
4.0 – Revestimentos internos para tubos de aço
O revestimento interno é utilizado para proteção anticorrosiva, antiabrasiva e
antierosiva, para isolamento térmico e acústico, e no intuito de evitar a contaminação
do fluido conduzido. Alguns revestimentos são: zinco, materiais plásticos,
elastômetros (borrachas), asfalto, concreto, vidro e porcelana.
Alguns fatores influenciam a escolha do material para fabricação dos tubos.
Os principais fatores são:
Fluído conduzido – aspectos de resistência à corrosão, impurezas, agentes
contaminadores, ph, toxidez, etc.
Condições de serviço – Temperatura e pressão. Devem ser consideradas
condições extremas, mesmo que sejam eventuais ou transitórias.
Resistência mecânica – O material deve ter resistência compatível com os esforços
(sobrecargas externas, reações de dilatação térmica, vento, peso, etc.).
Custo dos materiais – Consideram-se os custos diretos e os indiretos que são o
tempo de vida e os custos de reposição e paralisação do sistema.
Grau de Segurança – O grau de segurança dependerá da resistência mecânica e
do tempo de vida.
Resistência ao escoamento – Perdas de carga. Deve ser transmitida a maior
potência possível com a menor perda.
12
Com as tecnologias já conhecidas e utilizadas na exploração e produção de
petróleo no país, o Brasil garante uma boa demanda no mercado mundial, mas para
assegurar que a exploração na camada pré-sal seja executada de maneira eficiente
e segura é necessário que novas tecnologias sejam criadas e implantadas.
5.0 - Novas tecnologias em tubulações na exploração do pré-sal
brasileiro
O desenvolvimento da indústria offshore tem sido acompanhado pelo aumento
da profundidade das lâminas d’água. O descobrimento de novas jazidas está
ocorrendo em águas cada vez mais profundas, nas principais zonas produtoras do
Golfo do México, Mar do Norte, África, América do Sul e Ásia.
O Brasil está sendo considerado como uma das fronteiras para a exploração
de petróleo no mundo devido às grandes descobertas do pré-sal. A completação de
campos petrolíferos em lâminas d’água superiores a 1500 metros é um grande
desafio que tem levado ao desenvolvimento de diferentes concepções.
Para águas ultra-profundas, está sendo provada a eficácia de uma concepção
para o sistema de risers/ dutos flexíveis, o que gera a necessidade de um estudo
mais atencioso em relação à sua composição, material, geometria e instalação. Os
risers submarinos são os dutos responsáveis por transportar o óleo desde o fundo
do mar até a plataforma na superfície, como ilustraremos na figura 9 a seguir:
Figura 9 - Ilustração de uma exploração utilizando risers/ dutos flexíveis
Além do riser, existem outros dois tipos de dutos importantes no
desenvolvimento das novas tecnologias na indústria de tubulações para o pré-sal
13
brasileiro, que são os flowlines, que transportam o óleo desde a saída do poço até a
conexão com os risers como ilustraremos na figura 10, e os dutos de exportação,
que são provenientes da unidade de produção, e tem a função de distribuir o óleo
produzido para os navios ou refinarias.
Figura 10 - Flowlines, dutos que transportam o óleo desde a saída do poço até a conexão com os risers
Na maioria dos casos, os risers são estruturas compósitas, esbeltas,
resistentes à flexão, tração e torção, e ainda capazes de suportar pressão externa e
interna. Quanto aos pipelines, são estruturas estáticas, mas que devem suportar o
carregamento imposto pela pressão hidrostática, a qual aumenta à medida que a
profundidade da água aumenta.
Do ponto de vista operacional, um sistema submarino de produção precisa
manter sua confiabilidade em níveis extremos, para que graves acidentes não
ocorram, o que poderia até gerar perda da produção. Do ponto de vista econômico,
apresentam um razoável investimento nos projetos de desenvolvimento desses
sistemas e um custo de risco associado à probabilidade de falha. Assim, a demanda
por dutos cada vez mais qualificados vem crescendo junto com o desenvolvimento
de novas tecnologias que visam a promover um contínuo desenvolvimento de
tubulações para o pré-sal brasileiro.
O tipo de configuração de duto sanduíche tem uma grande aplicabilidade em
dutos de exploração de petróleo em ambientes de águas ultra-profundas, podendo
14
gerar uma economia de material, pois demonstram um aumento do isolamento
térmico e da rigidez do duto.
5.1 - Risers/ dutos flexíveis
Os dutos são um capítulo à parte na indústria do petróleo. São milhares e
milhares de quilômetros de tubulações especialmente suscetíveis à corrosão, fadiga
e entupimentos que obrigam a interromper as operações. Na cabeça do poço, esses
tubos formam uma teia, conectando vários poços a uma mesma plataforma, em
seguida, conectam as plataformas aos navios que transportarão o óleo.
Um dos maiores desafios tecnológicos do Pré-sal são os risers (Dutos
flexíveis), os dutos que transportam o óleo e o gás para a superfície. Eles precisam
suportar grandes pressões no fundo do mar (o peso da coluna d’água, que tenta
esmagá- los) e ao mesmo tempo grandes trações, como ilustra a figura 11 a seguir,
pois ficam pendurados a até 2 mil metros, as atuais profundidades de operação em
Campos, que no pré-sal serão ainda maiores. Além de serem robustos, os dutos
necessitam ter flexibilidade, porque a plataforma se move com as ondas, e se forem
rígidos demais podem se romper por fadiga.
Figura 11 - Ilustração das trações internas do Risers
Existem materiais flexíveis que são, contudo, excessivamente caros. Então
um grande desafio hoje é construir risers com a dose certa de robustez e
flexibilidade, a custos economicamente aceitáveis.
15
Os dutos flexíveis que ligam o poço à plataforma estão sendo desenvolvidos
com várias camadas de aço e polímeros especiais, com espessura e
homogeneidade rigorosamente controladas por ultrassom. O diâmetro interno do
duto varia de 2,5 a 16 polegadas. Na figura 12 a seguir ilustraremos o interior dos
risers e suas camadas
Figura 12 - Imagem do interior do Risers e suas camadas de trações e blindagens
As novas tecnologias estão sendo submetidas a testes destrutivos e de
corrosão que reproduzem as condições do fundo do mar e prevêem uma vida útil de
400 anos.
A flexibilidade é um dos grandes diferenciais das novas tecnologias para o
pré-sal, de acordo com o presidente da Wellstream do Brasil. Ele explica que em
ambientes instáveis como o do Golfo, ao ser anunciada a passagem de um furacão,
os dutos podem ser desconectados e abandonados no fundo do mar e a plataforma
deslocada para fora do olho do furacão até que se restabeleça a normalidade. Com
a tecnologia rígida, o máximo que se pode fazer é retirar o pessoal da base e
aguardar para apurar os prejuízos, lembrando que a plataforma para esta tecnologia
também é mais onerosa. A entrada das plataformas FPSO (Floating Production
Storage and Offloading) no Golfo do México está sendo feita pela Petrobras para
testes.
16
Para a Petrobras, no entanto, a tecnologia oferece um apelo a mais: o da
produção antecipada. Isso significa que detectada a existência de um reservatório
de petróleo sob o mar, é possível iniciar a produção com uma plataforma menor e
menos custosa até que se estude a dinâmica dos fluidos e se estabeleça uma
estrutura maior para a exploração. Os dutos podem ser estendidos e reposicionados
em diferentes pontos, onde as condições e volume de produção sejam mais
favoráveis.
Rigidez, flexibilidade, resistência à fadiga e aos ataques corrosivos, como
ilustra a figura 13 a seguir, não são os únicos problemas das tubulações. É preciso
também que tenham algum tipo de proteção térmica para que resistam ao
resfriamento à medida que sobem para a superfície. Dentro do reservatório, o óleo e
o gás enfrentam temperaturas de 80ºC a 150ºC (quanto maior a profundidade no
interior da terra, mais altas são as temperaturas).
Figura 13 - Foto mostra uma corrosão típica em Risers
Quando atravessam a camada de sal em seu trajeto para o alto, perdem parte
do calor, pois o sal é um difusor que esfria o fluxo térmico. Assim, quando chegam
ao leito marinho, podem estar abaixo de 90ºC. Ocorre que, no leito do mar sob uma
lâmina d’água de 3 mil metros, a temperatura da água é de 4ºC. O esfriamento
rápido do petróleo provoca a formação de coágulos que entopem as tubulações,
especialmente porque no caminho até a plataforma o óleo e o gás ainda estão
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misturados com água e sedimentos. Só na plataforma é que é feita a separação,
com a água sendo devolvida ao mar, ou reinjetada no poço, e o gás e o óleo
enviados ao continente.
A indústria do petróleo estuda alternativas que incluem a adição de produtos
químicos ao óleo e ao gás para retardar o esfriamento, e o desenvolvimento de
materiais que protejam termicamente os dutos. Há também ideias de fazer a
separação da água e sedimentos ainda na cabeça do poço, o que reduziria o risco
de entupimento dos risers. No futuro talvez nem seja preciso manter plataformas,
bastaria bombear diretamente o óleo e o gás diretamente do poço para a costa. Mas
por enquanto é apenas um conceito que precisa ser desenvolvido.
5.2 – Duto Sanduíche
O duto sanduíche é composto por dois tubos de aço montados
concentricamente com polipropileno no anular. A alta resistência estrutural é obtida
devido à estrutura sanduíche (um caso particular de compósito) ser caracterizada
pela combinação de diferentes materiais colados, contribuindo com suas
propriedades individuais para o desempenho global da estrutura. Geralmente uma
estrutura sanduíche é dividida em três camadas, duas externas finas e rígidas e uma
central espessa e flexível.
As camadas externas são coladas na interna para permitir a transferência de
carregamento entre os componentes. Na figura 14 a seguir, veremos em escala
reduzida das três camadas da estrutura do duto sanduiche.
Figura 14 - Escala reduzida das três camadas do Duto Sanduíche
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A tecnologia do duto sanduíche promete ser uma vantajosa alternativa em
relação ao método pipe-in-pipe, amplamente utilizado pela indústria.
O pipe-in-pipe que a Petrobras pretende utilizar em dois poços do campo de
Roncador na Bacia de Campos, consiste na utilização de um duto no interior do
outro, como linha de produção. O espaço anular entre esses dutos dispõe de um
isolamento térmico de alta performance, que tem a função de inibir a formação de
hidratos de gás ou parafinas.
A inovação patenteada pela Coppe/UFRJ, foi aplicar polipropileno sólido com
isolante térmico no anular aderido às camadas de aço do duto, tornando a estrutura
heterogênea. Além de isolante, o material trouxe vantagens para a estrutura.
O polipropileno é menos efetivo em termos de isolamento que o pipe-in-pipe. Mas
sua aplicação em águas profundas é vantajosa e econômica, porque ele proporciona
redução das camadas de aço do duto, afirma o coordenador do Programa de
Engenharia Oceânica da Coppe, Segen Estefen. Outra vantagem do duto sanduíche
é que ele teria mais facilidade de instalação pelo método carretel.
O peso de aço do novo duto em relação ao pipe-in-pipe é significativamente
menor, se for levada em consideração a mesma profundidade de projeto. Em
relação a um duto de parede simples, o peso de aço é equivalente. O peso total do
duto sanduíche pode ser 25% menor se comparado ao pipe-in-pipe. Em termos de
peso submerso a diferença é ainda maior, 55%. O peso total do duto sanduíche é
cerca de 15% maior que o do duto de parede simples, mas por outro lado o peso
submerso é 20% menor, o que pode facilitar a instalação em profundidades muito
elevadas.
As simulações numéricas indicam que a geometria do protótipo em fabricação
tem capacidade para instalação em 3 mil metros de profundidade aproximadamente.
Suas dimensões são: tubos de aço API X52 interno e externo com 6 5/8 e 8 5/8 de
polegada, espessuras iguais de 1/4 de polegada e camada de polipropileno de 19
mm, como ilustra a figura 15 a seguir:
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Figura 15 - Foto do Duto Sanduíche formado de duas camadas de aço com um material polimérico ao
meio
6.0 - Novas tecnologias no processo de separação de óleo, gás e água
Os esforços mais concretos atualmente visam pelo menos diminuir o tamanho
das plataformas, e portanto os custos por meio do desenvolvimento de sistemas
mais compactos. Estudos dessa natureza estão sendo feitos no Programa de
Engenharia Mecânica da Coppe, pela equipe comandada pelo professor Atila Freire,
da área de Mecânica de Fluidos. Três laboratórios com uma área total de 6 mil
metros quadrados estão sendo construídos com recursos da Petrobras para ajudar a
melhorar as tecnologias de separação e elevação do petróleo e do gás natural.
Trata-se do Laboratório de Escoamento Multifásico em Tubulações, Laboratório de
Separadores Compactos, e o Laboratório de Tecnologia de Engenharia de Poços.
Os dois primeiros foram inaugurados em 2010, e o terceiro está sendo inaugurado
em 2011.
Atualmente, em locais como a Bacia de Campos, o óleo e o gás natural são
separados da água e dos sedimentos em imensos tanques que ocupam muito
espaço nas plataformas. É empregado um processo gravimétrico, isto é, os
materiais mais pesados decantam e se depositam no fundo do tanque. Mesmo antes
da inauguração dos novos laboratórios, a equipe de Atila já está trabalhando com a
Petrobras e a Faculdade de Engenharia de Itajubá no aperfeiçoamento de
separadores compactos, que poderão ser instalados nas plataformas, ou
eventualmente na própria cabeça do poço.
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Os novos separadores funcionam por efeito ciclônico. A mistura de petróleo,
gás, água e sedimentos, que sai do reservatório entram na tubulação girando como
um ciclone, e os materiais vão se separando dentro da própria tubulação. Os
sedimentos mais pesados passam a correr junto às paredes do tubo, enquanto os
mais leves tendem a correr mais próximos do centro. Ou seja, a areia fica nas
bordas, em seguida o óleo, a água, e finalmente bem no centro, o gás natural. Um
aperfeiçoamento concebido pelo Consórcio Petrobras, Coppe e Faculdade de
Engenharia de Itajubá.
Foi criada uma válvula ciclônica, como ilustra a figura 16 abaixo, que ao
contrário das válvulas convencionais utilizada nos separadores, impede que ocorra a
emulsão.
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Figura 16 - Válvula ciclônica
Esse fenômeno é caracterizado pela quebra das partículas de um dos
materiais e sua mistura com o material que corre ao lado. Ou seja, se a emulsão
ocorre, o óleo e a água, ou o gás e a água, se misturam de tal forma que fica
impossível separá-los novamente depois.
Nos novos laboratórios também será estudado um dos grandes problemas
associados ao pré-sal: a grande quantidade de CO₂ presente nos reservatórios. O
CO₂ pode formar padrões de escoamento que aumentam a perda de carga,
requerendo um aumento da pressão que faz o fluido escoar pela tubulação. Com
mais perdas o escoamento é prejudicado, a produtividade é reduzida, e os custos de
produção são aumentados.
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A Coppe estudará os padrões de formação de escoamento multifásicos, que
têm grande variabilidade para entender sua influência nas propriedades do
escoamento. As informações obtidas permitirão aperfeiçoar os projetos de
engenharia dos sistemas de escoamento.
VIII
Conclusão
O que podemos concluir com esse trabalho é que grande parte do
desenvolvimento de novas tecnologias para a E&P de petróleo na camada pré-sal
do Brasil ainda está em andamento. Devido aos desafios existentes para a sua
exploração, como a profundidade, por exemplo, ainda não se têm definidos quais
são os tipos de equipamentos que darão um suporte seguro à exploração de óleo na
camada pré-sal. O Brasil terá que importar muita tecnologia de fora. Embora
tenhamos parcerias com instituições de peso que auxiliam no desenvolvimento
dessas tecnologias em nosso território, isso ainda é insuficiente quando falamos em
vencer os desafios existentes no pré-sal. As novas tecnologias apresentadas aqui
não são as que realmente serão utilizadas em sua exploração, e sim tendências que
empresas brasileiras estão seguindo no momento por completarem da melhor forma
o perfil de equipamentos que devem ser utilizados na exploração do pré-sal. Por se
tratar de desenvolvimento de novas tecnologias, muitos projetos nascem, mudam e
desaparecem muito rápido, dessa forma nada impede que com o passar de mais
alguns meses um novo projeto sobre tubulações, risers ou dutos sanduiches surja
para atuar na área, deixando para trás muitos trabalhos que vinham sendo
desenvolvidos até agora.
IX
Referências bibliográficas
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BORGES, D. Artérias para o petróleo brasileiro. Gestão Empresarial. Ano 3, N. 7, p.
10 – 13, Fevereiro/ Março de 2008.
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www.planeta.coope.ufrj.br – Acesso em 02/05/2011.
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26/04/2011.
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20/04/2011.
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www.tenaris.com – Acesso em 02/05/2011.
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2008). Disponível em: www.oceanica.ufrj.br – Acesso em 12/04/2011.
Pré-sal: Perguntas & Respostas. Disponível em:
http://veja.abril.com.br/idade/exclusivo/perguntas_respostas/pre-sal/ - Acesso em 22
de abril de 2011.
10 perguntas para você entender o pré-sal. Disponível em:
http://www.petrobras.com.br/minisite/presal/pt/perguntas-respostas/ - Acesso em 22
de abril de 2011.