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Paulo Guilherme Oliveira de Oliveira
Estudo de Confiabilidade de Sistemas de
Controle de Dispositivos de Segurança de
Sub-superfície em Poços de Petróleo
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para
obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-
graduação em Engenharia Mecânica do departamento de
Engenharia Mecânica da PUC-Rio.
Orientador: Prof. Arthur Martins Barbosa Braga
Rio de Janeiro
Janeiro de 2016
Paulo Guilherme Oliveira de Oliveira
Estudo de Confiabilidade de Sistemas de Controle
de Dispositivos de Segurança de Sub-superfície
em Poços de Petróleo
Dissertação apresentada como requisito parcial para
obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica do Centro Técnico
Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão
Examinadora abaixo assinada.
Prof. Arthur Martins Barbosa Braga
Orientador
Departamento de Engenharia Mecânica – PUC-Rio
Prof. Wellington Campos
Departamento de Engenharia Mecânica – PUC-Rio
Dr. Eduardo dos Santos Radespiel
Petrobras
Dr. Manoel Feliciano da Silva Junior
CENPES/Petrobras
Prof. Márcio da Silveira Carvalho
Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico – PUC-Rio
Rio de Janeiro, 29 de Janeiro de 2016
À minha mãe Maria das Graças, pela motivação constante.
À minha esposa Ariane, pelo seu apoio e dedicação.
Agradecimentos
Aos meus pais, que sempre acompanharam meus estudos com confiança e carinho.
Ao meu orientador Arthur Braga, pelo auxílio nas horas mais difíceis desse período.
À PUC-Rio e, principalmente, ao departamento de Engenharia Mecânica, que
permitiu a realização desta dissertação, sempre fornecendo todo suporte necessário.
À Petrobras, pelo apoio e suporte prestado.
Ao professor Pauli Adriano, o qual sem seus ensinamentos eu não seria capaz de
realizar este trabalho.
Aos amigos da engenharia de completação, que me incentivaram nessa etapa da
vida, incluindo as discussões técnicas, o aprendizado dentro e fora das salas de aula,
além do ótimo convívio. Um agradecimento em especial a Wellington Campos,
pelos seus ensinamentos, pelas discussões filosóficas, e principalmente pela sua
confiança e motivação na reta final deste trabalho.
Aos familiares e amigos, que ajudaram, de forma direta ou indireta, na conclusão
deste trabalho.
À minha esposa Ariane, pelo amor, amizade, paciência e auxílio em todos os
momentos.
Abstract
Oliveira, Paulo Guilherme Oliveira de; Braga, Arthur Martins Barbosa
(Advisor). Reliability Study of Subsurface Safety Valve Control System in
Oil Wells. Rio de Janeiro, 2016. 141p. MSc. Dissertation – Departamento de
Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
The challenges in well construction have been increasing over time, sometimes
by increasing the technical difficulties due to the greater complexity of the areas to
be developed, sometimes by the improvements in the rules of regulatory agencies
to increase security. There are two pillars that should guide the project of a
petroleum well: safety and productivity. The equipment called Subsurface Safety
Valve and its control system can be considered important for both pillars, because
if the system fails resulting in a premature well closure, it will directly affect the
production. On the other hand, if the failure occurs in an attempt to closing it, may
influence the consequence of a disaster, which would affect both people and the
environment. The objective of this study is to compare the reliability of some
control systems models taking into account the equipment positions throughout the
system and their failure rates. Furthermore, most reliable studies conducted in this
area has mainly focused on safety, but this study has a focus on production
efficiency, and the analysis will be based on comparisons between some
configurations available for subsurface safety valves control system, including
serial and parallel components, using the model of Markov reliability analysis.
Keywords
Well; oil; reliability; Subsurface safety valve; Markov processes.
Sumário
Figura 6-29 - Simplicação do sistema C2......................................................... 129 Figura 6-30 - Diagrama de transição de estados para sistema C2 ................... 130 Figura 6-31 - Confiabilidade x Tempo - Sistema multiplex com acionamento elétrico ............................................................................................................. 131 Figura 6-32 - Gráfico de comparação de Confiabilidade x Tempo - Todos os sistemas .......................................................................................................... 132
- INTRODUÇÃO
- 1.1. Contextualização
- 1.2. Motivação.........................................................................................
- 1.3. Organização da Dissertação
- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
- ENGENHARIA DE POÇOS DE PETRÓLEO SUBMARINO
- 3.1. Classificação da Completação
- 3.2. Descrição dos Principais Equipamentos
- 3.2.1. Árvore de NatalvMolhada
- 3.2.2. Suspensor de Coluna
- 3.2.3. Umbilical e linhas de controle
- 3.2.4. Dispositivo de segurança de sub-superfície (DSSS)
- 3.3. Sistema de Controle do DSSS
- ENGENHARIA DE CONFIABILIDADE................................................
- 4.1. Definições Gerais
- 4.2. O Conceito de Falha
- 4.2.1. Natureza das falhas
- 4.2.2. Falhas Relacionadas à Idade
- 4.2.3. Falhas Aleatórias – Componentes Complexos
- 4.2.4. O Conceito de Falha para o Trabalho
- 4.3. Distribuições Estatísticas
- 4.3.1. Distribuição exponencial
- 4.3.2. Distribuição de Weibull
- 4.4. Análise Markoviana
- 4.4.1. Processos de Markov
- 4.4.2. Análise de 1 componente
- 4.4.3. Dois componentes em paralelo
- 4.4.4. Três componentes (A e B em paralelo, C em série)
- independentes 4.4.5. Sistemas dois componentes - Equipamentos ativos - 4.4.6. Sistema em série - 4.4.7. Sistema em paralelo ativo – cargas independentes
- compartilhadas 4.4.8. Sistemas dois componentes paralelo ativo – cargas - 4.4.9. Sistema paralelo em espera ( Standby System) - 4.4.9.1. Sistema ideal - 4.4.9.2. Falha da unidade “em espera” - 4.4.9.3. Falha no equipamento de acionamento do sistema em espera - 4.4.9.4. Efeitos combinados - 4.4.10. Sistemas com mais de dois componentes
- METODOLOGIA
- 5.1. Configurações estudadas
- 5.1.1. Sistemas tipo A (hidráulico-direto)
- 5.1.2. Sistemas tipo B (eletro-hidráulico multiplexado)
- 5.1.3. Sistema Tipo C - Elétrico
- 5.2. Software Utilizado
- 5.3. Dados Utilizados
- 5.3.1. Estimador da taxa de falha
- 5.3.2. Intervalo de confiança da taxa de falha
- 5.3.3. Propagação das incertezas
- ANÁLISE DOS RESULTADOS
- 6.1. Caso A1 – Sistema HD sem redundância
- 6.2. Caso A2 – Sistema HD com redundância no umbilical
- 6.3. Caso A3 – Sistema HD com duas redundâncias no umbilical
- 6.4. Caso A4 – Sistema HD com redundância na linha de controle.......
- umbilical 6.5. Caso A5 – Sistema HD com redundância na linha de controle e no
- acionamento................................................................................................. 6.6. Caso A6 - Sistema HD com redundância na LC e no UC e falha no - 6.7. Caso B1 – Sistema EH - ANM Multiplexada
- LC 6.1. Caso B2 – Sistema EH - ANM Multiplexada com redundância na - 6.2. Caso C1 – Sistema “elétrico direto” sem redundância - 6.3. Caso C2 – Sistema multiplexado com controle elétrico - 6.4. Comparação dos Resultados
- CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
- 7.1. Conclusões
- 7.2. Recomendações para Próximos Trabalhos
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- Figura 1-1 - Ciclo de vida de um poço de petróleo Lista de figuras
- Figura 1-2 - Erupção de um poço de petróleo
- Figura 1-3 Lagoa de óleo nas proximidades de um poço de petróleo
- Figura 1-4 - Exemplo de duas barreiras de segurança – Fonte: NORSOK-D10
- Figura 3-1 - Comparação entre árvore de natal seca e molhada
- Figura 3-2 - Árvore de Natal Molhada (ANM)
- Figura 3-3 - Suspensor de coluna
- Figura 3-4 - Umbilical de Controle......................................................................
- Figura 3-5 - Dispositivo de Segurança de Sub-Superfície (DSSS )
- Figura 3-6 - DSSS Auto equalizável...................................................................
- Figura 3-7 - Esquemático do sistema de controle do DSSS
- Figura 4-1 Esquemático - Curva da Banheira
- Figura 4-2 Tipos de probabilidades condicionais de falhas
- Figura 4-3 - Estudo da probabilidade condicional de falhas ao longo do tempo
- Figura 4-4 - Diagrama de blocos - 1 componente
- Figura 4-5 - Diagrama de transição - 1 componente
- Figura 4-6 - Diagrama de blocos - 2 componentes em paralelo
- Figura 4-7 - Diagrama de transição - dois componentes em paralelo
- Figura 4-8 - Diagrama de blocos – três componentes
- Figura 4-9 - Diagrama de transição - três componentes
- Figura 4-10 - Diagrama de transição - equipamentos ativos independentes
- Figura 4-11 - Diagrama de transição - sistema em série
- independentes Figura 4-12 - Diagrama de transição - sistema paralelo ativo – cargas
- compartilhadas Figura 4-13 - Diagrama de transição - sistema paralelo ativo – cargas
- Figura 4-14 - Influencia do incremento da carga na confiabilidade.....................
- Figura 4-15 - Diagrama de transição - sistema paralelo em espera
- Figura 4-16 - Comparação de R(t): sist. paralelo ativo x sist. paralelo standby
- Figura 4-17 - Diagrama de transição - falha da unidade “em espera”
- sistema Figura 4-18 Influencia da falha da unidade de backup na confiabilidade do
- espera Figura 4-19 - Diagrama de transição - falha no equip. de acionamento do sist.
- Figura 4-20 - Três componentes em paralelo
- Figura 4-21 - Diagrama de transição - três componentes em paralelo
- Figura 5-1 - Sistema A1 – HD sem Redundância...............................................
- Figura 5-2 - Sistema A2 - HD com Redundância no Umbilical
- Figura 5-3 - Sistema A3 - HD com duas redundâncias do Umbilical
- Figura 5-4 - Sistema A4 - HD com Redundância na Linha Hidráulica
- Figura 5-5 - Sistema A5 - HD com redundância na LC e no UC
- acionamento Figura 5-6 - Sistema A6 - HD com redundância no UC e LC e falha no
- LC Figura 5-7 - Sistema B1 – Hidráulico - ANM Multiplexada sem redundância na
- LC Figura 5-8 - Sistema B2 – Hidráulico - ANM Multiplexada com redundância na
- Figura 5-9 - Sistema C1 - Sistema Elétrico sem Redundância
- Figura 5-10 - Sistema C2 - Sistema Elétrico Multiplexado
- Figura 5-11 - Visualização dos estados de Markov
- Figura 5-12 - Editor de propriedades - Detalhamento do diagrama
- Figura 5-13 - Editor de propriedades - Detalhamento do nó...............................
- Figura 6-1 - Simplificação do sistema A1
- Figura 6-2 - Estados possíveis do sistema A1
- Figura 6-3 - Confiabilidade x Tempo - Sistema HD equipamentos em série
- Figura 6-4 - Simplificação de sistema A2
- Figura 6-5 - Diagrama de transição de estados para sistema A2
- Figura 6-6 - Confiabilidade x Tempo - Sistema HD com redundância no UC
- Figura 6-7 - Simplificação do sistema A3
- Figura 6-8 - Diagrama de transição de estados para sistema A3
- no UC Figura 6-9 - Confiabilidade x Tempo - Sistema HD com duas redundâncias
- Figura 6-10 - Simplificação do sistema A5
- Figura 6-11 - Diagrama de transição de estados para sistema A4
- Figura 6-12 - Confiabilidade x Tempo - Sistema HD com redundância na LC
- Figura 6-13 - Simplificação do sistema A5
- Figura 6-14 - Diagrama de transição de estados para sistema A5
- UC e na LC Figura 6-15 - Confiabilidade x Tempo - Sistema HD com redundância no
- Figura 6-16 - Simplificação do sistema A6
- Figura 6-17 - Descrição dos estados do sistema A6
- Figura 6-18 - Diagrama de transição de estados para sistema A6
- acionamento Figura 6-19 – R(t) x T – Sist HD redundância na LC e UC e falha no
- Figura 6-20 - Simplificação do sistema B1
- Figura 6-21 - Diagrama de transição de estados para sistema B1
- Figura 6-22 - Confiabilidade x Tempo - Sistema multiplexado
- Figura 6-23 - Simplificação do sistema B2
- Figura 6-24 - Diagrama de transição de estados para sistema B2
- na LC Figura 6-25 - Confiabilidade x Tempo - Sistema multiplex com redundância
- Figura 6-26 - Simplificação do sistema C1
- Figura 6-27 - Diagrama de transição de estados para sistema C1
- redundância Figura 6-28 - Confiabilidade x Tempo - Sistema elétrico direto sem
- Tabela 2-1 - Graus de validação - API 14A 12th edição.....................................
- Tabela 2-2 - Modos de falha - ISO
- Tabela 2-3 - Definição de falha para o sistema DSSS. Fonte: Molnes
- Tabela 4-1 - Classificação dos Processos de Markov
- Tabela 4-2 - Estados - 1 componente
- Tabela 4-3 - Tabela de estados - dois componentes
- Tabela 4-4 - Tabela de estados - três componentes
- Tabela 4-5 - Tabela de estados - Equipamentos em série
- independentes Tabela 4-6 - Tabela de estados - Sistema paralelo ativo – cargas
- Tabela 4-7 - Tabela de descrição dos estados - Sistema paralelo em espera
- Tabela 4-8 - Tabela de estados - três componentes
- Tabela 5-1 – Vantagens e desvantagens dos sistemas hidráulico e elétrico
- Tabela 5-2 - Informações de taxa de falha utilizadas para o estudo...................
- Tabela 6-1 - Descrição dos estados do sistema A1
- Tabela 6-2 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema A1
- Tabela 6-3 - Descrição dos estados do sistema A2
- Tabela 6-4 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema A2
- Tabela 6-5 - Descrição dos estados do sistema A3
- Tabela 6-6 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema A3
- Tabela 6-7 - Descrição dos estados do sistema A4
- Tabela 6-8 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema A4
- Tabela 6-9 - Descrição dos estados do sistema A5
- Tabela 6-10 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema A5
- Tabela 6-11 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema A6
- Tabela 6-12 - Descrição dos estados do sistema B1
- Tabela 6-13 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema B1
- Tabela 6-14 - Descrição dos estados do sistema B2
- Tabela 6-15 - - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema B2
- Tabela 6-16 - Descrição dos estados do sistema C1
- Tabela 6-17 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema C1
- Tabela 6-18 - Descrição dos estados do sistema C2
- Tabela 6-19 - Taxas de falha dos equipamentos - Sistema C2
- Tabela 6-20 - Descrição dos sistemas - Tabela resumo
- Tabela 6-21 - Comparação das métricas
Lista de Abreviações
DSSS Dispositivo de Segurança de Sub Superfície ANM Árvore de Natal Molhada RGO Razão Gás Óleo BSW Basic Sediment and Water DHSV Downhole Safety Valve PDG Permanent Downhole Gauge ANP Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis VPL Valor Presente Líquido WR Wireline Retrievable MTTF Mean Time To Failure MTTR Mean Time To Repair API American Petroleum Institute HPHT High Pressure High Temperature BAP Base Adaptadora de \produção ISO International Standard Organization UEP Unidade Estacionária de Produção TPT Temperature and Pressure Transducer HCR High Collapse Resistant HPU Hydraulic Power Unit SCM S ubsea Control Module SEM Subsea Electronic Modules SSSV Sub Surface Safety Valve LDA Lamina D´água OREDA Offshore Reliability Data
1. INTRODUÇÃO
A dificuldade de produzir hidrocarbonetos vem crescendo ao longo do tempo, pois a cada ano que passa as reservas encontradas estão cada vez mais em lugares inóspitos e de difícil extração, como no pré-sal.
Os dois pilares para que se possa desenvolver um projeto de engenharia, principalmente na área construção de poços de petróleo, são a segurança e o retorno do investimento, onde este segundo item pode ser dividido em produtividade e custo.
Em um poço de petróleo, existem vários sistemas de segurança para que a produção seja feita de forma sempre segura e controlada, sendo alguns deles instalados durante a fase de perfuração do poço e, outros, instalados e testados durante a completação do poço (ANM, colunas de produção, obturadores ( packers ), DSSS etc).
A figura 1.1 representa o ciclo de vida de um poço de petróleo, desde a sua fase de projeto até seu abandono definitivo. Uma vez definido pela área de reservatório que um poço será perfurado, inicia-se o seu projeto de construção. Então o poço é perfurado e, na sequência, completado, ficando assim disponível para a produção (ou injeção, no caso de um poço injetor).
Porém, ao longo da vida produtiva do campo, o declínio da produção de hidrocarbonetos (óleo e/ou gás) é algo inevitável, e novas intervenções em poços ou até mesmo novos projetos de poços são demandados, a fim de se manter a produção da unidade de operação do campo pelo maior tempo possível. Paralelamente ao declínio de produção, a ocorrência de aumento de BSW (água produzida) e RGO (produção de gás) também podem demandar intervenções em poços a fim de se isolar zonas do poço, entre outros objetivos. Problemas de integridade também podem aparecer, e tais problemas necessariamente demandam intervenções para se reestabelecer as condições de integridade conforme especificadas no projeto original do poço. Uma vez que o poço se encontra fechado com a necessidade de intervenção, é realizado um estudo de viabilidade técnico-econômica. Uma vez avaliada positivamente, uma sonda é planejada para reentrar no poço e realizar a intervenção para reestabelecer a produção. O poço fica neste “ciclo” até que a análise econômica de intervenção não seja mais positiva. Neste ponto de sua vida produtiva, é planejada e realizada a intervenção de abandono definitivo do poço.
Figura 1-1 - Ciclo de vida de um poço de petróleo Diferente da maioria dos estudos já realizados, os quais focam sua confiabilidade visando a segurança, este trabalho pretende obter um foco de eficiência de produção, estudando um dos sistemas de segurança de um poço de petróleo, o dispositivo de segurança de sub-superfície (DSSS), mais conhecido como DHSV ( Downhole Safety Valve ) e seu sistema de controle. Esta análise será baseada em comparações entre algumas configurações disponíveis do sistema de controle do DSSS, entre componentes em série e em paralelo, baseado no modelo de análise de confiabilidade markoviano.
Dentre os métodos utilizados no cálculo de atributos de confiabilidade, o markoviano é um dos mais poderosos. Ele modela o sistema em evidência por intermédio dos estados intermediários que o sistema pode assumir e as respectivas transições entre eles. Em confiabilidade, um estado representa uma combinação de componentes, cada um dos quais em um estado de falha ou funcionamento. Assim, um sistema de n componentes terá um espaço com, no máximo, N = 2 ^ estados. Com o passar do tempo, o sistema deverá evoluir caminhando entre estes estados e as falhas e reparos que os componentes sofrem com o passar do tempo são os mecanismos de mudança de um estado para outro.
O conceito de confiabilidade está diretamente relacionado com a credibilidade que se tem em um produto, equipamento ou sistema. A análise de confiabilidade se caracteriza principalmente por uma avaliação probabilística da falha de um sistema / produto em fase de projeto, e a qualidade da manutenção e operação dos equipamentos são essenciais para que a confiabilidade de projeto seja mantida.
