08-rômulo lima barbosa[1]

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Rômulo Lima Barbosa Murilo Augusto Vaz João Carlos Ribeiro Plácido

Análise de forças de contato e desgaste interno em risers de perfuração /Analysis of contact forces and abrasive wear in drilling marine risers

resumo

Este trabalho apresenta uma metodologia para determinar o desgas-te na parede interna dos risers de perfuração em virtude do seu contato abrasivo com a coluna de perfuração. Elabora-se um estudo comparativo que relaciona o desgaste sofrido pelo riser em contato com uma coluna de aço com o desgaste sofrido quando em contato com uma coluna de alumínio. Utilizando um modelo numérico com base no Método dos Ele-mentos Finitos (MEF), um estudo de caso é apresentado simulando um siste-ma de perfuração em lâmina d’água de 3 000 m e um poço com 1 500 m de extensão. A análise do problema é conduzida de forma estática, na

PALAVRA-CHAVE:

desgaste de revestimento risers de perfuração

KEYWORDS:

internal wear drillstring

abstract

This paper presents a methodology for determining the interior riser wear due to the abrasive contact with the drillstring, through a comparative study of wear while working with drillstring made of or steel pipes either aluminum pipes. Using a numeric model based on finite elements (FEM), a case study is presented simulating a drilling system in 3 000 m water depth and a 1 500 m measured depth well. The analysis of the problem is driven in a static way, which works with the drillstring coupled to the drilling marine riser. Later, the main contact forces obtained are associated to the operational drilling parameters, such as: wear factor, penetration rate and drillstring rotation. Finally, an analytical model is used to determine the volume of material removed from the internal wall of the marine riser. This analysis resulted that the steel pipes generated contact force higher than the aluminum pipes due to the largest weight, resulting larger material volume removed from the internal wall of the drilling marine riser.

(Expanded abstract available at the end of the paper).

B o l e t i m t é c n i c o d a P r o d u ç ã o d e Pe t r ó l e o , R i o d e J a n e i r o - v o l u m e 2 , n º 1 , p . 4 9 - 6 3

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qual se trabalha com a coluna de perfuração acopla-da ao riser de perfuração. Posteriormente, as principais forças de contato obtidas são associadas aos parâme-tros operacionais do processo de perfuração, tais como: coeficiente de desgaste, taxa de penetração e rotação da coluna. Por fim, um modelo analítico foi utilizado para determinar o volume de material removido da pa-rede interna do riser de perfuração. Com a análise dos resultados, observa-se que a coluna de perfuração de aço gerou uma força de contato lateral maior do que a coluna de alumínio devido ao seu maior peso e, conse-qüentemente, maior volume de material foi desgastado na parede interna do riser.

introduçãoNo escopo deste trabalho é apresentado o proble-

ma de desgaste localizado devido às forças de contato excessivas entre a coluna de perfuração e o sistema do riser de perfuração, que inclui os seguintes componen-tes: blowout preventer (BOP), junta flexível (flex joint), LMRP (lower marine riser package) e riser de perfura-ção. O modo estudado consiste em substituir o material do tubo de perfuração por uma liga mais leve. Baseado em pesquisas anteriores, optou-se pela liga de alumínio por ter resistência axial e à fadiga apropriadas ao am-biente ao qual será submetida e, principalmente, por conter menor peso próprio. O objetivo deste trabalho é avaliar, estruturalmente, a suscetibilidade da coluna de perfuração de alumínio, apresentando um estudo com-parativo de desgaste com a coluna de perfuração de aço, quando ambas são submetidas às forças de conta-to com diferentes intensidades.

O primeiro passo do trabalho foi desenvolver um modelo numérico para determinar as forças de contato entre a coluna de perfuração e o riser, considerando a ação de peso próprio, flutuação, ação das correntes marítimas, passeio da plataforma, deslocamentos, es-forços e, principalmente, as forças de contato. O se-gundo passo foi desenvolver um modelo analítico para determinar o percentual de material removido pela ação do desgaste por fricção, que é dependente da força de contato máxima encontrada para cada conFiguração.

Muitos estudos foram realizados em laboratórios para definir os tipos de desgaste e como medí-los, a fim de prever a sua extensão. Por causa da complexidade do processo de desgaste, não foi possível formular uma equação universal. Neste trabalho utilizou-se a equação para desgaste desenvolvida por Hall et al. (2005).

análise estrutural estática acoplada

A extremidade superior do riser de perfuração é fixada em um sistema de sustentação que, devido ao passeio da unidade flutuante e às forças de corrente, não permanece alinhado ao poço. A corrente, o pas-seio e o peso próprio conferem ao riser uma disposi-ção semelhante à catenária. A capacidade da coluna de perfuração alterar a conFiguração da curvatura causada no riser em catenária também é uma questão a ser ana-lisada. Na extremidade inferior do riser existe uma junta flexível (flex joint) que restringe o ângulo de inclinação da primeira junta do riser, logo acima da junta flexível em até 10 graus em relação a um eixo vertical. A curva-tura mais acentuada deve ser encontrada nesta região, próxima à junta flexível. Neste trecho, os contatos entre o riser e a coluna de perfuração devem ser mais expres-sivos. No trabalho serão analisados apenas dois casos que terão uma conFiguração padrão, alterando apenas o tipo de material do tubo de perfuração. Portanto, se-rão feitas análises para uma coluna de perfuração de aço e outra de alumínio.

força de contato

Como a coluna de perfuração trabalha com tração de topo diferente da linha do riser, uma análise acopla-da confirma que o riser tem seu deslocamento lateral parcialmente restringido ou afetado pela presença da coluna em seu interior. Essa restrição mostrada por Bar-bosa (2006a) é conseqüência dos pontos de contato da coluna com a parede interna do riser.

Para unir os tubos de perfuração são utilizadas co-nexões denominadas tool joints, que são os pontos

Análise de forças de contato e desgaste interno em risers de perfuração – Barbosa et al


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mais suscetíveis ao contato com o poço ou com o riser ao longo da coluna de perfuração. Isto ocorre porque estas conexões têm seu diâmetro até 33% maior que o diâmetro nominal do tubo de perfuração de aço, e 29% maior que o do tubo de alumínio. Por este motivo, enquanto não houver uma mudança brusca na curva-tura da coluna, a parte mediana dos tubos de perfura-ção não desenvolverá forças de contato. Porém, num sistema de perfuração real, a linha do riser e da colu-na de perfuração apresentam uma curvatura excessiva próxima à junta flexível, onde é possível que a parte mediana de um tubo de perfuração (ou corpo do tubo de perfuração) entre em contato com outros elementos externos em determinadas análises.

modelo de equivalência dentrodo poço

Como o poço analisado é vertical, a representação da coluna de perfuração dentro do poço é desneces-sária, considerando-se apenas o esforço axial sobre o tubo de perfuração logo abaixo do BOP. Permitiu-se en-tão a substituição do trecho abaixo da cabeça do poço por um bloco único com rigidez aos carregamentos e restrições equivalentes.

A resistência à tração no topo da coluna de perfura-ção deve sustentar seu peso total submerso no fluido de perfuração. Portanto, a tração de topo foi determinada considerando o comprimento da coluna dentro do riser, somado à tração no tubo logo abaixo do BOP. Assim, a mola equivalente colocada logo abaixo da cabeça do poço deve suportar uma carga de tração igual ao peso da coluna, que foi substituída por ela mesma.

definição da malha

Para se realizar uma análise global de um sistema de perfuração submetido a esforços externos e ao peso pró-prio dos elementos, optou-se por um modelo numérico desenvolvido por Custódio (2003). O modelo é baseado no método dos elementos finitos, que representa a não-linearidade do sistema, possibilitando a obtenção de re-sultados bem próximos de um sistema real.

A coluna de perfuração é uma seqüência de tubos e conexões que, inicialmente, no modelo são divididos

em quatro partes: duas correspondentes às conexões nas extremidades, e as outras duas ao corpo do tubo de perfuração com a geometria da seção nominal. Cada trecho dos elementos tubulares externos (BOP, riser, LMRP) equivalentes é dividido em elementos de tubos com espaçamento regular entre os nós. O comprimento de cada elemento depende de uma estimativa da rele-vância da região para o contato.

seleção de elementos

O programa computacional ABAQUS dispõe de vá-rios tipos de elementos capazes de simular os compo-nentes da coluna de perfuração e do riser. Entre outros elementos, destacam-se as entidades unidimensionais com propriedades mecânicas associadas. A escolha por elementos lineares proporcionou ganho de tempo com-putacional – e uma boa resposta nos resultados do sis-tema. Nessa aplicação, optou-se por elementos de viga de Timoshenko, denominados no ABAQUS de “B31H”. Todos os elementos deste tipo possuem seções circula-res, cujas propriedades básicas são o raio externo e a espessura.

O elemento do tipo junta flexível tridimensional é de-nominado “JOINTC”. Seu emprego modela a interação entre os dois nós que são coincidentes ou quase iguais geometricamente. Eles representam uma junta com rigi-dez interna e/ou amortecimento, de modo que o segun-do nó pode se deslocar ou girar em relação ao primeiro. As rotações relativas nessa junta são limitadas pela for-mulação do elemento, que não recomenda seu uso fora do limite de 90 graus para qualquer das direções.

Elementos de contato entre os tubos modelam a in-teração entre um nó de um elemento de viga e uma linha de deslizamento ao longo de um ou vários ele-mentos de viga, pórtico, cabo ou tubos adjacentes. No programa ABAQUS/Standard, esses elementos são denominados “ITT31”. A interação entre a coluna de perfuração e uma superfície cilíndrica externa é basea-da na abertura e no fechamento deste elemento de contato que, colocado nos nós da coluna de perfura-ção, percebe a aproximação e o afastamento de uma linha de deslizamento anexada a um conjunto de ele-mentos das juntas de riser, do BOP e do revestimento de poço.



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estudo de casosO método adotado para avaliar o desgaste é o esta-

belecimento de um caso padrão para realizar as análises. Este caso padrão sofrerá alterações do tipo de material dos tubos da coluna de perfuração, aço ou alumínio, e suas respectivas características geométricas. Os casos padrões são compostos basicamente pela seqüência de itens listados abaixo:

• seqüência de juntas do riser de acordo com a Tabela 1, que é a mesma empregada por Figuei-redo (2001);

• junta flexível com rigidez de 5 280,3 kN.m/rad e ângulo-limite de 10°;

• revestimento de poço vertical representando até 40 m de comprimento abaixo da cabeça de poço com 9-5/8” de diâmetro;

• comprimento de coluna de perfuração de 1 500 m a ser substituído por mola linear abaixo da cabeça do poço;

• coluna de perfuração de aço e de alumínio com as seguintes características: 5” e 5,15” de diâmetro nominal e peso de 19,50 lbf/pé e 9,0 lbf/pé, respec-tivamente, com juntas de acoplamento de conexão (tool joints) tipo NC 50, e diâmetro de 6-5/8”;

• deslocamento lateral da embarcação (offset) de 50 m, correspondente a 1,7% da lâmina d’água.

especificação das juntas do r iser, colunas de perfuração de aço e de alumínio, e outros elementos externos

Escolheu-se um riser de perfuração de 3 000 m composto pelos trechos apresentados na Tabela 1. As juntas J3 a J7 apresentam flutuadores com 1,32 m de diâmetro. A coluna de perfuração de aço se apresenta em juntas com 30’ (9,14 m) de comprimento, unidas por conexões do tipo NC 50. As principais característi-cas geométricas da coluna de perfuração são apresen-tadas na Tabela 2. A coluna de perfuração de alumínio se apresenta em juntas com 30,22’ (9,21 m) de com-primento, unidas por conexões de aço do tipo NC 50,

Tabela 1 – Características das juntas do riser (L – comprimento da junta; DEXT – diâmetro da junta; Wm – peso linear flutuante; t – espessura da parede).

Table 1 – Riser pipe features (L– length of the joint; DEXT – external diameter of the joint; Wm – linear floated weight; t – wall thickeness)

Tabela 2 – Dados da coluna de perfuração de aço.

Table 2 – Steel drill pipe data.

conforme descrito no manual de operações da Acquatic Company Operation Manual (Aquatic Company Marine Surveys And Drilling Operation, 2002). As característi-cas das conexões NC 50 são as mesmas citadas para o tubo de perfuração de aço. As principais propriedades deste tubo de perfuração são apresentadas na Tabela 3. Apesar do riser de perfuração ser o elemento mais citado no que diz respeito ao desgaste, há outros ele-mentos externos à coluna de perfuração com os quais ela pode entrar em contato. Na Tabela 4, apresenta-se um resumo das propriedades desses elementos.



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tração de topo

A tração no topo do riser é determinada com o peso das juntas (incluindo o efeito dos flutuadores presentes) adicionando uma força de tração no BOP de 278 kN. Pacheco (2004) explica que se deve aten-tar para que a componente lateral da tração no topo não provoque deflexão horizontal excessiva no BOP. O momento devido ao peso do BOP e à excentricida-de podem ocasionar a falha por flexão da coluna do condutor. A redução da tração no topo pode acarretar compressão local, que é mais provável de ocorrer próxi-mo à cabeça do poço.

Na coluna de perfuração, a tração no topo é igual ao peso de toda a coluna submersa no fluido de per-furação, sendo, portanto, função do tipo de material da coluna.

Tabela 3 – Dados da coluna de perfuração de alumínio.

Table 3 – Aluminum drill pipe data.

Tabela 4 – Dados dos outros elementos do sistema do riser de perfuração.

Table 4 – Data on other drillstring system elements.

cargas hidrodinâmicas

Para representar as forças de corrente que estão presentes em um sistema real de perfuração adotou-se a formulação de Morison, onde o coeficiente de arras-to é determinado experimentalmente segundo Faltin-sen (1990). Para uma seção cilíndrica com corrente em torno de 1 m/s e diâmetro em torno de 0,50 m, o nú-mero de Reynolds é aproximadamente igual a 37 000. Resultados experimentais sugerem a utilização de um coeficiente de arrasto em torno de 1,2 (enquanto não houver vibração induzida por vórtices – VIV).

O perfil de corrente adotado foi denominado pri-meiramente de “corrente 100%”. O segundo é igual, porém com redução das forças pela metade, sendo de-nominado de “corrente 50%”. Na Figura 1 são apre-sentadas as velocidades para seus determinados perfis de acordo com a profundidade.

deslocamento e forças de contatoencontradas nas análises

As análises geram um grande número de pontos de contato ao longo do comprimento das linhas. De maneira geral, existem mais de 250 pontos de contato

Figura 1 – Perfis de correntes.

Figure 1 – Stream profiles.



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entre as colunas de perfuração (aço e alumínio) e os elementos externos às colunas. Entretanto, nota-se que a maior parte deles gera uma força de contato com pequena magnitute. Os pontos de maior interesse para o trabalho são os de intensidade mais elevadas, que em ambas análises foram registrados atuando sobre o riser de perfuração. Porém, nota-se que para a região superior (até 200 m de profundidade) e para a região inferior (abaixo de 2 900 m de profundidade) as forças atingem valores maiores que 1 kN. Estas regiões são as de interesse para o trabalho, ou seja, onde se encon-tram as maiores forças de contato. Portanto, observa-se um ponto com valor bem expressivo para a coluna de aço e de alumínio que se situa próximo à junta flexível, com intensidades da ordem de 25,6 kN e 16,3 kN para as colunas em aço e em alumínio, respectivamente.

Quanto ao deslocamento, observa-se que a substi-tuição por tubos de alumínio na coluna de perfuração fez com que o deslocamento lateral do conjunto riser e a coluna de perfuração aumentassem, ocasionando um ganho de ângulo da junta flexível inferior (flex joint). Isto ocorre porque a força de corrente sobre o riser encontra menor resistência (rigidez) com a coluna de alumínio acoplada, permitindo que o conjunto (riser e coluna) se desloque mais lateralmente.

O passeio de uma unidade flutuante afeta de ma-neira prejudicial um sistema de perfuração, provocando um maior ângulo da junta flexível inferior. Um ângulo excessivo pode provocar a interrupção no processo de perfuração e ainda gerar um aumento das forças de

contato, principalmente na região próxima à junta flexí-vel. Barbosa et al. (2006b) apresentaram limites para o passeio da unidade, relacionando-os ao ângulo máximo da junta flexível sob especificações da norma API RP 16Q (American Petroleum Institute, 1993).

Para analisar o efeito da influência da corrente ma-rinha sobre o sistema de perfuração, além da capacida-de de interferir no processo do desgaste, manteve-se o passeio (offset) da plataforma em 50 m (aproximada-mente 1,8% da lâmina d’água), e reduziu-se o perfil de velocidade da corrente pela metade. Esta redução gerou resultados que influenciam em alguns fatores que contribuem para o desgaste do riser de perfura-ção, como por exemplo: na intensidade das forças de contato ao longo da coluna; na curvatura do riser; no ângulo da junta flexível inferior e no número de pontos de contato.

A curvatura do riser sofreu alteração com a modi-ficação da corrente, levando o ângulo da junta flexível reduzir-se à metade do seu valor inicial. Como se pôde notar nas análises, a velocidade com que a corrente marinha atinge o riser de perfuração influencia dire-tamente na máxima força de contato, reduzindo sua intensidade a menos da metade em conseqüência da curvatura do riser ter sido amenizada.

Com a Tabela 5 pode-se comparar os resultados ob-tidos para as forças de contato ao longo da extensão da coluna de perfuração, de aço ou de alumínio. As Figu-ras 2 e 3 apresentam gráficos com as forças de contato e o deslocamento das colunas, respectivamente.

Tabela 5 – Resultados obtidos para a coluna de perfuração de aço e de alumínio (lâmina d’água – 3 000 m; comprimento da coluna de perfuração abaixo da cabeça do poço – 1 500 m).

Table 5 – Results obtained for the steel and aluminum drill pipe (water depth – 3 000 m; length of drillstring under the well head – 1 500 m ).



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desgasteEm águas profundas e ultras profundas o sistema do

riser de perfuração fica mais vulnerável às ações dete-riorantes, como desgaste e pressão externa. O desgaste provocado no riser de perfuração, assim como nos re-vestimentos, é causado de forma mais intensa pelas

conexões da coluna de perfuração (tool joints). Esse des-gaste gera uma perda na espessura na parede interna do elemento. A redução de espessura pode comprometer o elemento quanto à sua integridade estrutural, paralisan-do as atividades para substituição ou, em caso de rompi-mento, podendo suceder numa provável contaminação do meio ambiente por parte dos fluidos de perfuração.

Com o valor da intensidade das forças e a localiza-ção em que ocorrem, faz-se então um estudo quanti-tativo do desgaste. Como o trabalho é analítico, vale ressaltar que o modelo definido foi obtido através de ensaios laboratoriais por Hall et al. (2005), e de vários parâmetros, tais como: velocidade de rotação da colu-na de perfuração (rotation per minute – RPM), abrasivi-dade do fluido de perfuração, taxa de penetração (rate of penetration – ROP), entre outros.

Um grande esforço já vem sendo aplicado em estudos de desgaste desde a década de 60 com inúmeros experi-mentos e publicações. A escolha pelo modelo proposto por Hall et al. (2005) foi devido ao seu vasto número de ensaios laboratoriais que apresentaram resultados que permitiram o aperfeiçoamento de modelos anteriores.

método empregado

O processo de desgaste envolve muitas variáveis, tais como: tipos de fluidos e suas características abrasivas, taxa de penetração, velocidade de rotação da coluna de perfuração, diâmetro externo das conexões, coeficien-tes de desgaste e outras. Em face disso, o processo se torna complexo em sua determinação. O autor con-siderou que as superfícies em contato são diferentes em suas características materiais, bem como em suas geometrias. Assim, o desgaste acaba por remover certa quantidade de material que é definida como:

(1)

Onde: V = Volume desgastado;E = Eficiência do desgaste;µ = Coeficiente de atrito;Φ = Força lateral aplicada;Sd = Distância deslizada;ξ = Energia específica do material por unidade

de volume.

Figura 2 – Forças de contato ao longo das colunas de perfuração de aço e de alumínio.

Figure 2 – Contact forces along steel and aluminum drill pipes.

Figura 3 – Desloca-mentos das colunas de perfuração de aço e de alumínio.

Figure 3 – Steel and aluminum drill pipe displacements.



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Para determinação do volume desgastado foi criada uma constante que varia com os materiais envolvidos e o tipo de fluido utilizado, denominada de fator de desgaste Este fator é retirado da equação 1 da seguinte maneira:

(2)

A distância total que o perímetro da conexão (tool joint) desliza sobre a superfície em contato é igual a:

(3)

Onde:N = Rotação da coluna de perfuração;D = Diâmetro externo da conexão (tool joint);t = Tempo de contato entre as superfícies.

O tempo de contato é definido como:

(4)

Onde:S = Distância perfurada;LTJ = Comprimento da conexão (tool joint);ROP = Taxa de penetração;LDP = Comprimento do tubo de perfuração (drill

pipe) incluindo as conexões.

Para simplificar a equação de determinação do volu-me desgastado, Hall et al. (2005) criou uma expressão que continha as variáveis trabalháveis da equação do volume desgastado equação 1 que foi denominada de “Função de Trabalho” (ψ), a qual pode ser descrita pela equação 5 como:

(5)

Finalmente, de forma completa, pode-se reescrever a equação 1 da seguinte maneira:

(6)

análise do desgaste

As regiões a serem analisadas são aquelas que apre-sentaram as maiores forças de contato. Como o estudo avalia a vida útil dos materiais empregados, não faria sentido avaliar elementos de grande espessura como BOP, LMRP e a junta flexível, uma vez que a segunda junta do riser apresenta espessura de apenas 2,5 cm. Então, o desgaste sofrido pela segunda junta (J2) será o caso mais crítico a ser avaliado.

O desgaste do riser ocorre desde o início da perfu-ração até o primeiro tubo atingir os 1 500 m abaixo da cabeça do poço. Para representar o volume total de material, extraído da parede interna do riser pelo atrito desde o início da perfuração, serão realizadas avalia-ções a cada 250 m. Para analisar o desgaste, ocorrido exatamente na segunda junta do riser, determina-se a posição da maior força de contato atuante sobre esta junta aos 1 500 m. Isso porque quando a coluna se en-contra nessa profundidade, registra-se a maior força de contato e, conseqüentemente, o maior desgaste ocorri-do. Ao determinar a altura de contato entre a conexão e a segunda junta do riser, repete-se a mesma posição da coluna para as demais análises a cada 250 m acima, pois estes pontos só colaboraram com a posição final em que se registrou o máximo desgaste.

Nas análises realizadas para a coluna de perfura-ção de aço e de alumínio, a maior força de contato sobre a segunda junta do riser foi encontrada a uma altura do solo marinho de 16,17 m e 16,33 m, res-pectivamente.

determinação das variáveisoperacionais

Uma das maneiras de se diminuir o desgaste pro-vocado no riser é através da alteração da composição do fluido de perfuração e de suas características abrasi-vas. Para as etapas de perfuração, a cada profundidade analisada, serão utilizados tipos de fluidos diferentes e seus respectivos fatores de desgaste. Barbosa (2007), em ensaios laboratoriais, determinou fatores de desgas-te referentes a cada tipo de fluido que serão utilizados como valores médios para a determinação do volume de material removido, conforme descrito na Tabela 6.



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A taxa de penetração (ROP) sofrerá redução natural à medida que a broca avançar, de acordo com a Tabela 7.

Para especificar a vida útil do riser, ou qual foi o desgaste sofrido durante a perfuração, é fundamental quantificar a perda de espessura da parede do riser. Tal informação pode ser obtida através de relações geo-métricas, definindo a altura de desgaste (h) conforme a equação 7. A Figura 5 mostra as variáveis do problema como a largura (W) e altura de desgaste (h).

(7)

Tabela 6 – Fatores de desgaste relacionados à profundidade.

Table 6 – Depth-related wear factors.

Tabela 7 – Relação da profundidade com ROP e RPM da coluna de perfuração.

Table 7 – Depth relationship with drill pipe ROP and RPM.

análise de resultadosOs resultados foram gerados através de uma pla-

nilha eletrônica e com auxílio de softwares de mate-mática (MATHEMATICAS e o MATHCAD). O volume desgastado, segundo a equação 6, é dado em unidade de volume por metro comprimento do riser, ou seja, representa uma área desgastada do riser (fig. 4).

Figura 4 – Área desgastada.

Figure 4 – Wear areas.

Figura 5 – Variáveis de desgaste.

Figure 5 – Wear variables.



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A área de desgaste representada pela Figura 5 é determinada através da integração, considerando uma fun-ção para cada curvatura, riser e tool joint. A resolução da integral fornece a área de desgaste que é descrita pela equação 8.

(8)

A altura (h) é determinada através da resolução do sistema composto das equações 7 e 8. Conhecendo-se o valor de Ad pelo volume calculado na equação 6, ob-tém-se um sistema com duas incógnitas: h e W.

Para cada caso de comprimento de coluna analisa-do, determinou-se um valor de volume desgastado no

riser pela equação 6 descrita por Hall et al. (2005). A soma resulta em um volume total e, conseqüentemen-te, no valor de espessura desgastada.

As Tabelas 8 e 9 apresentam os resultados das análises nas diversas profundidades para a coluna de perfuração de aço com correntes de 100% e 50%, respectivamente.

Tabela 8 – Resultados obtidos para a coluna de perfuração de aço com corrente 100%.

Table 8 – Results obtained for the steel drill pipe with stream 100%.

Tabela 9 – Resultados obtidos para a coluna de perfuração de aço com corrente 50%.

Table 9 – Results obtained for the steel drill pipe with stream 50%.



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As Tabelas 10 e 11 apresentam os resultados para a coluna de alumínio em correntes de 100% e 50%, respectivamente. É importante ressaltar que foram analisadas as máximas forças de contato na segunda junta (J2) do riser devido à sua menor espessura. Isto não significa dizer que sejam as máximas forças de contato que atuam na região inferior das linhas. No

percurso, em ambos os perfis de corrente, a coluna de perfuração de aço obteve um maior número de forças de contato acima de 1 kN, porém com menos pontos de contato na sua extensão quando compa-rada com a coluna de alumínio, que, por sua vez, apresentou as maiores aberturas no ângulo da junta flexível inferior.

Tabela 10 – Resultados para a coluna de perfuração de alumínio com corrente 100%.

Table 10 – Results obtained for the aluminum drill pipe with stream 100%.

Tabela 11 – Resultados para a coluna de perfuração de alumínio com corrente 50%.

Table 11 – Results obtained for the aluminum drill pipe with stream 50%.



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A Tabela 12 apresenta o resultado do volume desgas-tado do riser em cada profundidade de análise, e, a partir do volume total, obtém-se a altura de desgaste na pa-rede interna do riser. Nota-se que nos casos analisados, o principal desgaste acontece no início da perfuração, quando a pressão de contato é maior e o fluido de per-furação utilizado é a base de água, aumentando assim o fator de desgaste. O fator de desgaste na equação 6 é o principal responsável pela variação do desgaste no riser, como pode ser comprovado pelos resultados.

Analisando o desgaste provocado pela coluna de per-furação de aço e de alumínio, pode-se notar que o volu-me final é bastante representativo. É notável também a forte influência da corrente marinha sobre o desgaste do riser, pois, ao reduzir sua velocidade para a metade, ob-teve-se resultados de desgaste 40% menores. Indepen-dentemente da corrente, observa-se que o volume de desgaste é aproximadamente duas vezes maior quando se trabalha com a coluna de perfuração de aço. A Ta-bela 12 mostra que a perda máxima de espessura ocor-reu quando utilizamos a coluna de perfuração de aço, atingindo uma altura de desgaste máxima no riser de 2,25 mm, ou seja, cerca de 2% da sua espessura.

Tabela 12 – Volumes desgastados usando a equação de Hall et al.

Table 12 – Volume of material removed using the Hall et al. equation.

conclusãoEste trabalho investiga o impacto da substituição

da coluna de perfuração de aço pela de alumínio no processo de desgaste abrasivo na região próxima à junta flexível. Baseado em dois diferentes tipos de cor-rentes, alterou-se o material dos tubos de perfuração e determinaram-se as forças de contato existentes en-tre a coluna de perfuração e os elementos externos. Nos dois casos analisados, uma pequena região pró-xima à junta flexível (flex joint) domina as máximas intensidades de força de contato. Na maioria dos ca-sos, observa-se um ponto de contato com intensidade muito alta comparada com os demais. Nesses casos, a força máxima de contato é gerada pelo contato com um tool joint com elementos externos como o riser, BOP e LMRP.

Um estudo analítico de desgaste foi realizado para calcular esta força de contato com o riser. Para avaliar a espessura perdida da parede interna do riser devido ao desgaste, analisou-se a distância penetrada na sua pa-rede interna para os casos da coluna de perfuração de



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aço e de alumínio. A perda de espessura no riser sub-metido a maior corrente adotada chegou a 2,25 mm e 1,21 mm para as colunas de perfuração de aço e de alumínio, respectivamente. A norma API Spec 5L (Ame-rican Petroleum Institute, 2000) aceita como critério de tolerância para perda de espessura através de corrosão ou desgaste de risers até 12,5% da espessura nominal. Considerando que a espessura média do trecho do riser analisado era de 25,4 mm, o limite para operações com o riser seria de 22,2 mm. Ou seja, com perda de espes-sura máxima de 3,2 mm. Portanto, as análises mostram que o desgaste máximo obtido ainda está dentro do limite permitido.

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Em vista das análises de desgastes realizadas e dos resultados obtidos, a utilização de tubos de alumínio na coluna de perfuração se apresentou vantajosa. Deve-se também considerar que estes tubos, por apresentarem um peso de aproximadamente 30% do peso dos tubos de aço, reduzem a carga suportada pela unidade flu-tuante, assim como o peso de deck. Os tubos permitem também a redução da força de atrito dentro do riser e do revestimento, considerados problemas críticos na perfuração de poços direcionais e horizontais de gran-de afastamento. Pode-se então dizer que a utilização de tubos de alumínio na coluna de perfuração é viável, segundo as análises deste trabalho.



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João Carlos Ribeiro Plácido é formado em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ) em 1979, Mes-tre em Engenharia de Petróleo pela Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) em 1986 e Ph.D. em Engenharia de Petróleo pela Tulsa University (TU) em 1994, nos EUA. Ingressou na Petrobras em 1980 e fez o Curso de Especialização em Engenharia de Petróleo (CEP-80). Desde 1983 trabalha no Centro de Pesquisas da Petrobras (Cenpes) em atividades de otimiza-ção da perfuração de poços, dinâmica de colunas de perfuração e análise de integridade de tubulares usados em poços de petróleo.

autores

Rômulo Lima Barbosa

Universidade Federal do Rio de JaneiroNúcleo de Estruturas Oceânicas

e-mail: [email protected]

Rômulo Lima Barbosa é Engenheiro Civil formado pela Universida-de Federal de Viçosa (UFV) em 2005, Mestre em Engenharia Oceânica formado pela COPPE/UFRJ em 2007. Ingressou no Laboratório de Análi-ses de Estruturas Oceânicas, NEO (Núcleo de Estruturas Oceânicas), em 2005 e atualmente ocupa o cargo de Consultor de Drilling pela Halli-burton/Landmark.

Murilo Augusto Vaz graduou-se em Engenharia Naval pela Universi-dade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1985, Mestre em Engenharia Oceânica também pela Universidade Federal do Rio de Janeiro em 1990 e Ph.D. em Engenharia Oceânica pela University College London (UCL) em 1994, na Inglaterra. Ingressou como Professor Adjunto no Programa de Engenharia Oceânica da Coordenação dos Programas de Pós-Gradu-ação de Engenharia (COPPE) da Universidade Federal do Rio de Janeiro em 1997. Desde então trabalha em atividades de pesquisa e ensino na área de dutos flexíveis e mecânica de colunas de perfuração.

Murilo Augusto Vaz

Universidade Federal do Rio de JaneiroNúcleo de Estruturas Oceânicas


João Carlos Ribeiro Plácido

Centro de Pesquisas da Petrobras (Cenpes)

Gerência de Tecnologia de Engenharia de Poço

P&D de Produção




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This paper presents a feasibility analysis in order to replace steel drill pipes by aluminum drill pipes in order to reduce the marine drilling riser wear. The aluminum drill pipe weighs around 30% of the steel drill pipe. Therefore, the aluminum pipes are also valuable to de-crease the drilling rigs deck loads and to extend the length of extended reach wells, where friction force is a critical issue.

A finite element model (FEM) was developed, using the software ABAQUS, in order to determine magni-tude and location of the contact forces between the drill string and the external elements. Normally, this contact occurs between the drill string connections (tool joints) and the internal wall of these elements, such as casing, BOP (blowout preventer), LMRP (lower marine riser package) and drilling marine riser.

Although several parameter combinations could be done, it was decided to analyze only two drill string ma-terials, such as steel and aluminum. The contact forces were calculated for both cases, using steel and alumi-num drill pipes, and with two maritime streams (100% and 50%). In all cases, the analysis focused a small re-gion near the flex joint, where the contact forces are normally the largest. Also, the maximum contact forces are always generated due to the contact between the tool joint and the external elements such as BOP, LMRP and drilling riser. The drill string movement must be considered because alters the maximum contact force magnitude and location.

Each analysis generated several contact points, al-though just one presented very high magnitude com-pared to the others. A riser wear analysis was per-formed using such force, which it was always located in the second riser joint above the LMRP.

The analysis used an analytical model developed by Hall et al. (2005). The drill string was analyzed each 250 m until to reach 1 500 m depth. The wear factor can be easily modified changing the drilling fluid (wa-ter based and oil based) and the materials in contact. Normally, water base mud presents wear factors larger than the ones obtained with oil base mud. The drilling

expanded abstract

riser thickness worn during the drilling operation was evaluated for steel and aluminum drill string with two different maritime streams.

Simulating a real case drilling operation, several pa-rameters were varied, such as depth, drill string rota-tion, rate of penetration, and drilling fluid. For several combinations of these parameters, the wear depth of the drilling riser internal wall was calculated.

The steel drill string generated a wear depth two times larger than the one obtained with aluminum drill string. Also, the high speed profile maritime stream (100%) caused drilling riser wear higher than the one obtained with the low speed profile (50%). Therefore, the aluminum drill pipes presented better results con-sidering riser wear.



08-rômulo lima barbosa[1]

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