A maior parte da produção petrolífera brasileira é obtida por extração em águas marinhas profundas. A Petrobras, empresa estatal de petróleo, é detentora dessa tecnologia diferenciada que chega a operar em profundidades superiores a 2.000m. A exploração marítima é realizada por meio de navios tanques ou plataformas estáticas localizadas principalmente nos campos petrolíferos do litoral do Rio de Janeiro. Os projetos dessas plataformas ou de navios tanques são encomendados pela Petrobras e os testes realizados em centros com diferentes competências tecnológicas.
A figura 3.2 a seguir representa o ciclo ideal de experimentação e testes que poderá ser praticado de acordo com as recentes instalações tecnológicas inauguradas. Conforme mostrado, o ciclo ideal inicia-se com definições de profundidade de perfuração, estimativa de produção e características ambientais do local fornecidos pela Petrobras como parâmetros preliminares para o projeto básico da plataforma. O projeto pré-definitivo é obtido após consultas e adaptações sobre a biblioteca de projetos realizados. Com o projeto pré-definitivo elaborado, realizam-se os ensaios básicos no I.P.T. que farão a validação dos coeficientes numéricos a serem aplicados na simulação do Tanque Provas Numérico (T.P.N.) da Escola Politécnica da U.S.P. Após obtidos os resultados da simulação sobre a estrutura da plataforma, as
amarrações e as linhas de conexão de produção de óleo é feito o ensaio de configuração hidrodinâmica definitiva com uso de um protótipo de plataforma em escala reduzida para teste no tanque oceânico da Universidade Federal do Rio de Janeiro (U.F.R.J.).
Fim do ciclo Início do ciclo
A Petrobras demanda o projeto de uma plataforma e fornece os parâmetros iniciais Ensaio de configuração hidrodinâmica definitiva da plataforma - UFRJ
Ciclo de experimentação e testes de uma plataforma petrolífera
Ensaios básicos iniciais feitos no I.P.T. – São Paulo Simulação numérica dos
sistemas flutuantes de produção de petróleo feita na Escola Politécnica da USP
Figura 3.2 – Ciclo hipotético de testes realizados para uma plataforma marinha. Fonte: Elaborado pelo autor
O I.P.T. realiza vários tipos de ensaios para medição de forças e principalmente de movimentos para alimentação e geração de coeficientes para os modelos numéricos do T.P.N que inexistem na literatura e são de difícil mensuração. O modelo inicial da plataforma ou navio tanque é submetido aos seguintes ensaios:
a) Ensaio de modelo emborcado
Teste de estabilidade aplicado sobre o protótipo submerso para avaliar a ação dos ventos, com substituição do fluido de ar por água na relação de 1/19.
b) Ensaio de autopropulsão em modelo reduzido
Sistemas óticos de medição de movimentos avaliam a amplitude de oscilação do protótipo submetido a uma corrida do casco do modelo no canal de provas (280 m x 6,6 m x 4,4 m de profundidade) sob a influência, ou não, de ondas. Esse teste é feito exclusivamente para navios que irão navegar.
c) Modelo cativo
Testes de ondas, correnteza e vento aplicados sobre o protótipo para determinação de parâmetros para a modelagem numérica. Exemplo: o reflexo das ondas que se chocam nos pilares da plataforma formam outras ondas que podem atingir alturas que afetam o convés da plataforma.
d) Modelo parado em ondas
Testes de impactos de ondas sobre o modelo parado. Exemplo: evitar oscilações laterais superiores a 14° (exclusivo para ensaios sobre plataformas).
e) Embarque de água
Testes de invasão de água no modelo.
As figuras 3.3 e 3.4 mostram, respectivamente, um protótipo de plataforma para os ensaios citados e o canal de ondas onde são realizados os testes de propulsão.
Figura 3.4 – Canal de ondas
Com os coeficientes definidos nos ensaios básicos, o Tanque de Provas Numérico realiza simulações de modelos hidrodinâmicos, reproduzindo, com recursos de computação gráfica tridimensional e em tempo real, os esforços de trações que ocorrem nas linhas de ancoragem e de produção de óleo sob a influência da correnteza e do deslocamento da plataforma. Os resultados são ajustados para as características do teste de configuração hidrodinâmico definitivo a ser realizado no Laboratório de Tecnologia Oceânica. Além disso, os modelos matemáticos permitem simulações das condições ambientais sem as restrições físicas impostas pelos testes efetuados nos tanques (problemas de redução de escala física ou limite máximo possível de profundidade), extrapolando as possibilidades dos experimentos para situações ainda inexistentes como, por exemplo, o comportamento previsto da plataforma para exploração acima de 3.000m de profundidade.
O Laboratório de Tecnologia Oceânica é o resultado de uma parceria com a iniciativa privada, inaugurado em abril de 2003, para testar tecnologias empregadas na indústria off-shore (extração de petróleo realizada em águas profundas). Por ele é possível simular fenômenos hidrodinâmicos do ambiente marinho em lâminas com até 2.500m de profundidade e variações pré-programadas de ventos com 12m/s, consideradas bem representativas das características ambientais da extração petrolífera off-shore brasileira.
O tanque oceânico construído é, atualmente, o mais profundo do mundo, com capacidade para 23 milhões de litros de água, 40m de comprimento, 30m de largura e 15m de profundidade e possui essas dimensões em função dos modelos lá ensaiados como plataformas de exploração, navios, rebocadores, protótipos de veículos marinhos, treinamento de mergulhadores etc.
O modelo de experimentação e testes empregado pelo laboratório combina a experimentação virtual (gerador de perfis de ondas marinhas) com a prototipação clássica (modelo em miniatura de uma plataforma petrolífera).
A reprodução das condições do mar é feita por medição das ondas no local da instalação da plataforma por um período de um ano, e a partir desse levantamento é feito um histograma com a freqüência de aparecimento de alturas de ondas e direções (única, ou multidirecional) que servirão como informações de alimentação do sistema computadorizado de geração de ondas do tanque.
As ondas são geradas por 75 pás independentes, colocadas no sentido longitudinal do tanque, capazes de produzir movimentos em diversos ângulos. No sentido transversa,l há praias de amortecimento que são responsáveis pela dissipação de energia das ondas, evitando que essas ondas retornem à área de testes e contaminem as medições.
As ondas são ensaiadas, medidas e calibradas, de acordo com o perfil pré- determinado, antes de o modelo ser introduzido para teste. A figura 3.5 a seguir mostra uma visão do gerador de ondas do tanque.
O modelo observado da plataforma foi construído de acordo com estudos de escala sobre efeitos dinâmicos numa proporção de 1 para 64 (64 vezes menor) em tamanho; pela teoria aplicada, as escalas de tempo são a raiz quadrada da escala geométrica, isto é, são de 1 para 8 (8 vezes menor). São instalados equipamentos de medição como acelerômetros, sensores infravermelhos e câmeras para avaliação do movimento do corpo do modelo. A figura 3.6 mostra um modelo de plataforma Offshore para testes de configuração hidrodinâmica no tanque.
Figura 3.6 – Protótipo de plataforma offshore para teste hidrodinâmico
Como resultados práticos operacionais são definidos os limites de operação e sobrevivência da plataforma. Os limites operacionais refletem as condições normais ininterruptas de trabalho da plataforma quando submetidas a ondas de 4 a 5m de altura, variando de acordo com o local de instalação. O limite de sobrevivência revela a condição de colapso da plataforma quando submetida ao impacto de uma onda decenária (surge em intervalos de dez anos) ou centenária (surge em intervalos de cem anos). No Brasil, as ondas decenárias possuem altura de 7m, enquanto as ondas centenárias variam de 13m a 15m.
Inovação
A instalação do tanque oceânico é recente (2003) e ainda não há dados relevantes sobre seus impactos no ciclo de DNP. Novamente, a escassez de recursos é fonte de inspiração para a criatividade. Na impossibilidade de investir em sofisticados túneis de vento ou supercomputadores, os centros de pesquisa brasileiros inovaram os procedimentos. Testes feitos com modelos submersos na água substituem os experimentos convencionais em túnel de vento, obtendo flexibilidade e uma considerável margem de segurança pela substituição do ar por um fluido 9 vezes
mais denso. Um grupo com 120 computadores trabalhando em processamento paralelo substituiu o supercomputador e viabilizou a simulação. O T.P.N. é considerado inédito no mundo e reproduz por meio de modelos matemáticos em escala 3D as condições ambientais de trabalho das plataformas petrolíferas. Esse recurso contribui para um aumento de eficiência de extração de petróleo sobre as reservas atuais e simula a forma de operação das plataformas para condições ainda inexploradas, como a extração a 3.000m de profundidade.