AVALIACAO_DA_INTEGRIDADE_ESTRUTURAL_DE_U

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IBP1891_14 
AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL DE UMA SUBESTRU TURA DE SONDA DE PRODUÇÃO 
TERRESTRE 
 
Copyright 2014, Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis - IBP 
Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2014, realizado no período de 15 a 
18 de setembro de 2014, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, 
seguindo as informações contidas no trabalho completo submetido pelo(s) autor(es). Os organizadores não irão traduzir ou corrigir 
os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo, 
Gás e Biocombustíveis, Sócios e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja 
publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2014. 
______________________________ 
1 Doutor, Professor, - UFPB 
2 Engenheiro Mecânico, Gerente – BRASERV 
3 Aluno, Engenharia Mecânica, - UFPB 
4 Aluno, Engenharia Mecânica, - UFPB 
 
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 AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL DE UMA 
SUBESTRUTURA DE SONDA DE PRODUÇÃO TERRESTRE 
Marcelo C. Rodrigues1, José A. F. Araújo 2, Felipe M. P. Souza3, 
João V. M.A. Sousa4. 
 
 
Resumo 
 
Neste artigo, apresentam-se os resultados da análise numérica da distribuição de tensões de von Mises e deformação de 
uma subestrutura usada em sonda de produção terrestre da BRASERV Petróleo Ltda. Essa subestrutura está submetida a 
carregamentos máximos de tração, torque e flexão verificados em operações cotidianas de workover. A motivação deste 
trabalho foi devido à resolução ANP Nº 36, de 13.11.2007, que a partir da 7ª rodada de licitações, realizada em 2005, a 
ANP introduziu novas regras e exigências para cumprimento de Conteúdo Local contratual que estabelece que os 
compromissos dos concessionários quanto à aquisição local de bens e serviços serão comprovados junto à ANP pela 
apresentação de certificado de conteúdo local, serão de extrema importância o estudo, pesquisa e desenvolvimento de 
equipamentos usados para exploração e produção de petróleo e gás para a formação de mão de obra nacional e 
qualificada para certificação. A partir disto, é importante obter o comportamento estrutural de equipamentos que podem 
ser fabricados e otimizados para se obter maior desempenho de operação. A subestrutura é usada no apoio do mastro da 
sonda, dando estabilidade e segurança, além de suportar cargas de tração devido ao peso da coluna de produção, torque 
devido às operações de corte de cimento, revestimento, etc e a flexões, flambagens devido ao momento gerado por essas 
cargas. Esta subestrutura suporta cargas de até 300.000 lbf, sendo uma das maiores usadas em campos terrestres. O 
objetivo deste trabalho é conhecer os pontos de maiores concentrações de tensões e assim possibilitar máxima segurança 
de operação, desempenho e agilidade nas operações. 
 
 
Abstract 
 
In this article, present the results of numerical analysis of von Mises stress and deformation for a land rig substructure of 
used in onshore production oil BRASERV PETROLEO Ltda. This substructure is subjected to traction, torque and 
bending loading checked in daily workover operations. The motivation for this work was due the ANP Resolution 
number 36, dated 13.11.2007, which from the 7th round of bidding held in 2005, the ANP has introduced new rules and 
requirements for fulfilling contractual Local Content which requires commitments from dealers as for the local purchase 
of goods and services shall be supported by the ANP by presenting local certificate, study, research and development for 
all equipment used for oil and gas exploration and production. It is important to obtain the structural behavior of 
equipment’s that can be made in Brazil. The land rig substructure is used to support the mast of the oil rig, giving 
stability and security. This land rig substructure supports loads of up to 300,000 lbf . The objective of this work is to 
know the points of greatest stress concentrations and thus ensure maximum operating safety, performance and agility in 
operations. 
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1. Introdução 
 
 Operações de Completação e Workover em poços de petróleo são realizadas após o termino da perfuração com 
o objetivo de deixá-lo em condições de operar de forma segura e econômica durante sua vida produtiva e por 
necessidade de manutenção. 
Uma sonda de produção terrestre (SPT) é um equipamento que permite a realização de intervenções em poços 
de petróleo e gás, com objetivos diversos, sejam eles: aumentar a produtividade do poço, tamponar ou explorar novas 
zonas, substituir equipamentos de sub superfície, etc. 
Para que uma sonda possa executar as atividades de produção (completação, workover e limpeza), é necessário 
que equipamentos auxiliares tornem as atividades seguras e exequíveis dentro de normas operacionais de manutenção, 
operação, segurança e meio-ambiente. 
Os principais equipamentos auxiliares que compõe uma sonda de produção terrestre e que deverão ser alvos de 
grande atenção em virtude das condições operacionais a que são submetidos ou simplesmente pela sua importância são: 
sistemas de transmissão de movimentos, sustentação e movimentação de cargas, rotativos, segurança de erupção de 
poços e por fim, bombeamento de fluido. 
 Podem-se chamar esses equipamentos auxiliares de equipamentos críticos, pois uma falha inesperada de 
qualquer um deles poderá ocasionar perdas irreparáveis à saúde humana e ao meio – ambiente. 
A preocupação com a integridade estrutural desses equipamentos deve seguir normas como a API 4F 
(Specification for Drilling and Well Servicing Structures) e recomendações técnicas dos seus fabricantes de forma a 
potencializar e assegurar que as suas funções sejam alcançadas. 
A sonda de produção terrestre (SPT) realiza um conjunto de operações que visam por o poço em produção. As 
operações básicas que compõe uma completação podem ser definidas como: Instalação dos equipamentos de segurança 
para controle do poço; substituição do fluido contido no poço por um fluido de completação; condicionamento do 
revestimento de produção e do fluido nele contido; verificação da qualidade da cimentação primária; canhoneio; teste de 
formação; instalação dos equipamentos de subsuperfície e de superfície e colocação do poço em produção. Além dessas 
existem operações de workover e limpeza, atividades desenvolvidas por uma SPT para proporcionar a manutenção da 
produção do poço de petróleo ou gás. Basicamente, resumem-se em um conjunto de operação complexas que visam 
corrigir problemas em intervalos produtores ou em equipamentos de subsuperfície, de forma a restabelecer a vazão do 
poço. Podem ser classificadas em: recompletação; restauração; mudança de método de elevação; estimulação; avaliação; 
limpeza (Thomas, 2001). 
 Neste trabalho uma subestrutura usada em sonda de produção terrestre para suportar 300.000 lbs é modelada 
numericamente para análise estrutural dos esforços aplicados durante a operação. O modelo da subestrutura é submetido 
a uma carga de compressão de 200.000 lbs que equivale a 400 tubos de 3 ½” IF estaleirados sobre a plataforma da 
subestrutura (22,1 psi de pressão sobre uma área da subestrutura), onde realiza-se análise numérica com os tubos 
prontos para descida no poço, considerando também o peso próprio da estrutura. 
 
 
2. Subestrutura 
 
 A sonda de produção terrestre possui sistemas de sustentação de cargas responsáveis por suportar a coluna de 
tubos e/ou equipamentos de subsuperfície. Devem ter capacidade de carga estática e dinâmica compatível com a 
operação a ser desenvolvida e por sofrerem cargas cíclicas, são considerados como os equipamentos mais críticos de 
uma sonda de produção terrestre. Podem-se citar os equipamentos como: cunha pneumática, mastro e subestrutura 
(Araújo, 2012). 
A subestrutura do mastro de uma sonda de produção terrestre tambémé constituída por treliças soldadas em 
suas extremidades que permite que os equipamentos de segurança de poço, tais como BOP e BOP Anular sejam 
instalados na cabeça do poço. 
Esta estrutura deve estar bem apoiada em uma base de concreto armado e fundação de madeira, conhecidos 
popularmente como pranchões, de modo a evitar que o terreno se desloque ocasionando sérias consequências como 
inclinação excessiva ou tombamento do mastro. 
A subestrutura deve suportar o peso da coluna, o peso dos tubos sobre a sua plataforma, carga de tração e 
compressão assim como torque devido a operações de corte de cimento. Na figura 1 observa-se a subestrutura anexada a 
sonda de produção terrestre. 
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Figura 1. Subestrutura do mastro. 
 
 A subestrutura foi construída com perfis I de aço ASTM A-572 Gr 50 (um aço-carbono microligado de alta 
resistência mecânica) com mínimo de 345 MPa de limite de escoamento, 450 MPa de limite de resistência, módulo de 
elasticidade de 210 GPa e coeficiente de Poisson de 0,29. Na figura 2 apresentam-se algumas etapas de construção e 
montagem da subestrutura. 
 
 
 
Figura 2. Construção e montagem da subestrutura. 
 
 A subestrutura foi montada na empresa BRASERV PETROLEO LTDA em Maceió, Alagoas. As partes foram 
soldadas e dimensionadas de forma que não se conhecia as suas resistências quando em operação. A importância de se 
obter e realizar simulações numéricas são de obter resultados aproximados das tensões geradas por solicitações do 
cotidiano da subestrutura. 
 Existem pontos que podem ser críticos quanto a sua complexidade e dimensão, por exemplo, os furos e pinos 
que suportam as colunas da subestrutura, estes pinos são fabricados em aço 4340. Logo esses detalhes serão observados 
nos resultados. 
 
 
3. Modelagem numérica 
 
 A modelagem numérica foi realizada sem a parte inferior para otimizar tempo de computação. Foram usados os 
dados reais de material e dimensão. Observam-se os pontos de restrições (verde) e os carregamentos de tração e torção 
sobre a plataforma superior da subestrutura. 
 As cargas selecionadas foram as que mais representam o cotidiano de operações da subestrutura como, por 
exemplo, o peso da própria subestrutura em cerca de 10 toneladas, peso dos 538 tubos 3 ½” IF sobre sua plataforma 
superior de aproximadamente 200.000 lbf, peso da coluna com 538 tubos que pesa aproximadamente 200.000 lbf e um 
torque de 7.300 lbf.ft. na Tabela 1 apresentam-se os dois casos a considerar para as situações de carregamentos. 
 
 
 
 
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Tabela 1. Casos de carregamentos para a subestrutura 
 
CASO DESCRIÇÃO CARGA (lbf) 
I Peso da subestrutura + 538 tubos 3 ½” IF Compressão + flexão geradas por 200.000 lbf de 
peso 
 
II Peso da subestrutura e o peso de 538 tubos na coluna 
com o torque de 7.300 lbf.ft 
Tração de 200.000 lbf + torque de 7.300 lbf.ft 
 
 
4. Resultados 
4.1 Subestrutura 
 
 Os resultados da distribuição de tensão de von Mises são apresentados na figura 4, onde a tensão de von Mises 
leva em consideração as tensões normais a cada pano nos eixos XYZ e também os seus cisalhamentos. A equação de 
tensão de von Mises calcula um valor resultante mais conservador que outros valores de tensão, como por exemplo o 
cisalhamento máximo, logo é seguro e confiável sobre cargas que geram tensões normais (compressão, tração, flexão) e 
cisalhamentos (cortante, torção). 
 
 
4.1.1 Caso I – Peso da subestrutura + 538 tubos 3 ½” IF que equivale a carga de 200.000 lbf. 
 
 
 
Figura 3. Modelo numérico da subestrutura 
 
 
 Observa-se na figura 3 o modelo numérico da subestrutura com a situação de carregamento para o caso I com o 
peso próprio da subestrutura e o peso dos tubos sobre a plataforma superior. Pode-se ver também as restrições aplicadas 
nas colunas e nos braços de sustentação. Na figura 4 apresentam-se os resultados para os valores e tensão de von Mises 
e deformação. 
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(a) (b) 
Figura 4. Resultados de tensão de von Mises (a) e deformação (b) para a subestrutura da SPT. 
 
 
A subestrutura apresentou tensões de von Mises em torno de 247 MPa na parte superior da plataforma como 
apresentado na figura 4(a) e também apresentou valores de tensões na faixa azul claro nos braços. De todo modo a 
subestrutura suporta bem a carga aplicada de 200.000 lbf tendo em vista que está em plena operação. Na figura 4(b) 
observa-se que deformações são visualizadas na plataforma (vermelho) em torno de 3,7 mm onde os tubos estão 
apoiados e nos braços laterais (verde) em torno de 2,0 mm, mesmo assim os valores são abaixo do limite de tensão de 
escoamento do material. 
 
4.1.2 Caso II - Peso da subestrutura e o peso de 538 tubos na coluna com o torque de 7.300 lbf.ft 
 
 
Figura 5. Modelo numérico da subestrutura para o caso II. 
 
 
 O torque foi aplicado na localização da mesa rotativa, onde se origina o torque de 7300 lbf.ft para situações de 
corte de revestimento, cimento, etc. Nos braços de sustentação foram aplicados condições de restrição nos pino, com 
anel de retenção sem translação. Na figura 6 apresentam-se os detalhes de aplicação do torque e da conexão do pino dos 
braços de sustentação. 
 
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Figura 6. Local de aplicação do torque e condição de restrição nos pinos dos braços. 
 
 
 
 
Figura 7. Resultado para tensão de von Mises. 
 
 
 Na figura 7 observa-se tensões de von Mises na faixa de 297 MPa que foram observados na parte inferior da 
subestrutura e nos furos dos pinos das colunas. Na figura 8(a) apresenta-se a configuração da distribuição de tensão de 
von Mises no furo localizado na coluna de sustentação onde observa-se valor de 231 MPa. Na figura 8 (b) pode-se 
observar a pecepção de projeto onde inicia-se a distribuição de tensão a partir das quatro vigas de apoio lateral (azul). 
Esses componentes devem ser bem projetados para suportar as solicitações de peso, torque e tração. 
 
 
 
(a) (b) 
Figura 8. Resultado para tensão de von Mises no furo da coluna e de percepção de projeto. 
 
 
Esses resultados apontam a importãncia de maior manutenção e inspeção visual e por ultrassom no furo da 
coluna de sustentação da subestrutura. Conclui-se que como o furo é um concentrador de tensão, ocorre acúmulo 
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exatamente onde se espera, ainda que a estrutura esteja bem dimensionada para suportar os carregamentos, essas partes 
devem ser objeto de inspeção visual e por ultrassom para melhor detecção de possíveis gerações de trincas. 
 
 
5. Conclusões 
 
A subestrutura faz parte dos equipamentos de segurança e estrutural de uma sonda de produção terrestre, sendo 
importante na sustentação de cargas para as operações realizadas. A subestrutura foi modelada utilizando o Método dos 
Elementos Finitos para o determinação da distribuição de tensão e deformação de todas as partes envolvidas. A 
modelagem foi realizada em tamanho real com dados utilizados durante a sua construção física. Condições limites de 
carregamentos foram realizados para obter o máximo de tensão esperado em suas partes. 
Foram observados pontos de concetrações de tensão nos locais esperados, como nos furos dos pinos 
localizados nas colunas de sustentação e nos furos dos braços laterais, porém os valores ficaram abaixo do valor de 
tensão limite de escoamento do material. 
No geral a subestrutura que está em operação suporta os carregamentos solicitados com boa margem de 
segurança devendo a área de manutenção da empresa realizar inspeções visuais e por ultrassom nos locais indicados 
pela análise numérica para evitar surgimento de trincas e descontinuidades que poderão gerar tensões residuais. 
 
8. Referências 
 
ARAÚJO, J. A.,Sistemas de Sonda de Produção Terrestre – Inspeção e Manutenção, 1ª Edição, 2012. 
BELYTSCHKO, T., FISH, J., A First Course in Finite Elements, JohnWiley & Sons, Ltd, England, 2007. 
HAHN, B. D, VALENTINE, D. T., Essential MATLAB for Engineers and Scientists, Third edition, Butterworth-
Heinemann, Oxford, 2007. 
LIU, G. R., QUEK, S. S., The Finite Element Method: A Practical Course, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2003. 
THOMAS, J. E., ” Fundamentos de Engenharia de Petróleo”, 1ª ed., Interciência: Petrobras, Rio de Janeiro, Brazil, 
2001.