Desenvolvimento de ferramenta computacional

Transcrição

Boletim técnico da Produção de Petróleo, Rio de Janeiro - volume 3, n° 2, p. 351-367 o
y Roni Abensur Gandelman y Gleber Tacio Teixeira y Alex Tadeu de Almeida Waldmann y Átila Fernando Lima
Aragão y Mauricio Seiji Rezende y Eduardo Kern y Clovis Maliska Junior y André Leibsohn Martins
Desenvolvimento de ferramenta
computacional interpretadora de dados de
PWD (Pressure While Drilling) em tempo real
/Development of computational tool to interpret real time
pwd (Pressure While Drilling) data
resumo
PALAVRAS-CHAVE:
monitoramento de
pressões em tempo real
problemas de perfuração
PWD
pressão de poço
A perfuração de poços de petróleo é um processo extremamente
complexo e de alto custo no qual a pressão anular deve ser mantida
entre valores máximos (pressão de fratura) e mínimos (pressão de poros)
que definem a chamada “janela operacional”. Vários fenômenos causam
impacto direto nas pressões anulares durante a perfuração, tais como:
remoção ineficiente dos sólidos gerados durante a perfuração, quebra
de gel na retomada de circulação após períodos de repouso, movimentação da coluna (surge/swab), manobras, troca de fluido, kicks, entre
outros. A correta interpretação de dados de pressure while drilling (PWD)
é uma ferramenta poderosa para a identificação e a prevenção de tais
abstract
KEYWORDS:

real-time pressures monitoring
drilling problems
PWD
pressure well
Drilling offshore oil wells is a very expensive and complex process,
in which all the efforts must be taken to keep the annular pressure
between a minimum pressure (pore pressure) and a maximum pressure (fracture pressure) which define the operational window limits.
Several phenomena impact the bottom hole annular pressures, such
as: ineffective hole cleaning, gel breaking when circulation is resumed,
drillstring movement (surge and swab), trips, pills displacement, kicks,
etc. The correct interpretation of pressure while drilling (PWD) data is
a very powerful toll to identify and prevent these phenomena. Nowadays, an expert monitors bottom hole pressures data and identifies
undesirable events.
The main goal of this project is the development of a computational tool to monitor pressure (and mudlogging) data in real time to
identify the causes of abnormal pressure variations, helping the operators to take decisions rapidly. Besides that, the tool allows the user
to handle PWD data in a flexible architecture. This flexibility allows
the incorporation of new methods of events identification as they are
developed. The ultimate goals is to obtain a tool which serves both
351 o
o Desenvolvimento de ferramenta computacional interpretadora de dados de PWD (Pressure While Drilling) em tempo real – Gandelman et al.
fenômenos. Atualmente, a identificação destes eventos é
realizada por um especialista que acompanha o processo
analisando graficamente os dados e concluindo sobre
problemas ocorridos ou na iminência de ocorrerem. Este
especialista alerta, se for o caso, os operadores a tempo
de reverter a situação ou de interromper a perfuração. O
principal objetivo deste projeto é criar uma ferramenta
computacional de monitoramento de dados de pressão
(e de mudlogging) em tempo real que seja capaz de identificar variações nas pressões e suas causas. Além disso,
a ferramenta também permite a manipulação dos dados
de PWD dentro de uma arquitetura flexível. Tal flexibilidade permite a incorporação futura de novos métodos,
conforme estes sejam pesquisados e desenvolvidos. Ao
final, pretende-se obter uma ferramenta que sirva tanto
para o estudo fundamental dos problemas e fenômenos
físicos, específicos encontrados durante a perfuração,
quanto para o acompanhamento em tempo real para
auxílio aos profissionais envolvidos no processo.
introdução
A análise de dados de PWD vem se mostrando de
grande valia para a antecipação de diversos problemas
ocorridos durante a perfuração de poços de petróleo
(Aragão et al. 2005). A informação da pressão anular de
fundo, adquirida da ferramenta de PWD, é de fundamental importância para o acompanhamento da perfuração
e para a detecção de vários eventos indesejáveis, contribuindo para a otimização da perfuração, com redução
de tempo e de custos operacionais.
abstract
for the key study of the problems and physical,
specific phenomena found during drilling, both for
real-time monitoring to assist professionals involved
in the process.
(Expanded abstract available at the end of the paper).
o 352
A análise da pressão anular visa, sobretudo, garantir a
operação dentro de uma janela operacional, definida por
um valor mínimo (pressão de poros ou de colapso inferior)
e máximo (pressão de fratura ou de colapso superior).
Qualquer flutuação para fora dos limites máximo e mínimo traz riscos à integridade da formação e à operação
como um todo, podendo, em casos extremos, inviabilizar
a continuidade da perfuração. Por exemplo, se a pressão
anular atingir o limite mínimo da janela operacional, pode
haver influxo de fluidos da formação (kick) para dentro
do poço, o que levará a várias horas perdidas no combate
ao kick. Já a flutuação da pressão para valores acima do
limite máximo da janela operacional pode acarretar em
fraturas com perda de circulação.
São vários os fenômenos que impactam diretamente
no comportamento das pressões anulares durante a perfuração, tais como: remoção ineficiente dos sólidos gerados durante a perfuração, quebra de gel na retomada de
circulação após períodos de repouso, movimentação da
coluna (surge/swab), troca de fluido, kicks, entre outros
(Teixeira et al. 2005). Assim, a análise da pressão anular
aliada a outros parâmetros operacionais (tais como rotação de coluna, vazão, taxa de penetração, pressão de
bombeio, torque, arraste etc.) torna-se uma ferramenta
de grande importância para a determinação das diversas
ocorrências durante o processo de perfuração de poços
de petróleo.
Hoje, a análise destes dados é feita por um especialista, uma vez que o uso do PWD tem se tornado cada vez
mais difundido nas operações de perfuração da Petrobras,
especialmente em campos de grande importância. Por
este motivo, vislumbrou-se a possibilidade de desenvolvimento de uma ferramenta capaz de receber os dados
em tempo real, tratá-los e, assim como o especialista, apresentar conclusões, identificar problemas
potenciais e alertar o operador, auxiliando-o na
tomada de decisões.
A interpretação feita pelo especialista tem
uma grande carga de subjetividade e pode variar
de acordo com o interpretador. Um dos objetivos
do desenvolvimento do software interpretador de
pressões é estabelecer critérios quantitativos e minimizar a subjetividade das análises.
Além disto, a ferramenta tem como objetivo
acompanhar todo o processo, fazendo registros
históricos que poderão servir no futuro como mais
informações para garantir a confiança na determinação de uma ocorrência. Haverá ainda a sugestão
de ações preventivas e corretivas que serão automaticamente expostas pela ferramenta quando houver
a identificação de uma ocorrência indesejável.
O objetivo principal do desenvolvimento do
software, batizado de PWDa, é fornecer uma ferramenta de apoio à decisão durante a operação
e também gerar uma fonte extra de estudo para
desenvolvimento de novos modelos, sobretudo
métodos que auxiliem cada vez mais na detecção
de eventos. Outro benefício é o da perpetuação
dos conhecimentos técnicos na Petrobras, evitando
que o mesmo se perca.
metodologia
Para o desenvolvimento da ferrament a, foi
criado um projeto com par ticipação de equipes
de p esquis a e de op eração da Petrobras e da
Engineering Simulation and Scientific Soft ware ,
(ESSS), empre s a e sp e cializ ada no d e s envo l v i mento de sof t wares científicos. O objetivo foi
a definição de uma metodologia de análise para
subsidiar a construção do sof t ware .
A i d é i a p r i n c i p a l d o s of t w a r e é co m p a ra r
valores previstos de densidade de equivalente
de circulação ( equivalent circulation densit y –
ECD), densidade es tática equivalente ( equiva lent static densit y – ESD) média e pres s ão de
b omb eio com os valores reais adquirid os d os
sensores de P W D e de super fície. Discrepâncias
e nt r e o s v a l o r e s p r e v i s to s e m e d i d o s p o d e m
indicar uma anormalidade no processo de perfuração. Os passos para a identificação s ão:
1) a par tir dos dados de mudlogging (pressão
d e b omb eio real, t a x a d e p enetraç ã o, vaz ã o,
rot aç ão d e coluna, torque, arras te, profundi dade do poço, profundidade da broca etc.), o
programa calcula um per fil de concentração de
sólidos ao longo do poço. É importante salientar
o caráter transiente des te cálculo. O histórico
do poço é ex tremamente impor tante. Picos de
t a x as d e p en etra ç ã o ins t ant ân ea têm grand e
influência, assim como variação de vazão;
2) a par tir do per fil de concentração de sóli dos, o programa calcula um per fil de pressões
(tanto no interior da coluna quanto no espaço
anular) ao long o d o p o ço. Para is s o, s ão c al culadas t amb ém todas as p erdas de carga do
sis tema de circulação;
3) do passo anterior, s ão calculados o ECD
p re v i s to, E S D m é d i o p re v i s to e a p re s s ã o d e
b o m b e i o . Ta i s v a l o r e s s ã o c o m p a r a d o s c o m
os valores medidos pelos sensores. Diferenças
significativas entre os valores ou tendência de
compor tamento diferente das cur vas medidas
e previs tas podem indicar anomalias. Uma vez
que o programa identifica tendências diferentes
d e duas cur vas, o mó dulo d e regras d e id en tificação é acionado para interpretar possíveis
problemas.
O sof t ware aler ta o usuário e sugere açõ es
corretivas ou preventivas. A chamada anális e
de pumps- of f (compor tamento de pressões du rante as paradas d e circulaç ão) é um re cur s o
indispensável para auxiliar na interpretação. O
ESD médio es t á as s o ciad o à concentraç ão d e
s ó lid o s no e spa ço anular (d e ond e s e p o d em
tirar conclusões sobre as condições de limpeza
do poço). O ESD mínimo es tá, geralmente, associado a efeitos de pis toneio devido à movi mentação da coluna. O ESD máximo pode estar
associado a valores de pressão devido à quebra
de gel, a efeitos de pistoneio ou aos dois efeitos
combinados. A figura 1 mostra um per fil típico
d e P W D, o nd e s ã o m o s tra das (co m o temp o)
as cur vas de ECD, pressão de bombeio, vazão,
ESD, taxa de penetração, profundidade do poço
e demais parâmetros operacionais.
A a ná li s e d o co m p o r t a m e nto d e p re s s õ e s
em tempo real requer a construção de regras
e modelos fenomenológicos que descrevam a
353 o
Figura 1 − Perfil típico de PWD.
Figure 1 − Typical PWD log.
dinâmic a das op eraçõ es. Tais mo delos devem
ser de solução rápida, de forma a garantir que
a s inte r p ret a çõ e s s e jam fe it a s e m e s c ala s d e
tempo compatível com a transmissão de dados
de pressão e com o tempo de resposta do poço
a ações preventivas e /ou corretivas. Este pro cesso, de caráter notadamente transiente, foi
desenvolvido com sistemas híbridos que capturassem a física básica do problema e a experiência operacional. Por exemplo, um aumento da
o 354
taxa de penetração ( rate of penetration – ROP)
pode levar a um acréscimo na pressão de fundo
devido ao aumento da hidrostática transmitida
pelos sólidos.
O aumento da vazão gera dois efeitos con correntes que podem aumentar ou diminuir as
pressões de fundo: se por um lado reduz a carga
de sólidos no anular levando a uma diminuição
da hidrostática, por outro aumenta as perdas
de carga, levando a um aumento das pressões
de fundo. O soft ware é capaz de simular todos
estes fenômenos.
F o ram d e s envo l v idas e inte gra das à fer ra ment a diver s as rotinas para previs ão de ECD:
pres s ão d e b omb eio e concentraç ão, s ólidos,
deslocamento de fluidos (tampões), previsão de
perda de carga em equipamentos direcionais e
demais ferramentas etc. Algumas das diversas
rotinas desenvolvidas e implementadas são descritas a seguir:
calibração de equipamentos
( shallow test )
O valor de pressão de fundo previsto é transformado em densidade equivalente e comparado
com o ECD medido.
rotina de deslocamento de fluidos
Esta rotina permite ao software contabilizar
o efeito da passagem de tampões (finos e visco sos) nas perdas de carga e na concentração de
sólidos. A rotina calcula a posição da inter face
entre diversos fluidos desde o momento em que
eles são inseridos na coluna até a sua saída do
poço.
A rotina de calibração de equipamentos faz
previsões de perda de carga em equipamentos
(motor de fundo, MWD/LWD/PWD etc.) com base
em dados (identificados automaticamente pelo
soft ware ) de procedimentos de shallow test .
rotina de leak-off test
calibração de perdas de carga
em coluna e em anular
rotinas de surge e de swab
A rotina de calibração de coluna e de anular
identifica (também automaticamente) dados de
ECD, pressão de bombeio e vazão e ajusta o fator
de atrito para uma correta previsão de perda de
carga. Desta forma, garante-se que discrepâncias
entre as pressões medidas e as previstas devemse apenas a eventos não esperados.
cálculo de concentração de
sólidos e de pressões
O cálculo da concentração de sólidos é um
dos cálculos mais impor tantes pois tem impacto direto nas pressões de fundo de poço. Além
disso, é com base neste cálculo (quando comparado com a concentração de sólidos real) que o
programa identifica problemas de remoção de ficiente de cascalhos. Após a determinação do
per fil de concentração de sólidos ao longo do
poço, é calculado o per fil de pressões previsto.
Esta rotina permite a identificação da pressão de fratura na sapata com base nos dados
de PWD replay.
Faz as previsõ es de acréscimo ( surge ) e de
decréscimo ( swab ) de pressão de fundo devido à
movimentação de coluna. A velocidade da coluna
e a posição da broca (dados de entrada para o
cálculo de surge e swab) são recebidos pela ferramenta em tempo real (dados de mudlogging ).
rotina de cálculo de quebra de gel
Calcula o acréscimo de pressão de fundo de
poço na retomada de circulação devido à que bra de gel.
Além das rotinas descritas, foram desenvolvidas e implementadas também diversas regras
p ara inte r pret a ç ã o d e dis cre p ância s e nt re a s
cur vas previstas e as reais. Isto permitirá a interpretação dos dados de forma muito similar
à feita atualmente pelo especialista, porém de
forma menos subjetiva. Na figura 2 é exemplificada a idéia a ser aplicada. O programa identifica trechos de cur vas (de ECD, por exemplo)
355 o
Figura 2 − Exemplo da análise de
comportamento. A
curva verde identifica os trechos de
constante, descida e
subida da profundidade da broca.
Figure 2 − Example of behavior
analysis. The green
curve identifies the
Constant stretches,
drill bit depth run in
and rise.
constantes, ascendentes e descendentes, com para com a cur va prevista e identifica comportamentos anômalos.
a ferramenta
computacional pwda
O PWDa foi concebido de forma a possibilitar sua
utilização em duas diferentes configurações. A primeira,
operando com a aquisição e a análise em tempo real. A
segunda, fazendo uma pós-análise de dados de perfuração já existentes em um ambiente gráfico amigável e
com retorno das informações de forma bastante visual.
Na figura 3 é mostrado um esquema da comunicação da
ferramenta com as fontes de dados. O software pode ser
alimentado com arquivos do simulador de hidráulica de
poço e carreamento de cascalhos da Petrobras (Simcarr)
Dados de Mudlogging
(sensores de superfície)
Figura 3 − Comunicação da ferramenta com as fontes de dados.
Figure 3 − Tool communication with data sources.
o 356
para preenchimento de geometria de poço, composição
de coluna e dados de fluidos. Tais dados podem também
ser preenchidos manualmente. Além disso, o software
recebe dados de PWD e mudlogging via arquivos LAS,
para retroanálises, ou via WITS (wellsite information
transfer specification), para análises em tempo real.
Foi desenvolvida uma primeira versão do software
para poços verticais capaz de identificar os seguintes
eventos e/ou realizar as seguintes análises:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
furo na coluna ou wash out;
entupimento de jatos da broca;
queda de jatos da broca;
arrombamento ou desmoronamento no poço;
enceramento do estabilizador;
obstrução do anular;
obstrução no anular por acúmulo de sólidos;
aumento de volume do tanque ativo;
perda de circulação para a formação;
análise de pumps-off;
carregamento de sólidos – esd anular.
Na figura 4 é exibida a tela da primeira versão do
PWDa durante recebimento de dados em tempo real. As
trilhas 1, 2 e 3 mostram a comparação entre os dados
recebidos e os simulados. Na trilha de “observações” são
mostradas as interpretações feitas com sugestões.
É possível receber dados em tempo real em campo
via cabo serial e protocolo WITS. Foram feitos alguns
testes com a ferramenta em sondas de perfuração com
cabo serial e protocolo WITS. Entretanto, este tipo de
comunicação limita a ferramenta ao uso somente em
sonda. O uso da ferramenta em salas de centro de
suporte à decisão (CSD), o que é bastante promissor,
não é possível com a maioria das companhias de serviço. Além disso, a comunicação entre o cabo serial
e o protocolo WITS tem, cada vez mais, caído em
desuso. Por este motivo, foi concebido e está em
fase de desenvolvimento um módulo de comunicação com o sistema Exata da Petrobras via rede.
Isto tornará o programa compatível com o banco de
dados integrados do E&P, o que trará uma enorme
flexibilidade na aquisição de informações e no uso
do software.
testes para validação
de rotinas de cálculo
e interpretações
Foram feitos alguns testes para validação dos
cálculos, previsões e identificação de eventos. Os
primeiros testes foram realizados durante a perfuração do poço 7-SER-18D-RNS do campo de petróleo
de Serra, no Rio Grande do Norte. Na ocasião, foi
testado o módulo de identificação de modo de
operação. Este módulo é responsável por identificar automaticamente processos como: circulação,
perfurando, conexão, desconexão, manobra de
subida (com ou sem backreaming ), manobras de
descida etc. O software identificou com índice de
acerto de 100 % os modos de operação durante
os 30 dias de testes. O módulo de identificação
de eventos foi novamente testado em embarques
posteriores (poço 1-SPS-55 e 4-SPS- 62), sempre
com 100% de acerto.
comparações com
resultados do Simcarr
Foram feitos também alguns testes de comparação com resultados do Simcarr. Os dois software
são bastante diferentes e projetados para situações
distintas, o que torna difícil a comparação entre as
respostas de ambos. Enquanto o Simcarr é um software que simula situações em estado estacionário
e basicamente para projeto, o PWDa é um software feito para acompanhamento e seus cálculos são
todos transientes. Entretanto, se o PWDa for testado
em um ambiente controlado em que os parâmetros
de entrada (ROP, vazão, rotação etc.) são todos
constantes no tempo e iguais aos alimentados no
Simcarr, a par tir de um cer to momento, o pro grama entenderá que a situação atingiu um estado estacionário. Em tal situação, as respostas
dos dois sof t ware deverão ser bem parecidas.
Isto foi verificado. Na tabela 1 é apresentada
357 o
Figura 4 − Tela do PWDa.
Figure 4 − PWDa screen.
uma comparação entre os resultados (ECD de
fundo, ECD na sapata, concentração de sólidos
na sapata, concentração de sólidos no riser e
pressão de bombeio) dos dois programas para
determinadas situações. Para isso, foi simulada a
perfuração de um poço vertical com as seguintes
características:
• profundidade final de 3.750m;
• riser (ID = 19 1/ 2 pol) até 1.200m, sapata
(ID = 8,681 pol) a 325m e poço aber to (de
8 ½ pol) até a profundidade final;
• vazão de 500gpm;
• ROP de 10m / h;
o 358
• cascalhos de peso específico igual a 21 lb/
gal e diâmetro equivalente de 0,1 pol;
• coluna composta somente por tubos (OD
= 5 pol e ID = 4,276 pol);
• broca com cinco jatos de 14in / 32;
• sem rotação de coluna;
• fluido de peso específico de 10 lb /gal e
com a seguinte reologia: L600 = 60; L 300
= 50; L 200 = 37; L100 = 28; L6 = 11; L 3 =
10.
A s diferenças nas respostas devem-se às distintas metodologias de cálculo utilizadas pelos
dois programas. Diferentemente do Simcarr (que
res olve o problema d e forma es t acionária), o
PWDa precisa de modelos transientes para previsão
e acompanhamento dos parâmetros de perfuração.
Desta forma, os diferentes modelos utilizados levam
a respostas um pouco diferentes. Todavia, as diferenças constatadas são pequenas e perfeitamente
aceitáveis.
testes com dados simulados
A etapa seguinte, de testes, constou na avaliação
da desempenho do programa com dados de perfuração simulados. Os testes foram feitos com um
gerador de dados de perfuração construído por uma
companhia de serviços. Foi possível variar determinados parâmetros operacionais, mantendo os demais
constantes e verificar a resposta do programa. Por
exemplo, variou-se a ROP e verificou-se a variação
Parâmetro
ECD sapata (lb/gal)
ECDfundo (lb/gal)
Concentração sólidos sapata (%)
Concentração sólidos riser (%)
Pressão de bombeio (PSI)
do perfil de concentração de sólidos e a pressão ao
longo do poço.
Na figura 5 é visto o perfil de concentração de
sólidos (linha vermelha) após um período em que a
taxa de penetração passou de 5 para 0 e, depois,
para 10m/h. Observa-se que a quantidade de sólidos gerada pela broca durante o período em que
a taxa era de 5m/h foi transportada levando a uma
determinada concentração de sólidos nos trechos
mais próximos à superfície. Posteriormente, a perfuração é interrompida, mas a circulação continua
(período de ROP = 0). Os sólidos continuam sendo
carreados, contudo não há geração. Observam-se
então regiões com concentração de sólidos muito
baixas. Logo abaixo destas regiões, encontra-se uma
concentração de sólidos mais elevada. Isto ocorre
devido ao aumento da ROP para 10 m/h, gerando
mais sólidos que são carreados pelo fluido e, aos
Resposta Simcarr Resposta PWDa
10,50
10,52
10,54
10,56
0,36
0,40
0,24
0,27
3.104
3.183
Tabela 1 − Comparação
entre Simcarr e PWDa.
Table 1 – Comparison
between Simcarr and
PWDa.
Figura 5 − Mudança no
perfil de concentração
de sólidos devido à mudança da ROP.
Figure 5 − Solid concentration log change due
to change in ROP.
359 o
poucos, aumentam a concentração de sólidos das
regiões mais acima.
Na figura 6 é ilustrado o pequeno aumento de
ECD (curva vermelha na trilha 3) com o tempo devido
também a um aumento de taxa de penetração (curva
verde clara na trilha 2).
Nas figuras 5 e 6 é exibido o caráter transiente
do programa.
testes em centro de suporte à decisão
A seguir, foram realizados testes no Centro de Suporte à Decisão (CSD) da Unidade de Negócio da Bacia
de Santos (UN-BS) e em sonda (durante perfuração de
poços exploratórios na Bacia de Santos). Estes testes
permitiram testar com sucesso, pela primeira vez, a
comunicação de dados do software PWDa em uma
locação distante da geração dos dados.
testes em sonda de perfuração
Foram realizados alguns embarques com o software, entre eles os poços 1-SPS-55 e 4-SPS-62.
O primeiro teste realizado em sonda foi muito bem
sucedido. O software recebeu dados reais de perfuração em tempo real por 14 dias durante a perfuração
do poço 1-SPS-55, no Campo de Guará. Alguns problemas de interface foram identificados e corrigidos.
A freqüência de recebimento dos dados também era
diferente, o que permitiu verificar que as correções feitas no módulo de comunicação em tempo real foram
bem sucedidas. Os cálculos realizados pela ferramenta
durante este teste foram avaliados e verificou-se que
o programa respondeu de forma bastante satisfatória. O módulo de interpretação de eventos também
respondeu muito bem e não houve interpretações
errôneas. Na figura 7 é mostrada a tela do programa
durante os testes. Na trilha 3, é possível se verificar
a curva de ECD real (curva preta) e a de ECD previsto
pelo programa (curva vermelha). Nota-se que ambas as
curvas são muito próximas, mostrando que o PWDa é
capaz de prever com bastante exatidão os parâmetros
operacionais reais. Os picos de ECD real observados
na figura deveram-se a erros de comunicação com a
ferramenta de PWD.
O segundo teste (no poço 4-SPS-62) foi igualmente
bem sucedido. Durante toda a perfuração, o programa
previu com precisão o ECD de fundo e o ESD médio.
Isto mostra que o transporte de sólidos calculado pelo
programa está bastante próximo do real. Na figura 8,
trilha 3, o ECD previsto pelo PWDa (linha rosa) coincide
com o ECD real medido pelo PWD (pontos pretos). Já
o ESD médio previsto (linha verde) também coincide
com o ESD médio real (pontos azuis).
Ademais, o software identificou corretamente a
causa de uma diminuição brusca da taxa de penetração como sendo o desgaste da broca. Ao se retirar a
broca, constatou-se uma perda de calibre de 0,5 pol.
Figura 6 − Aumento do ECD
devido a aumento na ROP.
Figure 6 − Increase of ECD
due to increase in the ROP.
o 360
implementações futuras
regras para interpretação de dados de torque e
de drag
Já estão implementadas regras para a interpretação de dados de pressão (tais como regras para
identificação de kicks, limpeza deficiente de sólidos,
enceramento de broca, entupimento e/ou queda
de jatos de broca, desmoronamento de poço etc.).
Os dados de torque e de arraste, por sua vez, são
também extremamente úteis para a identificação
de problemas no poço. Entende-se que a análise de
dados de torque e de arraste, aliada à interpretação
de dados de pressão, trará muito mais robustez às
interpretações e identificações feitas pelo software.
Como exemplo, pode-se citar a interpretação de
limpeza deficiente.
Além do aumento da pressão, o aumento do
torque e do arraste podem aumentar a certeza na
identificação deste problema. O mesmo se aplica ao
caso de enceramento de brocas e inúmeros outros
eventos. Tem-se trabalhado no sentido de se enriquecer o módulo de identificação com novas regras
de interpretação de dados de torque e de arraste.
Esta etapa irá incorporar ao projeto o conhecimento de
especialistas da área e deverá agregar bastante valor ao
produto final.
correção de reologia com temperatura
A reologia do fluido de perfuração é fortemente influenciada pela temperatura. A diminuição ou o
Figura 7 − Grande concordância entre dados reais e dados previstos pelo PWDa.
Figure 7 − Great conformity between actual data and data estimated by the PWDa.
361 o
aum ento da re o l o gia (d ev id o a temp eraturas
mais altas e mais baixas) tem for te impacto no
cálculo das perdas de carga e no carreamento
d e s ó li d o s . S e rá i m p l e m e nt a d o u m p e r f il d e
temperatura no poço, levando -se em cont a o
dado de temperatura de fundo fornecido pelo
PWD. A ssim, a reologia do fluido será corrigida
para as várias temperaturas encontradas no poço
(Aranha et al. 2008).
leak-off test (LOT)
Será também implementado um módulo para
interpretação automática dos dados de LOT provenientes do PWD replay. Esta funcionalidade do PWD
permite o envio à superfície de todos os dados de
pressão de fundo durante o teste. O módulo identifica quando os pontos de pressão saem da linearidade
e calcula o limite máximo da janela operacional.
Figura 8 − Boa concordância entre ECD e ESD previstos e reais.
Figure 8 − Good conformity between estimated and actual ECD and ESD.
o 362
perfuração com alargadores
Será executado um módulo de cálculo de perda de
carga e carreamento de sólidos para situações em que a
perfuração é feita com alargamento simultâneo ou posterior. Isto aumenta o cenário de aplicação do software.
sedimentação de partículas
em fluido gelificado
Serão desenvolvidos e implementados cálculos para
a determinação da velocidade de sedimentação de
partículas em situações de fluido sem circulação (fluido
gelificado, com viscosidade aumentando com o tempo).
(Bastos et al. 2008)
expansão térmica
Cálculos para previsão de expansão térmica de fluidos
serão feitos e seus resultados, colocados em prática. Isto
evitará a identificação de falsos kicks.
fatores de atrito e melhores
modelos reológicos para cada
fluido utilizado na Petrobras
O PWDa faz previsão de perdas de carga utilizando
uma única correlação de fator de atrito e um único modelo reológico. Foi feito um estudo para se determinar
a melhor correlação de fator de atrito para cada tipo de
fluido (sintético, catiônico, catiônico com obturante, drillin) assim como o melhor modelo reológico para cada um
deles. Estas correlações serão implementadas em breve
no PWDa (Scheid et al. 2008).
reconhecimento de padrões
Serão desenvolvidos reconhecimentos de padrões de
alguns fenômenos, tais como pack-offs (obstruções anulares momentâneas por acumulo de sólidos), balooning
e outros eventos que apresentem uma “assinatura” característica. Tais eventos são de difícil detecção e podem
facilmente ser confundidos com outros eventos (como
kicks). Um exemplo de identificação de “assinaturas” é a
pressão de fundo em forma de “barbatana de tubarão”,
característica de um balooning. Com o reconhecimento
de padrões e assinaturas características, o software poderá diferenciá-los com mais facilidade.
inteligência artificial
Será avaliada a possibilidade de implementação de
inteligência artificial (por redes neurais) para a identificação de fenômenos.
Além disso, em breve, começarão a ser desenvolvidos
os métodos de previsão de pressão, de concentração
de sólidos e de altura de leito para poços inclinados e
horizontais. A previsão para a primeira versão do PWDa
é até o final de 2009.
considerações finais
Foi elaborada uma primeira versão do software PWDa
para a identificação de eventos indesejáveis em poços
verticais.
Por se tratar de uma ferramenta com objetivos de operação e de desenvolvimento, sua arquitetura vem sendo
concebida com o máximo cuidado. O motivo de todo
este cuidado é prover total flexibilidade para a adição de
novos métodos de análise e simulação, assim como para
a adição de dados que por ventura não estejam sendo
tratados no momento.
Esforços estão sendo feitos para integrar regras de
interpretação de dados de torque e de arraste às regras já
implementadas para interpretação de dados de pressão.
Entende-se que a interpretação de dados de torque e de
arraste podem trazer um enorme benefício ao software
enriquecendo muito as análises e as conclusões.
Também estão sendo feitos esforços para finalizar
a aquisição de dados em tempo real via cabo de rede
diretamente do sistema Exata. Isto aumentará de
forma significativa as possibilidades e a flexibilidade
no uso da ferramenta computacional. Mais testes de
campo ainda precisam ser realizados para uma validação
mais segura do módulo de identificação de eventos. Após
a etapa de validação, será disponibilizada uma versão
363 o
para a Petrobras com uso em campo para auxílio à
tomada de decisão durante a perfuração.
Com os métodos de análise implementados, será
possível sinalizar na interface gráfica da ferramenta
a ocorrência de determinados fenômenos, ativando alarmes para os casos em que os dados de PWD
indicarem problemas na perfuração, como pressão
próxima aos limites da janela de operação, aumento
do acúmulo de cascalho e possível aprisionamento da
coluna, entre outros.
A próxima etapa no desenvolvimento da ferramenta
é a construção de uma nova versão para identificação
de fenômenos em poços inclinados e horizontais com
geometrias mais complexas.
Para a disponibilidade de uma versão realmente
operacional, ou seja, capaz de ser usada durante a
perfuração de um poço e na sua pós-análise, será
trabalhado o aperfeiçoamento em relação à performance de visualização e de otimização do uso de
memória para viabilizar a operação com um volume
maior de dados do que é possível hoje.
Deve-se ressaltar que o processo de aprimoramento das rotinas de diagnóstico de problemas
no software PWDa é contínuo durante a fase de
implantação do programa no campo, que ora se
inicia. Nesta etapa, a equipe desenvolvedora conta
com o apoio dos implantadores que trarão não
só a sua experiência operacional pregressa, mas
também o feedback do uso do software em diversas situações. Esta etapa certamente agregará um
valor expressivo visando ao aumento da robustez
do PWDa.
referências bibliográficas
\\ ARAGÃO, A. F. L.; TEIXEIRA, G. T.; MARTINS, A. L.; GANDELMAN,
[ Trabalhos apresentados...]. Rio de janeiro: A ssociação
R. A.; SILVA, R. A. PWD: analysis in deepwater environments: Campos
Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas. 2008.
Basin case studies. In: DEEP OFFSHORE TECHNOLOGY, 17., 2005, Vitória.
\\ SCHEID, C. M.; CALÇACA, L. A.; ROCHA, D. C.; ARANHA, P. E.;
Proceedings... Tulsa: PennWell. 2005.
MARTINS, A. L. Avaliação experimental da perda de carga no esco\\ ARANHA, P. E.; GANDELMAN, R. A.; WALDMANN, A. T. A.; GUI-
amento de fluidos de perfuração em dutos, anulares e acessórios.
LHERME, H. C. M.; MARTINS, A. L.; ARAGAO, A. F. L. Avaliação do
In: SEMINÁRIO DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO E COMPLETAÇÃO, 3.,
efeito de temperatura nos parâmetros reológicos dos fluidos Petrobras.
2008, Macaé. [Trabalhos apresentados...]. Rio de Janeiro: Petro-
In: SEMINÁRIO DE FLUIDOS DE PERFURAÇÃO E COMPLETAÇÃO, 3.,
bras. 2008. 3.v.
2008, Macaé. [Trabalhos apresentados...]. Rio de Janeiro: Petro\\ TEIXEIRA, G. T.; ARAGÃO, A. F. L.; MARTINS, A. L.; GANDELMAN,
bras. 2008. 3.v.
R. A.; LEAL, R. A. F.; SILVA, R. A. PWD: análise de dados e o projeto
\\ BASTOS, R.; GANDELMAN, R. A.; MARTINS, A. L. Particles Sedi-
conceitual de uma ferramenta computacional para interpretação. In:
mentation in a Rheopetic Fluid in Static Conditions. In: BRA-
SEMINÁRIO DE ENGENHARIA DE POÇO, 6., 2005, Búzios. [Trabalhos
ZILIAN CONFERENCE ON RHEOLOGY, 4., 2008, Rio de Janeiro.
apresentados...]. Rio de janeiro: Petrobras. 2005. 1 CD Rom.
webgrafia
\\ W.I.T.S.: wellsite information transfer specification. Disponível em:
<http://home.sprynet.com/~carob/> . Acesso em: abr. 2006.
o 364
autores
Roni Abensur Gandelman
Gleber Tacio Teixeira
\\ Centro de Pesquisas da Petrobras
(Cenpes)
\\ Gerência de Tecnologia de Engenharia
de Poço
\\ E&P Serviços
\\ Gerência de Serviços de Poço
[email protected]
[email protected]
Roni Abensur Gandelman é Engenheiro Químico formado pela
Universidade Federal do Rio de Janeiro. Desde 2004, desenvolve
trabalhos teóricos e experimentais sobre hidráulica de perfuração e
interpretação de dados de pressões de fundo durante a perfuração,
fenômenos de gelificação em fluidos de perfuração, projetos hidráulicos e desenvolvimento de software para a área de perfuração.
Alex Tadeu de Almeida Waldmann
(Cenpes)
de Poço
Gleber Tacio Teixeira é Químico de Petróleo Pleno na Petrobras. Trabalha há cinco anos no Serviço de Fluidos, em Macaé (RJ), onde exerce
atividades relacionadas à área de fluidos de perfuração, desenvolvendo e
avaliando novas formulações e tecnologias. Graduou-se e obteve o título
de mestre em química ambiental pela Universidade Federal de Goiás.
Fez especialização em química pela Universidade Federal de Lavras.
Antes de entrar na Petrobras, trabalhou por 4 quatro anos na Comissão
Nacional de Energia Nuclear.
Átila Fernando Lima Aragão
\\ E&P Serviços
\\ Gerência de Serviços de Poço
[email protected]
Alex Tadeu de Almeida Waldmann é Engenheiro Químico formado na Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro e mestre pelo
Departamento de Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade
Católica do Rio de Janeiro. Desde 2001, desenvolve trabalhos teóricos e experimentais sobre propriedades e modelagem de filtração de
fluidos de perfuração em rochas-reservatório, hidráulica de perfuração
e análise de pressões de fundo durante a perfuração.
[email protected]
Átila Fernando Lima Aragão é formado em Engenharia Química
pena Universidade Federal da Bahia. Desde que entrou na companhia,
em 1981, trabalha na área de fluidos de perfuração e completação,
tanto na execução como no desenvolvimento de projetos. Nos últimos
12 anos, tem coordenado operações de perfuração e completação na
Bacia de Campos. Atualmente, é consultor sênior da Petrobras, lotado
no Serviço de Fluidos da Gerência de Serviços de Poço.
365 o
autores
Mauricio Seiji Rezende
Eduardo Kern
\\ Engineering Simulation and Scientific
Software (ESSS)
Software (ESSS)
[email protected]
[email protected]
Mauricio Seiji Rezende é formado pelo Departamento de Informática da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do
Sul e é Mestre em Ciências da Computação pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Ingressou na ESSS em 2005 atuando
em projetos de desenvolvimento de softwares científico e para
engenharia. Atualmente, é coordenador de projetos da ESSS.
Clovis Maliska Junior
André Leibsohn Martins
Software (ESSS)
(Cenpes)
de Poço
[email protected]
[email protected]
Clovis Maliska Junior formou-se em Engenharia Mecânica em 1997 e
concluiu seu mestrado em ciências térmicas em 2000, ambos os cursos
pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal
de Santa Catarina. Ele fundou a ESSS em 1995, atuando em diversos
projetos de desenvolvimento de softwares científicos e para engenharia.
Hoje, é presidente e diretor de desenvolvimento de software da ESSS
(Engineering Simulation and Scientific Software).
o 366
Eduardo Kern é formado e concluiu seu mestrado em Ciências
da Computação no Departamento de Informática e Estatística
da Universidade Federal de Santa Catarina. Começou na ESSS
em 1998, atuando em diversos projetos de desenvolvimento de
softwares científicos e para engenharia. Atualmente, é gerente
de desenvolvimento de software da ESSS.
André Leibsohn Martins é consultor sênior na Tecnologia de
Engenharia de Poço do Cenpes. Começou na Petrobras em 1986 e
coordenou diversos projetos envolvendo perfuração, completação e
hidráulica de cimentação de poços. É formado em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Mestre
em Engenharia de Petróleo pela Universidade Estadual de Campinas
(UNICAMP) e Doutor pelo Departamento de Engenharia Química
da UFRJ.
expanded abstract
The anticipation and remediation of potential hole
problems is an ultimate goal of most real time measurement devices installed in drilling rigs. Among the
several sensors available, PWD (pressure while drilling)
measurements gained popularity due to its potential
for problem diagnosis. The complete understanding of
the physical phenomena governing downhole pressure
is, however, far from being spread among the drilling
teams at the rigsite.
Petrobras is developing a computational tool to
interpret PWD and mudlogging real time data while
drilling. The tool should identify undesirable phenomena such as poor hole cleaning, kicks or pressure
peaks due to gel breaking when circulation is resumed,
alerting the operators. Nowadays, an experimented
operator monitors the drilling job and identifies problems. This way, the identification of potential problems
is a very subjective process and can vary depending
on expert. The proposal of this project is to provide a
tool to help the operators to take important decisions
rapidly in an objective way, optimizing drilling job (reducing time and operational costs).
The software should receive real time PWD (ECD,
ESD, internal column pressure and temperature) and
mudlogging (real pump pressure, rate of penetration,
flow rate, drillstring rotation, torque, drag, bit and hole
depth, etc) data during the drilling job and predict
ECD (equivalent circulation density), pump pressure
and solids concentration. PWD and real pump pressure data are compared to the predict parameters.
Differences between the real ECD and predicted ECD
curves (along the time) as well between real pump
pressure and predict pump pressure curves indicate
some unexpected phenomenon. The different tendencies of real and predicted curves are interpreted
to identify potential problems. Once a problem is anticipated, the software proposes actions to be taken
in order to avoid the problem. If an effective problem
occurs, corrective actions are recommended. Pumps
of analysis also help the diagnosis process.
The first version of the software, presently available,
is able to identify the follow events in vertical wells:
• wash out;
• bit jets obstructions;
• bit jets loss;
• borehole enlargement;
• bit/stabilizer balling;
• annular obstruction;
• annular obstruction due to solids accumulation;
• gas influxes;
• circulation losses;
• breathing/balooning.
Validation tests were carried out with simulated real data in drilling rigs. The results showed
a very good prediction of parameters in normal
conditions. The interpretation of phenomena was
also very accurate. Further development include
a version for inclined and horizontal wells as well
the incorporation of torque and drag parameter
analysis rules, temperature effects, Leak-off test
interpretation, drilling + reaming analysis and
synthetic based muds thermal expansion. Pattern
recognition and artificial intelligence techniques
will be incorporated to add value to interpretation
capabilities.
367 o