Departamento de Engenharia Mecânica
MONITORAMENTO DE RISERS FLEXÍVEIS: FERRAMENTA
MANDRIL VENTURI
Aluno: Hilton Betta Junior
Orientador: Arthur Martins B. Braga
Introdução
Com a consolidação do petróleo como uma das principais fontes de energia além
das recentes descobertas de novos campos, como o pré-sal, a indústria mostra grande
necessidade para o aprimoramento nas técnicas de exploração.
A ferramenta mandril venturi (FMV) surge com o propósito de otimizar o tempo e
os recursos gastos no processo de cementação e acidificação de um poço de petróleo.
Enquanto no processo antigo diversas fases deveriam ser executadas com diferentes
peças e em diferentes passos, a FMV supre todo o processo apenas com a substituição
de uma válvula, sem a necessidade da ferramenta ser retirada do poço ou utilização de
uma bomba suplementar utilizada somente para esta operação.
Considerando o material a ser utilizado pela FMV, além de seu diâmetro externo
como parâmetros, foi possível simular determinadas condições críticas em que o FMV
poderia ser aplicado fazendo o uso de um software de elementos finitos. Com estas
simulações, pôde-se então verificar o comportamento da ferramenta, para que a partir
deste ponto, futuras mudanças para diminuir as perdas de cargas tornassem possíveis.
Metodologia
Foi especificado que o protótipo da FMV fosse desenvolvida com o metal SAE
4140 (Sy = 640Mpa), logo, após modelar as peças que formariam a FMV, foi necessário
fazer diversas simulações estruturais para especificar as melhores dimensões possíveis
para a FMV trabalhar com uma vazão de 300m³/dia sem que esta peça não venha a
falhar mecanicamente.
Para determinar o comportamento da FMV com a maior segurança possível, para
que a ferramenta não sofra nenhuma falha mecânica, foram feitas as seguintes
simulações:

Pressão externa de 30MPa e zero de pressão interna.

Pressão interna de 50MPa e zero de pressão externa.

Pressão diferencial.
Onde os dois primeiros itens são situações surreais para um cenário de trabalho
em que a ferramenta venha a trabalha, já que é impossível um diferencial de pressão
desta magnitude. Estas simulações tiveram como objetivo mostrar a confiabilidade da
FMV mesmo em situações supercríticas.
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Em todas as três análises foram consideradas a mesma malha de elementos finitos,
a mesma condição de contorno (engaste na área da rosca) e as mesmas propriedades do
material (aço 4140), alterando apenas as áreas onde a pressão atua. Para o modelo
analisado foi aplicada uma condição de simetria em relação ao plano YX como pode ser
observado nas figuras a seguir.
A. Pressão Externa
Nesta análise foi considerado uma pressão externa de 30MPa e uma pressão
interna de zero. Como dito anteriormente, análise com o intuito de mostrar a resistência
mecânica da estrutura até mesmo em uma situação surreal.
A Figura 1 apresenta os valores de deformação para uma análise estática do
protótipo. Na região de máxima deformação os valores em microstrain são da ordem de
1100 µm/m com isso o fator de segurança dessa área é próximo de 2, como pode ser
observado na Figura 2.
Figura 1 - Deformação para pressão externa máxima e pressão interna zero (escala em m/m)
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Figura 2 - Fator de Segurança
As Figuras 3 e 4 mostram o resultado de uma análise de flambagem do protótipo
devido à pressão externa. Nestas imagens é possível observar se a estrutura irá falhar
sobre o efeito de flambagem na região em que a ferramenta possui um maior diâmetro
interno. Na escala é possível observar que o máximo valor de deslocamento na região
crítica é de 1 mm garantindo assim não irá ocorrer dano por colapso.
Figura 3 - Análise de flambagem (escala em mm - deslocamento)
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Figura 4 - Análise de flambagem (escala em mm), detalhe da seção crítica.
B. Pressão Interna
Nesta simulação foi considerado uma pressão interna de 50MPa e uma pressão
externa de zero. Observa-se na figura 5 que os valores de deformação do material está
próximo de seu limite elástico, porém cabe ressaltar que este caso é uma situação irreal,
já que em nenhum momento a pressão externa a FMV será de zero ou o diferencial de
pressão interno-externo será desta magnitude.
Figura 5 - Deformação para pressão interna máxima e pressão externa zero (escala em m/m)
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Figura 6 - Fator de Segurança
C. Pressão Diferencial
Este é o modelo que melhor representa a realidade de trabalho da FMV, já que
este equipamento irá trabalhar com uma pressão interna e externa. Porém, seguindo o
mesmo padrão dos casos anteriores, será considerado um diferencial de pressão máximo
para que possa ser observada a reação da ferramenta em outra situação crítica.
Logo, foi considerado uma pressão interna de 50MPa e uma pressão externa de
30MPa, gerando assim um diferencial de pressão de 20MPa no sentido interno-externo.
A Figura 7 apresenta os valores de deformação da análise estática do modelo.
Pode ser observado que o valor de deformação na bolsa superior (região crítica) possui
valores próximos de 1000 µm/m de forma que o fator de segurança para essa pressão de
trabalho é próximo de 2 tal como se pode ver na Figura 8.
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Figura 7 - Deformação com pressão diferencial (escala em m/m)
Figura 8 - Fator de Segurança
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Conclusões
Foram definidas as geometrias Da FMV, com estes dados foram feitas simulações
em elementos finitos com o que se pode verificar o comportamento da ferramenta para
as condições de trabalho normal e também para situações extremas de trabalho.
As simulações mostraram que a geometria escolhida para o material já prédeterminado foi satisfatória já que na simulação mais próxima de uma situação real, o
comportamento da FMV esteve dentro do planejado.
Logo, após todo o trabalho de análise estrutural, foi possível fazer as análises
necessárias para otimizar o fluxo, diminuindo as perdas de carga.
Referências
1 – GERE, J. M.; GOODNO, B. J. Mecânica dos Materiais. 7ª edição, CENGAGE
Learning, 2010, p. 551-556