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Engenharia naval

Simulações na tela e nas águas da baía

Tanques da USP e da Coppe-UFRJ vão ajudar a Petrobras a explorar petróleo em águas ultraprofundas

Eduardo CesarImagem tridimensional na Poli-USP: óculos especiais para ver os fenômenos estudadosEduardo Cesar

Dois tanques de provas, um virtual e um físico, vão reforçar a posição do Brasil de líder tecnológico na exploração de petróleo em alto-mar. A Escola Politécnica (Poli) da Universidade de São Paulo (USP) inaugurou, no fim de fevereiro, um sofisticado laboratório, batizado de Tanque de Provas Numérico (TPN), que viabilizará a exploração em poços submarinos posicionados a mais de 2.000 metros de profundidade – atualmente, o campo de Roncador, na bacia de Campos, no Rio de Janeiro, a 1.800 metros da lâmina d’água, é o mais profundo operado pela Petrobras. E, na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), pesquisadores da Coordenação dos Programas de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia (Coppe) estão dando os retoques finais em um tanque oceânico que mais se parece com um mar artificial, com 22 milhões de litros de água, previsto para ficar pronto em junho.

Instalado às margens da baía de Guanabara, no campus da UFRJ, o tanque oceânico tem cerca de 1,5 mil metros quadrados, 40 metros de comprimento por 30 de largura e profundidade média de 15 metros e máxima de 25 metros. Supera tanques do mesmo tipo existentes nos Estados Unidos, com 5,8 metros, na Holanda, com 10,5 metros, e na Noruega, com 10 metros de profundidade. Os dois projetos foram financiados com recursos do Fundo Setorial do Petróleo e Gás Natural (CT-Petro), do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT).

Adquirir know-how para exploração de petróleo e gás em grandes profundidades é de importância decisiva para o Brasil porque 75% das reservas da Petrobras, estimadas em 9,8 bilhões de barris, encontram-se em águas profundas (400 a 1.000 metros) ou ultraprofundas (a mais de 1.000 metros).

Ensaios virtuais
“O TPN fará a simulação do comportamento de plataformas marítimas de petróleo em alto-mar, permitindo que a Petrobras avance com mais segurança na exploração em águas ultraprofundas”, conta Kazuo Nishimoto, professor de Engenharia Naval e Oceânica da Poli e coordenador do recém-inaugurado laboratório. O engenheiro André Paiva Leite, consultor técnico do Departamento de Exploração e Produção da Petrobras, confirma a importância do TPN: “A confiabilidade nos sistemas flutuantes ficará muito maior com os ensaios a serem realizados no novo tanque virtual de provas”.

O TPN é, na verdade, um sistema computacional composto por um grupo de 60 computadores operando em paralelo. Até o fim do ano, outros 60 micros serão incorporados à rede, que tem capacidade para receber até 300 aparelhos. “Iremos ampliar a capacidade na medida em que a demandajustificar tal investimento”, diz Nishimoto. A vantagem do grupo em relaçãoacomputadores isolados é a produção de cálculos muito mais complexos em pouco tempo. “Simulações que levariamdias para serem executadas numa estação isolada são finalizadas em poucos minutos na rede”, explica o pesquisador.

Imagem tridimensional
Além dos computadores, o laboratório terá também uma sala de realidade virtual, que empregará tecnologia de animação Silicon Graphics. Essa sala será utilizada para projeção da imagem tridimensional da simulação numérica processada pelos computadores. “Decidimos incorporar ao projeto do TPN uma sala estereográfica com recursos de computação gráfica 3-D para visualizarmos, da maneira mais real possível, todos os fenômenos estudados”, conta Nishimoto. Esse recurso permitirá que a análise numérica de cada ensaio seja acompanhada, simultaneamente, da análise visual, facilitando sua compreensão e auxiliando na aferição dos resultados.
As simulações de modelos hidrodinâmicos e estruturais feitas no TPN resultarão em informações sobre o comportamento das plataformas semi-submersíveis e dos navios-tanques fundeados, conhecidos por FPSOs – sigla de Floating, Production, Storage and Offloading, ou sistema flutuante de produção, armazenamento e descarga -, estruturas responsáveis pela exploração de petróleo em alto-mar. Os ensaios também mostrarão como se comportam os cabos de ancoragem, que fazem a amarração da plataforma ou do navio ao fundo do mar, e os risers, as tubulações que levam o petróleo do poço até a plataforma na superfície.

Todos esses elementos estão continuamente sujeitos a fatores ambientais, como ação de ventos, ondas e correntezas, que podem provocar avarias e desestabilizar a plataforma ou o navio, prejudicando a produção. Saber como mantê-los com a maior estabilidade possível é fator decisivo para o sucesso da exploração.O projeto do Tanque de Provas Numérico contou com a participação de quatro instituições de pesquisa, além da USP: Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT), Coppe, Grupo de Tecnologia em Computação Gráfica (Tecgraf), da Pontifícia Universidade Católica (PUC) do Rio de Janeiro, e Centro de Pesquisas da Petrobras (Cenpes).

O investimento total no projeto, que integrou a primeira concorrência do CT-Petro, realizada no final de 2000, foi de quase R$ 3 milhões. Desse total, R$ 2,56 milhões foram repassados pela Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), órgão que exerce a Secretaria Executiva dos Fundos Setoriais do MCT, e os R$ 400 mil restantes ficaram por conta da Petrobras. Os recursos começaram a ser injetados em janeiro do ano passado, e o laboratório foi montado em apenas um ano.

Segundo Nishimoto, o TPN municiará projetistas e engenheiros envolvidos nos projetos de construção de estruturas flutuantes com dados preciosos. “Iremos simular, principalmente, parâmetros básicos como os movimentos e as acelerações da plataforma e as tensões nas linhas de amarração e nos tubos.”

Escala reduzida
O TPN complementa e estende as aplicações dos tanques de provas físicos, que realizam ensaios com modelos reduzidos. Por sua vez, o TPN depende de resultados obtidos nos tanques de prova físicos para validar e calibrar os modelos numéricos utilizados no modo virtual. Os tanques físicos são eficientes mas sofrem restrições nas simulações em águas ultraprofundas por causa do efeito escala. Restrições que podem ser atenuadas na integração com estudos realizados no TPN. Hoje, a profundidade máxima possível para a realização de simulações é de 1.000 metros. Quando o tanque da Coppe estiver pronto, poderão ser simuladas operações em até 2.500 metros de profundidade. Para extrapolar esses limites, estudos complementares baseados em ensaios nos tanques virtuais representam uma efetiva contribuição.

Uma vantagem do TPN é o custo de seus ensaios, muito inferior ao dos realizados no tanque de provas físico. A economia de custos vale também no âmbito do tanque físico – seus testes são imprescindíveis em projetos pioneiros e concepções originais e inovadoras – citada pelos pesquisadores da Coppe. A taxa diária de utilização do tanque oceânico não chegará a US$ 15 mil, enquanto nos tanques localizados no exterior cobram-se valores superiores a US$ 20 mil. A Petrobras, segundo a Coppe, chega a desembolsar até US$ 400 mil por 15 dias de ensaios fora do Brasil.

Equipado para produzir ondas, ventos e correntezas, o tanque oceânico, de 25 metros de profundidade máxima, irá possibilitar ensaios de modelos de estruturas e equipamentos para atividades de produção de petróleo e gás offshore (em alto-mar), em grandes profundidades, pesquisas na área de engenharia naval, além de estudos associados a novas estruturas oceânicas e a operações submarinas. “Os ensaios de modelos nas condições que teremos no tanque oceânico são fundamentais para prever o que se vai encontrar no mar na extração de petróleo.

E, quanto mais profundo o tanque, melhores os resultados”, diz o engenheiro civil Ricardo Franciss, da Gerência de Tecnologia Submarina do Cenpes da Petrobras. “No tanque, poderemos observar com maior eficiência, confiabilidade e menores riscos fatores como fadiga, colapso, vibração, variação de tensão e vórtice (redemoinho) das linhas deriser , por exemplo, além de testar equipamentos envolvidos em operações marítimas. Teremos o comportamento de tudo que está flutuando ou submerso quase nas mesmas condições que encontramos, por exemplo, na bacia de Campos”, completa ele.

Segundo os pesquisadores, vários tipos de equipamentos e estruturas ligados à exploração de petróleo poderão passar pelos ensaios no tanque: plataformas, navios de exploração e armazenagem de petróleo, cabos de fixação de plataformas no fundo do mar, linhas de transmissão, entre outros itens. O tanque possui mecanismos para provocar a formação de ondas de até meio metro, a intervalos que podem variar de 0,3 a cinco segundos. As ondas são produzidas por 75 painéis batedores posicionados numa das bordas do tanque. Cada painel tem um motor independente e pode criar ondulações com diferentes movimentos e direções de propagação.

Correntes submarinas
Já os ventos que açoitarão esse “mar artificial” serão programados por ventiladores que podem ser posicionados em qualquer ponto próximo ao espelho da água. Os aparelhos podem gerar ventos com velocidade de até 12 metros por segundo e direção e variação no tempo pré-programadas. O tanque terá um fundo móvel, que pode subir e descer, graduando a profundidade entre 1,4 metro e 15 metros, dependendo do tipo de ensaio realizado. A construção que custou R$ 13,6 milhões, foi bancada com recursos do CT-Petro.

Na segunda etapa, prevista para ser concluída em um ano, será montado o sistema de correntes submarinas. Bombas despejarão água no tanque a partir de galerias submersas instaladas num dos lados da obra, formando as correntes. A água, em seguida, sairá do reservatório por aberturas posicionadas na extremidade oposta do tanque, seguindo por tubulações até voltar a ser injetada novamente no tanque. Será possível gerar correntezas em diferentes intensidades e profundidades. Para instalar esse sistema o grupo está captando recursos suplementares de R$ 8,2 milhões.

A Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (Faperj) já alocou R$ 1 milhão. Cerca de 15 profissionais, entre pesquisadores, técnicos, mergulhadores e pessoal de apoio, trabalharão no tanque. Sensores ligados aos modelos reduzidos de plataformas, navios, cabos ou robôs submarinos registrarão as respostas dos equipamentos testados. Um sistema de vídeo gravará imagens fora e dentro da água. Através de escotilhas localizadas abaixo da linha da água também será possível acompanhar visualmente os ensaios.

Mas as aplicações do empreendimento vão além dos ensaios com modelos de equipamentos ligados principalmente à exploração de petróleo e gás. Para o professor de Engenharia Oceânica Segen Estefen, um dos coordenadores do projeto do tanque oceânico, a robótica submarina será outra área a ser beneficiada com o novo tanque. “Um mergulhador hoje não pode ultrapassar os 400 metros de profundidade. Por isso, equipamentos robotizados serão cada vez mais necessários à medida que a exploração dos recursos do mar desce a profundidades cada vez maiores”, diz.

A área ambiental também terá sua cota de vantagem. Simulando ondas, correntes e ventos, é possível estudar o comportamento de uma mancha de óleo na água. “Ao analisar um derramamento de óleo no mar, podemos disponibilizar dados para uso na ação de combate ao problema”, diz o professor de Engenharia Oceânica Carlos Levi, outro coordenador do projeto do tanque.

Parcerias importantes
O grupo da Coppe gerou quatro teses de doutorado, oito dissertações de mestrado e 15 trabalhos de iniciação científica com temas referentes ao tanque. Todas as etapas do projeto foram acompanhadas por um comitê técnico formado por pesquisadores do IPT, da USP, da Coppe e da Petrobras. As parcerias, por sinal, são muito valorizadas pelos dois grupos. “Nós vamos trocar muitas informações a partir dos dados gerados nos novos campos de provas”, completa Levi. “Trata-se de ferramentas de grande importância para a área de ensaios ligados ao setor de exploração de petróleo”, diz Franciss, da Petrobras.

Profundidade estratégica
Uma expressiva fatia das reservas brasileiras de petróleo, que chega a 23%, está localizada na faixa de lâmina d’água entre 1.000 e 2.000 metros de profundidade. A Petrobras estima que 50% das reservas a serem descobertas estarão situadas em águas profundas e ultraprofundas. “Hoje as tecnologias e inovações estão especialmente voltadas para a produção em águas profundas pela importância estratégica que essa área adquiriu”, diz Ricardo Franciss, do Cenpes da Petrobras.

A empresa lidera a corrida pela exploração de petróleo e gás em águas profundas. No campo de Roncador, descoberto em 1996 e localizado na bacia de Campos, litoral norte do Rio de Janeiro, é extraído petróleo a uma profundidade de mais de 1.800 metros, recorde mundial de exploração no mar. Nas bacias de Santos e do Espírito Santo também já foram descobertos poços em grandes profundidades. No exterior, o ritmo das descobertas é menor. “Com exceção de um poço no golfo do México, explorado pela Shell e localizado a 1.800 metros, os poços no exterior não passam de 1.200 metros de profundidade”, revela Franciss.

A produção da empresa em águas profundas vem aumentando significativamente. Em 1987, petróleo e gás extraídos de poços localizados em grandes profundidades representavam apenas 1,7% da produção total da companhia. Em 2000, esse percentual avançou para 55%. A Petrobras tem como meta atingir, em 2005, a faixa de produção de 1 milhão e 850 mil barris de petróleo por dia. Cerca de 75% dessa produção será retirada de poços localizados em lâminas de água profundas e ultraprofundas.

Desde meados da década de 80 a Petrobras realiza pesquisas para viabilizar a extração de petróleo em profundidades maiores. O Programa de Capacitação Tecnológica em Águas Profundas (Procap) foi criado em 1986 para impulsionar essa atividade. O programa está em sua terceira edição, o Procap-3000, que, entre outras metas, pretende viabilizar novas descobertas em lâminas d’água de até 3.000 metros de profundidade.

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