Enfrentando os desafios da produção de petróleo e gás

À medida que a exploração e produção de petróleo offshore buscam novas maneiras de aumentar a eficiência operacional e melhorar a recuperação de reservatórios de petróleo, a fibra óptica está sendo examinada mais de perto. A fibra óptica é conhecida por ser capaz de transportar taxas de dados mais altas em distâncias mais longas que os cabos de cobre, enquanto a atividade de perfuração offshore continua a migrar para águas mais profundas e poços mais profundos. Ao mesmo tempo, os operadores estão buscando informações e análises em tempo real do poço individual e de toda a cadeia de produção, desde o poço até a entrega na superfície ou plataforma terrestre. O processamento submarino e o monitoramento aprimorado de todo o sistema significam que mais dados são gerados, tornando a alta largura de banda e as distâncias de transmissão mais longas das fibras ópticas mais atraentes. Quanto mais informações puderem ser coletadas em todo o sistema, mais sofisticada será a análise. Os dados permitem não apenas uma imagem clara em tempo real das condições atuais, mas também formam a base para uma modelagem preditiva sofisticada.

Além de tornar as operações mais eficientes, esse monitoramento e análise ajudam as empresas a aumentar o retorno do investimento. Normalmente, um sistema de fibra óptica pode ser mais caro de instalar do que seu equivalente elétrico. Os custos iniciais mais altos de instalação de um sistema de fibra óptica são compensados pela economia de custos de eficiências de produção a longo prazo. As empresas estão descobrindo que maior eficiência operacional, mais e melhor recuperação de petróleo e gás e gerenciamento superior de campos de petróleo trazem retorno rápido. Qualquer análise de custo/benefício da fibra versus cobre dependerá da aplicação específica e do campo de petróleo. O feedback econômico dos operadores é uma informação bem-vinda, mas raramente é fornecida para proteger a confidencialidade das operações.

As fibras ópticas também estão se tornando mais atrativas para monitoramento permanente e aquisição de temperaturas, pressões e outros dados. As fibras ópticas são excelentes na criação de sistemas de detecção distribuídos. Neste caso, a própria fibra é o sensor. Mudanças na pressão ou temperatura irão alterar o perfil de retrodifusão, permitindo medições altamente precisas ao monitorar a luz retrodifundida. Como a velocidade da luz em uma fibra é bem compreendida, a luz retrodifundida revela informações sobre a magnitude da medição e sua localização ao longo do comprimento da fibra. A detecção distribuída baseada em fibra agora é comumente usada na indústria offshore de petróleo e gás para várias aplicações:

O sistema de detecção submarino se torna totalmente passivo, eliminando a necessidade de fornecer energia aos sensores elétricos. As fibras também podem ser usadas como sensores acústicos na exploração sísmica. A fibra óptica não é necessariamente a resposta universal. Em aplicações de vigilância de reservatórios, por exemplo, os sistemas de fibra não estão substituindo os sistemas de comunicação elétrica padrão – exceto para necessidades de temperatura extremas de 150 °C ou acima, onde os sensores à base de cobre não conseguem resistir. Mesmo assim, os sistemas de fibra fornecem recursos de detecção adicionais e complementares. Apesar das vantagens da tecnologia de fibra óptica na capacidade de transporte de informações e detecção, a adoção não foi tão rápida na produção de petróleo submarina quanto em outras indústrias. As fibras ópticas são vistas como frágeis, mas na realidade são muito robustas. Quando as práticas de instalação recomendadas são aplicadas, o sistema de fibra óptica pode atender aos requisitos comuns da indústria de 30 anos de vida útil mínima sem a necessidade de manutenção. A confiabilidade é, portanto, equivalente, mesmo quando o equipamento deve suportar condições ambientais submarinas em águas profundas e no fundo do poço. Em níveis de águas profundas, as temperaturas são tipicamente entre 0 e 3 °C, enquanto as temperaturas no fundo do poço podem chegar a 200 °C. Os objetivos do projeto para sistemas de águas profundas implantados em profundidades de até 15.000 pés incluem a capacidade de suportar pressões hidrostáticas da água do mar de 6600 psi e pressões de cabeça de poço de 20.000 psi.

Ter uma solução de fibra de ponta a ponta do fundo do poço ao topo é uma solução viável. A imagem abaixo mostra um sistema típico. O sistema na superfície de um poço é conhecido como árvore de Natal por causa da semelhança de muitos sistemas com uma árvore de Natal. As árvores de Natal podem ser configuradas verticalmente (lado esquerdo da figura) ou horizontalmente (lado direito). Com qualquer configuração, as necessidades de conectividade permanecem as mesmas: o que é conectado no lado direito também é no lado esquerdo. Devido a restrições de tamanho e peso, a implantação offshore de sistemas submarinos deve ser realizada em vários estágios. É por isso que os sistemas inteligentes submarinos usam sensores de fibra óptica, cabos e soluções de conectividade (caixas de junção, conectores de acoplamento seco e de acoplamento molhado).

A principal função desta combinação de sistemas é fornecer continuidade óptica entre os sensores de fibra óptica instalados no poço ou no fundo do mar e sistemas de aquisição de dados na superfície. Uma função secundária, mas mais crítica, é a contenção de pressão para garantir a integridade do sistema contra ambientes externos agressivos. Para facilitar a instalação, os conectores de fibra óptica são necessários para fornecer links ópticos entre os módulos submarinos. Os sistemas geralmente são implantados como módulos separados que são integrados no fundo do mar. Conectores de acoplamento seco são usados dentro de um módulo ou entre módulos que foram montados na parte superior. Eles não são projetados para acoplamento submerso, embora suportem água e pressões submarinas enquanto acoplados. Conforme mostrado abaixo, os conectores de acoplamento seco serão familiares aos usuários de conectores circulares militares/aeroespaciais no uso de virolas de cerâmica de precisão.

O conector de acoplamento molhado (veja abaixo) pode ser acoplado na parte superior, mas seu objetivo principal é ser conectado embaixo da água após a implantação por veículo operado remotamente (ROV), mergulhador ou sistemas de atuação. Eles permitem que os módulos sejam interconectados in situ. Os conectores de acoplamento molhado são mais complexos em design do que os conectores de acoplamento seco. Existe a necessidade de manter uma interface selada para conectores acoplados e não acoplados, o que é um desafio devido às pressões em águas profundas. Para manter o isolamento durante as operações e durante a vida útil do projeto, o conector é preenchido com óleo e com pressão balanceada. Um mecanismo de bexiga ou pistão equaliza a pressão interna do conector com a pressão externa da água. Isso não permite pressão diferencial entre as vedações e os limpadores.

Relacionados aos conectores ópticos estão os penetradores de fibra óptica, que foram desenvolvidos para alcançar a integridade da vedação de um ambiente externo ou para separar diferentes câmaras enquanto fornecem capacidade de passagem óptica. Relacionados aos conectores ópticos estão os penetradores de fibra óptica, que foram desenvolvidos para alcançar a integridade da vedação de um ambiente externo ou para separar diferentes câmaras enquanto fornecem capacidade de passagem óptica. Os penetradores são classificados para suportar pressões diferenciais – 5.000 psi, 10.000 psi e 15.000 psi – quando ligados à pressão do reservatório. .Quando possível, os módulos submarinos são balanceados por pressão – ou seja, preenchidos com fluido que será ajustado na mesma pressão do mar que está fora do módulo. Isso permite paredes mais finas, peso reduzido e maior confiabilidade, pois as vedações não são necessárias para suportar pressões diferenciais. Alguns módulos, como os que contêm eletrônicos ou outros dispositivos, não suportam pressão superior à atmosférica. Portanto, um penetrador de fibra óptica é usado para evitar que os módulos sejam inundados com água. Em outros dispositivos, como bombas submarinas e cabeças de poços, que estão potencialmente expostos às pressões de fechamento do reservatório, as classificações de pressão podem chegar a 15.000 psi combinadas com altas temperaturas. O penetrador tem uma função ambientalmente importante: uma falha óptica significaria uma perda da capacidade de detecção, mas uma falha mecânica liberaria fluidos do poço para o meio ambiente.

Embora as fibras tenham alta resistência à tração para suportar tração longitudinal, elas podem ser facilmente quebradas ou danificadas se não forem protegidas corretamente. Como resultado, os cabos de fibra óptica normalmente têm sua própria blindagem. Enquanto são usados os fios de aramida – os mesmos membros de resistência comuns a outros cabos de fibra óptica – designs mais robustos também usam blindagem metálica. As altas pressões de aplicação hidrostática podem aumentar a atenuação em uma fibra. A TE oferece três abordagens diferentes:

Os elementos de fibra STEEL-LIGHT e ELECTRO-LIGHT são abordagens de acondicionamento de buffer rígido. O armazenamento em buffer rígido, embora exija uma fabricação mais cuidadosa, oferece melhor desempenho em aplicações altamente dinâmicas e é a escolha mais robusta. A blindagem STEEL-LIGHT é a mais robusta, projetada para suportar pressões hidrostáticas de 10.000 psi. As fibras STEEL-LIGHT e ELECTRO-LIGHT têm diâmetros muito pequenos, permitindo que se encaixem em interstícios no design do cabo. Com alguns dos cabos umbilicais de pequeno diâmetro mais recentes usando condutores de cobre de parede fina, esses espaços podem não estar disponíveis. O FIST pode ser a melhor escolha para minimizar o diâmetro do cabo nesses casos.