Fundações de Plataformas de Produção em Águas Profundas - A Engenharia Geotécnica no Pré-Sal - Francis Bogossian

1. Fundações de Plataformas de Produção em Águas Profundas
-A Engenharia Geotécnica no Pré-Sal-
Francis Bogossian
1

2. SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
ESTRUTURAS PARA PRODUÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS
AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
O PROJETO DE FUNDAÇÕES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
2

3. INTRODUÇÃO
O cenário de descobertas de óleo e gás em águas profundas no Brasil, vem
desafiando a engenharia brasileira a ter soluções cada vez mais
inovadoras, seguras e sustentáveis para a exploração e produção das suas
riquezas.
À medida em que a exploração de petróleo foi avançando para águas cada
vez mais profundas e distantes, as Plataformas de Produção Fixas foram
sendo substituídas por Plataformas de Produção Flutuantes.
A descoberta, em 2007, da área de Tupi, hoje denominado de Lula,, com
grande reserva de petróleo leve em águas profundas e a confirmação do
potencial da camada pré-sal a cada novo poço perfurado, colocam a
Petrobras entre as grandes detentoras de reservas de petróleo no mundo.
3

4. A camada pré-sal, que possui 800 km de extensão e 200 km de largura,
necessita de um rigoroso estudo geológico-geotécnico para
implantação das grandes plataformas de produção.
Os estudos que vêm sendo realizados indicam grande complexidade sob
o ponto de vista geológico-geotécnico (geohazard), não só para a
fundação dessas plataformas, definição das rotas dos dutos marítimos e
estabilidade dos poços e reservatórios, como também para as questões
ambientais.
Estes estudos constam de uma abrangente campanha de sondagens
executadas com navio geotécnico com posicionamento dinâmico,
unidade de sondagem subsea , ensaios in situ e ensaios geotécnicos de
laboratório.
4

5. Serão apresentados o estado da arte das investigações geotécnicas
offshore com ênfase nas campanhas para os campos de pré-sal, os
primeiros resultados de ensaios DSS cíclicos em amostras de argila marinha
de um campo desta região e os procedimentos a serem utilizados no
projeto de fundações.
A exploração de petróleo em águas profundas requer a utilização de uma
engenharia multidisciplinar. Para contextualização do estudo de fundações
das plataformas de produção flutuantes, apresentamos um panorama das
estruturas necessárias, desde a superfície do mar até o subsolo marinho.
5

6. SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
ESTRUTURAS PARA PRODUÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS
AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
O PROJETO DE FUNDAÇÕES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
6

7. PLATAFORMAS DE PRODUÇÃO FLUTUANTES PARA ÁGUAS PROFUNDAS
Alguns dos principais tipos de plataformas de produção flutuantes
a) Plataformas Semissubmersíveis - SS
Originalmente eram utilizadas somente para a exploração
do petróleo, começaram a ser utilizadas como unidades
de produção no início dos anos 2000.
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8. b) TLP-Tension Leg Platform c) Plataformas do tipo SPAR- Buoys
Risers
Risers
Cabos de
amarração
Permite a utilização na superfície do Permite também a utilização de árvore de
conjunto de válvulas que regula a natal seca. Além disso, a parte superior dos
produção (árvore de natal seca). dutos de produção (risers) fica protegida
Lâminas d’água até 1500 m. 8 das ondas. Utilizada em lâminas d’água até
2500 m.

9. d) Plataforma de Produção Flutuante tipo FPSO – (Floating Production, Storage and
Offloading System - Sistema Flutuante de Produção, Armazenamento e Escoamento
de Óleo e Gás) – pode ser denominado também de Navio-Plataforma
FPSO “Cidade de Angra dos Reis” - Petrobras
FPSO “Cidade de São Vicente” - Petrobras
9

10. Estas plataformas do tipo FPSO são consideradas a solução mais
adequada para a produção de óleo e gás nas águas profundas, onde se
encontram as maiores reservas do Brasil, como por exemplo as regiões
mais remotas do pré-sal brasileiro.
Cabos de amarração
Dutos de escoamento de
óleo e gás (risers)
10

11. Como foi dito, as plataformas de produção flutuantes do tipo FPSO são as
mais adequadas e portanto as mais utilizadas para a produção de petróleo
em águas profundas no Brasil.
Possuem alta estabilidade, grande porte e capacidade de movimentação para
redução dos esforços nas suas estruturas de produção (risers, cabeça de poço,
árvore de natal etc.) .
Suportam altos carregamentos promovidos pelas forças ambientais, tais como
ventos, ondas e correntes marinhas
Têm capacidade de produzir, processar e armazenar óleo e gás, permitindo
também o seu escoamento para navios de transporte em regiões que ainda não
dispõem de redes de dutos submarinos.
Assim como as plataformas anteriores, são fixadas no leito marinho através
de sistemas de ancoragem.
11

12. SISTEMAS DE ANCORAGEM
São compostos de cabos de amarração e âncoras para fixação ao leito marinho.
Podem ser instalados em catenária, tensionados a 45º (tipo taut leg) ou tensionados a
90º (tipo tendões) .
Cabos de Amarração em Catenária
Utilizado em lâminas d’ água de até 500 m
O seu comprimento, de cerca de 3 vezes a lâmina d’água, e o respectivo
peso, praticamente inviabilizam o seu uso para águas profundas
Âncora naval convencional para resistir apenas a esforços horizontais.
12

13. Cabos de Amarração Tensionados a 45º - (Taut Leg )
São os sistemas de ancoragem mais usados em águas profundas, acima de 500 m,
pelos motivos a seguir:
Os cabos de amarração que têm comprimento de cerca de 1,3 vezes a lâmina
d’água são tensionados a 45º com o leito marinho
Oferecem maior rigidez ao sistema de ancoragem
Possibilitam melhor arranjo em relação às diversas
linhas de dutos e estruturas subsea já existentes
no leito marinho.
As âncoras devem resistir às componentes
vertical e horizontal da força de ancoragem.
Âncora ou fundação da plataforma 13

14. Cabos de amarração tensionados a 90º (Tendões )
Utilizados em Plataformas tipo TLP
Garantem a rigidez da estrutura e
deslocamento mínimo para acomodar risers
verticais e sistema de completação seca
(na superfície)
As ancoragens devem resistir somente
à força vertical de tração.
Em ambos os casos, tendões ou taut-leg , as ancoragens/âncoras são
especiais e agora designadas como as fundações da plataforma
14

15. PRINCIPAIS TIPOS DE FUNDAÇÕES DE PLATAFORMAS DE PRODUÇÃO FLUTUANTES
São três os elementos de fundação mais utilizados para suportar os grandes
esforços verticais e horizontais impostos pelas plataformas de produção flutuantes:
a) Estacas de Sucção
São estacas formadas por um cilindro oco de 12 a 30 m de altura e cerca de 6 m de
diâmetro, de ponta aberta. São posicionadas verticalmente no leito marinho e cravadas
pelo diferencial de pressão hidrostática, produzidos por uma bomba de sucção que é
acoplada no seu topo na fase de instalação.
VÁLVULA PARA ACOPLAMENTO DA BOMBA DE
SUCÇÃO PARA A INSTALAÇÃO
OLHAL PARA O CABO
DE AMARRAÇÃO
15

16. b) Âncoras Especiais do tipo VLA –Vertical Load Anchor
São âncoras desenvolvidas com formato adequado para suportar grandes esforços
verticais, além dos esforços horizontais. São cravadas através de arraste no solo marinho
atingindo grandes profundidades de enterramento. Em função do seu processo de
cravação não pode ser instalada em áreas com grande concentração de estruturas
subsea.
Omni-max Delmar
Delmar systems
16
Stevmanta, Vryhof
Bruce Anchor

17. c) Estacas torpedo
Tecnologia desenvolvida pela Petrobras sendo a mais utilizada para águas profundas no
Brasil por sua facilidade de instalação, padronização e custo.
São estacas em formato cilíndrico de ponta fechada com aletas, preenchidas
internamente com sucata de aço para lastro a baixo custo. Sua cravação é feita por
gravidade. Dimensões: 15 a 22 m e Peso: entre 95 e 120 t
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18. SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
ESTRUTURAS PARA PRODUÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS
AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
O PROJETO DE FUNDAÇÕES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
18

19. AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS EM ÁGUAS PROFUNDAS
Constam de Investigações Geotécnicas de Campo e Laboratório.
As INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS DE CAMPO são realizadas a partir de navio
geotécnico com posicionamento dinâmico capazes de operar em águas até 3000 m.
Wimpey Sealab- Wimpey
Ocean Discovery – Gardline
19
Fugro Explorer

20. INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS DE CAMPO
São realizadas a partir dos navios geotécnicos e constam basicamente da realização
de ensaios in situ do tipo CPT e amostragem com amostradores especiais.
a) Down hole: ensaios CPT e
amostragem com push sampler
(argilas) e hammer sampler
(areias e argilas rijas) todos
realizados por dentro de coluna
de perfuração.
b) Seabed: ensaios CPT e Piston Corer realizados a partir do piso marinho.
Ensaios CPT no Modo
Seabed
20
Amostragem com Jumbo
Piston Core JPC

21. c) Unidade de Sondagem Submarina (Seabed Drill Rig) :
Nova geração de equipamentos que executam a sondagem , ensaios in situ e
amostragem a partir de equipamento assente no piso marinho, controlado
remotamente. Não há necessidade de utilização navio geotécnico específico.
Equipamento PROD – Benthic Geotech Esquema de funcionamento do Unidade de Sondagem
21 Submarina

22. OUTROS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM CAMPANHAS GEOTÉCNICAS
ENSAIOS DE CAMPO : AMOSTRAGEM:
T bar – usado Ball penetrometer
especialmente para argilas
moles
Vibrocorer – amostragem de areias
Deep Water Sampler DWS – a partir
Cone sísmico- Vel. da
de estrutura subsea. Desenvolvido
onda sísmica Vs; Mini-CPT – parâmetros de
pelo NGI. Amostragem de argilas
parâmetros rigidez e resistência para rotas de 22
com alta qualidade
liquefação dutos

23. ENSAIOS GEOTÉCNICOS DE LABORATÓRIO
A programação dos ensaios deve ser feita criteriosamente de forma a atender aos
requisitos específicos de cada projeto por parâmetros geotécnicos para o tipo de
projeto de fundação a ser utilizado.
Objetivos dos ensaios de laboratório:
 Caracterização dos solos
 Definição de parâmetros de
compressibilidade
 Determinação de parâmetros de resistência
para os diversos caminhos de tensões a que
as amostras estarão submetidas
 Definição do comportamento cíclico e da
resistência ao cisalhamento cíclica
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24. PROGRAMAÇÃO DAS INVESTIGAÇÕES
Investigações de campo:
 Ensaios CPT contínuos até 40 m de profundidade executados no modo seabed para
determinação da resistência de ponta qc, atrito lateral fs e poropressão u
 Amostragem com Jumbo Piston Core (JPC) com comprimento de até 21 m e
diâmetro de 100 mm ou preferencialmente com amostrador Deep Water Sampler
(DWS) com comprimento de até 25 m e diâmetro de 110 mm.
 Em alguns campos de lâmina d’água até 1500 m têm sido realizados ensaios CPT e
amostragem com utilização da coluna de perfuração.
Ensaios de Laboratório :
 Ensaios de Caracterização e Determinação de Índices Físicos
 Ensaios para Tixotropia ( ganho de resistência com o tempo) e Sensitividade
 Ensaios de Adensamento Oedométrico
 Determinação do k0 e Ensaios Triaxiais CAU de Extensão e Compressão para o K0
determinado
 Ensaios Triaxiais UU e CIU de Compressão
 Ensaios de cisalhamento direto simples estático DSS para determinação da
resistência não drenada SuDSS
 Ensaios DSS cíclico para estudo do comportamento cíclico das argilas – requisito
recente que vamos detalhar mais adiante.
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25. SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
ESTRUTURAS PARA PRODUÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS
AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
O PROJETO DE FUNDAÇÕES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
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26. PROJETO DE FUNDAÇÕES DE PLATAFORMAS DE PRODUÇÃO FLUTUANTES
Estado de tensões no solo decorrente das cargas de ancoragem nas fundações
CARGA P
CABO DE AMARRAÇÃO
empuxo empuxo
ativo passivo
TRIAXIAL TRIAXIAL
O diagrama acima representa o estado de tensões de elementos de solo em uma superfície
potencial de ruptura e os respectivos ensaios que simulam as trajetórias de tensões para estes
elementos. O modelo acima é válido para carregamentos estáticos e cíclicos. No caso de
carregamentos cíclicos é só inserir um vetor de tensão de sentido oposto ao indicado.
O DNV em sua Recommended Practice sobre o tema, utiliza como referência os ensaios DSS
cíclicos para o estudo do comportamento das fundações sob o efeito dos carregamentos
cíclicos.
Um dos requisitos que vêm sendo incorporados aos projetos de fundação de Plataformas de
Produção Flutuantes em águas profundas, e que irei detalhar, é a utilização dos resultados dos
ensaios de cisalhamento direto simples - DSS, estáticos e cíclicos.
26

27. COMPORTAMENTO DO SOLO SOB CARREGAMENTO CÍCLICO
As principais cargas cíclicas atuantes nas fundações de plataformas de produção
flutuantes são aquelas provocadas pelas ondas de uma tempestade. O estudo da
resistência ao cisalhamento cíclica é feito a partir dos carregamentos provocados pelas
ondas de uma tempestade de projeto.
Gráfico tensões e deformações cisalhantes durante o
carregamento cíclico (Andersen, 2004).
τcy – tensão cisalhante cíclica
γ – deformação cisalhante
γcy – deformação cisalhante
τa – tensão cisalhante estática cíclica
γa, γp – deformações cisalhantes
permanentes;
27
por serem praticamente iguais somente
γa é considerada nas equações

28. RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO CÍCLICA
A resistência ao cisalhamento cíclica τf,cy , é a tensão cisalhante máxima
durante o carregamento cíclico (Andersen & Lauritzsen, 1988):
Onde:
τa é a tensão cisalhante estática devida a esforços pré-existentes
(protensão do cabo de ancoragem, peso próprio dos elementos de
fundação, etc) na ruptura
τcy a tensão cisalhante cíclica na ruptura.
28

29. O MODELO DRAMMEN CLAY
Nos anos 80, foi desenvolvido na Noruega um estudo do comportamento
cíclico das argilas de Drammen para estudos de fundação de estruturas
offshore, com os seguintes objetivos e resultados:
Entendimento do comportamento do solo quando submetido a
combinações de carregamentos estáticos e cíclicos
Definição de parâmetros de projeto para estudos de viabilidade
Verificação da consistência do comportamento de argilas de outras
localidades
Determinação da resistência ao cisalhamento cíclica τf,cy, de uma
determinada argila, quando se constrói para ela um ábaco semelhante
ao da Drammen Clay
Planejamento racional das campanhas de ensaios cíclicos ;
29

30. O ÁBACO DA DRAMMEN CLAY - DIAGRAMA DE RUPTURA
Os resultados dos ensaios
de cisalhamento direto
simples cíclicos são
apresentados sob a forma
do diagrama de ruptura.
Cada ponto da curva
representa um ensaio DSS
com seu número de ciclos
até a ruptura (Nf) e seu
modo de ruptura, por
deformações acumuladas
e/ou cíclicas.
Convenciona-se que a
ruptura é definida como o
número de ciclos para o
qual se atinge 15% de
deformação acumulada ou 30
cíclica. Diagrama de ruptura - Andersen (1988).

31. O ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO SIMPLES – DSS – DIRECT SIMPLE SHEAR
Para construção do diagrama de ruptura apresentado anteriormente e determinação dos
parâmetros de resistência estática e cíclica da argila a ser estudada, utiliza-se o Ensaio de
Cisalhamento Direto Simples- DSS.
Equipamento para ensaios DSS Detalhe da célula de ensaio
• O ensaio DSS permite a aplicação de inúmeras combinações de tensões cisalhantes estáticas e
cíclicas simultaneamente ou não, cobrindo toda a gama de condições que o solo possa vir a ser
submetido
•São aplicados níveis de carregamento que reproduzem a tempestade de projeto dentro da faixa de
solicitações esperadas
•Os resultados destes ensaios passaram a ser requisito de projeto
31

32. METODOLOGIA DO ENSAIO DSS
Características gerais :
• Corpo de prova cilíndrico com
20 mm de altura e 50 mm de
diâmetro
• Restrição de deformação radial
e cisalhamento a volume
constante
ENSAIO ESTÁTICO
• Fase de adensamento: até a pressão in situ ou pressão de pré-adensamento.
• Fase de ruptura: Tensão cisalhante horizontal é aplicada com velocidade de
carregamento constante em torno de 5% da deformação cisalhante esperada por hora.
Forma de apresentação dos ensaios
Curva tensão cisalhante horizontal τ h τmáx= Su DSS
X deformação cisalhante γ.
O τmáx é a resistência ao cisalhamento
não drenada Su DSS.
32

33. METODOLOGIA DO ENSAIO DSS
ENSAIO CÍCLICO
• Fase de adensamento : igual à do ensaio estático.
• Fase de ruptura: Os níveis de carregamento cíclicos são estabelecidos como
percentagens da resistência ao cisalhamento não drenada SuDSS do ensaio estático
com frequência e amplitudes da tempestade de projeto considerada.
• São aplicadas combinações de carregamentos estáticos τa e cíclicos τcy , levando o
ensaio até um dos critérios de ruptura estabelecidos: deformação cisalhante γ de 15%
ou ocorrência de 1500 ciclos.
• Tais carregamentos podem ser simétricos (two-way) ou assimétricos (one-way), de
modo a reproduzir carregamentos de tração ou compressão.
Forma de apresentação dos ensaios
33
Tensão cisalhante horizontal τh versus número de Deformação cisalhante γ versus número de ciclos
ciclos N – (exemplo de ensaio two-way) N para cada pacote de ciclos.

34. TENTATIVA DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DE RUPTURA PARA UMA ARGILA
MARINHA BRASILEIRA
• Campanha de Investigações geotécnicas realizada:
• Amostras de Jumbo Piston Corer de 100 mm diâmetro e comprimento até 21
m.
• Foram realizados ensaios de CPTU no modo seabed em pontos adjacentes.
• Ensaios de laboratório incluíram caracterização, adensamento oedométrico e
ensaios triaxiais de compressão e extensão.
• Ensaios DSS estáticos e cíclicos
Características das amostras ensaiadas:
O perfil geotécnico até a profundidade de 20 m abaixo do leito marinho consiste
de uma argila siltosa com pouca areia fina, cinza, normalmente adensada, com
Su = 25 kPa.
O teor de umidade médio e de 88%, LL= 92% e IP = 50%
34

35. RESULTADOS DOS ENSAIOS DSS CÍCLICOS REALIZADOS – TENTATIVA DE CONSTRUÇÃO
DO DIAGRAMA DE RUPTURA E COMPARAÇÃO COM A DRAMMEN CLAY
Estes resultados são
relativos aos primeiros
ensaios executados
para argilas marinhas
estudadas nos mesmos
moldes da Drammen
Clay.
Resultados plotados
sob a forma de
diagrama de ruptura .
Linhas cheias:
Resultados dos ensaios
Área 1
Linhas tracejadas:
Diagrama da Drammen
Clay
35

36. COMPARAÇÃO COM OUTRAS ARGILAS
O gráfico abaixo apresenta uma comparação entre a curva normalizada das tensões
cisalhantes em que a ruptura ocorreu após 10 ciclos (Nf =10 ) para a argila estudada e
outras argilas de outras localidades.
36

37. DIMENSIONAMENTO DE FUNDAÇÕES DE PLATAFORMAS FLUTUANTES
Para cada um dos tipos de fundação apresentados são adotadas as seguintes
recomendações e normas para o seu dimensionamento :
 Estacas de sucção:
• - DNV RP- 303 - Geotechnical Design and Installation of Suction Anchors in Clay
- API RP 2SK - Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures
- Modelos baseados no Método dos Elementos Finitos também são recomendados
pelas normas acima.
 Âncoras tipo VLA : DNV RP- 302- Design and Installation of Plate Anchors in Clay
 Estacas torpedo: Não há uma norma específica para este tipo de fundação. Normas
utilizadas:
- API-RP-2A-Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed
Offshore Platforms
- API RP 2SK - Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures
- Vários modelos numéricos têm sido aplicados baseados em Elementos Finitos
como o proposto por Costa, Rachel G. B.37 (2008).

38. UTILIZACAO DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS DSS NO PROJETO DE
FUNDAÇÕES ESTACAS DE SUCÇÃO – CAPACIDADE DE CARGA CÍCLICA
A capacidade de carga cíclica é levada em consideração nos procedimentos de cálculo
citados anteriormente. As recomendações DNV RP 302 e RP 303 seguem o
procedimento resumido a seguir, onde se utiliza os resultados dos ensaios de
cisalhamento direto cíclico:
Procedimento recomendado:
O Diagrama de Ruptura é construído a partir da realização de ensaios DSS
estáticos e cíclicos conforme procedimentos descritos;
Define-se as cargas de projeto atuantes nos cabos de ancoragem e que são
transmitidas para as fundações da plataforma ;
De posse dessas cargas, determina-se o Número de Ciclos Equivalente Neq, que é o
numero de ciclos de uma onda máxima constante equivalente às ondas da
tempestade de projeto;
Com Neq assim calculado, obtém-se a resistência ao cisalhamento cíclica a partir
do Diagrama de Ruptura
Com a resistência ao cisalhamento cíclica obtida calcula-se a parcela da
capacidade de carga sob carregamentos cíclicos utilizando-se o método de
Andersen e Lauritzsen, 1988.
38

39. SUMÁRIO
INTRODUÇÃO
ESTRUTURAS PARA PRODUÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS
AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS
O PROJETO DE FUNDAÇÕES
CONSIDERAÇÕES FINAIS
39

40. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A busca pelo petróleo tem levado à sua exploração em regiões marítimas
com condições ambientais e geológicas cada vez mais extremas e
distantes, com elevados níveis de solicitação e aumento da vida útil das
plataformas.
Uma vez que estas instalações são muito recentes, considero ser de grande
importância o acompanhamento do desempenho destas estruturas, tanto
na fase de construção quanto ao longo da sua vida útil, para validação e
melhoria dos métodos de cálculo, materiais, e equipamentos, além da
garantia de sua segurança, proteção ao meio ambiente e continuidade da
produção de petróleo.
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