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Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n 3 (2016) pp. 10-21

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CONFIABILIDADE ATRAVÉS DA METODOLOGIA DMAIC EM SISTEMAS DE PERFURAÇÃO E AVALIAÇÃO EM

TEMPO REAL DE POÇOS DE PETRÓLEO

Pablo Dutra Braga do Amaral, Mônaco Mendes Ribeiro, M. Sc. André Aleixo Manzela [email protected], [email protected], [email protected]

Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora Resumo: O processo de operação de ferramentas MWD pode ser estudado sob a ótica da metodologia DMAIC do programa de qualidade Six Sigma, a qual reúne um conjunto de ferramentas que são utilizadas para a análise de causa raiz de falhas. Uma vez identificados e estudados os pontos de oportunidade, faz-se o planejamento e a implantação de melhorias, em geral com significativos benefícios para os resultados da organização. Palavras-chave: Confiabilidade, perfuração, poços de petróleo, Six Sigma Abstract: MWD tools operation process can be studied under DMAIC methodology in Six Sigma quality program, which combines several tools in order to analyze the cause for fails. Once identified and studied opportunities points, the plan is done and improvements are implemented, generally with important benefits for organization results. Keywords: Reliability, drilling, oil wells, Six Sigma 1 Introdução

Com a globalização pós-revolução industrial, indicadores de qualidade de vida estão ligados diretamente ao fator energia, sendo consequentemente necessário também o aumento da oferta energética para que ocorra o crescimento e desenvolvimento de um país.

Pode-se observar que o desenvolvimento das soluções existentes também é um ponto chave para a manutenção da capacidade energética. Grande parte desse consumo energético ocorre com produtos que utilizam derivados de petróleo como parte da produção. Portanto, faz-se necessária alta precisão na atividade de perfuração de um poço produtor de petróleo para que o resultado seja o melhor e com o menor custo.

Para se identificar características que permitam a melhor localização de um poço de petróleo, é necessária a realização de vários estudos e testes. Segundo Thomas (2001), a identificação de uma área favorável à acumulação de petróleo é realizada através de métodos geológicos e geofísicos, que atuando em conjunto conseguem indicar o local mais propício para a perfuração.

A fim de atingir a precisão necessária foram criadas ferramentas que ficam junto à coluna de perfuração e que permitem que durante a perfuração tenha-se em tempo real dados das características do poço, tornando assim mais fácil a interpretação da formação perfurada e a tomada de decisão referente ao direcionamento do poço e posicionamento de futuros poços.

O DMAIC (“Define”, “Measure”, “Analyze”, “Improve” and “Control”, em sua sigla em inglês, uma metodologia para melhorar sistematicamente os processos ao eliminar defeitos que será discutida em detalhes na seção 2) do programa de qualidade Six Sigma reúne um conjunto de ferramentas que podem ser utilizadas para a análise de causa raiz de falhas.

Uma vez identificados e estudados os pontos de oportunidade, faz-se o planejamento e a implantação de melhorias, em geral, com significativos benefícios. O processo de operação de ferramentas MWD (Measurement While Drilling, uma avaliação das propriedades físicas, usualmente incluindo pressão, temperatura e direcionamento do poço de petróleo em 3 dimensões, durante a perfuração) pode ser estudado sob esta ótica. Portanto, a redução da variabilidade nos processos pode contribuir como uma estratégia para a melhoria da confiabilidade da operação e redução dos custos.

AMARAL, P. D. B..; RIBEIRO, M. M.; MANZELA, A. A. / Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n. 3 (2016)

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O propósito desse trabalho é demonstrar que a filosofia Six Sigma auxilia na análise de falhas e correção de erros, acarretando benefícios financeiros e melhorias contínuas nos processos. Para o caso estudado foi avaliada a tecnologia responsável pela comunicação entre as ferramentas que estão no poço de petróleo e os equipamentos de superfície, explicando seu princípio de funcionamento e como as falhas podem ocorrer devido a determinada variabilidade no processo.

Toda ferramenta por si só possui um desgaste natural, que pode estar relacionado a componentes que, por exemplo, sofrem atrito, ação do tempo e possuem partes móveis que no decorrer da utilização tem redução de sua vida útil. Existe a possibilidade da falha ocorrer em situações como: condições fora da especificação da ferramenta, não seguimento dos procedimentos de manutenção, procedimentos inadequados de operação, entre outros.

É necessário um investimento muito alto na fase de perfuração do poço, pois qualquer falha que ocorra nessa etapa gera um grande impacto tanto para operadora quanto para a empresa que presta o serviço de perfuração e avaliação de poços.

Este artigo está organizado como se segue. Na Seção 2.são apresentadas algumas ferramentas da confiabilidade. Na seção 3 é mostrado o módulo de comunicação da ferramenta utilizada na coluna de perfuração. Então é apresentado um estudo de caso (seção 4), seus resultados (seção 5) e as respectivas conclusões (seção 6). 2 Ferramentas da Confiabilidade

Nós não criamos novas técnicas somente para o propósito de implementar processos de confiabilidade , mas sim realizamos um estudo de todas as ferramentas disponíveis e adaptadas à metodologia.

O DMAIC é parte de uma metodologia chamada Six Sigma, que será apresentada com o objetivo de esclarecer a origem dos processos que serão estudados. 2.1 Six Sigma

O objetivo do Six Sigma é controlar o processo atuando sobre as causas das variações, mantendo o processo estável e reduzindo o número de defeitos nos produtos finais a valores próximos a zero.

De acordo com Carvalho (2005), os estímulos para estudar uma melhoria e, conseqüentemente, dar início a um projeto geralmente são deflagradas por uma das seguintes situações:

• Demanda do mercado; • Necessidade do negócio; • Pedido do cliente; • Avanço tecnológico; • Exigência Legal.

No caso discutido neste artigo destacam-se a necessidade do negócio (a competitividade impele as

empresas a reduzir tempos e custos) e o avanço tecnológico (o desenvolvimento contínuo de novas tecnologias permite às empresas que comandem ou acompanhem as evoluções no seu setor e, por consequência, que se mantenham e avancem no mercado).

Para elaboração de projetos de melhoria dentro da metodologia do Six Sigma, deve-se possuir alinhamento junto a estratégias e objetivos da empresa onde é determinado a prioridade e recursos. Uma vantagem do portfólio de projetos é a possibilidade de gerenciar vários projetos em diferentes estágios de desenvolvimento. 2.1.1 DMAIC

Segundo Goldsby e Martichenko (2005), o Six Sigma oferece uma grande variedade de métodos e ferramentas para auxiliar na resolução de problemas, tendo como objetivo principal a estruturação de projetos e métodos de análise para resolvê-los, onde a espinha dorsal é o DMAIC. Tal método consiste em 5 etapas básicas:

• Definir (define): Para identificação de problemas, algumas considerações devem ser feitas, tais

como: problema deve ser mensurável, disponível e possuir dados que possam levar a alguma conclusão. Uma das técnicas para obtenção desses dados é a 5W2H.

• Medir (measure): Goldsby e Martichenko (2005), afirmam que uma boa precisão no estágio de definir facilita a conclusão do estágio medir. Portanto, o levantamento de dados é discutido


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nesse estágio, perguntas como: onde buscar dados? São confiáveis? Como buscar? Devem ser respondidas nesta etapa.

• Analisar (analyze): Segundo Eckes (2003), esta é considerada a fase mais importante do DMAIC, pois é quando a causa raiz do problema é descoberta. Para que a investigação seja concluída com sucesso, é necessário que todas as evidências sejam preservadas. Para auxiliar no processo de analise de causa raiz algumas ferramentas são utilizadas, por exemplo: Método dos 5 por quês, Diagrama de causa e efeito (Fishbone), Brainstorming, entre outros.

• Melhorar (improve): Nesta etapa que as melhorias se materializam no processo quando há interação com as pessoas que executam as atividades, sendo, portanto uma fase crítica. É importante que as pessoas sejam informadas de forma clara e objetiva sobre quais são as motivações que estão levando sua empresa a entrar nesta jornada, ou seja, os funcionários precisam estar conscientes sobre qual é a razão de mudar parte do seu trabalho. Uma ferramenta freqüentemente utilizada nesta etapa é o Poka Yoke (método que busca impedir que os erros de agora se transfpormem em defeitos mais adiante).

• Controlar (control): Nesta fase final, deve ser estabelecido e validado um sistema de medição e controle para mensurar continuamente o processo de modo a garantir que a capacidade do processo seja mantida. Portanto, deve-se definir como serão realizados esses controles e transmitir essas informações aos “donos do processo”, isto é, aqueles que trabalham no processo normalmente no dia-a-dia.

3 Módulo de Comunicação e Geração de Energia Bi Direcional A perfuração e avaliação de poços de petróleo são de extrema importância para obtenção de respostas que auxiliem na tomada de decisão para determinar a direção e outras características do poço a fim de se obter o máximo de produção possível, conseqüentemente, tornando-se o mais rentável economicamente.

Nesse ambiente tão inóspito como é o poço de petróleo, duas funcionalidades são cruciais para o sucesso da avaliação do poço: geração de energia para os sensores e comunicação da superfície com a ferramenta e ferramenta para superfície. 3.1 Telemetria O sistema de telemetria, como mostrado na figura 1, possui três estágios básicos: transmissão, recepção e o canal de comunicação. Na transmissão, todos os dados das ferramentas presentes na coluna de perfuração são obtidos através da ferramenta master (principal) que envia os dados para o modulo de transmissão, que por sua vez, comprime os dados, codifica, modula e os transmite.

Figura 1 Estágios da telemetria

Fonte: Adaptado de Baker Hughes (2012)


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O canal de comunicação pode ser de diversas formas, cada um tem sua vantagem e desvantagem, mas o principal é levar a informação ao módulo receptor na plataforma, que por sua vez, remove os ruídos presentes no canal, demodula, decodifica e descomprime os dados.

O funcionamento do sistema de pulso de lama restringe momentaneamente o fluxo de fluido de perfuração, resultando em uma elevação de pressão que é detectado na superfície, sendo então decodificado por software e assimilados pelos operadores.

A ferramenta responsável por tal sistema é composta por três elementos principais contidos no corpo da ferramenta: os transmissores de sinais por pulsos de pressão, o sistema de controle e a unidade geradora de energia. 3.2 Sistema de Comunicação da Ferramenta

Para geração do pulso da ferramenta para superfície é utilizado um dispositivo mecânico e outro elétrico, que fazem a restrição do fluido que escoa no interior da ferramenta (através de movimento vertical) criando a diferença de vazão e, conseqüentemente, a diferença de pressão lida pelos transdutores de pressão na superfície.

Na figura 2, pode-se notar como é o funcionamento do sistema: as setas “azuis” mostram o caminho que o fluido de perfuração principal percorrerá e as setas “amarelas” representam o caminho secundário do fluido de perfuração, descrito por duas etapas:

1. Passagem pelo filtro inicial que retém as substâncias que podem obstruir o canal; 2. Passagem pela válvula de controle que contém o sistema elétrico do sistema de pulso.

Caso esse sistema não esteja ativado, o fluido retorna por um canal lateral ao fluido principal e segue

pelo restante da ferramenta. As setas “marrons” demonstram o sistema quando o pulso é ativado. Essa ativação parte da energização

do solenóide, fazendo com que a haste realize o movimento vertical tamponando o canal, de modo a mover o sino para cima, restringindo o fluxo de fluido de perfuração.

Figura 2 - Mecanismo de criação do pulso (sinal) da ferramenta para superfície



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Figura 3 - Sinal recebido pelo transdutor de pressão


Os transdutores de pressão na superfície podem ser instalados no goose neck, manifold ou na linha de saída da bomba de fluido de perfuração, sendo o sinal interpretado semelhante ao mostrado na figura 3.

Para obter essas informações decodificadas, devem ser seguidas as etapas de remoção de ruído, demodulação, decodificação e descompressão dos dados, fornecendo aos operadores tais informações registradas pelas ferramentas. Na figura 4 é demonstrada a decodificação final dos dados.

Figura 4 – Sequência de decodificação do sistema de pulso

Fonte: Adaptado de Baker Hughes (2012) 3.3 Geração de Energia

A geração de energia para todas as ferramentas que estão na coluna de perfuração ocorre através da energia do próprio fluido de perfuração que passa no interior das ferramentas e saem nos jatos da broca.

Três elementos são necessários para produzir uma tensão usando o princípio da indução eletromagnética: um campo magnético, um condutor e movimento relativo entre eles, não importando qual esteja em movimento ou estático.

Na figura 5 é demonstrado o caminho do fluido de perfuração, inicialmente passando pelo guia do fluido, possuindo o objetivo direcionar o fluido de perfuração no ângulo ótimo, otimizando a geração de energia.


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Figura 5 - Elementos do sistema de geração de energia para as ferramentas


Na conversão de energia mecânica por elétrica, o alternador gera tensão para alimentar as outras ferramentas da coluna de perfuração em todo tempo que estiver acionado, utilizando o princípio do magnetismo. 4 Estudo de Caso

No estudo de caso será demonstrado todo processo de investigação de falha que é realizado de maneira sistemática. 4.1 Definição do Problema

O relatório exposto na figura 6 contém informações importantes que auxiliam na investigação de falha, tais como: sonda, poço, seção perfurada, data e hora do incidente, ferramentas presentes no BHA, profundidade, tipo de fluido de perfuração e as ações corretivas que foram tomadas em curto prazo para remediar a situação ao cliente.


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Figura 6 - Relatório de falha (alguns dados foram apagados por confidencialidade))


O problema a ser estudado é a falha do módulo de comunicação e geração de energia bi direcional. Essa falha impossibilitou que todas as ferramentas enviassem dados à superfície, como por exemplo: inclinação do poço, resistividade, gama e pressão 4.2 Mensurar o Problema

Ao medir o problema deverão ser evidenciadas as ferramentas presentes no BHA que podem ter falha em sua operacionalidade, atentando-se ao fato da ferramenta identificada com falha ter necessariamente, antes de qualquer manutenção, a investigação da causa raiz.

O impacto ao cliente e a empresa fornecedora de serviço também devem ser mensurados nesse estágio. Portanto, dados como tempo não produtivo e a gravidade do incidente devem ser relatadas. 4.3 Análise do Problema

Muitas vezes a análise do problema começa antes mesmo da ferramenta chegar a terra. Todos os dados que são base para geração dos logs, ficam na memória da ferramenta, podendo ser feito o download da mesma quando está na superfície.

Através da memória, um item que chama a atenção ao ser avaliado é a variação de rotação da turbina. A variação ocorre quando há a geração de pulso limitando a passagem do fluido pela turbina, sensível a queda. Essa variação gira em torno de 500 rotações por minuto.

Pode–se verificar que a variação de rotação da turbina é baixa nesse incidente. Na figura 7, é demonstrada à esquerda a variação de rotação da turbina do incidente estudado e à direita uma variação de uma ferramenta operacional.


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Figura 7 - Rotação da turbina no caso do incidente (à esquerda) e em condições normais (à direita)


Outro item que pode ser verificado através da análise de memória foi se a corrente necessária para ativar o solenóide estava chegando corretamente até a válvula de controle.

Na figura 8 é demonstrado que no momento do incidente a corrente necessária para ativação do solenóide e, conseqüentemente, funcionamento da válvula de controle estava funcional, ou seja, não era indicativo de uma falha elétrica e sim uma falha mecânica no sistema de pulso.

Figura 8 - Funcionamento elétrico da válvula de controle sem indicação da falha


Na figura 9 é demonstrado o sistema da válvula de controle com detalhe no local onde ocorre a restrição do fluido de perfuração.

Figura 9 - Válvula de controle destacando o ponto de restrição do fluxo do fluido de perfuração


Na chegada da ferramenta à manutenção foi verificado que eletronicamente ela estava operacional, confirmando, assim, a análise de memória. Ao realizar teste de força com a válvula de controle, foi verificado que os valores estavam abaixo do limite padrão do procedimento, apesar dos testes elétricos das linhas do solenóide estarem funcionais.


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Na figura 10 é demonstrado o que ocasionou a falha.

Figura 10 - Comparação entre a haste quebrada e funcional

Através das evidências encontradas, foi possível determinar que a causa raiz do problema estava

relacionada à haste da válvula de controle quebrada, ocasionando tamponamento do fluido de perfuração e, conseqüentemente, perda de sinal e dados das ferramentas na superfície. 4.4 Melhoria do Processo

Foi realizado o mapa de causa para identificar a causa raiz do problema estudado. Após analise, foi verificado que havia dois pontos onde a haste quebrava: buraco do pino de fixação e no chanfro da mudança de diâmetro da haste, conforme mostra a figura 11.

Figura 11 - Pontos de quebra da haste Fonte: Adaptado Baker Hughes (2012)

Após a constatação, foi realizada uma análise das hastes danificadas para identificar o que poderia ter

ocasionado à fratura. Diante do resultado da análise de metalografia, dureza e química, pôde-se constatar que o material estava de acordo ao projeto original, ou seja, não sofreu alteração proveniente do ambiente exposto.

Através da ampliação com o uso de microscópio eletrônico de varredura, é possível notar trincas causadas pela fadiga, conforme demonstrado na figura 12.


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Figura 12 - Visão ampliada do ponto da haste que rompeu por fadiga

Fonte: Baker Hughes (2012)

De acordo com Hibbeler (2000), quando um metal é submetido a ciclos repetidos de tensão ou deformação, há uma quebra em sua estrutura, o que leva à ruptura, comportamento este que é chamado de fadiga.

A ruptura se deve ao fato de que existem regiões microscópicas, em geral na superfície do membro, onde a tensão localizada torna-se muito maior do que a tensão média que atua sobre a seção transversal (HIBBELER, 2000).

A composição atual da haste consiste de 59,6% de Cobre (Cu), 20% de Manganês (Mn) e 19,7% de Níquel (Ni). Após vários testes foi constatada a necessidade de utilizar um material mais resistente. Para tal ação, foi reduzida a porcentagem de cobre havendo o acréscimo da quantidade de níquel, tornando o material mais duro. Na tabela 1 é apresentada a dureza de tais materiais.

Tabela 1 - Dureza de algumas substâncias segundo a Escala de Mohs

Fonte: Adaptado de Pareto (2003)

A mudança do material não pode ser totalmente abrupta, pois a haste sofre cargas laterais com a

passagem do fluido de perfuração. Portanto, poderíamos ter outro tipo de quebra ao utilizar um material pouco dúctil, que não absorva a tensão lateral a que se esta exposta. 4.5 Controle do Processo

Dentre as melhorias do processo, foi implementada a possibilidade de rastrear todas as hastes presentes nas válvulas de controle. Essa alteração auxilia diretamente o controle de novos incidentes e visualização da taxa de implementação do novo componente em determinadas ferramentas e em diversos países. Após a substituição do material da haste, não houve novo caso de ruptura deste componente.


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5 Resultados

No incidente relatado, mesmo não havendo comunicação entre a ferramenta e a embarcação, o cliente decidiu continuar perfurando. Porém, em alguns dos casos demonstrados na tabela 2, houve necessidade de retirar a coluna para substituição da ferramenta que apresentava sintoma de falha semelhante.

Através da tabela 2, foi verificado que o tempo perdido decorrente de todas as falhas causadas pela ruptura da haste foi de aproximadamente 123 horas. De acordo com a empresa Petróleo Brasileiro S.A. (2012), o custo diário da sonda é estimado em US$ 540 mil. Portanto somente a diária da sonda, sem considerar outros custos (equipe envolvida, material utilizado, entre outros) daria um montante de cerca de US$ 2,5 milhões.

Tabela 2 - Histórico de falhas causadas pela ruptura da haste


Mundialmente, a companhia dispõe de dois tipos distintos de hastes que integram a válvula de controle

do módulo de comunicação e geração de energia bi-direcional. Tais hastes são diferenciadas de acordo com suas capacidades (velocidade) de transmissão de dados para a superfície, sendo enquadradas nas especificações: Padrão (Standard) ou Alta Velocidade (High Speed).

Com a implementação da mudança do material da haste para um de maior resistência, foi estimado que no Brasil a companhia desembolsou cerca de US$ 53.950,00 até o mês de março de 2011, conforme demonstrado na tabela 3. Mundialmente, este montante tende a ser maior devido ao grande número de componentes afetados, gerando um custo de reposição de aproximadamente US$ 332.985,00 como visto na tabela 4

Tabela 3 - Custos de substituição das hastes no Brasil


Tabela 4 - Custos de substituição das hastes mundialmente



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Diante dos dados apresentados, pode-se verificar que o custo de reparo e substituição dos componentes com falha, representa aproximadamente 16% dos custos que as falhas ocasionaram, sabendo que somente o custo da sonda foi considerado. 6 Conclusões

Conforme apresentado, o foco do estudo foi o tratamento de uma eventual anomalia ocorrida na fase de perfuração do poço de petróleo, cujo objetivo principal foi identificar uma oportunidade de melhoria no processo de tratamento de falhas para evitar/mitigar futuras reincidências.

Por meio da utilização do mapa de causas (contido na etapa “analisar” da metodologia DMAIC), o problema de fabricação da haste da válvula de controle foi sistematicamente estudado e, com as demais etapas do DMAIC, posteriormente eliminado, tendo vista que tal material não possuía as características necessárias para operar nas condições a que esteve exposto.

Usualmente o setor de confiabilidade de uma empresa é visto como um departamento que reduz o lucro da companhia. A imagem que o setor de confiabilidade de uma companhia deseja transmitir é a prevenção das perdas em curto prazo e, conseqüentemente, o lucro almejado a longo prazo.

Um dos diversos fatores que uma companhia possui para mensurar o nível de atendimento aos clientes internos e, principalmente aos externos, é o tempo de operação não produtivo, ou seja, basicamente seria o tempo em que a operação é paralisada devido a uma eventual falha no processo. Trazendo como exemplo o cenário do trabalho, nota-se que apesar de tal anomalia não ter acarretado um valor elevado de tempo pedido para a companhia, mundialmente essa falha foi de grande impacto.

Através dos resultados, conclui-se que o custo da falha (em alguns casos) é maior do que a substituição do componente inapropriado. Para que seja evitada perda financeira, tempo e desgaste com o cliente, deve-se estabelecer controles rigorosos na implementação de quaisquer componentes críticos à operação. Não tem trabalhos futuros?Como propostas de trabalhos futuras destacam-se a automatização de partes da manutenção e inspeção de equipamentos com o objetivo de reduzir falhas humanas e o desenvolvimento de sistema de geração de energia e transmissão de dados com maior capacidade e robustez.

Referências Baker Hughes. Disponível em: <www.bakerhughesdirect.com> Acesso em: 19 maio 2012. CARVALHO, M.M. et al., Gestão da Qualidade: teoria e casos. Rio de Janeiro: Elsevier, 2005. ECKES, George. Six Sigmas Of Everyone. New Jersey. John Wiley & Sons, Inc. 2003. GOLDSBY, Dr. Thomas; MARTICHENKO, Robert. LEAN SIX SIGMA LOGISTICS. J. Ross Publishing, Inc. 2005. HIBBELER, R.C. Resistência dos Materiais. 5º ed., Editora Livros Técnicos e Científicos, 2000. PARETO, Luis. Resistência e Ciência dos Materiais. Barcelona: Hemus, 2003. Petróleo Brasileiro S.A. Disponível em: < //fatosedados.blogspetrobras.com.br/2012/02/09/petrobras-vai-contratar-26-sondas-de-perfuracao> Acesso em: 21 maio 2012. THOMAS, J.E. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Petrobras. Rio de Janeiro: Interciência, 2001.

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