Como funciona um preventor de explosão?

Um preventor de explosão (BOP) funciona vedando o poço com aríetes acionados hidraulicamente ou um elemento de borracha anular inflável sempre que a pressão da formação - um influxo repentino de óleo, gás ou salmoura chamado "kick" - começa a exceder a pressão do fluido de perfuração, interrompendo o fluxo descontrolado antes que ele possa atingir a superfície e desencadear uma explosão catastrófica. Instalada no topo da cabeça do poço em plataformas terrestres ou no fundo do mar para operações offshore, uma pilha BOP normalmente combina vários preventores de aríete com pelo menos um preventor anular, formando uma série redundante de barreiras classificadas para suportar pressões de trabalho de 5.000 psi para poços rasos em terra até 15.000 psi para poços em águas profundas e de alta pressão e alta temperatura (HPHT), de acordo com especificações da indústria documentadas por bop-products.com.

O que é um preventor de explosão e por que ele é crítico?

A preventor de explosão é um conjunto de válvula grande e especializado instalado na cabeça do poço durante operações de perfuração de petróleo e gás, cujo único objetivo é evitar uma liberação descontrolada de petróleo bruto ou gás natural do poço – um evento conhecido como explosão – que pode matar trabalhadores, destruir equipamentos e causar danos ambientais catastróficos. De acordo com a visão geral de engenharia da ScienceDirect sobre prevenção de explosão, a função do sistema completo de prevenção de explosão é controlar o movimento dos fluidos kick (fluidos de formação que entram no poço) durante as operações de perfuração, manobra e revestimento.

O sistema deverá ser capaz de realizar quatro ações distintas: fechar o poço na superfície; remover com segurança fluidos kick do poço; substituir o fluido de perfuração original por um fluido de maior densidade para evitar mais intrusões de fluido de formação; e mover o tubo para dentro e para fora do furo enquanto a pressão está sendo contida, um procedimento conhecido como operações de remoção. Esses quatro requisitos explicam por que um BOP não é uma válvula única, mas uma pilha complexa de múltiplos dispositivos trabalhando em uma sequência coordenada.

Uma explosão pode ocorrer quando a perfuração penetra uma formação muito rapidamente, quando a pressão do reservatório é subestimada ou quando o peso do fluido de perfuração – chamado lama – é insuficiente para equilibrar a pressão no fundo do poço. Sem um BOP funcional, os hidrocarbonetos pressurizados podem viajar até o poço sem controle, muitas vezes inflamando-se na superfície com consequências devastadoras, como o mundo testemunhou em 20 de abril de 2010, quando a plataforma Deepwater Horizon no Golfo do México sofreu o maior derramamento de óleo offshore na história dos EUA, liberando aproximadamente 3,19 milhões de barris de petróleo ao longo de 87 dias, de acordo com as conclusões da investigação do Conselho de Segurança Química dos EUA (CSB).

Componentes principais de um sistema preventivo de explosão

Um sistema completo de prevenção de explosão consiste na própria pilha do BOP, no acumulador hidráulico que a alimenta, nas linhas de interrupção e estrangulamento para a circulação de fluidos do poço e em um sistema de controle operável em vários locais, incluindo o convés da plataforma e uma unidade Koomey remota. De acordo com a ScienceDirect, os componentes básicos incluem a pilha BOP (preventor anular, preventores de aríete, carretéis e preventores internos), a cabeça do revestimento, linhas e acessórios de fluxo e estrangulamento, linhas de interrupção e conexões, separadores e acumuladores.

• Pilha BOP: A coluna montada de preventores anulares e de aríete aparafusados à cabeça do poço, projetada para lidar com classificações específicas de pressão de trabalho. Uma pilha de superfície típica tem de 3 a 5 pés de altura; uma pilha submarina em águas profundas pode ter de 18 a 25 pés e pesar várias centenas de milhares de libras.
• Acumulador Hidráulico: A unidade de controle principal que abriga bombas, um reservatório hidráulico, um coletor de controle, válvulas de controle e garrafas de gás comprimido. De acordo com a Keystone Energy Tools, um acumulador geralmente retém energia armazenada suficiente para fechar todas as unidades BOP e executar funções de backup mesmo se outros sistemas falharem, e é por isso que ele é montado diretamente na pilha BOP ou próximo a ela.
• Linha de Morte: Um tubo de alta pressão que permite aos engenheiros bombear fluido de perfuração pesado (lama mortal) para o poço abaixo do BOP fechado, aumentando a pressão no fundo do poço para superar a formação e matar o poço.
• Linha de estrangulamento e coletor de estrangulamento: Um sistema de válvulas ajustáveis e sensores de pressão que permite a liberação controlada de fluidos do poço e o gerenciamento da pressão do poço após o fechamento do BOP, permitindo que os engenheiros circulem o kick out com segurança.
• Pods de controle (submarinos): Para BOPs submarinos, os pods de controle eletrônicos e hidráulicos redundantes recebem comandos da superfície por meio de cabos umbilicais e podem ativar as funções do BOP de forma independente, fornecendo backup no caso de um pod falhar.
• Sistema Deadman/AMF: Uma função de modo automático que aciona o aríete de cisalhamento cego de forma autônoma se toda a comunicação e energia hidráulica para o BOP submarino forem perdidas simultaneamente, com a intenção de ser uma proteção final contra falhas.

Como funcionam os dois principais tipos de BOP

Duas categorias de preventores de explosão são mais prevalentes na indústria - o BOP anular e o BOP de aríete - e uma pilha de BOP quase sempre usa os dois tipos juntos, com o anular posicionado no topo e vários preventores de aríete dispostos abaixo dele. De acordo com a visão geral técnica da Wikipedia sobre preventores de explosão, as pilhas de BOP frequentemente utilizam ambos os tipos, normalmente com pelo menos um BOP anular empilhado acima de vários BOPs de ram.

Preventor de explosão anular

Um BOP anular veda o espaço ao redor da coluna de perfuração usando pressão hidráulica para comprimir para dentro um elemento de borracha espesso em forma de donut chamado unidade de gaxeta até que ele se prenda firmemente ao que quer que esteja no furo – tubo de perfuração, revestimento, kelly ou até mesmo uma junta de ferramenta irregular – formando uma vedação hermética à pressão sem a necessidade de saber o diâmetro exato com antecedência. De acordo com a Wikipedia, um preventor anular usa o princípio de uma cunha para fechar o poço, e um preventor anular com gaxeta de borracha reforçada fechará o espaço anular em torno de qualquer parte da coluna de perfuração no furo, independentemente da forma ou tamanho.

Os BOPs anulares podem até mesmo vedar um furo completamente aberto sem a presença de tubo, e são flexíveis o suficiente para permitir que o tubo de perfuração seja girado ou movido lentamente verticalmente através da vedação fechada – uma capacidade crítica durante operações de remoção, quando um poço deve ser gerenciado sob pressão. O preventor anular é normalmente a primeira linha de defesa em uma situação de explosão porque pode ser ativado rapidamente e se adaptar ao que quer que esteja no buraco naquele momento. No entanto, os BOPs anulares geralmente não são tão eficazes quanto os preventores de impacto na manutenção de uma vedação de pressão de longo prazo em um furo aberto, conforme observado pela documentação técnica da Wikipedia.

Prevenidor de explosão de carneiro

Um BOP de aríete fecha acionando dois aríetes de aço opostos juntos hidraulicamente a partir de lados opostos do poço, com o projeto específico desses aríetes determinando se o dispositivo prende o tubo, veda um furo aberto ou corta inteiramente a coluna de perfuração. De acordo com a SVES Oilfield Supply, o mecanismo operacional do aríete BOP envolve a utilização de pressão hidráulica para acionar um pistão, abrindo ou fechando assim os aríetes para conseguir o fechamento da cabeça do poço.

Os BOPs de aríete normalmente compreendem dois aríetes dispostos de forma oposta que são deslocados um em relação ao outro para fixar, vedar ou cortar, conforme descrito na documentação de patente dos EUA para conjuntos de pilha de BOP. Uma vez fechado, um mecanismo de eixo de travamento pode ser acionado para manter os aríetes fechados mecanicamente, mantendo a vedação mesmo se a pressão hidráulica for perdida — um recurso de backup essencial para operações estendidas de controle de poço.

Os quatro tipos de Ram Preventer: o que cada um faz

Os preventores de aríete não são intercambiáveis: cada um dos quatro tipos distintos de aríete aborda um cenário específico de controle de poço, e uma pilha de BOP totalmente equipada normalmente inclui pelo menos três tipos diferentes de aríete para cobrir todas as emergências plausíveis.

Tabela 1: Os quatro tipos de preventores de aríete utilizados no controle de poços de petróleo e gás, comparando seu mecanismo de vedação, cenário de ativação e limitação operacional. Fontes: SVES Oilfield Supply, Wikipedia, ScienceDirect, CSB Deepwater Horizon Investigation Report.

Como a pilha BOP é organizada

Uma pilha de BOP é organizada com o dispositivo mais flexível e de ação mais rápida na parte superior – o preventor anular – e preventores de aríete progressivamente mais poderosos abaixo, para que os operadores possam escalar sua resposta de uma vedação parcial rápida até uma ruptura mecânica completa da coluna de perfuração, se necessário. De acordo com a documentação da patente dos EUA para pilhas BOP submarinas, dispositivos de prevenção de explosão dispostos mais próximos do reservatório são geralmente fornecidos para encerrar e vedar os tubos de perfuração, enquanto aqueles mais distantes do depósito são fornecidos para cortar a coluna de perfuração e para vedar hermeticamente o poço.

Uma pilha BOP de superfície representativa trabalhando de cima para baixo normalmente inclui: um ou dois preventores anulares na parte superior; um preventor de diâmetro variável ou de aríete de tubo; um preventor de aríete cego; e um preventor cego de cisalhamento na parte inferior, mais próximo da cabeça do poço. Um carretel de perfuração – um espaçador flangeado que conecta o conjunto do BOP ao cabeçote do revestimento – fornece os pontos de conexão para linhas de interrupção e linhas de estrangulamento. Os projetos de pilha BOP podem ser configurados para lidar com pressões de trabalho de até 15.000 psi, de acordo com a ScienceDirect, e cada configuração carrega um código de designação API que descreve o arranjo da pilha.

Preventores de explosão de superfície vs. submarinos: principais diferenças

A mecânica fundamental dos preventores de explosão de superfície e submarinos é idêntica, mas os BOPs submarinos devem enfrentar profundidades extremas da água, operação remota, acesso restrito para manutenção e a necessidade de vários sistemas de controle redundantes que os BOPs de superfície não exigem.

Tabela 2: Comparação entre dispositivos de prevenção de explosão de superfície/terra e dispositivos de prevenção de explosão submarinos/em águas profundas em termos de localização, classificação de pressão, sistema de controle, acesso para manutenção e capacidade de desconexão de emergência. Fontes: Wikipedia, Keystone Energy Tools, bop-products.com.

Passo a passo: o que acontece quando um chute é detectado

Quando um chute é detectado, a tripulação executa uma resposta de controle do poço que se move através de uma sequência definida – detecção, fechamento, circulação e eliminação – com o BOP fornecendo a barreira física que torna todas essas etapas possíveis.

1. Detecção de chute: As equipes de perfuração monitoram o volume do poço (a quantidade de fluido nos tanques de lama), a pressão da bomba e a vazão em busca de anomalias. Um ganho de pit – retorno mais fluido do que o esperado – é o indicador clássico de chute. Os operadores de perfuração devem proteger e fechar o poço para operações de destruição no momento em que um chute for detectado, de acordo com a documentação técnica da Rein Wellhead Equipment.
2. Fechamento: O perfurador ativa o BOP através de painéis de controle localizados no convés da plataforma ou na unidade acumuladora Koomey. O preventor anular normalmente é fechado primeiro, pois pode vedar o que quer que esteja no furo. Fechar o BOP apropriado evita que fluidos fluam para fora do poço.
3. Leitura e avaliação da pressão: Com o poço fechado, os engenheiros lêem a pressão do tubo de perfuração e a pressão do revestimento para calcular a densidade da lama necessária para desequilibrar a formação.
4. Circulando o chute: Usando o coletor de estrangulamento, os engenheiros circulam o fluido de perfuração através do poço a uma pressão controlada, permitindo que o fluido de kick migre com segurança para cima e para fora através da linha de estrangulamento enquanto a lama mais pesada é bombeada pela coluna de perfuração.
5. Matando o poço: Uma vez que o fluido kick tenha sido removido e o poço esteja preenchido com lama de eliminação adequadamente ponderada, a pressão hidrostática da coluna de lama excede a pressão de formação e o poço é efetivamente eliminado. O BOP pode então ser aberto e a perfuração reiniciada.
6. Cisalhamento de emergência (último recurso): Se o chute aumentar além da capacidade de circulá-lo - ou se a plataforma precisar ser desconectada de emergência - o aríete de cisalhamento cego é ativado para cortar a coluna de perfuração e selar completamente o poço.

Deepwater Horizon: O que a falha do BOP revelou

O desastre da Deepwater Horizon de 20 de abril de 2010 continua sendo o estudo de caso definitivo do que acontece quando a última linha de defesa de um BOP falha, e as conclusões da investigação do Conselho de Segurança Química dos EUA (CSB) moldaram diretamente os padrões internacionais de projeto e teste de BOP nos anos que se seguiram.

O relatório de investigação do CSB identificou quatro falhas sequenciais na barreira que levaram à explosão: o cimento não conseguiu selar as formações de hidrocarbonetos; o teste de pressão negativa foi mal interpretado como uma indicação de que o poço estava selado, quando na verdade não estava; a tripulação não conseguiu detectar que o poço estava fluindo até que o gás e o petróleo quase alcançassem a superfície; e, finalmente, o preventor não conseguiu parar o fluxo e selar o poço por tempo suficiente para que ações corretivas fossem tomadas.

O ponto crítico de falha do BOP foi o aríete de cisalhamento cego – o dispositivo de último recurso projetado para cortar o tubo de perfuração e selar o poço. De acordo com a análise da investigação do CSB e do WorkBoat, o tubo de perfuração dobrou devido a um grande diferencial de pressão criado quando os operadores fecharam os aríetes de tubos, colocando o tubo descentralizado dentro do furo do BOP e fora do alcance de cisalhamento efetivo do aríete de cisalhamento cego. O relatório do CSB também identificou múltiplas ligações incorretas nas unidades de controle: uma bobina solenóide foi conectada incorretamente, de modo que dois canais se opunham, o que teria impedido a atuação da válvula solenóide independentemente de todas as outras falhas. A degradação da bateria no sistema de homem morto adicionou mais uma camada de falha.

A investigação mais ampla, conforme resumida na análise acadêmica publicada na Academia.edu, atribuiu o fracasso do BOP a padrões inadequados de projeto e teste, particularmente na Especificação API 16D, que rege os sistemas de controle para pilhas de BOP. O desastre acelerou diretamente as revisões dos padrões API e gerou novas regulamentações do Bureau of Safety and Environmental Enforcement (BSEE) dos EUA, exigindo testes e manutenção mais rigorosos de equipamentos BOP em plataformas offshore.

Teste de BOP, manutenção e requisitos regulamentares

Os BOPs estão sujeitos a testes de pressão e testes de funcionamento obrigatórios regularmente, com intervalos e pressões de teste definidos pelos padrões API e agências reguladoras nacionais, porque um BOP que nunca foi testado em condições reais fornece apenas a aparência de segurança. Os regulamentos normalmente exigem que um preventor anular seja capaz de fechar completamente um poço, conforme observado na visão geral de engenharia da Wikipedia.

• Teste de função: Cada componente do BOP deve ser aberto e fechado para confirmar a operação mecânica correta, normalmente a cada 7 a 14 dias durante operações de perfuração ativas.
• Teste de pressão: A pilha de BOP deve ser testada quanto à pressão nominal de trabalho para verificar a integridade da vedação, normalmente toda vez que um novo BOP é instalado e em intervalos definidos a partir de então – em operações offshore nos EUA, a cada 21 dias de acordo com os regulamentos BSEE pós-Deepwater Horizon.
• Teste de acumulador: O acumulador hidráulico deve ser verificado para conter pressão pré-carregada suficiente para fechar todas as funções do BOP sem qualquer assistência da bomba, confirmando que a reserva de energia à prova de falhas está intacta.
• Teste de pod de controle (submarino): Os pods de controle primário e secundário nos BOPs submarinos devem ser testados independentemente para confirmar que a perda de um pod não compromete a capacidade do sistema de fechar qualquer função.
• Verificação da capacidade do aríete de cisalhamento: Após a conclusão da investigação da Deepwater Horizon de que tubos descentrados evitavam o cisalhamento, a orientação regulatória exige agora que os projetos dos carneiros cisalhantes sejam testados em relação aos graus específicos de tubos e configurações de juntas que serão usados em cada programa de poço.

Perguntas frequentes sobre preventores de explosão

P: Qual é a diferença entre um chute e uma explosão?

Um kick é um influxo de fluidos de formação – óleo, gás, água ou qualquer combinação – no poço que ocorre porque a pressão do poço caiu momentaneamente abaixo da pressão de formação. Um kick é um evento gerenciável se for detectado precocemente e o BOP for fechado imediatamente para fechar o poço. Uma explosão é a consequência de um impulso descontrolado: os fluidos da formação continuam fluindo para a superfície sem qualquer barreira eficaz, muitas vezes com resultados explosivos e ambientalmente catastróficos. Todo o propósito do BOP é converter cada chute em um evento controlado e gerenciável antes que ele se torne um golpe.

P: Um preventor de explosão pode ser usado enquanto a coluna de perfuração está girando?

Sim, para o BOP anular. De acordo com a visão geral técnica da Wikipedia, os preventores anulares são eficazes para manter a vedação ao redor do tubo de perfuração, mesmo quando ele gira durante a perfuração. O elemento de vedação de borracha no preventor anular pode agarrar o tubo com firmeza suficiente para conter a pressão, permitindo ao mesmo tempo rotação lenta ou movimento axial controlado, que é a base para operações de decapagem. Os preventores de aríete, por outro lado, são projetados para segurar um tubo estacionário e não devem ser usados ​​para rotação dinâmica ou movimento significativo do tubo.

P: Qual é o tamanho e o peso de uma pilha BOP submarina típica?

Uma típica pilha BOP submarina em águas profundas, incluindo seu Lower Marine Riser Package (LMRP), pode ter de 18 a 25 pés de altura e pesar mais de 400.000 a 450.000 libras (cerca de 200 toneladas métricas). O diâmetro do furo da pilha – a abertura interna através da qual passa a coluna de perfuração – é normalmente de 18,75 polegadas para operações em águas profundas. Essas dimensões refletem as forças extremas que o BOP deve resistir em pressões nominais de 10.000 a 15.000 psi em profundidades de água que podem exceder 10.000 pés.

P: O que é um riser de perfuração e como ele se conecta ao BOP?

Um riser de perfuração é uma coluna de tubos de grande diâmetro que conecta o BOP submarino no fundo do mar à plataforma de perfuração na superfície, fornecendo um caminho fechado contínuo para a coluna de perfuração, retornos de fluido de perfuração e linhas de interrupção e estrangulamento. De acordo com a Wikipedia, um riser estende efetivamente o poço até a plataforma. O riser é conectado em sua extremidade inferior à porção LMRP da pilha do BOP por meio de um conector hidráulico, e o riser pode ser rapidamente destravado para permitir que a plataforma se mova para fora do local em caso de emergência, enquanto o BOP permanece no lugar e selado na cabeça do poço abaixo.

P: Por que o aríete da Deepwater Horizon não conseguiu selar o poço?

De acordo com as descobertas da investigação do Conselho de Segurança Química dos EUA relatadas pela WorkBoat, o aríete cego na Deepwater Horizon falhou principalmente porque o tubo de perfuração dobrou sob a extrema diferença de pressão interna criada quando os aríetes foram fechados no início da sequência de emergência. Esta “compressão efetiva” dobrou o tubo de perfuração para fora do centro dentro do furo do BOP, colocando-o fora do alcance efetivo de corte das lâminas do aríete de cisalhamento. Fatores contribuintes adicionais identificados pelos investigadores incluíram fiação elétrica incorreta em um dos pods de controle, baterias degradadas no sistema de homem morto e a falta geral de consciência da indústria de que um tubo descentralizado poderia impedir o funcionamento de um aríete de cisalhamento - um cenário de projeto que nunca havia sido formalmente testado antes do desastre.

P: Existem alternativas aos BOPs tradicionais para controle de poço?

Os sistemas de Perfuração de Pressão Gerenciada (MPD) representam uma abordagem complementar que mantém a pressão do poço contínua e controlada com precisão durante todo o processo de perfuração para minimizar as condições que causam os chutes em primeiro lugar, reduzindo a dependência da intervenção reativa do BOP. Alguns projetos experimentais incorporam dispositivos de controle rotativo (RCDs) que vedam em torno de uma coluna de perfuração rotativa na superfície para permitir perfuração controlada de baixa pressão. No entanto, nenhum sistema implementado comercialmente substitui atualmente o BOP como barreira mecânica primária para controle de emergência de poços; MPD e RCDs complementam, em vez de substituir, a tecnologia BOP.

Resumo

Um preventor de explosão funciona colocando uma série de barreiras hidráulicas mecanicamente redundantes – preventores anulares na parte superior, aríetes de tubos e aríetes de cisalhamento cegos abaixo – diretamente sobre a cabeça do poço, prontos para vedar instantaneamente contra pressões de até 15.000 psi sempre que um chute ameaçar se tornar uma explosão. O BOP anular proporciona vedação de primeira linha rápida e flexível em torno de qualquer geometria de tubo; os aríetes prendem e vedam em torno de um diâmetro específico da coluna de perfuração; e o aríete de cisalhamento cego atua como o último recurso da indústria, cortando a coluna de perfuração e selando o furo aberto em um único golpe hidráulico.

O desastre da Deepwater Horizon demonstrou, com consequências fatais, que a eficácia de um BOP depende não apenas do projeto mecânico correto, mas também da fiação adequada, manutenção das baterias, testes regulares em cenários realistas, incluindo tubulação descentrada, e aplicação rigorosa das etapas processuais de controle do poço que ativam o sistema a tempo. A evolução contínua do projeto BOP - incluindo protocolos aprimorados de teste de aríete de cisalhamento, redundância de controle eletro-hidráulico multiplex e sistemas à prova de falhas de homem morto - reflete uma indústria que continua a absorver as lições desse evento em busca de poços que possam realmente ser controlados em todas as fases do seu ciclo de vida.