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A reengenharia da desengenharia de poços de petróleo e gás

RC: 120912
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DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-mecanica/reengenharia-da-desengenharia

CONTEÚDO

ARTIGO ORIGINAL

LIMA, Leandro Jose Barbosa [1], HAMZAGIC, Miroslava [2]

LIMA, Leandro Jose Barbosa. HAMZAGIC, Miroslava. A reengenharia da desengenharia de poços de petróleo e gás. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano. 07, Ed. 07, Vol. 03, pp. 23-68. Julho de 2022. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-mecanica/reengenharia-da-desengenharia, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-mecanica/reengenharia-da-desengenharia

RESUMO

A Reengenharia é um termo criado na década de 80, que tem o foco em repensar a forma com que as empresas realizam as suas atividades, a fim de reduzir custos, melhorar o atendimento ao cliente e tornar-se mais competitiva. Já a Desengenharia considera o que fazer com as instalações industriais uma vez que o empreendimento já não está mais em atividade.  Desta feita, este artigo tem como objetivo responder a seguinte questão norteadora: Quais as possibilidades de uso de estruturas e materiais de poços já depletados utilizando as concepções da Reengenharia da Desengenharia? Após a análise documental, foi possível estabelecer uma proposta alternativa para aumentar a vida útil de poços de Petróleo e Gás através dos conceitos aplicados.

Palavras-chave: Desengenharia, Reengenharia, Petróleo, Poços, Reservatório.

1. INTRODUÇÃO

Um poço de petróleo e gás é um grande obra da engenharia,  sua construção pode levar dias ou até meses, e são essenciais para geração de energia por combustível.

Thomas (2001) esclarece que o combustível que as sociedades consomem como forma de energia mecânica nos veículos, na forma de energia calorifica em residências ou indústrias, ou, na forma de energia elétrica nos diversos aparelhos que fazem a economia girar, é apenas o final da cadeia existente para se produzir energia (Thomas, 2001).

Em uma cadeia de produção complexa, cada etapa do processo é importante, e a economicidade e efetividade de desempenho deve ser executada em cada uma das etapas. Assim, os poços são considerados uma das etapas passíveis de busca por maior efetividade em sua vida e desempenho. Neste contexto, ocorre a importância da Reengenharia e da Desengenharia.

A Reengenharia é um termo criado por Michael Hammer e James Champy, que tem o foco em repensar a forma com que as empresas realizam as suas atividades, a fim de reduzir custos, melhorar atendimento ao cliente e tornar-se mais competitiva (HAMMER; CHAMPY, 1993), já a Desengenharia considera o que fazer com as instalações industriais uma vez que o empreendimento já não está mais em atividade e foi descrita por Luis Enrique Sanchez em 2001.

Dentro deste contexto, como em outras aplicações da indústria, a reengenharia pode dar outros destinos para esses materiais metálicos, especialmente no caso de reservatórios já depletados, não economicamente viáveis, ou ainda poços que venham a não ser de interesse para a indústria de petróleo. Poços que têm a configuração geológica conhecida, que muitas vezes já possuem capacidade como reservatório, e que já possuem em muitas vezes alguma estrutura criada, mas de que forma a reengenharia pode ser empregada nesses casos? De que forma essas estruturas podem ainda retornar o seu valor para a sociedade?

São essas respostas que atuam como objetivo desta investigação, realizada através da demonstração da perfuração de poços e suas variáveis, do reconhecimento sobre os poços de petróleo, da depleção, e por fim, das alternativas através dos conceitos da Reengenharia e da Desengenharia.

2. ESCLARECIMENTOS GERAIS SOBRE OS POÇOS

Segundo a classificação da Agência Nacional do Petróleo – ANP (2017), existem diversos tipos de poços que podem ser perfurados. A Tabela 1, promove a classificação de 10 tipos de categorias:

Tabela 1 – Classificação de Poços no Brasil

Classificação de Poços no Brasil
Fonte: Agência Nacional de Petróleo (2017)

Cada um dos tipos de poços possuem especificidades, durabilidade e efetividade diferenciada, sendo uma desafio para as organizações trabalharem em seu máximo potencial.

Existem características muito únicas que definem onde um poço será perfurado e o potencial de uma região ser ou não produtora de petróleo e gás natural, o que também inclui os casos onde pode haver controvérsias.

Assim, para que o reservatório de petróleo e gás esteja presente, é preciso uma configuração muito única, especialmente com relação às rochas sedimentares, e outros tipos de rochas, que devem implicar em uma categorização e estruturação de uma rocha geradora, uma rocha armazenadora e uma rocha selante ou trapa estrutural que garanta a estanqueidade do reservatório, sem a qual o petróleo ou gás poderia ser liberado até a superfície, portanto técnicas como a magnetometria, gravimetria e a sísmica de reflexão são utilizadas.

A figura 1, mostra uma condição de um reservatório em perspectiva sísmica de reflexão, mostrando 3 poços perfurados em amarelo (vertical), azul (vertical) e vermelho (horizontal) (THOMAS, 2001).

Figura 1 – Poços em perspectiva da sísmica de reflexão

Poços em perspectiva da sísmica de reflexão
Fonte: Lopes e Assunção (2010)

Quando as condições ideais são encontradas os poços exploratórios são perfurados para que se confirmem as condições observadas em superfície, bem como, as profundidades das rochas sejam confirmadas pelas técnicas de testemunhagem, para isso, se usa de análise petrofísica e da geopaleontologia, por métodos indiretos como os usados pela geofísica na perfilagem de poços (THOMAS, 2001). Além das características mais conhecidas é importante compreender quais os coeficientes de fratura das rochas, porosidade e permeabilidade, descrita pela lei de Darcy, que permitem estimar o potencial da reserva, e o fator de recuperação.

A figura 2 demonstra a forma do fluído que flui entre os espaços vazios da rocha (SANSONE, 2015).

Figura 2 – Ilustração da permeabilidade das rochas

Ilustração da permeabilidade das rochas
Fonte: (Sansone, 2015)

É importante ressaltar que apesar de muitas vezes existir a confirmação das condições geológicas ideais e de estanqueidade, muitos desses poços perfurados acabam sendo abandonamos, pois as expectativas de reserva podem não ser consideradas boas por serem poços secos, de gás carbônico, de água, dura ou mole, assim tampões permanentes de cimento são utilizados para selar esses reservatórios (THOMAS, 2001).

A Figura 3, apresenta uma perspectiva do tempo necessário em cada estágio no processo de construção de um poço de petróleo até a fase de produção (CONOCO PHILLIPS, 2015).

Figura 3 – Ilustração do tempo de ciclo de vida dos poços

Ilustração do tempo de ciclo de vida dos poços
Fonte: (ConocoPhillips, 2015)

Os poços que são considerados como produtivos, possuem seu processo de construção finalizado, e, em alguns casos são perfurados poços auxiliares de bombeio de água nas extremidades para permitir um maior aproveitamento da reserva presente no reservatório, aumentando assim, o seu fator de recuperação.

A Figura 4 demonstra de que forma são formadas frentes de avanço para a produção não predatória de reservatórios de petróleo e gás natural (ROSA, 2006).

Figura 4 – Ilustração do processo de injeção para a produção de poços, com frente de avanço.

Ilustração do processo de injeção para a produção de poços, com frente de avanço
Fonte: SILVA et a., (2014)

Além das manutenções periódicas dos poços, os reservatórios também passam por processos de intervenção com objetivo de maximizar sua produção. Como exemplos desses processos se pode citar: os processos de estimulação química, o fraturamento hidráulico e os processos de re-entrada usando técnicas como o coiled tubing. Essas ações têm como objetivo proporcionar a retirada do máximo de óleo em menor tempo para obtenção do retorno do investimento.

O Gráfico 1 mostra a produção de petróleo e gás natural de um campo ao longo de anos. Observa-se que no início da curva há um aumento na produção dada a perfuração de mais poços nesse campo para maximizar a sua produção, assim como outras intervenções que podem ser a adição de poços injetores de água ou CO2 (EOR – Enhanced Oil Recovery), além das técnicas já mencionadas anteriormente, até um momento onde se inicia o período de declínio da produção (ROSA, 2006).

Gráfico 1 – Produção de um campo ao longo do tempo

Produção de um campo ao longo do tempo
Fonte: PETROBRAS (2015)

É possível observar que em um momento os custos de produção de um poço acabam não sendo viáveis para a detentora do campo, que pode definir pelo abandono do poço, pela transferência para comunidades, ou, para outras empresas de menor porte, seja pela baixa produção ou por mudanças significativas nas razões óleo-água, gás-óleo, ou ainda a produção de areia; em momentos que já não compensa uma intervenção (ROSA, 2006; THOMAS, 2001).

Existem casos de sucesso onde através de investimento e uso de técnicas mais avançadas é possível automatizar o processo de separação dos subprodutos indesejados e aumentar a produção de poços como já observado recentemente no Brasil onde uma empresa privada conseguiu aumentar a produção de campos maduros em 30% (JÁCOME, 2021).

O Gráfico 2 demonstra um exemplo de como a produção de óleo, água e gás pode se comportar ao longo dos anos em um reservatório.

Gráfico 2 – Produção de água, óleo e gás ao longo do tempo

Produção de água, óleo e gás ao longo do tempo
Fonte: CEPEMAR (2005)

Ao final do ciclo de vida de um poço, de um reservatório ou quando se faz necessária a manutenção do poço, os equipamentos são removidos dos poços são então retornados a superfície (THOMAS, 2001) e precisam ser tratados para posterior processo de reciclagem. Porém, em alguns casos acontece a presença da produção de materiais como o norm e o tenorm[3] que precisam de destinação muito específica para o reaproveitamento do material metálico (LINCERADIO, 2021).

3. O RESERVATÓRIO DE PETRÓLEO

As principais rochas reservatórias são calcárias e arenitos, sua formação acontece há milhares de anos, principalmente em condições relacionadas à presença de bacias sedimentares. Como observado na figura 5a o acúmulo de matéria orgânica em milhares de anos se formará em rocha geradora (MATLAK AL-HAJERI, et al., 2009; ROSA, 2006; THOMAS, 2001).

Figura 5a – Formação de bacia sedimentar

Formação de bacia sedimentar
Fonte: MATLAK AL-HAJERI, et al., (2009)

Na figura 5b, o folhelho, que com a ação de pressão e temperatura produzirá os hidrocarbonetos, que em certas condições podem migrar para rochas sedimentares porosas que os armazenarão, na existência de algum tipo de mecanismo de aprisionamento, rocha selante ou trapa estrutural (MATLAK AL-HAJERI, et al., 2009; ROSA, 2006; THOMAS, 2001).

Figura 5b – Processo de geração do petróleo a partir da bacia sedimentar ilustrada na Figura 5ª

Processo de geração do petróleo a partir da bacia sedimentar ilustrada na Figura 5ª
Fonte: MATLAK AL-HAJERI, et al., (2009)

De acordo com Castro Faria (2013) e Rosa (2006), a trapa estrutural pode acontecer de diversas formas, sendo uma delas os domos salinos, ou alterações que ocorreram nos depósitos rochosos em rios de bacias sedimentares ou ainda alterações que ocorreram durante o processo de geoformação.

Figura 6 – Ilustração com os diferentes tipos de falhas geológicas

Ilustração com os diferentes tipos de falhas geológicas
Fonte: Castro Faria (2013)

É importante observar que o reservatório de petróleo tem esse nome justamente por garantir, até certos limites de pressão, a capacidade de manter a sua estanqueidade. A pressão de formação, a porosidade e a permeabilidade são características que determinam os limites de pressão que pode ser contida nesse reservatório sem causar dano ou fratura a formação, as porosidades e permeabilidade determinam a capacidade de como um fluído pode fluir por essa rocha, sendo essas caraterísticas importantes para determinar a capacidade ou volume do reservatório e da reserva, bem como, determinar o fator de recuperação e a curva estimada de produção, o que pode ser auxiliado pelo teste de formação.

O gráfico 3 demonstra um dos tipos de testes de pressão realizados em reservatórios. Conhecer os limites de pressão ajudam a entender capacidades de usos futuros desses reservatórios (PUC/RJ, 2011; ROSA, 2006; THOMAS, 2001).

Gráfico 3 – Teste de Pressão de Formação

Teste de Pressão de Formação
Fonte: (PUC/RJ-2011)

Com base em informações sísmicas, dos perfis geofísicos, e dos testes de formação, incluindo permeabilidade e porosidade, é possível determinar o valor estimado do volume e de espaços vazios de um reservatório, e assim, estimar a sua reserva ou capacidade (ROSA, 2006). A figura 7 demonstra a sobreposição de diferentes rochas sedimentares que formam uma região de interesse para a indústria petroleira. Quando uma jazida está depletada, pode servir para acumular outros tipos de materiais além do poço com quilômetros de profundidade (ZHANG et al., 2019).

Figura 7 – Ilustração de subsuperfície

Ilustração de subsuperfície
Fonte: Zhang et al., (2019)

Esses poderiam estar em diferentes geolocalizações e, podem ser transportados em diferentes modais dentro das condições especiais de transporte requeridos, a depender do produto, e, conforme exemplificado em alguns modais .

A figura 8 (tubulação e navios/barcas) (GOVERNMENT OF THE REPUBLIC OF TRINDAD AND TOBAGO, 2021).

Figura 8 – Modelo do Processo de Captura e Sequestro de Carbono

Modelo do Processo de Captura e Sequestro de Carbono
Fonte: Government of the Republic of Trindad and Tobago (2021)

3.1 QUANTIDADE DE POÇOS PERFURADOS E O POTENCIAL

As tabelas 2 e 3, foram realizadas através dos dados publicados pela Agência Nacional de Petróleo, Gás e Biocombustíveis e demonstram a dimensão da quantidade de poços perfurados no Brasil ano a ano, tanto onshore quanto offshore.

Tabela 2 – Condição, quantidade e profundidade de poços perfurados no Brasil

Classificação Número de Poços Profundidade Medida Média (metros)
Abandonado 11870 -2898
Arrasado 2624 -1387
Avaliação 7743 -3186
Em uso 7903 -2193
Total Geral 30140 -1070

Autores – Adaptado da Agência Nacional de Petróleo, Gás e Biocombustíveis (2021)

Segundo os números da tabela 2 podemos considerar a possibilidade de uso para fins de estocagem quase metade dos 30 mil poços perfurados no Brasil representando uma grande oportunidade para aplicações de intervenção e reengenharia.

Tabela 3 – Condição, quantidade e profundidade de poços de terra perfurados no Brasil

Classificação Número de Poços Profundidade Medida Média (metros)
Abandonado 6973 1300
Arrasado 2218 1351
Avaliação 5675 1186
Em uso 8418 1102
Total Geral 23284 1179

Autores – Adaptado da Agência Nacional de Petróleo, Gás e Biocombustíveis (2021)

Como ilustração do potencial de volume disponível, os poços são geralmente perfurados em diâmetros que variam de 5 polegadas a mais de 28 polegadas, e como observado no gráfico 4, os poços em aproximadamente 1300 metros de profundidade, e apesar de se assumir que todo o poço tenha 5 polegadas ou 0,127metros (THOMAS, 2001).

Gráfico 4 – Número de Poços de terra em condição de abandono ou arrasado

Número de Poços de terra em condição de abandono ou arrasado
Fonte:  Autores – Adaptado da Agência Nacional de Petróleo, Gás e Biocombustíveis (2021)

Assim, um mínimo de 16m3 de volume, além do volume do reservatório, que como podemos observar na figura 9, em pior caso produz 34 barris de petróleo por dia ou 5.4 metros cúbicos por dia, quase 2000m3 por ano, produção que se estende por anos, que com respeito aos 9000 poços em condições de abandono ou arraso, em terra, seriam um volume mínimo de 17.739.000 metros3 de armazenamento por ano, desconsiderando aspectos de pressurização (grifo do autor).

Figura 9 – Número de poços e produção em diferentes ambientes

Número de poços e produção em diferentes ambientes
Fonte: CBIE (2019)

O gráfico 5 demonstra como esse desenvolvimento de produção em milhares de barris de petróleo por dia nos diferentes tipos de campos vem se desenvolvendo no Brasil.

Gráfico 5 – Produção média nos diferentes ambientes

Produção média nos diferentes ambientes
Fonte: Agência Nacional de Petróleo, Gás e Biocombustíveis (2021)

3.2 REENGENHARIA DA DESENGENHARIA

Como já aludido, a Desengenharia é um processo comum já no final do ciclo de vida de um empreendimento, quando já não se torna economicamente viável reformar uma planta industrial, ou seguir adiante com a produção de um poço de petróleo. Algumas dessas estruturas acabam sendo abandonadas e não tendo um uso futuro ou valor, uma vez que o investimento foi completamente depreciado, e em alguns casos gerando até custos de tratamento antes de descomissionamento. Estruturas abandonadas de forma incorreta podem gerar contaminações de solo ou de lençóis freáticos a longo prazo pela decomposição de recipientes ou barreiras (SÁNCHEZ, 2001).

A reengenharia que conceitualmente como algo para reprojetar ou reformar de forma drástica, vem justamente para dar um maior valor para estruturas que já estão depreciadas ou que não são economicamente viáveis para operar e, podem inclusive, ser um passivo ou gerar custos e riscos, sendo dessa forma uma oportunidade de recuperação de capital para os investidores e, não um mero custo, mas, compor o custo esperado com o projeto me todo o seu ciclo, especialmente em reservatórios que podem ter muito uso (GOMES et al, 2005; SÁNCHEZ, 2001).

3.3 RECICLAGEM E DESCONTAMINAÇÃO DE MATERIAL METÁLICO

Um dos motivos mais óbvios para a reciclagem de material metálico é a redução no consumo de energia, além da preservação de reservas de recursos finitos e menor impacto ambiental na exploração. Também é importante ressaltar que existem materiais que são raros na natureza e que a reciclagem pode ser uma fonte mais volumosa ou mais simples de recurso que a própria natureza. Na Alemanha, por exemplo, existem sensores que detectam a presença de metais não ferrosos no processo de reciclagem. Esses processos de reciclagem podem levar a uma redução no consumo de energia de até 88%,  de eletricidade até 35% , e de água até 87%, a depender da técnica utilizada (VISSER, 2014).  A figura 10 demonstra um exemplo de uma instalação real em superfície de um poço de terra em produção.

Figura 10 – Aparência de um poço em produção

Aparência de um poço em produção
Fonte: Actis (2012)

Na figura 11 é possível observar os diferentes tipos de sistemas possíveis aparentes em superfície e subsuperfície que posteriormente poderão ser retirados para descontaminação e reciclagem (PETROSKILLS, 2017).

Figura 11 – Diferentes tipos de poços completados

Diferentes tipos de poços completados
Fonte: Petroskills (2017)

Muitos desses materiais podem necessitar de limpeza especializada devido a possibilidade de conterem resíduos oleosos, NORM (Naturally Occurring Radioactive Materials ou Material Radioativo de Ocorrencia Natural) ou TENORM (Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials) (LINCERADIO, 2021).

Os resíduos oleosos poderão ser limpos e posteriormente tratados, seguindo processos de aterro, incineração, landfarming, lavagem de areia contaminada (caso de solos ou contaminações), solidificação e co-processamento (GOVERNO DE SÃO PAULO, 2021). A devolução destes resíduos para poços ou reservatórios de petróleo em condição controlada, também pode ser considerada como escopo desse trabalho.

O NORM está presente na natureza em diferentes rochas ou minerais, geralmente têm valores de taxa de emissão radiativa muito baixa e também, baixo impacto nas pessoas, porém alguns processos como a produção de petróleo, além de outras atividades antropogênicas, podem levar ao acúmulo de materiais contendo o NORM, elevando a sua concentração, e dessa forma, aumentando o potencial de afetação a indivíduos que venham a ser expostos, dessa forma, é importante que materias que tenham acumulado NORM sejam descontaminados antes da sua devolução à natureza. Dentro do processo de descontaminação podemos incluir a diluição ou extração química, a extração mecânica (com o uso de escovas, por exemplo) ou ainda por jato d´água, e posteriormente esse material contaminado pode ser enviado para destinação final de acordo com o plano de rejeitos radioativos da instalação (LINCERADIO, 2021).

3.4 USO DO POÇO COMO FONTE DE ENERGIA GEOTÉRMICA

Assim como seu próprio nome indica, o reservatório de petróleo e gás é um reservatório que pode no final da sua vida útil ser facilmente adaptado para o armazenamento de outros materiais, ou ainda, aproveitar o seu potencial geotérmico, a depender da região onde foi perfurado, para gerar eletricidade ou água quente, seja por meio de vapor, usando turbinas ou outras tecnologias que podem se aproveitar do calor já proveniente da formação e com uma menor pegada de carbono complementar o poder calorifico do fluído para gerar vapor e consequentemente mais eletricidade, ou ainda, fazendo o uso de geradores termoelétricos, efeito seebeck.

A Figura 12 pode ser usada para comparar as regiões onde foram perfurados poços (12b) com o potencial geotérmico de cada área (12a), assim, determinar melhores regiões para aproveitamento de estruturas existentes (DUARTE e CATAIA, 2019; SWAROWSKI ARBOIT, et al., 2013).

Figura 12a – Zonas de maiores temperaturas no Brasil

Zonas de maiores temperaturas no Brasil
Fonte: Duarte e Cataia (2019)

Figura 12b – Áreas onde existem poços perfurados

Áreas onde existem poços perfurados
Fontes: Swarowski Arboit, et al., (2013)

Na Figura 13 há uma aplicação geotérmica onde a temperatura do poço ou reservatório não é suficiente para gerar vapor, porém, é suficiente para trocar calor com o ambiente e ajudar no aquecimento residencial.

Figura 13 – Modelo de poço geotérmico para aquecimento doméstico ou industrial

Modelo de poço geotérmico para aquecimento doméstico ou industrial
Fonte: Electro Enersol (2011)

O efeito seebeck acontece quando um gradiente de temperatura é aplicado em um circuito com diferentes condutores, o que gera eletricidade (ZHOU, et al., 2021).

A figura 14 demonstra como funciona uma placa do sistema Seebeck-Peltier (SILVA, et al., 2013).

Figura 14 – Placa utilizada para geração de energia segundo efeito Seebeck-Peltier

Placa utilizada para geração de energia segundo efeito Seebeck-Peltier
Fonte: Silva et al., (2013)

Os Gráficos 6, 7 e 8 demonstram o potencial que se pode alcançar de tensão e corrente com um módulo Seebeck-Peltier de 1cm2 (IVANOV et al., 2021).

Gráficos 6- Curvas de tensão e corrente com um módulo Seebeck-Peltier de 1cm2

Curvas de tensão e corrente com um módulo Seebeck-Peltier de 1cm2
Fonte: Ivanov et al., (2021)

Gráficos 7- Curvas de tensão e corrente com um módulo Seebeck-Peltier de 1cm2

2- Curvas de tensão e corrente com um módulo Seebeck-Peltier de 1cm2
Fonte: Ivanov et al., (2021)

Gráficos 7- Curvas de tensão e corrente com um módulo Seebeck-Peltier de 1cm2

3- Curvas de tensão e corrente com um módulo Seebeck-Peltier de 1cm2
Fonte: Ivanov et al., (2021)

Uma configuração para aumentar a recuperação de energia usando o efeito Seebeck é por série de módulos, conforme proposto nas figuras 15 a e b, o que multiplicaria o efeito de potência que se observa nos gráficos 6, 7 e 8 (SHEN; TIAN; LIU, 2019).

Figura 15a – Configuração para obtenção ótima de potência para módulos Seebeck-Peltier

Configuração para obtenção ótima de potência para módulos Seebeck-Peltier
Fonte: Shen; Tian e Liu (2019)

Figura 15b – Configuração para obtenção ótima de potência para módulos Seebeck-Peltier

2- Configuração para obtenção ótima de potência para módulos Seebeck-Peltier
Fonte: Shen; Tian e Liu (2019)

A figura 16, demonstra o funcionamento de turbinas com o vapor de poços que que tenham temperatura acima de 177ºC (SHULMAN, 1995).

Figura 16 – Circuito de geração de vapor e alimentação de uma turbina através de poços geotérmicos

Circuito de geração de vapor e alimentação de uma turbina através de poços geotérmicos
Fonte: Shulman (1995)

A figura 17 demonstra como é o funcionamento de uma turbina a vapor, onde a entrada do vapor acontece pela tuberia, passando por diferentes estágios com as paletas, se aproveitando da expansão térmica do gás, para maximizar a rotação da turbina e consequentemente mais geração de energia (AREATECNOLOGIA, 2021).

Figura 17 – Ilustração de uma turbina a vapor

Ilustração de uma turbina a vapor
Fonte: Areatecnologia (2021)

Em alguns casos pode-se utilizar o potencial geotérmico de um reservatório ou poço para elevar a temperatura até um certo valor, usando de forma mais eficiente a biomassa ou biogás como combustível, completando reduzindo a pegada de carbono.

3.5 USO DO RESERVATÓRIO PARA O ARMAZENAMENTO DE METANO E CO2

Explorando o uso como reservatório, levando em consideração a estanqueidade, a estrutura e o volume disponível, algumas opções de seu uso poderiam ser o armazenamento permanente de materiais como o dióxido de carbono (CO2) (DW PLANET A, 2021), água de produção (água que é produzida durante a produção de petróleo que é muito dura, e que nem sempre tem um descarte fácil) (ROSA, 2006). Outra opção seriam para local de destinação de outros produtos que representem riscos à saúde, como por exemplo o final do ciclo do combustível nuclear (SORENSEN, 2019).

Na  figura 18, é possível ver um sistema adaptado para armazenamento.

Figura 18 – Ilustração de subsuperfície para a injeção de CO2 para armazenamento permanente

Ilustração de subsuperfície para a injeção de CO2 para armazenamento permanente
Fonte: Kuhn et al, 2014.

Os reservatórios de petróleo também poderiam servir para o armazenamento de biogás comprimido. Compressores centrífugos de vários estágios (MODEKURTI, et al., 2017), já que esses são considerados imprescindíveis para o processo de armazenamento de gases nos reservatórios (ROSA, 2006) ou, transporte por tubulação, de forma a permitir a sua permeabilidade dentro da formação rochosa no estágio supercrítico (MODEKURTI, et al., 2017).

3.6 USO DO POÇO PARA O ARMAZENAMENTO DE REJEITOS

O armazenamento de materiais perigosos, como destinação final, depende muito de análises mais detalhadas sobre a estabilidade geológica da região para evitar fugas e riscos de contaminação de lençóis freáticos ou de outras formações. Como descrito anteriormente, pode ocorrer que materiais vão para aterros ou regiões superficiais que acabam ocupando áreas que poderiam ter outro tipo de utilização, impactando também no valor da região (SÃO PAULO, 2021).

O combustível nuclear também acaba sendo um problema para a indústria energética, uma vez que esse subproduto ainda se mantém com níveis de radioatividade por algumas centenas de anos (US Energy Information Administration, 2020). Alguns países estão investindo forte na criação de cavernas para o seu armazenamento como solução definitiva, porém, os poços depletados ou exploratórios secos, poderiam ser boas estruturas para o armazenamento permanente desses materiais (FINLÂNDIA, 2021), respeitando regras que ainda precisam ser criadas. A Energia Nuclear é uma energia que não emite CO2, favorece uma leitura mais positiva e sustentável, tendo um grande potencial para ajudar no crescimento da demanda energética (US Energy Information Administration, 2020).

A figura 19, exemplifica uma opção de armazenamento de material radioativo depletado para seu fim original permanentemente (FINLÂNDIA, 2021). De acordo com Bracke, et al., (2017), duas alternativas de armazenamento que atenderiam ao princípio de múltiplas barreiras seriam: o aprofundamento dos poços e o encapsulamento prévio do material.

Figura 19 – Ilustração de subsuperfície para o potencial armazenamento de material radioativo depletado

Ilustração de subsuperfície para o potencial armazenamento de material radioativo depletado
Fonte: Sorensen (2019)

Figura 20 – Módulo de container para o armazenamento de materiais perigosos

Módulo de container para o armazenamento de materiais perigosos
Fonte: Bracke (2017)

No caso Finlandês, “o combustível gasto será colocado dentro de um favo de aço fundido com grafite (direita) contido em um tambor de cobre (esquerda)”.

Figura 21 – Ilustração de módulo para o armazenamento subterrâneo de material radioativo depletado

Ilustração de módulo para o armazenamento subterrâneo de material radioativo depletado
Fonte: Finlândia, 2021

Figura 22 – Ilustração de cimentação do material em subsuperfície

Ilustração de cimentação do material em subsuperfície
Fonte: Smith (2018)

3.7 USO DOS RESERVATÓRIOS PARA O ARMAZENAMENTO DA AMÔNIA OU DO HIDROGÊNIO

O armazenamento de outros materiais, como Amônio ou Hidrogênio, é apontado pelo Sandia National Laboratories (2011) como sendo uma opção viável para o uso dos poços depletados.

O custo do armazenamento a larga escala no subsolo é uma solução mais econômica do que outras soluções, pois um dos problemas com o Hidrogênio é a degradação que acontece nos tanques e a necessidade de tanques que precisam de grandes capacidades de pressão e alta resistência a degradação/corrosão.

O gráfico 9 mostra uma comparação entre o custo de armazenamento do hidrogênio em tanques (tank) ou subsolo (underground) no período de 1 ano (SANDIA NATIONAL LABORATORIES, 2011).

Gráfico 9 –  Comparação dos custos de armazenamento de hidrogênio em diferentes opções.

Comparação dos custos de armazenamento de hidrogênio em diferentes opções
Fonte: Sandia National Laboratories (2011)

Na figura 23, são demonstradas algumas opções de armazenamento propostas pelo estudo, incluindo o caso de estudo destes trabalho, demonstrando os reservatórios depletados com infraestrutura pronta (SANDIA NATIONAL LABORATORIES, 2011).

Figura 23 – Diferentes opções para o armazenamento do hidrogênio

Diferentes opções para o armazenamento do hidrogênio
Fonte: Sandia National Laboratories (2011)

A amônia é produzida em larga escala usando o processo conhecido como Haber-Bosch, um processo que produz amônia de forma muito rápida, porém com altas taxas de emissões de CO2. Esse processo combina o Hidrogênio com o Nitrogênio comprimidos a 250 bar e a temperaturas de até 400 graus Célsius. O processo usa o nitrogênio e o hidrogênio separado das suas fontes naturais, apesar da possibilidade de a produção do Hidrogênio por eletrólise ser a mais simples e conhecida.

Em escala industrial muitas vezes o processo utilizado é a reforma do Metano, que é o bombardeio do gás natural ou metano com vapor a temperatura e pressão elevada para fazer a separação do carbono e hidrogênio (BORLACE, 2020), que na falta de sistemas de captura e sequestro de carbono (CCS) (TOTAL, 2018), podem ser liberados a natureza, o que hoje em dia responde por 1% do CO2 emitido na natureza. Já o Nitrogênio é obtido através da liquefação fracionada ou destilação fracionada (LOPES DIAS, 2021).

Figura 24 – Processo Haber-Bosch de produção de Amônia

Processo Haber-Bosch de produção de Amônia
Fonte: Borlace (2020)

A eletrólise da água é uma alternativa mais sustentável para a geração do hidrogênio. Através de eletricidade verde também é possível produzir a Amônia de forma mais sustentável, a figura 25 demonstra um modelo mais simples e verde para produzir amônia (F.SERVICE, 2018).

Figura 25 – Produção de Amônia Verde, através de célula de combustível

Produção de Amônia Verde, através de célula de combustível
Fonte: F. Service (2018)

Da mesma forma que se pode armazenar o hidrogênio no subsolo, também é possível armazenar a Amônia. O Hidrogênio precisa de temperaturas de -253ºC para se liquefazer, e de tanques pressurizados para o transporte, já a Amônia se liquefaz a -10ºC, conforme observado na figura 26, o que faz a Amônia mais fácil para o transporte e armazenamento (F. SERVICE, 2018; BORLACE, 2020).

Figura 26 – Comparação do Hidrogênio com a Amônia para fins de transporte

Comparação do Hidrogênio com a Amônia para fins de transporte
Fonte: Borlace (2020)

A Amônia é convertida a hidrogênio através do uso de células de combustível sem a necessidade de uso de fontes externas de energia. O Gás flui através de catalisadores onde ocorre a separação do Hidrogênio e do Nitrogênio que é liberado na atmosfera, o hidrogênio é depois utilizado em células de combustível que liberam elétrons, produzindo eletricidade, ao se combinar com oxigênio (GENCELL, Ltd, 2019).

Figura 27 – Ilustração do processo molecular de produção de energia através da amônia

Ilustração do processo molecular de produção de energia através da amônia
Fonte: GenCell Ltd (2019)

Sabendo-se que um volume de 58.905m3 tem o potencial de armazenar 150 GWh de energia tendo como base o volume do reservatório empírico citado anteriormente 17.739.000 metros3, um reservatório com poço depletado, pode armazenar 45.172GWh de energia (International Agency, 2019).

3.8 USO DA ESTRUTURA DOS POÇOS PARA ARMAZENAMENTO DE ENERGIA POTENCIAL

A gravidade é um caminho para o armazenamento de energia através do uso de pesos que podem ser suspensos, para o armazenamento da energia potencial, e, abaixados para a geração da energia (MORSTYN et al., 2019).

Figura 28 – Ilustração do processo de produção de energia através da gravidade em poços

Ilustração do processo de produção de energia através da gravidade em poços
Fonte: Morstyn et al., (2019)

É possível estimar a capacidade de energia a se armazenar de acordo com a seguinte equação (MORSTYN et al., 2019):

 

Onde o rendimento () do sistema é considerado 80% (MORSTYN et al., 2019), ´m´ a massa será considerada 5 toneladas (carga de chumbo de 5” de diâmetro, do poço empírico previamente convencionado, com 35 metros de altura – densidade de 11340kg/m3), ´g´ é força de atração da terra, aproximada em  10m/s2, e D´ é a profundidade aproveitável do poço, aqui 1km, o que resulta em 39,2 MJ ou 11kWh.

A velocidade de descarga do sistema pode ser controlada de acordo com a demanda, é claro que o sistema pode também ser adaptado para armazenar diversas cargas no fundo do poço, o que permitiria o armazenamento de mais energia, além de trabalhar com cargas de maiores diâmetros e dimensões a depender da necessidade (GRAVITRICITY, 2020), poços de petróleo existente podem ter o seu diâmetro aumentado, ou ainda, podem ser aprofundado com o uso de alargadores (THOMAS, 2001).

3.9 ARMAZENAMENTO DE AR COMPRIMIDO NO RESERVATÓRIO

Considerando o fato do reservatório possuir grande volume, uma outra forma de acumular e reutilizar energia de reservatório seria através da pressurização de ar, com o uso de compressores em série de ar comprimido, onde sua liberação para a produção de energia elétrica seria através de turbinas em momentos de necessidade, também conhecido como CAES – Compressed Air Energy Storage (MENÉNDEZ; LORETO, 2019), conforme demonstrado na figura 29.

Figura 29 – Ilustração do armazenamento de energia através de ar comprimido

Ilustração do armazenamento de energia através de ar comprimido
Fonte: Storelectric (2021)

A tabela 4 demonstra uma comparação do armazenamento do ar em diferentes minas de carvão com alguns volumes conhecidos (MENÉNDEZ; LORETO, 2019), e, apesar de ainda serem necessários estudos para comprovar o uso em reservatórios de petróleo, a mesma analogia do reservatório empírico de 17.739.000 metros3 e tomando em consideração apenas o volume da tabela 4, pode-se estimar uma capacidade mínima de de 3,6GW de armazenamento.

Tabela 4 – Comparação do armazenamento do ar em diferentes minas de carvão com alguns volumes conhecidos

Comparação do armazenamento do ar em diferentes minas de carvão com alguns volumes conhecidos
Fonte: Ménendez; Loredo (2019)

Além da oportunidade de armazenamento de ar, existem também estudos para o armazenamento de água pressurizada para posterior liberação de energia (POWER TECHNOLOGY, 2016).

3.10 MONITORAMENTO DA ESTANQUEIDADE

Existem diversas formas possíveis de através da geofísica de garantir que as condições do poço estejam estáveis e com boa isolação, mas também é possível criar uma dinâmica de monitoramento ao longo da extensão do reservatório. Dentre as formas de garantir as condições do poço está o CBL (Cement Bonding Logging), e das formações estão os testes de pressão (PEGASUS VERTEZ, Inc. 2021; THOMAS, 2001).

Figura 30 – Problemas comuns na cimentação de poços

Problemas comuns na cimentação de poços
Fonte: Pegasus Vertex, Inc., (2021)

Os poços de petróleo são completados com o uso de revestimentos de aço cimentados para garantir a isolação entres as formações com a parte interna do poço. O método de CBL já mencionado, é um método indireto utilizado para garantir uma boa qualidade da cimentação. Em casos de defeitos é possível fazer uma operação de intervenção para reparar a má cimentação do poço e, dessa forma, garantir que o trabalho ficou bem solidificado. Existem casos em que packers, estruturas tubulares que travam nos revestimentos podem ser instaladas de forma temporária ou permanente para garantir a estabilidade de certas áreas de preocupação (THOMAS, 2001).

Figura 31 – Sistemas de monitoramento de Metano, fixo e por drones

Sistemas de monitoramento de Metano, fixo e por drones
Fonte: Baker Hughes (2021)

Com relação ao potencial de vazamentos em outras regiões do reservatório, é possível a instalação de estruturas fixas, uso de drones e, ainda, monitoramento por satélite , conforme demonstrado na figura 31 (BAKER HUGHES, 2021).

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A reengenharia da Desengenharia representa um potencial sustentável tanto para o meio ambiente, quanto econômico.  A aplicação em poços e reservatórios de petróleo e gás inicialmente usados para a exploração de petróleo e gás possuem diversas possibilidades de uso através deste processo.

A depender da aplicação a ser utilizada, pode haver a necessidade de intervenção, e, consequentemente um investimento precisa ser feito para preparar o poço para o seu uso final. No entanto, os estudos demonstraram as vantagem de se aproveitar de uma estrutura completamente construída.

A aplicação também vai determinar o tipo de monitoramento de potenciais emissões que precisa ser estruturada para garantir zero impacto para o ambiente, e, em alguns casos, licenças especiais precisam ser desenvolvidas.

O trabalho focou nas oportunidades de reciclagem dos equipamentos da completação superior, inferior e de superfície para o reaproveitamento do aço, que contribui para a redução de emissões de CO2 e potencial geração de créditos de carbono para a detentora dos equipamentos, um mercado ainda a ser explorado no Brasil, além da oportunidade de uso para a captura e carbono que pode ser para armazenamento de carbono gerado no Brasil, ou, em outros países do mundo, para o armazenamento de energia, sendo este potencial, através do uso de pesos, por ar comprimido, hidrogênio e até amônia. A geração de energia geotérmica também pode ser uma opção a depender da região geográfica onde o poço se encontre, e por fim o armazenamento de rejeitos de diferentes origens, que hoje em dia ocupam espaço em áreas que podem ser utilizadas para outros fins. A tabela 5 mostra algumas das opções aqui discutidas.

Tabela 5 – 5W1H de opções para poços fora de uso

O que? Injeção de CO2 Armazenamento de Hidrogênio ou Amônia Geotermia Total ou Parcial Armazenamento de Combustível Nuclear depletado / Norm-Tenorm / Rejeitos Armazenamento de Energia Potencial Ar comprimido
Quem? Operadora de petróleo e gás, ou empresa operadora de sistemas de captura de carbono. Empresa produtora de hidrogênio ou amônia Empresa geradora de energia elétrica Centrais de rejeitos radioativos, empresas responsáveis pela destinação de material radioativo ou descontaminação, usinas nucleares. Empresas geradoras de energia renovável ou concessionárias de energia. Empresa geradora de energia elétrica
Como? Bombeio através de compressores Bombeio através de compressores Uso do potencial geotérmico total ou parcial de uma região, seja através do bombeio de água e retorno de vapor, ou bombeio de água com retorno de água aquecida que posteriormente pode ter sua temperatura um pouco mais elevada com menos uso de energia para a geração de vapor – uso do vapor em turbinas a vapor. Outra forma seria o uso da água quente para outras aplicações residenciais ou industriais. Armazenamento em cápsulas seladas e cimentadas, posteriormente descidas no poço e finalmente definitivamente feita a cimentação do poço. Uso de sistema de peso associado a motor/gerador elétrico. Bombeio através de compressores e posterior liberação para a geração de energia
Onde? Campos depletados com boa permeabilidade e amplo reservatório. Campos depletados com boa permeabilidade e amplo reservatório próximo a regiões produtoras de hidrogênio Poços de elevada temperatura. Poços em regiões onde novas perfurações não sejam planejadas, que não cruze lençóis freáticos e livre de sismos. Poços verticais, especialmente casos de grandes diâmetros. Campos depletados ou não economicamente viáveis com boa permeabilidade e amplo reservatório.
Por que? Devolver o CO2 produzido em consequência da queima de combustíveis fósseis para o armazenamento permanente em reservatórios subterrâneos. Proximidade, aproveitamento do espaço, redução de custo de armazenamento Aproveitar o potencial geotérmico de alguns poços e com isso evitar o uso de outras formas de energia para produzir água quente. Aproveitar o espaço de poços que podem ter quilômetros de profundidade e dessa forma garantir um armazenamento permanente do material radioativo sem oferecer risco à sociedade;

Maior disponibilidade de espaço em superfície para outros usos.

Acumular energia potencial para liberar em momentos de escassez Acumular energia e liberar em momento s de necessidade
Quando? Sempre que for preciso armazenar o CO2. Nem sempre o poço precisa estar próximo a região de captura, o transporte pode se dar por tubulação, caminhões, trens ou navios. Quando o reservatório terminar sua vida econômica e existir condições para a produção de hidrogênio nas proximidades. Ao final da produção econômica do campo petrolífero Ao final da vida útil do combustível nuclear ou do rejeito radioativo. Durante picos de produção de energia elétrica Durante picos de produção de energia elétrica

Fonte: Autor

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O final do uso do poço de petróleo, ou a interrupção temporária do seu uso, não deve representar o final do valor deste para a sociedade ou ficar parada sem gerar oportunidades, o seu valor econômico pode ser ainda maior a depender do uso que se destine, e a depender da aplicação com um pequeno CAPEX e um OPEX mínimo pode-se gerar lucro por muitos anos ou oportunidades para desocupar área que previamente estavam sendo destinadas para rejeito, por exemplo.

A desengenharia não deve ser o fim ou ser vista como uma penalidade no final da depreciação do uso de um empreendimento ou ativo, mas sim deve representar uma oportunidade para a realização de mais negócios através da reengenharia.

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APÊNDICE REFERÊNCIA NOTA DE RODAPÉ

3. NORM e TENORM são materiais radioativos de ocorrência natural.

[1] Graduado em Engenharia de Petróleo pela Universidade Estácio de Sá (UNESA), e Graduado em Tecnologia Mecânica com ênfase em Automação Industrial pelo CEFET/RJ. Mestre em Engenharia Mecânica pela Universidade de Taubaté (UNITAU), MBA em Gestão Empresarial pela Fundação Getúlio Vargas (FGV), MBA em Gestão de Projetos pela Fundação de apoio ao CEFET/RJ, Especialista em Engenharia de Segurança do Trabalho pela Universidade Candido Mendes (UCAM), Especialista em Engenharia de Petróleo pela Universidade Estácio de Sá (UNESA) e certificado Supervisor de Radioproteção pela CNEN. ORCID: 0000-0002-6647-3914.

[2] Orientadora. Graduada em Arquitetura e Urbanismo pela Universidade de Taubaté, UNITAU, com pós-graduação em Administração de Marketing e Engenharia de Segurança do Trabalho pela Escola Politécnica de Pernambuco. Mestre em Gestão de Desenvolvimento Regional pela UNITAU e doutora em Engenharia de Produção pela Escola Politécnica da USP. ORCID: 0000-0001-8082-5763.

Enviado: Abril, 2022.

Aprovado: Julho, 2022.

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Leandro Jose Barbosa Lima

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