The compliant vertical access risers (CVAR) is a new alternative to overcome the barriers imposed by deepwater fields for oil exploitation in an efficient, safe and economic way. The differentiated geometry of this relatively new riser configuration improves the structural performance of the system. The characteristic compliance of the CVAR system can also compensate for vessel motion. The CVAR, being vertical access to the wells, brings the advantage of using dry trees, and also allows the completion and workover operations to be performed from the FPU, offering significant economic and operational benefits to deepwater oil field development. With the increasing complexity of risers configuration and the constant challenge of minimizing costs and improving the performance of structures, the use of an optimization methodology is of great importance. Based on this motivation, this work presents the study of compliant vertical access risers design using optimization techniques. The parameters that define the geometry of the riser are taken as the design variables and the design constraints considerer both structural integrity and operational criteria. Different approaches of the merit function are assessed, both mono-objective and multiobjective, taking into account the structural performance and geometric criteria. A sensitivity analysis of the riser is also presented to provide a better understanding of its structural behavior, considering both static and dynamic analysis. The optimal solution is obtained by the NSGA-II method, an elitist genetic algorithm. Thus, this work attempts to expose the importance and efficiency of the optimization techniques applied to preliminary design of risers, and also emphasizes the applicability of this concept in the design of compliant vertical access risers, that are innovative structures in the context of oil exploitation in deepwaters. / Dentro do contexto de exploração de petróleo em águas profundas e ultraprofundas, os risers verticais complacentes (CVAR) surgem como uma nova alternativa capaz de superar as barreiras das elevadas lâminas d água de exploração de maneira eficiente, segura e econômica. A geometria diferenciada desse riser melhora o desempenho estrutural do sistema, atenuando a dinâmica da linha, e também proporciona diversas facilidades como utilização de completação seca e possibilidade de intervenção no poço direto da plataforma. Com o aumento da complexidade da configuração dos risers e com o constante desafio de minimizar custos e melhorar o desempenho das estruturas, o conceito de otimização ganha grande importância. Com base nessa motivação, o presente trabalho apresenta o estudo de risers verticais complacentes e uma abordagem do seu dimensionamento a partir da utilização de técnicas de otimização. São considerados como variáveis de projeto os parâmetros que definem a geometria do riser e como restrições consideram-se critérios operacionais e de integridade estrutural. O estudo engloba diferentes abordagens da função de mérito a ser otimizada, tanto mono-objetivo quanto multiobjetivo, considerando critérios geométricos e de desempenho estrutural. Apresenta-se também uma análise de sensibilidade do riser para melhor compreensão do seu comportamento estrutural, considerando tanto a estática quanto a dinâmica do problema. A solução ótima é obtida utilizando o método NSGA-II, algoritmo genético com elitismo. Assim, busca-se expor a importância e eficiência da utilização de técnicas de otimização para a elaboração do projeto preliminar de risers, destacando ainda a aplicabilidade desse conceito no dimensionamento específico de risers verticais complacentes, estruturas de caráter inovador no contexto de exploração de petróleo em alto mar.

[pt] A crescente demanda de óleo observada nas últimas décadas tem motivado as indústrias de petróleo a explorarem novas reservas em águas cada vez mais profundas, o que representa um maior desafio operacional, de segurança e econômico. Nesse novo cenário, as condições ambientais se tornam mais severas, conferindo às unidades flutuantes movimentos de amplitude cada vez maiores. Em consequência, os risers, que são os principais componentes responsáveis pelo transporte de óleo desde o reservatório até as unidades flutuantes, passam a ser solicitados de forma mais intensa. Um grande desafio tem sido colocado para as indústrias de petróleo no sentido de desenvolverem configurações para os risers capazes de reduzir os efeitos dinâmicos que lhes são impostos e, consequentemente, viabilizarem o seu uso em águas profundas e ultraprofundas. Configurações do tipo Lazy-S, Pliant-Wave, entre outras, têm sido propostas, porém, além de complexas, demandam muita logística e apresentam elevados custos para a sua implantação. Esta dissertação propõe uma solução alternativa que consiste no estudo de configurações ótimas de risers em catenária utilizando amortecedores hidrodinâmicos. As dimensões e o posicionamento desses amortecedores são obtidos por meio de técnicas de otimização multiobjetivo, buscando-se minimizar os efeitos provocados pelas ondas de compressão ao longo dos risers e os custos envolvidos na utilização desses amortecedores, respeitando-se algumas restrições geométricas. O processo de otimização é realizado por meio do algoritmo genético NSGA-II, disponível no programa modeFRONTIER. O equilíbrio dinâmico dos risers, verificado em cada passo da otimização, é obtido por meio do programa Anflex. Exemplos representativos são utilizados para demonstrar a eficiência e a viabilidade da utilização da metodologia proposta. / [en] The growing demand for oil, observed in recent decades has motivated the oil industry to exploit new oil reserves in ever-deeper waters, representing a greater operational challenge, security and economic. In this new scenario, the environmental conditions become more severe, causing the floating units movements with increasing amplitude. Consequently, the risers, which are the main components responsible for the transport of oil from the reservoir to the floating units, shall be requested more intensely. The oil industry confronts a major challenge in order to develop riser configurations that can reduce the dynamic effects that are imposed on it and hence to enable its use in deep and ultra-deep waters. Lazy-S, Pliant-Wave, among others riser configurations, have been proposed, however, besides complex, require a lot of logistics and have high costs for their deployment. This thesis proposes an alternative solution that consists of the study of optimum catenary risers configurations using hydrodynamic dampers. The dimensions and placement of these dampers are obtained by means of multi-objective optimization techniques seeking to minimize the effects caused by compression waves over the risers and the costs involved in using these dampers, fullfilling certain geometric constraints. The optimization process is performed by the genetic algorithm NSGA-II, available at modeFRONTIER program. The dynamic equilibrium of risers, evaluated at each step of the optimization is obtained through Anflex program. Representative examples are used to demonstrate the efficiency and feasibility of using the proposed methodology.

[pt] Os risers são importantes componentes na produção e exploração de petróleo e derivados. São responsáveis pelo transporte do óleo e gás encontrados no reservatório até a Unidade Estacionária de Produção (UEP) ou pela injeção de gás ou água no reservatório. A crescente demanda por esse produto faz com que a exploração seja feita em regiões com condições cada vez mais adversas. Tipicamente, um projeto deste porte exige um número muito grande de análises numéricas de elementos finitos e exigem uma experiência grande por parte do projetista a fim de obter uma solução viável. Esse desafio leva engenheiros a buscarem ferramentas consistentes e seguras que auxiliem nas etapas iniciais do projeto das configurações de risers e que sejam capazes de diminuir o número de análises totais exigidas. Uma dessas ferramentas é a utilização de métodos de otimização para obter de maneira consistente e segura os parâmetros que definem uma configuração. Este trabalho apresenta o método de Otimização Bayesiana, um método baseado em técnicas de aprendizado de máquina capaz de resolver problemas de otimização do tipo caixa-preta de maneira eficiente explorando o uso de aproximações analíticas da função objetivo, que se quer otimizar. O método é aplicado em diferentes estudos de casos visando validálo como capaz de resolver problemas de configuração de riser de maneira eficiente e consistente. Dentre os problemas aplicados estão diferentes tipos de configurações, diferentes casos realistas, mono-objetivo e multi-objetivo. / [en] Risers are an important component in the oil s production and exploration field. They are responsible for the oil and gas transportation from the reservoir to the floating unit or injection of gas or water into the reservoir. The increasing the demand for this product has lead projects to explore to areas in which conditions are harsher. Typically, such a large project demands a large number of numerical finite element analyses and a great expertise from the engineer in charge in order to obtain a viable solution. This challenge leads engineers in search of consistent and reliable tools that assist in the early stages of the riser configuration design and are capable of reducing the number of total analyses required. One of these tools is application of optimization methods to obtain in a consistent and reliable manner the parameters which define a configuration. This work presents the Bayesian Optimization method, a method based on machine learning techniques capable of efficiently solving so called black box problems by exploring analytical approximations of the objective function, the function to be minimized. The method is applied to different case studies aiming to validate it as capable of solving a wide variety of riser configuration problems in an efficient and consistent way. Among the problems applied are different types of configurations, different realistic cases, mono-objective and multi-objective.

[pt] A crescente demanda pela explotação de óleo em águas cada vez mais profundas representa um desafio para o projeto seguro e eficiente de risers. Tipicamente, o projeto deste elemento estrutural exige um elevado número de análises numéricas e, muitas vezes, se baseia na experiência do projetista, especificamente no que diz respeito à obtenção de uma configuração inicial estruturalmente viável. A automação de tarefas nas fases preliminares de projeto pode proporcionar uma maior eficiência e segurança na seleção de configurações viáveis, além de reduzir o tempo necessário para a realização desta tarefa. Este trabalho propõe uma ferramenta computacional para a otimização de configurações iniciais de risers, satisfazendo requisitos estruturais, operacionais e econômicos. A ferramenta se baseia no método Globalized Bounded Nelder-Mead (GBNM), que não requer o cálculo de gradientes, demanda poucas avaliações da função objetivo por iteração, ou seja, reduz o número de análises dinâmicas realizadas usando o Método dos Elementos Finitos, e permite a implementação de uma estratégia eficiente de paralelização do problema. Para validar e demonstrar a eficiência da ferramenta proposta, são apresentados estudos de caso que reproduzem as condições encontradas em fases iniciais de projetos de risers, bem como uma comparação dos resultados com os obtidos utilizando outros métodos de otimização conhecidos na literatura. / [en] The increasing demand for oil exploitation in deeper water represents a challenge for the safe and efficient design of risers. Typically, the design of this structural member requires a large number of numerical analyses and is often based on the designer’s experience, specifically with respect to obtaining a structurally feasible initial configuration. The automation of tasks in the preliminary stages of design can provide greater efficiency and safety in the selection of feasible configurations, in addition to reducing the time required to perform this task. This work proposes a computational tool to optimize initial riser configurations, satisfying structural, operational and economic requirements. The tool is based on the Globalized Bounded Nelder-Mead method (GBNM), which does not require the computation of gradients, it requires few evaluations of the objective function per iteration, i.e., it reduces the number of dynamic analyses performed using the Finite Element Method, and allows the implementation of an efficient strategy to parallelize the problem. In order to validate and demonstrate the efficiency of the proposed tool, case studies that reproduce the conditions found during the initial stages of the design of risers are presented, as well as a comparison of the results with those obtained using other optimization methods established in the literature.