[pt] Linhas submarinas são utilizadas na produção e transporte de petróleo e seus derivados. Em ambas as situações, o controle da transferência de calor do fluido para o ambiente externo pode ser um fator determinante para o escoamento. No caso de produção em águas profundas, o fluido aquecido perde calor para a água do mar gelada. A perda de calor é controlada através do isolamento térmico, o qual é projetado para operações de escoamento em regime permanente. Durante eventuais paradas de operação, o fluido estagnado no interior da tubulação ao perder calor para o ambiente frio, pode atingir níveis críticos de temperatura, acarretando graves problemas, tais como formação de hidratos ou deposição de parafina nas paredes da tubulação, o que pode levar ao bloqueio da linha e interrupção de produção. No transporte de produtos, o reinício de bombeio de fluidos muitos viscosos também é um problema crítico, devido ao aumento significativo da viscosidade com a redução da temperatura. O presente trabalho apresenta uma análise da influência da capacidade térmica da parede do tubo e das camadas de revestimento no transiente térmico de linhas com muito isolamento. A perda de calor da linha para o ambiente é determinada resolvendo-se a equação transiente de condução de calor para as camadas de revestimento da tubulação, utilizando um modelo uni-dimensional na direção radial. O método de volumes finitos é empregado para resolver o escoamento transiente no interior da tubulação acoplado com o transiente térmico na parede da tubulação, a partir do instante em que uma válvula é fechada na extremidade da tubulação interrompendo o fluxo. Comparações com as previsões de softwares comerciais foram realizadas e suas limitações são discutidas. Resultados obtidos das simulações para o escoamento tanto de líquidos quanto de gases, considerando e desprezando a capacidade térmica, mostram que o efeito da mesma é relevante na determinação do tempo de resfriamento da linha e do fluido em seu interior. / [en] Subsea pipelines are employed not only for production but also for transportation. In both situations, warm oil loses heat to the cold sea water. The heat loss to the ambient is controlled by means of thermal insulation, which is designed for steady state operations. During shutdowns, the stagnant fluid in the pipeline loses heat to the cold surrounding, eventually reaching some critical temperature. As a result, several problems can occur, such as formation of hydrates or deposition of high molecular weight paraffins on the inner wall of the subsea line, which can lead to flow line blockage and production shutdown. Restart of very viscous fluid after shutdown is also critical, since viscosity increases significantly with the reduction of the temperature. This work presents an analysis of the influence of the pipe wall thermal capacitance on the transient behavior of heavily insulated lines. The heat loss from the pipeline is determined, by solving the transient heat conduction equation for the pipewall layers, utilizing a simple one-dimensional model in the radial direction. The finite volume method is employed to solve the transient flow inside the pipeline, from the time instant that a valve at the end point of the line is closed, coupled with the pipe wall thermal transient. Comparisons with the prediction of commercial softwares were performed and their limitations are addressed. Numerical results obtained for flows of both liquid and gases, considering and neglecting the thermal capacitance, revealed that accounting for the thermal capacity of the wall is relevant to the determination of cooldown times

Historicamente, o sistema para instalação de equipamentos de produção submarina de petróleo por meio de cabos guia, tem sua eficiência comprovada. Porém a grande maioria dos projetos das bases guia submarinas foi calculada por métodos analíticos, que embora permitam a obtenção de respostas exatas em todos os infinitos pontos de uma estrutura, não são aplicáveis a todos os casos. Isso motivou a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) neste trabalho, que a partir do desenvolvimento de procedimentos aproximados, pode ser aplicado independentemente da forma da estrutura e das condições de carregamento. O estudo consiste da análise estrutural do modelo tridimensional da estrutura da base guia, modelado no software Autodesk Inventor e analisado no software ANSYS Workbench. O estudo traz uma pesquisa diagnóstica e utiliza abordagem quantitativa e exploratória. Diferentes modelos matemáticos foram gerados para obtenção dos resultados nos pontos mais críticos da estrutura, a fim de se determinar sua resistência aos esforços de instalação e operação aplicados, levando em consideração os critérios estabelecidos nas normas DNV No. 2.7-3, API 17D 1.ed. e a tensão equivalente de von-Mises. / Historically, the guideline system for installation of subsea oil production equipment has proven its efficiency. However the majority of the subsea guide base designs have been calculated by analytical methods, although they allow obtaining exact answers in all infinite points of a structure, they are not applicable to all cases. This motivated the application of the finite element analysis method (FEA) in this work, which from the development of approximate procedures can be applied regardless of the structure shape and loading conditions. This paper consists of a structural analysis of the guide base frame model, generated in Autodesk Inventor software and analyzed in ANSYS Workbench software. This study brings a diagnostic research using a quantitative and exploratory approach. Different mathematical models were generated to obtain the results at the most critical points of the structure in order to determine its resistance to the loads applied during installation and operation, taking into account the criteria laid down in DNV No. 2.7-3, API 17D 1st Ed. and the von-Mises equivalent stress.

Addressing the decommissioning issues is vital to ensure a sustainable and effective process of such an essential part of the project life cycle. While there is a set of good practices and regulations that govern most of the decommissioning activities, the cable decommissioning issue is still in a big debate and often left abandoned at the seabed due to environmental concerns, as justified by most developers. This paper is aiming to understand the environmental and economic consequences of cable decommissioning. The available research papers and reports that are dealing with cable decommissioning issues have been reviewed. The cables are often decommissioned using similar methods to installation. However, there are no regulatory obligations to removing the cables in most countries. Cable installation will be associated with environmental impacts, but they are considered to be negligible. Additionally, Recycling cables’ copper is beneficial in both aspects environmentally and economically as copper prices are on the rise. A comparison between the ESs and decommissioning programs in a number of OWFSs have been conducted to understand the justification used for abandoning the cables. Most of the decommissioning reports have considered cable decommissioning to cause “considerable damage to seabed ecology”. However, that contradicts what was found in the ESs, where the impact level was considered negligible and anticipated to be similar to installation. It was unclear whether the abandonment of cables was driven by environmental considerations or not. A case study has been selected to compare cable and monopile decommissioning costs and the contribution of each component to the total decommissioning cost, including possible revenue generated from recycling. It was found that the cost-benefit of cable decommissioning is incomparable to monopile decommissioning as the latter is very costly, and the possible residual value is insignificant when compared to cables. Moreover, it is possible that the total cable decommissioning cost to be largely offset by the revenue generated from copper resell. Additionally, the cable decommissioning total cost can be almost paid by recycling cables if copper prices increase in the near future.

[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.

Background Efficient underwater operations with autonomous underwater vehicles (AUVs) relying on several factors for a mission to be successful, such as operation time, distance covered, and waiting times. Today’s methods and processes for AUVs often struggle with inefficiencies and lack of route optimization. These challenges can result in increased operational costs and suboptimal performance. Minimizing operation time and utilizing route planning algorithms enables adaptation to operational challenges, potentially resulting in cost savings. Objectives This thesis aims to identify an efficient and practical solutions that will improve the operations for AUVs and the objective is to optimize the diving process through suboptimal routing algorithms in a predefined scenario. The study addresses one primary question to achive the aim. The question were: How can routing algorithms be implemented to improve the efficiency and reduce the operation time of Autonomous Underwater Vehicles? Methods The method describes three heuristic algorithms for optimizing the operations of AUVs. The first algorithm, the nearest neighbor heuristic (NNH) aims to minimize the distance an AUV needs to travel to recover and deploy ocean bottom nodes (OBN) within a cluster. The second algorithm, inspired by railway traffic, tries to prevent overlaps and minimizing the waiting times at the depot station. The third algorithm is highlighted as a local optimization algorithm that prioritizes the shortest waiting time over the nearest distance, adapting dynamically to available depot stations. Results The results in this thesis are derived from numerous simulations from different scenarios. The relationship between operations time and waiting time for different scenarios was obtained. The first algorithm proved to work for this type of situation. The second algorithm demonstrated its ability to yield superior solutions, albeit at the cost of being time-consuming due to a high number of iterations. The third algorithm was examined under conditions with and without delays. Even with delays, the algorithm consistently manages disturbances effectively. Conclusions While achieving an exact optimal solution remains challenging due to complexity, the research showed promising improvements in the endurance of the AUVs through the algorithms. The first algorithm was effective in minimizing the distance the AUVs traveled by selecting the most efficient path from numerous potential solutions. The second algorithm was slow due to a large number iterations, but the algorithm was able to find a solution where the operation and waiting time of the AUV could be reduced. The third algorithm was faster, but generally resulted in longer operation times. Also, increasing the number of AUVs resulted in shorter operation times but led to longer waiting times at the depot station, particularly in scenarios that became saturated with too many AUVs. / Bakgrund Undervattensoperationer med autonoma undervattensfarkoster (AUV:er) är beroende av flera faktorer för framgångsrika uppdrag, såsom driftstid, avstånd och väntetider. Dagens metoder och processer för AUV:er har ofta problem med ineffektivitet och bristande optimering av rutter. Dessa utmaningar kan leda till ökade driftkostnader och suboptimal prestanda. Genom att minimera operationstiden och använda ruttplaneringsalgoritmer möjliggörs anpassning till operativa utmaningar, vilket potentiellt kan resultera i kostnadsbesparingar. Syfte Detta examensarbete syftar till att utveckla effektiva och praktiska lösningar för att förbättra systemets prestanda och målet är att optimera rutterna genom suboptimala algoritmer i ett fördefinierat scenario. Arbetet behandlar en primärfråga för att uppnå målet. Frågan var: Hur kan ruttalgoritmer implementeras för att förbättra effektiviteten och minska drifttiden för autonoma undervattensfarkoster? Metod Metoden beskriver tre heuristiska algoritmer för att optimera driften förAUV:er. Den första algoritmen, närmaste granne heuristiken (NNH), syftar till attminimera avståndet en AUV behöver resa för att hämta och placera ut havsbottennoder (OBN) inom en kluster. Den andra algoritmen, inspirerad av tågtrafiken, syftar till att endast en AUV befinner sig vid depåstationen åt gången för att förhindra konflikter och minimera väntetider. Den tredje algoritmen är en lokal optimeringsalgoritm som prioriterar kortaste väntetiden över närmaste avstånd och anpassar sig dynamiskt till tillgängliga depåstationer. Resultat Resultaten i denna uppsats baseras på ett flertal simuleringar med olika scenarier. Förhållandet mellan drifttid och väntetid för olika scenarier erhölls. Den första algoritmen visade sig fungera bra för denna typ av situation. Den andra algoritmen visade sin förmåga att ge bättre lösningar, trots att den var tidskrävande pågrund av ett högt antal iterationer. Den tredje algoritmen undersöktes under förhållanden med och utan förseningar. Trots förseningar lyckades algoritmen konsekvent hantera störningar effektivt. Slutsats Trots komplexiteten med att tillhandahålla en exakt optimal lösning, visade arbetet förbättringar i AUV:ers uthållighet genom olika algoritmer. Den första algoritmen var effektiv för att minimera det avstånd som AUV:er färdades genom att välja en optimal väg bland många potentiella lösningar. Den andra algoritmen var långsam på grund av många iterationer, men algoritmen kunde hitta en lösning där AUV:ens drift- och väntetid kunde minskas. Den tredje algoritmen var snabbare men resulterade i längre drifttider. Vidare resulterade ökningen av antalet AUV:er i en minskning av drifttider men ökade väntetider, särskilt i scenarier som blev mättade med för många AUV:er.

[pt] Cerca de 50 por cento das reservas brasileiras de hidrocarbonetos estão localizadas na plataforma continental em lâminas de água superiores a mil metros. As temperaturas congelantes do fundo do mar tornam os problemas inerentes ao escoamento da produção de petróleo, ainda mais críticos. Entretanto, os desafios da garantia de escoamento, não são os únicos obstáculos para a produção de petróleo em águas ultra-profundas. Além dos aspectos relacionados à geologia e fatores econômicos, a decisão de desenvolvimento de um campo de petróleo no mar, adotando completação submarina ou seca, precisa ser respaldada por uma análise criteriosa dos problemas relacionados com a garantia de escoamento, principalmente em locações de águas profundas e ultra- profundas. Nestes cenários, a maior variação da energia potencial e conseqüente intensificação do efeito Joule-Thomson, contribuem de uma forma bem mais significativa para a queda de temperatura e pressão. Este trabalho objetiva promover a comparação entre um sistema de produção usando poços direcionais de grande afastamento, produzindo para uma unidade de completação seca e um sistema adotando poços com completação submarina, a 850, 1.550 e 2.300m de lâmina de água, avaliando os efeitos das perdas de carga e calor em um fluxo multifásico. Com o uso de completação molhada, é avaliada a máxima distância viável entre a zona produtora e a plataforma de produção, de forma a permitir o fluxo de hidrocarbonetos sem formação de cristais de parafina. Com base nos resultados alcançados, podemos tirar algumas conclusões importantes quanto à tendência dos sistemas de produção em águas profundas e ultra- profundas, que nortearão no futuro próximo o desenvolvimento de campos de petróleo na plataforma continental brasileira. / [en] Around 50 percent of the Brazilian reserves of hydrocarbons are located in the continental platform in water depths with more than one thousand meters. The freezing temperatures of the sea bottom make problems related to oil production, even more critical. However, the flow assurance challenges are not the only obstacles for the oil production in ultra-deep waters. Besides the aspects related to the geology and economical factors, the decision of development of an offshore oil field adopting a system with wet completion or with dry completion, needs to be supported by discerning analyses of the problems related to flow assurance aspects, mainly in deep and ultra-deep water locations. In these scenarios, a larger variation of the potential energy and consequent intensification of the Joule-Thomson effect, contribute in a much more significant way to the temperature and pressure drops. This work aims to promote the comparison between an oil production system using extended reach wells with a dry completion unit and another system with wet completion, at 850, 1.550 and 2.300m of water depth, evaluating the effects of pressure drop and heat loss in a multiphase flow. Using wet completion, it is evaluated the maximum feasible distances between the producing zone of the formation and the floating production unit, allowing the flow of hydrocarbons without interruption by the formation of paraffin crystals. Based on the reached results, we can reach some important conclusions regarding trend of production systems in deep and ultra-deep water, that will guide the development of oil fields in the near future in the Brazilian continental platform.

Sistemas de transmissão de energia elétrica em corrente contínua e alta tensão baseados em tecnologia de conversores a fonte de tensão (VSC-HVDC), ao contrário de linhas de transmissão em corrente alternada, operam como elementos de controle de variáveis elétricas, podendo ser úteis na estabilidade do sistema de potência. Mas apesar desta vantagem, sistemas VSC-HVDC possuem limitações no desempenho estável, o que enseja o desenvolvimento de uma metodologia para mapeamento de suas zonas de operação estável e possíveis regiões de instabilidade. Inicialmente estudou-se os detalhes da tecnologia VSC-HVDC tais como o funcionamento da eletrônica de potência e estratégias de controle utilizadas. Em seguida, investigou-se os modelos de geradores síncronos para interconexão com o lado CA das estações conversoras do VSC-HVDC. E, finalmente, aplicou-se a tecnologia VSC-HVDC sobre um modelo de sistema de potência com uma estação conversora localizada em um porto offshore e uma outra no continente, próxima à rede de alta tensão em corrente alternada. Simulações e análise deste sistema foram executadas considerando várias condições operacionais. O gráfico de potência gerada e consumida, obtido pela aplicação da metodologia, apresenta grande potencial de uso prático como por exemplo sua implementação na interface homem-máquina da estação de operação do porto offshore, provendo informação em tempo real de alto nível ao operador do sistema elétrico do porto offshore e consequentemente aumentando sua consciência situacional quanto a proximidade dos limites de instabilidade. / High voltage direct current power transmission systems based on voltage source converters (VSC-HVDC), as opposed to alternating current ones, operates as elements of control of electrical variables, being useful for stability of power system. Besides this advantage, VSC-HVDC systems have limitations in stable performance, which instigates the development of a methodology for mapping its operational zones of stability and possible regions of instability. The author initially studied the details of the VSC-HVDC technology such as the power electronic principles and the control strategies used on this research. Subsequently, the author investigated synchronous generator models for interconnection on the AC side of the VSC-HVDC converter stations. Finally, the author applied the VSC-HVDC technology on a model of power system with two converter stations, one located on an offshore port and the other on the shore, next to an alternating current high voltage power grid. Simulations and analysis of this system were carried out considering various operational conditions. The graphic of generated and consumed power on offshore port, obtained by the application of the methodology for mapping operational zones, presents a great potential of being implemented in the man-machine interface of an operation workstation, thus providing high level online information for the operator of the offshore port electrical system and consequently improving its situational awareness of the proximity to instability limits.

Sistemas de transmissão de energia elétrica em corrente contínua e alta tensão baseados em tecnologia de conversores a fonte de tensão (VSC-HVDC), ao contrário de linhas de transmissão em corrente alternada, operam como elementos de controle de variáveis elétricas, podendo ser úteis na estabilidade do sistema de potência. Mas apesar desta vantagem, sistemas VSC-HVDC possuem limitações no desempenho estável, o que enseja o desenvolvimento de uma metodologia para mapeamento de suas zonas de operação estável e possíveis regiões de instabilidade. Inicialmente estudou-se os detalhes da tecnologia VSC-HVDC tais como o funcionamento da eletrônica de potência e estratégias de controle utilizadas. Em seguida, investigou-se os modelos de geradores síncronos para interconexão com o lado CA das estações conversoras do VSC-HVDC. E, finalmente, aplicou-se a tecnologia VSC-HVDC sobre um modelo de sistema de potência com uma estação conversora localizada em um porto offshore e uma outra no continente, próxima à rede de alta tensão em corrente alternada. Simulações e análise deste sistema foram executadas considerando várias condições operacionais. O gráfico de potência gerada e consumida, obtido pela aplicação da metodologia, apresenta grande potencial de uso prático como por exemplo sua implementação na interface homem-máquina da estação de operação do porto offshore, provendo informação em tempo real de alto nível ao operador do sistema elétrico do porto offshore e consequentemente aumentando sua consciência situacional quanto a proximidade dos limites de instabilidade. / High voltage direct current power transmission systems based on voltage source converters (VSC-HVDC), as opposed to alternating current ones, operates as elements of control of electrical variables, being useful for stability of power system. Besides this advantage, VSC-HVDC systems have limitations in stable performance, which instigates the development of a methodology for mapping its operational zones of stability and possible regions of instability. The author initially studied the details of the VSC-HVDC technology such as the power electronic principles and the control strategies used on this research. Subsequently, the author investigated synchronous generator models for interconnection on the AC side of the VSC-HVDC converter stations. Finally, the author applied the VSC-HVDC technology on a model of power system with two converter stations, one located on an offshore port and the other on the shore, next to an alternating current high voltage power grid. Simulations and analysis of this system were carried out considering various operational conditions. The graphic of generated and consumed power on offshore port, obtained by the application of the methodology for mapping operational zones, presents a great potential of being implemented in the man-machine interface of an operation workstation, thus providing high level online information for the operator of the offshore port electrical system and consequently improving its situational awareness of the proximity to instability limits.

A novel Electro-Hydrostatic Actuator (EHA) prototype – designed to operate on subsea gate valves in deep and ultra-deep water – is analysed and qualified in terms of functionality under design and normative constraints. The prototype is assembled in a test bench for load control in a hyperbaric chamber where the high subsea environmental pressure can be emulated. The process variables under evaluation are monitored through a set of pressure and position sensors, which are part of the prototype design. The experimental results demonstrate a robust behaviour of the actuator concerning the imposed external pressure and load forces even with a forced limitation in its power input. Moreover, the prototype performs consistently throughout the entire endurance trial, asserting high reliability. With the results obtained, the subsea EHA concept is effectually eligible to a technology readiness level 4, according to the API 17N.