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Introducción a los Sistemas Artificiales de Producción (SAP)
La explotación de un pozo petrolero se lleva acabo de dos maneras: Sistema fluyente: También conocido como sistema natural, este sistema se compone principalmente de un aparejo de producción donde se aprovecha la energía propia del yacimiento, el cual será capaz de elevar los hidrocarburos hasta la superficie. Sistema artificial: Son aquellos que de acuerdo a su diseño se adecuan a las características del pozo para continuar con su explotación. Un sistema artificial de producción (SAP) es instalado cuando la presión en el yacimiento no es suficiente para elevar el crudo hasta la superficie, llegando al punto donde un pozo no produce un gasto económicamente rentable. Es decir, el yacimiento no cuentan con la energía suficiente (presión natural) como para producir los hidrocarburos en forma natural, o cuando los gastos de producción no son los deseados. Hay dos consideraciones muy importantes que deben tomarse en cuenta en la instalación de un SAP:
- Aspectos técnicos: Se hace un estudio de campo para determinar si es posible instalar un sistema artificial de producción, considerando todos los problemas que puedan presentarse al pozo en la instalación del sistema artificial, y también al yacimiento.
- El análisis económico: Se hace un estudio que demuestre los beneficios de instalar un SAP, en éste se incluirá los costos de instalación, los costos de mantenimiento, los operacionales, y los que involucren al cumplimiento de los objetivos de un proyecto. La información que ayudan a la selección del SAP, estos factores son: Gastos de flujo. Índice de productividad. Presión estática (Pws) y de presión de fondo fluyendo (Pwf). Relación Gas-Aceite y la relación de solubilidad (Rs). % de agua. Densidad y viscosidad del fluido producido.
Profundidad y temperatura. Tipo de pozo (desviación, diámetros de las tuberías, etc.) Problemas de arena, parafinas, corrosión, emulsión y condiciones de incrustaciones). Clima y ubicación del lugar. Inversión disponible. Características del yacimiento (expansión de los fluidos, segregación gravitacional, empuje hidráulico, expansión del gas) Infraestructura, etc.
Limitaciones de los Sistemas Artificiales de Producción.
Los SAP trabajan bajo ciertas condiciones y limitaciones, estas estarán en función del diseño, aplicación, capacidades de manejo de sólidos, temperatura de fondo y capacidades de volúmenes. La selección de un SAP está basado en los resultados de un análisis técnico y económico, además debe ser considerado desde el principio del plan de desarrollo del campo o yacimiento, desde la perforación, la terminación y así tomar las decisiones de producción a las que estará trabajando el sistema.
Tipos de sistemas artificiales de producción:
A) Bombeo Neumático:
Este sistema consiste en recuperar hidrocarburos de un yacimiento por la Tubería de Producción (T.P) por medio de gas inyectado a presión a través del espacio anular. Este método esta basado en la energía del gas comprimido en el espacio anular siendo esta la fuerza principal que hace elevar el aceite a la superficie. El gas (principalmente nitrógeno) es inyectado y controlado desde superficie, este entra a alta presión dentro del espacio anular. Una válvula de inyección de gas permitirá el paso de gas dentro de la T.P a determinadas profundidades. La información necesaria de un pozo es: Presión de fondo fluyendo. Índice de productividad. Relación gas-aceite de formación. Porcentaje de agua.
- Equipo necesario para manejar y almacenar el fluido producido. El gas puede ser inyectado de dos maneras: continuo o intermitente. Flujo continuo: El gas es inyectado continuamente a una presión relativamente alta, a la presión de apertura de la válvula operante, el gas entra a través de ésta manteniéndola abierta. El gas se mezcla con el fluido del pozo produciendo un aligeramiento, lo que ocasiona el incremento de la relación de solubilidad del aceite, aligerando la columna y causando que la presión hidrostática de la formación disminuya, lo que permite el ascenso de las dos fases a la superficie. Flujo intermitente: En este caso un volumen de gas es inyectado a alta presión a través de la T.R y mediante la válvula operante llega a la T.P, el gas es acumulado en la T.R mientras que en la T.P se acumulan fluidos de la formación, después de cierta cantidad de fluidos acumulados el gas entra en contacto con éste desplazándolos en forma de pistón. El fluido dentro de la T.P presenta la forma de bache o pistón el cual es impulsado por el acumulamiento de gas que la válvula operante depositó en la T.R.
Existen dos tipos de válvulas para el sistema de bombeo neumático, estas son:
- Válvulas balanceadas: Tiene la característica principal de no estar influenciada por la presión en la T.P cuando está en la posición cerrada o abierta. Esto se debe a que la presión en la T.R actúa en el área del fuelle durante todo el tiempo, esto significa que la válvula abre y cierra a la misma presión.
- Válvulas desbalanceadas: Tiene la característica de abrir a una presión superior de apertura y luego cerrar con una presión más baja, es decir, las válvulas desbalanceadas se abren a una presión determinada y luego se cierran con una presión más baja. Otro tipo de válvulas en función del flujo de fluidos: Válvulas para flujo continuo Válvulas para flujo intermitente
Limitaciones en los tipos de Bombeo Neumático:
Flujo continuo Flujo intermitente Unidades U.S. Unidades U.S. Gasto 200 a 20,000 [bbl/D] < 500[bbl/D] Índice de Productividad
0.45[bbl/D/psi] <0.45[bbl/D/psi] Presión de flujo >0.08 [psi/ft] >145^ [psi]
fluidos de producción, éste sirve como conexión de las tuberías de producción por el cual fluyen los hidrocarburos del yacimiento. Es un medio para controlar, a través de sus válvulas, las direcciones de flujo de los fluidos que aporte el pozo, lo que mantendrá la seguridad del pozo. Conexiones superficiales: Son un conjunto de tuberías, niples, codos, tuercas unión, válvulas, bridas, que se conectan de acuerdo a las necesidades requeridas y tienen la función de conducir los fluidos producidos por el pozo a la línea de descarga, así también conducir el gas inyectado a presión. Las conexiones superficiales de un pozo con un sistema de bombeo neumático constan fundamentalmente de: a) Línea de descarga b) By-pass c) Línea de inyección de gas Las partes principales que lo componen son de válvulas, tuercas unión, interruptores y medidores de flujo. Válvulas de control: Son mecanismos que se utilizan para controlar los flujos de fluidos. En un sistema artificial de bombeo neumático se utilizan principalmente válvulas 2” de diámetro. Las válvulas más utilizadas en el bombeo neumático son; las válvulas de compuerta con sello metal de hule o las válvulas de compuerta con sello metal-metal. Válvulas de retención: El diseño de estas válvulas permite el flujo de un fluido en una sola dirección impidiendo así el regreso del fluido cuando se presentan contrapresiones, gracias a su diseño pueden manejar tanto líquidos como gases. Estas válvulas se conocen de tres tipos: Check Válvula pistón Válvula de retención
(a) Válvula check (b) Válvula pistón (c) Válvula de retención tipo disco La válvula tipo check es la más usada en una instalación BN, ya que evita el retroceso del fluido, además sirve como un dispositivo de seguridad cuando se presentan fugas en los componentes de la T.R. Otros equipos superficiales: a) Válvula de aguja: Es un equipo de control, que por su diseño permite controlar en forma adecuada una cantidad de fluido de un liquido o gas en diferentes etapas y su instalación está localizada en la línea de inyección de gas, su principal función es regular la inyección de gas en el espacio anular. b) Tuerca unión: Es un accesorio por medio del cual se logran las conexiones de las líneas, permitiendo un sello efectivo para fluidos del pozo como para gas. c) Filtros: Su función es la de eliminar los líquidos y sólidos que van mezclados al gas del bombeo neumático. (a) Válvula aguja (b) Tuerca unión (c) Filtro d) Medidores de flujo: Son diseñados para registrar movimientos o desplazamientos de los fluidos, los más utilizados en el diseño de un BN son los medidores por caída de presión, el cual miden la presión diferencial que existe de la relación entre la velocidad del fluido y la pérdida de presión, al pasar el flujo a través de una restricción en la tubería. Los elementos principales de los medidores por caída de presión constan de tres elementos: Fitting Porta orificio (elemento primario)
El dispositivo donde se instalan las válvulas se le conoce como mandril, el cual es un dispositivo que ayuda a las válvulas a retenerlas en la T.P, ya sea en el exterior del mandril como es el caso de las válvulas convencionales o dentro del bolsillo del mandril como es el caso de las válvulas recuperables. Empacadores: Es un dispositivo el cual aísla la zona del espacio anular que hay entre la T.P y la T.R incrementando la eficiencia de flujo, las principales ventajas son: Bloquea el paso de fluidos al espacio anular o del espacio anular a la T.P. Elimina la presión en la tubería de revestimiento arriba del empacador. Los fluidos corrosivos, arena, etc., fluyen únicamente por la T.P lo que mantiene la T.R sin ser dañada. Aísla los intervalos productores. Tipos de empacadores: Empacador recuperable. Empacador permanente. Empacador semipermanente. La selección de uno u otro va a depender de las condiciones que tenga el pozo.
Accesorios para equipo Subsuperficial:
- Niples: Es un dispositivo complementario de un empacador tipo semipermanente, cuya finalidad es evitar el paso de fluidos en las juntas de metal-metal.
- Válvula de pie: Se instala en el fondo del pozo, es necesario en pozos de baja recuperación, sin su instalación, el fluido puede desplazarse dentro de la formación en lugar de ir a superficie, este dispositivo se conoce también como válvula de retención.
B) Bombeo Mecánico:
Es uno de los primeros sistemas artificiales de producción a lo largo de la historia, en México este sistema artificial representa el segundo más implementado. Este sistema artificial puede operar eficientemente sobre un amplio rango de características de producción de pozo, es considerado para elevar volúmenes moderados desde profundidades someras y volúmenes pequeños desde profundidades intermedias. La mínima cantidad de información el cual debemos saber, asumir, o incluso determinar con datos aproximados para el diseño e instalación del bombeo mecánico es: Nivel del fluido Profundidad de la bomba Velocidad de bombeo Longitud de la superficie Diámetro de la bomba de embolo Gravedad especifica del fluido El diámetro nominal de la tubería de producción y si está anclada o desanclada. Tamaño y diseño de la varilla de succión. Geometría de la unidad. El sistema de bombeo mecánico tiene como objetivo elevar los fluidos a la superficie con un mínimo de: Torsión. Carga en la varilla pulida. Requerimientos de potencia del motor principal. Costos de mantenimiento de la unidad.
puede accionar cuando la unidad de bombeo mecánico no está operando, debido a que pueden dañar los sellos de hule que se encuentran en su interior. (a) Estopero (b) varilla pulida (c) Preventor Motor principal: Es el encargado de proporcionar energía mecánica a la instalación, el cual será transmitido a la bomba y usado para elevar el fluido. La selección óptima del motor principal es un aspecto importante para el diseño del bombeo mecánico, el cual debe tener suficiente potencia para elevar el fluido al ritmo deseado. En la industria hay dos tipos que cotidianamente son usados:
- Motores de combustión interna: La energía que utilizan estos motores es el producto de la combustión del aire y del combustible, la reacción del aire y del combustible generalmente se lleva a cabo en un cilindro de trabajo. Los motores de combustión interna usados en las unidades de Bombeo Mecánico se dividen en dos clasificaciones: de baja y alta velocidad, la selección de uno u otro dependerá del gasto deseado en la superficie.
- Motores eléctricos: Estos motores convierten la energía eléctrica en movimiento rotativo o energía mecánica, generalmente utilizan la interacción de dos campos magnéticos para su funcionamiento: uno alrededor de un conductor que lleva corriente y otro es un campo fijo. Reductor de engranes: El objetivo principal del reductor de engranes es reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de bombeo adecuada. El elemento principal del reductor de engranes es la polea, el cual es un mecanismo que recibe la potencia del motor principal por medio de bandas. Varillas de succión: Es un mecanismo diseñado para enlazar la unidad de bombeo mecánico superficial y la bomba subsuperficial. El movimiento vertical de la unidad superficial es transferido por medio de las varillas de succión a la bomba subsuperficial. Dependiendo del material utilizado, hay dos tipos de varillas de succión:
- Varillas de acero
- Varillas de fibra de vidrio El principal componente de la varilla de succión es el acero, pero se recomienda agregar otros elementos para proporcionar la fuerza necesaria que debe tener
en base al diseño del pozo, estos materiales pueden ser; carbono, manganeso, silicón, níquel, etc. Bomba subsuperficial: La bomba subsuperficial de Bombeo Mecánico puede ser de dos tipos:
- Bomba de tubería de producción: Esta bomba tiene la característica de que el barril de trabajo está conectado en el fondo de la T.P y es instalada dentro del pozo como parte integral de la sarta de la T.P.
- Bomba de inserción: En este tipo de bomba el barril de trabajo es una parte integral del ensamble de la bomba subsuperficial y es corrida como una unidad en la sarta de varillas de succión en el interior de la T.P o de la T.R. Las bombas subsuperficiales consisten de cinco componentes:
- Barril de trabajo
- Embolo
- Válvula estacionaria
- Válvula viajera
- Ancla de asiento
Equipo Superficial:
a) Bola colgadora: Es un elemento que forma parte del cabezal del pozo, su función es sostener la T.P, permitir su paso y el del cable conductor, además evita la fuga de fluidos a la superficie debido al sello entre la T.P y la T.R, está construida de acero, envuelta de neopreno. b) Caja de venteo: Su instalación se debe a cuestiones de seguridad entre el cabezal y el tablero de control, debido a que puede haber fugas a lo largo del cable superficial y alcanzar la instalación eléctrica en el tablero. c) Tablero de control: Es el mecanismo que controla la operación del aparejo de producción que hay en el fondo del pozo. d) Transformador: Es un elemento importante del equipo superficial, ya que su objetivo es elevar o disminuir el voltaje requerido desde superficie para alimentar al motor en el fondo del pozo. Algunos están instalados con interruptores, el cual les da mayor flexibilidad de operación. e) Variadores de frecuencia: Este equipo permite alterar la frecuencia del voltaje que alimenta al motor por lo que modifica su velocidad. Incrementando la frecuencia incrementará la velocidad y el gasto, una baja frecuencia los disminuye.
Equipo Subsuperficial:
Motor eléctrico: El motor eléctrico es colocado en la parte inferior del aparejo, recibe la energía a través de un cable desde una fuente superficial. Su diseño es especial, ya que permite introducirlo en la T.R del pozo y satisfacer requerimientos de potencia grandes. La tabla 1.2 muestra los principales tipos de motores disponibles para el BEC. Protector: Se localiza entre el motor y el separador de gas; su objetivo es igualar la presión del fluido del motor y la presión externa del fluido del pozo a la profundidad de colocación del aparejo. Existen dos tipos de protectores que pueden ser utilizados
1. Convencional 2. Tres cámaras Separadores de gas: El separador de gas es un componente de seguridad opcional del aparejo construido integralmente con la bomba, normalmente se coloca entre ésta y el protector, su función principal es succionar los fluidos a la bomba y desviar el gas libre de la succión hacia el espacio anular. Este tipo de dispositivo permite una operación de bombeo más eficiente en pozos de gas. Existen dos tipos de separadores: a) Convencional: Su operación consiste en invertir el sentido de flujo del liquido, lo que permite que el gas libre continúe con su trayectoria ascendente hacia el espacio anular, se recomienda para pozos donde las cantidades de gas libre no son muy altas, a la profundidad de colocación de la bomba. b) Centrifugo: Su operación consiste en separar a los fluidos por fuerza centrífuga, por la diferencia de densidades, el líquido va hacia las paredes internas del separador y el gas permanece en el centro. Bomba centrifuga sumergible: Su función principal es incrementar la presión de los fluidos producidos hasta alcanzar la superficie, estas bombas son de etapas múltiples y cada etapa consiste de un impulsor giratorio y de un difusor estacionario. El volumen de fluido que va a producirse está en función del tamaño de la etapa que se use, la carga o presión que la bomba genera depende del número de etapas y de este número depende la potencia requerida.
Sus características y capacidades de operación para este tipo de bombeo son: i. Un rango de presión de 2,000 a 4000 psi en superficie. ii. La bomba utilizada es del tipo reciprocante triplex para generar los rangos de presiones mencionados en el punto uno. iii. Generalmente se usa una potencia en superficie de 30 y 275 hp. iv. Puede utilizarse el aceite crudo producido o el agua como fluido motriz. v. Las profundidades de colocación de la bomba están entre 1,500 y 15, pies para el tipo pistón y para el tipo jet entre 1,500 y 10,000 pies. vi. Pueden ser inyectados al fondo del pozo junto con el fluido motriz productos químicos para evitar y controlar la corrosión. vii. Las instalaciones del bombeo hidráulico son adecuados para pozos direccionales, horizontales o aquellos que presentan una desviación.
Tipos de Bombeo Hidráulico.
a) Tipo pistón: El tipo pistón es aquel que genera y transmite energía al fondo del pozo mediante un fluido bajo presión que fluye desde la superficie a través de una tubería de inyección, hasta una unidad de producción subsuperficial la cual está constituida fundamentalmente de un juego de pistones reciprocantes acoplados entre sí por medio de una varilla metálica. El juego de pistones está compuesto por uno superior “pistón motor” y que es accionado por el fluido motriz al tiempo que el pistón inferior “bomba” impulsa los fluidos del pozo hacia la superficie. b) Tipo jet : El tipo jet es aquel que genera y transmite energía al fondo del pozo mediante un fluido bajo presión que fluye desde la superficie y a través de una
tubería de inyección, hasta una tobera, una cámara de mezclado y un difusor, el cual forman parte de una unidad de producción subsuperficial. La alta presión del fluido motriz pasa a través de la tobera para ser convertida en un fluido de alta velocidad jet de fluido, el cual se transfiere a los fluidos producidos para ser impulsados hacia la superficie
Sistema de inyección del fluido motriz
Los dos tipos de sistemas de inyección son:
1. Sistema cerrado: Es el método más completo que existe actualmente^7 , donde la forma de inyección es en un circuito cerrado y la forma en que regresa el fluido motriz a la superficie es independiente de los fluidos del pozo, en otras palabras, no existe una mezcla entre estos dos; por lo que el fluido motriz regresa al tanque formándose así un circuito cerrado. Una ventaja de este sistema es la medición exacta del volumen de fluidos producidos. 2. Sistema abierto: Este sistema es el más económico y sencillo de los dos sistemas, donde el fluido motriz es inyectado en un circuito abierto y posteriormente se mezcla con los fluidos del pozo por lo que en superficie se tiene una mezcla. El regreso del fluido motriz mezclado con los fluidos del pozo es a través de una tubería de descarga o por el espacio anular, esto dependerá del arreglo subsuperficial que se tenga.
