BombeoNeumático Sistemas Artificiales de Producción Objetivo El alumno conocerá y aplicará los principios de operación de Bombeo Neumático, así como los métodos de diseño y evaluación. Bombeo Neumático: • Principios de operación. • Ecuaciones para válvulas. • Diseño de aparejos de bombeo neumático continuo. • Identificación y corrección de fallas. Contenido Bombeo Neumático El bombeo neumático es un método de levantamiento artificial de fluidos donde se utiliza gas a una presión relativamente alta como medio de aligeramiento a través de un proceso mecánico. La eficiencia del BN depende de: 1. Presión de fondo. 2. Índice de productividad. 3. Relación Gas-Aceite de formación. 4. Porcentaje de agua. 5. Profundidad. 6. Tamaño de las tuberías de producción y revestimiento. Bombeo Neumático Características del equipo: 1. Contrapresión ejercida contra la formación. 2. Consumo de gas. Categorías de pozos para considerar en su aplicación: 1. Alto índice de productividad y alta presión de fondo. 2. Alto índice de productividad y baja presión de fondo. 3. Bajo índice de productividad y alta presión de fondo. 4. Bajo índice de productividad y baja presión de fondo. El sistema consiste de cuatro partes fundamentales: 1. Fuente de gas a alta presión: Estación de compresión, pozo productor de gas a alta presión o compresor a boca de pozo. 2. Un sistema de control de gas en la cabeza del pozo, válvula motora controlada por un reloj o un estrangulador ajustable (válvula de aguja). 3. Sistema de control de gas subsuperficial (válvulas de inyección). 4. Equipo necesario para el manejo y almacenamiento del fluido producido. Bombeo Neumático Bombeo Neumático Continuo Hay dos tipos de diseño en la operación de los sistemas de BN: 1. Para instalación de flujo continuo. 2. Para instalación de flujo intermitente. Flujo continuo: inyección controlada de gas. Flujo intermitente: flujo bache. Tipos de diseño para BN Mecanismos involucrados: • Disminución de la densidad • Expansión del gas inyectado • Desplazamiento del líquido CONTINUO INTERMITENTE El tipo de instalación está condicionada por la decisión de hacer producir un pozo con Bombeo Neumático Continuo o Intermitente. Clasificación de las Instalaciones de BN Válvulas B. N. Continuo: Apertura variable B. N. Intermitente: Asiento Amplio 1. El pozo está lleno de fluido de control tanto en la TP como en la TR, se inicia la inyección de gas, todas las válvulas están abiertas debido al principio de Arquímedes o de flotación circulando el fluido de control del espacio anular a través de ellas hacia la tubería de producción. 2. Cuando el nivel de fluido llega a la primera válvula, el fluido continúa circulando a través de las válvulas hacia la tubería de producción. Principio de Funcionamiento de las Válvulas de BN 3. El nivel de fluido está por debajo de la primera válvula dejándola al descubierto, se elimina el fenómeno de flotación y permite que el mecanismo actúe cerrando la válvula, hasta que la presión de gas comprimido en el espacio anular venza la presión de calibración de la válvula y permite el paso de gas a través de ella a la tubería de producción, impulsando la columna de fluidos que se encuentra arriba de ella. 4. Se llega al punto de inyección deseado, el volumen inyectado es alto ( de acuerdo con la profundidad de inyección) el pozo está aportando un volumen de fluido de acuerdo con su capacidad productiva. Principio de Funcionamiento de las Válvulas de BN Pozo candidato: alto índice de productividad e insuficiente presión. Para el diseño del aparejo de válvulas de flujo continuo se toman en cuenta las siguientes condiciones: • Profundidad del intervalo productor. • Diámetro de la tubería de producción. • Diámetro de la tubería de revestimiento. • Presión de gas disponible. • Volumen de gas disponible. • Volumen de fluido por recuperar. • Gradiente de presión estática. • Gradiente de presión fluyendo. Bombeo Neumático Continuo Válvulas sensibles a una determinada presión actuando en la TP (P t ) o en la TR (P c ). Generalmente son clasificadas por el efecto que la presión tiene sobre la apertura de la válvula. Mecanismo de las válvulas subsuperficiales del Bombeo Neumático • Una válvula de BN está compuesta de: • Cuerpo de la válvula • Elemento de carga (resorte, gas o una combinación de ambos) • Elemento de respuesta a una presión (fuelle de metal, pistón o diafragma de hule) • Elemento de transmisión (diafragma de hule o vástago de metal) • Elemento medidor (orificio o asiento) Componentes de las válvulas de BN Las válvulas de Bombeo Neumático se clasifican en: a) Válvulas desbalanceadas. b) Válvulas balanceadas. Clasificación de las válvulas de BN Son aquellas que tienen un rango de presión limitado por una presión de apertura y por una presión inferior de cierre. Este tipo de válvulas se divide en: a) Válvula operada por presión del gas de inyección. b) Válvula reguladora de presión. c) Válvula operada por fluidos de la formación. Válvulas desbalanceadas La presión de apertura se define como la presión en la TR requerida para abrir la válvula actuando bajo condiciones de operación. Presión de apertura de la válvula bajo condiciones de operación Instantes antes de la apertura: F o = F c F o = Suma de todas las fuerzas que tratan de abrir la válvula F o = Suma de todas las fuerzas que tratan de mantener cerrada la válvula Presión de apertura de la válvula bajo condiciones de operación R t P d P R) ( c P b A p A R si ; b A p A t P d P b A p A c P : c P despejando y b A entre Dividiendo b A d P p A t P ) p A b (A c P b A d P c F p A t P ) p A b (A c P o F ÷ = ÷ = | | | . | \ | ÷ = ( ( ¸ ( ¸ | | | . | \ | ÷ = + ÷ ¬ = + ÷ = 1 1 R R P P P t d c ÷ ÷ = 1 Válvula desbalanceada operada por presión del gas de inyección Suponiendo que una válvula está localizada a 6000 [pie], que tiene una presión de domo de 700 [psi] y una presión en la TP de 500 [psi], determinar la presión en la TR requerida para abrir la válvula, si: A b = 1.0 [pg 2 ] y A p = 0.1 [pg 2 ]. Solución: Bajo estas condiciones de operación, cuando la presión en la TR se incrementa a 722 [psi], la válvula abre. | | psi P R R P P P c t d c 722 9 . 0 650 1 . 0 1 ) 1 . 0 )( 500 ( 700 1 = = ÷ ÷ = ÷ ÷ = Ejemplo 1 Para determinar el efecto que tiene la presión en la TP para abrir la válvula, se utiliza la ecuación anterior de la siguiente forma: El término que se resta de la ecuación anterior es llamado “Efecto de Tubería de Producción”: El término R/(1-R) es llamado “Factor de Efecto de Tubería de Producción”. R R P R P P t d c ÷ ÷ ÷ = 1 1 | . | \ | ÷ = R R P E T t 1 . . R R F E T ÷ = 1 . . . Calcular el efecto de tubería causado por la presión en la TP de 500 [psi], del ejemplo anterior. Solución: | | psi E T F E T 56 ) 11111 . 0 ( 500 . . : es tubería de efecto el tanto, lo por 11111 . 0 1 . 0 1 1 . 0 . . . = = = ÷ = Ejemplo 2 Ejemplo 2 De estos resultados, se establece que cuando la presión en la TP es igual a cero [psi], la válvula a la profundidad de 6000 [pie] requiere de 722 + 56 = 778 [psi] en el espacio anular para abrirse. Dicha presión de 778 [psi] es llamada algunas veces como la presión máxima de operación. La presión en la TP (500 [psi] para el ejemplo) reduce la presión necesaria para abrir la válvula de 778 [psi] a 722 [psi]. La presión de cierre se define como la presión en la TR requerida para cerrar la válvula actuando bajo condiciones de operación. Para un tiempo antes de cerrar la válvula: Fo = Fc Presión de cierre de la válvula bajo condiciones de operación b d p vc p vc b vc b d p vc p b vc cv c b d p c p b c b d c p c p b c o A P A P A P A P A P A P A A P P P Haciendo A P A P A A P A P F A P A A P F = + ÷ = + ÷ = = + ÷ ¬ = + ÷ = ) ( : ) ( ) ( d vc P P = Donde: P vc = presión en el espacio anular para cerrar la válvula a condiciones de operación. Presión de cierre de la válvula bajo condiciones de operación Presión de cierre de la válvula bajo condiciones de operación Con base en dicha ecuación, la válvula que abre a 722 [psi] en el ejemplo 1, puede cerrar cuando la presión en la TR a la profundidad de la válvula sea reducida a 700 [psi] . La diferencia entre las presiones de apertura y de cierre de una válvula es llamada “Amplitud de la válvula”. : tiene se ecuación, la ndo Simplifica R 1 R) (1 P R 1 R P P P R 1 R P P ΔP Amplitud d t d vc t d ÷ ÷ ÷ ÷ ÷ = ÷ ÷ ÷ = = Amplitud de las válvulas (Spread) ) P - (P TEF ΔP t d = Calcular la amplitud de la válvula descrita en el ejemplo 1. Solución: | | psi P P P TEF P t d 22 ) 500 700 ( 11111 . 0 ) ( = A ÷ = ÷ = A Ejemplo 3 La presión para abrir la válvula es: P vo = P d + AP = 700 + 22 = 722 [psi] Que es resultado obtenido anteriormente en el ejemplo 1. La última ecuación muestra que la amplitud de la válvula está controlada por dos factores: TEF y P t . Para un determinado asiento de la válvula, la mínima diferencia de presión ocurre cuando la presión en la tubería de producción es igual a la presión en el domo, es decir, P t =P d . La máxima amplitud de la válvula ocurre cuando la presión en la TP es igual a cero (P t = 0), por lo que de acuerdo a la ecuación se deduce que: Máxima amplitud de la válvula = AP máx = TEF (P d ) Amplitud de las válvulas (Spread) La presión de operación del gas de inyección está controlada en la superficie. La superficie (cero pies) se utiliza generalmente como una referencia para comparar y relacionar la posición de la posición de la válvula de BN. Se debe hacer una predicción del cambio de la presión causado por la columna de gas y por las pérdidas de fricción cerca de la válvula de BN, tanto bajo condiciones estáticas como dinámicas (fluyendo). Gradiente de la columna de gas. La ecuación involucra una solución de ensaye y error, en la cual z depende de la presión de fondo y viceversa. Por esta razón, se han desarrollado gráficas basadas en esta ecuación que proporcionan buenos resultados. | | . | \ | = zT L P P g fondo ¸ 01877 . 0 exp sup Gradiente de la columna de gas. Válvulas operadas por presión con carga de nitrógeno en el fuelle. Son aquellas válvulas cuyo diseño permite inyectar nitrógeno a presión al domo del fuelle de la válvula para proveerla de la fuerza necesaria a fin de mantenerla cerrada hasta que las fuerzas que tiendan a abrirla logren vencerla. Constan de: • Fuelle con domo recargable. • Combinación de válvula (esfera) y asiento para la relación de áreas deseadas. • Camisa del fuelle. • Válvula de retención. Presión de apertura en el taller (P tro ) ¿Por qué Nitrógeno? Se encuentra fácilmente No es caro No es corrosivo No es inflamable Se conoce su factor de desviación Z a presión elevada y temperatura se conoce. Presión de apertura en el taller (P tro ) Presión de apertura en el taller (P tro ) El domo de una válvula de BN tiene un volumen constante, por lo tanto, la presión de un domo cargado con nitrógeno se incrementa a medida que la temperatura incrementa. La presión del domo (P d ) se conoce y estará en función de la profundidad de la válvula. R P P d vo ÷ = 1 GAS A ALTA PRESIÓN Presión de apertura en el taller (P tro ) Por tanto, la ecuación usada para la apertura en el taller (P tro ) es la siguiente: Para corregir la P d a una temperatura de 60 [°F] se usa la ley de los gases reales de la siguiente manera: | | R F P P d tro ÷ ° = 1 60 @ | | | | ) 520 ( 60 @ 60 F d d d d z F P T z P ° ° = GAS A ALTA PRESIÓN Obviamente puede usarse cualquier temperatura base. Algunos fabricantes utilizan 80 [°F]. Entonces: | | | | d d d F d T z P z F P ° = ° 60 ) 520 ( 60 @ Presión de apertura en el taller (P tro ) Sean los siguientes datos: Presión del gas en la superficie = Presión de apertura en la superficie = P so = Densidad relativa del gas de inyección = Temperatura superficial = Temperatura @ 8000 [pie] = Presión en la TP = P t = Diámetro exterior de la válvula = Área del asiento = R = Profundidad de la válvula = 800 [psi] 800 [psi] 0.7 100 [°F] 180 [°F] 655 [psi] 1 ½ [pg] ½ [pg 2 ] 0.2562 8000 [pie] Carga de la válvula: Nitrógeno @ 60 [°F] Ejemplo 4 Determinar: • Presión de apertura de la válvula, Pvo • Presión de cierre de la válvula, Pvc = Pd • Amplitud de la válvula @ 8000 [pie] • Presión superficial de cierre, Psc • Amplitud de la válvula en la superficie (APs) y amplitud • Presión de apertura en el probador, Ptro @ 60 [°F] Ejemplo 4 a) La presión de apertura de la válvula a la profundidad de 8000 [pie] es igual a la presión superficial para abrir la válvula, más un incremento de la presión en el espacio anular a 8000 [pie] debido al gradiente de la columna de gas. De la figura 3A-1 se obtiene: | | | | ( ) | | | | psi P P psi pie pie psi P F T pie psi pie psi P vo vo correg graf graf 52 . 970 800 52 . 170 52 . 170 8000 460 140 460 149 021 . 0 149 2 100 8000 6 . 1 70 100 021 . 0 1000 21 = + = ¬ = | . | \ | + + | | . | \ | ( ¸ ( ¸ = A ° = ( ¸ ( ¸ | . | \ | + + = ( ¸ ( ¸ = ( ¸ ( ¸ = A Solución b) La presión de cierre en la válvula es igual a la presión en el domo, P d @ 180 [°F]. | | psi P P R P R P P P vc vc t vo d vc 68 . 889 ) 2562 . 0 ( 655 ) 2562 . 0 1 ( 52 . 970 ) 1 ( = + ÷ = + ÷ = = c) La diferencia de presión a esta profundidad es igual a: | | ( ) | | psi P P TEF P o psi P P P t vc d vc vo 84 . 80 655 68 . 889 2562 . 0 1 2562 . 0 ) ( 84 . 80 68 . 889 52 . 970 = ÷ | . | \ | ÷ = ÷ = A = ÷ = ÷ = A d) La presión superficial de cierre, P sc : e) La amplitud de la válvula en la superficie es igual a la presión superficial de apertura menos la presión superficial de cierre: | | psi P P P P P P P P P P P sc so vo vc sc c vc sc sc vc c 16 . 719 ) 800 52 . 970 ( 68 . 889 ) ( = ÷ ÷ = ÷ ÷ = A ÷ = ¬ ÷ = A ( ) | | psi P P P sc so s 84 . 80 16 . 719 800 = ÷ = ÷ = A f) La presión del domo puede ser calculada utilizando la tabla 30.1 para una temperatura de la válvula de 180 [°F]: | | | | | | | | ( ) | | | | | | | | | | | | psi P R F P P Entonces psi F P psi P F P F P F P F P F P C tro d tro d vc d d d d d t 93 . 950 2562 . 0 1 30 . 707 1 60 @ : 30 . 707 ) 68 . 889 ( 795 . 0 60 @ 68 . 889 180 @ 180 @ 795 . 0 60 @ 795 . 0 180 @ 60 @ = ÷ = ÷ ° = = = ° ¬ = = ° ° = ° ¬ = ° ° = Las ecuaciones siguientes permiten calcular, respectivamente, el gasto del gas de inyección y el diámetro del orificio de una válvula. • Gasto de gas de inyección requerido: • Diámetro del orificio: ) )( ( RGAi q q o gir = ) 8 ( . Ec ) 9 ( . Ec ada pu de avos en d A C d o d o lg 64 : π 4 64 5 . 0 ( ¸ ( ¸ = Cálculo del gasto del gas de inyección y del diámetro del orificio de la válvula Donde: v p k k k g g d c c k P P P P k T k P q A C = ¦ ) ¦ ` ¹ ¦ ¹ ¦ ´ ¦ ( ( ( ¸ ( ¸ | | . | \ | ÷ | | . | \ | ÷ + = + 5 . 0 1 1 2 2 1 2 1 ) 1 )( 460 ( 34 . 64 500 155 ¸ ) 9 ( . a Ec Cálculo del gasto del gas de inyección y del diámetro del orificio de la válvula Relación de calores específicos en función de la temperatura y la densidad relativa Especificaciones para válvulas CAMCO de bombeo neumático operadas por presión Válvula cerrada a punto de abrir Balance de fuerzas: ¬ = + ÷ ÷ ÷ = = = + ÷ = ÷ + = b v st b v b v t b v bt vo g c o v t v b g o v b st b bt c A A R Si P A A A A P A A P P P F F A P A A P F A A P A P F 1 1 ) ( ) ( st t bt vo P R R P P P + ÷ ÷ = 1 Válvula desbalanceada operada por presión del gas de inyección Válvula abierta a punto de cerrar Balance de fuerzas: ) 1 ( ) ( b v st bt vc g c o b g o v b st b bt c A A P P P P F F A P F A A P A P F ÷ + = = = = ÷ + = ) 1 ( R P P P st bt vc ÷ + = Válvula desbalanceada operada por presión del gas de inyección Válvula cerrada a punto de abrir: v g v b t o v b st b bt c A P A A P F A A P A P F + ÷ = ÷ + = ) ( ) ( st g bt vo t P R R P P P P + ÷ ÷ = = 1 Válvula abierta a punto de cerrar: b t o v b st b bt c A P F A A P A P F = ÷ + = ) ( ) 1 ( R P P P P st bt vc t ÷ + = = Válvula desbalanceada operada por fluidos de la formación Este tipo de válvula no está influenciada por la presión en la TP cuando está en la posición cerrada o en la posición abierta. La presión en la TR (P c ) actúa en el área del fuelle durante todo el tiempo. Esto significa que la válvula cierra y abre a la misma presión (presión de domo). Válvulas balanceadas (operadas por presión en la TR) Haciendo un balance de fuerzas similar al de las válvulas desbalanceadas, se obtienen las ecuaciones tanto de apertura como de cierre para las válvulas balanceadas. POSICIÓN POSICIÓN CERRADA ABIERTA P vo = P bt P vc = P bt Válvulas balanceadas (operadas por presión en la TR) Puede llevarse a cabo con cualquiera de las válvulas existente para BN. Dos tipos de bombeo intermitente: • uno es el de punto único de inyección y • otro es el de punto múltiple de inyección. Válvulas para bombeo neumático intermitente Las razones de emplear válvulas de BN son: 1. Descargar los fluidos del pozo e inyectar el gas en un punto óptimo de la TP. 2. Crear la P wf necesaria para que el pozo pueda producir el gasto deseado controlando tanto el gas de inyección en la superficie como el gas producido. Diseño de instalaciones de BN La localización de las válvulas de BN en el punto óptimo está influenciada por: a) La presión del gas disponible para descargar el pozo. b) La densidad del fluido o gradiente de los fluidos en el pozo a un determinado tiempo de descarga. c) El comportamiento de afluencia al pozo durante el tiempo de descarga. d) La presión a boca del pozo (contrapresión entre el pozo y la central de recolección) que hace posible que los fluidos puedan ser producidos y descargados. Diseño de instalaciones de BN e) El nivel de fluido en la TP (espacio anular), ya sea que el pozo haya sido cargado con fluido de control o se haya prescindido de éste. f) La P wf y las características de los fluidos producidos del pozo. Diseño de instalaciones de BN En el diseño de una instalación de BNC, primero debe localizarse el punto óptimo de inyección de la válvula operante. Procedimiento: Determinación del punto de inyección óptimo en una instalación de BNC 1. Graficar en papel con coordenadas rectangulares, la profundidad en el eje de las ordenadas, siendo igual a cero en la parte superior y presentando su valor máximo en el punto de referencia (empacador, intervalo medio productor). 2. En el eje de las abscisas graficar la presión, con cero en el origen hasta una presión máxima. 3. Trazar la presión estática (P ws ) a la profundidad del intervalo medio productor. 4. A partir del IP, calcular la P wf correspondiente al gasto deseado e indicar este valor a la profundidad de referencia. Determinación del punto de inyección óptimo en una instalación de BNC 5. Partiendo de la P ws prolongar la línea de gradiente estático hasta intersectar el eje de las ordenadas; este punto corresponde al nivel estático dentro del pozo. 6. Desde el punto de la P wf , graficar el perfil de presión (línea del gradiente fluyendo) abajo del punto de inyección. El punto en el cual el gradiente intersecta al eje de las ordenadas es el nivel dinámico. Determinación del punto de inyección óptimo en una instalación de BNC 7. Señalar en el eje de las abscisas la presión máxima del gas de inyección (presión de arranque), la presión disponible y la presión de operación. La presión de operación generalmente se fija 100 [psi] debajo de la presión disponible, y ésta, 50 [psi] debajo de la presión de arranque. 8. Trazar la línea de gradiente de gas correspondiente a la presión de operación y a la presión disponible hasta intersectar la línea del gradiente fluyendo establecido en el paso 6. Determinación del punto de inyección óptimo en una instalación de BNC 9. Marcar el punto donde la presión de operación intersecta la línea de gradiente fluyendo como el punto de balance entre la presión en el espacio anular y la presión en la TP. 10. Partiendo del punto de balance y sobre la línea de gradiente fluyendo, determinar el punto de inyección del gas restando 100 [psi] del punto de balance. 11. Marcar la presión de flujo en la TP (P wh ) a la profundidad de cero. Esta presión es igual a cero si el pozo descarga al quemador y tiene un valor positivo si descarga al separador. Determinación del punto de inyección óptimo en una instalación de BNC 12. Unir el punto de inyección y la presión de flujo en la cabeza del pozo, seleccionando la curva de gradiente de presión o bien la correlación de flujo multifásico correspondiente; esta curva será la del gradiente de presión de flujo arriba del punto de inyección. Dicha curva proporciona la RGA total que se requiere para producir el pozo al gasto deseado. La RGA inyectada es igual a la diferencia entre la RGA total y la de los fluidos de la formación. Si no se dispone de curvas de gradiente o de correlaciones de flujo multifásico, el punto de inyección y la P wh pueden unirse con una recta para propósitos de “espaciamiento de válvulas”. Determinación del punto de inyección óptimo en una instalación de BNC Después de determinar el punto de inyección, el espaciamiento de las válvulas balanceadas en una instalación de BN se determina de la siguiente manera: Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas balanceadas de BNC a) Trazar la línea del gradiente de fluido de control, partiendo de la P wh . b) Extender la línea anterior hasta intersectar la línea de presión disponible del gas de inyección; esta profundidad corresponde a la posición de la primera válvula. c) Del punto de intersección anterior, trazar una paralela a la línea de gradiente del fluido de control hasta intersectar la línea de gradiente de presión disponible menos 25 [psi]. Esta profundidad corresponde a la segunda válvula. d) Desde el punto anterior, trazar una línea horizontal hasta intersectar la línea de gradiente de presión de flujo arriba del punto de inyección. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas balanceadas de BNC e) Reducir la presión en 25 [psi] del punto de intersección determinado en el paso anterior y trazar hacia abajo la línea de gradiente de presión del gas de inyección. f) Trazar una línea horizontal a la izquierda desde la posición de la válvula 2 hasta intersectar la línea de gradiente de flujo arriba del punto de inyección. g) Desde este punto, trazar una línea paralela al gradiente de fluido de control, hasta intersectar la nueva línea de gradiente de gas determinado en el paso (e); esta profundidad corresponde a la tercera válvula. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas balanceadas de BNC h) Repetir el procedimiento descrito en los pasos e, f y g, hasta alcanzar el punto de inyección del gas. i) Colocar una o dos válvulas abajo del punto de inyección, previendo posibles reducciones en la presión media del yacimiento así como cambios en la productividad del pozo. i) Determinar el diámetro del orificio,. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas balanceadas de BNC k) Trazar la línea de gradiente geotérmico desde la temperatura de flujo en la superficie hasta la temperatura de flujo en el fondo del pozo. l) Determinar la temperatura correspondiente a la profundidad de colocación de cada válvula . m) Determinar la P so de cada válvula, disminuyendo en 25 [psi] la presión entre válvula y válvula, iniciando para la primera con un valor igual a 25 [psi] abajo de la presión disponible del gas de inyección. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas balanceadas de BNC n) Determinar la presión de calibración del domo a 60 [ºF]. o) Preparar una tabla final indicando: • Número de válvula • Profundidad • Temperatura • P so (presión superficial) • P vo (presión de apertura de la válvula) • Presión del domo, P d Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas balanceadas de BNC a) Adicionar 200 [psi] a la presión en la TP fluyendo en la cabeza del pozo y marcar este punto a la profundidad de cero. Trazar una línea recta desde este punto, al correspondiente punto de inyección de gas; esta línea representa la presión en la TP de diseño. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC Después de determinar el punto de inyección, el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas en una instalación de BN se determina de la siguiente manera: b) Trazar la línea de gradiente de fluido de control, partiendo de una presión de cero o de la presión fluyendo en la boca del pozo, ya sea que éste descargue al quemador o al separador, hasta intersectar la línea de gradiente que corresponde a la presión disponible del gas de inyección; este punto determina la profundidad de la primera válvula. c) Trazar una línea horizontal, desde el punto determinado en el paso anterior, hasta intersectar la línea que corresponde a la presión en la TP de diseño. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC d) Desde la intersección anterior, trazar una paralela a la línea de gradiente del fluido de control hasta intersectar la línea correspondiente a la presión de operación del gas de inyección. Este punto determina la profundidad de la segunda válvula. e) Repetir el procedimiento anterior entre la presión en TP de diseño y la presión de operación del gas de inyección, hasta alcanzar el punto de inyección. f) Trazar el gradiente geotérmico entre la temperatura en la boca del pozo y la temperatura del fondo. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC g) Determinar la presión en TP de cada válvula a la profundidad correspondiente. g) Tabular la presión en TP de diseño y la presión fluyendo en TP real para cada válvula a la profundidad correspondiente. h) Fijar la presión superficial de apertura de la primera válvula 50 [psi] debajo de la presión disponible del gas de inyección. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC j) Seleccionar las presiones superficiales de apertura del resto de las válvulas, dejando una diferencia de 10 [psi] entre válvula y válvula, en forma decreciente y partiendo de la presión superficial de apertura de la primera válvula. k) Determinar la presión de apertura de cada válvula (P vo ) a la profundidad correspondiente, sumándole el peso de la columna de gas a cada válvula l) Utilizando la presión en la TP de diseño, la presión de apertura de cada válvula y el diámetro del orificio seleccionado, calcular la presión de cierre frente a la válvula (P vc ), la cual es también la presión del domo. Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC m)Determinar la presión del domo de cada válvula a 60 u 80 [°F]. n) Calcular la presión de apertura en el probador (taller) para cada válvula de 60 [°F] utilizando la siguiente expresión: o) Determinar la presión de apertura (P vo ) de cada válvula a la profundidad correspondiente, utilizando la expresión de flujo real en la TP: R R P P P t d vo ÷ ÷ = 1 R F P P d tro ÷ ° = 1 60 @ Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC p) Determinar la presión superficial de apertura de cada válvula bajo condiciones reales de operación, previendo que no habrá interferencia entre válvulas. q) Hacer cualquier ajuste necesario. r) Presentar en una tabla los siguientes resultados: Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC • Número de válvula • Número de válvula • Profundidad • Presión en TP diseño (P t diseño ) • Presión en TP fluyendo (P t real ) • P so (diseño) • P vo (diseño) P d @ T v P sc P d @ 60 [°F] P tro P so (real) P vo (real) Procedimiento gráfico para el espaciamiento de las válvulas desbalanceadas de BNC 1. Calcular el espaciamiento de válvulas y mostrar una tabla de resultados para una instalación de BNC con válvulas balanceadas, dados los siguientes datos: Ejemplo 800 [lb/pg 2 ] 35 °API Presión superficial del gas de inyección= Densidad del aceite = q o = P ws = IP = | TP = Profundidad media del intervalo disparado = Densidad del gas de inyección = P th = Temperatura superficial = Temperatura en el fondo del pozo = Gradiente del fluido de control = 800 [bpd] 2500 [lb/pg 2 ] 2 [bpd/ lb/pg 2 ] 2 ⅜[pg] d.e. 8000 [pie] 0.65 100 [lb/pg 2 ] 100 [°F] 200 [°F] 0.45 [lb/pg 2 /pie] a)Presión de fondo fluyendo: | | 2 / 2100 2 800 2500 pg lb P IP q P P P P q IP wf o ws wf wf ws o = ÷ = ÷ = ¬ ÷ = b) Gradiente estático y gradiente fluyendo abajo del punto de inyección: Para una densidad de 35 °API y con 0 % de agua, se obtiene un gradiente de 0.368 [psi/pie] (figura 3K). | | | | pie dinámico Nivel pie estático Nivel 48 . 2293 368 . 0 2100 8000 52 . 1206 368 . 0 2500 8000 = | | . | \ | ÷ = = | | . | \ | ÷ = solución c)Gradientes de gas a la presión de operación y a la presión disponible: De la gráfica 3A-1 | | | | | | | | F 149 2 100 8000 6 . 1 70 100 2 100 d profundida 6 . 1 70 100 T d profundida de pie 1000 cada por pg / lb 19 P : tiene se , 65 . 0 con y pg / lb 800 Con calculada 2 g 2 ° = ( ¸ ( ¸ | . | \ | + + = ( ¸ ( ¸ | . | \ | + + = = A = ¸ - solución ( ) ( ) | | | | | | | | | | ( ) | | | | pie cada por pg lb P pie pg lb P una tiene se con y pg lb Con pie pg lb T T P P corregida g real calculada leída corregida 1000 / 17 . 21 460 150 460 149 2 . 21 1000 / 2 . 21 , 65 . 0 / 900 1000 / 97 . 18 460 150 460 149 19 460 460 2 2 2 2 = | . | \ | + + = A = A = - = | . | \ | + + = | . | \ | + + A = A ¸ solución Entonces, las líneas de gradiente del gas son: Profundidad [pie] P so [psi] P disp [psi] 0 800 900 1000 818.97 921.17 2000 837.94 942.33 3000 856.91 963.50 4000 875.88 984.66 5000 894.84 1005.83 6000 913.81 1026.99 7000 932.78 1048.16 8000 951.75 1069.32 solución d)Línea de gradiente del fluido de control: grad Fc = 0.45 [psi/pie] Presión=P wh +(grad Fc )* (profundidad) Profundidad [pie] P [psi] 0 100 250 212.5 500 325.0 750 437.5 1000 550.0 1250 662.5 1500 775.0 1750 887.5 2000 1000.0 solución e)Restándole 100 [psi] al punto de balance, se obtiene el punto de inyección, el cual está a una profundidad de 4300 [pie]. f) Presión de apertura de cada válvula a la profundidad correspondiente (P vo ) y presión de calibración del domo (P d ): | | | | | | pie 1000 lb/pg 20.7 : , 65 . 0 / 875 : 1 2 2 = A = = - P tiene se con y pg lb P Con Válvula g so ¸ solución | | | | F T F T real calculada ° = + = ° = ( ¸ ( ¸ | . | \ | + + = 9 . 111 2 75 . 123 100 8 . 99 2 100 1850 6 . 1 70 100 ( ) | | | | 2 2 / 48 . 912 48 . 37 875 / 48 . 37 1850 460 9 . 111 460 8 . 99 1000 7 . 20 pg lb P P P pg lb P corregida so vo corregida = + = A + = = | . | \ | + + | . | \ | = A solución | | | | | | | | 2 / 99 . 802 ) 48 . 912 )( 8850 . 0 ( , ) 75 . 123 @ )( ( 75 . 123 @ 60 @ 8800 . 0 , 1 . 30 pg lb P Entonces F P C P F P F P C C tabla la De d vo t d vo d t t = = ° = ¬ ° ° = = solución g) Cálculo del gasto de gas: q gi = (RGAI)q o Suponiendo una RGA de inyección de 400 [pie 3 /bl] q gi = (400)*800 = 320 000 [pie 3 /día] Factor de corrección del gasto de gas de inyección: F c = 0.0544(¸ g *T) 0.5 = 0.0544[0.65(153.75+460)] 0.5 F c = 1.086554039 Entonces, el gasto de gas de inyección corregido es: q gic = (320 000)(1.086554039) = 347697.2925 [pie 3 /día] solución ( ) | | | | pg pg A C A C d d 16 3 64 11 022123906 . 0 4 64 022123906 . 0 66 . 880 800 66 . 880 800 ) 1 26 . 1 )( 460 75 . 153 )( 65 . 0 ( ) 26 . 1 ( 34 . 64 ) 66 . 880 ( 500 155 2925 . 347697 5 . 0 5 . 0 26 . 1 1 26 . 1 26 . 1 2 ~ ~ ( ¸ ( ¸ = ¬ = ¦ ) ¦ ` ¹ ¦ ¹ ¦ ´ ¦ ( ( ¸ ( ¸ | . | \ | ÷ | . | \ | ÷ + = + | t | h) Diámetro del orificio. Relación de calores específicos, con T PI = 153.75 [°F] ¸ g = 0.65, se obtiene que k = 1.26 (figura 2.20A) solución g) Resultados Válvula Profundidad [pie] T [°F] P so [psi] AP correg [psi] P vo [psi] C t P d [psi] 1 1850 123.75 875 37.48 912.48 0.8800 802.99 2 3100 138.75 850 60.97 910.97 0.8555 779.34 3 3900 148.75 825 74.99 899.99 0.8400 755.99 4 4300 153.75 800 80.66 880.66 0.8325 733.15 5 4550 156.90 775 83.17 858.17 0.8270 709.70 solución 1206.52 Nivel Estático 2293.48 Nivel Dinámico Gradiente Estático 2500 2100 Gradiente Fluyendo abajo del punto de Inyección Pdisp 900 P so 800 Gradiente del gas de Inyección Punto de Balance Punto de Inyección P th 100 Gradiente Fluyendo Arriba del Punto de Inyección (RGAI=400) Gradiente de Fluido de Control V1 V2 V3 V4 100 [°F] 200 [°F] 100 [°F] 200 [°F] 0 0 500 1000 1000 1500 2000 2500 3000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Presión [psi] VALVULAS BALANCEADAS DE BNC (EJEMPLO) P r o f u n d i d a d [ p i e ] Ejemplo T fondo = AP en la válvula operante = T calculada en el taller = RGAN = 228 [°F] 100 [psi] 60 [°F] 200 [pie 3 /bbl] q o = P disponible = P so = P wh = del gas de inyección = Densidad del fluido de control = | TR = | TP = Profundidad del empacador = T wh = 2000 [bpd] (0 % de agua) 1000 [psi] 950 [pie] 100 [psi] 0.65 0.85 6 ⅝[pg] 2 ⅞[pg] 7990 [pie] 100 [°F] ¸ 4. Diseñar la instalación de BNC considerando la siguiente información adicional: a)Con el IP, obtenido a través de los ejercicios anteriores, se obtiene P wf para un gasto de 2000 [bpd]. | | psi IP q P P o ws wf 2200 5 . 2 2000 3000 = ÷ = ÷ = b) Nivel dinámico y gradiente fluyendo abajo del punto de inyección: Para una densidad relativa del aceite de 0.85 (aproximadamente 35 °API) y con 0 % de agua, se obtiene un gradiente de 0.368 [psi/pie] (figura 3K). | | pie dinámico Nivel 74 . 2021 368 . 0 2200 8000 = | . | \ | ÷ = solución c) Gradientes de gas a la presión de operación y a la presión disponible: | | | | | | | | F T pie pg lb P tiene se con y pg lb Con A gráfica la De calculada g ° = ( ¸ ( ¸ | . | \ | + + = = A = - ÷ 149 2 100 8000 6 . 1 70 100 1000 / 5 . 22 : , 65 . 0 / 950 : 1 3 2 2 ¸ solución ( ) ( ) | | | | | | | | | | ( ) | | | | pie pg lb P pie pg lb P una tiene se con y psi Con pie pg lb T T P P corregida g real calculada leída corregida 1000 / 94 . 22 460 164 460 149 5 . 23 1000 / 5 . 23 , 65 . 0 1000 1000 / 96 . 21 460 164 460 149 5 . 22 460 460 2 2 2 = | . | \ | + + = A = A = - = | . | \ | + + = | . | \ | + + A = A ¸ solución • Presión de operación: Para 0 [pie], P so = 950 [psi] Para 8000 [pie], P so = 950 + (8*21.96) = 1125.67 [psi] • Presión disponible: Para 0 [pie], P disp = 1000 [psi] Para 8000 [pie], P disp = 1000 + (8*22.94) = 1183.48 [psi] Entonces, las líneas de gradiente del gas pueden trazarse de la siguiente manera: solución d) De la intersección del gradiente de presión de operación con el gradiente dinámico se obtiene el punto de balance, 1056.52 [psi]. | | | | | | | | | | | | ( ¸ ( ¸ = | | . | \ | | | . | \ | | | . | \ | | . | \ | ( ¸ ( ¸ ( ¸ ( ¸ = ¬ = pie psi grad Entonces pg pie g lb pie cm cm g cm g Fc Fc Fc 37 . 0 , 12 1 59237 . 453 1 1 48 . 30 85 . 0 85 . 0 85 . 0 2 3 3 3 µ ¸ Restando 100 [psi] al punto de balance sobre la línea de gradiente dinámico, el punto de inyección a 4600 [pie], una presión de 956.52 [psi] solución e) Línea del gradiente del fluido de control: grad Fc = 0.37 [psi/pie] Presión = P wh + (grad Fc )(profundidad) Profundidad [pie] P [psi] 0 100 250 192.5 500 285.0 750 377.5 1000 470.0 1250 562.5 1500 655.0 1750 747.5 2000 840.0 solución Mediante la gráfica se obtienen los siguientes resultados: Válvula Profundidad [pie] T [° F] P t diseño [psi] P t fluyendo [psi] P so diseño [psi] 1 2600 141.25 660.86 528.69 950 2 3560 157.50 800.00 720.00 940 3 4200 166.25 886.95 852.17 930 4 4600 173.13 956.52 956.52 920 solución f) Presión de apertura de cada válvula a la profundidad correspondiente (P vo ): | | | | | | | | | | F T F T pie pg lb P tiene se con y psi P Con Válvula real calculada g so ° = + = ° = ( ¸ ( ¸ | . | \ | + + = = A = = - 6 . 120 2 25 . 141 100 8 . 105 2 100 2600 6 . 1 70 100 1000 / 5 . 22 : , 65 . 0 950 : 1 2 ¸ solución Resultados: Válvula Profundidad [pie] T [°F] P so diseño [psi] AP corregida [psi] P vo diseño [psi] 1 2600 141.25 950 57.01 1007.01 2 3560 157.50 940 76.30 1016.30 3 4200 166.25 930 89.73 1019.73 4 4600 173.13 920 96.46 1016.46 ( ) | | | | psi P P P psi P corregida so vo corregida 01 . 1007 01 . 57 950 01 . 57 2600 460 6 . 120 460 8 . 105 1000 5 . 22 = + = A + = = | . | \ | + + | . | \ | = A solución g) Cálculo del gasto de gas: q gi = (RGAT-RGAN)*q o q gi = (350-200)*2000 = 300 000 [pie 3 /día] Factor de corrección del gasto de gas de inyección: F c =0.0544(¸ g *T) 0.5 =0.0544[0.65(173.13+460)] 0.5 = 1.103575434 Entonces, el gasto de gas de inyección corregido es: q gic = (300 000)(1.103575434) = 331 072.6301 [pie 3 /día] h) Diámetro del orificio. Relación de calores específicos, con T PI = 173.13 [°F] y ¸ g = 0.65, se obtiene que k = 1.255 (figura 2.20A) solución ( ) | | | | pg pg A C A C d d 16 3 64 11 022623441 . 0 4 64 022623441 . 0 46 . 1016 52 . 956 46 . 1016 52 . 956 ) 1 255 . 1 )( 460 13 . 173 )( 65 . 0 ( ) 255 . 1 ( 34 . 64 ) 46 . 1016 ( 500 155 6301 . 331072 5 . 0 5 . 0 255 . 1 1 255 . 1 255 . 1 2 ~ ~ ( ¸ ( ¸ = ¬ = ¦ ) ¦ ` ¹ ¦ ¹ ¦ ´ ¦ ( ( ¸ ( ¸ | . | \ | ÷ | . | \ | ÷ + = + | t | solución Haciendo uso de las tablas CAMCO, las válvulas que más se aproximan son las de Seleccionando válvulas AK sin resorte y del diámetro mencionado: | | pg 16 3 09360 . 0 3109 . 0 0291 . 0 : 0291 . 0 3109 . 0 = = = = = R A A R Entonces A y A b p P b solución i) Con los resultados anteriores, puede continuarse con el cálculo de la presión del domo a la temperatura de cada válvula. P d @ T v = P vo diseño (1-R) + (P t diseño )R j) Para obtener la presión superficial de cierre (P sc ), se utiliza la siguiente ecuación: P sc = P d @ T v - AP corregida solución k) Utilizando el factor de corrección por temperatura para cada válvula, se obtiene el valor de la presión de cierre a 60 [°F]. P d @ 60 [°F] = P d @ T V * C t l) Para calcular la presión de apertura en el taller para cada válvula @ 60 [°F] (P tro ) se utiliza la siguiente expresión: | | R 1 F 60 @ P P d tro ÷ ° = solución m) Para determinar la presión de apertura de cada válvula a la profundidad correspondiente, se hace mediante la ecuación: n) La presión superficial de apertura de cada válvula bajo condiciones reales de operación se calcula mediante la siguiente expresión: R P R T P P fluyendo t v d real vo ÷ ÷ = 1 @ corregida real vo real so P P P A ÷ = solución P vo diseño [psi] P d @ T v [psi] P sc [psi] P d @ 60 [°F] [psi] P tro [psi] P vo real [psi] P so real [psi] 1007.01 974.61 917.60 830.37 916.12 1020.66 963.65 1016.30 996.05 919.75 823.24 908.25 1024.56 948.26 1019.73 1007.30 917.57 819.94 904.61 1023.32 933.59 1016.46 1010.85 914.39 813.73 897.76 1016.46 920 Válvul a Profundidad [pie] T [° F] P t diseño [psi] P t fluyendo [psi] P so diseño [psi] AP corregida [psi] 1 2600 141.25 660.86 528.69 950 57.01 2 3560 157.50 800.00 720.00 940 76.30 3 4200 166.25 886.95 852.17 930 89.73 4 4600 173.13 956.52 956.52 920 96.46 Resultados Nivel Dinámico 2200 P so 950 Gradiente del gas de Inyección P disp Presión en la TP de Diseño Presión en la TP fluyendo real (RGAT=350) Pwh Gradiente de Fluido de Control Punto de Inyección Punto de Balance V1 V2 V3 V4 Para obtener las Temperaturas 100 [°F] 200 [°F] 100 [°F] 200 [°F] T v1 T v2 T v3 T v4 Para Obtener Pt diseño para cada válvula Para obtener la Pt real para cada válvula 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 100 300 500 10000 1500 2000 2500 3000 Presión [psi] P r o f u n d i d a d [ p i e ] VALVULAS DESBALANCEADAS DE BNC (EJEMPLO) Mediante el análisis de las presiones superficiales de la tubería de revestimiento y la tubería de producción, pueden diagnosticarse muchos problemas. Permiten corregir esos problemas sin necesidad de registros subsuperficiales o reparaciones al aparejos de producción. Las gráficas pueden usarse para instalaciones de bombeo neumático continuo o intermitente. Diagnóstico de Fallas Es posible determinar: a) Secuencia de descarga. b) Operación de la válvula. c) Válvula permanentemente abierta. d) Fuga en el aparejo de producción. e) Incremento excesivo de la presión en la Tr durante la inyección. f) Apertura de una o más válvulas por ciclo de inyección. g) Apertura y cierre de la válvula operante en flujo continuo. Diagnóstico de Fallas Con las presiones superficiales en TR y TP se puede determinar: a) Fuga en el asiento de la válvula motora del control de tiempo. b) Falla mecánica del sistema de relojería. c) Congelamiento en la línea de inyección de gas. d) Pérdida de presión en la línea de inyección. e) Volumen de gas de inyección inadecuado en el sistema. f) Excesiva contrapresión en la cabeza del pozo. Diagnóstico de Fallas g) Pérdida de presión en la línea de inyección. h) Volumen de gas de inyección inadecuado en el sistema. i) Excesiva contrapresión en la cabeza del pozo. j) Pozo fluyendo durante la inyección. k) Cabeceo de flujo continuo. Una instalación de BN siempre debe contar con un registrador de flujo. Diagnóstico de Fallas A b = área efectiva del fuelle, [pg 2 ] A p = área del asiento de la válvula, [pg 2 ] P b = presión interna del domo de la válvula a la temperatura base, [psi] P c = presión en la TR requerida para abrir la válvula bajo condiciones de operación, [psi] P d = presión interna del domo de la válvula a la temperatura de operación, [psi] P g = presión del gas de inyección en el espacio anular frente a la válvula, [psi] P o = presión de apertura de la válvula en el probador a la temperatura base, [psi] Nomenclatura P sc = presión del gas de inyección en la superficie para cerrar la válvula, [psi] P so = presión del gas de inyección en la superficie para abrir la válvula, [psi] P st = presión equivalente causada por la fuerza del resorte aplicada sobre el área (A b - A v ), [psi] P t = presión en la TP frente a la válvula, [psi] P tro = presión de apertura de la válvula en el taller, [psi] P vo = presión del gas de inyección frente a la válvula en el momento de abrir, [psi] Nomenclatura P vc = presión del gas de inyección frente a la válvula en el momento de cerrar, [psi] T = temperatura base de calibración de las válvulas en el probador a 60 u 80 [°F] T v = temperatura de operación de la válvula dentro del pozo, [°R] Z = factor de desviación del gas utilizado en el domo de la válvula @ P b y T Z v = factor de desviación del gas utilizado en el domo de la válvula @ P bT y T v Nomenclatura