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Unidad 2 El Sistema de Produccin
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UNIDAD 2
El Sistema de Produccin El Anlisis Nodal es una tcnica de
anlisis en la cual a determinados componentes de un sistema de
produccin, definidos como nodos, se le aplican mtodos de balance
para evaluar su desempeo y optimizar el funcionamiento del sistema
en su totalidad. Para el Anlisis Nodal, un sistema de produccin
incluye todos los elementos involucrados en el flujo de los fluidos
desde la formacin hasta superficie, a saber: presin esttica del
yacimiento, comportamiento de afluencia - curva IPR - , esquemas de
completamiento particulares en el pozo, flujo a travs del tubing
que incluye restricciones de fondo y vlvulas de seguridad, y flujo
a travs de estrangulador superficial, lneas superficiales,
facilidades de superficie, separador, etc.
En un sistema de produccin se puede presentar algunas de las
siguientes situaciones: El sistema, en su totalidad, est
funcionando por debajo de la capacidad esperada. Las lneas pueden
estar expuestas a depositaciones que disminuyen su capacidad de
flujo. Las lneas y tuberas utilizadas pueden ser muy grandes muy
pequeas para el caudal
producido. Se desea analizar la variacin de produccin con
posibles cambios en la presin del separador. Se desea disear un
sistema de completamiento y se quiere probar diferentes
alternativas
incluyendo diferentes densidades de caoneo de la formacin. El
deterioro de un empaque de grava presenta excesiva prdida de presin
a travs de l. Pozos con una alta relacin gas - lquido pueden
requerir anlisis cuidadosos usando la tcnica
de Anlisis Nodal para la seleccin final de un tamao de
estrangulador a utilizar. Se desea realizar una comparacin entre la
habilidad del sistema para manejar fluido y la
capacidad de produccin de la arena - formacin. Se puede
necesitar una evaluacin del efecto de un posible proceso de
estimulacin en la
produccin real del pozo. Se quiere evaluar el beneficio real de
un levantamiento artificial en el caudal a producir. Pero, adems el
Anlisis Nodal posee diversidad de aplicaciones, entre las cuales:
El Anlisis Nodal permite establecer condiciones bajo las cuales el
pozo dejar de fluir. Con la evaluacin de las diversas combinaciones
de los componentes de un sistema de
produccin se puede definir la rata y el caudal de flujo ms
econmico. El Anlisis Nodal suministra alternativas rpidas para
incrementar la produccin. El Anlisis Nodal se puede utilizar como
una herramienta de diagnostico que facilita observar
problemas cuando las condiciones de flujo son inferiores a las
obtenidas en las predicciones. Para realizar un Anlisis Nodal se
seleccionan posiciones - nodos - en forma arbitraria y de estas,
las ms comunes se detallan en la Figura 20 y se relacionan: Fondo
del Pozo - centro del intervalo productor - : se puede aislar el
efecto de la variacin de la
curva IPR. Cabezal del pozo - centro del Sistema de Produccin-:
se pueden analizar los efectos de la lnea
de flujo de la tubera de produccin en forma independiente.
Configuraciones de completamiento: permite evaluar el efecto de
densidad de caoneo,
empaquetamientos con grava, completamiento estndar, etc.
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Solucin en el separador: se analizan diversos valores de presin
del separador sobre la produccin.
Otras posiciones tales como: estranguladores superficiales,
vlvulas de seguridad, puntos de
conexin en sartas combinadas y restricciones de fondo. Se debe
conocer, entonces, la forma de agrupar y asociar los grupos de
componentes involucrados en el flujo de un pozo para encontrar una
solucin grfica en un punto nodal. El objetivo de la tcnica de
Anlisis Nodal es confrontar el desempeo de los diversos componentes
que intervienen en la produccin de fluido desde la formacin hasta
el separador con el objetivo de
encontrar las condiciones ptimas del funcionamiento del sistema
de produccin total. Cada uno de los sitios asociados con una prdida
de presin se puede seleccionar como nodo solucin y representa el
punto de convergencia elegido para realizar el balance y analizar
comportamientos, caudales y presiones. Para la seleccin se
considera las variables para asociar y las que se desean
aislar.
Los nodos se clasifican como: nodo simple nodo funcional. El
nodo funcional se identifica como aquel que introduce una cada de
presin adicional al sistema de flujo y generalmente equivale a un
dispositivo mecnico restriccin de flujo. Al nodo funcional est
asociada una relacin analtica emprica la cual simula el diferencial
de presin que sucede a travs de l. Dos nodos tienen significado
relevante, nodo en el separador y nodo en la presin esttica de la
formacin. El nodo en el separador representa la presin de trabajo
del separador, la cual en general es fija y definida con criterios
de diseo de las facilidades en superficie y por lo tanto no flucta
con los cambios en caudal lquido. El nodo en la presin de la
formacin, por otra parte, representa una caracterstica del
yacimiento y por lo tanto su valor no depende de la variacin del
caudal. Ambos nodos, en consideracin, representan el punto de
partida para iniciar los clculos y resolver el anlisis en un nodo
seleccionado.
2.1 El Sistema de produccin y sus componentes. El sistema de
produccin est formado por el
yacimiento, la completacin, el pozo y las lneas de flujo en la
superficie. El yacimiento es una o varias unidades de flujo del
subsuelo creadas e interconectadas por la naturaleza, mientras que
la completacin (perforaciones caoneo), el pozo y las facilidades de
superficie es infraestructura construida por el hombre para la
extraccin, control, medicin, tratamiento y transporte de los
fluidos hidrocarburos extrados de los yacimientos.
2.2 Proceso de produccin. El proceso de produccin en un pozo de
petrleo, comprende el
recorrido de los fluidos desde el radio externo de drenaje en el
yacimiento hasta el separador de produccin en la estacin de flujo.
En la figura se muestra el sistema completo con cuatro componentes
claramente identificados: Yacimiento, Completacin, Pozo, y Lnea de
Flujo
Superficial. Existe una presin de partida de los fluidos en
dicho proceso que es la presin esttica del yacimiento, Pws, y una
presin final o de entrega que es la presin del separador en la
estacin de flujo, Psep.
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Fig. 20 Descripcin del recorrido de la presin desde el
yacimiento hasta el separador.
Transporte en el yacimiento: El movimiento de los fluidos
comienza en el yacimiento a una
distancia re del pozo donde la presin es Pws, viaja a travs del
medio poroso hasta llegar a la cara de la arena o radio del hoyo,
rw, donde la presin es Pwfs. En este mdulo el fluido pierde energa
en la medida que el medio sea de baja capacidad de flujo (Ko.h),
presente restricciones en la
ras mas grande sea el hoyo mayor ser el rea de comunicacin entre
el yacimiento y el pozo aumentando el ndice de productividad del
pozo. La perforacin de pozos horizontales aumenta sustancialmente
el ndice de productividad del pozo.
Transporte en las perforaciones: Los fluidos aportados por el
yacimiento atraviesan la completacin que puede ser un revestidor de
produccin cementado y perforado, normalmente utilizado en
formaciones consolidadas, o un empaque con grava, normalmente
utilizado en formaciones poco consolidadas para el control de
arena. En el primer caso la prdida de energa se debe a la
sobrecompactacin o trituracin de la zona alrededor del tnel
perforado y a la longitud de penetracin de la perforacin; en el
segundo caso la perdida de energa se debe a la poca rea expuesta a
flujo. Al atravesar la completacin los fluidos entran al fondo del
pozo con una presin Pwf.
Transporte en el pozo: Ya dentro del pozo los fluidos ascienden
a travs de la tubera de
produccin venciendo la fuerza de gravedad y la friccin con las
paredes internas de la tubera. Llegan al cabezal del pozo con una
presin Pwh. Transporte en la lnea de flujo superficial: Al salir
del pozo si existe un reductor de flujo en el
cabezal ocurre una cada brusca de presin que depender
fuertemente del dimetro del orificio del reductor, a la descarga
del reductor la presin es la presin de la lnea de flujo, Plf, luego
atraviesa la lnea de flujo superficial llegando al separador en la
estacin de flujo, con una presin igual a la presin del separador
Psep, donde se separa la mayor parte del gas del petrleo.
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En las siguientes figuras se presentan los componentes del
sistema de una manera ms detallada as como el perfil de presin en
cada uno de ellos.
Fig. 21 Componentes del sistema desde el pozo hasta el tanque de
almacenamiento.
Fig. 22 Perfil de presiones desde el rea de drenaje hasta el
tanque de almacenamiento.
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La perdida de energa en forma de presin a travs de cada
componente, depende de las caractersticas de los fluidos producidos
y, especialmente, del caudal de flujo transportado en el
componente. 2.3 Capacidad de produccin del sistema. La perdida de
energa en forma de presin a travs de cada componente, depende de
las caractersticas de los fluidos producidos y, especialmente, del
caudal de flujo transportado, de tal manera que la capacidad de
produccin del sistema responde a un balance entre la capacidad de
aporte de energa del yacimiento y la demanda de energa de la
instalacin para transportar los fluidos hasta la superficie.
La suma de las prdidas de energa en forma de presin de cada
componente es igual a la prdida total, es decir, a la diferencia
entre la presin de partida, Pws, y la presin final, Psep:
Pws Psep = Py + Pc + Pp + Pl/f Donde:
Py = Pws Pwfs = Cada de presin en el yacimiento, (IPR). Pc =
Pwfs Pwf = Cada de presin en la completacin, (Jones, Blount &
Glaze) Pp = Pwf Pwh = Cada de presin en el pozo (FMT vertical) Pl/f
= Pwh Psep = Cada de presin en la lnea de flujo (FMT
horizontal)
Tradicionalmente el balance de energa se realiza en el fondo del
pozo, pero la disponibilidad actual de simuladores del proceso de
produccin permite establecer dicho balance en otros puntos (nodos)
de la trayectoria del proceso de produccin: cabezal del pozo,
separador, etc. Para realizar el balance de energa en el nodo se
asumen convenientemente varias tasas de flujo y para cada una de
ellas, se determina la presin con la cual el yacimiento entrega
dicho caudal de flujo al nodo, y la presin requerida en la salida
del nodo para transportar y entregar dicho caudal en el separador
con una presin remanente igual a Psep. Por ejemplo, s el nodo esta
en el fondo del pozo:
Presin de llegada al nodo: Pwf (Oferta) = Pws - Py - Pc Presin
de llegada al nodo: Pwf (Demanda) = Psep + Pl/f + Pp
Fig. 23 Balance de energa colocando el nodo en el fondo del
pozo.
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En cambio, si el nodo esta en el cabezal del pozo:
Presin de llegada al nodo: Pwh (Oferta) = Pws - Py - Pc - Pp
Presin de llegada al nodo: Pwh (Demanda) = Psep + Pl/f
Fig. 24 Balance de energa colocando el nodo en la superficie del
pozo.
Curvas de oferta y demanda de energa en el fondo del pozo:
Curvas VLP / IPR. La
representacin grfica de la presin de llegada de los fluidos al
nodo en funcin del caudal o tasa de produccin se denomina Curva de
Oferta de energa del yacimiento (Inflow Curve), y la representacin
grfica de la presin requerida a la salida del nodo en funcin del
caudal de produccin se denomina Curva de Demanda de energa de la
instalacin (Outflow Curve). Si se elige el fondo del pozo como el
nodo, la curva de oferta es la IPR (Inflow Performance
Relationships) y la de demanda es la VLP (Vertical Lift
Performance).
Fig. 25 Curvas de oferta y demanda de energa en el fondo del
pozo.
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Cmo realizar el balance de energa? El balance de energa entre la
oferta y la demanda puede
obtenerse numrica o grficamente. Para realizarlo numricamente
consiste en asumir varias tasas de produccin y calcular la presin
de oferta y demanda en el respectivo nodo hasta que ambas
presiones se igualen, el ensayo y error es necesario ya que no
se puede resolver analticamente por la complejidad de las formulas
involucradas en el clculo de las Ps en funcin del caudal de
produccin.
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Para obtener grficamente la solucin, se dibujan ambas curvas en
un papel cartesiano y se
obtiene el caudal donde se interceptan. La figura muestra el
procedimiento paso a paso:
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Fig. 26. Capacidad de produccin del Sistema.
Para obtener la curva de oferta en el fondo del pozo es
necesario disponer de un modelo matemtico que describa el
comportamiento de afluencia de la arena productora, ello permitir
computar Py y adicionalmente se requiere un modelo matemtico para
estimar la cada de presin a travs del caoneo o perforaciones (Pc) y
para obtener la curva de demanda en el fondo del pozo es necesario
disponer de correlaciones de flujo multifsico en tuberas que
permitan predecir aceptablemente Pl/f y Pp.
Optimizacin Global del Sistema. Una de las principales
aplicaciones de los simuladores del
proceso de produccin es optimizar globalmente el sistema lo cual
consiste en eliminar o minimizar las restricciones al flujo tanto
en superficie como en el subsuelo, para ello es necesario la
realizacin de mltiples balances con diferentes valores de las
variables ms importantes que intervienen en el proceso, para luego,
cuantificar el impacto que dicha variable tiene sobre la capacidad
de produccin del sistema.
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Fig. 27. Curva de oferta y demanda. La tcnica puede usarse para
optimizar la completacin del pozo que aun no ha sido perforado, o
en pozos que actualmente producen quizs en forma ineficiente. Para
este anlisis de sensibilidad la seleccin de la posicin del nodo es
importante ya que a pesar de que la misma no modifica la capacidad
de produccin del sistema, si interviene en el tiempo de ejecucin
del simulador. El nodo debe colocarse justamente antes (extremo
aguas arriba) o despus (extremo aguas abajo) del componente donde
se modifica la variable. Por ejemplo, si se desea estudiar el
efecto que tiene el dimetro de la lnea de flujo sobre la produccin
del pozo, es ms conveniente colocar el nodo en el cabezal o en el
separador que en el fondo del pozo. La tcnica comercialmente recibe
el nombre de Anlisis Nodal (Nodal Systems AnalysisTM) y puede
aplicarse para optimar pozos que producen por flujo natural o por
levantamiento artificial. Mtodos de produccin: Flujo Natural y
Levantamiento Artificial. Cuando existe una tasa de produccin donde
la energa con la cual el yacimiento oferta los fluidos, en el nodo,
es igual a la energa demandada por la instalacin (separador y
conjunto de tuberas: lnea y tubera de produccin) sin necesidad de
utilizar fuentes externas de energa en el pozo, se dice entonces
que el pozo es capaz de producir por FLUJO NATURAL. A travs del
tiempo, en yacimientos con empuje hidrulico, los pozos comienzan a
producir con altos cortes de agua la columna de fluido se har ms
pesada y el pozo podra dejar de producir. Similarmente, en
yacimientos volumtricos con empuje por gas en solucin, la energa
del yacimiento declinar en la medida en que no se reemplacen los
fluidos extrados trayendo como consecuencia el cese de la produccin
por flujo
natural.
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Fig. 28 Sensibilidades de la curva de demanda con empuje
hidrulico y gas en solucin.
Cuando cesa la produccin del pozo por flujo natural, se requiere
el uso de una fuente externa de energa para lograr conciliar la
oferta con la demanda; la utilizacin de esta fuente externa de
energa en el pozo con fines de levantar los fluidos desde el fondo
del pozo hasta el separador es lo que se denomina mtodo de
LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL.
Fig. 29 Sensibilidades de la curva de demanda con LAG Y bomba.
Entre los mtodos de Levantamiento Artificial de mayor aplicacin en
la Industria Petrolera se encuentran: el Levantamiento Artificial
por Gas (L.A.G), Bombeo Mecnico (B.M.C) por cabillas de succin,
Bombeo Electro-Centrifugo Sumergible (B.E.S), Bombeo de Cavidad
Progresiva (B.C.P) y
Bombeo Hidrulico tipo Jet ( B.H.J).
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Fig. 30 Mtodos de Levantamiento Artificial. El objetivo de los
mtodos de Levantamiento Artificial es minimizar los requerimientos
de energa en la cara de la arena productora con el objeto de
maximizar el diferencial de presin a travs del yacimiento y
provocar, de esta manera, la mayor afluencia de fluidos sin que
generen problemas de produccin: migracin de finos, arenamiento,
conificacin de agua gas, etc.
Fig. 31 Optimizacin de las curvas de oferta y demanda.
