Escrito por 11:50 pm Artículos de Opinión

Estrangulador Superficial

Aunque las principales pérdidas de presión del Sistema Integral de Producción ocurren en el yacimiento, el pozo y la tubería de descarga, la pérdidas de presión en las restricciones puede ser sustanciales en algunos pozos.

Los principales tipos de restricciones son:

  1. Válvulas de seguridad subsuperficiales (SSSV’s por sus siglas en inglés).
  2. Estrangulador de superficie o fondo de pozo.
  3. Válvulas y accesorios.

Las pérdidas que ocurren en los SSSV y los accesorios de la tubería no se pueden evitar, pero la caída de presión a través de un estrangulador de superficie se puede eliminar para obtener la máxima capacidad de producción de un pozo.

Estrangulador de superficie

Un estrangulador es una herramienta cuya función es la de restringir el paso de un fluido bajo presión, con el objeto de controlar el flujo de fluidos del pozo en las cantidades deseadas y con esto:

  • Ejercer la contrapresión suficiente para evitar la entrada de arena en el pozo o la conificación de agua.
  • Conservar la energía del yacimiento, asegurando una declinación más lenta de su presión.
  • Proteger el equipo superficial y subsuperficial.

Figura 2. Esquema de un estrangulador positivo en cabeza de pozo. Modificado de Guo, B. (2011)

Se observa en la Figura 2 que es el componente principal del árbol de navidad (Christmas Tree) y se puede clasificar como:

  • Válvula de estrangulamiento ajustable: está diseñada para ajustar el área efectiva disponible, para que el flujo controle la cantidad de producción, mediante la rotación de la rueda manual, mostrado en la Figura 3.
  • Válvula de estrangulamiento positiva: está diseñada para controlar la cantidad de producción a través de un diámetro fijo que controla la velocidad del flujo.

La norma API 6A specification for wellhead and christmas tree equipment especifica y da recomendaciones para el diseño, materiales, pruebas y demás consideraciones pertinentes.

Figura 3. Representación de una válvula de estrangulamiento ajustable. Modificado de Guo, B. (2011)

Regímenes de flujo en un estrangulador

El flujo a través de una restricción puede ser crítico (sónico) o subcrítico (subsónico). Si el flujo es crítico, una alteración de la presión aguas abajo de la restricción no tendrá efecto sobre el flujo a través de la restricción o la presión aguas arriba. Dado que uno de los propósitos principales de un estrangulador es controlar la velocidad de flujo, generalmente se dimensionará para que exista un flujo crítico.

Figura 4. Una curva de rendimiento típica del estrangulador. Modificado de Guo, B. (2011).

Una regla general para distinguir entre flujos críticos y subcríticos establece que si la relación de presión aguas abajo a presión aguas arriba es menor o igual a 0.5, entonces el flujo será crítico. Esta es una aproximación más cercana para el gas monofásico que para el flujo de dos fases. Algunos ingenieros usan 0,6 o 0,7 como la relación de presión crítica en el flujo de dos fases, aunque la investigación realizada en la Universidad de Tulsa ha demostrado que en algunos casos, la relación debe ser tan baja como 0,3 antes de que el flujo se vuelva crítico.

Las ecuaciones para determinar la relación entre la presión, la velocidad de flujo y el tamaño del estrangulador para el flujo subcrítico y crítico a través de estranguladores se dividen en:

  • Flujo de gas: una ecuación general para flujo a través de restricciones puede ser derivada de combinar la ecuación de Bernoulli con una ecuación de estado. Las pérdidas irreversibles se contabilizan mediante el uso de un coeficiente de descarga (Cd), que depende del tipo de restricción. Mostradas en la ecuación (1) y ecuación (2).

   Para flujo en régimen crítico se utiliza la ecuación (4) y para régimen subcrítico la ecuación (3).

Donde:

qsc = flujo volumétrico de gas

Cn = coeficiente basado en el sistema de unidades, coeficiente de descarga y condiciones estándar

d = diámetro interno del orificio para el flujo de gas

γg = gravedad específica del gas (aire=1), adimensional

= relación de calores específicos, Cp/Cv, adimensional

p= presión aguas arriba del estrangulador, pwh, unidad absoluta

p2 = presión aguas abajo el estrangulador, unidad absoluta

T1 = temperatura aguas arriba del estrangulador, Twh, unidad absoluta

z= factor de compresibilidad a p1 y T1, adimensional

Cs = coeficiente basado en el sistema de unidades

Cd = coeficiente de descarga (empírico), adimensional

Tsc = temperatura estándar base absoluta, unidad absoluta

psc = presión estándar base absoluta, unidad absoluta

y= relación crítica de presiones, adimensional

  • Flujo de dos fases (gas-líquido):La siguiente ecuación puede usarse para determinar la relación entre P1, qL y d para el flujo de gas / líquido en régimen crítico. Estas son ecuaciones empíricas y los coeficientes y exponentes pueden variar de campo a campo o de pozo a pozo.

Donde:

p1 = presión aguas arriba, psia

qL= flujo de líquido, bpd

RGL = relación gas-líquido, pc/bbl

d = diametro del estrangulador, in

Los valores de a, b y c propuestos por diferentes autores están dado en la Tabla 1.

Durante la etapa de explotación de los pozos petroleros es necesario conocer algunas de los parámetros anteriores en condiciones actuales y también tener la posibilidad de mantener un registro e histórico de todas estas, en esta parte la telemetría ha sido de gran ayuda ya que permite el monitoreo de las variables en tiempo real y su registro de forma histórica, lo que permite conocer, evaluar las condiciones del pozo y tomar decisiones más rápidamente. CloudLoggerSCADA™ ofrece múltiples servicios que van más allá del monitoreo, permitiendo explotar al máximo la información obtenida.

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Referencias

[1]  Guo, B. (2011). Petroleum production engineering, a computer-assisted approach. Elsevier.

[2]  Beggs, H. D. (1991). Production optimization using nodal analysis.

 

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Autor: José Ignacio Cruz Reyes

Contacto: ignacio.cruz@dyscoep.com

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