UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA ZONA POZA RICA – TUXPAN “EQUIPOS DE SUPERFICIE Y PRUEBAS DE PRODUCCIÓN A POZOS DE PETRÓLEO.” TESINA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: MARIO CÉSAR HERBERT NIETO DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL ING. CÉSAR IGNACIO VALENCIA GUTIÉRREZ POZA RICA, VER. MAYO DE 2011. 1 INDICE CAPITULO I INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓN NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO ENUNCIACIÓN DEL TEMA EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO CAPÍTULO II DESARROLLO DEL TEMA PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN MARCO CONTEXTUAL MARCO TEÓRICO 3 4 5 7 8 9 11 1.0 EQUIPO DE CONTROL DE FLUJO. 1.1 CABEZAL DE PRUEBA DE SUPERFICIE. 1.2 VÁLVULA DE SEGURIDAD EN SUPERFICIE. 1.3 SISTEMA DE TUBERÍA. 1.4 CABEZAL DE DATOS. 1.5 CHOKE MANIFOLD. 15 21 24 27 28 2.0 EQUIPO DE CONTROL DE PROCESO. 2.1 CALENTADOR EN LÍNEA. 2.2 SEPARADORES. 2.3 ACCESORIOS DE SEGURIDAD DE LOS SEPARADORES. 2.4 MEDIDOR DE FLUJO. 2.5 CONSIDERACIONES DE OPERACIÓN DE SEPARADORES. 36 42 56 61 64 3.0 MEDICIONES DE FLUIDO, GAS. 3.1 MEDICIÓN DEL FLUJO DE GAS. 3.2 LEYES DE LOS GASES. 3.3 APLICACIÓN PRÁCTICA A LA MEDICIÓN DE GAS. 67 77 81 4.0 MEDICIONES DE FLUIDO, LÍQUIDO. 4.1 MEDICIONES DEL FLUJO DE LÍQUIDO. 4.2 PRUEBAS AL AFLUENTE DE POZO. 4.3 PROPORCIONES CORREGIDAS. 4.4 MUESTREO DEL AFLUENTE DE POZO. ANÁLISIS CRÍTICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES 87 89 101 111 114 CAPÍTULO III CONCLUSIONES 116 BIBLIOGRAFÍA ANEXOS 121 122 2 CAPITULO I: INTRODUCCIÓN El Petróleo es un combustible fósil. Se le llama combustible fósil por que se formo de los sobrantes de pequeñas plantas y animales marinos que murieron hace millones de años. Cuando las plantas y animales murieron, se hundieron en el fondo de los oceanos. Fueron enterrados por miles de pies de arena y sedimento de lodo. A traves del tiempo esta mezcla orgánica estuvo sujeta a enorme presión y calor a medida que las capas aumentaban. La mezcla cambia quimicamente, desdoblándose en compuestos hechos de átomos de carbono e hidrogeno – hidrocarbonos. Finalmente una roca de petróleo insaturado (muy parecido a una esponja casera) se formo. Todos los materiales orgánicos no se convierten en petróleo. Deben existir ciertas condiciones geológicas con las rocas ricas en petróleo. Primero, debe ser una roca no porosa de atrape que prevenga que el petróleo se filtre al exterior y un sello (como sal o arcilla) que no permita que el petróleo se suba a la superficie. Aun bajo estas condiciones, solamente cerca del 2% del material orgánico se transforma en petróleo. Un reservorio típico es principalmente de arenisca o piedra caliza en la cual el petróleo es atrapado. El petróleo puede ser tan delgado como la gasolina o tan espeso como la brea. Puede ser casi transparente o negro. El petróleo es llamado una fuente de energía no renovable porque toma millones de años en formarse. No podemos hacer más petróleo en un corto tiempo. 3 JUSTIFICACIÓN Una prueba de pozo se describe como la medición, bajo condiciones controladas, de todos los factores relacionados con la producción de crudo y gas y agua de un pozo en un dado lapso de tiempo. Las pruebas de pozo ayudan en la predicción de las capacidades de producción y las tendencias. A partir de esta información se toman decisiones importantes, tales como métodos de producción, programas de recuperación secundaria, y desarrollos en perforación. Los organismos de regulación pueden utilizar los resultados de la prueba para establecer si cancelan proyectos asignados y como base para los impuestos. Los encargados de realizar las pruebas en el pozo tienen la responsabilidad de suministrar datos precisos y completos del comportamiento del reservorio. Debido a que el único propósito del ejercicio de prueba es reunir información, el equipo esencial del sistema de prueba es el medio de obtener: Temperaturas Presiones Ratas Volúmenes Muestras El equipo de superficie utilizado para realizar una prueba de pozo es una combinación única de componentes que suministran control del pozo, procesamiento al efluente del pozo, análisis y desechos. La combinación exacta de los componentes necesarios para alcanzar estas metas depende de las condiciones del pozo y los requerimientos de la prueba. Una característica vital del equipo de prueba en superficie (STE) es la flexibilidad. Un extenso rango de tipos de equipos y capacidades están disponibles para suministrar un sistema engranado eficientemente con los requerimientos del cliente. Las operaciones de prueba de pozo tratan con fluidos altamente inflamables a alta presión y temperaturas. Es por tanto esencial que la instalación y la operación del equipo de prueba de pozo sean manejadas por personal entrenado y ajustado a los procedimientos de seguridad estándar. 4 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO Cuando se realizan pruebas de pozos, hay que tener en consideración los siguientes aspectos: ꉟ Requerimientos de las condiciones dinámicas. ꉟ Tipo y disposición del equipo de superficie para pruebas. ꉟ Equipo necesario para tomar muestras en superficie. ꉟ Requisitos de seguridad. Las pruebas de yacimiento sólo se pueden realizar bajo condiciones dinámicas, lo que significa que hay que perturbar al yacimiento. Esa perturbación se propagará dentro del yacimiento e inducirá cambios en su presión. El cambio de presión se registra en el pozo y las tasas de flujo medidas también en el pozo, se interpretan en conjunto para obtener información sobre los parámetros y la geometría del pozo y del yacimiento. La forma de crear una perturbación de la presión depende de si el yacimiento está produciendo o está inactivo: ꉟ Si el pozo ha permanecido cerrado durante un tiempo prolongado, la mejor manera de crear una perturbación de la presión es haciendo fluir el yacimiento. ꉟ Si el pozo ha estado fluyendo durante largo tiempo, se cierra para crear la perturbación de la presión; esto da lugar a la prueba de incremento de presión. También se puede crear una perturbación de presión en un pozo que fluye, ya sea aumentando o disminuyendo la tasa de flujo. Equipos de superficie para pruebas de pozos El término que se da en la ingeniería de yacimientos para el lapso durante el cual el pozo experimenta cambios de presión es “periodo de presión transitoria.” Los fluidos producidos durante el periodo de presión transitoria, tienen que manejarse en superficie usando equipos e instalaciones temporales ya que las instalaciones para producción permanente usualmente no han sido todavía construidas. Estos equipos han de poder realizar una amplia gama de funciones de manera segura y confiable: ꉟ controlar en superficie rápidamente la presión y las tasas de flujo y permitir el cierre del pozo (se aplica tanto a la realización de pruebas de pozos exploratorios como de desarrollo, como es el caso de la limpieza) ꉟ separar el efluente resultante en tres fluidos distintos (petróleo, gas y agua), medir con precisión los fluidos y recoger y separar los sólidos según sea el caso ꉟ tomar muestras en superficie 5 ꉟ desechar los fluidos resultantes respetando el medio ambiente Por medio de la investigación bibliográfica, comparada con los datos de campo propio y adecuado para realizar las pruebas de producción, se ha compilado la presente información. Tratando de presentarlos en forma clara, concisa y sencilla, es que se se ha elaborado la presente tesina, queriendo dar a conocer los trabajos que se realizan para éste propósito y que sirva de referencia para trabajos posteriores. 6 ENUNCIACIÓN DEL TEMA El presente trabajo recepcional describe de una manera clara y sencilla los diferentes procesos y operaciones que son realizados en el área de pruebas de pozo, pruebas extensas y facilidades de producción. Este documento proporciona cada procedimiento con la información técnica y las instrucciones que deben ser seguidas para minimizar daños y peligros a personas y equipos. Es necesario que todas las actividades sean realizadas siguiendo los mismos parámetros contribuyendo en la optimización de procesos, la seguridad del personal, conservación de equipos y preservación del medio ambiente. Por la manera sencilla y clara en que se encuentran expuestos los procedimientos, de este documento deben ser utilizados como instrumento de conocimiento general por cada uno de los trabajadores de las operaciones. Actualmente, no es posible diseñar e implementar un programa de pruebas de pozo siguiendo normas estándares o tradicionales. Las cada vez más sofisticadas prácticas de desarrollo y manejo de yacimientos, las estrictas exigencias de seguridad, las preocupaciones ambientales y una mayor necesidad de eficiencia en cuanto a los costos, hacen necesario que la secuencia completa de pruebas—desde el diseño de la prueba hasta la evaluación de los datos—se conduzca de manera inteligente. El diseño apropiado de las pruebas, el correcto manejo de los efluentes en superficie, la utilización de registradores de alto desempeño, las herramientas de fondo de pozo y los sistemas de disparo flexibles, así como la validación del pozo y una interpretación completa son claves para el éxito de las pruebas de pozo. La importancia de tener objetivos claramente definidos y una planificación cuidadosa no será nunca exagerada. El diseño de una prueba de pozo incluye el desarrollo de una secuencia dinámica de medición y la selección de equipos mecánicos que permitan adquirir los datos del pozo de manera efectiva y económica. El diseño de las pruebas es más exitoso cuando el analista puede integrar simultáneamente a través de programas de computación los registros de pozo abierto, el análisis de la optimización de la producción, el diseño del programa de disparos y de la terminación del pozo, y los módulos de interpretación de las pruebas de yacimiento. El primer paso en el diseño de las pruebas consiste en dividir el yacimiento en zonas verticales usando registros de pozo abierto y datos geológicos. Luego se definen los datos del pozo y del yacimiento que se deben obtener durante las pruebas para determinar el tipo de prueba que se debe llevar a cabo. 7 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO Este trabajo recepcional tiene como finalidad presentar uno de los aspectos más importantes en una prueba de pozo que describe cómo la medición, bajo condiciones controladas, de todos los factores relacionados con la producción de crudo y gas y agua de un pozo en un dado lapso de tiempo; y que a su vez pueda servir de guía y consulta para la comunidad universitaria de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, así como al personal involucrado en las pruebas de producción a pozos petroleros. La presente tesina se ha estructurado con un marco contextual que proporciona la información suficiente para ubicarse en el conocimiento de las pruebas de producción a pozos petroleros. Posteriormente se realiza el desarrollo del marco teórico, donde se exponen los conceptos involucrados en las pruebas de producción a pozos de petróleo mediante la obtención de distintos parámetros de medición así como de equipos especiales designados para tal fin, el cual se desglosa de la siguiente manera: En primer lugar se describen los Equipos de Control de Flujo para las pruebas de producción, en donde se explican ampliamente los diferentes tipos de equipos involucrados en las pruebas de producción, tales como los cabezales de prueba, válvulas y sistemas de tuberías y los diversos efectos que afectan su correcto funcionamiento. En segundo lugar se expone el tema del Equipo de Control de Proceso, desarrollando los temas sobre el calentador, separadores y accesorios de seguridad, así como los diferentes medidores de flujo empleados. En tercer lugar se explican las Mediciones de Fluido, Gas, tratando de entender cómo se mide la fase gaseosa de un pozo de producción de petróleo, a través de las ecuaciones de los leyes de los gases. Finalmente, dentro de éste marco teórico se presentan las Mediciones de Fluido, Líquido, explicando las mediciones y las pruebas al afluente del pozo. Concluye la presente investigación documental con un Análisis Crítico de los Diferentes Enfoques, para así llegar a las Conclusiones. Presentando además la Bibliografía consultada y los Anexos específicos a éste trabajo recepcional. 8 CAPITULO II: DESARROLLO DEL TEMA PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN Este trabajo recepcional de “Equipos De Superficie Y Pruebas De Producción A Pozos De Petróleo,” presenta las pruebas para determinar la productividad de los pozos y describir el yacimiento en la vecindad del pozo, así como también los principios de diseño de las mismas. Estas técnicas constituyen la base para los demás tratados sobre servicios de pruebas de pozos, sistemas de seguridad, servicios de superficie para pruebas de pozos y servicios de adquisición de datos. Pruebas de pozos Las pruebas de pozos de petróleo y gas se realizan durante diferentes etapas de la construcción, terminación y producción del pozo. El objetivo de las pruebas en cada una de las etapas varía desde la simple identificación de los fluidos obtenidos y la determinación de la facilidad de su producción hasta la caracterización de propiedades complejas del yacimiento. La mayoría de las pruebas se pueden agrupar en pruebas de productividad o pruebas descriptivas. Las pruebas de productividad tienen como fin: ꉟ identificar los fluidos producidos y determinar sus respectivas proporciones volumétricas ꉟ medir la presión y la temperatura del yacimiento ꉟ obtener muestras apropiadas para el análisis de presión – volumen – temperatura (PVT) ꉟ determinar la productividad de la formación ꉟ evaluar la eficiencia de la terminación ꉟ caracterizar el daño de la formación ꉟ evaluar trabajos de reparación o tratamientos de estimulación. Las pruebas descriptivas tienen por objeto: ꉟ evaluar los parámetros del yacimiento ꉟ caracterizar las heterogeneidades del yacimiento ꉟ estimar el tamaño y la geometría del yacimiento ꉟ determinar el grado de comunicación hidráulica entre pozos. Cualesquiera que sea el objetivo, los datos de las pruebas son esenciales para analizar, predecir y mejorar el comportamiento del yacimiento. Estas actividades son a su vez fundamentales, para optimizar el desarrollo del yacimiento y el manejo eficiente del mismo. La tecnología de las pruebas está evolucionando con gran rapidez. La importancia y 9 el potencial de las pruebas de pozos han aumentado de manera significativa debido a la integración con datos obtenidos por otras disciplinas relacionadas con yacimientos, la evolución constante del software interactivo para el análisis de presiones transitorias, los adelantos tecnológicos en los sensores de fondo de pozo y el mejor control de las condiciones existentes en el pozo. Pruebas de productividad Las pruebas de productividad, que son las más sencillas de realizar, permiten identificar los fluidos producidos, recoger muestras representativas de los mismos y determinar la producibilidad del yacimiento. Las muestras de fluidos de la formación se emplean para el análisis PVT, el cual nos revela cómo se encuentran los hidrocarburos a diferentes presiones y temperaturas. El análisis PVT también ofrece información sobre las propiedades físicas de los fluidos. Esta información es necesaria para el análisis de las pruebas de pozo y la simulación del flujo de fluidos. La producibilidad del yacimiento constituye una preocupación clave para su explotación comercial. Para calcular la productividad de un yacimiento es preciso encontrar la relación existente entre la velocidad de flujo y la caída de presión. Esto se logra haciendo fluir el pozo a diferentes velocidades, a través de estranguladores de distinto diámetro y midiendo la presión y la temperatura estabilizadas en el fondo del pozo para cada estrangulador. La gráfica de flujo en función de la presión de fondo se conoce como Curva de Comportamiento (IPR, por sus siglas en inglés). Para un petróleo monofásico, la curva IPR es una línea recta cuya intersección con el eje vertical define la presión estática del yacimiento. La inversa de la pendiente corresponde al índice de productividad del pozo. La curva IPR está regida por las propiedades de los fluidos y de la roca y por las condiciones existentes en las proximidades del pozo. 10
