ANLISIS DEL EFECTO DE DISPOSITIVOS VENTURI EN LA PRODUCCIN

DE GAS EN POZOS CON ARRASTRE Y ACUMULACIN DE LQUIDOS

Efran Quiroz Prez1*

, Ral Lesso Arroyo2, Richart Vzquez Romn

1

1Avenida Tecnolgico y A.G. Cubas s/n, Departamento de Ingeniera Qumica, Instituto

Tecnolgico de Celaya., Celaya Guanajuato, 38010 MEXICO, e-mail:

efrain_quirozp@hotmail.com, richart@iqcelaya.itc.mx, 2Avenida Tecnolgico y A.G. Cubas s/n, Departamento de Ingeniera Mecnica, Instituto

Tecnolgico de Celaya., Celaya Guanajuato, 38010 MEXICO, e-mail: rlesso@itc.mx

INTRODUCCIN

Prcticamente todos los yacimientos de hidrocarburos a nivel mundial estn rodeados por

rocas permeables saturadas de agua llamadas acuferos. La importancia de los acuferos se

remarca en aquellos yacimientos en los cuales el gas es producido por un mecanismo de

empuje hidrulico, el cual puede explicarse como sigue: conforme el gas se va produciendo

en un yacimiento y la presin de este ltimo disminuye, se crea una diferencia de presin

entre el acufero circundante y el yacimiento; entonces, respondiendo a la diferencia de

presiones mencionada, el acufero reacciona compensando o retardando esa declinacin de

la presin mediante una intrusin de agua al yacimiento y posteriormente al pozo,

estabilizando la presin del mismo y normalizando la produccin del gas ahora

acompaado del agua infiltrada [Ahmed, 2002]. El agua infiltrada no representa mayor

problema hasta que esta, junto con los gases condensados preexistentes, se produce en

exceso o se acumula en el fondo del pozo.

Lo anterior se debe a que, de existir arrastre de lquidos hacia la superficie, se tendr una

mezcla ms pesada y que representar un mayor requerimiento de la presin de empuje del

yacimiento. Adems de lo anterior, si se tiene acumulacin de lquidos en el fondo del pozo

se formar eventualmente una columna de lquidos y la energa suministrada por el

yacimiento para vencer la presin hidrosttica de dicha columna ser insuficiente. El

resultado es el agotamiento del yacimiento y una consecuente interrupcin en la produccin

de gas [Fanchi, 2005]. Otras consecuencias derivadas de esta problemtica se traducen en

un aumento de los costos de levantamiento, bombeo y separacin en la superficie [Bailey

et. al, 2000].

En aos recientes se dio una reduccin gradual y un consecuente cese en la produccin en

algunos pozos de gas asociada a este fenmeno ante lo cual, y con el propsito de

proporcionar una solucin a esta problemtica se decidi instalar una serie de dispositivos

mejoradores de flujo tipo Venturi en algunos pozos de gas que experimentaban el fenmeno descrito anteriormente. Despus de la instalacin de estos dispositivos en los

pozos, se observ una estabilizacin y un incremento en el flujo de gas producido.

Tomando nicamente este ltimo resultado como criterio de seleccin, se opt por la

adquisicin de este tipo de dispositivos para instalarlos en los pozos de gas que

experimentaban el arrastre y carga de lquidos.

Por lo anterior, el objetivo general de este trabajo consiste en proporcionar un anlisis

terico del comportamiento de los pozos de produccin de gas con presencia de lquidos

para proponer soluciones potenciales al problema de la disminucin de la produccin de

gas.

En este trabajo se presenta inicialmente la simulacin del proceso de produccin sin incluir

el agua para comparar la prediccin terica con los valores reales de produccin.

Posteriormente, se muestra una evaluacin de la cada de presin producida por el flujo en

dos fases para simular el comportamiento del pozo bajo un esquema de produccin de gas y

agua. Finalmente se realiza una simulacin CFD utilizando el software CFX.

METODOLOGA

Anlisis por simulacin en Aspen Plus del comportamiento de los pozos

Para las simulaciones de los pozos productores en Aspen Plus

se utiliz el modelo de

operaciones unitarias PIPELINE. Este modelo permite calcular la cada de presin en un

tramo de tubera o para varios segmentos de tubera acoplados con o sin cambio de

dimetro entre cada segmento. En este trabajo se consider un flujo en direccin ascendente

y la alimentacin de la corriente de gas y la corriente de agua se localiza en la parte inferior

del pozo, siendo ambas corrientes mezcladas antes de entrar al fondo del pozo mediante el

modelo de operaciones unitarias MIXER. Cabe mencionar que el mtodo de solucin que

emplea Aspen Plus representa una integracin numrica de la ecuacin del balance de

momentum donde las propiedades fsicas y termodinmicas son calculadas por medio de

alguna ecuacin de estado como la de Peng-Robinson y Boston-Mathias (PRBM). Esta

ecuacin puede predecir con un buen grado de precisin las propiedades mencionadas de

las sustancias involucradas en el proceso para las condiciones del pozo.

Simulacin del comportamiento de la mezcla gas/lquido

a) A travs del dispositivo tipo Venturi.

Cuando un flujo multifsico (gas-lquido) es alimentado a un dispositivo Venturi y

eventualmente alcanza la seccin de la garganta, la velocidad y la turbulencia de la fase

gaseosa aumentan como consecuencia de la cada de presin originada por la reduccin del

dimetro; entonces, la fase lquida es atomizada en pequeas gotas producindose un

aumento en la interaccin gas-lquido [Sherwood y Atkinson, 2005]. En principio, es

posible simular la fenomenologa descrita por medio de un software CFD, como CFX, en

el cual es posible incorporar informacin tal como la presin y la temperatura a la

profundidad a la cual fueron instalados los dispositivos Venturi, as como las propiedades

termodinmicas tanto del gas como del agua a dichas condiciones, las cuales pueden

estimarse por medio de la paquetera de Aspen Properties en Aspen Plus.

b) Antes y despus de pasar por el dispositivo tipo Venturi

Para validar la premisa de que el dispositivo tipo Venturi logra normalizar la produccin de

gas en pozos con acumulacin de lquidos por medio de un mecanismo de atomizacin del

lquido y homogenizacin entre las fases se compararon los perfiles de presin que se

tendran para los patrones de flujo tipo burbujeante (gas fluyendo a travs de una columna

semi-estancada de lquido) y tipo neblina (corriente gaseosa arrastrando lquido en forma de

gotas).

RESULTADOS Y DISCUSIN

1. Simulacin del perfil de presiones del pozo problema

a) Produccin de gas libre de lquidos

El perfil obtenido con los datos reportados se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Perfil de presiones experimental

Como se mencin, en primer lugar el perfil mostrado en la Figura 1 se trat de reproducir

por medio de simulacin utilizando el modelo PIPELINE de Aspen Plus

y sin considerar

la produccin de agua. Lo anterior fue posible debido a que se dispona de suficientes datos

del pozo, los cuales incluyen sus dimensiones, el perfil de temperaturas del mismo y la

composicin y los flujos de gas producido.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1600 1717.5 1835 1952.5 2070 2187.5 2305

Pro

fun

did

ad

(m

)

Presin (psia)

Con fines comparativos, en la Figura 2 se presentan el perfil de presiones obtenido de la

simulacin y el perfil de presiones reportado (llamado experimental en adelante). Para las

simulaciones en Aspen Plus se requiri que el simulador calculara el perfil de presiones

del pozo desde el fondo y en forma ascendente hasta el punto que corresponde a la

superficie.

Como puede verse en la Figura 2, existe una desviacin entre el comportamiento de los

perfiles de presiones mostrados por lo cual se decidi simular el comportamiento del pozo,

ahora produciendo gas y agua en forma simultnea. A continuacin se presentan los

resultados obtenidos considerando lo anterior.

Figura 2. Comparacin entre el perfil de presiones obtenido con Aspen Plus

y el perfil de

presiones experimental

b) Produccin de gas acompaado de agua

Como ya se mencion, la estrategia para empatar el comportamiento de los perfiles de

presiones real y estimado fue considerar que adems de gas se estaban produciendo

lquidos (agua). En este caso, la Figura 3 muestra los perfiles de presiones obtenidos en

Aspen Plus considerando una tasa de produccin de agua de 6.7 barriles por da (bpd),

adems del perfil obtenido considerando una produccin de gas seco.

La Figura 3 corrobora grficamente que el considerar que se produce agua en los pozos

parece empatar el perfil de presiones estimado con el perfil de presiones experimental. Por

consiguiente, al analizar estos resultados se puede apreciar el efecto que tiene el agua en el

perfil de presiones del pozo en comparacin con un pozo que produce solo gas. El agua,

como puede apreciarse, genera una carga hidrosttica que se traduce en una mayor cada de

presin global.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1600 1717.5 1835 1952.5 2070 2187.5 2305

Pro

fun

did

ad

(m

)

Presin (psia)

Experimental

Aspen Plus

Adems de los perfiles de presin, gracias al simulador Aspen Plus se pudo determinar

que el patrn de flujo presente en el pozo para las tasas de produccin de gas y agua

especificadas corresponde a un tipo neblina, lo cual permiti demostrar que el dispositivo

tipo Venturi promueve una atomizacin de la fase lquida, lo cual a su vez produce una

mezcla gas-lquido ms homognea y ligera.

Figura 3. Comparacin entre el perfil de presin experimental y los perfiles de presin

estimados con Aspen Plus considerando produccin de agua y gas

2. Clculo de las cadas de presin para los patrones de flujo presentes en el pozo

Para comprobar la validez de que el dispositivo Venturi modifica el patrn de flujo se

utiliz el mtodo de Duns & Ros para estimar la cada de presin en 2 diferentes patrones:

el flujo burbujeante, asociado a la posible acumulacin de lquidos en el pozo, y el flujo

neblina, asociado al efecto provocado por el dispositivo Venturi para atomizar los lquidos

y producir una mezcla ms homognea. Para todos los casos se consider una longitud de

1000 metros. En la Tabla 1 se presentan las cadas de presin calculadas para los patrones

de flujo considerados, incluyendo adems la cada de presin que se tiene para un flujo de

gas libre de lquidos (calculada este ltima por medio de Aspen Plus).

Tabla 1. Caidas de presin estimadas por el Mtodo de Duns & Ros para diferentes

patrones de flujo

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1600 1717.5 1835 1952.5 2070 2187.5 2305

Pro

fun

did

ad

(m

)

Presin (psia)

Experimental

Aspen Plus

Aspen Plus (6.4 bpd)

PATRN P (psia)

GAS SECO 219.121

NEBLINA 247.884

BURBUJEANTE 363.378

La evidencia numrica mostrada en la Tabla 1 indica claramente que la cada de presin se

incrementa significativamente cuando el patrn de flujo es menos homogneo. Por lo tanto,

la produccin de gas definitivamente se mejora cuando se coloca el dispositivo tipo Venturi

si el flujo, antes de colocar este dispositivo, correspondiera a un tipo burbujeante, ya que

ste flujo representa una mayor carga hidrosttica que ejerce una contrapresin sobre el

flujo ascendente de gas.

Adems de lo anterior, es importante notar que, si bien la cada de presin que se tiene para

un patrn de flujo tipo neblina es ligeramente mayor a la cada de presin producida por un

flujo de gas libre de lquidos, un patrn tipo neblina presenta una cada de presin mucho

menor que la cada de presin que produce un patrn de flujo tipo burbujeante,

corroborndose con esto el efecto sobre la cada de presin que tienen las gotas de agua

dispersas en la corriente gaseosa para este tipo de patrn de flujo.

3. Simulacin del comportamiento de la mezcla gas-lquido a travs del Venturi

A continuacin se presentan los principales resultados obtenidos de la simulacin CFD del

flujo de la mezcla gas-lquido a travs del dispositivo Venturi; dichos resultados

corresponden a los perfiles axiales de velocidad, tanto de la fase lquida como de la fase

gaseosa, el perfil de presin y el perfil de fraccin volumtrica de ambas fases para el

sistema Venturi-pozo. Es importante mencionar que las simulaciones se realizaron

considerando que el gas entra al Venturi como burbujas (siendo este la fase dispersa) a

travs del agua (la fase continua), y empleando como datos de entrada los flujos de agua y

de gas natural a la entrada de la seccin del pozo ubicada en la parte inferior del Venturi, y

la presin a la salida de la seccin del pozo ubicada en la parte superior del Venturi.

Figura 4. Perfiles de velocidad del gas natural respecto a la posicin axial en el sistema

Venturi-pozo; grfica y mapa de colores

Figura 5. Perfiles de velocidad del gas natural respecto a la posicin axial en el sistema

Venturi-pozo; grfica y mapa de colores

Como puede observarse en las Figuras 4 y 5, una vez que la mezcla gas-lquido ha salido

del Venturi alcanza una velocidad mayor a la que posee en la seccin del pozo que se ubica

justo antes del Venturi, demostrndose con ello que el Venturi promueve la aceleracin de

una mezcla gas-lquido semi-estancada o movindose a bajas velocidades, facilitndose con

ello su ascenso hacia la superficie del pozo.

Una anlisis ms general de las Figuras 4 y 5 muestra que existen diferencias entre los

perfiles de velocidad resultantes para las fases lquida y gaseosa, pudiendo apreciarse que la

velocidad mxima que alcanza la fase gaseosa (~60 m/s) es significativamente mayor que

la velocidad mxima que alcanza la fase lquida (~35 m/s). Lo anterior ocurre debido a que

el gas natural al poseer una densidad menor que la del agua a las condiciones de presin y

temperatura en este punto experimenta una mayor aceleracin en la garganta del Venturi.

En el caso de la Figura 6 puede apreciarse la disminucin en la presin hasta un mnimo,

ocurriendo esto en la zona de la garganta y observndose nuevamente prcticamente el

mismo comportamiento que se esperara tener en un flujo en una sola fase. Sin embargo, en

este caso puede observarse que a la salida del Venturi no se recupera totalmente el valor de

la presin que se tiene en la entrada, alcanzndose en este punto aproximadamente un 97%

del valor de la presin en ese punto.

Figura 6. Perfiles de presin respecto a la posicin axial en el sistema Venturi-pozo; grfica

y mapa de colores

Finalmente con respecto a la fraccin volumtrica de gas, como puede observarse en la

Figura 7, este valor aumenta sustancialmente una vez que la mezcla gas-lquido ha pasado a

travs de la garganta del Venturi; con base a lo anterior puede comprobarse que el Venturi

promueve un cambio de un patrn de flujo tipo burbujeante a un patrn tipo neblina, dado

que ste ltimo se caracteriza, entre otros aspectos, por el hecho de que el gas ocupa una

fraccin volumtrica relativamente alta en comparacin con la fase lquida. Por otra parte,

en el flujo burbujeante la fase lquida es aquella que ocupa una fraccin volumtrica mayor

que la fase gaseosa, la cual fluye en forma de burbujas.

Figura 7. Perfiles de fracciones volumtricas en el plano axial del sistema Venturi-pozo;

mapa de colores

Es importante resaltar que los resultados obtenidos en este trabajo reproducen

cualitativamente los obtenidos en forma experimental por Cout et al. (1991).

CONCLUSIONES

Al comparar los resultados obtenidos, es claro que la mayor cada de presin se tiene en un

pozo con flujo tipo burbujeante, esto atribuido a la cantidad de lquido presente y la presin

hidrosttica que ejerce sobre el yacimiento. El flujo de gas libre de lquidos tiende a generar

la menor cada de presin mientras que el flujo tipo neblina produce cadas de presin

ligeramente mayores que este ltimo. Considerando que la presin del yacimiento tiende a

ser constante para un pozo en un perodo de tiempo razonable y que la presin de salida

tambin se fija de forma externa, entonces la produccin se vuelve dependiente del patrn

de flujo durante la produccin. As, la produccin de gas ser mayor para un pozo seco y

sera menor cuando el agua y gas producidos fluyen con un patrn de flujo burbujeante.

Aunado a lo anterior, mediante el anlisis de los resultados de las simulaciones CFD se

pudo tener una mejor perspectiva de la fenomenologa presente en el flujo en dos fases a

travs de un Venturi, adems de que se pudo comprobar que muy posiblemente este

dispositivo promueve un cambio en el patrn de flujo existente en el pozo, reducindose

con ello la cada de presin global y mejorndose la produccin de gas con base en esto.

REFERENCIAS

1. Ahmadvand, F., Talaie, M.R. 2010. CFD modeling of droplet dispersion in a venturi scrubber. Chem. Eng. J. 160 (2): 423-431.

2. Ahmed, T. H. 2001. Reservoir Engineering Handbook. Elsevier. Pp. 636-637. USA.

3. Bailey B., Crabtree M. Tyrie J., Elphick J., et al. 2000. Water control. Oilfield Rev. 12: 32-53.

4. Cout, B., Brown, P., Hunt, A. 1991. Two-phase bubbly-droplet flow through a contraction: experiments and a unified model. Int. J. Multiphas. Flow. 17 (3): 291-

307.

5. Delfos, R., Wisse, C.J. and Oliemans, R.V.A. 2001. Measurement of air-entrainment from a stationary Taylor bubble in a vertical tube. Int. J. Multiphas. Flow. 27: 1769-

1787.

6. Duan, X.Y., Cheung, S.C.P., Yeoh, G.H., Tu, J.Y., Krepper, E. and Lucas, D. 2011. Gas-liquid flows in medium and large vertical pipes. Chem. Eng. Sci. 66: 872-883.

7. Fanchi, J.R. 2006. Principles of applied reservoir simulation. Elsevier. Pp 187-190. USA.

8. Hassan, A.H.A.M. and Lucas, G.P. 2010. Experimental and theoretical study of the gaswater two phase flow through a conductance multiphase Venturi meter in vertical annular (wet gas) flow. Nucl. Eng. Des. 41 (6): 1998-2005.

9. Kim, M.I., Kim, O.S., Lee, D.H. and Kim, S.D. 2007. Numerical and experimental investigations of gas-liquid dispersion in an ejector. Chem. Eng. Sci. 67: 7133-7139.

10. Lemonnier, H. and Selmer-Olsen, S. 1992. Experimental investigation and physical modelling of two-phase two-component flow in a converging-diverging nozzle. Int. J.

Multiphas. Flow. 18 (1): 1-20.

11. Li, C. and Li, Y.Z. 2011. Investigation of entrainment behavior and characteristics of gas-liquid ejectors based on CFD simulation. Chem. Eng. Sci. 66: 405-416.

12. Lyons, W.C. and Plisga, G.J. 2004. Standard Handbook of Petroleum and Natural Gas Engineering. Gulf Professional Publishing. Pp. 45-67. USA.

13. Sherwood, J.D. and Atkinson, D.I.H. 2005. Venturi-assisted liquid removal from the sump of a gas well. Int. J. Multiphas. Flow. 31: 25-51.