rbol de navidad para pozos de inyeccin de agua y vapor

Cecibel Castillo, Felipe Espaa, Gina Espn, Tomas HernndezEstudiantes de Ingeniera en Petrleo de la Escuela Superior Politcnica del Litoral.rbol de navidad para pozos de inyeccin de agua y vapor

ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORALrbol de navidad para pozos de inyeccin de agua y vapor

Mara Cecibel Castillo Olvera Felipe Andrs Espaa Ordoez Gina Carlina Espn Reyes Tomas Edinson Hernndez Paredes

Contenido1.Introduccin22.Objetivos33.Normas y/o estndares aplicables33.1.Ecuatorianas33.2.Internacionales34.Aplicacin34.1.Inyeccin de vapor44.1.1.Proceso de generacin de vapor44.1.2.Etapas de inyeccin de vapor74.1.3.Ventajas de la Inyeccin de Vapor94.1.4.Desventajas de la Inyeccin de Vapor105.Criterios de Diseo105.1.Parmetros del diseo a considerar105.1.1.Inyeccin de vapor106. Referencia10

1. Introduccin Durante la fase de produccin del pozo petrolero, en algn momento de la vida productiva del pozo petrolero, llega un punto en que se agota la energa propia de los yacimientos, el corte de agua aumenta, y la produccin de los hidrocarburos se torna poco atractiva debido a los altos costos de produccin, es necesario inyectar fluido al yacimiento, con el propsito de aumentar la recuperacin final de petrleo. A esta forma de explotar los yacimientos, proporcionndoles energa mientras se va agotando la propia, se lo denomina recuperacin secundaria o terciaria.Segn la necesidad de energa que requiera el yacimiento, para aumentar su factor de recobro se da las tcnicas como inyeccin de agua, pero si en un caso se tuviera un petrleo con un grado de viscosidad muy alto, el proyecto ms indicado seria la recuperacin mejorada, y en el mundo el ms usado es la inyeccin de vapor. Pero debido a los costos muy elevados para la implementacin de proyectos de inyeccin de vapor conocida como recuperacin mejorada en el Ecuador no se ha llevado a cabo ninguno, por eso apuestan a la popular inyeccin de agua conocida como recuperacin secundaria.En el proceso de la explotacin del pozo petrolero, uno de los temas importantes es el rbol de navidad con que trabajan estas tecnologas de recuperacin.En el presente documento se detalla el diseo del rbol de navidad que se usa en la industria petrolera tanto para la recuperacin secundaria (inyeccin de agua), como para la recuperacin mejorada en procesos trmicos (inyeccin de vapor).

2. Objetivos2.1. Objetivos generales: Disear un rbol de navidad para pozos de inyeccin de agua y vapor.2.2. Objetivos especficos: Sintetizar conceptos bsicos tiles para el desarrollo del diseo. Examinar los criterios de instalacin y adecuacin de accesorios y equipos, para el diseo del rbol de navidad para pozos de inyeccin de agua y vapor. Seleccionar los parmetros a considerar en el diseo. Detallar la estructura del rbol de navidad para pozos de inyeccin de vapor y agua. Mostrar el diagrama P&ID del diseo del rbol de Navidad.

3. Normas y/o estndares aplicables 3.1. Ecuatorianas Norma INEN 2288:2000; productos qumicos industriales peligrosos, etiquetas de precaucin. Norma Tcnica INEN 440: colores de identificacin de tuberas. Norma Tcnica INEN 439:1984; colores, seales y smbolos de seguridad. Norma INEN 2239:2000; accesibilidad de las personas al medio fsico.3.2. Internacionales Norma NFPA 30:200; cdigo de lquidos inflamables y combustible. Norma NFPA 600; brigadas industriales de incendio Norma NFPA 704; cdigo que explica el diamante de fuego. Norma API RP14; dimensionamiento de tubera Norma ASTM A106; grado B seamless Norma API 6A; requisitos y especificaciones NACE MR01-75 Referencias4. AplicacinCuando en muchos campos de petrleo el aceite es pesado para llegar a la superficie para la extraccin y bombeo, o que se auto expulsa con presin normal debido a la alta viscosidad, lo que hace difcil circular en los tubos; se justifica el uso de la inyeccin de cabezas de pozo de vapor y agua.4.1. Inyeccin de vaporMtodo de recuperacin trmica por el cual el vapor generado en la superficie se inyecta en el yacimiento a travs de pozos de inyeccin distribuidos especialmente. Cuando el vapor entra al yacimiento, calienta el petrleo crudo y reduce su viscosidad. El calor tambin destila los componentes ligeros del petrleo crudo, que se condensan en el banco de petrleo por delante del frente de vapor y reduce an ms la viscosidad del petrleo. El agua caliente que se condensa a partir del vapor y el vapor mismo genera un empuje artificial que barre el petrleo hacia los pozos de produccin. Otro factor contribuyente que aumenta la produccin de petrleo durante la inyeccin de vapor se relaciona con la limpieza cercana al pozo. En este caso, el vapor reduce la tensin de la interfaz que vincula las parafinas y los asfaltenos a las superficies de la roca, mientras que la destilacin con vapor de las fracciones ligeras del petrleo crudo crea un pequeo banco de solvente que puede retirar de manera miscible el petrleo atrapado. La inundacin con vapor tambin se denomina inyeccin continua de vapor o empuje de vapor.4.1.1. Proceso de generacin de vaporEn su forma ms simple un sistema de generacin de vapor consiste de dos partes esenciales: La cmara de destilacin o evaporador, donde el agua es calentada y convertida en vapor. El condensador, en el cual el vapor es convertido en lquido.La fuente de calor empleada para vaporizar el agua en las plantas generadora de vapor es vapor de alta o baja presin, el que a su paso por lo serpentines de calentamiento, se condensa, cediendo su calor latente al agua cruda q va ser evaporada. As, en un evaporador existen dos fuentes de agua destilada. Una, es el condensado de vapor que se ha empleado en calentar el agua, la cual reemplaza al vapor usado por el evaporador. La otra, es el vapor condensado que se convierte en vapor y posteriormente se condensa, los slidos en suspensin o disuelto en el agua permanecen en la cmara de destilacin, a menos que sean arrastrado mecnicamente por el vapor o que pasen en forma de gases.Los generadores de vapor utilizados en los campos petrolferos difieren significativamente de las calderas convencionales. Estas, por lo general, se utilizan para generar vapor saturado o quizs vapor sobrecalentado para mover turbinas de vapor.Debido a las altas velocidades del fluido es necesario separar el vapor del lquido antes de que el vapor sea dirigido a las turbinas, pues de lo contrario las gotas de lquido las daara. Como alternativa se puede utilizar el vapor sobrecalentado para evitar la separacin liquido vapor. La separacin se puede lograr mediante tambores giratorios, haciendo uso de las fuerzas centrifugas y de inercia, resultante de su rotacin. El agua condensada es recogida corriente debajo de las turbinas para reutilizarla, por lo cual requiere muy poca agua de reemplazo.Los generadores de vapor del tipo de una sola bombeada o de un solo paso se conocen tambin como generadores de vapor hmedo y se utilizan exclusivamente en los campos petroleros. Especficamente fueron desarrolladas para aplicaciones en los campos petroleros en los inicio de los aos 60 y difieren de una caldera autentica en que no tienen un tambor de separacin, no requieren recirculacin ni purga.Debido a que los generadores carecen de un tambor de separacin la calidad mxima del vapor debe ser limitada alrededor de un 80% para evitar la precipitacin y deposicin de slidos disuelto sobre los tubos, y por lo tanto reducir la posibilidad de vaporizacin localizada de la pelcula de agua y la subsecuente falla de los tubos. Existen generadores que son calentados indirectamente, sin embargo, utilizan como alimento agua que no han sido ablandadas o agua extrada del subsuelo. Estos tipos de generadores de vapor no han tenido amplia aceptacin.El sistema de vapor utilizado en los campos petrolferos, estn formados principalmente por calentadores y calderas.Calentadores.- constituidos por sus quemadores y un sistema de aire de combustin, sistema de tiro o de presin para extraer del horno el gas de chimenea, sopladores de holln, y sistemas de aire comprimido que sellan las aberturas para impedir que escape el gas de la chimenea.Los calentadores utilizan cualquier combustible o combinacin de combustible, como gas de refinera, gas natural, fuel y carbn en polvo.Calderas.- las calderas son dispositivos utilizados para calentar el agua o generar vapor a una presin superior a la atmosfrica. Las calderas se componen de un comportamiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor.Son instalaciones industriales que aplicando el calor de un combustible slido, liquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.La Mayora de las Calderas o Generadores de Vapor tienen muchas cosas en comn. Normalmente en el fondo est la cmara de combustin o el horno en donde es ms econmico introducir el combustible a travs del quemador en forma de flama. El quemador es controlado automticamente para pasar solamente el combustible necesario para mantener la presin en el vapor deseada. La flama o el calor son dirigidos o distribuido a las superficies de calentamiento, que normalmente son tubos, fluxes o serpentines.En algunos diseos el agua fluye a travs de los tubos o serpentines y el calor es aplicado por fuera, este diseo es llamado "Calderas de Tubo de Agua". En otros diseos de calderas, los tubos o fluxes estn sumergidos en el agua y el calor pasa en el interior de los tubos, estas son llamadas "Calderas de Tubos de Humo". Si el agua es sujeta tambin a contacto con el humo o gases calientes ms de una vez, la caldera es de doble, triple o mltiples pasos

Ilustracin 1. Diagrama de flujo Agua - Vapor

El agua de alimentacin de las calderas debe ser bien tratada de lo contrario pudiera causar los siguientes problemas: Formacin de costra Corrosin Formacin de burbujas de aire Adherencia del vapor al cilindro.Por los daos que causa utilizar agua no tratada es que existe una unidad de tratamiento de las impurezas del agua la cual opera de la siguiente manera:Como ya se mencion el objetivo fundamental de esta unidad es reducir la dureza del agua de ro hasta cero por los daos que estos generan, con el objeto de utilizarla como agua de alimentacin de las calderas. El agua normalmente contiene una cierta cantidad de sales, entre las ms importantes para la utilizacin en la generacin del vapor se tienen: carbonato de calcio y carbonato de magnesio. Estas sales de no eliminarse antes de ser usada en las calderas pueden producir incrustaciones en los tubos. Las incrustaciones es la formacin de depsitos slidos y duros sobre la superficie interna de los tubos. Para evitar esta formacin en la planta de tratamiento de agua se tiene el proceso de suavizacin en caliente que consiste en la formacin de flculos producto de la reaccin de la cal con las sales y lodos que contiene el agua. Este proceso es llamado Termo - circulador.Luego del proceso termo - circulador, se filtra el agua en filtros de carbn y finalmente se efecta el intercambio inico en los suavizadores de zeolita, en donde se disminuye el contenido de carbonato de calcio hasta valores de cero, despus de esto el agua se almacena para alimentar las calderas segn la demanda de vapor.Las calderas son los equipos encargados de generar el vapor necesario para la operacin de la refinera y el calentamiento de los tanques de almacenamiento. El agua tratada se enva a un desaereador en donde se disminuye el contenido de oxgeno disuelto hasta valores muy bajos, luego se enva directamente a las calderas para la produccin de vapor. En relacin a tratamientos de agua para calderas, se ha estudiado ampliamente en el desarrollo de compuestos inorgnicos tales como: fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarn que dicha incrustacin contine creciendo, pero la incrustacin formada no sufrir disminucin alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificacin) por tanto la desincrustacin se deber realizar manualmente o por medio de recirculacin de cidos, teniendo estricto control de niveles de pH, durezas, alcalinidad y otros parmetros recomendados por el suplidor de productos qumicos para el tratamiento interno del agua; en ambas opciones se tendr que parar el funcionamiento del equipo.4.1.2. Etapas de inyeccin de vaporA continuacin se detallan cada una de las etapas requeridas para llevar a cabo la inyeccin.Preparacin Una mquina de subsuelo se encarga de instalar en el pozo el equipo necesario para inyectar el vapor. Cuando la mquina culmina su trabajo, deja el pozo esperando por el tendido de las lneas que permitirn transportar el vapor desde la fuente de generacin hasta el cabezal del pozo, para luego instalar el equipo que permitir determinar la cantidad de energa en forma de vapor que recibir, y la presin de inyeccin. Una vez que las conexiones se han efectuado, se procede a permitir el paso de una mnima cantidad de vapor, con la finalidad de que el calentamiento del sistema sea gradual, evitando posibles roturas de la tubera, o ms frecuente an desasentamiento de la empacadura trmica. Durante esta fase el agua contenida en el espacio anular se evapora y escapa a la atmsfera.Inyeccin La segunda etapa de un proceso de I.A.V es la inyeccin como tal. Esta se inicia una vez que termina la fase de preparacin. Gradualmente se abre la inyeccin de vapor hasta obtener una tasa de inyeccin ptima. De esta tasa de vapor que el pozo recibe diariamente va a depender de la duracin de la etapa de inyeccin. La Inyeccin Alterna de Vapor 13 diariamente ya que esta ltima se debe mantener por debajo de la presin de fractura de la formacin, para de esta forma evitar posibles irrupciones de vapor. Durante esta fase el vapor inyectado a la formacin de crudo viscoso, permite que el calor penetre dentro de la roca yacimiento por varios das.

Ilustracin 2. Etapas de Inyeccin de vaporUna serie de problemas operacionales pueden surgir durante esta fase, muchos de los cuales se originan debido a las altas presiones y altas temperaturas de inyeccin empleadas. Los principales problemas encontrados son: Fallas de las empacaduras de inyeccin Tubera partida, doblada o colapsada Forros ranurados daados Irrupciones de vapor originada por fracturamiento de la formacin. Estos inconvenientes podran ser evitados mediante el uso empacaduras aptas para resistir altas temperaturas y mediante la presencia de personal capacitado al momento de su asentamiento, monitoreo de las presiones para evitar colapsamientos de las tuberas de revestimiento o de inyeccin, etc. Una vez que es obtenida la energa requerida por el pozo, se procede al cierre de la inyeccin y se inicia la fase de remojo.Remojo Esta fase consiste en dejar por un periodo de 2 a 3 das el pozo cerrado una vez que ha finalizado la inyeccin, con el objeto de que el calor remoje la formacin. Esta etapa ha tenido controversia, existen autores que piensan que el pozo debera ser abierto a produccin en cuanto finaliza la inyeccin, mientras que otros indican que un periodo de remojo corto es necesario. Estudios de campo han sido publicados los cuales mencionan que ciertamente un tiempo mnimo de remojo fue beneficioso en yacimientos especficos, aunque los resultados para periodos de remojo largos no fueron satisfactorios. Para analizar esta polmica es necesario examinar dos casos extremos: el primero, cerrar el pozo durante un periodo considerable de tiempo, y el segundo, abrirlo a produccin una vez que finalice la inyeccin.En el primer caso, el cerrar el pozo permitira la condensacin del vapor, permitiendo que su calor latente sea transferido a la roca y a los fluidos. De esta manera, aun teniendo prdidas de calor el calor contenido en el vapor sera empleado provechosamente para calentar el yacimiento. Sin embargo, en este caso, la presin de la zona de vapor, declinara rpidamente al cabo de unos das, y por lo tanto la energa expansiva del vapor no estar disponible para expeler el crudo. Si el yacimiento no posee cierta energa en forma de presin, la gravedad sera la nica fuerza que colaborara con la expulsin del petrleo fuera del yacimiento. Sin por otra parte, el pozo es abierto a produccin una vez que finalice la inyeccin, gran parte de la energa del vapor estar disponible para la produccin de crudo. Sin embargo en este caso, un considerable porcentaje del vapor inyectado ser producido junto con el petrleo. Consecuentemente, la eficacia de la utilizacin del vapor ser baja. Tambin la transferencia de calor a la matriz de la roca y a los fluidos ser pobre, debido al poco tiempo disponible para la transferencia. Por lo tanto, un periodo de remojo es deseable. Sin embargo, no debe ser muy prolongado para evitar el agotamiento de la energa suministrada por el vapor. Un cuidadoso monitoreo de la presin en el cabezal durante el periodo de cierre podra indicar el mejor momento para abrir el pozo a produccin. Esto debera ser durante o poco tiempo despus que la presin comience a declinar rpidamente, de acuerdo con el monitoreo en superficie. Otro factor que debe ser considerado, si el pozo es remojado o no, es la vaporizacin del agua de formacin (a temperaturas y presiones elevadas). Esto representa prdidas en el calor inyectado, por lo que se debe evitar, controlando la cada de presin. Sin embargo esto podra ser indeseable. Una cada de presin baja significa un menor ndice de produccin, y mayor disipacin de la energa inyectada.Produccin Posterior a la fase de remojo, el pozo es abierto a produccin en estado NF (Flujo Natural). Durante esta etapa la presin y la temperatura son medidas a nivel de cabezal diariamente. Cuando estas condiciones llegan a condiciones ambientales, se concluye que el pozo ya no tiene energa suficiente para producir por s solo, y se procede a instalar el equipo de levantamiento necesario para extraer su produccin.4.1.3. Ventajas de la Inyeccin de Vapor Altos recobros de petrleo por encima del 50% a consecuencia de los diferentes mecanismos. La extraccin por inyeccin continua de vapor es apreciablemente mayor que la obtenida por la inyeccin de agua caliente. Ayuda aumentar el recobro en crudos muy viscosos en presencia de altas permeabilidades e incluso la eficiencia de barrido. Formacin en forma no muy profunda para que no se canalice demasiado el vapor hacia los pozos de produccin.4.1.4. Desventajas de la Inyeccin de Vapor

Altas prdidas de calor. La saturacin de petrleo debe ser grande y el espesor de la arena debe ser de 20 pies como mnimo, para minimizar las prdidas de calor hacas las adyacencias. Debe mantenerse grandes tasas de inyeccin para compensar prdidas de calor desde la superficie hasta el objetivo. La inyeccin no es aplicable en reservorios de carbn Posible hinchamiento de las arcillas por parte del condensado de vapor. Produccin de emulsiones que en algunos casos son difciles de romper

5. Criterios de Diseo5.1. Parmetros del diseo a considerar Los parmetros de diseo a considerar en el rbol de navidad para pozos de inyeccin de agua y vapor son los siguientes:5.1.1. Inyeccin de vapor La presin de trabajo de 2000 hasta 5000 psi, esto depende de la profundidad de la sarta de tuberia. La temperatura de trabajo alcanza los 350C. Los pernos retenedores deben tener un sistema de alta resistencia a la temperatura. El sistema de sello del colgador posee elastmeros de elevada resistencia. El sello entre el tubing hanger y el tubing head adapter debe ser metal metal. El fluido debe ser de 12 a 25 API, para aplicar el proceso de inyeccin y una viscosidad de 20 a 100 cpAdems de estos parmetros se debe considerar que las propiedades del agua de vapor no sean crticas y el contenido de arcilla sea bajo.

6. Referencia [1]. Inyeccin alterna de vapor. Capitulo IV. Recuperado de: http://publish.zulcon.com/downloads/documents_files/CAPITULO%20IV%20MANUAL%20IAV.pdf [2]. Jimnez Paola. (2009). Optimizacin de los procesos en las facilidades de produccin en el campo Sacha, estacin Sacha Central. Escuela Politcnica Nacional. Quito. Recuperado de: http://www.oilproduction.net/cms3/files/facilidades_campo_sacha.pdf[3]. Blogspot. (2015). Recuperado el 11 de 12 de 2015, de http://continuoussteaminjection.blogspot.com/2010/12/recuperacion-termica-del-petroleo.html[4]. ENERGY, G. (03 de 2013). Hidrocarburos. Recuperado el 10 de 12 de 2015, de file:///C:/Users/Gina%20Espin/Desktop/II%20TERMINO%202015/FACILIDADES%20SUPERFICIES%20II/la-tecnologia-de-cabezales-de-pozo-para.pdf[5]. Pacifico, V. d. (2015). Recuperado el 13 de 12 de 2015, de http://www.valvulasdelpacifico.com/index.php/component/k2/item/59-cabezal-para-inyeccion-de-vapor/59-cabezal-para-inyeccion-de-vapor

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