UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

GUA PARA LA INSTRUMENTACIN DE UN CAMPO DE EXTRACCIN DE PETRLEO

JOSUE GIOVANNI JOCOLT QUIONEZASESORADO POR ING. JOS ARTURO ESTRADA MARTNEZ

GUATEMALA, AGOSTO DE 2003.

a

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

GUA PARA LA INSTRUMENTACIN DE UN CAMPO DE EXTRACCIN DE PETRLEOTRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO A JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERA POR

JOSUE GIOVANNI JOCOLT QUIONEZASESORADO POR: ING. JOS ARTURO ESTRADA MARTNEZ AL CONFERRSELE EL TTULO DE

INGENIERO MECNICO

GUATEMALA, AGOSTO DE 2003.

a

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

NNIMA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO VOCAL I VOCAL II VOCAL III VOCAL IV VOCAL V SECRETARIO

Ing. Sydney Alexander Samuels Milson. Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos. Lic. Amahn Snchez lvarez. Ing. Julio David Galicia Celada Br. Kenneth Issur Estrada Ruiz. Br. Elisa Yazminda Vides Leiva. Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco.

TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO EXAMINADOR EXAMINADOR EXAMINADOR SECRETARIO

Ing. Jorge Mario Morales Gonzlez. Ing. Jorge Chilo Siguere Rockstroh. Ing. Jos Arturo Estrada Martnez Ing. Pedro Enrique Kubes Zacek. Ing. Edgar Jos Bravatti Castro.

a

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin titulado:

GUA PARA LA INSTRUMENTACIN DE UN CAMPO DE EXTRACCIN DE PETRLEO

Tema que me fuera asignado por la Coordinacin de la carrera de ingeniera Mecnica con fecha de 15 de abril de 1,995.

JOSUE GIOVANNI JOCOLT QUIONEZ.

a

ACTO QUE DEDICO

A DIOS:

Todo poderoso, fuente de sabidura, y por permitirme llegar hasta aqu.

A MIS PADRES:

Oscar Jocolt Torres (Q.D.E.P.) Elida Mrquina Rivera Quinez. Que Dios los bendiga, porque a travs de sus esfuerzos y amor, hoy ven realizados sus anhelos y los mos.

A MI ESPOSA:

Nicolette Jane Pelly de Jocolt.

Por el amor, apoyo

moral, y confianza que siempre me ha brindado.

A MI HIJO:

Joshua Jocolt Pelly, por ser mi fuente de inspiracin.

A MIS HERMANOS:

Erwin Haroldo, Anglica Nineth, Arminda Araceli, Osmn Rafael, Laritza Viviana, Noe Bernardo mil (Q.D.E.P.), Oscar Emmanuel, Bertha y Farid, gracias por estar conmigo en las buenas y las malas.

A MI FAMILIA:

Que Dios derrame bendiciones sobre cada uno de ellos, los proteja y ampare siempre.

A MIS AMIGOS:

Gracias a todos por la amistad que hemos y seguiremos conservando.

b

NDICE GENERAL

INDICE DE ILUSTRACIONES GLOSARIO DE TERMINOS TECNICOS IV RESUMEN OBJETIVOS INTRODUCCIN IX

III

VII VIII

1.

ASPECTOS TCNICOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA

1

1.1 Origen del petrleo 1.2 Composicin del petrleo 1 1.2.1 Tipos de petrleos 1.3 Tcnicas de la produccin del petrleo 1.3.1 1.3.2 1.3.3 Descripcin geolgica Prospeccin de hidrocarburos Perforacin de exploracin

1

3 3 3 4 5 7 8

1.4 Tratamiento de petrleo 1.5 Transporte del petrleo

I

2.

INSTRUMENTACIN EN EL PROCESO DE EXTRACCIN DE PETRLEO EN EL CAMPO9 2.1 Definicin y descripcin 9 2.2 Instrumentos utilizados en la extraccin de petrleo 2.2.1 Surgencia natural de fluidos 2.2.1.1 2.2.1.218

16 16 17 19

Instrumentos de campo Panel de control Instrumentos de campo Panel de control Instrumentos de campo Panel de control

2.2.2 Bombeo mecnico 2.2.2.1

22 2.2.2.2 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.4 2.2.5 28 29 31 33 34 34 35 36 36 37 37 37 37 37 37 2.2.3 Bombeo elctrico

Sistema gas-lift Recuperacin secundaria 2.2.5.1 2.2.5.2 2.2.5.3 2.2.5.4 Inyeccin de agua Inyeccin gas Procesos mixtos Proceso trmico

2.3 Tanques de almacenamiento 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 De crudo De agua y sedimentos De gas Separador API

II

III

3.

DISEO DE LA INSTRUMENTACIN EN EL CAMPO

30

3.1 Fundamentos y principios de control convencional y automtico 3.1.1 Control de circuito cerrado automtico 3.1.2 Elementos de control de circuito cerrado 3.1.3 La tcnica de controlar 3.1.4 Naturaleza de Disturbio 3.1.5 Sistema de control prealimentado 3.1.6 Sistema de control retroalimentado 3.1.7 Elementos del controlador 3.2 Actual 3.2.1 Propuesto3.3 Fundamento y principios de control computarizado

31 39 39 39 39 40 40 40 42 4453

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLOGRAFA

55 56 57

III

NDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS

1 2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Composicin de petrleo

Trampas Diagrama del sistema de transmisin Mtodo de extraccin de surgencia natural Actuador con motor elctrico Actuador elctrico de vlvula solenoide Mtodo de extraccin de bombeo mecnico Manmetro de tubo Bourdn Vlvula de globo Actuador neumtico de resorte Vlvula desahogo de seguridad Vlvula de bola Actuador neumtico Vlvula de retencin Vlvula de bisagra Transmisor neumtico de balance de fuerzas Relevador neumtico Tablero arrancador Diagrama de panel de control de bombeo mecnicoV

4 13 16 17 18 20 23 23 24 25 26 26 26 26 27 27 28 29

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Mtodo de extraccin de bombeo elctrosumergible Separador de gas Bomba centrfuga Registro de presin pirani Trasmisor elctrico de balance de fuerzas Panel de control elctrico Mtodo de extraccin de inyeccin de agua Extraccin de Inyeccin de gas Mtodo de extraccin de proceso mixtos Esquema funcional de un sistema de control circuito cerrado Diagrama de control de circuito cerrado de Retroalimentacin Diagrama de respuesta del sistema de una seal de mando en forma de escaln Diagrama de flujo de mtodo de extraccin de Surgencia natural Diagrama de flujo de mtodo de extraccin de bombeo mecnico Diagrama de flujo de mtodo de extraccin de Bombeo Elctrico Diagrama de Flujo de control automtico de circuito cerrado Diagrama propuesto de sistema de automtico de Instrumentacin de extraccin de petrleo Diagrama de definicin de reas dentro del proceso de de petrleo Panel de manejo de seguridad La configuracin para el proceso de extraccin de petrleo Diagrama de flujo del sistema de computacin Computadora conectada a un dispositivo de variable controladaVII

30 31 31 32 33 33 34 35 36 39 40 41 42 43 43 44 45 extraccin 47 51 51 54 54

GLOSARIOS

Accin correctiva

Una variacin en el flujo del agente de regulacin o control iniciada por los medios medidores del regulador o controlador automtico.

Accin de control

De un controlador o de un sistema controlador es la naturaleza del cambio en la salida efectuado por la entrada. La salida puede ser una seal o el valor de una variable manipulada. La entrada puede ser la seal de realimentacin del lazo de control cuando el punto de trabajo est constante, en una seal de error actuante controlador. o salida de otro

Accin de control remoto

Accin de control en la cual el lazo de control opera independientemente, sujeto a accin correctiva intermitente, el punto de trabajo cambia de una fuerza externa.

VII

Accin de control derivativa

Accin de control en la cual la salida es proporcional a la rata de cambio en la entrada.

Accin de control integral

Accin

de

control

en la cual rata

la salida es proporcional a la integral del tiempo de la entrada; la a la entrada. de cambio de salida es proporcional

Accin de control proporcional Accin de control en la cual hay una continua relacin lineal entre la salida y entrada, Esta condicin aplica cuando ambas la salida y entrada estn entre sus rangos de operacin normal y cuando la operacin es una frecuencia por debajo de un valor lmite.

Accin de control prealimentada Accin de control en la cual la informacin concerniente a una o ms condiciones que pueden producir disturbios en la variable

controlada es convertida en una accin correctiva para minimizar las desviaciones de la variableVIII

controlada. La accin de control prealimentada, puede ser combinada con otros tipos de control para anticiparse desviaciones controlada. y de minimizar la las variable

Accin de control retroalimentada

Accin de control en la cual una variable medida es comparada con su valor deseado para producir una seal de error actuante, que acta en el sentido en el cual reduce la magnitud del error.

Accin controladora de dos posiciones Aquella en la cual el elemento final de control se mueve inmediatamente, de un extremo a otro de su carrera, a predeterminados variable. valores de la

Accin de controladora de posicin proporcional Aquella en la cual hay una relacin lineal contina entre la posicin del elemento final de control y el valor de la variable controlada.

IX

Accin Reguladora fluctuante

Aquella en la cual hay una relacin predeterminada entre los valores de la variable controlada y la velocidad del movimiento de un elemento final de control.

Accin Reguladora fluctuante de velocidad proporcional Aquella en la cual hay una relacin lineal contina entre la velocidad del movimiento del elemento y la desviacin de la variable controlada.

Accin reguladora fluctuante ms proporcional Aquella en la cual se combinan aditivamente las acciones fluctuantes de posicin proporcional y de velocidad proporcional.

Agente de regulacin o control La energa del proceso cuyo flujo se varia directamente por el elemento de regulacin o control.

Autorregulacin

La caracterstica de funcionamiento que inherentemente ayuda al establecimiento del equilibrio.

X

Banda proporcional

El intervalo de valores de la escala travs de los cuales tiene que pasar la variable controlada para que el elemento final de control se mueva por todo su intervalo completo.

Compensacin

Un mtodo para variar o conservar el estado de un sistema empleado medios para contrarrestar los efectos de las perturbaciones, sin correlaciones causales entre el error en el estado del sistema y la accin de los medios compensadores.

Controlador

Un

dispositivo,

el

cual

opera

automticamente para regular una variable controlada.

Desviacin

La diferencia en un instante dado entre la variable controlada regulada y el punto de referencia.

Elemento sensor

La porcin de un dispositivo que responde directamente al valor de la cantidad medida.

XI

Elemento final de control

Es

Aquel

elemento

que

cambia

directamente el valor de la variable manipulada.

Elemento primario

El

elemento

del

sistema

que la

convierte

cuantitativamente

energa de la variable medida dentro de una forma apropiada para medir.

Intervalo de estrangulacin

Aquel intervalo de valores a travs del cual tiene que variar para hacer que el elemento final de regulacin se mueva desde una de sus posiciones extremas a la otra.

Instrumento indicador

Un instrumento de medida en el cual el valor el valor de la cantidad medida es indicado visualmente.

Instrumento medidor

Un dispositivo para comprobar la magnitud de una cantidad fsica o condicin presentada por est.

Instrumento registrador

Un instrumento de medida en el cual el valor de la cantidad medida es registrada. visual.XII

El registro puede ser

anlogo o digital y podra no ser

Limite de velocidad de la accin controlada Accin de control en la cual la rata de cambio de la variable especificada no exceder un valor predeterminado.

Modo de control

Un tipo especifico derivativo.

de accin de

control como proporcional, integra o

Perturbacin

Una seal que tiende a afectar el valor de la variable controlada o regulada.

Proceso

Las funciones colectivas realizadas en y por el equipo en el cual la variable es controlada. El equipo como se ha incorporado en esta definicin, no debe ser entendido que incluye un equipo de control automtico.

Regulador automtico

Aparato que mide el valor de una cantidad o de una condicin que funciona para mantener valor lmites.XIII

que dicho

est sujeta a variar con elemento y medido dentro de ciertos

Seal de mando

La alimentacin o entrada que se establece o vara por un medio externo al sistema de control de reaccin que se considera, e independientemente de l.

Sistema de control

Un sistema en el cual se usa una gua deliberada o manipulacin para alcanzar un valor preestablecido de una variable.

Tiempo de elevacin

Tiempo

necesario

para

que

la

variable controlada aumente

desde

un porcentaje de su valor final a otro, siguiendo a la aplicacin de un escaln de posicin como entrada.

Tiempo de estabilizacin

El necesario para que el valor absoluto de la diferencia controlada y su valor final llegue y se mantenga menor que una cantidad especificada, depuse de la aplicacin de un escaln de posicin como entrada.

Tiempo de respuesta

Tiempo

necesario

para

que

la

variable controlada alcance un valor especifico despus de la aplicacinXIV

de un escaln de posicin de entrada o de una perturbacin. Tiempo de pico El necesario para que la variable controlada alcance su primer valor mximo despus que se le haya aplicado un escaln de posicin de entrada. Variable controlada La cantidad o la condicin del

sistema controlado que se mide o se controla. Variable directamente controlada En un lazo de control, aquella variable cuyo valor es sensado para originar una seal de realimentacin. Variable indirectamente controlada Una variable la cual no origina una seal de realimentacin, pero la cual est relacionada e influenciada directamente controlada. Variable manipulada Una cantidad o condicin la cual es variada como una funcin de la seal de error de tal forma para cambiar el valor de la variable controlada.

RESUMENXV

El presente trabajo de graduacin muestra una gua para la instrumentacin de un campo de extraccin de Petrleo crudo. Sealando los conceptos tericos de la instrumentacin utilizada.

La instrumentacin utilizada en estos campos de extraccin de petrleo son los siguientes: instrumentos de campo (robustos y resistentes), expuestos al medio ambiente imperante en la regin, tales como termmetros, manmetros de presin y manmetro de flujo siendo estos analgicos, tambin transmisores elctricos, y transmisores neumticos y panel de control.

La gua para la Instrumentacin de un campo de extraccin de petrleo propone el diseo de una matriz en la cual describe los instrumentos de campo, como el registrador de presin que sensa la presin generada por flujo de petrleo cuando es conducido a la superficie, el termmetro que sensa la temperatura del flujo. Los transmisores como el transmisor neumtico de resorte instalado en la vlvula de globo con guarnicin para controlar la cantidad de flujo que atraviesa hacia la lnea de produccin, el transmisor neumtico de pistn instalado en la vlvula de bola que controla la sobrepresin, la seal que emiten estos instrumentos son neumticos. El controlador neumtico de balance de fuerzas es aquel que equilibra las fuerzas que actan entre el motor y el balancn, y lo realiza por medio de un relevador neumtico que amplifica el flujo. Panel de control, es el que centraliza toda instrumentacin utilizada durante el proceso de extraccin de petrleo y adems est provisto de sistemas de interrupcin automtica para arrancar o parar el motor, el balancn, la bomba de subsuelo que son los actuadores o tablero de arranque.XVI

Actualmente los principios de automatizacin son bsicos en el campo de extraccin de petrleo, pero estos debern integrarse, implementarse y centralizarse, para trasformarlo en un sistema de control automtico, incrementando de esta manera su eficiencia y productividad disminuyendo al mismo tiempo los paros improvistos y las demoras de produccin. Para planificar y organizar utilizamos la gua para la Instrumentacin de campo de extraccin de petrleo que aparece detalladamente en la pgina cuarenta y seis. En el presente trabajo tambin propongo un sistema de control automtico de circuito cerrado, que es el principio para los fundamentos del control computarizado, para que en el futuro inmediato se instale un microcomputador SIMATIC.

XVIII

OBJETIVOS

GENERAL Realizar una gua para la instrumentacin de un campo de extraccin de petrleo.

ESPECFICOS 1. Adaptar la automatizacin, para suministrar muchos de los sensores y transmisores, los cuales monitorean las variables de los procesos, con mayor certeza, confiabilidad, eficiencia y reducen las prdidas de tiempo, operacin y producto.

2. Incrementar las tcnicas, los mecanismos de medicin y controles ya existentes y por venir, para apresurar, la tendencia hacia maquinas y procesos, completamente automticos.

3. Disear un sistema de control automtico de circuito cerrado, para identificar anormalidades de los equipos, corrigiendo y aumentando la precisin, aproximacin, operacin y vida til de los mismos; mejorando al mismo tiempo, la seguridad del personal, del campo petrolero, a travs de dispositivos visuales, lumnicos y auditivos, los cuales emitirn seales, para reguardar al personal.XIX

INTRODUCCIONLa instrumentacin es una tcnica importante, se que ha ganado un lugar por s misma en la industria del petrleo, particularmente en los procesos de los mtodos de extraccin de petrleo. nuevas tareas, como Cada da, los instrumentos son indispensables para los controles automticos, tambin se les involucra en obtencin de eficiencia ptima de operacin de un El papel de la instrumentacin en la sistema de control automtico.

automatizacin es vital para suministrar los instrumentos de transmisin, controladores, paneles de control, actuadores y microprocesadores, que harn posibles un campo de extraccin de petrleo totalmente automtico.

En la gua para la instrumentacin de un campo de extraccin de petrleo se describe un conjunto de conocimientos, tcnicas de operacin y los mecanismo de medicin y control ya existente y por venir, para apresurar significativamente la tendencia hacia procesos completamente automticos de mtodos de extraccin de petrleo. No hace algunos aos, la utilizacin de la instrumentacin era opcional en la mayora de los campos de extraccin de petrleo, dependiendo completamente de las polticas de la gerencia. Los ingenieros de instrumentacin en la industria petrolera admiten que en lo referente a la instrumentacin no hay escogencia: se debe utilizar tanto como se justifique econmicamente o se arriesga a ceder el negocio a competidores ms agresivos y visionarios.

La calidad de la extraccin del petrleo crudo (producto) se asegura por medio de la instrumentacin, la cual monitorean las variables de los procesos con una confiabilidad mayor que la de cualquier ser humano. Debido a los instrumentos, la precisin y aproximacin tiene un nuevo significado, de talXXI

forma que los procesos de extraccin de petrleo, que hace algunos aos eran slo un sueo, ahora son realidades prcticas. Y as como los instrumentos han llegado a ser ms importantes para la escena del campo de extraccin de petrleo, as tambin lo es el ingeniero o tcnico instrumentista. La gua para la instrumentacin de un campo de extraccin de petrleo es clave en la operacin de la instrumentacin, de los mtodos de extraccin de petrleo ya que en la misma se detallan los instrumentos como: controles de flujos, temperaturas y presiones; transmisores neumticos de resorte, transmisores neumticos de pistn y trasmisores solenoides; los tipo de seal que se emite son: seal elctrica, seal neumtica y seal electrnica; controladores como el actuador elctrico, el transmisor neumtico de balance de fuerzas y el transmisor electrnico de balance de fuerzas; panel de control y por ultimo los actuadores particularmente nos referimos a tableros elctricos de arranque. Adems est versado sobre el diseo de controles automticos, que debern de actualizarse para que en el futuro tambin se pueda implementar los sistemas de instrumentacin para integrar todo en un sistema de control automtico de circuito cerrado. Instalar un microprocesador para convertir todo el sistema de control automtico en un sistema de control computarizado.

XXII

1. ASPECTOS TCNICOS DE LA INDUSTRIA PETROLERA.

1.1 origen del Petrleo Partamos de su historia, segn Herdoto el alquitrn, era utilizado, para las construcciones en Mesopotania, durante los aos seis mil (6,000) antes de Cristo. Los alquimistas Coptos desarrollaron, los principios de la destilacin entre los aos cien (100) a seiscientos (600) despus de Cristo. La industria petrolera, propiamente dicha comenz en Rusia en 1,735, Unidos en 1,860. y en los Estados

En lo que va, del siglo XX, los avances tecnolgicos, a semejanza de lo ocurrido en otros campos del conocimiento aplicado, extraordinariamente, refinacin. se han acentuado y especialmente en el terreno de la produccin

En su origen, se han anunciado dos teoras; Orgnica y Inorgnica.

La Teora Orgnica: supone que el Petrleo, se ha formado, en un ambiente marino principalmente, por descomposicin de productos vegetales y animales, que vivieron, en el mar, en edades geolgicas muy antiguas, y sus restos se fueron acumulando, en sedimentos, que debido a la vida marina, se convirtieron en Plancton (Microorganismos marinos), Producindose al final, grandes cadenas, de enlaces, de carbones y hidrgenos (Materia Orgnica).

La teora Inorgnica: supone que el agua, el anhdrido carbnico (C02) y varias sustancias inorgnicas (Carburos y carbonatos metlicos) obrando2

como catalizadores, por accin del calor y altas presiones, dieron origen al Petrleo: en laboratorios se han creado condiciones y obtenido vestigios de hidrocarburos, pero parece, qu las condiciones necesarias, para las reacciones mencionadas, encuentra el petrleo. no se pueden dar en algunos medios donde se

1.2. Composicin del Petrleo

Fundamentalmente, est constituido por Hidrocarburos, compuestos predominantemente, de dos elementos qumicos Carbono (C) e Hidrogeno (H), unidos formando largas cadenas, y no Saturados). Segn la Hidrocarburos en: Parafnicos ramificaciones y anillos (Saturados de esas uniones se dividen los Olefnicos disposicin

(Largas cadenas saturadas):

(Cadenas no saturadas): Naftnicos (Anillos saturados) y Aromticos (Anillos no saturados). Junto al carbono y al hidrogeno se encuentran, como impurezas de mayor importancia, vestigios de metales. El agua, inevitablemente al Petrleo, los extractos, que lo contienen. el Azufre, el Nitrgeno y el Oxigeno, y es un compuesto que acompaa, casi segn

en volmenes relativamente grandes,

2

Figura 1. Composicin del petrleo

PARAFNICOS HIDROCARBURO NAFTENICOS (Ciclos Saturados) (Ciclo Exano) OLEFNICOS C4= (Butadieno)

AROMTICOS (Ciclos no Saturados) (Benceno)

ISOPARAFNICOS iC6 (Ramificados)

Fuente:

Fipetrol Instrumentacin para plantas de Petrleo Venezuela:

Material de apoyo,1,991. p. 23

3

1.2.1 Tipos de petrleos

Normalmente, en la industria petrolera, se les conoce, como tipos de crudos, debido a que, as se les extrae, en los Campos Petroleros. No todos los crudos, son semejantes y bien. no homogneos. Pueden considerarse, como productos

Se les, clasifica en el mercado internacional (comercialmente), segn su densidad y contenido de azufre. Los crudos, con uno por ciento (1%) ms de azufre provocan problemas de corrosin en las instalaciones de las destileras, en los equipos de los consumidores, envenenan los catalizadores, o incrementan la contaminacin de nuestro medio ambiente: por consiguiente estos tienen un menor valor: Se les designa comercialmente, como crudos agrios, en Guatemala existe un elevado volumen de ste tipo. En consecuencia, a los otros se les denominan.

Crudos dulces (La mayora de petrleos argentinos pertenecen a ste tipo). Segn su densidad, se clasifican a los petrleos en: a. Ligeros > 30 API

b. Medios de 22 a 29.9 API c. Pesados < 21.9 API

Siendo tambin, se el orden decreciente de su valor comercial. Otra divisin, es la ya vista de:

4

d. Parafnicos: A altas temperaturas, se solidifican y son aptos, para los procesos de conversin.

e. Asflticos: Al destilar, dejan residuos asflticos.

f. Mixtos: Mezclas de ambos petrleos.

1.3 Tcnicas de la produccin del petrleo 1.3.1 Descripcin geolgica

Est se realiza, en cuentas sedimentarias, qu son las rocas, que han participado, en la formacin de los sistemas montaosos terrestres, son de tres clases.

a. Rocas gneas: Provenientes del interior de la tierra.

b. Metamrficas: Originadas existentes.

por

una

modificacin,

de

las pre-

c. Sedimentarias: Originadas por el desgaste de rocas gneas.

Al mismo tiempo,

que en la corteza terrestre,

se produjeron

las

elevaciones, que dieron nacimientos a los sistemas montaoso, se originaron hundimientos, que recibieron el aporte de sedimentos, provenientes del desgaste de las rocas emergidas.

Ests regiones, de la corteza terrestre, que al momento de hundirse en forma de capas superpuestas, que llegan a alcanzar espesores de ms de diez

5

mil (10,000) metros, se llaman cuencas sedimentarias. Las cuencas sedimentarias, se encuentran en el mar y en el continente, en este caso los sedimentos, estn depositados en los que fueron los grandes lagos.

De las rocas madres, los sedimentos (por accin del agua, transforma las sustancias Orgnicas, movimientos de la corteza terrestre). Migran, hacia las rocas recipientes (rocas porosas): estas rocas porosas son generalmente arenicas, aunque un tipo importante, de porosidad secundaria se da, tambin.

En las rocas calcreas: entre esos innumerables poros, es donde se aloja el petrleo.

El petrleo por fin, se almacena en un lugar especial de la cuenca: la trampa donde queda hasta su descubrimiento: es decir, no todo el volumen, de una cuencas sedimentarias contendr petrleo, y habr zonas productivas y otras estriles o secas. En la comunes de trampas. Figura 2 se puede observar los tipos ms

6

Figura 2. Tipos de Plantas

Fuente:

Fipetrol Instrumentacin para plantas de Petrleo Venezuela:

Material de apoyo,1,991. p. 19

7

1.3.2 Propreccin de Hidrocarburos

En zonas, completamente vrgenes, desde el punto de vista geolgico, la realizacin posteriores. de estudios aerotogrficos, facilita los reconocimientos

El primer paso, en la bsqueda de los Hidrocarburos,

consiste en un

reconocimiento de la superficie, de la cuenca Sedimentaria: en los bordes de la misma, pueden reconocerse rocas, por los petrlogos, que dieron, una idea de la disposicin estructural del subsuelo: laboratorios, indican su composicin, posteriormente, esas rocas son estudiadas, en los paleontlogos y sedimentlogos, quienes la presencia de microfloras y propiedades fsicas,

micro faunas, edad geolgica y ambiente en que se formaron: Todos estos datos, que nos permite vincularlos a la existencia de hidrocarburos. Otros aspectos importantes, consiste en detectar las posibles trampas, manifiestan superficialmente. que se

En este tipo de trabaj, tambin se realizan estudios geofsicos, con el objetivo, de explorar las capas ms profundas, para determinar las estructuras potencialmente petrolferas: los mtodos empleados, se basan, en las diferentes constantes fsicas, que se presentan las rocas sedimentarias, con relacin a las cristalinas.

La primera constante fsica,

ssmicas de refraccin,

donde la

velocidad de propagacin de las ondas ssmicas, en las rocas cristalinas es superior, a la que presentan las rocas sedimentarias; efectan desde la superficie del suelo. stas mediciones, se

8

La segunda constante fsica, es gravimetra; las variaciones locales del campo gravitatorio, permite determinar las diferencias de densidad, de los estratos del subsuelo; las rocas cristalinas acumuladas ocasionan un mientras las sedimentarias y la sal, originan una Efectuando mediciones, en varios puntos, se incremento de la gravedad, disminucin de la gravedad. la gravedad.

puede obtener un mapa gravimtrico, con la localizacin de las variaciones de

La tercera constante fsica, formaciones del subsuelo,

es

relevamiento magnetomtrico;

Las

se reconocen por las variaciones del campo

magntico terrestre, motivadas por las distintas susceptibilidades magnticas de las rocas cristalinas y las rocas sedimentarias; los cuerpos ferromgneticos, las rocas cristalinas y las rocas sedimentarias, presentan un orden decreciente de la referida magnitud fsica.

Adems, existen dos

mtodos, para

detectar

las posibles reas

petrolferas, uno de ellos es por aeromagnetometra; Es la medicin, del campo magntico desde equipos y dispositivos remolcados por aviones; ste mtodo, solamente permite delimitar las extensiones de las cuencas y las separaciones entre los estratos, pero no dn informacin, sobre la estructura de los sedimentos. La mayor porcin del territorio petenero, de inters petrolfero, ha sido cubierto ya, por estas tcnicas.

El otro mtodo, es el de Ssmica de Reflexin; mediante el presente mtodo, es posible detectar y ubicar en la profundidad, posicin espacial, pendiente y rumbo, la forma de las capas, especialmente la configuracin de las trampas; El principio aplicado, se basa en la medicin del tiempo que tardan ciertas ondas, producidas por una sacudida en un punto determinado del

9

suelo,

en atravesar espesores del terreno, y

colisionar con las superficies la sacudida es provocada la aplicacin de leves o

elsticas, reflejarse

retoar a la superficie;

mediante: la explosin de una carga de dinamita en el fondo del pozo, de reducido dimetro y varios metros de profundidad; golpes dados por las mezclas de oxgeno y butano al explorar (dinoseis),

por la insertacin de vibraciones al terreno (vibroseis); las ondas son recibidas en la superficie, por Sismmetros. Anteriormente los impulsos, se registraban en papel fotogrfico, mediante un rayo de luz, y en la actualidad, se registran magnticamente, lo que permite reproducir las seales; Con la

regestacin magntica analgica,

se ha ampliado la recepcin de varias

reflexiones provenientes, del punto profundo mismo, ocasionadas por varias, explosiones distintas. Los datos obtenidos actualmente son procesados por computadoras.

1.3.3 Perforacin de exploracin.

Las operaciones anteriores solamente permiten ubicar las zonas, dentro de una cuenca, con mayores probabilidades para ser perforadas en la busca de petrleo.

En la actualidad los avances tecnolgicos, no han logrado, sino mediante las perforaciones, asegurarse la existencia de petrleo en el subsuelo. Esto es as, debido a que nicamente la perforacin permite conocer parmetros imprescindibles, para establecer no slo la existencia, sino el volumen de los hidrocarburos existentes; stos son: el espesor de las capas, las porosidades, permeabilidades, presiones, tipos de fluidos y relaciones entre ellos.

10

Segn la finalidad perseguida, se distinguen varios tipos de perforacin de exploracin.

Inicialmente se realizan, confirmacin

perforaciones de muestreos,

ests son de

dimetros mnimos y baja profundidad (300 a 500 metros); su objetivo, es la o rectificacin de las indicaciones suministradas, por los mtodos geolgicos y geofsicos.

Seguidamente se realizan, perforaciones estratigrficas (300 metros o ms); estas llegan hasta la roca madre, atravesando todos los espesores sedimentarios; sus objetivos son, conocer la estructura de la regin estudiada.

A continuacin se construyen, pozos de exploracin, pozos de extensin y pozos de avanzada.

Los

Pozos de exploracin

(300 a 800 metros);

Los topgrafos, el objetivos es:

establecen las coordenadas exactas del pozo a perforar, sobre la base de los estudios anteriores realizados, por los gelogos y geofsicos; estudiar los extractos atravesados, reconocer la naturaleza y presin de los fluidos, y descubrir petrleo. La probabilidad de xito, oscila entre uno (1) en ocho (8) a uno (1) en veinte (20).

En el mar, se ha perforado ya, bajo el agua a profundidades cercanas a los doscientos (200) metros, penetrando casi Cuatro mil (4,000) a Seis mil (6,000) metros en el lecho marino.

Las caractersticas de la formacin del subsuelo,

se pueden tener

cualitativamente una idea de ellas, por medio de las rocas que se atraviesan

11

por la facilidad de perforacin; (testigos).

los anlisis cuantitativos,

se efectan

examinando muestras extradas del subsuelo mediante un Saca ncleos En la actualidad se emplean la Digrafas, que consiste en la elctrica; medicin de parmetros fsicos (Potencial radioactividad, rayos gamma y neutrones). y resistividad

Para poder realizar los estudios de acumulacin, se deben construir los pozos de extensin y avanzada.

El Pozo de Extensin, se construye a una distancia de Un mil (1,000) a Tres mil (3,000) metros del pozo descubridor y su objetivo es conocer la y de prolongacin del yacimiento, variaciones del nivel de los estratos, las magnitudes fsicas.

El Pozo de Avanzada, cumple la misma finalidad que los de extensin, pero se construyen a distancias hasta de descubridor y permite Un mil (1,000) metros del para el estudio El xito de los reunir informacin ms precisa,

econmico del yacimiento a explorar, ya que se fijan el nmero y disposicin de los pozos de explotacin o productores de hidrocarburos. pozos de avanzada oscila entre el Setenta (70) u Ochenta (80) por ciento.

Una vez realizados los pozos de extensin y avanzada, y procesados los datos necesarios, recuperable existen se puede tener una idea de la reserva tcnicamente (volmenes de Hidrocarburos), en el yacimiento

descubierto; ahora debe realizarse la evaluacin econmica, que permitir deducir la posibilidad de su explotacin.

12

La

rentabilidad

de la inversin a realizar depender, de la productividad presin, temperatura y relacin Gas- Petrleo

por pozo, (G.O.R.).

que es en funcin del espesor til de la formacin productiva,

porosidad, permeabilidad,

El nmero de pozos de explotacin necesarios,

sern en funcin de su de manera que

productividad y del volumen total de la reserva existente:

surgir un distanciamiento optimo entre los mismos, ubicados en los vrtices de un retculo determinado por los pozos y da lugar a sobre inversiones; un distanciamiento superior al ptimo, evitar la recuperacin mxima de volumen de hidrocarburos.

En ultima instancia los precios de venta de los hidrocarburos, fijarn la rentabilidad comparndolos, con los costos que resultan, no slo de extraerlos, sino de tratarlos y transportarlos a las refineras o petroqumicas.

Suponiendo

que

los

estudios econmicos indican la conveniencia

de explorar el yacimiento, fijarn correlativamente, el nmero y distancia de los Pozos de produccin a perforar, as como el rgimen de explotacin.

Las perforaciones de produccin, se realizarn, una vez localizado el estrato que contiene los hidrocarburos, el pozo debe terminarse para que se produzcan los mismos. Si en el estrato hay alta presin, el fango s liduye con el gas y el petrleo, y puede producirse un flujo incontrolable hacia el exterior.

Si la presin es muy baja, la evidencia de la presencia de hidrocarburos se disminuye. Aqu tiene fundamentalmente importancia la experiencia de los perforadores. Su perforacin continuar unos metros ms hacia abajo de la

13

perforadores. Su perforacin continuar unos metros ms hacia abajo de la formacin productiva, para que se forme un depsito natural. La tubera de aceite cribada se pondr en contacto con la arena petrolfera, y los fluidos subirn a la superficie por la tubera de produccin. Existen varios tipos de explotacin que conducen a regmenes de produccin; los horizontes productivos pueden ser varios y este caso puede resultar conveniente.

La explotacin dual pueden minimizarse.

es de ambas capas al mismo tiempo;

de est de

manera, la reserva se recupera anticipadamente y los gastos de explotacin En general, puede decirse que los regmenes Unas de explotacin pueden ser de tipo conservativo, prologa la vida del yacimiento lo acelera, en caso contrario. explotaciones mltiples. las maneras de acelerar la explotacin es empleando tcnicas de fracturacin hidrulica, acidificaciones, y

1.4 Tratamiento del petrleo Las impurezas ms conocidas son el agua, las sales y el azufre.

El agua disminucin

tiene como consecuencia directa sobre las refineras de la capacidad de procesamiento.

la

Se le elimina mediante

procedimientos qumicos y elctricos.

Las sales, equipos.

especialmente el sodio (Na) y calcio

(Ca), acompaa al

petrleo y provocan incrustaciones, fenmenos corrosivos y erosiones en los

14

La desalificacin puede realizarse tambin por elctricamente.

tratamiento qumico o

El azufre, especialmente el cido sulfidrico (H2S), es altamente txico para el ser humano y altamente corrosivos para el equipo, y el otro que al petrleo, debido a que la produce petrleos agrios, que comercialmente reduce su valor. En Guatemala, particularmente no se le realizan tratamientos mayora del que ha sido extrado es transportado a otros pases, porque el nuestro carece del equipo idneo para tratarlo, y porque la inversin del mencionado equipo es demasiada alta, respecto a la produccin del mismo que se extrajo, que se importa y se negocia ya tratado, slo para prepararse y separarse en los siguientes derivados del petrleo: naftas (para automotores y aviones a hlice ), reaccin), disel-oil kerosn (para calefaccin), av-jet (para aviones a gas-oil (para camiones, tractores y motores diesel ligeros),

(para centrales elctricas, locomotoras, barcos y motores disel asfaltos (para carreteras, construcciones

estacionarios), fuel-oil (para calderas industriales, centrales elctricas, barcos y locomotoras a vapor), lubricantes, de edificios y pinturas) y gases licuados de petrleo (GLP.) (para estufas de

gas propano, calentadores y calefaccin).

1.5 Transporte del petrleo

Desde los campos petroleros de los yacimientos, el crudo se transporta (Incrementando su temperatura y bombendolo), a travs de oleoductos, de los campos petroleros, los cuales son: El Xan, Sayarche Rubelsalto; el dimetro del oleoducto es de un (1) pie (punto treinta cuarenta y ocho (0.3048) metro) hacia el Puerto de Santo Tomas de Castilla, el cual es subterrneo y atraviesa el lago de Izabal para depositarlo en tanques de15

almacenamiento, donde se almacena el crudo a la espera del buque petrolero; normalmente en el puerto se carga cada cinco (5) semanas En de doscientos diez (210) a doscientos treinta (230) mil barriles de crudo. destileras. Los vagones son tanques con serpentinas de vapor (si es necesario) para posibilitar su descarga. Los busques petroleros poseen, adecuadamente distribuidos, varios tanques que aseguran su navegabilidad, y alta seguridad en contra de las incendios. Se cargan bombendose desde las bombas explosiones y/o

otros pases se transporta por medio de ferrocarriles, o directamente a las

ubicadas en las drsenas, mediante mangueras flexibles. En la actualidad, para utilizar buques de gran tamao, que no pueden acercarse a los puertos de bajo calado, se han construido boyas de carga y descarga a distancias de la costa, en aguas profundas.

16

2. INSTRUMENTACIN EN EL PROCESO DE EXTRACCIN DE PETRLEO EN EL CAMPO

2.1 Definicin y descripcin

a. El proceso de extraccin de petrleo es el levantamiento y tratamiento del petrleo crudo de los pozos productores, con fines industriales, de investigacin o de aprovechamiento. El petrleo crudo normalmente no es utilizado en su estado natural, debido a que debe elaborarse (por destilacin, desintegracin cataltica); del petrleo se derivaban diferentes productos como son nafta, kerosn, gas comn, gases licuados de petrleo (gas propano), gas oil, disel oil, fuel oil, av-Jet, bnker, asfaltos, polmeros y alquitrn, los cuales se adquieren a un alto valor comercial.

El conjunto de operaciones, a las que se deben someter el petrleo crudo, para que se pueda almacenar en los depsitos (tanques) en tierra firme y estn disponibles para transportarlo, es definido como proceso de extraccin. Su finalidad es obtener productos de un alto valor comercial; para lograrlo, stos deben de cumplir ciertos requisitos, como su densidad API, su contenido de azufre, contenido de metales y contenido de asfaltos.

Para obtener productos que cumplan con determinados requisitos y especificaciones tcnicas, el proceso debe realizarse bajo ciertas condiciones de operaciones relacionadas con la temperatura, flujo de fluidos y presin. El operador debe tener fuentes de informacin claras sobre estas variables; los instrumentos suministran la informacin necesaria sobre el proceso de extraccin de petrleo ( indicadores y registradores).17

Adems cada da los

los procesos de la Industria petrolera se tornan altamente complicados y de mayores dimensiones, por lo que resulta bastante complicado y arriesgado para el operador poder controlarlos manualmente, por lo que este personal requiere del apoyo y eficacia de los controladores automticos.

Los

procesos en este documento se clasificarn en tres (3) tipos: Desde el punto de vista del control continuo, debido al tipo de

continuo, discontinuo e intermitente. producto.

automtico, nos interesa el proceso de tipo

Proceso de tipo continuo: es aqul en el cual se mueven masas liquidas y/o gaseosas en forma continua. El grado de mayor importancia, en los procesos de tipo continuo, se deben tener en cuenta, bajo condiciones controladas, las siguientes variables: la presin, el nivel, la temperatura y flujo de fluidos; stas son las ms importantes.

Instrumentacin

Es la tcnica de la automatizacin de

los procesos, la ciencia de la

aplicacin de equipos y dispositivos de medicin, o de medicin y control a los procesos, con el objetivo de determinar la condicin o magnitud de ciertas variables fsicas o cantidades qumicas, con el fin de controlarlas dentro de los lmites especficos.

Variable: es una cantidad u otra condicin que est sujeta a cambios y puede regularse, otras. como la temperatura, el volumen y la presin, entre dispositivos de Instrumentacin, aplicados Los equipos y

inteligentemente generalmente estn capacitados para garantizar la18

manufactura de los productos de calidad total a costos ms bajos, en el menor tiempo posible. La instrumentacin tambin puede aplicarse donde existe inters por la seguridad del personal y del equipo.

Instrumento de medicin

Este equipo es capaz de detectar los cambios de una variable, con un mecanismo que convierte esos cambios en una informacin lgica, en forma de reporte. de A manera de definir tcnicamente, se refiere a un termmetro los cambios de una variable mercurio con (temperatura), al del los incrementos de temperatura: mercurio, que detecta

cambiar el volumen

adicionalmente, reporta el valor de la variable, al convertir la posicin de la columna de mercurio en unidades de temperatura, por medio de una escala graduada.

Reporte de la variable

Se hace dos (2) maneras o formas: pueden ser con indicacin y/o con registro. La forma ms simple es la de indicacin, la cual permite conocer la condicin de la variable, precisamente en el instante de la lectura.

El registro permite conocer la condicin de la variable en forma continua; en un lapso cualquiera, despus de efectuarse la medicin. En esta forma, se suministra una historia permanente de la variable, envista de que se Registrador de tendencia, el cual reporta mediciones en forma selectiva mediante el uso de interruptores.19

Clasificacin de los instrumentos: segn la forma de instalarse, los

clasificaremos en: instrumentos de campo instrumentos de panel o tablero de control. Instrumento de Campo: es aquel instrumento que se instala continuo al Deben estar provistos y

proceso o en algunos puntos de medicin.

capacitados para soportar los rigores ambientales, los fluidos que conducen y las sustancias corrosivas: normalmente su manufactura es bastante robusta.

Instrumento de Panel o Tablero de Control: Se instala el Instrumento,

por lo general, en una sala con un ambiente controlado y sensa la medicin por medio de seales Normalizadas de transmisin. Por lo tanto, estos instrumentos de panel de control no estn expuestos a rigores ambientales y corrosivos, por ser estos receptores de seales normalizadas, diminutos (pequeos), sensibles y tcnicos. que sirven para medir cualquier variable. Los Instrumentos de panel de control son los ms Normalmente estos instrumentos deben estar instalados debidamente organizados en un diagrama dentro de la sala o un tablero de control.

Caractersticas estticas de los instrumentos: son las que se deben considerarse cuando el Instrumento es utilizado para medir condiciones que no vara con el tiempo. Estas son las siguientes:

Caractersticas deseables -Exactitud -Reproductividad -Sensibilidad (sensitividad) -Precisin20

Caractersticas indeseables -Error esttico -Desvi -Zona muerta

Caractersticas dinmicas de los instrumentos: el comportamiento dinmico de un Instrumento se determina provocando cambios en la variable medida. Los que se efectan comnmente son:

a. Cambio de escaln: es el cambio instantneo y finito de la variable que se mide.

b. Cambio lineal: es aquel en que la variable cambia linealmente con el tiempo.

c. Cambio senoidal: es aquel en que la variable vara su amplitud, de acuerdo con una funcin senoidal de amplitud constante.

Estas son las siguientes: Caractersticas deseables -Velocidad de respuesta -Fidelidad Caractersticas indeseables -Retraso puro -Error dinmico

Rango: est definido por el menor o mayor valor que el instrumentos y es capaz de detectar o recorrer.

Amplitud (Gamma, Span): est definida por el nmero de unidades de la variable, que el instrumento es capaz de detectar o recorrer.

Ejemplo: Si a es valor detectable mnimo, y b es el valor detectable mximo, entonces por definicin: Rango: de a a b, Amplitud: b-a (gama).21

Seales analgicas:

son

aquellas

seales

que

contienen

la

informacin en el grado de las variaciones del medio utilizado. frecuentemente utilizada como un ndice de informacin. y/o la frecuencia,

En un sistema Asimismo son La

de medicin o control que utiliza un fluido, la variacin de presin del fluido es utilizadas las variaciones del voltaje, corriente, amperaje, temperatura, presin en casos de sistemas analgicos elctricos. representacin visual de la informacin, puede ser en forma de registros (trazos de una pluma) y/o en forma de indicacin (punteros sobre una escala).

Seales digitales: stas son seales normalmente utilizadas por los

equipos digitales; esta seal se expresa finalmente con dgitos. Los equipos digitales suministran su informacin en forma codificada, utilizando una serie de pulsos en grupos. Por lo general, los equipos son elctricos y/o electrnicos. La representacin visual de la informacin se obtiene en forma de dgitos ( de 0 al 9), en forma de indicacin (Contadores) y en forma de registro (Teletipo).

Los instrumentos se clasifican en la industria petrolera en dos formas:

Por su instalacin: segn la forma de instalarse, stos se clasifican en

instrumentos de campo e instrumentos de panel de control.

Los instrumentos de campo se instalan contiguos al proceso o puntos de medicin, por lo cual tiene que sufrir los rigores ambientales. Mientras que los instrumentos de panel de control, por lo general, estn en una sala con ambiente controlado, y sensa la medicin, a travs de seales normalizadas de transmisin, un solo tipo de indicadores y/o registradores se pueden utilizar para medir cualquier variable. Estos instrumentos son mucho ms22

pequeos que los de campo, debido a la tendencia de reducir el espacio al centralizar totalmente la informacin en una sala de control.

Y por la funcin que ejecutan:

a. Instrumento de medicin b. Transmisores c. Sensores d. Controladores e. Actuadores f. Elementos finales de control o posicionadores.

a. Instrumento de medicin

Es un dispositivo o equipo capaz de detectar los cambios de una variable, con un mecanismo que convierte esos cambios en una informacin lgica, en forma de reporte. Adicionalmente, reporta el valor de la variable. Estos estn constituidos bsicamente por un elemento sensor y un elemento amplificador.

b. Transmisores

Es un equipo capaz de trasmitir seales de medicin, para desplazar o viaje de un punto inicial a un punto final (abriendo o cerrando vlvulas, balance por desplazamiento y balance de fuerzas). Los instrumentos de transmisin, dentro de un campo de extraccin de petrleo, es una consideracin importante en que generalmente hay gran separacin entre el supervisor y los equipos que se van a controlar. En la escogencia del mtodo de transmisin, se incluye la siguiente serie de factores: seguridad, la distancia y las seales que se van a23

transmitir, los cuales determinan si el sistema que se va a Instalar es electrnico o neumtico o la combinacin de ambos. En el campo de extraccin de petrleo se instalaron transmisores electrnicos, transmisores electrnicos de balance por desplazamiento, transmisores electrnicos de balance de fuerzas, transmisores neumticos de balance de fuerzas y transmisores neumticos de balance por desplazamiento.

b.1 Transmisores electrnicos

En un instrumento receptor de voltaje, el voltaje es generado cuando la corriente pasa a travs de una resistencia calibrada. El receptor es del tipo servomecanismo, un servo-motor que impulsa el puntero; la seal mas comnmente utilizada para los transmisores es el amperaje de corriente directa por ser inmune al voltaje inducido tipos AC. Entre las seales de transmisin electrnica, se encuentras rangos de 1-5, 4-20, y10-20 ma. DC..

b.2 Transmisores neumticos

El aire y la corriente elctrica son los dos medios bsicos de transmisin. La transmisin neumtica tiene un uso ms generalizado, probablemente debido a que es fundamentalmente mecnica, simple y fcilmente entendida. Estos operan en vaco; la escala es absoluta con un rango entre 0 absoluta y presin atmosfrica, sin embargo, la industria petrolera normaliz la escala de 3 a 15 psi. El sistema de transmisin de la seal de aire es a travs de un sistema tobera-obturador el cual ajusta el sistema de contrapresin.

En el panel de control del campo de extraccin de petrleo aparecern estos transmisores instalados en la planta. Adems aparece en la figura 3.24

Figura 3. Sistema de transmisin

Fuente: Fipetrol. Instrumentacin para plantas de petrleo. 1825

Los instrumentos de tablero, que reciben seales normalizadas, implican transmisores en el campo, que ser anlogos o digitales. Entre los anlogos, los ms utilizados son los neumticos, elctricos, y los de duracin de pulsos y los de codificacin de pulsos. La distancia de transmisin de equipos neumticos es la ms limitada, debido a que la compresibilidad del aire (o gas) produce un retardo en la transmisin. Este retardo es proporcional a la distancia, cuya limitacin es de 200 metros.

En cuanto a la transmisin elctrica,, puede utilizase para distancias largas.;, siendo su limitacin es la funcin de la impedancia de los conductores. La limitacin es de 6,000 metros. El sistema de duracin de pulsos se utiliza sobre grandes distancias en el orden de kilmetros; con frecuencia se hace usando radio-transmisin. Finalmente, en el caso de muchas mediciones o grandes distancias, se utilizan sistemas digitales, debido al ahorro de los canales de transmisin con el sistema de duracin de pulsos.

c. Sensores

Es el elemento de un instrumento de medicin, que sufre cambios en sus propiedades fsicas con los cambios del proceso. En caso de instrumentos mecnicos, el cambio fsico consiste en un movimiento; en los instrumentos elctricos el cambio consiste en una variacin del voltaje, resistencia, Amperaje y capacidad. Estos cambios son pequeos cuantitativamente.

c.1 Amplificador

Es el elemento del instrumento de medicin encargado de amplificar los cambios de las propiedades fsicas del elemento sensor, debidas a los cambios26

de las condiciones del proceso, y emitir una seal que pueda ser leda y/o registrada apropiadamente. neumtico y electrnico. El elemento amplificador puede ser mecnico,

En el campo de extraccin de petrleo comnmente se encontraran con: sistema de amplificador mecnico, amplificador neumtico (sistema de toberaobturador y sistema de relevador (relay neumtico)), un balanceo por desplazamiento neumtico y electrnico, y un balanceo por fuerzas neumticas y electrnicas.

d. Controladores

Es un dispositivo, que opera automticamente para regular la variable controlada; el elemento del circuito es la cantidad o condicin que estamos interesados en medir y controlar, en un proceso se denominada variable controlada y la energa o materia, de la cual la variable controlada es una caracterstica, se llama medio controlado. Por variable manipulada se conoce a aquella cantidad o condicin que es variada, con el fin de lograr el valor deseado de la variable controlada, siendo el Medio Manipulado es la energa o materia, de la cual la variable manipulada es una caracterstica. manipulado es lo que fluye, a travs del elemento final de control. El medio

Controlar puede definirse como la tcnica de balancear los ingresos de materia o energa con los egresos, a fin de mantener un proceso a un nivel predeterminado de operacin. Para ejercer un eficaz control, la variable manipulada que se seleccione debe ser regulable con relativa facilidad, mediante una vlvula a cualquier otro elemento final de control y, adems, debe de ejercer el mayor y ms rpido efecto sobre la variable controlada.27

Una vez determinada la variable que se va a manipular, las dems variables pasan hacer disturbios.

La naturaleza de los disturbios son las variaciones en las condiciones, que constituye un cambio en la carga y producirn un cambio en el balance ingresos / egresos, lo cual afectar la variable por controlar. Estos disturbios pueden ser mnimos y paulatinos, como suelen ser los cambios en la composicin de los fluidos, o pueden ser grandes y repentinos, como el caso de las variaciones del flujo en las diferentes lneas de los productos del petrleo.

e. Actuadores

Es el medio por el cual la seal proveniente de un controlador o cualquier otro dispositivo mecnico o elctrico puede hacer que el vstago de una vlvula se desplace o viaje de un punto a otro de su recorrido o que un eje recorra totalmente toda su rotacin especfica. Es difcil establecer una definida se puede demarcacin, entre el cuerpo de una vlvula y el actuador; de una vlvula es llamado actuador. elctrico y pistn hidrulico.

establecer, por lo tanto, que todo lo que est ms all de la caja de empaques Existes diversos tipos de actuadotes manuales, A diafragma y A pistn (neumticos), elctricos, hidrulicos, pistn

En

el

Diseo

de

actuadores,

los

sobredimensionados

agrega

innecesarios costos e incrementa el tiempo de repuesta de una vlvula de control, mientras que el uso de actuadores subdimensionados podra lograr que la vlvula no abriera o cerrara totalmente. La seleccin de un ptimo tamao de actuador, para cierta aplicacin de una vlvula de control, es una28

materia de mucha importancia, ya que en un lazo de control no existe un eslabn ms importante que otro. El actuador deber poseer la suficiente fuerza para contrarrestar la histresis inherente, en el movimiento de las partes mviles de la vlvula, del peso de las mismas partes mviles y de la fuerza no balanceada aplicada, a travs del asiento de la vlvula; el actuador, debe adems, tener suficiente poder y estabilidad para contrarrestar los efectos de la inercia en vlvulas de gran tamao, as como la suficiente velocidad de respuesta para satisfacer las condiciones de operacin.

Luego de que la vlvula ha sido seleccionada, se debe seleccionar un idneo actuador para su mxima eficiencia, es decir, que el actuador debe de proveer la fuerza suficiente para mover el vstago, hasta la posicin de totalmente cerrado, con la suficiente carga para brindar al encaje obturador y asiento del requerimiento de prdidas que la vlvula necesite. A su vez, el resorte seleccionado debe ser dimensionado para oponer la fuerza que la alimentacin de presin provee.

Dimensionar un actuador implica resolver un problema de esttica. Las fuerzas y la direccin, en la cual cada una de ellas acta, dependen de la seleccin del actuador y de la direccin del fluido a travs de la vlvula. La fuerza posible del actuador es el producto de la presin de alimentacin y del rea contra la cual esa presin es ejercida (rea efectiva del diafragma o del pistn). Esta fuerza, como se dijo, debiera vencer todas la fuerzas que se oponen a ella y adems la fuerza no balanceada, que es el producto de la presin no balancead por el rea contra la cual se aplica; en este caso, el rea del asiento, para el caso de vlvulas balanceadas, ser el rea no balanceada.

29

En consecuencia, para cumplir con los requerimientos de cierre el actuador, deber proveer una fuerza de cierre superior a la fuerza necesaria para hacer viajar el vstago; esta fuerza es llamada carga de asiento y depende del estilo de la vlvula y su tamao entre otros factores. La carga del asiento es el producto del permetro del rea no balanceada por la fuerza de cierre recomendada, y se expresa en libras por pulgada lineal de circunferencia.

f. Elementos finales de control o posicionadores

Es un dispositivo final de control que amplifica la seal del contralor por encima del rango estndar, a fin de incrementar la accin del actuador. Estos son generalmente montados a un costado de actuadotes a diafragma o encima de actuadotes a pistn, y estn conectados mecnicamente al vstago o pistn, de tal forma que la posicin de ellos puede ser comparada con la posicin que dicte el controlador. Puede decirse que un posicionador puede ser utilizado en: rangos partidos, locuaz hace que la accin del controlador sea rpida en los casos de tuberas de transmisin de seal, que son muy largas, as como el cambio de caractersticas de caudal de una vlvula mediante el uso de levas, a la accin reversa y con pistones de doble efecto.

2.2

Instrumentos utilizados en la extraccin de petrleo

2.2.1 Surgencia natural de fluidos

Normalmente los pozos productores de petrleo, cuando se inician la extraccin del petrleo, algunos de estos yacimientos poseen suficiente presin en el fondo del pozo y se explotan por surgencia natural de sus propios30

fluidos, si la estructura lo permite; cuando el levantamiento se lleva a cabo por la presin natural del fondo del yacimiento, el crudo fluye por s mismo sin utilizar mtodos artificiales. El fluido posee su propia energa interna. El presente mtodo de extraccin est integrado por lo siguiente: a. Tubera de produccin (longitud de 915 pies y dimetro 3), lnea de flujo b. Empaque de produccin c. Arenas productoras d. Vlvulas de corona, de lobo, de brazo, maestra y Anular e. Vlvula de seguridad. Figura 4. Mtodo de extraccin de petrleo de surgencia natural

REGISTRADOR DE PRESION

Fuente:

Fipetrol. Instrumentacin para plantas petroleras. p. 6131

Como se puede observar en la Figura 4.

2.2.1.1 Instrumentos de campo

Estos son los siguientes para el presente mtodo de extraccin:

a.

Manmetro de resorte (Bourdn): est colocado en la tubera de

produccin, en la parte superior de la misma, adjunto a la vlvula de globo; su fin es sensar la presin que genera el fluido para convertirla y poderla medir en escalas conocidas extraccin del fluido. (Psia, atm, columna de fluido). Est informacin recopilada es importante para decidir en qu instante se debe detener la

b.

Termmetro de resorte de presin: est colocado en la tubera

de produccin en la parte superior de la misma, adjunto al manmetro; su fin es sensar la temperatura que se crea en el fluido para convertirla y poderla medir en escaladas conocidas (C, F, K y R). Esta informacin nos indica la fluidez del pozo (velocidad de descarga de tanques en Tierra).

c. reversible

Vlvula de globo: est colocada en la tubera de produccin en la (para cerrar y/o abrir), y determina la caracterstica de caudal

parte superior de la misma, sta es de compuerta y est diseada en forma inherente de la vlvula. Es una vlvula de control automtico esclava de la salida electrnica de un instrumento de control; su fin primordial es controlar el caudal del fluido de la produccin del pozo. Esta vlvula se le instal un actuador elctrico.

32

d.

Actuador elctrico: es el medio por el cual la seal proveniente de En este caso,

cualquier dispositivo elctrico puede hacer que el vstago de una vlvula se desplace o viaje de un punto a otro de su recorrido. seleccionaron un actuador con motor elctrico conectado por una caja de

engranajes con el vstago de la vlvula (ver figura 5); el primordial beneficio es que se le conecta un interruptor limitador de torsin que controla la intensidad de la fuerza para su asentamiento, para un cierre hermtico y para proteger las piezas de la vlvula contra sobre cargas.Figura 5. Componentes de un actuador tpico con motor elctrico

Fuente: Greene, Richard. Vlvulas seleccin, uso y mantenimiento. p. 271

e. Vlvula de seguridad

(sobrepresin): est

colocada en la parte

superior de la tubera de produccin, la cual fue diseada especficamente, para deliberar sobrepresiones que se generan en el sistema; normalmente este es un sistema de seguridad para evitar accidentes y golpe de ariete. mecanismo est compuesto principalmente de un actuador elctrico de tipo.33

Su

f. Vlvula solenoide: est construida por un trozo de hierro blando que puede moverse dentro de un campo elctrico generado por un bobinado que rodee el hierro. La accin reversa se consigue con el empleo de un sistemas de levas, tal como se muestra en la figura 6, que se utiliza como vlvula piloto que acta deliberando presin (acta admitiendo o no presin para operar estas vlvulas).

FIGURA 6.

Componentes del actuador de vlvula solenoide

ACTUADOR ELCTRICO

Vlvula solenoide

Sistema de leva

Fuente: Fipetrol. Instrumentacin para plantas petroleras. p. 147.34

2.2.1.2 Panel de Control

El presente mtodo de extraccin es incierto en algunos campos de extraccin de petrleo debido a que depende absolutamente del tipo de yacimiento, por lo que en la mayora de empresas no, se invierte normalmente en instalar un panel de control. En el caso particular nuestro, se instal un tablero de instrumento, que sensa la medicin a travs de seales normalizadas de transmisin de los actuadores, vlvula de seguridad. de actuador tpico con motor elctrico instalado en la vlvula de globo y actuador de vlvula solenoide Instalado en la

2.2.2

Bombeo mecnico

Este mtodo de extraccin consiste en producir el levantamiento del fluido (petrleo) del pozo, por medio de un sistema de mecanismos instalados en la superficie y dentro del pozo. Con una unidad llamada balancn, que es un sistema accionado por un generador (motor elctrico) que suministra potencia en movimiento rotacional a un eje con poleas que trasladan la energa, a travs de bandas y engranajes (caja de transmisin) al balancn, (que funciona todo el sistema sincronizadamente) el cual transforma la energa absorbida en un movimiento armnico simple (movimiento de desplazamiento vertical descendiente y ascendente).

Este movimiento seguidamente es transferido a la barra pulida, y de est a la sarta de varillas que se introduce en la tubera de produccin, las cuales acciona la bomba de subsuelo, que est instalada en el extremo inferior de las varillas que finalmente por diferencia de columna de presiones, desplaza el35

fluido (petrleo) del pozo por la tubera de produccin, hacia los tanques de la superficie.

Este es el mtodo de extraccin que actualmente se utiliza en Guatemala y en todo el mundo es el ms popular, debido a que ha logrado tal desarrollo, por su aplicacin eficaz y ptima. El presente mtodo de extraccin est integrado: por un sistema de superficie y un sistema de subsuelo que consiste en lo siguiente:

a. Generador de potencia ya sea motor elctrico o motor disel b. Caja de transmisin c. Balancn API (equipo de bombeo de superficie) 3. Cigeal (mecanismo de de manivela) 4. Brazos del balancn 5. Viga principal (caimn) 6. Cabeza de caballo 7. Contrapeso 8. Burro de soporte 9. Brida d. El cabezal del pozo e. La barra pulida 13. Prensa estopa 14. T de bombeo 15. Anillo de tubera de produccin 16. Cabezote de tubera de revestimiento 17. Tubera de revestimiento36

18. Tubera de produccin 19. Cabillas g. Sarta de varillas (estas varillas de dimetros de 5/8a 1 1/8 (pulgada) y de longitudes en rango de 25 a 50 pies) h. Bomba de Subsuelo i. Empaque de produccin j. Arenas productoras k. Vlvula de fija l. Vlvula de Mvil m. Vlvula de Seguridad n. Compresor (para suministrar Aire Comprimido de 300 psia mnimo).

Respecto

al

empaque

de produccin,

tubera de produccin,

las

arenas productoras y la vlvula de seguridad en el pozo, son las mismas que se utilizan en el mtodo de extraccin anterior. (ver Figura 6).

En la figura 7, se muestra el sistema de extraccin de bombeo mecnico utilizado en el campo petrolero, que tiene todo los componentes de su equipo tanto, de superficie como equipo de subsuelo.

a. Motor: suministra la energa capaz para movilizar el balancn durante el bombeo de un pozo. Los motores utilizados de combustin interna (gas, gas-oil o diesel) o elctricos; el segundo es el ms comn. La potencia de los motores elctricos instalados varan de 5-100 caballos de fuerza, cuando la velocidad es constante y de 50-150 caballos de fuerza en los motores de doble velocidad; trabajan entre 460-920 revoluciones por minuto, corriente alterna, trifsica, frecuencia de 60 ciclos por minuto y 480 voltios. El motor elctrico est instalado sobre la base del balancn.37

Figura 7. Mtodo de extraccin de petrleo de bombeo mecnico

Fuente: Fipetrol. Instrumentacin para plantas petroleras. p. 62.

b. Caja de engranajes: transmiten el moviendo de la caja reductora a los

brazos del balancn, que estn conectados por pines. Estn sujetas al eje de baja velocidad de la caja de transmisin y cada una lleva el mismo nmero de38

agujeros, en los cuales de colocan los pines de sujecin de los brazos; cada un de estos agujeros representa una determinada carrera del balancn, es decir la longitud de desplazamiento del pistn de la bomba; el agujero prximo al eje de transmisin determina la longitud de la carrera corta, y el ultimo agujero, colocado en el extremo de la manivela, determina la longitud de la carrera larga.

7. Contrapeso: est colocado en el extremo opuesto del cabezote y sobre la viga principal; su funcin es balancear y contrapesar el desequilibro de fuerzas que se originan sobe el motor durante las carreras ascendientes y descendientes en el balancn. El sistema utilizado es el de balanceo por aire comprimido, que es suministrado pon un cilindro, para equilibrar las fuerzas o cargas sobre el motor, donde la presin de aire es mantenida por el compresor, y el balanceo se efecta por la regulacin de esta presin (interruptor automtico); para desliberar la presin excesiva, se instalar una vlvula de seguridad y las unidades de bombeo debern de estar ptimamente balaceadas, pues de lo contrario el motor estar sobrecargado y provocar prdidas de energa, potencia, produccin y averas en la unidad y en el propio motor.

c. Unida de balancn API: el principio bsico de operacin es el de una viga viajera accionada por la caja de engranajes, balanceada por aire, con la utilizacin de un cilindro de aire comprimido y controlada por un sistema de transmisin neumtico. Esta cualidad las hace favoritas para utilizarlas en operaciones, cuando sea necesario mover con frecuencia la unidad de pozo a pozo. Los costos de operacin se incrementan, debido a los costos de El tope de la sarta de mantenimiento en que se incurren en toda la unidad.

varillas va colgado del balancn por medio de una barra pulida, con el fin de39

soportar el peso de la sarta de varillas de la bomba y del fluido, dentro de la tubera de produccin. La Sarta de varillas es utilizada para transmitir el movimiento de vaivn del balancn hasta la bomba de subsuelo; tambin existen tramos cortos de varillas que son utilizados para completar la

profundidad de la bomba. Sus dimetros son constantes pero su longitud vara a de 1 hasta 4 metros.

h. Bomba de subsuelo: sta es una

bomba de pistn utilizada para

levantar el petrleo desde el fondo del pozo hasta la superficie, y la acciona el desplazamiento alternativo de la sarta de varillas, que es suministrado por el balancn. La bomba est construida por un camisa, dentro de cual se desplaza un pistn, y contiene una vlvula estacionaria que admite o cierra el paso al petrleo y gas al interior de la bomba, as como de una vlvula mvil, que admite o cierra el paso del petrleo y gas de la bomba al pistn. La vlvula fija est instalada a la tubera por medio de un sistema de anclaje o zapata, y forma un sello hermtico, que evita que el petrleo y gas retenidos en la bomba sea retornado al pozo. Figura 8. Pozo de bombeo mecnico

Balancn

EQUIPO DE SUPERFICIE

Varillas

EQUIPO DE SUPERFICIEBomba de subsuelo

Fuente: Fipetrol. Instrumentacin para plantas petroleras. p. 60.40

2.2.2.1 Instrumentos de campo

a. Registrador de presin: est colocado en la lnea de flujo (sta colocada dentro de la tubera de produccin y conectada a la bomba de subsuelo, en la parte superior); el fin de este instrumento es sensar la presin, que genera el flujo cuando ste es conducido por dicha lnea, dotando de informacin en escalas conocidas al sistema, para establecer el trabajo de la bomba de subsuelo y a la vez del motor generador, calculando el gasto del mismo por la cantidad extrada del fluido. El Manmetro de resorte (bourdn), se emplea como elemento sensible un tubo metlico curvado o torcido de seccin transversal aplanada. Un extremo del tubo est sellado y la presin que se va medir se aplica por el otro extremo; a medida que la presin aumenta el tubo tiende a adquirir seccin circular y a enderezarse. El principio fundamental es que en el rango de operacin el movimiento de tubo Bourdon es proporcional a la presin aplicada. Se utilizan tres elementos: el tubo Bourdn, espiral y hlice, como se muestra en la figura. Figura 9. Manmetro de tubo Bourdn

Fuente: Baumeister, Theodere. Manual del ingeniero mecnico tomo III. p.16-941

b. La vlvula de control de flujo de fluidos: est colocada entre la tubera de produccin y la lnea de flujo, y sirve para controlar la cantidad de flujo que atraviesa hacia la lnea de flujo, para extraer muestras del fluido que se analizarn en el laboratorio. Es una vlvula de control neumtico; en este caso la vlvula es la esclava de la salida neumtica de un instrumento. El tipo de vlvula utilizada es de vlvula de globo con guarnicin del tipo jaula, estas vlvulas se destacan por la facilidad para cambiar las guarniciones, que son el macho, jaula y anillo de asiento separado. Las vlvulas estn disponibles en tamaos hasta de 16 pulgadas; cumplen con las normas para dimensiones entre cara, y cara y est disponible en la presin de la Clase ANSI 2500. Sin embargo, poseen algunas limitaciones como una menor capacidad, y su construccin complicada. La vlvula de control regula la rata de caudal de fluidos en funcin de un actuador neumtico de resorte. Para hacer esto, la vlvula debe contener el fluido sin perdidas externas; debe tener una capacidad ptima para el servicio que se preste y debe ser capaz de contrarrestar las influencias de la erosin, corrosin y temperatura del proceso; adems debe poseer apropiadas conexiones a las lneas de tubera y a su actuador. (ver la figura 10). Figura 10. Vlvula de globo con guarnicin tipo jaula.

Fuente: Greene, Richard. Vlvulas seleccin, uso y mantenimiento. p. 164.42

c. Actuador neumtico de resorte: por lo general, el ltimo paso de especificacin de la vlvula es seleccionar el actuador. Dado que es parte integrante de todos los cuadros de control automtico, produce la fuerza motriz requerida para ubicar al elemento de control final. ste debe poder controlar todas las variables de fuerzas estticas y dinmicas creadas por la vlvula. Estos Actuadores suelen funcionar con aire a presin entre 3 y 15 psi o entre 6 y 30 psi. Estos son adecuados para servicio de estrangulacin, mediante seales directas desde los instrumentos. Los actuadores de resortes y diafragma tienen menos piezas movibles que se pueden daar y, por ello, son muy confiables. Si tiene alguna falla, el mantenimiento es sencillo. La ventaja principal de estos actuadores es que son de falla sin peligro. Cuando se aplica el aire en la cubierta del actuador, el diafragma de la vlvula y comprime el resorte. La energa del resorte retorna a su posicin original cuando se corta el aire. En caso de prdida de seal de presin en el instrumento o en el actuador, el resorte mueve la vlvula a la posicin original de falla sin peligro alguno; en estos actuadores, la vlvula puede quedarse abierta o cerrada por falla, debido a prdidas de la seal de presin. La mayor desventaja de estos actuadores es su capacidad, un poco limitada. Grande parte del empuje del diafragma lo absorbe el resorte y no produce ninguna deliberacin.

Figura 11. Actuador neumtico de resorte y diafragma

Fuente: Greene, Richard. Vlvulas seleccin, uso y mantenimiento. p. 172.43

d. Vlvula de seguridad: superior de la lnea de flujo;

normalmente est colocada en la parte

stas tambin las llaman vlvulas de desahogo

de presin, que evitan la sobrepresin indeseada en la tubera de flujo. Estas vlvulas funcionan automticamente a una presin predeterminada para descargar el fluido (petrleo) y reducir la sobrepresin. La carga de resorte contra el disco contrarresta la presin de entrada. Para evitar las fugas o escurrimiento, por el asiento de la vlvula en el funcionamiento normal con lquidos y vapores, el resorte se grada diez (10 %) por ciento por arriba de la presin normal de funcionamiento. Esta presin graduada se puede ajustar con un tornillo que est encima del resorte. Para impedir modificaciones no autorizadas en la presin, el tornillo tiene un tapn roscado. Cuando se desea una graduacin alterna del resorte, el ajuste no debe variar en ms menos 10% del ajuste de fbrica hasta 250 psi ni de 5% a ms de 250 psi. El resorte puede estar alojado en un bonete. Se utiliza bonete cerrado, cuando el fluido descargado debe quedar confinado en el cuerpo de vlvula y la tubera de descarga. El bonete es del tamao, segn la capacidad de presin de salida de la vlvula. Figura 12. Vlvula de desahogo de seguridad.

Fuente: Greene, Richard. Vlvulas seleccin, uso y mantenimiento. p. 103.44

Aparecen dos graficas que se utilizaron para calcular los factores de correccin, para determinar el tamao de las vlvulas de seguridad en servicios de petrleo y gases licuados de petrleo; la primera grafica es con sobrepresin permisible y la segunda con sobrepresin manomtrica.

e. Vlvula estacionaria de bola: est colocada entre la en la lnea de produccin y la bomba de subsuelo (bomba reciprocante); su finalidad es controlar la admisin o cerrar el paso al flujo de petrleo (crudo) y gas al interior de la bomba; normalmente est provista de un actuador neumtico (transmisor), que le emite seales de admisin o cierre a la vlvula. Esta vlvula de bola doble posee dos discos, que estn empujados contra asientos paralelos en el punto de cierre mediante un expansor mecnico. Esto produce un sellado hermtico, sin ayuda de la presin del lquido, y compensa automticamente la desalineacin angular de los asientos, adems, mantiene un cierre hermtico durante la contraccin longitudinal del cuerpo de la vlvula cuando se enfra. En las tuberas para petrleo y gas, se utilizan estos tipos de vlvula, porque permite la limpieza del interior en la tubera. Estas vlvulas se denominan de conducto rectilneo con orificio total o vlvula de compuerta para tubera de petrleo de circulacin con conducto pleno. Figura 13. Vlvula de bola Figura 14. Actuador neumtico

Fuente: Greene, Richard. Vlvulas seleccin, uso y mantenimiento. p. 29 y 151 .45

f. Actuador neumtico: este tipo de actuador est instalado en la vlvula de bola, es accionado por aire comprimido y permite condiciones de funcionamiento ptimo. El actuador hace girar la bola en torno a su eje para controlar el flujo. Las vlvulas de bola tienen actuadores de montaje lateral porque el vstago del actuador hace girar el eje de la vlvula. El actuador neumtico es el de pistn, operado por la presin de un fludo, que posicionar el vstago en relacin a la operacin del flujo (petrleo) del proceso. Este actuador es de doble accin, para que de esa manera la accin del pistn sea efectuada en ambas direcciones. (ver figura 14).

g. Vlvula estacionaria: est colocada en el interior de la bomba de subsuelo(Bomba reciprocante), entre la vlvula estacionaria y el pistn; su fin es de controlar la admisin o cierre del flujo de petrleo (Crudo) y gas de la bomba de subsuelo al pistn; la misma est sincronizada con todo el sistema de mecanismo de la bomba de subsuelo. La vlvula est construida por una esfera metlica maciza (figura 15). Se emplea una gua para limitar de la esfera y volverla a su asiento, y es de flujo horizontal con entrada en la parte inferior y descarga lateral. La bombas reciprocantes suelen tener vlvula de retencin en lo orificios de entrada y salida, para controlar el flujo de entrada y salida del cilindro. Las vlvulas de retencin son de construccin fuerte y pueden resistir un accionamiento repetido o cclico.

Figura 15. Vlvula de retencin

Figura 16. Vlvula de bisagra

Fuente: Greene, Richard. Vlvulas seleccin, uso y mantenimiento. p. 257 .46

h. Vlvula de bisagra:

est colocada y

sujeta

en la

tubera de

produccin por intermedio de un sistema de anclaje o zapata; su fin es de formar un sello hermtico y controlar la admisin y/o cierre del flujo del petrleo (crudo) y gas, para que stos no retornen al pozo de produccin. Bsicamente sta funciona como una llave de paso y un sello hermtico. La vlvula de retencin de bisagra es de flujo rectilneo y posee un asiento, en el cual descansa un disco cuando no hay flujo. Un brazo conectado con el disco lo soporta, desde el pasador colocado en la parte superior de la vlvula ( o en el tapn lateral), que permite abrir la vlvula para inspeccin y mantenimiento; el pasador de soporte es la bisagra en la cual gira el disco libremente, para descubrir el conducto del flujo cuando se aplica presin en su lado de corriente arriba. La inversin del flujo (petrleo) aplica presin debajo del disco y lo empuja contra su asiento para cortar el paso (figura 16).

i.

Trasmisor

neumtico

de

balance

fuerzas:

est

colocado

paralelamente al Motor, el sistema es balaceado por aire para equilibrar las fuerzas que actan sobre el motor. Este transmisor neumtico opera en la escala de 3 a 15 psi. Esencialmente no hay movimiento en el mecanismo de balance de fuerzas, de manera que la funcin de lectura o indicacin es efectuada por un mecanismo receptor separado, al cual le llega la seal trasmitida, y la convierte en un movimiento del puntero. La figura 17 representa un transmisor de balances de fuerzas, la fuerza de medicin (presin) acta sobre un extremo de una palanca, que est pivoteada en el centro; en oposicin en el extremo contrario, est un fuelle de retroalimentacin. En operacin, un aumento de la fuerza de medicin (F1) hace que el obturador se acerque a la tobera. Esto aumenta la presin de salida del relevador que incrementa la fuerza de retroalimentacin (F2), hasta que las fuerzas se balanceen. La fuerza del resorte (F3) determina la salida de47

3psi en el extremo inferior del rango. Al moverse el pivote se cambia la gama de este sistema. Para disminuir la gama, se aumenta L1. Para elevar la gama un resorte de elevacin, se aade y se opone a F1. Otra ventaja es utilizar el sistema de transmisin neumtico de fuerzas, ya que su operacin envuelve movimientos nfimos (lo cual elimina problemas de de friccin y desgaste). De la misma manera, si una variable que se va a medir produce una fuerza (presin), sta puede ser balanceada por otra fuerza utilizando un sistema de deteccin. Figura 17. Transmisor neumtico de balance de fuerza

Fuente: Fipetrol. Instrumentacin para plantas petroleras. p. 90.

Debido a que el flujo de aire es relativamente dbil, un relevador neumtico es aadido para la amplificacin del flujo. En el relevador neumtico (ver figura 18.), la contrapresin de la tobera ejerce una presin sobre el diafragma, permitiendo que el aire pase desde la cmara de suministro a la cmara de salida. De la misma manera, una disminucin en la contrapresin de la tobera hace que la vlvula vuelva parcialmente a su asiento, veteando a la atmsfera la presin en la cmara de salida. En la practica, una variacin de slo 0.5 psi en la contrapresin sirve para llevar la vlvula del relevador de un extremo al otro.48

Figura 18. Relevador neumtico

Fuente: Fipetrol. Instrumentacin para plantas petroleras. p. 91.

j. tablero arrancador: est colocado en el Motor generador; su fin es de controlar, por medio de un interruptor, el arranque y la parada del mismo, lo cual depende de la demanda del sistema; tambin est provisto de dispositivos electrnicos para regular voltaje, retardadores de tiempo sobrecargas. y deliberar Convertidor sincrnico, sistema de corriente continua de tres

conductores; dos interruptores de circuito; dos ampermetros; dos volantes de mano para los restatos de campo; dos interruptores de campo; dos enchufes para potencial, para utilizarlo con el voltmetro; un interruptor de arranque de cuatro puntos. (ver figura 19). Figura 19. Tablero arrancador

49

Panel de control: para est mtodo de extraccin, la instrumentacin est totalmente centralizada, debido a que este mtodo de extraccin es uno de los que se aplican en nuestro pas.

Bsicamente este depende de la energa elctrica suministrada al motor de arranque y al compresor, que produce el aire comprimido.

Est panel de control lo integran:

a. Tablero arrancador (motor de arranque) b. Registrador de presin c. Transmisor neumtico de balanceo por fuerza d. Actuador neumtico e. Actuador neumtico de resorte f. Transmisor neumtico de pistn h. Compresor i. Motor de arranque.

Normalmente en el panel, el compresor, desde el interruptor

tablero arrancador emite automtico, el

la seal

de

arranque al sistema elctrico, para iniciar marcha del motor elctrico y al cual activa el sistema por neumtico que administra el movimiento sincronizado del balancn API, medio del aire comprimido, que fluye desde el balanceo

compresor; la informacin

obtenida en dicho panel es recopilada desde el transmisor neumtico de por fuerza, desde el registrador de presin actuador neumtico de resorte, y desde el transmisor neumtico de pistn, los cuales estn interconectados a dispositivos electrnicos en panel; dicha informacin se da en escalas conocidas en el medio petrolero. (ver figura 20).50

Figura 20. Diagrama del panel de control de bombeo mecnicoLNEAS DE AIRE COMPRIMIDO

TABLERO ARRANCADORTRANSMISOR NEUMTICO POR FUERZA ACTUADOR NEUMTICO PISTN

REGISTRADOR DE PRESIN

ACTUADOR NEUMATICO RESORTE

COMPRESOR

2.2.3 Bombeo elctrico El presente mtodo de extraccin es conocido en la Industria petrolera con el nombre de Bombeo electro sumergible; el levantamiento del fluido (petrleo crudo) se realiza introduciendo bombas elctricas sumergibles con la tubera de produccin, hasta colocarla al nivel del fluido (petrleo crudo) del pozo, de donde se bombea el fluido a los tanques de superficie. Estos equipos normalmente estn conectados a la tubera de produccin y sumergidos en los fluidos del pozo. La presin del fondo del pozo no crea ningn problema por la instalacin del protector entre el motor y la bomba, sin embargo, una de las funciones primordiales es la de igualar presiones51

entre el pozo y estos equipos; cuando se conducen solamente lquidos, la bomba trabaja eficiente y eficazmente; los gases licuados de petrleo (gas propano) afectan su rendimiento y por est razn se recomienda instalar el separador de gas en los casos que se necesite. El bombeo electro sumergible es el mtodo de extraccin ms aplicado en el levantamiento de fluido (petrleo crudo) en los campos petrolero en Guatemala, debido a que los crudos en nuestro pas son de viscosidad elevada, alta (330 F). relacin gas-petrleo y con temperaturas que alcanzan hasta los trescientos treinta grados Fahrenheit

Respecto al motor elctrico, suministra la energa elctrica

est trabaja normalmente con velocidad protector y le necesaria, y es la fuente de potencia que

constante (revoluciones por minutos r.p.m); va acoplado al

genera el movimiento a la bomba, para mantener la produccin de fluidos (petrleo crudo), desde la superficie por medio de tres (3) cables que van sujetos a la tubera de produccin a travs de grapas. Este mtodo de pas un extraccin denominado primario puede proporcionar en nuestro (60%) de las reservas de petrleo en nuestros yacimientos. El presente mtodo de extraccin est integrado (como se muestra en la figura 21) por: a. Motor b. Protector c. Separador de gas d. Bomba centrfuga e. Transformadores, cables f. Cabezal de la bomba52

rendimiento que oscila entre el cuarenta por ciento (40%) al sesenta por ciento

g. Caja de empalme (Ubicada a quince (15) pies de la cabeza del pozo, a tres (3) pies sobre el nivel del suelo); h. Equipo de superficie i. Tubera de produccin.

Figura 21. Mtodo de extraccin de bombeo electrosumergible

Fuente: Fipetrol. Instrumentacin para plantas petroleras. p. 62.53

c. Protector: es un dispositivo que se utiliza para aislar en el interior al motor de los fluidos del pozo; se llena con un fluido de gravedad especifica alta, que al mismo tiempo lubrica el eje del motor que va instalado a la bomba.

Cumple con las siguientes funciones: -Conectar las carcasas del motor y la bomba, as como ensamblar el eje de ambos -Lubricar el eje principal para reducir el desgaste -Evitar el ingreso de fluidos desde el pozo hacia la parte interna del motor -Compensar la delitacin del motor por el efecto de la temperatura (calentamiento o enfriamiento).

d. Separador de gas: este dispositivo separa el gas libre del petrleo crudo o solamente admite el ingreso de lquido en su mayor concentracin posible en la bomba. Uno de los objetivos primordiales de este tipo de mtodo de extraccin es de evitar utilizar empacaduras en el pozo. Cuando la presencia de gas en la produccin sea mayor al 9% del volumen total de fluidos, deber incluirse la instalacin del separador de gas en el sistema. La ubicacin de ste es entre el protector y la bomba. Su funcin es prevenir el entrampamiento de gas en la bomba y mejorar la eficacia de bombeo en pozos con alta relacin gas-petrleo. (ver figura 22).

e. Bomba centrfuga: esta agrega energa al fluido (petrleo crudo), y ya que es una maquina dinmica, la bomba depende de los cambios en la relaciones de velocidad para proporcionar la energa. As cualquier anlisis de bombas centrifugas llega a ser, por lo general, un anlisis de las velocidades que ocurren en varios puntos dentro de la bomba. El fluido (petrleo crudo) viaja a travs del impulsor que le suministra la energa necesaria para elevarlo54

al tanque. Particularmente se utiliza una bomba de turbina vertical por alta eficiencia, capacidad, y carga. (ver figura 23). Figura 22. Separador de gas Figura 23. Bomba centrfuga

Fuente: Baumeister, Theodere. Manual del ingeniero mecnico tomo III. p.14-23

2.2.3.2 Los Instrumentos utilizados de campo son los siguientes:

a. Registro de presin Pirani b. Trasmisor electrnico de balance de fuerzas c. Tablero arrancador

a. Registro de presin Pirani: (termmetro de resistencia elctrica) Instalado en la parte superior (en la superficie) de la tubera de produccin; opera por la presin del fluido petrleo crudo o gas que llega al sistema, as como en el cambio c