Los mezcladores estáticos son ampliamente utilizados en la industria de petróleo y gas, especialmente en aplicaciones como la mezcla de gases en líquidos a altas presiones para satisfacer las necesidades específicas del proceso (dispersión multifásica). Este proyecto se basa en la instalación de un mezclador estático inserto en un niple perforado taponado en el fondo de pozo (8 º API), ubicado en la Faja Petrolífera del Orinoco. Inicialmente una prueba de campo se llevó a cabo en un área piloto, donde se evaluó el mezclador estático para verificar si el equipo era capaz de cambiar el régimen de flujo de un flujo multifásico, de flujo estratificado o tapón a flujo burbuja, generando una reducción significativa de la densidad del fluido, es decir, la homogeneización de la corriente multifasica.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la prueba de campo, en la que la densidad del fluido se redujo con el uso del mezclador estático, esta aplicación fue evaluada en un pozo productor con una bomba de cavidad progresiva, obteniendo una reducción del 20% del consumo de diluyente manteniendo la misma gravedad API del petróleo crudo diluido. Del mismo modo, la tasa de producción de petróleo fue similar a la anterior, incluso cuando una bomba de menor capacidad fue utilizada. Además, se observó una disminución de la presión anular, lo que indica una menor tasa de gas libre a la entrada de la bomba cuando se compara con el caso sin mezclador estático de fondo de pozo. El uso del mezclador estático permitirá el incremento de la vida útil de la bomba de cavidad progresiva, por lo que la empresa tendrá un ahorro considerable al reducir el costo de mantenimiento y el consumo de diluyente.
1. Introducción
La eficiencia volumétrica de las bombas de cavidades progresivas (BCP), al igual que la de otros tipos de bombas, es afectada de manera significativa por la presencia de gas libre en su interior. Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba, se recomienda invertir esfuerzos en la separación de gas instalándose comúnmente anclas de gas o separadores estáticos gas-líquido en la tubería de producción, en estos casos debe tenerse en cuenta que el separador actúa como un sistema que tiene dos efectos, a medida que separa gas libre crea una caída de presión adicional. El segundo efecto es perjudicial, pues induce una liberación adicional de gas y aumenta el volumen ocupado por la masa de gas libre. Se conoce que la separación gas en fondo por equipo convencionales no representa una totalidad de la misma, manteniéndose presencia de gases en la entrada de la bomba, lo que genera problemas en cuanto a la cantidad de gas presente que impide el manejo de líquido en el sistema, por esta razón se evaluó el uso de un mezclador estático de fondo en un pozo productor de crudo extrapesado con alta producción de gas, con la finalidad de lograr una mayor concentración de gas disperso en el crudo que permita la facilidad de desplazamiento de la fase continua, y evitar el trabajo de la bomba con altos volúmenes de gas.
2. Antecedentes
Con el fin de constatar el funcionamiento de la homogeneización en la mezcla crudo-gas, se realizó una prueba de campo utilizando mezcladores de una (1) pulgada de diámetro (helicoidales y entrelazados) conectados a la línea de flujo de un pozo productor. Inicialmente se efectuó una corrida sin elementos para observar el comportamiento del fluido antes de la instalación de los mezcladores de prueba verificándose el comportamiento de la densidad del fluido a través de un medidor de flujo másico. En la Figura 1, se observa la instalación en superficie del mezclador estático.
Fig. 1. Instalación de mezclador 1”. Prueba de campo.
Las mediciones de la corrida sin elementos mostraron variaciones considerables con rangos de densidad entre 0,21 y 0,90 gr/cm3, demostrando la inconsistencia del flujo de fluido en la tubería. El crudo utilizado en las pruebas provenía de un pozo cuya gravedad API es 12 y los resultados obtenidos sirvieron de guía para la evaluación, dado que es difícil caracterizar (Densidad, viscosidad, etc) flujo multifásico en tuberías. Comparativamente el comportamiento de los mezcladores reveló una mejora, evidenciándose en los rangos de densidad donde los resultados fueron menores a 0,3 gr/cm3. Lo descrito anteriormente puede ser observado en la Figura 2.
Fig. 2. Comportamiento de densidad vs. elementos del mezclador.
En función de los resultados anteriormente mencionados se seleccionó un mezclador de tipo entrelazado para evaluarlo en el pozo dado que es el único diseño capaz de formar un alto grado de mezclado en corto tiempo y su diseño es para ser utilizado en fluidos viscosos. Es importante resaltar que las industrias que emplean ampliamente el mezclado destacan aquellas que manejan materiales viscosos y de reología compleja. Ejemplos de ellas son las industrias de polímeros, de alimentos, de fermentación, farmacéutica y de cosméticos, entre las más importantes. A nivel mundial no se tiene conocimiento de la aplicación de un mezclador estático en fondo de pozo, por lo que las pruebas realizadas son de gran importancia dado que representan la primera vez que es aplicado un mezclador estático en fondo de pozo para mejorar la eficiencia de levantamiento en pozos productores de crudo pesado con alta producción de gas.
3. Desarrollo de la aplicación
Para la instalación del mezclador estático en el pozo fue necesario reemplazar el equipo de levantamiento artificial del pozo, por presentar daño en el elastómero. Se realizó un monitoreo continuo al pozo tomando en cuenta los valores de presión en cabezal, presión en el anular, velocidad y torque de cabillas. En el periodo previo a la instalación del equipo, el pozo estaba completado con una bomba con capacidad de desplazamiento nominal de 8 barriles/rpm y al realizar la instalación del mezclador estático, se colocó en el pozo una bomba con capacidad nominal de desplazamiento de 6 barriles/rpm. El dispositivo funciona de la siguiente manera: La camisa o carcasa del mezclador funciona como un separador de gas estático (tipo Poorboy), debido a su configuración tipo niple perforado con agujeros desfasados 45° entre sí, esto provoca un cambio de dirección del fluido, el cual permite la separación del gas en fondo, (una fracción del gas se desvía hacia el anular y la otra fracción es arrastrada por el líquido a través del mezclador), en conclusión, disminuye el porcentaje de gas libre a la entrada de la bomba, lo cual incrementa la eficiencia volumétrica de la misma.
Una vez la corriente de fluidos (la fase líquida y la fase gaseosa) pasa por lo internos del mezclador, estas fases son forzadas a distribuirse uniformemente una fase sobre la otra, formando una mezcla homogénea con una densidad y viscosidad menor por lo que la bomba puede trabajar bajo condiciones de entrada estables, aumentando la eficiencia global del sistema e incrementando la vida útil del equipo de fondo. Además la homogeneización de la mezcla se mantiene en su trayectoria a través de la tubería de producción. En la Figura 3, se puede observar un diagrama del mezclador estático en fondo.
Fig. 3. Diagrama del mezclador estático de fondo.
En la Figura 4 se puede observar el comportamiento de estas variables antes y después de la instalación del mezclador estático en fondo. Así mismo se observan los valores de presiones en el anular mayor que la presión de cabezal, infiriendo que el pozo se encontraba saturado por gas en todo el anular y las cavidades de la bomba eran empacadas parcialmente por este fluido y no por crudo formando un patrón de flujo tapón donde la fase gaseosa es la más pronunciada inclusive cuando la fase continua sigue siendo el líquido. Luego de la instalación del mezclador estático, se muestra la inversión de las líneas de presión en el anular y cabezal como resultado del efecto de mezclado a través del equipo, indicando que el fluido producido se encuentra en gran parte homogeneizado (dispersión del gas en el líquido), permitiendo que la bomba succione un fluido estable. De igual manera se aprecia la estabilidad en la curva del torque, dado que la bomba desplaza una mezcla homogénea facilitando el levantamiento del fluido debido a la reducción de su densidad, lo cual permitiría incrementar velocidad en el pozo.
Fig. 4. Comportamiento de variables operacionales del pozo de crudo extrapesado.
Otro de los beneficios obtenidos con el uso del mezclador en el fondo, fue que se logró mantener el °API de la mezcla con un menor consumo de diluente, esto debido a la homogeneización eficiente de las corrientes de crudo y gas en el pozo la cual se mantiene inclusive a la descarga de la bomba, es decir que el patrón de flujo Burbuja, el cual gobierna el sistema, se mantiene en la línea de flujo. La disminución de la cantidad de diluente que se inyecta en el cabezal del pozo, se debe a que se mejoran las condiciones de mezclado en línea, al entrar en contacto una corriente de diluente liquida con la corriente homogénea que proviene de la tubería de producción. La homogeneidad de la corriente de producción facilita y mejora la distribución de la corriente de diluente.
En la siguiente gráfica se puede apreciar esta similitud, donde la producción del pozo antes de la instalación del mezclador era de 910 barriles de petróleo por día con un consumo de diluente de 530 barriles por día, lo que representa una relación diluente/crudo de 58%. Sin embargo, con el uso del mezclador estático se logró obtener una relación diluente/crudo de 34% manteniendo el °API de la mezcla en 14.7 y la diferencia en producción fue solo de 150 barriles de petróleo por día a pesar de utilizar una bomba de menor capacidad de levantamiento.
Fig. 5. Comportamiento de producción.
4. Otras aplicaciones
En función de los resultados obtenidos en el pozo, se instaló otro mezclador estático en un pozo de crudo extrapesado con una alta producción de gas, el cual servirá para corroborar los beneficios del uso de los mezcladores estáticos en crudos pesados. Adicionalmente, se tiene previsto la aplicación de un mezclador estático en un pozo productor por Gas Lift, con la finalidad de lograr un mejor mezclado a nivel de la válvula de inyección y de esta forma mejorar el sistema de levantamiento. A manera de visualizar y corroborar los beneficios obtenidos en las pruebas de campo, se tiene planteado realizar un estudio utilizando la simulación de la dinámica de fluidos en un mezclador a través del uso de un software especializado.
Autores: S. Marfissi, F. Brito, A. Lujan, F. Campos y M. Miguez.
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Muy buena tu información es bastante clara y muy práctica en su ejecución. He podido tener alguna experiencia con ese tipo de mezcladores. En pruebas de Campo esta ok, al realizar el análisis de laboratorio, se debe seguir la misma filosofía de homogenización antes de ser analizado? Me podrían ayudar, se debe hacer una curva con el mezclador? Y si es así, cuales son los criterios para realizarla. Gracias por su respuesta a raul.acosta60@gmail.com