ANALISIS NODAL
Contenido 1.
Introducción Introducci ón ................. ................. ................. .................. ................. .................. .................. ...... 2
2.
Análisis del Sistema de Producción ................ .................. ................. .................. .................. ...... 5
3.
Nodo ................. ................. .................. ................. .................. ................. .................. ................. . 5
4.
3.1.
Nodo Fijo ................. ................. ................. .................. ................. .................. .................. ... 5
3.2.
Nodo Común ................ .................. ................. .................. ................. ................. ................ 5
Elementos usados en el Sistema del Análisis Nodal.................. ................. .................. ............... 6 4.1.
Ubicación de los Nodos componentes .................. ................. .................. ................. .......... 6
4.2.
Componentes que intervienen en el Análisis Nodal ................. .................. .................. ...... 7
4.2.1.
Separador. .................. ................. .................. ................. .................. ................. .......... 7
4.2.2.
Línea de Flujo Horizontal. Horizontal .................................. ............... .................. ................. .................. .................. ...... 8
4.2.3.
Línea de Flujo Vertical. ................ .................. ................. .................. .................. ......... 8
4.2.4.
Choque Superficial. Superficial . ................ ................. .................. ................. .................. ............... 8
4.2.5.
Cabeza de Pozo. .................. ................. .................. ................. .................. ................. . 8
4.2.6.
Válvula de Seguridad. ................ ................. ................. .................. .................. ............ 9
4.2.7.
Choque de fondo. ................ ................. .................. ................. .................. ................. . 9
4.2.8.
Presión fluyente. ................. ................. .................. ................. .................. ................. . 9
4.2.9.
Completación Completació n o Perforaciones en el Fondo. ................................. ............... .................. .................. ............ 9
4.3.
Presión Constante ................. ................. .................. ................. .................. ................. ....... 9
4.4.
Análisis del sistema en el fondo de pozo ................. ................. .................. ................. ..... 10
4.5.
Optimización Optimizac ión de la tubería de producción .................. ................. .................. ................. .. 10
4.6.
Efecto de Agotamiento del Reservorio ................. ................. .................. ................. ........ 11
5.
Análisis del Sistema Nodo en Cabeza de Pozo ................. ................. .................. ................. ..... 12
6.
Análisis del Sistema en el Separador ................. .................. ................. .................. .................. . 12
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1. Introducción
El análisis nodal se define como la segmentación de un sistema de producción en puntos o nodos, donde se producen cambios de presión. Los nodos están definidos por diferentes ecuaciones o correlaciones. El análisis nodal es presentado para evaluar efectivamente un sistema completo de producción, considerando todos los componentes del sistema comenzando por la presión de reservorio Pr y terminando en el separador, incluyendo el flujo a través del medio poroso, flujo a través de las perforaciones de terminación, flujo a través de la tubería de producción con posibles restricciones de fondo, flujo por la línea horizontal pasando a través del estrangulador en superficie hacia el separador. El objetivo principal del análisis nodal, es el de diagnosticar el comportamiento de un pozo, optimizando la producción, variando los distintos componentes manejables del sistema para un mejor rendimiento económico. Para que ocurra el flujo de fluidos en un sistema de producción, es necesario que la energía de los fluidos en el reservorio sea capaz de superar las pérdidas de carga en los diversos componentes del sistema. Los fluidos tienen que ir desde el reservorio hacia los separadores en superficie, pasando por las tuberías de producción, equipos superficiales en cabeza de pozo y las líneas de surgencia. La Figura 1.1 muestra un sistema de producción simple, con tres fases:
1. Flujo a través del medio poroso. 2. Flujo a través de la tubería vertical o direccional. 3. Flujo a través de tubería horizontal.
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La Figura 1.1 muestra todos los componentes del sistema en los cuales ocurren las pérdidas de presión, que va desde el reservorio hacia el separador.
Figura 1.1 sistema simple de producción.
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La pérdida total de presión en un sistema de producción es el punto inicial Pr m enos la presión final del fluido. (PR− PSE). El análisis de las figuras mencionadas, indican que esta presión es la suma de las pérdidas de presión en cada componente que conforma el sistema. La presión en cada componente es dependiente del caudal de producción, el caudal puede ser controlado por los componentes seleccionados, siendo por lo tanto muy importante la selección y el dimensionamiento de los componentes individuales en el estudio de un pozo específico. El diseño final de un sistema de producción debe ser analizado como una unidad, puesto que, la cantidad de gas fluyente desde el reservorio hasta superficie en un pozo depende de la caída de presión en el sistema. El caudal de producción de un pozo puede muchas veces estar muy restringido por el comportamiento de uno de los componentes del sistema. El comportamiento total del sistema puede ser aislado y optimizado de manera más económica. Experiencias pasadas han mostrado que se gastó una gran cantidad de dinero en estimular la formación, cuando la capacidad de producción del pozo es restringido, porque la tubería o línea de flujo eran extremadamente pequeñas. Otro ejemplo de error en el diseño de terminación es sobredimensionar las tuberías. Esto ocurre frecuentemente en pozos que se espera un caudal de producción muy alto y cuyo resultado no es el esperado. En esta práctica, no sólo se invierte dinero en equipamiento innecesario, si no también se obtiene un escurrimiento en el pozo lo cual nos reduce la producción. La Inter-relación entre caudal y presión es aprovechada por el Análisis Nodal para resolver muchos problemas que se presentan con la excesiva resistencia al flujo y las variaciones en el caudal durante la vida productiva del pozo, en la etapa de Surgencia natural o en la del levantamiento artificial. En este trabajo, estudiaremos la etapa de Surgencia natural.
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2. Análisis del Sistema de Producción
La optimización de la producción en pozos de gas y petróleo para un Sistema de Producción llamado también Análisis Nodal, tiene como objetivo el mejorar las técnicas de terminación, producción y rendimiento para muchos pozos. “Un Sistema de Análisis Nodal, es un método muy flexible que puede ser utilizado
para mejorar el desempeño de muchos sistemas de pozos. Para aplicar un procedimiento de análisis de un sistema de un pozo, es necesario calcular la caída de presión que ocurrirá en todos los componentes del sistema mencionados en la figura 1.1.” 3. Nodo
Un nodo es el punto donde existe un cambio en el régimen o dirección de flujo. Los cuales se pueden dividir en nodo Común y nodo fijo. 3.1.
Nodo Fijo
Son los puntos terminales e inicial del sistema de producción, donde no existe una caída de Presión. 3.2.
Nodo Común
Este es el nombre que recibe una sección determinada de un sistema de producción donde se produce una caída de presión, las caídas de presión están expresadas por ecuaciones físicas o matemáticas que relacionan la presión y caudal. La Figura 1.3 muestra los nodos comunes y fijos que se utilizan con más frecuencia. Todos los componentes aguas arriba del nodo, comprenden la sección de flujo de entrada (inflow), en cuanto a la sección de flujo de salida (outflow) agrupa todos los componentes aguas abajo. Es importante notar que para cada restricc ión localizada en el sistema, el cálculo de la caída de presión a través del nodo, como una función del caudal.
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4. Elementos usados en el Sistema del Análisis Nodal
Considerando las variadas configuraciones de pozos de un sistema de producción, estos elementos, también llamados componentes, pueden ser muchos debido a que existen sistemas muy complejos de terminación. Los más comunes están representados en la Figura 1.3. 4.1.
Ubicación de los Nodos componentes
Observando la Figura 1.3, podemos determinar las posiciones de los nodos componentes más comunes, siendo estos modificados de acuerdo a necesidades y requerimientos del sistema de producción o políticas de producción adoptadas.
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4.2.
Componentes que intervienen en el Análisis Nodal
En función a la necesidad que se tiene de cada uno de los elementos que intervienen como componente de un sistema de producción, definiremos la funcionalidad de los más importantes. 4.2.1. Separador. En el proceso de separación de petróleo y gas en los campos,
no existe un criterio único para establecer las condiciones más adecuadas de producción óptima de los equipos. El análisis nodal TM, está orientado a obtener ciertos objetivos puntuales que nos den condiciones de máxima eficiencia en el proceso de separación; obteniendo de esta manera: • Alta eficiencia en el proceso de separación de gas – Petróleo • Mayor incremento en los volúmenes de pr oducción • Incremento en la recuperación de líquido • Disminución de costos por compresión
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•Estabilización de gas -condensado 4.2.2. Línea de Flujo Horizontal.
Este componente, es el que comunica la cabeza del pozo con el separador y donde el fluido presenta un comportamiento que obedece a las condiciones adoptadas para el sistema de producción de los pozos. El tratamiento del componente para flujo horizontal, puede ser analizado usando las diversas ecuaciones y correlaciones presentadas por investigadores que han estudiado la incidencia, que puede tener este componente, sobre el conjunto del sistema en su interrelación con los demás nodos. 4.2.3. Línea de Flujo Vertical.
Este componente es el que comunica el fondo del pozo con la superficie, donde el fluido presenta un comportamiento que obedece a las condiciones de presión y temperatura, que están de acuerdo a la profundidad. En este componente existe la mayor pérdida de energía del sistema, que va desde el 20 al 50 % de acuerdo a la relación gas / condensado y corte de agua. 4.2.4. Choque Superficial.
Es el que controla la producción del pozo con el cual se puede aumenta r o disminuir el caudal de producción, siendo que en este componente se produce una presión diferencial que puede ser calculada con una de las muchas ecuaciones para choques o estranguladores. 4.2.5. Cabeza de Pozo.
Es un punto del sistema en el que se produce el cambio de dire cción, de flujo vertical a flujo horizontal, y de donde se toma el dato de la presión de Surgencia para conocer la energía de producción del pozo, siendo también un punto crítico que es tomado en cuenta para su análisis dentro del sistema.
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4.2.6. Válvula de Seguridad.
Este componente, es un elemento que se instala en la tubería vertical y que opera en cualquier anormalidad del flujo que puede ocurrir en el transcurso de la producción, siendo vital para la seguridad operativa del pozo. 4.2.7. Choque de fondo.
De acuerdo a la necesidad de elevar la presión o controlar la energía en el flujo de la línea vertical, así como también, tener una presión de aporte y elevación controlada, se procede a la bajada de este tipo de restricción, por lo que se va producir una presión diferencial en la que se tendrá una caída de presión que a su vez puede ser calculada. 4.2.8. Presión fluyente.
Esta es muy importante para el sistema, ya que de ella depende toda la capacidad de la instalación que se desea conectar al reservorio a través del pozo y así producir todo el campo. Esta presión, es medida en el fondo del pozo y tomada en el punto medio del nivel productor. Su determinación se la hace en una forma indirecta utilizando herramienta mecánica o electrónica de toma de presión, o también se la puede calcular utilizando correlaciones. 4.2.9. Completación o Perforaciones en el Fondo.
Este nodo es muy importante en el sistema de producción debido a que comunica el reservorio con el pozo, y de él depende mucho el potencial de entrega de pozo, debido a la disminución del área por donde debe pasar el fluido, la cual puede ser expresada por correlaciones. 4.3.
Presión Constante
El nodo 8, ubicado en un sistema de producción en el separador, establece que existen dos presiones que no están en función del caudal de producción del reservorio. La presión de separación es usualmente regulada a una presión de EXPLOTACION DEL GAS
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entrega de gas, planta o la presión de succión del compresor nodo 8. Por lo tanto, la presión del separador (Psep) será constante para cualquier caudal de flujo. La presión del reservorio ( PR), nombrada por el nodo 1, será también considerada constante en el momento de la prueba o análisis. El balance de presión para el nodo en el choque se puede definir como:
4.4.
Análisis del sistema en el fondo de pozo
Si colocamos el nodo solución en el fondo de pozo, esto nos permite aislar el reservorio de las tuberías tanto vertical como horizontal; dando la posibilidad de estudiar varios efectos, podemos estudiar la sensibilidad al diámetro de tubería manteniendo los parámetros de reservorio constante y la sensibilidad de los parámetros de reservorio como la permeabilidad, daño, conductividad. La ecuación de flujo de entrada y salida respectivamente son:
4.5.
Optimización de la tubería de producción
Uno de los componentes más importantes en un sistema de producción, es la sarta de producción. Debido a que cerca del 50 % de la pérdida total de presión en un pozo de gas puede ocurrir por la movilización de los fluidos desde el fondo del pozo hasta la superficie. Un problema común en los proyectos de completación, es el seleccionar un tamaño de tubería de producción basados en criterios totalmente irrelevantes, como por ejemplo, el tamaño que se tiene disponible en almacén. La selección del tamaño de la tubería de producción debe ser hecha en base a datos disponibles, ya sea pruebas de Formación o datos de reservorio, lo cual no es posibles hacerlos en pozos exploratorios por falta de información confiable.
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A medida que el área de flujo vertical se incrementa, las velocidades de flujo disminuyen pudiendo llegar a generar que las condiciones de flujo sean inestables e ineficientes, esto ocasiona que se forme un escurrimiento de líquido, formándose la acumulación de líquido en el fondo del pozo, que podría ocasionar el ahogo o muerte del pozo. Una situación similar se presenta en pozos de baja productividad y diámetro excesivo de tubería. Por el contrario, en las tuberías de producción muy pequeñas el caudal de producción es restringido a causa de la pérdida excesiva de fricción. Un problema común que ocurre en la Completación de pozos de alto potencial, es el de instalar tuberías de producción con diámetros excesivos para mantener la seguridad. Esto con frecuencia es contraproducente, ya que disminuye la vida útil de los pozos, a medida que la presión del reservorio decrece, los líquidos comienzan a escurrirse por falta de velocidad del gas para arrastrar los líquidos en fondo. 4.6.
Efecto de Agotamiento del Reservorio
Al aislar los componentes de las tuberías tanto vertical como horizontal, podemos observar el efecto de Agotamiento del reservorio, con su disminución de su capacidad productiva, conforme transcurre el tiempo. Teniendo en cuenta los cambios de la relación gas-condensado RGC y el corte de agua. Las intersecciones de las curvas aguas arriba y aguas abajo para las mismas condiciones de la presión de reservorio, da como resultado las capacidades de producción para esta relación. Mantener la producción en un caudal constante, implicaría una disminución de la presión de fondo fluyente a medida que la presión del reservorio declina. Existen dos formas para lograr esto: • La primera, es instalando un compresor para reducir la presión del separador. • La segunda, es instalando una línea de flujo y tuberías de mayor diámetro para
disminuir la caída de presión en el sistema de tuberías.
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5. Análisis del Sistema Nodo en Cabeza de Pozo
Con la ubicación del nodo de solución en la cabeza del pozo (nodo 5), la línea de flujo horizontal está aislada facilitando el análisis de cambio de diámetro de la misma y de la caída de presión en la línea o conducto. Nuevamente el sistema total es dividido en dos componentes, constituyendo el separador y la línea de flujo horizontal como un componente, y el reservorio más la sarta de tubería vertical como un segundo componente; La línea de flujo empieza con la presión de separación incrementándose, la presión en la línea de acuerdo a la pérdida de presión debido a los efectos de fricción y aceleración, determinándose la presión final en cabeza de pozo para mover el caudal asumido. Muestra el segundo componente del sistema; la línea de flujo empieza con la presión de reservorio, la cual va disminuyendo de acuerdo a las restricciones encontradas, primeramente, se debe descontar la pérdida de presión obtenida en las perforaciones en el caso que el pozo esté completado, luego se descuenta la pérdida de presión por elevación, fricción y aceleración obtenida en la tubería vertical encontrando la presión en cabeza para cada caudal asumido. 6. Análisis del Sistema en el Separador
Con la ubicación del nodo en el separador se puede dividir el sistema en dos componentes, para optimizar la presión de separación, con los distintos diámetros de choques en el caso de que existan. El primer componente del sistema es el separador. El segundo componente del sistema muestra el reservorio, tubería y líneas de flujo. Nos muestra el efecto de la presión de separación para los distintos choques y el máximo caudal que podríamos obtener. El incremento o reducción de presión del separador, está ligado al comportamiento del sistema de tubería y en particular a la línea de flujo. Al disminuir la presión del separador se logra un incremento en el caudal del pozos y para los pozos de alta productividad se ve reflejado mucho mejor. Muchas veces existe el criterio erróneo de producir un pozo bajo condiciones de flujo sub crítico, siendo mejor producir bajo
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condiciones críticas eliminando el efecto de contrapresión del separador al reservorio, dejando baches de líquido en el fondo. En pozos con baja productividad, el componente restrictivo puede ser el mismo reservorio y un cambio de presión del separador tendrá un efecto insignificante sobre el caudal, porque adicionales caídas de presión ofrecen pequeños incrementos en la producción.
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