I. BOMBEO NEUMÁTICO CONTINUO.
El bombeo neumático es un medio de levantamiento de fluidos desde el fondo del pozo hasta la superficie, el cual se hace por medio de inyección de gas a una presión relativamente alta (250 psi como mínimo) a través del espacio anular. El gas pasa a la TP a través de válvulas conectadas en uno o más puntos de inyección.
El bombeo neumático se lleva a cabo por uno de los métodos siguientes:
Bombeo continuo
Bombeo intermitente
En el bombeo neumático continuo, se introduce un volumen continuo de gas a alta presión por el espacio anular a la TP para aligerar la columna de fluidos, hasta el punto en que la reducción de la presión de fondo permita una diferencial suficiente a través de la formación, causando que el pozo produzca el gasto deseado. Para realizar esto, se utiliza una válvula en el punto de inyección más profundo con la presión disponible del gas de inyección, junto con la válvula reguladora en la superficie. Este método se utiliza en pozos con alto IP (mayor a 0.5 bpd/psi) y presión de fondo fluyendo relativamente alta (columna hidrostática del orden de 50 % o más en relación a la profundidad del pozo). En pozos de este tipo la producción de fluidos puede estar dentro de un rango de 200 a 20,000 bpd a través de TP comunes. Si se explota por el espacio anular, es posible obtener más de 80,000 bpd. El diámetro interior de la TP rige la cantidad de flujo, siempre y cuando el IP, la Pwf, el volumen y la presión del gas de inyección, así como las condiciones mecánicas, sean las ideales.
El Bombeo Neumático consiste en la inyección continua o intermitente de gas a presión en la parte inferior de la tubería de producción para mantener o aumentar el potencial de flujo del pozo. El gas inyectado por el espacio anular se mezcla en la tubería de producción con los fluidos provenientes del yacimiento, disminuyendo el gradiente de flujo, permitiendo a los pozos operar a una menor presión de fondo, manteniendo o aumentando la producción. En el Bombeo Neumático el trabajo para aumentar el gasto de producción inicia en la superficie, donde se encuentra un compresor de gas, que trasmite al pozo una corriente de gas a alta presión para que se eleven los fluidos desde el punto de inyección (preferentemente los más profundo posible) hasta la superficie. El BN es un sistema que puede ser empleado para un campo o grupo de pozos.
En el BN Continuo se inyecta gas al pozo de forma continua para gasificar la corriente de líquido, con el objetivo de aligerar la columna de líquido dentro del pozo, e incrementando la caída de presión en la cara de la formación. Esto resulta en un aumento de la RGL del pozo. Este método solo es aplicable a pozos que tienen una menor que la RGL natural óptima y una presión en el yacimiento lo suficientemente alta como para mantener el gasto deseado aun cuando la RGL se incremente. La Figura 1 muestra un esquema típico de un pozo operando con BN continuo.
Figura 1. Bombeo Neumático continuo
La presión de inyección de gas es normalmente mucho más baja que la presión del yacimiento estática, las válvulas de BN se instalan en el aparejo para permitir que el pozo quede progresivamente descargado, estableciendo así la profundidad de inyección operativa tan profunda como sea posible. El diseño del aparejo del BN se refiere a la posición y el funcionamiento de las válvulas seleccionadas, teniendo en cuenta las condiciones de operación previstas.
II. TIPOS DE INSTALACIONES DE BOMBEO NEUMÁTICO
En el bombeo neumático podemos tener diferentes tipos de instalaciones, incluso en pozos vecinos puede haber una diferencia sustancial en la instalación del aparejo, aunque ambos sean producidos por bombeo neumático. En general el tipo de instalación se basa principalmente en si el pozo será producido mediante inyección continua o intermitente, esto dará también la pauta para la selección del tipo de válvulas de inyección de gas, una diferencia entre las válvulas, es que las de bombeo intermitente al momento de abrir inyectan una gran cantidad de gas en un lapso de tiempo relativamente corto para lograr elevar el bache de líquido hasta la superficie.
El tipo de instalación está fuertemente influenciada por las características mecánicas (tipo de terminación) y de producción (producción de arena y/o agua, conificación de gas, etc.). Es necesario determinar cómo variarán las condiciones de producción con respecto al tiempo, esto debe incluir un análisis del comportamiento de la presión de fondo y del índice de productividad.
Instalación Abierta: En este tipo de instalación, la tubería de producción está colgada al cabezal sin empacador. Esto quiere decir que hay una comunicación entre el espacio anular y el fondo de la tubería de producción. Esta instalación preferentemente debe ser implementada en pozos con buenas características de producción, que tengas un nivel alto de fluidos y permitan la formación de un sello líquido, generalmente se recomienda únicamente para pozos con bombeo neumático continuo. Una razón para restringir el uso de este tipo de instalación es la presión variable en la línea superficial, esta variación de presión ocasionara un movimiento en el nivel del fluido del espacio anular y pudiendo dejar expuestas las válvulas situadas debajo del punto de inyección a una erosión severa con el fluido.
Otra desventaja es que cada vez que el pozo necesite ser cerrada, al momento de reabrirlo hay que descargarlo y reacondicionarlo nuevamente debido a que mientras estuvo cerrado hubo un aumento en el nivel de fluido en el espacio anular. Al momento de descargarlo, dicho fluido debe ser descargado por el espacio anular sometiendo nuevamente a las válvulas a una erosión adicional. Debido a los múltiples problemas encontrados, no es recomendable una instalación abierta, salvo en casos donde no sea posible colocar un empacador.
Figura 2. Instalación Abierta
Instalación Semicerrada: Esta instalación es similar a la instalación abierta, la diferencia es que se agrega un empacador de producción para sellar el espacio anular entre la tubería de producción y la tubería de revestimiento. Esta instalación puede ser implementada en pozos con bombeo continuo o intermitente y no disminuir su eficiencia. Una de las ventajas es que una vez que el pozo ha sido descargado no hay manera de que el fluido regrese al espacio anular ya que todas las válvulas tienen dispositivos check para evitar el retorno del flujo, a su vez, se evitará que cualquier flujo abandone la tubería de producción.
Otra ventaja de una instalación Semicerrada es que al momento de hacer una intervención al pozo y que en dicha operación sea necesario un incremento en la presión en el fondo del pozo, la tubería de revestimiento no estaría expuesta a la presión de dicha operación y podríamos evitar algún daño a la infraestructura superior del pozo.
Figura 3. Instalación Semicerrada.
Instalaciones con Cámara de Acumulación: Las instalaciones con cámara de acumulación son una variante de la instalación cerrada y son una alternativa viable para proyectos de bombeo neumático. A menudo una instalación con cámara incrementa la producción de aceite. La cámara es una instalación ideal para implementarse en pozos con baja presión de fondo y en pozos con un alto IP.
Un pozo podrá producir grandes volúmenes de líquido si se logra una alta caída de presión en la cara de la formación. La cámara utiliza el volumen del revestimiento para almacenar fluidos. Con la implementación de una cámara es posible incrementar de manera sustancial la producción de un pozo en comparación de una instalación de bombeo intermitente convencional. En la actualidad hay una gran variedad de instalaciones de bombeo neumático con cámara, sin embargo, la más común es la estándar con doble empacador, para un análisis más profundo de este tipo de instalaciones.
Figura 4. Instalación cerrada.
III. MECANISMO DE LAS VÁLVULAS SUBSUPERFICIALES DE BN.
Los diversos fabricantes han dividido en categorías a las válvulas de BN dependiendo de qué tan sensible es una válvula a una determinada presión actuando en la TP (Pt) o en la TR (Pc).
Generalmente son clasificadas por el efecto que la presión tiene sobre la apertura de la válvula. Esta sensibilidad está determinada por la construcción del mecanismo que cierra o abre la entrada de gas.
Normalmente la presión a la que se expone una válvula la determina el área del asiento de ésta. Cuando el área del elemento de respuesta es grande comparada con el asiento de la válvula, ésta es relativamente insensible a la presión en la TP; debido a esto, el efecto de la columna de líquido en la TP para abrir la válvula es pequeño.
IV. COMPONENTES DE LAS VÁLVULAS DE BN.
Una válvula de BN está compuesta de:
Cuerpo de la válvula
Elemento de carga (resorte, gas o una combinación de ambos)
Elemento de respuesta a una presión (fuelle de metal, pistón o diafragma de hule)
Elemento de transmisión (diafragma de hule o vástago de metal)
Elemento medidor (orificio o asiento)
Figura 5. Componentes de una válvula de inyección de BN.
V. CLASIFICACIÓN DE LAS VÁLVULAS DE BN
Las válvulas de BN se clasifican en:
a) Válvulas desbalanceadas.
b) Válvulas balanceadas.
c) Válvulas para bombeo continuo.
d) Válvulas para bombeo intermitente.
Válvulas desbalanceadas
Son aquellas que tienen un rango de presión limitado por una presión de apertura y por una presión inferior de cierre, el cual es determinado por las condiciones de trabajo del pozo; es decir, este tipo de válvulas abren con una presión determinada y cierran con una presión más baja.
Este tipo de válvulas se divide en:
1Válvula operada por presión del gas de inyección: Generalmente se conoce como válvula de presión; la válvula es del 50 al 100 % sensible a la presión en la TR en la posición cerrada y el 100 % sensible en la posición de apertura. Se requiere un aumento de presión en el espacio anular para abrir y una reducción de presión en la TR para cerrar la válvula.
Válvula reguladora de presión: Existen dos conceptos importantes uno la presión de apertura de la válvula bajo condiciones de operación y la presión de cierre de la válvula bajo condiciones de operación.
Presión de apertura de la válvula bajo condiciones de operación: Dado que la válvula de presión es en su mayor parte sensible a la presión en el espacio anular, la presión de apertura se define entonces como la presión en la TR requerida para abrir la válvula actuando bajo condiciones de operación. Para establecer una ecuación que determine la presión de apertura de la válvula, puede hacerse un balance de todas las fuerzas que actúan sobre ella cuando está en la posición cerrada a unos instantes antes de su apertura. En este instante, las fuerzas actuando para cerrar la válvula son iguales a las fuerzas actuando para abrirla. Por lo tanto, puede establecerse la siguiente ecuación:
Fo = Fc
Fo = Suma de todas las fuerzas que tratan de abrir la válvula
Fo = Suma de todas las fuerzas que tratan de mantener cerrada la válvula
Figura 6. Presión de apertura de la válvula bajo condiciones de operación.
Presión de cierre de la válvula bajo condiciones de operación: La presión de cierre se define como la presión en la TR requerida para cerrar la válvula actuando bajo condiciones de operación. Efectuando un balance de fuerzas similar al de la presión de apertura, puede establecerse la relación de fuerzas actuando sobre la válvula cuando se encuentra en la posición abierta a unos instantes antes de su cierre. Todas las áreas y presiones son idénticas a las de la válvula considerada para efectuar la presión de apertura, excepto que ahora la presión bajo la válvula es afectada por la presión en la TR y no por la presión en la TP. Para un tiempo antes de cerrar la válvula, se puede desarrollar la siguiente ecuación:
Fo = Fc
Figura 7. Presión de cierre de la válvula bajo condiciones de operación.
3. Válvula operada por fluidos de formación.
VI. GRADIENTE DE LA COLUMNA DE GAS.
La presión de operación del gas de inyección está controlada en la superficie; esto es, la superficie (cero pies) se utiliza generalmente como una referencia para comparar y relacionar la posición de la posición de la válvula de BN. Para corregir desde el fondo del pozo hasta la superficie o viceversa, el ingeniero de producción debe hacer una predicción del cambio de la presión causado por la columna de gas y por las pérdidas de fricción cerca de la válvula de BN, tanto bajo condiciones estáticas como dinámicas (fluyendo).
La diferencia entre el cambio de la presión estática y dinámica es la pérdida por fricción para el flujo de gas. Si el conducto es pequeño o el gasto de gas es relativamente alto, dicha pérdida debe ser tomada en cuenta. La pérdida por fricción corriente abajo del flujo de gas en el espacio anular de casi todas las instalaciones es muy pequeña y puede despreciarse sin considerar que se cometa un error notable. Por esta razón, la mayoría de las instalaciones de BN se diseñan considerando el incremento de presión estática del gas con la profundidad.
El cálculo del incremento de presión se basa en el establecimiento de un balance de energía del flujo de gas entre dos puntos del sistema. Resolviendo dicha ecuación para un gas real y considerando un factor de compresibilidad a condiciones medias de presión y temperatura, se obtiene la siguiente expresión:
La ecuación anterior involucra una solución de ensaye y error, en la cual z depende de la presión de fondo y viceversa. Por esta razón, se han desarrollado gráficas basadas en esta ecuación que proporcionan buenos resultados. Una de éstas es la gráfica mostrada, en la cual, para presiones y temperaturas normales, la presión se incrementa con la profundidad (gradiente de presión) en forma aproximadamente constante para una presión superficial dada. Por consiguiente, la presión en la TR puede representarse gráficamente mediante una línea recta desde la superficie hasta la profundidad deseada.
Figura 8. Grafica para determinar el factor Z.
VII. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BOMBEO NEUMÁTICO CONTINÚO.
A pesar de su flexibilidad operacional el BN, al momento de compararlo con otros sistemas de levantamiento artificial salta a la vista una serie de limitaciones presentes en este sistema.
Para su operación se requiere una fuente adecuada y constante de gas a lo largo de la vida del proyecto. Por otra parte, si la fuente de gas es deficiente (baja presión, gas húmedo, corrosivo, etc.) es necesario hacer un acondicionamiento del gas y el aumento en la inversión es significativo al instalar una planta de acondicionamiento de gas para solucionar dicho problema.
Cuando el levantamiento continuo no es capaz de reducir la presión de admisión, como resultado, el bombeo no puede llegar a presiones bajas de fondo del pozo. Esto dará lugar a una mayor contrapresión en el sistema, limitando así el potencial de producción del pozo, incluso afectando la recuperación final de hidrocarburos. Dicho problema se hace más evidente al aumentar la profundidad y la presión del yacimiento.
Las principales ventajas presentes en el bombeo neumático son:
El BN puede operar sobre una amplia gama de condiciones de producción, puede ser diseñado para elevar miles de barriles por día o menos de un barril por día.
Puede manejar cantidades significativas de sólidos (por ejemplo, arena).
El BN tiene una capacidad inherente a la manipulación del gas, un inconveniente grave con muchas otras formas de levantamiento artificial.
La misma instalación de BN puede ser diseñado para elevar fluidos a una profundidad cercana a la superficie en una etapa inicial y elevar fluidos a una profundidad cercana a la total cuando el pozo ya no tiene suficiente energía.
Las instalaciones pueden ser diseñadas para ser discretas.
Es accesible para monitorear, intervenir y reparar el pozo.
Puede ser aplicado para cualquier configuración del pozo (desviado, horizontal, dual).
La fuente de energía se localiza en superficie, por lo tanto, los componentes del subsuelo son baratos y de fácil remplazo con cable de acero (con excepción de pozos submarinos).
Los costos de operación son relativamente bajos y están en función directa de los costos de combustible y del sistema de monitoreo de las instalaciones.
Las principales desventajas presentes en el bombeo neumático son:
La inversión inicial puede ser significativa debido a los altos costos de compresión, pero pueden reducirse con la implementación de una planta de distribución central y los beneficios de requerimientos de compresión (de ventas, re-inyección).
El BN no siempre esta fácilmente disponible, debido a la escases de gas de inyección. Sin embargo, el aire y gases “exhaustos” pueden utilizarse en algunos casos.
La distancia entre los pozos puede limitar la selección del BN, ya que se requerirá una fuente de mayor presión para mantener la presión de operación de cada pozo.
El BN puede causar emulsiones y crudo viscoso, los cuales son difíciles de levantar de manera eficiente.
Es difícil diseñar una instalación de bombeo neumático para la zona inferior en una instalación dual si esta zona está a muchos metros (mil metros o más) por debajo de la zona superior y tiene una presión de fondo muy baja, en especial por el tamaño reducido del revestimiento de la zona inferior.
Las tuberías deben soportar presiones elevadas (sobre todo al momento de la inyección).
Formación de hidratos y congelamiento de las líneas de inyección.
Puede ser peligrosa su implementación en zonas urbanas, debido a que se manejan líneas de alta presión.
BIBLIOGRAFÍA
• BOMBEO NEUMÁTICO DUAL Tesis de Grado “EDER JOVANY VALLADARES ARMIJO”
• Apuntes del M en C. Juan de la Cruz Clavel López