ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

DISEÑO

Sistema Múltiple de Producción y

Prueba (MANIFOLD)

Diseño de manifold con línea de

producción y prueba.

Estudiante: España Ordóñez Felipe Andrés

Profesor: MSc. Romel Erazo

Fecha de entrega: 1 de diciembre del 2015

FACILIDADES DE

SUPERFICIE II

2do TÉRMINO

2015-2016

i

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN .................................................................. 1

OBJETIVOS ........................................................................... 2

OBJETIVO GENERAL .................................................................. 2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................ 2

CARACTERÍSTICAS GENERALES .................................... 3

DEFINICIÓN ............................................................................... 3 TIPOS DE MANIFOLDS ................................................................ 3

VÁLVULAS Y ACCESORIOS ......................................................... 6 NORMAS ASTM ........................................................................ 6 DISEÑO HIDRÁULICO ................................................................. 6 CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO ............................................ 8

DESARROLLO ...................................................................... 9

CONCLUSIONES ................................................................ 11

REFERENCIAS ................................................................... 12

ANEXOS .............................................................................. 13

DIAGRAMA PFD DE UN MÚLTIPLE DE PRODUCCIÓN ................ 13

1

INTRODUCCIÓN

El sistema de producción empieza en el pozo, este debe incluir por lo menos un

estrangulador (choke), a menos que se esté recurriendo a algún tipo de levantamiento

artificial. Muchas de las caídas de presión empiezan entre la presión de flujo existente en el

tubing y la presión de operación del separador. La abertura del estrangulador determina la

rata de flujo, este es un factor importante para mi diseño de las facilidades de superficie del

campo. Además debe ser considerado un número de estranguladores en serie

implementándose un estrangulador ajustable para mantener la presión dentro del límite

previsto cuando se está trabajando con altas presiones en la cabeza del pozo.

Cuando el flujo de dos o más pozos es mezclado en una facilidad central, es necesario

instalar un manifold que permita al flujo de un pozo ser producido hacia cualquier sistema de

almacenamiento o de prueba de producción.

Este documento tiene como finalidad el diseño de un manifold, para esto se supuso

que se está produciendo a partir de cuatro pozos, cada producción de cada pozo ingresa hacia

el múltiple de producción para finalmente que el fluido sea trasladado hacia la línea que está

conectada al separador de producción o hacia el separador de prueba.

Para este diseño se ha tomado datos del campo YUPA (nombre inventado) , ubicado en

el Oriente Ecuatoriano, suponiéndose que se requiere una línea de producción de 4” mientras

que la de 2” para la línea de prueba. Ambas líneas salientes del manifold serán comprobadas

mediante el método de prueba y error para un dimensionamiento hidráulico de manifold.

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OBJETIVOS

Objetivo General

Diseñar un sistema múltiple de producción.

Objetivos Específicos

Definir a un sistema múltiple de producción.

Distinguir los tipos de manifold que se pueden encontrar en un campo petrolero.

Detallar el tipo de válvulas que son colocadas en un manifold.

Indicar las normas utilizadas para el diseño de un manifold.

Mostrar un PDF del sistema múltiple de producción diseñado, utilizando el software

lucidchart.

3

CARACTERÍSTICAS GENERALES

Definición Un manifold, es un arreglo de válvulas y tuberías diseñadas para el control, distribución y a

menudo para monitoreo del flujo del fluido. Los manifold son configurados para funciones

específicas, por ejemplo como manifold estrangulador utilizado en el control de pozos,

squeeze manifold utilizado para cementación forzada. En cada caso, los requerimientos

funcionales de operación han sido dirigidos en la configuración del manifold y el grado de

control e instrumentos solicitados.

Tipos de manifolds

En la industria petrolera se pueden encontrar los siguientes tipos de manifold, entre estos

tenemos:

Choke Manifold: Durante la perforación, un manifold de este tipo es un conjunto de

válvulas que pueden controlar altas presiones y tuberías que usualmente incluyen por

lo menos dos estranguladores ajustables, arreglado de tal manera que uno de los

estranguladores ajustables poder ser aislado y sacado fuera de servicio para ser

reparado y renovado mientras el flujo del pozo es dirigido a través del otro.

Figura 1: Choke manifold, recuperado de www.tradeindia.com

Flowline Manifold: Es una tubería arreglada con varias salidas, para conectar líneas de

uno o más pozos. Esta conexión dirige el flujo hacia los separadores, máquinas de

tratamientos de calor y otros equipos.

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Figura 2: Flowline manifold, recuperado de concentricpipe.com

Pump Manifold: Durante la intervención de un pozo se utiliza un arreglo de tuberías y

válvulas que dirigen y controlan el fluido de la unidad de bombeo. El manifold ubicado

en la línea de succión, es llamado manifold de baja presión, mientras que el manifold

ubicado en la línea de descarga es denominado manifold de alta presión.

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Figura 3: Pump manifold, recuperado de www.msi-sa.biz

Squeeze Manifold: Es un manifold colocado dentro de las líneas de tratamiento en

superficie, para permitir el control y enrutamiento de los fluidos durante una

operación de squeeze. Muchos de los manifold para squeeze tienen conexiones con la

sarta del tubing, anular y la unidad de bombeo.

Figura 4: Squeeze manifold, recuperado de www.oilfieldswivelinc.com

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Válvulas y accesorios

Generalmente las válvulas que se pueden encontrar en un manifold pueden ser activadas de

manera neumática, mediante la activación de un solenoide eléctricamente o manualmente,

los manifolds pueden además tener otros accesorios estos son:

Válvulas de bloqueo.

Válvulas de seguridad.

Válvulas de alivio.

Válvulas de bola.

Air, cam, lever, oil, solenoid directional control valves.

Pressure control valves.

Normas ASTM Respecto a las normas que se sigue para el diseño de manifolds, se deben tomar en cuenta las

siguientes:

Líneas que convergen al manifold proveniente de los pozos (ASTM A333).

Espesor de pared (ASME B 31.3).

Diámetro exterior del tubo (ASME B36.10M).

Esfuerzo permisible (ASME B31.3).

Factor de calidad de junta (ASME B31.3).

Diseño hidráulico Flujo Simple: Para el estudio de las caídas de presión que ocurren dentro de las líneas de flujo

que transportan el crudo se realizan la siguiente consideración:

Ec. 1

Flujo Laminar: Siempre un flujo al ser transportado por una tubería está acompañado de la

fricción, lo que representa una caída de energía considerable para el trabajo, para el estudio se

puede representar la pérdida de presión en las tuberías por la siguiente ecuación de Darcy-

Weisbach:

7

Ec. 2

Flujo Turbulento: Una relación fácil para poder manejar el flujo turbulento en una tubería de

acero comercial es la siguiente:

Ec. 3

Flujo Bifásico: Cuando un fluido bifásico fluye simultáneamente por una tubería, su

distribución de fases al cambiar las propiedades de los fluidos puede adoptar diferentes

configuraciones físicas o regímenes de flujo a lo largo de la tubería.

Régimen de Flujo: Los factores que determinan el régimen de flujo en una tubería de proceso

bifásico son: diferencia en las propiedades físicas, velocidades de las fases, diámetro de la

tubería, dirección del flujo y orientación de la tubería.

Calculo de la caída de presión en tuberías con flujo bifásico: Para el cálculo de caídas de

presión en tuberías de acero al carbono se puede calcular rápidamente mediante la fórmula

simplificada de Darcy, del API RP 14 E:

Ec. 4

Velocidad de Erosión:

Las líneas de flujo, los múltiples de producción y otras líneas que transporten líquidos, gases o

fluidos bifásicos se deben dimensionar principalmente basándose en la velocidad del fluido

debido a que tienen principal relación entre la erosión y corrosión de las paredes de la tubería.

Este desgaste se da debido a la velocidad del flujo y va en aumento, con la presencian de

dióxido de carbono o de sulfuro de hidrogeno y también en presencia de codos.

La siguiente ecuación se puede utilizar en caso que se desconozca la velocidad de erosión:

8

Ec. 5

Criterios generales de diseño

Los arreglos de las tuberías a utilizarse para este proyecto debe ser flexibles, seguras, sencillas

y económicas además deben ofrecer una fácil accesibilidad para labores de mantenimiento y

no crear obstáculos innecesarios que dificulten el escape a la hora de contingencia.

Los criterios con mayor énfasis al momento de este diseño van a ser el lugar físico de ubicación

del manifold y el impacto ambiental que este pueda causar, además se cuida que el viento no

sople en la dirección de enviar posibles emisiones gaseosas dentro de la planta.

Los criterios de los materiales de construcción en el orden de su importancia son:

compatibilidad con el producto a manejar, fragilidad, peso específico, disponibilidad y costos.

Temperatura de Diseño: En este dimensionamiento no se esperan temperaturas mayores a

752 ˚F, la temperatura de diseño se genera de manera general, adicionando 50 ˚F a la

temperatura normal de operación.

Presión de Diseño: La presión de diseño para recipientes y equipos por los cuales se

transportara el fluido y equipos a los cuales se conectan deben cumplir los siguientes

parámetros de operación:

Los dispositivos deben poseer válvulas de alivio.

Seguridad: El uso de aislamiento y protección es obligatorio para el personal en la superficie y

además que cumplan con la siguiente indicación:

Cuando la temperatura en la superficie sea mayor a 150 ˚F.

Tiempo de vida útil y factor de servicio: Las instalaciones de este proyecto se diseñan para un

periodo de 20 años y una operación sin interrupción de 24 horas y 7 días a la semana.

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DESARROLLO

Para el siguiente diseño de manifold se requiere datos de yacimiento y de los cuatro pozos, a

pesar de que estos datos han sido inventados con fines educativos son datos cercanos a los

encontrados en un campo petrolero ecuatoriano. Los datos se resumen en la siguiente tabla

de datos:

Tabla 1: Datos de los pozos del campo “YUPA”

𝑄𝐿 = ∑ 𝑄𝐿𝑗𝑛𝑗=1 (Cálculo del caudal de líquido total de los pozos)

𝑄𝑜 = 𝑄𝐿𝑗(1 − 𝐵𝑆𝑊) (Cálculo del caudal de petróleo)

𝑄𝑔 = 𝐺𝑂𝑅𝑜𝑝𝑄𝑜 (Cálculo del caudal del gas total)

𝑆𝑜 =141.5

131.5+°𝐴𝑃𝐼 (Densidad relativa del petróleo)

𝑆𝐺𝐿 = 𝑆𝐺𝑜(1 − 𝐵𝑆𝑊) + 𝐵𝑆𝑊 (Gravedad específica del líquido)

𝜆 =𝑄𝐿

𝑄𝐿+𝑄𝑔 (Para flujos bifásicos el valor de 𝜆 se encuentra entre 0,7 y 0,02)

𝜌𝑚 =12409𝑆𝐺𝐿𝑃𝑜𝑝+2.7𝑅𝑆𝐺𝑔𝑃𝑜𝑝

198,7𝑃𝑜𝑝+𝑅𝑇𝑍 (Densidad de la mezcla bifásica)

𝑉𝑒 =𝐶

√𝜌𝑚 (Velocidad de erosión, incluyendo la constante empírica C=200)

𝐴 =9,35+

𝑍𝑅𝑇

21,25𝑃𝑜𝑝

𝑉𝑒 (Área Mínima de Erosión)

𝐴𝑚𝑖𝑛 = 𝐴𝑄𝐿 (Área Mínima de Erosión)

𝐴11 =𝜋(𝐷𝑒−2𝑒)

2

4 (Área de cada Línea 1)

𝐴13 =𝜋(𝐷𝑒−2𝑒)

2

4(Área 3)

𝐴𝑒𝑞2 = 𝐴12 + 𝐴13 (Área equivalente 2)

𝐴𝑒𝑞2 > 𝐴𝑒𝑞1 (𝑂𝐾) (Comprobación de un dimensionamiento correcto)

Pozo (i)

1 1000 90 0,85 135

2 1200 100 0,85 135

3 1100 120 0,85 135

4 900 140 0,85 135

𝑄𝐿𝑖

𝑖 𝐵𝑆𝑊 𝐺𝑂𝑅

10

Caudal total de Líquido (bbl/d) 4200

Basic Sediment Water (BSW%) 0,85

Caudal de oil (bbl/d) 630

Caudal del gas (SCF/d) 85050

Relación Gas-Petróleo (GOR) 135

°API 22,3

Gravedad Especifico del Gas (SGg) 0,61

Gravedad Específica del Petróleo (SGo) 0,920

Gravedad Específica del Líquido (SGl) 0,988

Presión de Operación (Psig) 380

Presión de Operación (Psia) 394,7

Temperatura de Operación (°R) 580

Factor de Compresibilidad del Gas 1 Tabla 2: Resultados de las operaciones descritas en las ecuaciones

Tabla 3: Cálculos de valores comparables para la prueba y error

Tabla 4: Diámetros de tuberías supuestos para la prueba y error de diseño

Tabla 5: Decisión de prueba errónea o correcta (primera prueba y segunda prueba)

Area Minima de Erosión (in2/1000bbl/dia) 0,52

Area Minima (in2) 2,20

2,374016

0,2181102 cedula 80

6,6259843

0,43188976 cedula 80

4,5

0,3370079 cedula 80

37,57435843

OD de la Linea de Prueba (in)

Espesor de la Linea de Prueba (in)

Area equivalente 2

Diametro Externmo (in)

Espesor (in)

OD de la Linea de Producción (in)

Espesor de la Linea de Producción (in)

Desición

2,949210777 11,79684311 OK

26,0775783

11,49678013 37,57435843 OK

𝐴1𝑖 𝐴𝑒𝑖

11

CONCLUSIONES

Se diseñó un manifold, mediante una prueba hidráulica tomándose como referencia

dos líneas de 4” y 2” para las líneas de producción y prueba. A partir de esto se obtuvo

resultados positivos al ser las áreas transversales de estas líneas mayores al área

mínima de erosión.

Se distinguió los diferentes tipos de manifold que se pueden encontrar en la industria

petrolera y se recalcó la importancia de cada uno de estos en el área de uso.

Se detalló los tipos de válvulas que deben ser colocadas al momento de realizarse el

diseño de manifold, cabe recalcar que el tipo y cantidad de estas dependen del

número de pozos de los cuales se está produciendo o del tipo de fluidos que se estén

manejando. Además fueron adjuntados también accesorios que pueden ir en un

manifold.

Fueron mostradas las normas ASME para el diseño de manifold, la principal en ser

tomada en cuenta es la norma ASME B31.3.

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REFERENCIAS

Arnold, K., & Steward, M. (2008). Surface Production Operations. Elsevier Inc.

Corp, P. H. (s.f.). Parker. Recuperado el 30 de Noviembre de 2015, de

http://www.parker.com/portal/site/PARKER/menuitem.7100150cebe5bbc2d6806710

237ad1ca/?vgnextoid=f5c9b5bbec622110VgnVCM10000032a71dacRCRD&vgnextfmt=

EN&vgnextdiv=&vgnextcatid=2684702&vgnextcat=INDUSTRIAL%20MANIFOLD%20MO

UNTED%20VALVES

Glossary, O. (s.f.). Oilfield Glossary. Recuperado el 11 de Junio de 2015, de

http://www.glossary.oilfield.slb.com/

PLC, T. W. (s.f.). Weir oil & gas. Recuperado el 30 de Noviembre de 2015, de

http://www.weiroilandgas.com/products__services/well_service__stimulation/well_s

ervice_flow_line__valve/manifolds.aspx

Quiroga, K. (1991). Pruebas, completaciones y reacondicionamiento de pozos petroleros.

Quito, Ecuador: La Odisea.

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ANEXOS

Diagrama PFD de un múltiple de producción