EQUIPO DE TRABAJO DE LA ASIGNATURA DE FLUJO MULTIFÁSICO:

NOMBRE DE LA CIA: UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÒNOMA DE MÈXICO

DISEÑO DE UNA VÁLVULA BALANCEADA SUMERGIBLE PARA

LA GENERACIÓN DE BOMBEO NEUMÁTICO

• SRITA. KATYA ICXEL LAZCANO GARCÍA

• DR. ARNULFO ORTIZ GÓMEZ

• JOSÈ LUIS RODRÌGUEZ TOLENTINO

• SRITA. KAREN MARIANEE VEGA GUERRERO

Antecedentes

1800

•Carl Emanuel Löscher

•Inventó un método de aire comprimido para bombear agua.

-

•De acuerdocon J. H. A. Bone

•El primer pozo en utilizar aire comprimido fue el pozo Empire 1.

1864

•Thomas B.Gunning

•Obtuvo la patente por un eyector de petróleo, refiriéndose al mismo como un medio nuevo y útil para expulsar el aceite de los pozos.

1900

•Ingenieros e Inventores

•Mejoraron la técnica de elevación con aire y ayudaron a la compresión de las propiedades del aire.

1911

•En el campoCatCanyon

•Se realizaron las primeras pruebas de inyección de gas natural a alta presión.

1927

•Silas Frederick Shaw

•Influencia de gas asociado a los yacimientos de aceite.

1975

•BufordNeely

•Definió dos tipos de levantamiento de gas, uno continuo y otro intermitente.

En la vida productiva de unapozo petrolero, la presión ensu interior es capaz desustentar la producción demanera natural, con el pasodel tiempo esta presión sereduce a niveles tan bajosque el pozo deja de aportarfluidos o bien no logramantener una producciónrentable.

Un Sistema Artificial deProducción (SAP) es instaladoen el pozo con el fin de aportarenergía externa a los fluidosproducidos por el yacimiento,permitiendo que los fluidoslleguen hasta la superficie.

El 60% de los pozos se explotanen etapa madura, con altoscortes de agua,represionamiento en las líneasde transporte con la finalidad de:

• Mantener la producción ó

• Incrementar el gasto

Sin embargo en algunos estossistemas son instalados sin quela presión del yacimiento hayadeclinado.

Antecedentes

El sistema de BN permite el desplazamiento de los

fluidos desde el fondo del pozo hasta la superficie.

Reduciendo la columna hidrostática, mediante la

inyección de gas a alta presión.

El gas es inyectado y controlado desde la

superficie, a una presión requerida por el espacio

anular.

* Continuo

* Intermitente

Bombeo Neumático

Antecedentes

Antecedentes

a b c d

(a) Burbuja

(b) Tapón

(c) Transición

(d) Anular

Patrones de flujo en tuberías verticales

Caídas de presión en la tubería

El cálculo de las pérdidas de presión hidrostática requiere del conocimiento de la proporción de líquido en la tubería (colgamiento) y las densidades de las fases líquida y gaseosa.

1.Beggs & Brill

2.PoettmannyCarpenter3.Dunsy

Ros 4.Hagedorny

Brown 5.OrkiszewskiVamos a obtener

los Patrones de flujo en la

tubería y las caídas de presión.

Partes de una válvula

Válvula balanceada

Válvula operada por presión de

inyección

Válvula operada por presión de producción

IntroducciónClasificación de las válvulas

Balanceadas

Son influenciadas por la presión en la TR, actuando en el área del

fuelle.

La válvula abre y cierra a la misma presión conocida como presión de

domo.

Desbalanceadas

Se caracteriza por cerrar a una

presión inferior a la de apertura.

Presiones determinadas por

el pozo.

BNC

Debe ser sensible a la presión en la

TP cuando está en la posición de

apertura.

Incrementando la presión en la TP, la válvula comienza a regular la apertura incrementando el

flujo de gas.

Cuando decrece la presión, la válvula empieza a regular

el cierre.

BNI

Requiere largos volúmenes de gas en periodos cortos.

Deben permanecer

abiertas durante la inyección y cerrar instantáneamente.

DesarrolloModelo Experimental

Parte teórica

- Análisis de fuerzas de apertura y cierre de una válvula.

- Análisis de fuerzas de apertura y cierre del diseño propuesto

- Análisis dimensional.

Parte experimental

-Construcción del modelo experimental (Instalación de BN).

- Prueba a diferentes presiones de inyección.

(Cálculo Qg, caídas de presión B&B, Cte. de elasticidad)

DesarrolloParte Teórica

Suma de fuerzas de apertura = Suma de fuerzas de cierre

Haciendo la siguiente consideración:

Pvo = Pres. de la válvula abierta.

Pvc = Pres. de la válvula cerrada

PbT = Pres. en la TR

Pvo = PbT, Pvc = PbT, Pg = Pvc

Donde:

Pg = Presión de gas en la TR

PsT = Presión debida al muelle

del resorte

Análisis de fuerzas del diseño de una válvula balanceada

Análisis de fuerzas del diseño de válvula propuesto

DesarrolloParte Teórica

Las fuerzas involucradas en la apertura y cierre de la

válvula son:Donde:

Ao = Área de salida del gas

Ac = Área lateral del látex que cubre

al cilindro de inyección

Ph = Presión hidrostática a la

profundidad hc

Fk = Fuerza de restitución elástica del

látex

DesarrolloParte Teórica

Análisis de fuerzas del diseño de válvula propuesto

Igualando las Ecu. 1 y 2 y haciendo Pg = Pvo

La ecuación de cierre de la válvula queda definida

de la siguiente manera:

Esta última ecuación nos indica que

cualquier disminución en la presión de gas

en la región anular ocasiona el cierre de la

válvula.

DesarrolloParte Práctica

Material

• Tubos de acrílico de 2.54 cm y 5.08 cm de diámetro representando la TP y TR respectivamente, con una longitud de 50 cm cada uno.

• En la parte superior de la TP se colocó un separadorque comunicado a otro tubo de acrílico de 1.25 cm de diámetro, que conducirá la glicerina a una probeta graduada de 100 ml.

• El aparejo se montó sobre un recipiente de acrílico de 3 L de capacidad, en forma rectangular para evitar el efecto de refracción.

• Manómetro.

• Fuente de inyección de aire.

• Flexómetro.

• Fondo negro de 106 x 69 x 1 cm.

Fluidos

• Glicerina (𝜌=1260 [kg/m3],𝜇=1500 [cp]a 20oC

• Aire (𝜌=1.29[kg/m3]) a 20oC

DesarrolloParte Práctica

3.55

[kg/cm2]

7.11

[kg/cm2]

14.22

[kg/cm2]

21.33

[kg/cm2]

28.44 [kg/cm2]

51.2

[kg/cm2]

Lìquido Gas

Presión [PSI]

QL

[cm3]QL

[bbl/d]Tiempo

(min)Altura [cm]

VL [ft/seg]

t [seg]

rad.burbuja[cm]

Vol. burbuja [ft3]

Qg [ft3/seg]

Vg[ft/seg]

3.55 0 0 7 9 0 0,05 0,3 3,99391E-06 0,00008 0,01

7.11 10 0,00904 10 30 0,0001087 0,033 0,4 9,46704E-06 0,00115 0,21

14.22 50 0,1005 4,5 30 0,001209 0,025 0,4 9,46704E-06 0,00549 1,02

21.33 50 0,0904 5 30 0,0010877 0,02 0,6 3,19513E-05 0,00883 1,63

28.44 50 0,1292 3,5 30 0,0015548 0,02 1,1 0,000196885 0,01130 2,09

51.2 60 0,46400 1,17 30 0,0055873 0,02 2,2 0,001575079 0,02200 4,07

Datos obtenidos directamente de la observación

Datos calculados

DesarrolloParte Práctica

Cálculos para la fase gaseosa

tiempoCálculos para la fase gaseosa

Volumen burbuja

Cálculos para la fase gaseosa

Gasto

Cálculos para la fase gaseosa

Velocidad

Patrones de flujo observados

DesarrolloParte Práctica

kg/cm2

0.25

kg/cm2

0.5

kg/cm2

1

kg/cm2

1.5

kg/cm2

2

kg/cm2

3.6

a) Burbuja

b) Bache

c) Transición

d) Anular

Análisis de resultados

Para el análisis de resultados, consideramos los siguientes aspectos:

La caída de presión

dentro de la tubería.

La constante de

deformación del resorte

(polietileno).

Avance del centro de

masa (burbuja)

Gasto vs presión de inyección.

Inyección de gas vs el gasto

producido.

Presión de apertura (válvula

convencional/válvula

propuesta)

Análisis de resultados

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0 10 20 30 40 50

dp

/dl

P [PSI]

P vs dp/dl P [PSIA] dp/dl

3,55 0

7,110,018326604

14,220,024228917

21,330,022708251

28,440,028241055

51,2 0,040721236

Caída de presión dentro de la tubería

Constante de deformación del resorte (polietileno).

Análisis de resultados

X (cm) F (N)

0 0

0,56 0,5

0,98 1

1,45 1,5

1,92 2

2,5 2,5

3,1 3

3,6 3,5

4,2 4

4,8 4,5

5,3 5

y = -0.023x2 + 1.0594x - 0.0171R² = 0.9994

y = 0.9368x + 0.0806

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6

F (N) vs ∆X (cm)

Avance del centro de masa (burbuja)

Análisis de resultados

Gasto vs presión de inyección

Análisis de resultados

P Q

0,25 0

0,5 0,0011

1 0,0055

1,5 0,0088

2 0,0113

3,6 0,022

y = 0.0066x - 0.0016R² = 0.9971

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 1 2 3 4

Pinyección vs Gasto

Análisis de resultados

Inyección de gas vs gasto producido

P [PSI] qo [ft3/seg] qg [ft3/seg]

3,55 0 0,00008

7,11 5,885E-07 0,001145

14,22 6,53889E-06 0,005494

21,33 0,000005885 0,008828

28,44 8,35938E-06 0,0113

51,2 3,01795E-05 0,022

0.00000

0.00000

0.00001

0.00010

0.00100

0.01000

0.10000

1.00000

0 5 10 15 20 25 30

Q

P vs Q

qg qo

Análisis de resultados

Presión de apertura de una válvula balanceada / Presión de apertura del diseño propuesto

Pg = Ph … (cerrada)

En términos de fuerzas

P = F* A ; F = Pg * AgPg = Ph + FkPg * Ag = 𝛾hA + k𝛿

y = 0,9368x + 0,0806

La ecuación de la recta del gráfico F (N) vs∆X (cm)

PDOM = Ph … (cerrada) ; Pg > PDOM … (apertura)

Pg > Ph + PDOM

Pg > 2Ph

Ph

Pg > Fk + Ph

Pg ~ 1.2 Ph

Conclusiones

La construcción de un modelo a escala de una instalación de Bombeo Neumático(BN)nos permitió visualizar los patrones de flujo que ocurren dentro de la Tubería de Producción(TP)a medida del aumento progresivo del gasto de gas (aire).

Las caídas de presión dentro de la tubería resultaron ser pequeñas. Reflejando estos resultados a algún pozo, nos permite tener un mayor control del pozo y a su vez cuidar de las instalaciones superficiales.

El uso del polietileno mostró un comportamiento de deformación proporcional a la fuerza (presión de inyección). Traduciendo así que la constante de deformación dependía de la cantidad de gas inyectada.

Se aprecia que la elevación del centro de masa de las burbujas avanza de manera proporcional a la inyección, interpretando así que la inyección se da me manera controlada.

Conclusiones

A mayor cantidad de gas inyectado, el gasto incrementa de manera proporcional y el tiempo de producción disminuía.

Comprobamos que para el BN se requiere de una gran disponibilidad de gas, retribuyéndose así en el gasto de producción.

La válvula al no tener un domo y regir la apertura con la elasticidad del polietileno, la inyecciòn puede realizarse con 1.2Ph a diferencia de una válvula convencional de 2Ph.

Después de realizar las pruebas a diferentes presiones de inyección, el modelo se dejó en modo estático durante 30 días y se observó que no hubo invasión de líquido en el espacio anular.

AGRADECEMOS A:

• Facultad de Ingeniería de la UNAM• Dirección General de Asuntos de Personal Académico

(DGAPA)• Departamento de Ingeniería Petrolera

• Departamento de Física

GRACIAS POR SU ATENCIÓN