CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
A. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
La fundamentación teórica de esta investigación son teorías que sustentan las variables “APLICACIÓN DE CONTROL” y “OPTIMIZACIÓN DE LA PRESIÓN EN MÚLTIPLES DE GAS LIFT”.
A.1 APLICACIÓN DE CONTROL
Un sistema de control, es aquel que se encarga de la regulación automática de la salida ó entrada de una determinada variable de producción tal como: presión, flujo, temperatura, nivel de líquido o ph. Hostteter, G. (1990 pag.2) afirma que "Un sistema de regulación automático en el que la salida es una variable como temperatura, presión, flujo de nivel del liquido y otros, se le llama sistema de control de proceso". El mismo tiene amplia aplicación en la industria empleando controladores programables en la actualidad.
Frecuentemente se usan sistemas de control programados como el de la presión de una línea de un múltiple, controlada mediante un programa preestablecido, dicho programa puede consistir en elevar la presión de un determinado valor prefijado. En este caso el punto de ajuste varia de acuerdo a un cronograma determinado. Por consiguiente el control funciona para mantener la presión en la línea del múltiple de punto fijado.
Son muchos los aspectos referentes al sistema de control, debido a lo extenso de su aplicación en la industria. Por consiguiente se mencionaran sus principales componentes, los cuales son parte integral del mencionado entorno de control. La siguiente figura (fig.1) muestra como se encuentran organizados los componentes dentro de un sistema de control.
FIGURA 1
Sistema de control.
FUENTE: Sistemas de Control por Thimothy Maloney (1983, pág. 300)
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE CONTROL:
• Variables de proceso: Las variables de proceso tales como: presión, temperatura, nivel, flujo y otros pueden ser especificados en términos de entradas y salidas. Las entradas al proceso o excitaciones, usualmente son las variables que sirven para controlarlas, y determinan a las variables manipuladas para perturbarlas. Las
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REEFFEERREENNCCIIAA C
COONNTTRROOLLAADDAA
COMPARADOR C
COONNTTRROOLLAADDOORR
salidas o respuestas, son las variables que desean mantener en un valor determinado.
• La dinámica: Se entiende como dinámica de un sistema la relación en cada instante de tiempo, entre la respuesta o efecto y la excitación o causa. Si un sistema responde en forma instantánea a una excitación, se dice que no contiene dinámica, pero si la dinámica del sistema toma un tiempo apreciable, segundos o minutos, la forma de la respuesta deberá ser considerada o evaluada en términos de sus características.
• Perturbaciones: Es una señal que tiende a afectar en forma negativa el valor de la salida de un sistema.
• Control de Retroalimentación: Es una operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia entre la salida de un sistema y alguna entrada de referencia, realizándola sobre la base de esta diferencia. Aquí solo se especifican las perturbaciones no previsibles, ya que las previsibles o conocidas siempre deben compensarse dentro del sistema.
• Servosistemas: Se llama servosistema o servomecanismo a un control retroalimentado en el que la salida es algún elemento mecánico, sea posición, aceleración o velocidad. Los mismos son ampliamente utilizados en industrias modernas en diversas aplicaciones.
Los primeros sistemas de control utilizados en la industria fueron los sistemas de control manuales. En dichos sistemas, la secuencia de operación para el control de un elemento especifico en un proceso, era realizada directame nte por un operador humano y llevada a cabo mediante tanteos basados en la intuición y la experiencia acumulada por el operador. En los últimos años, con la exigencia de una mayor calidad en los procesos y debido a los avances en la tecnología, los sistemas manuales han pasado a ser obsoletos, abriendo paso a los sistemas de control automáticos, los cuales han adoptado un papel de creciente importancia en el desarrollo industrial, donde la secuencia de operación se realiza en forma automática de acuerdo a criterios previamente establecidos.
En virtud de lo anteriormente expuesto es importante mencionar los sistemas encargados del control de procesos en plantas industriales. Las plantas industriales, son un conglomerado de dispositivos mecánicos, eléctricos, electrónicos y electromecánicos, los cuales trabajan en conjunto para lograr la manufactura de innumerables productos de variada naturaleza. Para llevar control sobre todos estos dispositivos, fue necesario crear sistemas de características generales y especificas, los cuales en forma continua monitorean y ejercen acciones de control sobre las principales variables, tanto de entrada, como de curso y de salida y que están relacionadas con la manufactura de los productos. Estos sistemas de control, son los encargados de la delicada tarea de verificar constantemente el funcionamiento de las diferentes zonas involucradas en el proceso productivo y que sus respectivas variables
se mantengan dentro de los limites de especificación para lograr el crecimiento en la producción en pro de una óptima calidad.
Son innumerables las ventajas que estos sistemas pueden ofrecer; siendo posible citar su impresionante capacidad de procesamiento, ya que están constituidos por diversos procesadores, los cuales se ubican por lo general en los distintos módulos que conforman a las industrias. Por otra parte resulta conveniente citar la gran escala de distribución que pueden ofrecer los sistemas; por ello se tiene que mediante la utilización de ambientes computacionales, es muy factible la integración de múltiples salas de control en lugares geográficos diferentes y que comparten la información disponible en el sistema, lo cual mejora considerablemente el conocimiento global de los procesos y facilita la actividad de decidir entre las acciones más óptimas para la producción. Como complemento se puede decir que así como sus ventajas son innumerables, pueden encontrárseles características, que aun cuando son propias en estos sistemas, pueden representar desventajas apreciables que ameriten buscar soluciones en otras de mas alto nivel, como por ejemplo su capacidad de almacenamiento histórico e interfaces.
Sobre las bases de las ideas expuestas anteriormente se hace necesario describir el sistema de control a lazo cerrado (realimentado); Malonei Timothy J. (1980,pag. 303) dice que "Es aquel en que la señal de salida tiene efecto directo sobre la acción de control". Es decir, los sistemas de control de lazo cerrado son realimentados.
Este tipo de sistema de control tiende a mantener una relación preestablecida entre la variable medida en la salida, y alguna entrada de referencia (punto de consigna ó set-point) comparándolas y utilizando la diferencia o señal de error actuante, que entra a un controlador de manera tal que reduzca el error o esta variación, y llevar la salida del sistema al valor deseado. En síntesis él termino lazo cerrado implica o involucra el uso de una acción de realimentación para reducir el error en el sistema.
(Ver figura 2).
FIGURA 2
Sistema de control a lazo cerrado.
FUENTE: Sistema de Control por Thimothy Maloney. (1983, pag. 304)
Cualquier variable de proceso (presión, flujo y temperatura), que este siendo controlada es medida y enviada a un comparador. El comparador que podria ser mecánico, eléctrico o neumático hace la comparación entre el valor medido de la
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COMPARADOR C
COONNTTRROOLLAADDOORR
variable y el valor de referencia, el cual representa el valor deseado de la variable. El comparador genera entonces una señal de error, la cual representa la diferencia entre el valor medido y el valor deseado. La señal de error se considera igual al valor medido menos el valor deseado, de modo que si el valor medido es demasiado grande, la señal de error es positiva, y si el valor es demasiado pequeño es de polaridad negativa. Esto se puede expresar en la ecuación:
ERROR = VALOR MEDIDO – VALOR DE REFERENCIA ;
El controlador recibe una señal de error y genera una señal de salida. Maloney, Timothy J. (1983, pag. 316) afirma que "La manera como el controlador reacciona a una señal de error es una indicación de modo de control". Es decir que la señal de salida del controlador y la señal de error depende del diseño y ajuste del controlador. En la figura 3 se muestra que la salida del controlador es enviada a un dispositivo corrector final. Este es con bastante frecuencia, un motor eléctrico el cual puede emplearse para la apertura o cierre de una válvula, mover algún objeto mecánico en una dirección, o cualquier función similar. El dispositivo de medida de la figura N°3 podría ser un registrador, un tacómetro, o cualquiera de los dispositivos que pueden tomar medida de una variable. Con bastante frecuencia el dispositivo de medida produce una señal de salida eléctrica (voltaje) aun cuando lo que esta midiendo no sea una cantidad eléctrica. Los dispositivos que realizan esto se denominan Transductores.
ec, (1)
FIGURA 3
Sistema de Control Realimentado
FUENTE: Sistema de Control por Thimothy Maloney.(1983, pag.310)
Todos los controladores de lazo cerrado pueden clasificarse en (5) modos de control. Entre estos modos hay ciertas variaciones, pero estas variaciones no constituyen una diferencia esencial de controles, uno de estos modos es el Control Todo o Nada, en este tipo de control el dispositivo corrector final tiene dos posiciones. Si la señal de error es positiva, el controlador envía el dispositivo corrector final a una de las dos posiciones. Si la señal de error es negativa el controlador envía el dispositivo corrector final a la otra posición.
La figura 4. muestra un gráfico de la pos ición del dispositivo corrector final (porcentaje de apertura de una válvula), para un control todo o nada ideal. En este gráfico se considera la presión como la variable controlada, con el valor de referencia en 1300 lppcm (Libra por Pulgada Cuadrada Medida). Como puede verse si el valor
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COMPARADOR
SEÑAL DE SALIDA
DEL CONTROLADOR
VARIABLE CONTROLADA
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DIISSPPOOSSIITTIIVVOO DDEE M MEEDDIIDDAA
medido de la presión es menor que 1200 lppcm, la válvula es proporcionada 100%
abierta.
FIGURA 4.
Gráfica de un Sistema de Control Todo o Nada
FUENTE: Sistemas de control por Thimothy Maloney.(1983, pag.316)
La desventaja del control todo o nada es el desgaste del dispositivo corrector final, producido por la frecuente operación.
El siguiente modo de control es el Control Proporcional, según Malonei Timothy J. (1980, pag. 320) "En el modo de control proporcional, el dispositivo corrector final no es forzado a tomar todo o ninguna posición". En lugar de esto, tiene un rango continuo de posiciones posibles. La posición exacta que toma es proporcional a la señal de error. Es decir la salida del bloque controlador es proporcional a su entrada. Un modulo de control proporcional, elimina la oscilación permanente que siempre acompaña al control todo o nada. Podría ver una oscilación temporal hasta que el controlador se acomoda en la presión final de control, pero
400 800 1200 1600 lppcm
100%
ABERTURA DE LA VALV.
75%
35%
eventualmente la oscilación desaparece si se ajusta apropiadamente la banda proporcional. Sin embargo, si la banda proporcional se escoge muy pequeña, de todos modos pueden ocurrir oscilaciones, porque la banda proporcional muy pequeña hace que el controlador proporcional opere de la misma manera que un controlador todo o nada. El modo de control proporcional tiene una ventaja importante sobre el control todo o nada y está es que elimina la constante oscilación alrededor del valor de referencia. Con esto se consigue un control de presión mas preciso, y reduce el desgaste y rotura de la válvula. La válvula de posición variable se mueve solo cuando le sucede algún tipo de disturbio al proceso, y siempre se da de una forma menos violenta que una válvula de acción rápid a; este tipo de control solo trabaja en sistemas donde los cambios de proceso son muy pequeños y lentos. Otro de los modos de control es el Control Proporcional Integral, afirma el autor antes mencionado que "Para las situaciones en las cuales los cambios en la carga son grandes y rápidos y el valor de referencia puede variar considerablemente, este modo es el que mejor se adapta". En el control proporcional integral, la posición de la válvula de control, está determinada por dos factores: La magnitud de la señal de error (parte proporcional), y la integral con respecto al tiempo de la señal de error, es decir la magnitud de error multiplicada por el tiempo que ha permanecido (Parte integral). La parte de control proporcional posiciona la válvula en proporción al error que exista. Entonces la parte de control integral se da cuenta de que existe un pequeño error; a medida que pasa el tiempo, la parte integral mueve la válvula un poco más en la misma dirección, por consiguiente ayuda a reducir el desbalance. En
consecuencia el error se reducirá a cero y la válvula detendrá su movimiento. El movimiento se detiene porque a medida que pase el tiempo el error no aumenta debido al hecho de que el error ahora es cero. Por ultimo tenemos el Control Proporcional + Integral + Derivativo (P.I.D), este modo de control se utiliza para algunos procesos que presentan problemas de control muy difíciles que no pueden ser manejados por un control proporcional integral, estos problemas pueden ser:
Cambios muy rápidos en la carga, retardos de tiempos grandes entre la aplicación de la acción correcta y el aparecimiento de los resultados de dicha acción en la variable medida. En los cambios donde uno, cualquiera (o ambos) de estos problemas prevalezca, la solución puede ser un control P.I.D.
Después de lo anteriormente explicado se puede decir que los sistemas de control con reglamentación pueden clasificarse de varias maneras, según el método de análisis y proyecto se clasifican en: Lineales y no lineales, variantes o invariantes en el tiempo. Según el tipo de señal encontrada en el sistema, se clasifican en: sistemas de datos continuos o modulados, o sistemas de datos discretos o no modulados.
a) Sistemas de Control Lineales
Los sistemas de control lineales, son modelos idealizados que el analista construye con el fin de simplificar el control de un proceso, siempre que este proceso permita ser controlado de esta manera. Un sistema es lineal, cuando los valores de las señales son limitadas a una gama en la cual los componentes del mismo presentan características lineales. Es decir, cuando al sistema se le puede aplicar el principio de
superposición. Se establece que la respuesta producida por la aplicación simultanea de dos entradas diferentes a un sistema, es la suma de las respuestas de cada entrada.
b) Sistema de Control no Lineales
Los sistemas de control se clasifican de esta manera, cuando las magnitudes de las señales, se extienden fuera de la gama de comportamiento lineal, según sea la severidad de la no linealidad, el sistema puede o no controlarse, mediante la utilización de modelos lineales.
c) Sistema de control Variante en el Tiempo
Cuando los parámetros de un sistema de control presentan una variación significativa, durante el periodo en que opera el sistema, este se considera variante en el tiempo.
d) Sistema de Control Invariante en el Tiempo
Cuando los parámetros de un sistema de control permanecen estacionarios con respecto al tiempo, se dice que el sistema es invariante en el tiempo.
e) Sistemas de Control de Datos Continuos
Es aquel sistema en el que las señales de distintas partes del sistema son funciones de la variable de tiempo continuo t. Entre todos los sistemas de datos continuos, las señales pueden clasificarse además como corriente alterna (AC) o corriente continua (DC).
f) Sistemas de Control de Datos Discretos
En este grupo están los sistemas de control de datos muestreados y digitales, estos se caracterizan, porque las señales en uno o más puntos tienen la forma de un tren de impulsos o un código digital. Los sistemas de datos muestreados reciben información de manera intermitente, es decir en un instante específico de tiempo.
Sobre la base de las ideas expuestas anteriormente y como seguimiento de esta investigación se ve la necesidad de hablar sobre el sistema de control comúnmente utilizado por la industria en la actualidad, este es el sistema SCADA.
El SCADA es un sistema capaz de obtener y procesar información de procesos industriales dispersos y de actuar en forma remota sobre los mismos. Esto quiere decir que permite supervisar simultáneamente procesos e instalaciones industriales distribuidas en grandes áreas, tales como redes de distribución eléctricas, gasoductos, oleoductos, y otros. El propósito general de un sistema SCADA es el de adquirir información y procesarla en tiempo real, permitiendo al usuario solicitar, archivar, desplegar, observar y controlar información concerniente a los procesos que se supervisan, además de actuar sobre el mismo.
Según el manual de SCADA para operadores, en un sistema SCADA se llevan a cabo dos funciones básicas: la función supervisoria y la función de control. La función supervisoria consiste en recabar, validar, almacenar y mostrar en forma continua y confiable la indicación de eventos o señalización de campo (mediciones,
alarmas y paros en los equipos del sistema o proceso), al operador a través de una interfase hombre - maquina. Esta función proporciona el soporte necesario al operador en cualquier fase de la operación del proceso (arranque, prueba, emergencia u operación normal); en general, la instalación supervisada es autónoma en sus lazos de proceso.
La función de control permite modificar a distancia el estado de una o más variables de proceso a través de la Unidades Terminales Remotas (UTRs), desde uno o varios centros de control denominados Unidades Terminales Maestras (MTU). Las señales son procesadas en los centros de control para conocer el estado, en tiempo real, de las instalaciones supervisadas y tomar una decisión de acuerdo a las cond iciones generales en las que se encuentren dichas instalaciones.
Se puede decir que el control de proceso puede ser automático o manual, en control automático, el computador tomara la acción de efectuar cambios en la operación de una instalación en particular, de acuerdo al contenido de un programa preestablecido para la operación optima de dicha instalación. En el control manual el computador ejecutara la acción que introduzca el operador desde la sala de control en un momento dado; de igual manera se realizan ajustes de control remoto de variables de control.
Según El Manual del SCADA para operadores de producción, "Una de las partes principales de un sistema SCADA, es el subsistema de adquisición de datos,
que esta en contacto con el proceso, tanto para adquirir información sobre las variables supervisadas como para ejercer control sobre el mismo".
Estos subsistemas de adquisición pueden ser las UTRs, MTUs y PLCs. Las unidades terminales remotas (UTRs) son dispositivos electrónicos que tienen como función principal la recolección de información del proceso por supervisar; esto lo consigue recibiendo en forma continua las señales, provenientes de los transductores las cuales poseen valores de escalas muy diversas por lo que se hace necesario en la estación remota convertir estas señales en niveles de voltajes y corrientes que pueden ser muestreados o procesados por una lógica digital. Las señales que se conectan a las entradas analógicas de una estación remota son las diferentes variables físicas tales como: temperatura, presión, celdas de carga, humedad, flujo, densidad, y otros. Las salidas analógicas de una estación remota se conectan por lo general a dispositivos de control continuo. Tales dispositivos pueden ser: válvulas o actuadores analógicos, registradores, motores eléctricos y medidores. Generalmente la UTR recibe alimentación AC que es convertida en niveles DC por un rectificador, fuente de poder que también mantiene cargada las baterías de la unidad. En caso de fallar la alimentación AC, la energía necesaria es suministrada por la batería, lo que permite a la remota operar por varias horas, en caso de una falla eléctrica prolongada. Si la batería llega al limite de su autonomía (se agotan) y no se ha normalizado aun el suministro eléctrico, la unidad remota se apaga, dejando el proceso en su ultimo estado. Al energizarse la remota, ésta comienza un ciclo de chequeo y cargas de programas, similar al de un computador personal, y al concluirlo, empieza a adquirir
información del proceso, esperando hasta que el subsistema de procesamiento la interrogue nuevamente.
Como complemento de lo anteriormente expuesto, se dice que un sistema SCADA para un proceso debe operar en tiempo real (es decir, debe procesar los datos en el mismo instante en que estos ocurren) y, además, los software seleccionados deben estar diseñados para operar bajo esta característica.
A.2. OPTIMIZACION DE LA PRESION EN MULTIPLES DE GAS LIFT (Levantamiento Artificial por Gas).
Según el Manual de Levantamiento Artificial por Gas para Operadores(1988, pag. 4), "Durante la vida productiva de un pozo, este llega a alcanzar una presión de fondo tal que no le permite impulsar el crudo desde allí hasta la superficie. Cuando esto sucede, para poder extraer el fluido desde el fondo del pozo, es necesario de alguna manera transmitir o aplicar energía al fluido que se levanta. Una de esas maneras es la técnica de Levantamiento Artificial por Gas (L.A.G.)". Lo expuesto anteriormente nos indica que el pozo presenta una vida en la cual el crudo puede ser impulsado desde el fondo por flujo natural ya que las presiones en el fondo son altas, pero con el paso del tiempo estas presiones disminuyen, lo que origina que el crudo que es expulsado desde el fondo hasta la superficie disminuya, es decir, que la producción del pozo disminuya, por lo que se hace necesario de alguna manera mantener la producción del crudo. El método de Gas Lift consiste en inyectar gas a una presión determinada en la columna de fluido dentro de la tubería eductora, a
diferentes profundidades desde la parte más baja de la columna. Esto quiere decir que este método consiste en inyectar gas a alta presión en el tubing (tubería eductora) para reducir la densidad del mismo y así ayudar a la presión a expulsar el fluido (crudo) hasta la superficie. Al inyectar gas, la presión ejercida por la columna se reduce y el pozo es capaz de fluir debido a: Reducción del gradiente del fluido (la presión de fondo fluyente disminuye), expansión del gas inyectado y desplazamiento de fluido por la expansión del gas comprimido.
En las figuras 5,6 y 7 se ilustran los perfiles de presión en el eductor del pozo en cada una de las etapas antes mencionadas: 5) Pozo por flujo natural, 6) Pozo muerto o declinado, 7) Pozo con levantamiento artificial por gas; respectivamente.
FIGURA 5
Perfil Presión de un pozo Produciendo por Flujo Natural
FUENTE: Manual de Levantamiento Artificial por Gas para Operadores, LAGOVEN (1988, pág. 5)
Pcp
Pff Pe
EL FLUIDO LLEGA HASTA LA SUPERFICIE
PRESION (Lppc) 0
0
P R O F U N D I D A D E S
P I E S
FIGURA 6.
Perfil de un pozo Muerto o Declinado
FUENTE: Manual de Levantamiento Artificial por Gas para Operadores, LAGOVEN (1988, pág. 6)
FIGURA 7.
Perfil de un Pozo Produciendo por el Método L.A.G.
FUENTE: Manual de Levantamiento Artificial por Gas para Operadores, LAGOVEN(1988, pág. 7) EL FLUIDO NO LLEGA HASTA LA
SUPERFICIE PRESION (Lppc)
0 0
NF
P R O F U N D I D A D E S
P I E S
PUNTO DE INYECCIÓN DE GAS PRESION
(Lppc) 0
0
NF
Pcp Pcp (GAS)
P R O F U N D I D A D E S
P I E S
El sistema de distribución de gas lift tiene especial importancia ya que mediante este sistema se obtiene mas del 80% de la producción promedio del potencial de crudo de la División. El gas utilizado con este fin representa aproximadamente el 60% del total del gas procesado. La mayor parte del gas utilizado para levantamiento artificial es un gas húmedo, rico en GLP, cuya función es aumentar la productividad de los pozos a medida que los mismos dejan de fluir por flujo natural.
Actualmente el sistema de inyección comprende una amplia red de líneas o tuberías que conectan los múltiples principales y secundarios con los pozos que conforman el sistema. Adicionalmente, existen líneas de transferencia de gas lift inter-areas para permitir una mayor flexibilidad en las operaciones. El suministro de gas para levantamiento artificial es tomado de las Plantas de Conservación y Mininiplantas de Gas a través de su plataforma de aislamiento y descarga respectivamente. El gas llega a unos múltiples principales de distribución de gas lift, donde la presión del gas es controlada por un UTRs, PLCs y SCADA. De los múltiples principales el gas es enviado a unos múltiples secundarios y finalmente a los pozos. Existen tres tipos de flujo en el método de Levantamiento Artificial por Gas: Flujo continuo, flujo intermitente y flujo pistón.
En el flujo continuo el gas inyectado al pozo es utilizado para reducir la densidad de la columna del fluido y así ayudar a la presión de formación, para que ésta expulse el fluido hasta la superficie, es decir, el flujo inyectado al casing origina
una aligeracion del tubing (columna de fluido) y una especie de succión al fluido de producción, ayudando a la presión del pozo a levantar el mismo. Para este tipo de flujo se recomiendan los siguientes parámetros: Alta presión estática, Alta tasa de producción, Alta relación gas- fluido del yacimiento y Baja densidad del petróleo (liviano o mediano). Para crudos pesados no es recomendable este método, debido a que la formación de espuma, generada por la inyección continua del gas, incrementa la viscosidad del petróleo, y por consiguiente la presión de fondo fluyente.
El levantamiento artificial por gas en forma intermitente se define como el desplazamiento de los fluidos del pozo hasta la superficie, en forma de tapón mediante la inyección de gas a alta presión por debajo de una columna de fluido, esta inyección se realiza a intervalos de tiempo regulares, el gas es inyectado a la tubería eductora en forma intermitente, con el propósito de producir la columna de fluido en el pozo por etapas. Este método de producción es recomendado para: Baja tasa de producción, Baja relación gas-fluido, Alta densidad de petróleo, Baja presión de fondo, Diámetro pequeño de la tubería eductora. El ultimo de los flujos es el de tipo Pistón éste es muy similar al intermitente, en el cual se inyecta gas en forma cíclica.
La diferencia radica en que la inyección de gas en el flujo pistón comienza con dos o más secciones de fluido en la tubería, y en la intermitente con una sola sección. El principio es el mismo que en el flujo continuo ya que el pozo produce por la reducción del peso de la totalidad de la columna de fluido. Este tipo de flujo se aplica en las siguientes condiciones: Alta tasa de producción, Baja relación gas- fluido,
Diámetro grande de la tubería eductora, Alta presión de fondo, Alto índice de productividad.
A continuación se mencionaran algunos parámetros que influyen en el método de Levantamiento Artificial por Gas.
• Indice de Productividad:
La mecánica de un yacimiento es complicada y varia con el tiempo, pero durante periodos cortos, de dos o tres años, la productividad de un pozo es más o menos estable. Durante este periodo se puede definir el índice de productividad, por medio de la ecuación:
Donde:
I : Indice de productividad, BFPD/LPPC
Q : Tasa de producción, BF/D
Pe : Presión estática del yacimiento en LPPC
Pff : Presión de fondo fluyente en LPPC
• Presión de Fondo Fluyente:
(Pe P ff )
I Q
= − ; ec (2)
Es la presión existente frente a las perforaciones en el fondo del hoyo, producto del peso de la columna de fluido existente en el pozo, aunado a la presión de la tubería en el cabezal del mismo.
Esta presión es la responsable directa de la producción del pozo. Se puede variar su valor, cambiando el reductor del pozo y/o ajustando el gas inyectado.
Donde:
Pff : Presión de fondo fluyente, LPPC
Gf : Gradiente de fluido, LPPC/p ie
Pcp : Presión en el cabezal del pozo, LPPC
P : Profundidad del pozo hasta el tope de las perforaciones, pie
• Presión de Fondo Estática:
Es aquella presión que existe en el fondo del pozo frente a las perforaciones, cuando este deja de fluir (pozo muerto), y se expresa mediante la siguiente ecuación:
P G P
Pff = cp + f ∗
; ec (3)
Donde:
Ge : Gradiente del fluido estático en LPPC/pie.
• Presión Estática del Yacimiento:
Es la presión a la cual están sometidos los fluidos en el yacimiento. Esta presión varia únicamente cuando el yacimiento es sometido a proyectos de recuperación secundaria (inyección de agua o gas), viene expresada en LPPC. En algunos yacimientos se puede considerar constante en un periodo determinado de tiempo.
• Gradiente de Presión de Fluido (Gf):
Es la presión de fluido existente en la tubería por pie de profundidad, se expresa en LPPC/pie.
A continuación se describirá el proceso que se realiza en múltiples de levantamiento artificial por gas (MLAGs). Los múltiples reciben gas proveniente de la red de gas de alta presión y lo distribuyen a los diferentes pozos asociados a estos.
cp e
fe G P P
P = ∗ + ; ec (4)
Desde los MLAGs se supervisa y regula la tasa de gas inyectado a cada pozo;
esto se logra mediante la operación manual de válvulas de estrangulamiento instaladas en líneas conectadas a cada pozo productor, este proceso se realiza si los múltiples no están automatizados. Si los MLAGs están automatizados se supervisa y regula la tasa de gas inyectado a los pozos desde el CCG (Centro de Control de Gas);
esto se logra mediante actuadores eléctricos modulantes, transmisores, transductores y UTRs o PLCs.
La estructura del múltiple no es mas que dos tuberías o cabezales principales denominados cañón A y cañón B de aproximadamente 6" a 8" conectados a una tubería o línea de igual o mayor pulgada de diámetro (de 6" a 10") proveniente de una planta compresora, miniplanta, múltiple de distribución de alta presión de gas o de otro múltiple similar. De cada cañón salen diversidad de líneas (tubos) denominadas escopetas de menor pulgada (aproximadamente 4"), estas líneas van directamente a los pozos de producción para suministrarles gas a presión regulada por medio de válvulas eléctricas (controladas por actuadores) o neumáticas. Los múltiples se encuentran sobre una plataforma de metal y por lo general tienen una capacidad máxima de 38 a 60 escopetas aunque también existen instalaciones con mayor o menor capacidad. (Ver fig. 8).
El gas proveniente de la red de alta presión (múltiples de alta presión, miniplantas de comp resión y plantas de compresión), es recibido a través de la línea principal del múltiple de levantamiento artificial por gas. La presión de trabajo es
suministrada y regulada por múltiples de distribución de alta presión o directamente por instalaciones de compresión. Así mismo, estas líneas se utilizan para el venteo del múltiple cuando la presión en el múltiple excede el limite máximo de la presión de trabajo. Para distribuir el gas hacia las líneas de inyección a pozo, se usan dos cabezales o cañones de distribución A y B, los cuales distribuyen el gas manteniendo la misma presión a las líneas de inyección de gas a los pozos. En las líneas de inyección se supervisa y regula la tasa de gas inyectado a cada pozo, esto se logra por medio de válvulas manuales en múltiples no automatizados.
FIGURA 8.
Isometría de un Múltiple de Levantamiento Artificial por Gas
FUENTE: Ingeniería Básica para la automatización de MLAGs (1997).(pag. 15)
B. REVISION DE LA LITERATURA.
La revisión de literatura esta dada por el proyecto Ingeniería Básica para la Automatización de MLAG’s que sirve de soporte para las aplicaciones de control utilizadas en el proceso de optimización.
La empresa Lagoven en 1989 comenzó el proyecto de automatización basado en la instalación de un sistema SCADA para automatizar este proceso, sin embargo, fue de gran importancia la localización del proyecto llamado “Automatización del Sistema de Levantamiento Artificial por Gas de la División Occidente”. Un proyecto experimental realizado por el Departamento de Ingeniería General, actualmente Departamento de Automatización de PDVSA.
A través de la observación de los resultados reales generados por el proyecto antes mencionado, se identifican una serie de beneficios como:
• Disminución del consumo de gas para LAG en 25 MMPCD.
• Reducción en el tiempo del ciclo de optimización de la tasa de inyección para el levantamiento de 13 días a 1 día.
• Ganancia de producción diferida de 1.4 MBPD por disminución del tiempo de detección de pozos con problemas de producción.
• Menor producción diferida en 3.9 MBPD debido a paros no programados en las unidades de compresión.
• Ganancia de producción diferida en 0.1 MPBD debido a un menor tiempo en la apertura de pozos, por paros no programados en las unidades compresoras.
• Ganancias de producción en 5 MBPD por disminución en el tiempo requerido para evaluar la productividad de los pozos de Centro- lago.
C. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS
CAUDAL:
Es la cantidad (Volumen) de líquido que se desplaza por unidad de tiempo.
(Medic ión de Flujo, CEPET, 1986,pag.1).
ESTACIONES DE FLUJO:
Las estaciones de flujo, son instalaciones donde se recolecta y mide la producción multifásica de líneas provenientes de los múltiples de producción o directamente de los pozos, se establece la separación gas - líquido de dicha producción, se inicia el tratamiento químico para la deshidratación del crudo, y se enrutan los fluidos separados hacia los patios de tanque y plantas compresoras.(Estaciones Recolectoras, CEPET,1995, pag.5)
FLUIDO:
Es aquella sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene. (Mecánica de fluidos y máquinas Hidráulicas, Claudio Mataix,1996, pag.13).
GAS ASOCIADO:
Gas natural que está mezclado con el petróleo en el yacimiento y comienza a liberarse con la presión de burbujeo y el descenso de ésta, hasta llegar a las instalaciones de separación de gas / petróleo en la superficie.(Ingeniería Básica para la Automatización de MLAG’s, 1997,pag 15).
GAS NATURAL:
Mezcla de hidrocarburos normalmente de la serie parafínica CnH2n+2 y de otros componentes extraños a la serie tales como N2, H2s, CO2, He, H2, etc., que ocurren en yacimientos en el subsuelo a profundidades variables y por lo tanto a diversas presiones y temperaturas.(Ingeniería Básica para la Automatización de MLAG’s, 1997,pag 15).
LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL POR GAS:
Método primario de producción de fluidos de un pozo mediante la inyección continua de gas a alta presión, para aligerar la columna hidrostática en la tubería de producción (flujo continúo); y por inyección de un gas a intervalos regulares, para
desplazar los fluidos hacia la superficie en forma de tapones de líquido (flujo intermitente).(Ingeniería Básica para la Automatización de MLAG’s, 1997,pag 20).
PLACAS DE ORIFICIO:
Las placas de orificio son medidores, ampliamente usadas para las mediciones de grandes volúmenes de líquidos o gases, comúnmente en sistemas de producción y transferencia de gas y crudo, en plantas industriales, refinería o plantas de gas. Éstas son colocadas entre bridas o dispuestas dentro de orificios de accesorios de la tubería, en un plano de 90º con respecto a la dirección del flujo.(Medición de Flujo, CEPET,1986,pag.5).
POZO:
Hoyo que ha sido terminado apropiadamente con los aditamentos requeridos, para traer a la superficie la producción de gas y/o petróleo de un yacimiento.
(Mecánica de fluidos y máquinas Hidráulicas, Claudio Mataix,1996, pag.20).
PRESIÓN:
Es la fuerza ejercida por unidad de área del fluido. La unidad más común para designar esta presión es la de libras por pulgadas cuadradas (P.S.I). (Reparación de bombas,p.5).
YACIMIENTO:
Formación de acumulaciones naturales de hidrocarburos en estado gaseoso, líquido o sólido, que se encuentran en rocas porosas y permeables en el suelo o subsuelo y tienen límites definidos impermeables a los fluidos confinados. (Mecánica de fluidos y máquinas Hidráulicas, Claudio Mataix,1996, pag.20).
D. VARIABLES DE ESTUDIO
D.1 SISTEMAS DE VARIABLES:
La presente investigación, como se observo en el primer capitulo, tiene como objetivo principal desarrollar una aplicación de control y optimización de la presión en múltiples de levantamiento artificial por gas. En PDVSA División Occidente.
Para esta se manejarán un sistema de 2 variables de estudio, compuestas por:
1) Aplicaciones de Control.
2) Optimización de la presión en Múltiples de Gas Lift.
1) APLICACIÓN DE CONTROL
• DEFINICIÓN CONCEPTUAL:
Son estrategias que se desarrollan de manera lógica para regular y mantener bajo ciertos parámetros, el valor de una variable, entre la salida y entrada de referencia (Set-point), el cual resulta objeto de control, y por lo general se realiza en base a un parámetro de comparación.(Manual de Ingeniería Electrónica, TomoII,1997, pag 510).
• DEFINICIÓN OPERACIONAL:
Operacionalmente hablando, las aplicaciones de control son las estrategias desarrolladas de manera lógicas que se ejecutan en la Remota (UTR) y en el SCADA para controlar el proceso que se desarrolla en los múltiples de producción tanto en operaciones normales como en contingencias.
2) OPTIMIZACIÓN DE LA PRESIÓN EN MÚLTIPLES DE GAS LIFT
• DEFINICIÓN CONCEPTUAL:
Conjunto de reglas que aseguran una operación óptima en el proceso de inyección de gas a través de los múltiples de gas Lift.(Ingeniería Básica para la Automatización de MLAG’s, 1997,pag 5).
• DEFINICIÓN OPERACIONAL:
Consiste básicamente en el establecimiento de algoritmos y procedimientos que permitan maximizar la eficiencia de inyección del gas a nivel de los múltiple s de gas lift, regulando la presión de gas a inyectar de tal manera que garantice una distribución adecuada del volumen de gas disponible, orientada a satisfacer los requerimientos de gas de los pozos con mayor eficiencia.
