Analisis Nodal

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ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE “BOLIVIA”

ANALISIS NODAL

CRESPO HERRERA ANDRES GUEVARA ARISPE BRENDA HURTADO CACERES JHOANA

COCHABAMBA, 2016

ANALISIS NODAL 1. INTRODUCCION. Las compañías productoras de petróleo y gas realizan continuamente grandes esfuerzos por agregar valor a sus corporaciones y mejorar así sus resultados financieros. Estos esfuerzos están dirigidos a mediano y largo plazo para maximizar el factor de recobro de los yacimientos y a corto plazo a acelerar el recobro de las reservas recuperables. Una de las técnicas más utilizadas para optimizar sistemas de producción, debido a su comprobada efectividad y confiabilidad a nivel mundial, es el Análisis Nodal. El Análisis Nodal básicamente consiste en detectar restricciones al flujo y cuantificar su impacto sobre la capacidad de producción total del sistema. Existen en el mercado varios simuladores comerciales que permiten aplicar dicha técnica, entre los más conocidos se tienen, por ejemplo:     

PERFORM-PIPESOFT2 de IHS PIPESIM- PIPESIM GOAL y NET de Schlumberger (BJ) PROSPER-GAP de Petroleum Expert WELLFLO-FIELDFLO-ReO de Weatherford (EPS) Otros.

El sistema de Análisis Nodal, es utilizado para analizar problemas de producción en pozos de petróleo y gas. El procedimiento puede ser aplicado en pozos con distintos sistemas de levantamiento artificial, si causa algún efecto en el método de levantamiento artificial la presión puede ser expresada como una función de la tasa de flujo. El procedimiento se puede aplicar para analizar el rendimiento en pozos inyectores, para una apropiada modificación de las ecuaciones de entrada (inflow) y salida (outflow) de flujo.

A continuación se presenta una lista de aplicaciones para el sistema de Análisis Nodal:        

Selección del diámetro del tubing. Selección del diámetro de la línea de flujo. Diseño de las redes de flujo en superficie. Diseño de Gravel Pack. Diámetro del choque en superficie. Diámetro de la válvula de seguridad en subsuelo. Evaluación y simulación de pozos. Diseño del sistema de levantamiento artificial.

En la siguiente figura se indicara los componentes principales para el Análisis Nodal:

2. ANTECEDENTES.

El análisis nodal ha sido por muchos años aplicado para analizar el comportamiento de sistemas constituidos por componentes que interactúan entre sí. Circuitos eléctricos, complejas redes de tubería, e incluso sistemas de bombeo centrifugo son todos analizados por este método. Su aplicación a sistemas de producción en pozos de petróleo y gas, fue propuesta por primera vez en 1954 por Gilbert y discutida años más tarde por Nind 1964 y Brown 1978 y otros, que habiendo complementado las investigaciones hacen posible el nuevo enfoque de análisis nodal, cuya forma de análisis ofrece un medio de optimizar más eficiente y económico los pozos productores, desde el limite exterior del reservorio a la pared del pozo, a través de las perforaciones y la sección de terminación a la entrada de la tubería, hasta la cabeza de la tubería incluyendo cualquier restricción de la misma, el choque de la superficie, línea de flujo y el separador.

3. OBJETIVOS. 3.1.

OBJETIVO GENERAL.

Como implementar un Análisis Nodal en pozos de gas y petróleo. 3.2.  

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Describir el procedimiento para un análisis nodal. Identificar

las

caídas

componentes.TEORICO

4. MARCO TEORICO.

de

presión

en

cada

uno

de

los

Parámetros del reservorio Recuperaciones gas o condensados El análisis nodal de un sistema de producción, realizado en forma sistemática, permite determinar el comportamiento actual y futuro de un pozo productor de hidrocarburos, y consiste en dividir este sistema de producción en nodos de solución para calcular caídas de presión, así como gasto de fluidos producidos, y de esta manera, poder determinar las curvas de comportamiento de afluencia y el potencial de producción de un yacimiento. Como resultado de este análisis se obtiene generalmente un incremento en la producción y el mejoramiento de la eficiencia de flujo cuando se trata de un pozo productor, pero cuando se trata de un pozo nuevo, permite definir el diámetro óptimo de las tuberías de producción, del estrangulador, y línea de descarga por el cual debe de fluir dicho pozo, así como predecir su comportamiento de flujo (aporte de hidrocarburos) y presión para diferentes condiciones de operación. Desde la perspectiva de evaluación esto es posible; sin embargo, en condiciones de diseño, sin restricciones económicas es factible dimensionar el sistema de producción en su conjunto para obtener la capacidad de transporte requerida, o bien, la capacidad de transporte idónea, teniendo como limitante tan sólo la capacidad de afluencia del yacimiento al pozo. El Análisis Nodal se puede aplicar a pozos fluyentes, inyectores o productores ya sea fluyentes o con algún sistema artificial de producción. Por otra parte, del análisis del comportamiento de los elementos del sistema se pueden identificar las posibles restricciones que modifiquen negativamente la capacidad de transporte del mismo. Asimismo, es posible estudiar y comprender con relativa facilidad el comportamiento de cada uno de los componentes del sistema integral de producción (desde el yacimiento hasta la batería de recolección).

4.1.

Clasificación de nodos

a) Nodo común Este es el nombre que recibe una sección determinada de un sistema donde se produce una caída de presión, producto de la interrelación entre componentes o nodos. b) Nodo funcional En un análisis previo, se asumió que no existe variación de presión a través del nodo. Sin embargo, en un sistema de producción total existe al menos un punto donde esta suposición no es verdadera. Cuando una presión diferencial existe a través del nodo, dicho nodo es funcional puesto que la caída de presión o caudal puede representarse mediante una función física o matemática. Se puede advertir algunos parámetros comunes de un sistema los cuales son funcionales. Como así también se debe tener en cuenta que hay otros componentes de superficie y de fondo y otros sistemas de terminación que podrían crear caídas de presión en los caudales. Es importante notar que para cada restricción localizada en el sistema el cálculo de la caída de presión a través del nodo como una función del caudal está representada por la siguiente ecuación: ∆ p=qn 4.2.

Elementos usados en el sistema de analisis nodal

Considerando las varias confi 4.3.

Análisis del sistema

Pérdidas de presión en un sistema completo de producción – Fig. 1. En la siguiente figura se muestra un sistema de producción, en el que se aprecian las posibles pérdidas de presión desde el yacimiento hasta los separadores. Este sistema es común en instalaciones marinas; sin embargo, para efectos de estudio se utilizará un sistema de producción mostrado en la Fig.2. Una vez explicado el

procedimiento general de manera sencilla, pueden enfrentarse con éxito problemas más complejos.

Δp1 = Pws – Pwsf = Pérdidas de presión en el yacimiento. Δp2 = Pwfs – Pwf = Pérdidas de presión en el medio poroso. Δp3 = Pur – Pdr = Pérdidas de presión por restricciones en la T.P. Δp4 = Pusv – Pdsv = Pérdidas de presión en la válvula de seguridad. Δp5 = Pth – Pe = Pérdidas de presión en el estrangulador superficial. Δp6 = Pe – Ps = Pérdidas de presión en la línea de flujo. Δp7 = Pwf – Pth = Pérdidas de presión totales en la T.P. Δp8 = Pth – Ps = Pérdidas de presión en el estrangulador y la línea de flujo.

Pérdidas de presión y nodos principales en un sistema básico de producción – Fig. 2

Distribución de presiones en un sistema de producción – Fig. 3 En la Fig.3 se muestran las pérdidas de presión asociadas a cada elemento de la Fig.2, donde: Δp1 = pérdidas de presión en el medio poroso. Representan entre el 10 y el 50% de las pérdidas totales. Δp2 = pérdidas de presión en la tubería vertical. Representan entre el 30 y el 80% de las pérdidas totales. Δp3 = pérdidas de presión en la línea de descarga. Generalmente, constituyen entre el 5 y el 30% de las pérdidas totales.

A medida que el gasto se incrementa, la diferencia entre la presión estática y la presión de fondo fluyendo se acentúa. Esta diferencia depende de las características del sistema roca-fluidos y de la eficiencia de la terminación. Perfil de presiones

La pérdida de energía en forma de presión a través de cada componente, depende de las características de los fluidos producidos y, especialmente, del caudal de flujo transportado en el componente. 4.4. Capacidad de producción del sistema La pérdida de energía en forma de presión a través de cada componente, depende de las características de los fluidos producidos y especialmente del caudal de flujo transportado, de tal manera que la capacidad de producción del sistema responde a un balance entre la capacidad de aporte de energía del yacimiento y la demanda de energía de la instalación para transportar los fluidos hasta la superficie. La suma de las pérdidas de energía en forma de presión de cada componente es igual a la pérdida total, es decir, a la diferencia entre la presión de partida, Pws, y la presión final, Psep:

Tradicionalmente el balance de energía se realiza en el fondo del pozo, pero la disponibilidad actual de simuladores del proceso de producción permite establecer dicho balance en otros puntos o nodos de la trayectoria del proceso de producción: cabezal del pozo, separador, etc. Para realizar el balance de energía en el nodo se asumen convenientemente varias tasas de flujo y para cada una de ellas, se determina la presión con la cual

el yacimiento entrega dicho caudal de flujo al nodo, y la presión requerida en la salida del nodo para transportar y entregar dicho caudal en el separador con una presión remanente igual a Psep. Por ejemplo, sí el nodo está en el fondo del pozo:

4.5.

Método de Vogel - Curvas de oferta y demanda de energía en el fondo del pozo: Curvas VLP / IPR

La representación gráfica de la presión de llegada de los fluidos al nodo en función del caudal o tasa de producción se denomina Curva de Oferta de energía del yacimiento (Inflow Curve), y la representación gráfica de la presión requerida a la salida del nodo en función del caudal de producción se denomina Curva de Demanda de energía de la instalación (Outflow Curve). Si se elige el fondo del pozo como el nodo, la curva de oferta es la IPR (“Inflow Performance Relationships”) y la de demanda es la VLP (“Vertical Lift Performance”).

4.6.

Balance de energía

El balance de energía entre la oferta y la demanda puede obtenerse numérica o gráficamente. Para realizarlo numéricamente consiste en asumir varias tasas de producción y calcular la presión de oferta y demanda en el respectivo nodo hasta que ambas

presiones se igualen, el ensayo y error es necesario ya que no se puede resolver analíticamente por la complejidad de las formulas involucradas en el cálculo de las ΔP’s en función del caudal de producción.

4.7.

Ubicación de los nodos

Observando la figura anterior podemos determinar la posición de los nodos más comunes, siendo

estos modificados de acuerdo a

las necesidades y

requerimientos del sistema de producción, que a continuación se muestra en la siguiente tabla. NODO

POSICION

TIPO

1

Separador

Común

2

Choque Superficial

Funcional

3

Cabeza de pozo

Común

4

Válvula de seguridad

Funcional

5

Restricciones de fondo

Funcional

6

Perforaciones

Funcional

7

Reservorio

Funcional

8

Salida de gas

Común

9

Tanque de almacenamiento

Común

4.8.

Componentes que intervienen en el análisis nodal

a. Separador

En el proceso de separación de petróleo y gas en campos de petróleo no existe un criterio único para establecer las condiciones más adecuadas de producción óptima de los equipos, pero el estudio 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 producción Incremento en la recuperación de petróleo Disminución de costos por compresión Estabilización del RGP relación gas –petróleo

b. Línea de flujo horizontal

Este componente comunica a cabeza de pozo en 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 en la línea horizontal puede ser analizando usando las diversas ecuaciones y correlaciones presentadas por investigadores que han estudiado la incidencia que puede tener este componente sobre el conjunto de sistemas, en su inter relación apropiada de su dimensionamiento más adecuado y óptimo. c. Choque superficial Es el que controla la producción del pozo con el cual se puede aumentar o disminuir el caudal de producción, en este componente se produce una presión diferencial que puede ser calculada con una de las muchas ecuaciones para choques o estranguladores. d. Cabeza de pozo Es un punto del sistema en el que se produce el cambio de dirección, 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 tomando en cuenta para su análisis dentro del sistema.

e. Válvula de seguridad Este componente es un elemento que se instala en la tubería vertical y que opera ante cualquier anormalidad del flujo que pueda ocurrir en el transcurso de la producción, siendo vital para la seguridad operativa y productiva del pozo.

f. Choque de fondo Se produce a la bajada de este tipo de restricción de acuerdo a la necesidad que existe de elevar la presión y controlar la energía en el flujo de la línea vertical, como así también tener una presión de aporte y elevación controlada, por lo que se va producir una presión diferencial en la que también se tendrá una caída de presión que a su vez puede ser calculada. g. Presión fluyente Esta es muy importante para el sistema ya que de ella depende toda la capacidad de la instalación que desea conectar al reservorio a través del pozo y así producir en todo el campo. Esta presión es medida en el fondo de pozo, tomada en su punto del nivel productor, su determinación se la hace en forma directa usando herramientas de toma de presión, también se puede calcular utilizando ecuaciones o correlaciones. h. Presión promedio del reservorio Esta presión es evaluada respecto a un nivel de referencia, y es la presión a la cual se encuentran sometidos los cálculos de los fluidos del reservorio, siendo esta presión de gran interés para conocer el índice de productividad del pozo y así

mismo nos permitirá conocer la capacidad de fluencia del reservorio hacia el pozo. 4.9.

Componentes del análisis nodal

El procedimiento de análisis nodal ha sido reconocido en la industria petrolera como un medio adecuado para el diseño y evaluación, tanto en pozos fluyentes como en pozos que cuentan con un sistema artificial de producción, debido a las necesidades mayores de energéticos, y los incentivos derivados de los procesos de los hidrocarburos. En el análisis nodal se evalúa un sistema de producción dividido en tres componentes básicos: 1. Flujo a través de un medio poroso en el yacimiento, considerando el daño ocasionado por los lodos de perforación, cemento, etc. 2. Flujo a través de la tubería vertical en la sarta de producción, considerando cualquier posible restricción como empaquetamientos, válvulas de seguridad, estranguladores de lodo, etc. 3. Flujo a través de la tubería horizontal en la línea de descarga, considerado el manejo de estranguladores en superficie. Para predecir el comportamiento del sistema, se calcula la caída de presión en cada componente. 4.10. Puntos de análisis y condiciones de operación Después de seleccionar un nodo de solución, las caídas de presión son adicionales o sustraídas al punto de presión inicial o nodo de partida, el cual es generalmente estática, hasta que se alcance la convergencia en las interacciones de cálculo para obtener el valor del nodo de solución. Para utilizar el concepto nodal, se deberá conocer la presión en el punto de partida, en un sistema de producción se conoce siempre dos presiones, las cuales se consideran constantes para fines de cálculo, siendo estas la presión estática del yacimiento (Pws) y la presión de separación en la superficie (Psep). Por lo tanto, los cálculos

pueden iniciar con cualquiera de ellas, para después determinar la presión en los nodos de solución intermedios entre estas posiciones de partida. Los resultados del análisis del sistema permitirán la definición de la capacidad de producción de un pozo y los parámetros que afectan su comportamiento. Por lo tanto, el resultado neto es la identificación de los parámetros que controlan el flujo en el sistema de producción. Las curvas de comportamiento de afluencia obtenidas, son función de los siguientes puntos clave del sistema: a) Características del yacimiento. b) Características de la tubería de producción. c) Presión en el nodo inicial y final del sistema. d) Porcentaje de agua producido e) Relación gas-liquido f) Longitud de las tuberías g) Temperatura h) Características de los fluidos a manejar. i) Topografía del terreno en el caso de la línea de descarga. j) Grado de desviación del pozo. La selección del nodo o nodos iniciales dependen del comportamiento del sistema que se desea evaluar. 4.11. Procedimiento del análisis nodal Una vez que se tenga el sistema completo en el pozo se procede a efectuar el análisis de la siguiente forma:

1. Primeramente se determina que componente del sistema de producción va a ser combinado para dar una mayor optimización al sistema. 2. Determinar los nodos que serán analizados. 3. Seleccionar la ubicación de cada uno de los nodos. 4. Aislar el efecto de cambio de presión sobre los demás componentes seleccionados. 5. Determinar las relaciones que se aplicaran para la entrada y salida del flujo del nodo. 6. Determinar el método que se va utilizar. 7. Describir el método que va usarse para determinar la entrada y salida del flujo 8. Por último se construyen curvas de entrada versus salida de flujo en las que se determinan los efectos de cambio de capacidad de producción sobre el rendimiento completo del sistema. 9. Repetir para cada nodo.

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