MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL Erik Giovany Montes Páez Ingeniero de Petróleos UIS Especialista en Producción de Hidrocarburos UIS Magíster en Ingeniería de Hidrocarburos erikmontes@gmail.com UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS BUCARAMANGA, FEBRERO DE 2016 FLUJO DESDE EL YACIMIENTO AL SEPARADOR Las pérdidas de presión pueden ser agrupadas en tres componentes principales: • Pérdidas de presión en el yacimiento y completamiento. • Pérdidas de presión en el tubing. • Pérdidas de presión en superficie. Fuente: Production Technology II. Institute of Petroleum Engineering, - Heriot-Watt University. Edimburgo.2007. Cap.1. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL FLUJO DESDE EL YACIMIENTO AL SEPARADOR Borde del área de drenaje Cara del pozo Pozo Restricción del pozo Válvula de Presión seguridad Cabezal del pozo Choke Yacimiento Separador Completamiento Yacimiento + Completamiento Pérdidas en tubing Pérdidas en superficie Distancia Fuente: Production Technology II. Institute of Petroleum Engineering, - Heriot-Watt University. Edimburgo.2007. Cap.1. Modificada MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL FLUJO DESDE EL YACIMIENTO AL SEPARADOR Para analizar el flujo de los fluidos se debe realizar un análisis de las pérdidas de presión generadas en las tuberías vertical (tubing) y horizontal (línea de flujo). ECUACIÓN DE BERNOULLI: 𝑷𝟏 𝒗𝟏 𝟐 𝑷𝟐 𝒗𝟐 𝟐 𝒛𝟏 + + = 𝒛𝟐 + + + ∆𝑷 𝝆𝒈 𝝆𝒈 𝝆𝒈 𝝆𝒈 Donde: 1, 2 : Puntos inicial y final de la sección de tubería z : Altura del punto P : Presión en la línea en el punto estudiado r : Densidad del fluido v : Velocidad del fluido (v=Q/A) DP : Pérdidas por fricción MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL Daniel Bernoulli (1700-1782) PÉRDIDAS DE PRESIÓN EN LA LÍNEA DE FLUJO Presión (P) Diámetro (pulgadas) Caudal (Bls/día) Gravedad API Estas son construidas a partir de la ecuación de Beggs & Brill para diferentes condiciones: • Diámetro de tubería • Caudal • Gravedad API del crudo • Corte de agua • Relación gas-líquido Longitud (h) Una opción que presenta buena aproximación es el uso de las curvas de gradiente horizontal. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL El Análisis Nodal es una técnica que permite analizar la caída de presión y el estado de producción de un pozo mediante el análisis de dos subsistemas: “Aguas arriba” y “Aguas abajo”, definidos por un Nodo (Punto de referencia) que se ubica de acuerdo con la naturaleza del estudio deseado. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL 3 1 2 4 NODOS: 1. Separador 2. Choque en cabeza de pozo 3. Cabeza de pozo 4. Válvula de seguridad 5. Choque de fondo de pozo 6. Fondo de pozo 7. Completamiento 8. Yacimiento 5 6 7 8 MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL ¿PARA QUÉ? El análisis nodal se realiza con el fin de conocer la respuesta que tiene el sistema de producción cuando se realiza una variación o combinación de los componentes, lo cual ayuda a determinar las características adecuadas del esquema de producción. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL Uno de los grandes beneficios del Análisis Nodal es que permite realizar análisis de sensibilidad, es decir, evaluar la respuesta del sistema a la variación de los parámetros de diseño y de operación. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL Presión El Análisis Nodal se basa en la construcción de dos curvas para un nodo. 1. La curva de aporte (inflow) es la descripción de la relación entre el caudal y la caída de presión a través de la formación y otros componentes hasta el nodo. 2. La curva de demanda (outflow) describe la relación entre el caudal la caída de presión desde el nodo hasta el separador. Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL RESUMEN DE LA METODOLOGÍA: 1. Determine cuáles son los componentes del sistema sobre los cuales desea hacer una sensibilidad. 2. Seleccione el componente que va a ser optimizado. 3. Seleccione el nodo que mejor representa el efecto de los cambios en los componentes seleccionados. 4. Desarrolle las ecuaciones representativas de la oferta y la demanda. 5. Seleccione los datos necesarios para calcular las pérdidas de presión en función de las tasas de flujo. 6. Determine el efecto del cambio de las características del componente seleccionado. 7. Determine la tasa de flujo que circula por el sistema, mediante la intersección de las curvas de oferta y demanda. 8. Repita el procedimiento para cada uno de los componentes a optimizar. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL Análisis Nodal ANÁLISIS NODAL Yacimiento Fondo de pozo Nodos Principales Cabeza de pozo Separador Nodos Funcionales Tuberías ahusadas Choque de superficie MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL FONDO DE POZO Presión de fondo de pozo ftbg1 ftbg2 ftbg3 Q1 Q3 Q2 Qóptimo Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL FONDO DE POZO Presión de fondo de pozo ftbg1 ftbg2 ftbg3 IPR1 IPR2 Qóptimo Qóptimo futuro Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL FONDO DE POZO 1. Se asumen valores de Pwf y se calculan los correspondientes flujos, para construir la curva IPR (Curva de inflow). 2. Se asumen varias tasas de flujo y se obtienen las presiones de cabeza necesarias para transportar los fluidos a través de la línea de flujo horizontal hasta el separador utilizando la apropiada correlación de flujo multifásico (curvas de gradientes en flujo horizontal). 3. Utilizando las mismas tasas asumidas anteriormente y sus correspondientes presiones de cabeza, se determinan las presiones a la entrada de la tubería (nodo de salida de flujo) empleando las correlaciones apropiadas para flujo multifásico (curva de gradientes en flujo vertical) (Curva de outflow) 4. La intersección de estas dos curvas muestra la tasa de flujo posible para el sistema. 5. Repetir cambiando algún aspecto del sistema (tamaño de las tuberías, presión del separador o la curva de IPR a través de un tratamiento de estimulación). MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL FONDO DE POZO EJEMPLO: Determine la capacidad de producción del pozo cuyas características se describen a continuación. • Presión de yacimiento: 3482 psi • Profundidad de la formación: 10.000 ft • Relación gas líquido: 400 scf/STB • Presión de burbuja: 3600 psi • Presión en cabeza de pozo requerida: 400 psi • Gravedad API: 35º • Corte de agua: 50% • Se tiene una prueba de producción según la cual el pozo aporta 320STB/día con una presión de fondo fluyente de 3445psi. • Se tienen disponibles tres tamaños de tubería de producción: 2 3/8”, 2 7/8” y 3 ½”. Determine cuál es el tubing más adecuado para el pozo y cuál sería la producción obtenida. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL FONDO DE POZO Caudal Presión de fondo fluyente (psi) Pwf (psi) Ql (Bls/día) 3482 0 3000 3930 400 3200 --- --- 2500 7464 600 3280 3160 --- 2000 10442 800 3400 3200 --- 1500 12866 1000 3500 3250 3130 1000 14735 1500 --- 3400 3200 500 16050 2000 --- --- 3290 2500 --- --- 3400 0 16810 Tabla 1: Curva de inflow Ql (Bls/día) ftbg= 2 3/8” ftbg= 2 7/8” ftbg= 3 1/2” Tabla 2: Curvas de outflow MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN CABEZA DE POZO . Outflow fLF1 Outflow fLF2 Presión Outflow fLF3 Inflow ftbg3 Inflow ftbg2 Inflow ftbg1 IPR Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN CABEZA DE POZO EJEMPLO: Determine la capacidad de producción del pozo cuyas características se describen a continuación. • Presión de yacimiento: 3482 psi • Profundidad de la formación: 10.000 ft • Relación gas líquido: 400 scf/STB • Presión de burbuja: 3600 psi • Presión en separador requerida: 250 psi • Gravedad API: 35º • Corte de agua: 0% • Se tiene una prueba de producción según la cual el pozo aporta 320STB/día con una presión de fondo fluyente de 3445psi. • Se tienen disponibles tres tamaños de tubería de producción: 2 3/8”, 2 7/8” y 3 ½”. • Se tienen disponibles dos tamaños de línea de flujo: 2” y 3”. Determine cuál es el tubing y la línea de flujo adecuados para el pozo y cuál sería la producción obtenida. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN CABEZA DE POZO 1. Asuma varias tasas de flujo. 2. Utilice la presión del separador y determine las presiones de cabeza necesarias para mover los fluidos a través de la línea de flujo. Estos valores representan la solución para el componente línea de flujo de problema (Curva de outflow). 3. Asuma tasas de flujo y con las ecuaciones de productividad determine las correspondientes presiones de fondo en el yacimiento necesarias para producir dichas tasas. 4. Con cada una de esas presiones de fondo y utilizando las correlaciones (o gráficas) determine las presiones de cabeza necesarias para mover los fluidos a través de la tubería de producción vertical (Curva de inflow). 5. Grafique las presiones de cabeza obtenidas en el paso 2 versus las presiones de cabeza obtenidas en el paso 4 para obtener la tasa de flujo. 6. Repetir modificando componentes. NOTA: Se usa como nodo solución el tope del pozo porque considerando la solución en este punto la línea de flujo es aislada y por lo tanto es fácil mostrar el efecto de cambiar el tamaño de la línea. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL SEPARADOR Presión PSEP3 PSEP1 Inflow ftbg1,fLF1 PSEP2 Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL SEPARADOR 1. Asumir varias tasas de flujo. 2. Comience en el fondo del pozo y determine la presión en el fondo fluyente necesaria para producir las tasas de flujo asumidas. 3. Trabaje con los valores de Pwf obtenidos en el paso 2 como presiones de entrada a la tubería y determine las correspondientes presiones de cabeza a partir de una correlación para flujo multifásico vertical. 4. Con las presiones de cabeza obtenidas en el paso 3, determine las correspondientes presiones de llegada al separador para cada tasa (Curva inflow). 5. Grafique la presión en el separador versus la tasa. Dibuje la línea de valor de presión constante en el separador (curva outflow). La intersección de estas dos líneas muestra la tasa de flujo posible. 6. Repita variando las dimensiones de los componentes del sistema. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL EJERCICIO • Un yacimiento tiene una presión de 3800psi y está ubicado a 6200’. • El crudo tiene una gravedad de 35ºAPI y una presión de burbuja de 50psi. • El pozo tiene instalada una tubería de 2 3/8”, desde superficie hasta la profundidad de los perforados. • El índice de productividad del pozo es de 0,5Bls/día/psi. • El pozo no produce agua. • La línea de superficie mide 1000’ y tiene un diámetro de 2”. PREGUNTA: ¿Cuál sería la presión que se debe tener en el separador para que el pozo produzca 1000Bls/día? MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL YACIMIENTO Presión PSEPARADOR PR PwF Pwh PSEPARADOR1 Q1 Q2 Q3 Q4 Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL YACIMIENTO Presión PSEPARADOR PWF PWH PSEPARADOR1 Q1 Q2 Q3 Q4 Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL YACIMIENTO PSEPARADOR Presión PYAC PYAC2 PYAC3 QFUTURO QHOY Producción de líquido del pozo MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL ANÁLISIS NODAL: NODO EN EL YACIMIENTO 1. Se asumen varias tasas de flujo. 2. Tomando un valor de presión de separador, se determinan las presiones en la cabeza requeridas para mover los fluidos hasta el separador utilizando las apropiadas correlaciones para flujo multifásico horizontal. 3. Utilizando las presiones de cabezal obtenidas en el paso 2 determine los valores de la presión de fondo fluyente para las tasas asumidas haciendo uso de las correlaciones apropiadas para el flujo multifásico vertical. 4. Con las presiones de fondo fluyendo obtenidas en el paso 3, determine los valores de Pr requeridos para cada tasa de flujo asumida a un valor de J cte. (curva de outflow). La ecuación para el caso de J constante es: Pr = Pwf + (Q/J) NOTA: Se utiliza Pr como posición solución porque inmediatamente se puede determinar la tasa de flujo para otra presión promedio en el yacimiento. Sin embargo, esta solución asume que no existe cambio en la relación gas - petróleo, o agua del pozo. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL NODOS FUNCIONALES: TUBERÍAS AHUSADAS PSEPARADOR Para resolver este tipo de problemas se toma el nodo solución en la posición de ahusamiento de la tubería. • Para el inflow, se comienza con la Pr, se calcula Pwf a partir de la ecuación de flujo en el yacimiento (IPR), y luego mediante los cálculos de flujo vertical se determina la presión existente por debajo de la restricción de la tubería. • Por otra parte, si se comienza con la Psep, se obtiene Pwh (presión en la cabeza del pozo) a partir de las correlaciones para flujo horizontal y se prosigue hasta el tope del ahusamiento utilizando la correlación para flujo vertical multifásico. PYACIMIENTO MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL NODOS FUNCIONALES: TUBERÍAS AHUSADAS 1. Asuma varias tasas de flujo. 2. Comenzando con la componente por encima del ahusamiento, asuma una Psep y un caudal, y obtenga las presiones en el cabezal para cada tasa de flujo asumida. 3. Con las tasas asumidas y sus correspondientes Pwh, determine las presiones en el tope del ahusamiento (curva de outflow). 4. Comience con la Pr para el componente ubicado por debajo del ahusamiento y obtenga las Pwf en el fondo del pozo utilizando la apropiada curva de IPR. 5. Con los valores de Pwf obtenidos en el paso 4 para las tasas asumidas, determine las presiones por debajo del ahusamiento a partir de la apropiada correlación de flujo multifásico (curva inflow). 6. Grafique las presiones por encima del ahusamiento versus las presiones por debajo del ahusamiento. 7. La intersección de estas dos curvas de comportamiento en la conexión ahusada predice la tasa de flujo. 8. Repita variando los componentes que desee analizar. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL NODOS FUNCIONALES: CHOQUE DE SUPERFICIE Pin Pout Un choque es una restricción instalada en la línea de producción, la cual origina una contrapresión en el pozo, impuesta mediante el equipo de superficie. Usualmente se emplea la ecuación de Gilbert: 435𝑅0,546 𝑄𝐿 𝑃𝑖𝑛 = 𝑆 1,89 Donde, Pin: Presión antes del choque (psi) R: Relación gas-líquido (10^3scf/STB) QL: Caudal de líquido (STB/día) S : Diámetro del choque (in/64) MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL NODOS FUNCIONALES: CHOQUE DE SUPERFICIE Pin Pout Nótese que la ecuación de Gilbert no incluye la presión a la salida del choque. Es decir, la ecuación es independiente de la presión aguas abajo. Gilbert desarrolló su ecuación a partir de información de campo y determinó que su ecuación era válida siempre y cuando la presión aguas abajo sea menos del 70% de la presión aguas arriba, es decir: 𝑃𝑜𝑢𝑡 < 0,7 𝑃𝑖𝑛 MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL NODOS FUNCIONALES: CHOQUE DE SUPERFICIE 1. Asumir varias tasas de flujo. 2. Partiendo de la presión del separador, determinar la presión a la salida del choque (POUT) mediante el uso de las ecuaciones o gráficas de flujo multifásico horizontal (curva outflow). 3. Partiendo de la presión del yacimiento, calcular la Pwf correspondiente a cada tasa de flujo mediante las ecuaciones de productividad. 4. Usando las correlaciones de flujo vertical, determinar la correspondiente presión en cabeza de pozo (PWH) para cada caudal (curva inflow). 5. Para cada valor de caudal, establecer el diferencial de presión que existe entre estos dos valores (DPsist= PWH - POUT). 6. Graficar DPsist contra el caudal (curva de desempeño del sistema). 7. Ahora, para cada caudal determinar la PIN, usando la ecuación de Gilbert. 8. Calcular el diferencial de presión que genera el choque (DPchoque= PIN - POUT). 9. Graficar DPchoque contra el caudal (curva de desempeño del choque). 10. La intersección de estas dos curvas presenta el punto de operación. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL NODOS FUNCIONALES: CHOQUE DE SUPERFICIE EJERCICIO: En la tabla se presentan los datos de un sistema de producción (sin incluir el cálculo de choques). La relación gas-líquido del pozo es de 500scf/STB. Caudal (STB/día) PWH (psi) POUT (psi) 200 610 110 400 540 140 600 440 170 800 300 220 1000 100 280 1200 --- 340 Determine cuál sería la producción del sistema si se instalaran choques de 16/64”, 24/64” y 32/64”. MÉTODOS DE PRODUCCIÓN: ANÁLISIS NODAL