Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Unidad I: Pozos y baterías 1. Las fases de la producción del petróleo 1.1. Origen de los hidrocarburos 1.2. Exploración 1.3. Perforación 1.4. Producción 1.5. El control de la producción 2. Extracción artificial 2.1. Los sistemas de extracción artificial 3. Estimulación 4. Baterías colectoras 1 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías El proceso de tratamiento del petróleo y del gas se desarrolla en diferentes etapas desde que sale de los pozos hasta que llega a los puntos de venta. En esta unidad comenzaremos con la caracterización del petróleo. Analizaremos las etapas de la construcción de un pozo y los procesos de extracción o recuperación del petróleo y el gas. Finalmente, conoceremos el circuito de transporte de los fluidos hasta una batería. Veamos dónde se ubican estos temas en el esquema general del proceso: 2 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías 1. Las fases de la producción del petróleo 1.1. Origen de los hidrocarburos El petróleo es un hidrocarburo. Los hidrocarburos son productos orgánicos que se han formado a partir de lechos vegetales sometidos a altas presiones y temperaturas a través de los milenios. Los hidrocarburos se encuentran a profundidades que van desde un mínimo de 500 metros, hasta 6000 o más metros de profundidad, aunque en ocasiones pueden estar muy cerca de la superficie de la tierra. A esas grandes profundidades, los hidrocarburos están sometidos a enormes presiones. Se encuentran en estado fluido atrapados dentro de formaciones rocosas que tienen gran porosidad y permeabilidad. Estas propiedades hacen posible que con el tiempo los hidrocarburos se desplacen impulsados por las diferencias de presión, temperatura, estructura de la formación geológica en la que se encuentran y otros factores físicos, químicos y termodinámicos. Las formaciones rocosas que tienen la capacidad de retener hidrocarburos se llaman reservorios. Los reservorios tienen tres propiedades: • Porosidad: es el porcentaje de espacios vacíos respecto del volumen total de la roca y da una medida de la capacidad de almacenamiento del reservorio. Cuanto más porosa es una roca más capacidad de almacenamiento. • Permeabilidad: describe la facilidad con que un fluido dado puede moverse a través del reservorio. • Saturación de hidrocarburos: define el caudal que puede producir un pozo. Debido a ciertas propiedades de los fluidos y de las rocas reservorio, es común que al menos una parte del espacio vacío esté ocupado por agua. La saturación de hidrocarburos expresa el porcentaje del espacio vacío que está ocupado por petróleo o gas. Los hidrocarburos retenidos en las rocas reservorio tienen la posibilidad de desplazarse o migrar hasta alcanzar una barrera geológica. Las barreras geológicas son rocas impermeables que hacen que los 3 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías hidrocarburos, al quedar atrapados en ellas, se acumulen. A este espacio se lo denomina trampa y a la acumulación del reservorio, yacimiento. El volumen total de petróleo contenido en un yacimiento se denomina petróleo in situ. De ese volumen solo es extraíble una fracción denominada reserva de petróleo. 1. 2. Exploración La detección de los yacimientos está a cargo de geólogos, geofísicos y otros especialistas quienes se valen de ciertas herramientas para obtener un mapa del subsuelo. La sísmica de reflexión es la técnica más perfecta para obtener un mapa del subsuelo Cuando se explora en tierra, la sísmica de reflexión consiste en emitir ondas de sonido en la superficie del terreno por medio de explosivos enterrados en el suelo o de camiones vibradores. Cuando la exploración es en el mar, las vibraciones se provocan con cañones de aire. Las ondas se transmiten a través de las capas del subsuelo y se reflejan en la superficie cada vez que se detecta un cambio importante en el tipo de roca. Las ondas recibidas en la superficie se miden por el tiempo que tardan en llegar a ésta, y esa medida permite deducir la profundidad y la geometría de las distintas capas. Del resultado de este estudio se obtiene una imagen del subsuelo, que muestra la geometría y la posición de una capa de roca. Esto permite estimar con cierta aproximación las posibilidades de encontrar un yacimiento, su extensión y profundidad. La adquisición de líneas sísmicas puede obtenerse con un grillado en dos dimensiones (2D) o tridimensional (3D). La sísmica 3D aporta mucha más información pero es más costosa. 4 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Los estudios de sísmica de reflexión se complementan con perforaciones exploratorias de donde se extraen muestras que son analizadas por los geólogos y especialistas. Las perforaciones exploratorias ayudan a determinar la conveniencia o no de continuar con las subsiguientes etapas para el desarrollo del yacimiento. Si la exploración ha sido exitosa, y se produce un descubrimiento de significación comercial, se procede a delimitar el yacimiento con la ayuda de los estudios sísmicos previamente realizados. Luego se sigue con la perforación de nuevos pozos, a fin de evaluar la magnitud de las reservas descubiertas. A la profundidad determinada por los estudios, se practica el punzado de la cañería exterior del pozo para poner el contacto el medio exterior con el interior del pozo. El punzado se realiza en distintos niveles. Los fluidos obtenidos en cada nivel son analizados para obtener datos sobre su calidad y para estimar el volumen que será posible extraer. Estos fluidos pueden ser gas, petróleo, agua o una mezcla de petróleo y agua en distintas proporciones. Una vez calculado el volumen y la calidad de las reservas, se realizan las estimaciones económicas para determinar los costos y la rentabilidad de la explotación. Los yacimientos se ubican indistintamente en el subsuelo de áreas que en la superficie pueden ser selváticas, desérticas, pantanosas, lacustres o marítimas. Para cada situación se han desarrollado los recursos tecnológicos necesarios para superar las dificultades que impone el medio ambiente, sin que se vea afectado sensiblemente por la actividad del hombre. 1. 3. Perforación Una vez decidida la explotación del yacimiento, comienzan los trabajos de perforación. Para ello se utiliza un equipo de perforación: una torre que sostiene un aparejo diferencial que permite el movimiento de las tuberías y sus herramientas, y un conjunto mecánico accionado por un motor eléctrico o a explosión, que le imprime una rotación a las herramientas de perforación. Veamos un equipo de perforación. 5 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías La perforación se lleva a cabo mediante una herramienta de corte, el trépano, cuya forma y construcción se selecciona según las características del suelo a perforar. La transmisión del movimiento giratorio se produce a través de tramos de cañerías que se van agregando a medida que progresa la perforación y que sirven a la vez de transporte de los fluidos de perforación. El equipo de perforación cuenta con elementos auxiliares tales como generadores eléctricos, bombas, zarandas, tanques de almacenaje de los fluidos que intervienen en la perforación y otros equipos menores. Siendo que la explotación se encuentra en áreas generalmente despobladas, también se deben suministrar todos los recursos logísticos requeridos por el personal para vivienda y trabajo: talleres, laboratorios, almacenes, comedores, etc. Durante la perforación, se utilizan fluidos que tienen por objeto limpiar y enfriar el trépano, retirar de la perforación el material fragmentado por el trépano, mantener la estabilidad de la pared del pozo y evitar el ingreso de los fluidos de la formación al pozo. El fluido de perforación circula en circuito cerrado. 6 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías 1. El fluido es impulsado por una bomba que lo transporta desde la superficie hasta el trépano. 2. Luego retorna a la superficie. 3. Intercalados en el circuito, se encuentran equipos para la remoción continua de sólidos como zarandas, desarenadores y centrífugas. También desgasificadores y equipos para la inyección de los aditivos. La selección del fluido a utilizar y sus aditivos dependerá de las características del terreno a perforar, la profundidad, la disponibilidad y los costos, pudiéndose utilizar agua o una mezcla de hidrocarburos con agua en distintas proporciones o 100% hidrocarburos (gasoil o dieseloil). A medida que avanza la perforación desde la superficie, es necesario encamisar el pozo mediante tramos de cañerías (casing) que se aseguran por medio de cemento. Esta operación tiene por objeto evitar el derrumbe de las paredes del pozo e impedir la contaminación de las napas de agua con los fluidos de perforación y también impedir que otros fluidos puedan comunicarse entre sí a través de la perforación. Luego, hay que bajar la cañería interior (tubing) y efectuar las punciones en los niveles previamente determinados. Para evitar que se comuniquen los fluidos procedentes de distintos niveles, se colocan empaquetaduras de aislamiento (packers). 7 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías 8 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Alcanzada la profundidad deseada, se bajan instrumentos que permiten obtener datos sobre el tipo de terreno atravesado por la perforación y herramientas que permiten realizar un análisis físico-químico. La información obtenida de esta manera sirve para determinar las posibilidades de éxito que se le pueden asignar a la perforación y decidir sobre la continuación o abandono del emprendimiento. 1. 4. Producción Una vez terminada la perforación comienzan las actividades de producción. Los fluidos –gas, petróleo, agua- entran al pozo impulsados por la presión a la que se encuentran sometidos en el interior de la formación. Cuando la presión es suficiente, los fluidos llegarán hasta la superficie y el pozo producirá sin ninguna ayuda. En este caso se dice que el pozo resulta surgente. La surgencia de un pozo obedece a alguna de las siguientes causas. • Causa 1: por efecto del empuje del gas que se encuentra disuelto en el líquido y que tiende a escapar, lo cual produce una disminución de la densidad media que provoca el ascenso por el interior del tubing. En este caso, la presión de fondo disminuye rápidamente y detiene la surgencia natural. 9 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías • Causa 2: Cuando el gas ocupa la parte superior de la trampa, ejerce una presión sobre la fase líquida impulsándola desde el interior del pozo hacia la superficie. La capa de gas mantiene la presión por más tiempo que en el caso anterior, obteniéndose una mayor surgencia natural. • Causa 3: Cuando el yacimiento contiene agua que, por ser más pesada, ocupa la napa inferior, ésta ejerce una fuerza hidrostática para desplazar al petróleo del lugar que ocupa, desalojándolo e impulsándolo hacia la superficie. Este empuje es la fuerza impulsora más eficiente de todas. 1.5. El control de la producción Los controles de la producción se realizan en la superficie por medio del árbol de navidad. El árbol de navidad está compuesto por una serie de válvulas que permite manejar los caudales a voluntad. La surgencia se regula instalando un orificio calculado para el caudal que se haya estimado conveniente producir. 2. Extracción artificial Cuando se agota la energía propia del yacimiento, cesa la surgencia natural y es necesario recurrir a mecanismos artificiales para mantener la producción. Estos mecanismos artificiales se utilizan cuando la presión interna del yacimiento es suficiente para mantener el pozo inundado, pero no alcanza para provocar una surgencia natural. Se conocen varios medios de extracción artificial. Todos ellos pueden utilizarse en el sistema de tuberías empleado durante la surgencia natural. 10 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías La selección del medio más adecuado depende de una serie de factores que son evaluados en detalle porque de su correcta elección depende la economía de la operación y la eficiencia de la extracción. 2.1. Los sistemas de extracción artificial más utilizados son: • • • • • • Bombeo mecánico Bombeo electrosumergible Producción asistida por inyección de gas Bombeo hidráulico Bombeo mediante bombas de cavidad progresiva Bombeo por pistón viajero A continuación se explicará el funcionamiento de cada uno de ellos. Bombeo mecánico Consiste en un émbolo sumergido al que se le imprime un movimiento de “sube-baja” transmitido por una varilla a través de la cabeza del pozo desde un equipo de bombeo. El equipo de bombeo mecánico consta de un sistema biela/manivela accionado por un motor eléctrico o a explosión, además de un conjunto de balancines y contrapesos para mantener uniforme la carga sobre el motor. En Argentina la mayoría de los pozos se operan mediante este sistema, pero no es aplicable a partir de cierta profundidad máxima o cuando el pozo es dirigido y desviado respecto de la vertical. 11 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Bombeo electrosumergible Consiste en una bomba centrífuga multietapa accionada por un motor eléctrico adosado a la bomba. El conjunto motobomba se sumerge en el pozo con una tubería especial que conduce el cable eléctrico que alimenta al motor. Esta modalidad de extracción resulta conveniente cuando se debe impulsar grandes caudales, ya sea debido a la alta producción de petróleo del pozo, o porque la recuperación secundaria del yacimiento diluye el petróleo en cantidades importantes de agua. 12 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías 13 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Producción asistida por inyección de gas (gas lift) El dispositivo de inyección de gas permite introducir gas dentro de la tubería a través de válvulas reguladas. Estas válvulas abren o cierran automáticamente. La inyección de gas aliviana la columna haciendo que la mezcla burbujeante de petróleo y gas ascienda a la superficie. El gas que acompaña al petróleo en su ascenso es separado y recomprimido a alta presión para volverlo a inyectar. 14 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías 15 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Bombeo hidráulico Este tipo de bombeo funciona a través de bombas accionadas por un líquido, generalmente petróleo, que hace de fluido motriz. Las bombas se bajan dentro de la tubería y se accionan desde una estación remota. 16 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Bombeo mediante bombas de cavidad progresiva En las bombas de cavidad progresiva, el petróleo es desplazado por el movimiento de un rotor que gira en el interior de un alojamiento semielástico que permanece estático, el estator. Como resultado de la rotación se desplazan hacia arriba los fluidos que llenan las cavidades formadas entre rotor y estator. 17 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Bombeo por pistón viajero (plunger lift) Las bombas de pistón viajero utilizan un pistón que se desplaza por el interior de la tubería impulsado por la presión del gas del interior del pozo. El volumen de petróleo que es arrastrado hasta la superficie es el acumulado entre viaje y viaje del pistón viajero. 3. Estimulación En casos de baja productividad de la formación, dada naturalmente o por haber sido dañada por los fluidos de perforación, por la cementación o por el fluido de terminación, la formación productiva debe ser estimulada. Los procedimientos para estimular la formación son la acidificación y la fracturación hidráulica Acidificación Fracturación hidráulica Consiste en la inyección a presión de soluciones ácidas que penetran en la formación a través de los punzados, disolviendo los elementos sólidos que perturban el desplazamiento de los fluidos. Consiste en inducir la fractura de la formación mediante el bombeo a gran caudal y presión de un fluido. Este penetra profundamente en la formación, provoca su ruptura y rellena la fractura producida con un sólido que actúa como agente de sostén. 18 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías El agente generalmente utilizado es arena de alta calidad y granulometría, que a partir de un mejoramiento artificial de la permeabilidad, facilitará el flujo desde la formación hacia el pozo a través de la fractura producida. Hemos visto que por surgencia natural y luego artificial se logra extraer una fracción del petróleo in situ conocida como recuperación primaria. Simultáneamente con la recuperación primaria o posteriormente si el yacimiento lo justifica, se emplean técnicas de recuperación secundaria para incrementar la energía del yacimiento y aumentar la fracción recuperada. La recuperación secundaria es entonces, la recuperación artificial de la energía del yacimiento. A través de algunos pozos inyectores se inyecta agua o gas a presión, manteniendo los demás pozos como pozos productores Gracias a la recuperación secundaria por inyección de agua la producción del yacimiento puede mantenerse aumentando la dilución del petróleo. Ello obliga a manejar volúmenes cada vez mayores de líquido con equipos para la separación y tratamiento del agua. El agua que se inyecta puede obtenerse de alguna fuente cercana, de algún pozo productor de agua o de la misma formación una vez separada del petróleo que la acompaña. Debe ser convenientemente tratada para evitar daños a la formación a las cañerías y bombas del sistema de inyección y a los pozos inyectores. 4. Baterías colectoras El petróleo, junto con el gas y el agua asociados, son conducidos desde cada uno de los pozos productores hasta las baterías o estaciones colectoras a través de una red de cañerías enterradas. Las cañerías son, en la mayoría de los casos, de acero al carbono aunque se utilizan cada vez con mayor frecuencia cañerías resistentes a la corrosión. En estas baterías o estaciones colectoras se lleva a cabo el proceso de separación primaria que es la primera operación que se realiza en el tratamiento del petróleo y del gas: separación líquido–gas. 19 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías Instalaciones típicas En los pozos productores el gas se encuentra asociado con hidrocarburos livianos y agua. Si bien las presiones y las propiedades de los fluidos son diferentes en el tratamiento del gas, las operaciones de separación son semejantes a las que se realizan en los yacimientos petrolíferos. A partir de la separación primaria, el gas sufre el mismo tratamiento que el gas procedente de los yacimientos petrolíferos, pero los líquidos se procesan de forma distinta. Una batería recibe la producción de un determinado número de pozos a través de un colector (manifold) que permite el control de los pozos en forma individual o colectiva, mediante una simple operación de válvulas. El control individual de cada pozo se realiza para llevar un registro de su performance. Este proceso de control individual se hace a través de un separador de control provisto de instrumentos que permiten medir la presión, la temperatura y el caudal de cada fluido separado: gas, petróleo y agua. El producto de todos los pozos se conduce desde el manifold al separador general, diseñado para un mayor caudal y equipado con instrumentos semejantes al separador de control. En las baterías se inicia el largo recorrido de los hidrocarburos hasta los puntos de consumo. Además de la separación primaria de líquidos y gases, en la batería tienen lugar otras operaciones como el almacenaje, el bombeo de los líquidos y los gases producidos y, de ser necesario, el calentamiento del petróleo para facilitar su transporte o del gas para evitar la formación de hidratos. 20 Introducción al Procesamiento de Gas y Petróleo / Unidad I – Pozos y baterías En el cuadro que sigue se representa esquemáticamente una síntesis de los contenidos de la unidad. Exploración Equipo de perforación (casing, tubing, packers) Sísmica de reflexión Mapa del subsuelo Perforación Producción Surgencia natural Extracción artificial Estimulación Acidificación / fracturación hidráulica Bombas Recuperación primaria Recuperación secundaria Pozos inyectores Baterías o estaciones colectoras Separador general / separador de control Separación primaria 21
