DISEÑO DE CABEZAL DE DISTRIBUCIÓN PARA GENERADOR DE …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

DISEÑO DE CABEZAL DE DISTRIBUCIÓN

PARA GENERADOR DE VAPOR EN EL FONDO

DE UN POZO PETROLERO MADURO

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA:

ING. ANGEL SALVADOR CORONA MEJIA

DIRECTORES DE TESIS:

DR. LUIS HÉCTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ

DRA. BEATRIZ ROMERO ÁNGELES

MÉXICO. D.F. JULIO 2014

AGRADECIMIENTOS

Gracias a Dios por darme la oportunidad de existir. Porque estoy vivo y porque tengo una familia

a quien amar.

Gracias al IPN el cual fue mi segunda casa por aproximadamente 8 años, tiempo en el cual aprendí

cosas nuevas que me hicieron una mejor persona

Se de antemano que con un gracias no basta para expresar a todas las personas importantes en mi

vida mi más profundo agradecimiento, quienes con su ayuda, apoyo y comprensión me alentaron

a obtener este logro

A ti mama, aun sabiendo que no existiría una forma de agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo,

de la cual he sido testigo quiero que sientas que este logro también es tuyo y para ti, la fuerza que

me ayudo a conseguirlo fue tu apoyo, cariño y comprensión.

A mis hermanos que me han acompañado por todo este camino, gracias por las risas, los momentos

para recordar, los quiero. A mis tíos que con su ejemplo me impulsaron a llegar a este momento y

que en más de una ocasión me han dado su mano para ayudarme o su hombro para llorar. A las

personas que estuvieron al inicio de mi vida conmigo y hoy se encuentran en un lugar mejor y a

aquellas que fue conociendo durante este viaje y hoy son parte importante de mi vida.

A esos hermanos que tienes la oportunidad de escoger, a los que puedo llamar mis amigos, ya que

durante la escuela sabía que no estaba solo.

Al personal de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Unidad Profesional Adolfo

López Mateos. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo brindado.

Gracias los profesores de la sección de Biomecánica que durante este periodo de la maestría me

parte de su sabiduría y así fortalecer mis conocimientos.

Gracias a mis directores de tesis por guiarme y tolerar mis errores, ayudándome a corregirlos y

alentándome a seguir adelante, por su tiempo, esfuerzo, dedicación y su conocimiento.

Dr. Luis Héctor Hernández Gómez

Dra. Beatriz Romero Ángeles

I

Diseño de cabezal de distribución para generador de vapor

en el fondo de un pozo petrolero maduro

Resumen

Este trabajo forma parte del proyecto SENER-CONACyT (147061) “Sistema Integral para la

Generación de Vapor en Fondo de Pozo.” El trabajo se enfocó en el diseño del cabezal de

distribución de dicho equipo. Su función es inyectar oxigeno (𝑂2), metano como combustible (𝐶𝐻4)

y agua (𝐻2𝑂). Esta última se usará para dos propósitos: (1) su evaporación y (2) como una película

protectora de los componentes del generador.

Este cabezal de distribución tendrá una conexión con un tubo “umbilical”, que permite la inclusión

de los tubos de alimentación. Será unido a la cámara de combustión por medio de una brida de

cuello soldable. El diámetro de la boquilla de inyección de oxígeno será de 16.6 mm, mientras que

para el metano será de 5.86 mm. Para este dispositivo se diseñó una carcasa de 101.6 mm, la cual

servirá de protección para el cabezal, donde irán las líneas de alimentación de los fluidos antes

mencionados, así como también las venas por las cuales circulará el agua para la formación de la

película protectora con un espesor de 2 mm. Estudios realizados por el LABINTHAP referentes a

la correcta formación de la película de agua, muestran que para una buena distribución del agua en

el reactor se debe considerar un plato estabilizador con una pendiente de 10°.

Para el dimensionamiento de la carcasa se usó el código ASME para recipientes sujetos a presión.

El espesor calculado y considerando la corrosión fue de 5 mm. De acuerdo a la regulación UW-12

ASME VIII División 1, la soldadura será de categoría B. El material seleccionado para el cilindro

es SA-53 GRADO B y para el cabezal SA 515 GRADO 70.

La integridad estructural se evaluó con el programa ANSYS. La malla empleada tiene 1,186,826

nodos y 581,719 elementos. Estos últimos fueron tetraedros y hexaedros, con un tamaño de

0.088161 mm. Como condiciones de carga se aplicó una presión interna de 200 bares a una

temperatura de 750 °c. De acuerdo con la teoría de falla de von Mises, los esfuerzos máximos están

por debajo del límite elástico del material. La deformación máxima ocasionada por las condiciones

de carga está dentro de parámetros aceptables.

II



Abstract

This work is part of the project SENER-CONACyT (147061) “Integral system for steam generation

at the bottom of an oil well.” This work was focused on the design of a distribution head, which

injects oxygen (𝑂2), methane as fuel (𝐶𝐻4) and water (𝐻2𝑂) to the steam generator. Water will be

used for two purposes: (1) in the steam generation and (2) as a protective film of the internal

surfaces of the generator.

The distribution head will have a connection with an "umbilical" tube, which allows the inclusion

of feed tubes. It will be joined by a welding |neck flange to the combustion chamber. Oxygen will

be injected through nozzles. Their diameter is 16.6 mm. For the injection of methane, nozzles of

5.86 mm will be used. This device is housed in a shell which will serve as protection for the head.

Its diameter is 101.6 mm. Also, the feed lines and the waterways will be installed. Such waterways

generate a protection film of 2 mm thick. Studies carried out by the LABINTHAP demonstrated

that a good distribution of the water in the reactor is obtained when a stabilizing plate with a 10°

slope is used.

ASME code was used in the design of the housing shell. The calculated thickness is 5 mm. It

withstands the internal pressure and the corrosion which will take place. In accordance with UW-

12 of ASME VIII Division, category B welds have to be used. The shell and the head will be

manufactured with SA-53 grade B and SA 515 grade 70, respectively.

The structural integrity was evaluated with ANSYS code. The mesh used for this purpose has

1,186,826 nodes and 581,719 elements. The size of tetrahedral and hexahedron elements

is 0.088161 mm. An internal pressure of 200 bar and a temperature of 750 °c were taken into

account. In accordance with the failure theory of von Mises, the peak stresses are below the elastic

limit. The deformation of the components of the generator are in an acceptable range.

III



Índice general

Resumen I

Abstract II

Índice general III

Índice de figuras VI

Índice de tablas IX

Objetivo X

Objetivos particulares X

Justificación XI

Introducción XII

I.- Estado del arte 1

I.1.- Generalidades 2

I.2.- Exploración 5

I.2.1.- Ingeniería de yacimientos 5

I.2.2.- Yacimientos de petróleo 5

I.2.3.- Roca madre madura 5

I.2.4.- Roca yacimiento 6

I.2.5.- Proceso de migración 7

I.2.6.- Trampas 7

I.2.7.- Sello permeable 8

I.3.- Perforación 8

I.3.1.- Perforación a percusión 8

I.3.2.- Perforación rotatoria 9

I.3.3.- Proceso de perforación 13

I.4.- Regiones petroleras del territorio nacional 14

I.5.- Estimulación de pozos petroleros maduros 17

I.5.1.- Recuperación de petróleo 18

1.6.- Planteamiento del problema 25

1.7.- Metodología de diseño 26

I.8.- Sumario 27

I.9.- Referencias 28

IV



II.- Marco teórico

II.1.- Recipientes sujetos a presión 32

II.1.1 Tipos de recipientes 33

II.2 Análisis de esfuerzos en recipientes sujetos a presión 34

II.3 Teorías de falla 35

II.3.1 Teoría del esfuerzo cortante máximo 36

II.3.2 Teoría de falla de la máxima energía de distorsión por unidad de volumen 37

II.3.3 Teoría del esfuerzo principal máximo 39

II.4 Recipientes a presión cilíndricos y esféricos 39

II.5 Esfuerzos térmicos 43

II.6 Diseño de recipientes sujetos a presión 45

II.6.1 Recipientes cilíndricos 46

II.6.2 Recipientes esféricos y cabezas hemisféricas 47

II.7 Diseño de uniones soldadas 49

II.9 Factor de seguridad 52

II.10 Sumario 53

II.11 Referencias 53

III.- Análisis del caso de estudio

III.1.- Generalidades 56

III.2.- Diseño del cabezal de distribución para el generador de vapor 57

III.2.1.- Funcionamiento del cabezal de distribución 58

III.2.2.- Dimensionamiento del cabezal 60

III.3.- Modelado del cabezal de distribución para el generador de vapor 62

III.4.- Diseño de uniones 66

III.4.1.- Uniones soldadas 67

III.4.2.- Unión bridada 68

III.5.- Manufactura de los componentes 70

III.5.1.- Formado del cilindro 70

III.5.2.- Formado de cabezas hemisféricas 70

III.5.3.- Soldadura circunferencial 71

III.6. – Sumario 73

V



III.7. – Referencias 73

IV.- Análisis Numérico del Cabezal de distribución

IV.1.- Método de elemento finito 75

IV.1.1.- Antecedentes del método de elemento finito 76

IV.1.2.- Generalidades del método 77

IV.1.3.- Procedimiento de análisis por el del Método de Elemento Finito 79

IV.1.3.1.- Fase de pre procesamiento 79

IV.1.3.2.- Fase de solución 79

IV.1.3.3.- Fase de post-procesamiento 80

IV.1.4.- Aplicaciones del Método de Elemento Finito 80

IV.1.5.- Ventajas y limitaciones del Método de Elemento Finito 81

IV.1.6.- Programas computacionales para el método de elemento finito 82

IV.2.- Implementación de geometría para formación de película de agua 82

IV.3.- Análisis de la integridad estructural del cabezal del generador de vapor 85

IV.3.1.- Discretizado del cabezal 86

IV.3.2.- Aplicación de condiciones de frontera 87

IV.4.- Análisis numérico del cabezal de distribución a una sobrecarga 90

IV.4.1.- Aplicación de condiciones de frontera 90

IV.5. – Sumario 92

IV.6.- Referencias 92

V.- Análisis de resultados

V.1.- Análisis del campo de esfuerzos obtenidos en condiciones normales 94

V.2.- Deformación en condiciones normales de trabajo 96

V.3.- Análisis del campo de esfuerzos obtenidos en sobrecarga 98

V.4.- Deformación en sobrecarga 99

V.5.-Factor de seguridad 101

V.6.- Generación del prototipo rápido 102

V.7.-Sumario 104

Conclusiones 106

Trabajos futuros 109

VI



Índice de figuras

Capítulo I

Figura I.1.- Representación de la porosidad en una roca 6

Figura I.2.- Representación gráfica sobre la ley de Darcy 7

Figura I.3.- Perforación a percusión 8

Figura I.4.- Perforación rotatoria 9

Figura I.5.- Sistema de rotación 12

Figura I.6.- Tipos de barrenas 13

Figura I.7.- Regiones petroleras de la república Mexicana 17

Figura I.8. Inyección cíclica de vapor 23

Figura I.9.- Representación método SAGD 24

Capítulo II

Figura II.1.- Representación radio medio y espesor 32

Figura II.2.- Recipiente de almacenamiento 34

Figura II.3.- Recipiente de proceso 34

Figura II.4.- Representación gráfica de los casos de esfuerzo plano 37

Figura II.5.- Estado de esfuerzos tridimensional 38

Figura II.6.- Representación para el análisis de esfuerzos en recipientes cilíndricos 40

Figura II.7.- Representación gráfica de la relación entre los esfuerzos 41

circunferenciales multiplicados por sus áreas

Figura II.8.- Diagrama de esfuerzos recipiente cilíndrico 41

Figura II.9.- Diagrama de esfuerzos recipiente esférico 42

Figura II.10.- Gradiente térmico lineal a través de una pared 44

Figura II.11.- Representación espesor recipiente cilíndrico 47

Figura II.12.- Tipos de cabezas 48

Figura II.13.- Cabeza hemisférica 49

Figura II.14.- Ubicación de las uniones 50

Capítulo III

Figura III.1.- Arreglo esquemático de un DFDSG 56

Figura III.2.- Concepto del generador de vapor. 57

Figura III.3.- Dimensionamiento de las boquillas de inyección 58

VII



Figura III.4.- Esquema de inyección. 59

Figura III.5.- Modelado en 3D cabeza hemisférica de la carcasa 63

Figura III.6.- Modelado en 3D del cilindro de la carcasa 64

Figura III.7.- Elementos para la formación de película protectora de agua 65

Figura III.8.- Cabezal con las líneas para la alimentación de fluidos 65

Figura III.9.- Modelado en 3D cabezal de distribución. a) Vista explosionada. b) Isométrico. 66

Figura III.10.- Zonas de interés del cabezal de distribución 66

Figura III.11.- Ubicación del cordón de soldadura 67

Figura III.12.- Tipo de soldadura a utilizar 67

Figura III.13.- Dimensionamiento de la brida 69

Figura III.14.- Rolado para la formación de tubos para recipientes a presión 70

Figura III.15.- Embutido para la formación de cabeza hemisférica 71

Figura III.16.- Inspección de soldadura. a) Visual. b) Por radiografía. c) Por ultrasonido 73

Capítulo IV

Figura IV.1.- Discretización de una aeronave de combate 76

Figura IV.2.- Descripción de elementos. a) Línea. b) Área. c) Volumen. 77

Figura IV.3.- División del dominio en subdominios 78

Figura IV.4.- Geometría del plato estabilizador 82

Figura IV.5.- Análisis del comportamiento del fluido 84

Figura IV.6.- Vectores de velocidad de la geometría con plato estabilizador 85

Figura IV.7.- Modelo en 3D del cabezal de alimentación 86

Figura IV.8.- Discretización. a) Relevancia 0. b) Relevancia 100 86

Figura IV.9.- Discretización de la pieza en programa computacional ANSYS 87

Figura IV.10.- Sujeciones en brida de conexión 88

Figura IV.11.- Aplicación de la presión de operación (20 MPa) 89

Figura IV.12.- Aplicación de la temperatura de operación (730°c) 89

Figura IV.13.- Aplicación de la sobrecarga 40 MPa 91

Figura IV.14.- Aplicación de la temperatura de operación (730°c) 91

Capítulo V

Figura V.1.- Esfuerzos von-Mises en la geometría externa del cabezal 94

Figura V.2.- Esfuerzos von-Mises en la geometría interna del cabezal 95

VIII



Figura V.3.- Análisis de esfuerzos von-Mises en la brida 95

Figura V.4.- Ubicación del esfuerzo máximo y mínimo 96

Figura V.5.- Cabezal de distribución. a) Sin deformar. b) Deformada. 96

Figura V.6.- Deformación total en la geometría externa del cabezal 97

Figura V.7.- Deformación total en la geometría interna del cabezal 97

Figura V.8.- Análisis de esfuerzos von-Mises geometría externa 98

Figura V.9.- Análisis de esfuerzos von-Mises geometría interna 99

Figura V.10.- Deformación en la geometría externa del cabezal 100

Figura V.11.- Deformación total en la geometría externa del cabezal 100

Figura V.12.- Deformación total en la geometría interna del cabezal 101

Figura V.13.- Impresora Dimension sst 1200 103

Figura V.14.- Paquetería impresora Dimension sst 1200 103

Figura V.15.- Proceso de impresión de prototipos rapidos 104

IX



Índice de tablas

Capítulo I

Tabla I.1.- Grados de densidad API 4

Capítulo II

Tabla II.1.- Eficiencia de uniones 51

Capítulo III

Tabla III.1.- Propiedades mecánicas acero ASTM A-53 GRADO B 60

Tabla III.2.- Propiedades mecánicas acero al carbón SA 515 GRADO 70 61

Tabla III.3.- Partes del cabezal de alimentación 63

Tabla III.4.- Tolerancias en la soldadura circunferencial 71

Capítulo IV

Tabla IV.1.- Perturbaciones en problemas ingenieriles 75

Tabla IV.2.- Condiciones de operación 83

Tabla IV.3.- Información de la malla 87

Tabla IV.4.- Condiciones de frontera y restricciones de movimiento 88

Tabla IV.5.- Condiciones de frontera y restricciones de movimiento en análisis de

sobrecarga 90

Capítulo IV

Tabla V.1 Factores de seguridad cabezal de alimentación 102

X



Objetivo

La recuperación mejorada presenta una solución viable para los problemas relacionados con la

extracción del petróleo, siendo los métodos térmicos los que presentan una mayor tasa de

oportunidad de su implementación. La presente tesis forma parte de un proyecto en conjunto, el

cual busca la construcción de un generador de vapor con todos sus componentes. El objetivo

principal de este trabajo es el diseño de un cabezal de distribución como parte de este generador de

vapor. Este cabezal tendrá como función la distribución de los fluidos que intervienen directamente

en la combustión como lo son el metano, oxígeno y agua. Esta última tendrá dos funciones

principales; su evaporación y la generación de una película protectora.

Objetivos particulares

Para alcanzar el objetivo general anteriormente propuesto es necesario el cumplimiento de los

objetivos particulares que se presentan a continuación:

Estudio y entendimiento del proceso de extracción de petróleo, así como también adquirir

una visión global de los métodos de recuperación mejorada que existen actualmente.

Conocer los fundamentos teóricos de recipientes sujetos a presión, los cuales son

utilizados en la industria petrolera.

Conocer las condiciones de frontera a las cuales estará sometida el cabezal a diseñar, así

como también el funcionamiento del generador de vapor.

Realizar el diseño de este cabezal de distribución, tomando en cuenta cada uno de los

parámetros involucrados en su operación.

Realizar un modelo en 3D en un programa computacional del cabezal.

Determinar por medio del Método de Elemento Finito la integridad estructural del cabezal

de distribución.

XI



Justificación

El trabajo desarrollado en esta tesis es parte del proyecto SENER-CONACYT denominado Sistema

Integral para la Generación de Vapor en Fondo de Pozo (147061) y continuación de la

investigación desarrollada en la tesis “Diseño y análisis numérico de las características mecánicas

de un quemador prototipo como parte de un generador de vapor de fondo de pozo para recuperación

de crudo”.

El declive en las reservas y la producción del petróleo es de considerar, de acuerdo a los boletines

emitidos por las páginas oficiales del Instituto Mexicano del Petróleo. Día a día, la cantidad de

pozos explotados es de consideración, estos pozos periódicamente son abandonados debido a que

el tipo de petróleo que se encuentra al fondo se denomina como pesado y no es factible, tanto en

términos económicos, como tecnológicos, la recuperación de este. Estos pozos, denominados como

maduros, requieren un método no convencional de recuperación. En la actualidad, estos métodos

de recuperación han llegado a ser una práctica común. Se puede decir que todos los pozos han sido

estimulados por lo menos una vez.

En la República Mexicana se han realizado pruebas piloto con métodos térmicos de recuperación

que involucran específicamente el vapor como catalizador para el proceso de extracción del

petróleo pesado. El principal objetivo de los métodos térmicos es aumentar en la temperatura para

reducir la viscosidad del petróleo, permitiendo que fluya de una manera más fácil.

Aproximadamente el 60% de la producción por recuperación mejorada se debe a estos métodos,

en específico la inyección de vapor. Los resultados obtenidos son alentadores y proporcionan la

oportunidad de pensar que la implementación de un sistema de recuperación térmico en cada uno

de estos pozos maduros es viable. Con este trabajo se pretende realizar el diseño de un generador

y su puesta en marcha dentro de un pozo petrolero maduro, se iniciara con un periodo de pruebas

en campo para así determinar si la implementación de este dispositivo es algo factible de hacer en

el territorio nacional.

XII



2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

2004 2006 2008 2010 2012 2014

PR

OD

UC

CIÓ

N D

E C

RU

DO

(MM

DB

)

AÑO

Introducción

La extracción del petróleo dentro del territorio nacional se vincula directamente con la economía

de México, debido a que es la fuente más importante de ingresos para el presupuesto federal. De

acuerdo a los boletines de exploración y producción expedidos por la página oficial del Instituto

Mexicano del Petróleo se puede observar que desde el 2006 la producción de crudo ha decaído

como se muestra la Figura 1. [1]

Figura 1. Producción de crudo anual 2006-2012 [1]

Consecuentemente, uno de los objetivos es incrementar las reservas a partir de la extracción de

crudo en pozos maduros por medio del desarrollo de tecnología, con base en la inyección de vapor

generado en fondo de pozo. El principio en donde se sustenta está tecnología, es en el efecto

térmico. El desarrollo de un generador de vapor de fondo es lo que se propone. Este debe operar

bajo la tecnología de combustión rápida de alta presión y temperatura y debe controlarse y

ensamblarse desde superficie. Este generador de vapor requiere del diseño de varios componentes

mecánicos para hacer que su funcionamiento sea óptimo. En este trabajo se desarrollará el diseño

de un cabezal de distribución que conectará la cámara de combustión con las líneas de

alimentación, que en este caso serán de metano, oxígeno y agua. El vapor generado en fondo de

Año Producción de crudo (miles

de barriles)

2006 3256

2007 3076

2008 2792

2009 2601

2010 2577

2011 2553

2012 2540

XIII



pozo con calidades altas constituye una alternativa prometedora y de gran valor para lograr el

incremento del factor de recuperación en pozos maduros. El desarrollo de dicho generador, forma

parte del proyecto SENER-CONACYT denominado Sistema Integral para la Generación de Vapor

en Fondo de Pozo (147061), dentro de este proyecto se realizaron investigaciones paralelas que

quedaron plasmadas en la tesis “Diseño y análisis numérico de las características mecánicas de un

quemador prototipo como parte de un generador de vapor de fondo de pozo para recuperación de

crudo” y “Diseño de un prototipo de laboratorio de cabezal de distribución para la extracción de

crudo en yacimiento petrolero maduro” elaborada por el Ing. Alejandro García Solís y el Ing.

Rafael Espinoza Zavala respectivamente. Para lograr el objetivo anterior, esta tesis se ha

desarrollado con los siguientes capítulos:

En el Capítulo 1 se describe el proceso de extracción del petróleo dentro del territorio nacional,

así como también se presentan las principales zonas productoras. Se realiza una revisión de los

diversos métodos de recuperación mejorada. Se presenta el planteamiento del problema, así como

la metodología de diseño a seguir.

En el Capítulo 2 se realiza la revisión de literatura referente al diseño, cálculo y construcción de

los recipientes sujetos a presión.

En el Capítulo 3 se presenta el diseño del dispositivo para la distribución de los fluidos específicos

que servirán para el funcionamiento del generador de vapor. Se tomaron en cuenta las condiciones

de operación así como también se hizo la selección de los materiales adecuados para su

funcionamiento. Se establecieron los parámetros necesarios para el posterior modelado en 3D.

En el Capítulo 4 se realizó el análisis de este dispositivo por medio del Método de Elemento Finito,

para asegurar la integridad estructural del cabezal de distribución. Se aplicaron las condiciones de

frontera pertinentes, sujeciones, presión de operación y la temperatura.

En el Capítulo 5, se analizaron los resultados obtenidos por el análisis numérico realizado por

medio del Método de Elemento Finito, para asegurar la integridad estructural del cabezal de

distribución. Se evaluaron los factores de seguridad de todos los elementos del cabezal de

distribución y finalmente, se generó un prototipo rápido para posteriores evaluaciones

experimentales no destructivas.

[1] Petróleos mexicanos. Reporte ejecutivo de producción al 1 de enero 2013.Página Web,

www.pep.pemex.com.

1



CAPÍTULO I

ESTADO DEL

ARTE

Capítulo I 2



I.1.- Generalidades

Etimológicamente, la palabra petróleo se puede dividir en dos; petro y óleum, cuyos significados

son roca y aceite respectivamente. Por lo que gramaticalmente se puede definir como aceite de

roca [I.1]. A lo largo del tiempo, el petróleo ha recibido gran cantidad de nombres como; Lacus

Asfaltitus designado por los romanos, mumiya por los egipcios, etc. En mayor o en menor escala,

dentro de la Tierra existen emanaciones que han atraído la atención de diversos exploradores.

Con el propósito de extraer el petróleo se han logrado una gran cantidad de avances científicos y

tecnológicos que han permitido detectar estas emanaciones no solo en tierra firme, sino también

en el fondo del mar.

Desde 1859, cuando se inició la explotación del petróleo, los Geólogos, Químicos e Ingenieros se

han dedicado a estudiar e investigar los procesos y características de los hidrocarburos. En 14

décadas de investigación, se ha recabado información de gran valía acerca de las teorías y

diferentes aspectos del origen del petróleo. Estas se fundamentan, en que tanto residuos vegetales

y animales en el proceso descomposición tiene una participación de importancia. Se propone que

la formación del petróleo es de origen vegetal, aunque su contraparte propone que es de origen

animal. De estas teorías se destacan dos [I.2]:

Teoría vegetal.- La abundancia de algas y otras plantas marinas permiten tener la

creencia de que hay suficiente material para formar petróleo después de su correcto

procesamiento. Dado que en bahías cerradas, pantanos, etc. se dan las condiciones

como temperatura, presión y el tiempo que se necesita.

Teoría del Carbón.- Se permitió, por medio de experimentos, llegar a la conclusión

de que por la destilación de ciertos tipos de Carbón como el lignifico y el bituminoso

se obtienen hidrocarburos componentes del petróleo.

Tambien existen teorías inorgánicas que explican el origen del petróleo de una manera química.

Las cuales ocurren por medio de reacciones y no intervienen agentes vegetales y/o animales.

Dentro de estas teorías destacan [I.3]:

Capítulo I 3



Teoría del carburo.- Fundamentada con experimentos de laboratorio mediante los

cuales, carburos de Calcio, Hierro y otros elementos, en la presencia de agua,

producían hidrocarburos.

Teoría a base de carbonato de Calcio, sulfato de Calcio y agua caliente.- Esta

apoya la idea de que tanto el carbonato y el sulfato de Calcio, ambos elementos de

gran abundancia en la tierra, pueden producir constituyentes del petróleo

reaccionando con agua caliente.

El término petróleo se emplea generalmente para designar los compuestos resultantes de la

combinación química del Carbón y el Hidrógeno. Estos compuestos se pueden encontrar en

forma líquida, gaseosa, semisólida y sólida. En estado líquido se pueden presentar petróleo de

varios tipos [I.4]:

Liviano.

Mediano.

Pesado.

Extra pesado.

Estas combinaciones al natural del de Carbón e Hidrógeno posteriormente son sometidas a

procesos específicos para así obtener un gran número de derivados. De acuerdo al tipo de

petróleo, ya sea liviano mediano, pesado o extra pesado tienen características físicas y químicas

que ayudan a diferenciarlos. Estas son [I.5]:

Color.- Los crudos, por transmisión de la luz solar, pueden tener color amarillo pálido,

tonos de rojo y marrón y algunos llegan al negro. Por reflexión de luz las diferentes

tonalidades pueden ir de verdes, pasando por amarillos con tonos azules, hasta

marrones o negros. Los crudos livianos pueden llegar a tener un color blanquecino

lechoso y suele utilizarse en el campo como gasolina cruda. Mientras que los crudos

pesados y extra pesados son negros casi en su totalidad.

Olor.- El olor, en general, es como el de gasolina o cualquier derivado de este. Al

contener Azufre, se torna fuerte y hasta repugnante. Algunos vapores que pueden

Capítulo I 4



desprenderse, pueden mortíferos, como los que emanan cuando hay presencia sulfuro

de Hidrógeno.

Densidad.- En general, debido a las diversas características del petróleo se estableció una

manera de medir su densidad. Esta es llamada grados API (American Petroleum

Institute). Estos denotan la relación correspondiente de peso específico y la fluidez de

los crudos con respecto al agua. La industria petrolera ha adoptada esta escala para

realizar la comparación y clasificación de los diferentes tipos de crudos que existen.

La ecuación general de los grados API es la siguiente.

𝑨𝑷𝑰 =141.5

𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎− 131.5 I.1

La clasificación de los tipos de crudos es prácticamente la misma a nivel internacional y es la que

se muestra en la Tabla I.1:

Tabla I.1.- Grados de densidad API [I.5]

Tipo de crudo API

Extra pesados 16°

Pesados 21.9°

Medianos 22.0° a 29.9°

Livianos 30° -

Sabor.- Esta propiedad toma relevancia únicamente cuando el contenido de sal es alto.

Esto conlleva a que el crudo tiene que ser tratado para dejar el contenido de sal al

mínimo.

Índice de refracción.- Se define como la relación de la velocidad de la luz al pasar de un

cuerpo a otro. Los hidrocarburos generalmente tienen valores de 1.39 a 1.49.

Coeficiente de expansión.- Entre 0.00036°C-1 y 0.00096 °C-1.

Punto de ebullición.- Este no es constante, esta puede variar de la temperatura

atmosférica hasta por arriba de 300° C.

Punto de congelación.- Varía desde 15.5°C hasta -45°C. Esto dependerá del tipo de

crudo y de sus propiedades.

Capítulo I 5



Poder calorífico.- En BTU/libra puede ser de 15.350 a 22.000.

Calor específico.- El promedio de los crudos es de 0.45.

I.2.- Exploración

El término de exploración en la industria petrolera, define al conjunto de actividades, tanto en

campo, como en oficinas, para para la búsqueda y localización de yacimientos petroleros. Estos

métodos se pueden definir en directos e indirectos [I.6].

Indirectos.- Se adquieren datos del subsuelo desde la superficie y solo se forman

hipótesis de sus formaciones, clasificación de rocas, etc.

Directos.- Se derivan del análisis directo de muestras obtenidas del lugar de

exploración mediante diversas técnicas.

El proceso de exploración inicia con reconocimiento de la superficie. Posteriormente, se realizan

estudios sismológicos y determinar si existe petróleo. Con la información obtenida se perfora el

primer pozo, pozo exploratoria, para así confirmar la presencia o no de hidrocarburos.

I.2.1.- Ingeniería de yacimientos

La Ingeniería de yacimientos se pude definir como; la aplicación de métodos y principios

científicos para el estudio del comportamiento de los yacimientos, para así, al ser explotados, se

obtengan la mayor ganancia posible [I.7].

I.2.2.- Yacimientos de petróleo

Los yacimientos se pueden definir como la parte dentro de una trampa que contiene petróleo, gas

o ambas. Se encuentran conectados mediante un solo sistema hidráulico. Algunos yacimientos se

encuentran conectados a grandes masas de agua denominados acuíferos [I.8].

I.2.3.- Roca madre madura

Se trata de materia orgánica con un alto contenido de bacterias con partículas de roca. Después de

un complejo proceso físico-químico que ocurre en el centro de la Tierra, donde restos de seres

vivos se asentaron en los mares junto con arena y arcillas, se forman varias capas a lo largo de la

Capítulo I 6



costa y del fondo oceánico. Para que se genere el petróleo, estas arcillas con restos de seres vivos,

se necesita que maduren por acción de presión y temperatura [I.9].

I.2.4.- Roca yacimiento

La roca yacimiento debe de tener dos características principales: porosa y permeable. El concepto

de porosidad es básico para la estimulación de reservas. Tiene sus fundamentos en la forma en

como los granos estas distribuidos, la forma en como hacen contacto y que materiales los unen.

La porosidad se puede definir como la relación entre el volumen poroso y el volumen total de la

roca [I.10]:

∅ =𝑉𝑝

𝑉𝑡 I.2

Donde Vp es el volumen poroso y Vt es el volumen total. Durante el proceso de sedimentación,

algunos de los poros desarrollados pudieron haber quedado aislados. Es decir, habrá poros que

estén conectados y otros aislados. Esto conlleva a que se puede clasificar a la porosidad en:

Absoluta.- Esta considera que el volumen poroso de roca esté interconectado o no.

Una roca puede tener porosidad absoluta y no tener conductividad de fluidos debido a

la falta de conexión entre los poros.

Efectiva.- Esta porosidad relaciona el volumen poroso interconectado con el volumen

bruto de la roca. Al contrario de la absoluta, este tipo de porosidad es una indicación

de la habilidad de conducir fluidos de la roca.

Algunos autores, definen un tercer tipo de porosidad, porosidad no efectiva, que es la diferencia

que existe entre la absoluta y la efectiva (Figura I.1) [I.11].

Figura I.1.- Representación de la porosidad en una roca [I.12]

Capítulo I 7



La permeabilidad dentro de la roca yacimiento se pude definir como la habilidad de permitir el

flujo de fluido dentro de espacios porosos interconectados [I.13].

Figura I.2.- Representación gráfica sobre la ley de Darcy

De acuerdo con Henry Darcy, en 1956 dedujó la fórmula que puede definir esta capacidad y se

puede enunciar de la siguiente manera; la velocidad de un fluido es proporcional al gradiente de

presión e inversamente proporcional a la viscosidad de este [I.14]:

𝑘 =𝑞𝜇𝐿

𝐴∆𝑃 I.3

Donde k es la permeabilidad, µ es la viscosidad en la dirección de recorrido del fluido, L denota

la distancia recorrida del fluido, A es la sección transversal del contenedor, P representa a la

diferencia de presión y q es la tasa de producción.

I.2.5.- Proceso de migración

Aunque no es bien conocido, la generación del petróleo en conjunto con los cambios de volumen

de la roca, pueden llegar a provocar altas presiones en puntos específicos. Esto ocasiona micro

fracturas que proporcionan una vía de escape en la roca yacimiento. Este proceso se realiza en

dos ambientes; la migración primaria que se da a través de la roca madre y la migración

secundaria que se da a través de la roca yacimiento [I.15].

I.2.6.- Trampas

El petróleo se encuentra acumulado en estructuras geológicas, las cuales se denominan trampas,

estas generalmente se clasifican en tres tipos [I.16]:

P2

q

A

L

Viscosidad µ

P1

q

Capítulo I 8



De tipo estructural.- Estas son generadas debido a plegamientos y fallas.

De tipo estratigráfico.- Provocadas por cambios en la secuencia de los estratos.

De tipo combinado.- Resultado de plegamientos y cambios de porosidad.

I.2.7.- Sello permeable [I.17]

Es la barrera impermeable que limita la trampa y detiene que escape petróleo hacia la superficie.

I.3.- Perforación

El cavar en la tierra para encontrar agua, es una práctica que se lleva a cabo desde tiempos

remotos. En algunas ocasiones, se encontraba con acumulaciones de petróleo. Antiguamente, el

petróleo carecía de un valor. Fue hasta el año de 1859 en Estados Unidos de América, cuando se

comenzó a utilizar al petróleo como fuente de energía y cavar estos pozos. Hallar petróleo se

volvió en proceso de tecnología muy elevada [I.18]

I.3.1.- Perforación a percusión [I.19]

Este método es conocido como a cable, fue el primero que se utilizó en la industria petrolera. Se

hacía uso de una barra de un diámetro y peso específico. Sobre esta se enroscaba una sección

metálica que aportaba mayor peso, rigidez y estabilidad. En la parte superior de esta barra se

colocaba un percutor, al tope de este se conectaba el cable de perforación (Figura I.3).

Figura I.3.- Perforación a percusión

Capítulo I 9



El principio de este método era subir estas herramientas para después dejarlas caer de una forma

violenta y repetitiva, que como resultado ocasiona el rompimiento de las rocas y genera más

profundidad en el hoyo que se está cavando. Este método era considerado el mejor para

perforaciones con poca profundidad y sobre roca dura. Sin embargo, el proceso es lento y en

formaciones blandas la efectividad de la barra disminuye considerablemente. Como esta

perforación se realiza en seco, este método no ofrece un sostén para la pared del pozo. Aunque

rustico, este fue utilizado hasta la primera década del Siglo XX, hasta que se desarrolló el método

de perforación rotatoria.

I.3.2.- Perforación rotatoria [I.20]

Utilizado por primera vez en 1901 y desarrollado por el capitán Anthony F. Lucas, quien era un

pionero de la industria como explorador. Con innovaciones que lo hacen muy diferente del

sistema a percusión. Sin embargo, el principio básico de funcionamiento es el mismo que el

método de percusión (Figura I.4).

Figura I.4.- Perforación rotatoria

Las innovaciones más marcadas en este tipo de perforación son la implementación de elementos

como:

Planta de fuerza motriz.- La potencia de esta debe de ser suficiente para satisfacer la

demanda del sistema de izaje del sistema rotatorio y del sistema de circulación del

Capítulo I 10



fluido de perforación. Esta consiste generalmente de uno o más motores para as tener

una mayor flexibilidad de intercambio y aplicación de potencia. Durante la

perforación, la potencia debe de distribuirse entre el sistema rotatorio y el de

circulación de fluido de perforación. Se puede emplear una planta de tipo mecánica,

eléctrica o la combinación de ambas. Generalmente se utiliza gas natural como

combustible.

Sistema de izaje.- La función esencial de este sistema es básicamente la introducción de

la sarta de tubos que reviste la pared del hoyo. Para esto, se requiere de un sistema

robusto con la potencia suficiente para realizar las operaciones sin poner en ningún

tipo de riesgo, tanto al personal, como al equipo de operación. Dentro de este sistema

se encuentran componentes principales como:

Malacate.- Actúa como centro de distribución de potencia para el sistema de izaje

y el sistema rotatorio. La función del carrete principal es la de devanar y

mantener enrollado el cable de perforación. La función de los ejes auxiliares es

enroscar y desenroscar la tubería de perforación y la de revestimiento o para el

manejo de tubos u otros implementos. Su peso puede ser desde 4.5 hasta 3.5

toneladas, de acuerdo con la capacidad de perforación.

Cable de perforación.- Este es el que se devana y desenrolla del carrete del

malacate. Consta generalmente de seis ramales torcidos que a su vez cada uno

está formado por 6 o 9 hebras. Estos cubren el alma del cable que puede ser de

fibras de acero. Este cable debe resistir grandes fuerzas a tensión, desgaste.

Además de ser resistente a la corrosión, abrasión y debe ser flexible. El diámetro

de los cables va de los 22 a los 44 mm. Esto varía de acuerdo a las características

que se requieran.

Cabría de perforación.- Fabricadas en dos tipos; portátil y autopropulsada. Su

principal función es el de perforar, reacondicionar y limpiar los pozos. La altura

de la cabria puede variar desde 26 hasta 46 metros. Se coloca una plataforma a

1/3 de la altura total donde se lleva a cabo el proceso de introducir y sacar la

sarta de perforación. La cabria debe ser resistente, ya que debe resistir vientos de

hasta 160 km/h.

Capítulo I 11



Aparejo.- Al usar este dispositivo, se busca obtener una mayor ventaja mecánica al

subir o bajar las tuberías utilizadas.

El sistema de rotación es parte esencial de la sarta de perforación, ya que es por medio de sus

componentes que se cava el hoyo. Este sistema se compone de los siguientes elementos:

Figura I.5.- Sistema de rotación

Junta giratoria

Motores

Sarta de

perforación

Barrena

Malacate

Cuadrante

Junta Kelly

Mesa rotativa

Capítulo I 12



Mesa rotatoria.- Instalada en el centro del piso de la cabria, desempeña dos funciones

principales; dar el movimiento rotatorio a la sarta de perforación y sostener su peso al

momento que se le enrosca otro tubo para dar mayor profundidad al pozo. Teniendo

que resistir tanto cargas estáticas, como de rotación, se construye de una manera

rigida, las dimensiones de esta varían en relación a las especificaciones requeridas.

Junta Kelly.- Es una sección tubular que generalmente tiene una configuración cuadrada,

hexagonal o redonda. Se denomina así debido a su creador. Básicamente, su función

es transmitir el movimiento rotatorio de la mesa rotatoria a la sarta de perforación.

Sarta de perforación.- Está formada por un conjunto de tubos de acero. En el extremo

inferior se encuentra la sarta de las trabarrena y en el otro extremo se encuentra la

barrena de perforación. Recibe todo el movimiento rotatorio de la mesa rotatoria por

medio de la junta Kelly. La sarta se compone principalmente de: la barrena, los lastra

barrena, la sarta de perforación y la junta Kelly. Los componentes se seleccionan de

acuerdo a las características de la roca del yacimiento y del tipo de perforación que se

esté llevando a cabo. Esto determinará si la sarta será flexible, normal, rígidas o con

estabilizadores.

Barrena.- Con un diámetro especifico determinado por la apertura del hoyo que se quiera

tener. Estos pueden ir de 610 a 1068 milímetros o de 24 a 42 pulgadas. Su

funcionamiento es con base en dos principios: romper la roca venciendo sus esfuerzos

de corte y de compresión. El ataque de la barrena inicia con la incrustación de los

dientes en la roca y su posterior avance en esta. De ahí surgen dos tipos que son los

principales; de dientes y de arrastre. Las patentes de las primeras barrenas surgieron en

1901. Los tipos más utilizados en la industria petrolera se clasifican en; tricónicas, de

cortadores fijos y especiales (Figura I.5).

Capítulo I 13



Figura I.6.- Tipos de barrenas. a) Tricónica. b) Fijos. c) Especiales.

I.3.3.- Proceso de perforación [I.21 a I.23]

El equipo de perforación representa el fin del proceso de exploración, donde se define a la

perfección el mejor lugar a perforar. Se detalla un plan a seguir en cada una de sus fases, se

establecen criterios como la localización del pozo, su profundidad, el tamaño de la barrena a

utilizar, los tipos de lodos a encontrar, etc. Por lo regular se contrata una compañía de

perforación, la cual provee del equipo y la cuadrilla de operarios.

Se desplaza el equipo hacia la ubicación del lugar a perforar, se inicia con el montaje del equipo

como lo es la tubería guía que regularmente se suelda entre sí. El extremo superior de esta se fija

un cabezal de pozo. Los operarios hacen la instalación de la barrena de perforación, los lastra

barrenas, los estabilizadores y en algunos casos rectificadores. Este conjunto baja por el interior

de la tubería guía hasta que se enrosca al elemento tubular superior de la columna de perforación,

este se inserta en la junta Kelly y finalmente se acopla a la unidad rotativa.

La mesa rotatoria comienza a girar, así como la sarta de perforación, es aquí cuando inicia la

perforación. A medida que la barrena penetra, se va añadiendo más tramos a la columna de

perforación, por lo tanto la sarta de perforación se vuelve más larga. Con la finalidad de lubricar

y enfriar la barrena se bombea líquido de perforación. Este transporta los restos de rocas que se

encuentren en el fondo del pozo, generalmente es agua con barita en polvo y otros aditivos.

Mediante bombas se extrae el lodo que se pudo haber formado en el pozo y se envía por la

columna de perforación. El fluido de perforación es vital para mantener el control del pozo. Lo

que se bombea en el fondo sirve para compensar los incrementos de presión del fondo de pozo,

a) b) c)

Capítulo I 14



que de otro modo obligarían a los fluidos de formación a ingresar en el pozo. Lo cual produciría

un golpe de presión y hasta un reventón.

Las superficies de corte que se encuentran en la barrena sufren un desgaste gradual debido a la

acción de triturar la roca. Este disminuye la velocidad de penetración, por lo cual se debe de

reemplazar cada cierto tiempo. Esta acción requiere de una serie de pasos específicos a seguir y

envuelve a casi todos los operarios. La mayoría de los pozos necesitan una forma de evitar el

colapso para que se pueda seguir perforando. La tubería de revestimiento es la encargada de esto.

Esta es bajada por un grupo de operarios hasta el fondo del pozo. Se debe tener la seguridad de

que existe la separación correcta entre la tubería y la formación para permitir el paso del cemento.

La integridad de la operación de cementación se evalúa mediante la ejecución de una prueba

llamada de pérdida de fluido.

I.4.- Regiones petroleras del territorio nacional

Los recursos petroleros hacen referencia a todos los volúmenes de hidrocarburos que se estiman

en el subsuelo. Aunque desde el punto de vista de explotación únicamente se refiere a la parte

potencialmente recuperables. A estas porciones recuperables se les denomina recursos

prospectivos, recursos contingentes o reservas. Los recursos prospectivos es el volumen de

hidrocarburos estimado hasta cierta fecha, de acumulaciones que aún no han sido descubiertas,

pero que se estiman como potencialmente recuperables. Para cuantificarlos se hace uso de la

información geológica y geofísica del área. Los recursos contingentes se refieren a las

acumulaciones potencialmente recuperables de acumulaciones conocidas [I.24]. Las reservas son

las cantidades que se pretenden recuperar para su comercialización. Estas deben de ser

descubiertas, recuperables, comerciales y que sean sustentables. Existen diferentes categorías de

reservas, estás de acuerdo al nivel de certidumbre asociado a las estimaciones [I.25]:

Probadas.- Son cantidades estimadas de aceite, gas y líquidos del gas natural que

demuestran que serán recuperadas comercialmente en el futuro.

Desarrolladas.- Son las que se espera se recuperen de pozos existentes.

No desarrolladas.- Se espera su recuperación a través de pozos nuevos en áreas no

perforadas.

No probadas.- Son volúmenes de hidrocarburos evaluados a condiciones

atmosféricas.

Capítulo I 15



Probables.- Son aquellas no probadas que gracias a la información geológica y de

ingeniería del yacimiento son más factibles de ser comercialmente recuperables.

Posibles.- Son las que su recuperación comercial es menos factibles debido a la

información geológica y la ingeniería del yacimiento.

México cuenta con 4 zonas donde se encuentran estas reservas y que son de gran importancia en

la producción petrolera [I.26], las cuales se presentan a continuación (Figura I.6):

Región Marina Noreste.- Incluye parte de la plataforma continental y el talud del Golfo

de México, con una superficie de cerca de 166,000 kilómetros cuadrados. Constituida

principalmente por los activos:

Cantarell.

Ku-Maloob-Zaap.

La producción promedio diaria durante el 2011 fue de 1,342.7 miles de barriles de

aceite y 1,405.6 millones de pies cúbicos de gas natural.

Región Marina Suroeste.- Ubicada en aguas marinas de la plataforma y talud

continental del Golfo de México. Su superficie es de 352,390 kilómetros cuadrados.

Dentro de esta región se encuentran los activos:

Abkatún-Pol-Chuc

Litoral de Tabasco

Al 1 de enero del 2012, se registra una reserva probada de 2,115.5 millones de barriles

de petróleo crudo equivalente, es decir, 15.3% del total nacional.

Región Norte.- Posee la mayor extensión de territorio, la cual se extiende a 27 estados e

incluye 1.8 millones de kilómetros cuadrados. La región se compone por cuatro

activos:

Aceite terciario del Golfo.

Burgos.

Capítulo I 16



Poza Rica-Altamira.

Veracruz.

Esta región es la que opera el mayor número de campos y por ende la que registra

mayor actividad del país. Durante el 2011, produjo un volumen de 42.4 millones de

barriles de aceite. En este periodo,la cifra de pozos terminados ascendió a 844.

Región Sur.- Con una superficie de 390,000 kilómetros cuadrados, colinda al Norte con

el Golfo de México. Esta región comprende 8 estados: Guerrero, Oaxaca, Veracruz,

Tabasco, Campeche, Chiapas, Yucatán y Quintana Roo. Consta de cuatro activos:

Bellota-Jujo.

Cinco Presidentes.

Macuspana-Muspac.

Samaria-Luna.

El Activo Macuspana-Muspac posee el mayor número de campos con 56, seguido del

Activo Bellota-Jujo con 31 campos. Mientras que los activos Cinco Presidentes y

Samaria-Luna son los que menos campos administran con 21 y 13, respectivamente.

La Región Sur produjo en 2011, 193.7 millones de barriles de aceite y 617.7 miles de

millones de pies cúbicos de gas natural. Lo que representó una producción diaria de

530.6 miles de barriles de aceite y 1,692.3 millones de pies cúbicos de gas natural.

Estas cifras significaron, a nivel nacional, 20.8 y 25.7 por ciento de las producciones

de aceite y gas natural.

Capítulo I 17



Figura I.7.- Regiones petroleras de la república Mexicana.

a) Región Marina Noreste. b) Región Marina Suroeste. c) Región Norte. d) Región Sur.

I.5.- Estimulación de pozos petroleros maduros

Una fuente atractiva para la extracción de petróleo yace en los campos petroleros que ya existen,

estos son llamados pozos maduros. Con el paso de los años, los campos petroleros maduros

seguirán existiendo y aumentará el número de estos. Los yacimientos se explotan, como máximo

al 40%. Por esta razón, los yacimientos son abandonados. Antes de utilizar un método de

recuperación mejorada, se realiza un estudio del yacimiento para obtener las características

necesarias para así decidir si es factible o no la implementación de esta tecnología [I.27]. La

estimulación de un pozo maduro se puede definir como los procesos a los cuales se crean para

facilitar el flujo del fluido en un pozo. El objetivo principal es el aumento de producción de

petróleo y/o la optimización de patrones de flujo. Esta ha llegado a ser una práctica común,

actualmente se puede decir que todos los pozos han sido estimulados por lo menos una vez. Esta

práctica se ha llevado a pozos de agua, de vapor, etc. [I.28].

c) d)

a) b)

Capítulo I 18



I.5.1.- Recuperación de petróleo

La recuperación de petróleo principalmente se dividen en 3 [I.29]; recuperación primaria,

secundaria y terciaria. El petróleo crudo carece de la habilidad de salir de los poros de la roca en

la que se encuentra. La extracción del petróleo se logra mediante el empuje con otro fluido como

el gas o el agua. A este proceso se le llama desplazamiento.

Recuperación primaria.- Es el desplazamiento que impulsa al petróleo es por medio de

la energía natural que se encuentra ya dentro del yacimiento. Este tipo de producción

utiliza las fuentes de energía presentes en el pozo como lo son; empuje por agua, por

gas en solución, la expansión de la roca y los fluidos, empuje por capa de gas y

drenaje por gravedad.

Empuje por agua.- Este tipo de recuperación se da cuando el yacimiento está

conectado hidráulicamente a una roca con porosidad saturada con agua. Este tipo

de roca se suelen llamar acuíferos, puede estar debajo de todo el yacimiento o

solamente bajo una parte. Por lo general, el agua se encuentra comprimida. Sin

embargo, al momento de recuperar el petróleo, el volumen de agua se expande

empujándolo.

Empuje por gas en solución.- Bajo ciertas condiciones de presión y

temperatura, existen yacimientos que contienen gas disuelto. De igual manera

que el empuje por agua. Este método de recuperación ocurre al momento de la

extracción del petróleo, ya que el gas se desprende y empuja el petróleo.

Expansión de la roca y de fluidos.- Se denomina petróleo subsaturado cuando

este contiene una cantidad menor de gas al que se necesita para saturar al

petróleo a la presión y temperatura del yacimiento. La energía del yacimiento se

almacena por la compresibilidad que posee tanto la roca como los fluidos. Al

extraer el petróleo, la presión declina, entonces el empuje por gas es el

encargado de desplazarlo.

Empuje por capa de gas.- Este método de recuperación se da cuando el

yacimiento cuenta con una capa de gas muy grande. En esta se almacena una

gran cantidad de energía. Se libera después de comenzar la extracción de

petróleo. Este tipo de pozos pueden contener una porción de agua en el fondo, lo

Capítulo I 19



cual permite el uso de un método de recuperación combinado entre la inyección

de gas y agua.

Drenaje por gravedad.- Es principalmente usado en yacimientos de gran

espesor. Es un proceso muy lento ya que el gas debe migrar al tope del

yacimiento para llenar el volumen que ocupa el petróleo y posteriormente crear

otra capa de gas.

Recuperación Secundaria.- Principalmente se fundamenta en la inyección de agua y/o

gas. La inyección de estos fluidos ayuda al desplazamiento del petróleo. En el caso del

gas, se inyecta para mantener la presión, también se puede inyectar dentro de la

columna de petróleo para lograr el desplazamiento inmiscible de este. Debido a que no

es muy eficiente, es muy poco utilizado en la actualidad.

Inyección de agua.- El primer patrón de flujo que recibió el nombre de invasión

circular, consistía en la inyección de un solo pozo el fluido invadía los pozos que

se encontraban en la periferia. Estos se convertían en inyectores lo que creaba un

frente circular. Posteriormente, este patrón se cambió a un método donde se

alternaban dos filas de pozos productores por una de pozos inyectores de agua.

Con base a la posición de los pozos productores y los inyectores, la inyección de

agua se puede llevar a cabo de dos maneras.

Inyección externa.- Se inyecta el agua fuera de la zona del petróleo

principalmente en los flancos del yacimiento.

Inyección dispersa.- La inyección se lleva a cabo dentro de la zona del petróleo.

La invasión por el agua ocasiona que los fluidos del pozo, como el petroleó y/o

gas se desplacen.

Inyección de gas.- Este fue el primer método que se sugirió para la recuperación

adicional de petróleo. Al inyectar el gas al pozo petrolero, la energía del yacimiento

aumentaba y desplazaba el petróleo. Existen diversos factores como las propiedades de

los fluidos que se encuentren dentro del yacimiento, el tipo de empuje, la geometría

del yacimiento, las propiedades de la roca, la temperatura y presión del yacimiento, los

cuales que determinan la cantidad de petróleo que puede obtenerse mediante esta

Capítulo I 20



técnica. De la misma manera que la inyección de agua, la del gas se puede clasificar en

dos.

Inyección de gas interna.- El gas se inyecta directamente en la zona donde se

encuentra el petróleo. Generalmente se aplica en yacimientos que cuentan con

empuje por gas en solución o en aquellos que no cuenten con una capa de gas

inicial. El gas inyectado previamente emerge a la par que el petróleo.

Inyección de gas externa.- Se inyecta el gas en la cresta dela estructura donde

se encuentra la capa de gas, generalmente se usa en yacimientos de gran relieve

para permitir que la capa de gas desplace el petróleo.

Recuperación mejorada.- La recuperación mejorada (Enhanced Oil Recovery) es el

conjunto de procesos utilizados para la recuperación de una cantidad mayor de

petróleo en un yacimiento de lo que se logra únicamente con la recuperación primaria

y secundaria. Básicamente, estos métodos consisten en la inyección gases y de

químicos líquidos y/o el uso de la energía térmica. Los químicos más utilizados en

estos procesos son el Nitrógeno, gases de combustión, CO2 e hidrocarburos gaseosos.

Por otra parte los métodos térmicos utilizan el vapor o agua caliente. Existe también la

generación in situ, esta se deriva de la combustión de petróleo en el yacimiento. Este

tipo de recuperación está presente en países productores de petróleo como Venezuela,

U.S.A., Indonesia, Venezuela, Canadá, entre otros.

De este tipo de recuperacion adicional de petróleo se pueden destacar 2 tipos principalmente;

térmicos y no térmicos. Esta división se fundamenta en el tipo de petróleo con el cual el método a

emplear será el más efectivo. El primero es más efectivo con petróleos de tipo pesado mientras

que el segundo es más apropiado con petróleo ligero. Esto no quiere decir que no funcione con

petróleos pesados pero la efectividad es mucho menor.

Métodos no térmicos.- En este tipo de métodos se pueden incluir principalmente

procesos químicos y los miscibles, dentro de este tipo de métodos de recuperación se

encuentran principalmente:

Capítulo I 21



Invasión con polímeros.- Modificación de la inyección de agua, básicamente es

añadir al agua con la que se inyectará el pozo, una cantidad de polímeros que va

desde 200 hasta 1000 ppm. Esta solución posee gran viscosidad y es gracias a

esta propiedad que la movilidad agua petróleo mejora considerablemente.

Invasión con surfactantes.- Los surfactantes son básicamente compuestos

orgánicos derivados del petróleo, que mezclados a bajas concentraciones de agua

su tensión interfacial baja. Esta condición ayuda a que el petróleo atrapado se

haga móvil y así lograr su desplazamiento por el fluido que se haya inyectado.

Invasiones alcalinas.- Es un método donde se emplea un proceso de

emulsificacion. Se requiere la adición en el agua de sustancias como el hidróxido

de Sodio y así lograr un reacción con los ácidos orgánicos del petróleo para que

se generen surfactantes y se provoque el mismo efecto que en la invasión

anterior.

Inyección de espuma.- Esta se da mediante una acumulación de gas que están

separadas por películas de líquidos. Se inyecta aire, agua y un agente químico

para estabilizar. La inyección de la espuma en la porosidad de las rocas crea

interfaces elásticas, las cuales generan una fuerza que actúa como pistón sobre el

petróleo que es desplazado.

Desplazamientos miscibles.- Estos se dan al inyectar un agente que desplace el petróleo

y que sea miscible con este. La tensión interfacial entre ambos fluidos es nula. Por lo

tanto, el desplazamiento del petróleo se asegura en un 100% por los poros donde el

agente inyectado pase. Este desplazamiento puede ser de primer contacto como el que

ocurre entre hidrocarburos, el dióxido de Carbón y el Carbón. Son usados también

como agentes miscibles de desplazamiento en condiciones donde existe una presión

alta y en crudos de gravedad API elevada. De este tipo de desplazamientos, los de

mayor relevancia son:

Proceso de tapones miscibles.- Básicamente el proceso consiste en la inyección

de un solvente líquido que se torna miscible después del primer contacto con el

petróleo. Este tapón se inyecta generalmente en forma alternada con agua. Se

requieren bajas presiones y se puede aplicar en un gran número de yacimientos.

Capítulo I 22



Proceso WAG.- Es un proceso donde ocurre una inyección alternada de agua y

gas creando unos tapones, los cuales se mueven recorriendo la misma ruta en el

yacimiento hasta los pozos productores.

Inyección de Nitrógeno.- Para que se puede hacer uso de este método, el

yacimiento debe contar con ciertas características específicas como; el petróleo

debe ser ligero, debe haber saturación de metano y el yacimiento debe tener una

profundidad igual o mayor a 5000 pies. Al ser inyectado el Nitrógeno, reacciona

con los componentes livianos del petróleo y se forma una vaporización.

Posteriormente se convierte en una solución que es completamente miscible con

el petróleo y así logra desplazarlo.

Métodos térmicos.- Estos métodos son usados principalmente con petróleos viscosos, ya

que con el incremento en la temperatura se reduce esta viscosidad, permitiendo que el

petróleo fluya de una manera más fácil [I.30]. El método más antiguo conocido es el

de los calentadores de fondo, que se remonta al año de 1865 cuyo principal objetivo

era aumentar la temperatura para reducir la viscosidad. Aproximadamente el 60% de la

producción por recuperación mejorada se debe a estos métodos, en específico la

inyección de vapor. Se dividen principalmente en 2 tipos [I.31]:

Inyección de fluidos (agua caliente).- Se inyecta agua caliente a través de un

cierto número de pozos, mientras que por otros se produce el petróleo. Durante

el proceso, las cercanías del pozo inyector se calientan y a su vez parte de ese

calor se pierde hacia formaciones cercanas. El agua que se inyecta tiene una

disminución en su temperatura, la cual se mezcla con la temperatura de los

fluidos del yacimiento. Se genera una zona que se calienta, la cual aumenta y

mejora el desplazamiento y la recuperación final.

Inyección continúa de vapor.- Es un método de empuje con pozos de inyección

y de producción. El vapor se inyecta de una manera continua. Posteriormente

genera una zona de vapor, el cual se condensa y donde se condensa los

hidrocarburos que estén presentes lo harán de igual manera. Como resultado hay

una reducción en la viscosidad del petróleo, sumándose también que se da un

Capítulo I 23



Vapor

Vapor

condensado

Inyección de vapor

Petróleo

a)

desplazamiento más eficiente. Este método proporciona una mayor extracción de

petróleo en comparación con la inyección de agua caliente.

Inyección cíclica de vapor.- Este método consiste en la inyección de una

cantidad de vapor importante directamente al pozo. Esta fase va de 1 a 3

semanas. Posterior a la inyección de vapor, se procede a una fase de remojo, la

cual permite la transferencia de calor al yacimiento. Este proceso se repite hasta

que se calienta un volumen considerable. Por último el vapor inyectado después

de haber calentado el petróleo lo diluye, y lo desplaza hacia los pozos de

producción.

Figura I.8. Inyección cíclica de vapor.

a) Fase de inyección. b) Fase de remojo. c) Fase de extracción

Este método es aplicado en yacimientos con petróleo pesado para aumentar la tasa de extracción

durante la producción primaria [I.32].

Producción

Petróleo

Petróleo calentado

Vapor

condensado

Petróleo

calentado

Vapor

condensado

Petróleo

c)

b)

Capítulo I 24



Pozo productor

Cámara de vapor

Bitumen caliente

Pozo inyector

Drenaje por gravedad asistido con vapor (SAGD).- Este método consiste en la

inyección de vapor directamente a un pozo horizontal, esto crea una zona caliente. El

petróleo calentado se desplaza hacia un pozo paralelo inferior y finalmente es

producido. La cámara de vapor creada se mantiene a una presión constante durante

todo el proceso y está rodeada por arena petrolífera fría, lo cual hace que el vapor se

condense. Esto permite que el petróleo drene por gravedad [I.33].

Figura I.9.- Representación método SAGD

Combustión IN-SITU.- Consiste en la combustión del petróleo presente en el pozo. Esto

genera una alta eficiencia térmica. Se inyecta aire, el Oxígeno contenido en ese aire

oxida al petróleo generando calor, monóxido de Carbón, dióxido de Carbón y agua. De

acuerdo a la reactividad del petróleo, se puede generar la ignición de este o se puede

hacer uso de un calentador para provocarla. El calor generado de la combustión del

petróleo reduce su viscosidad, mejorando su movilidad. Existen tres tipos de

combustión:

Convencional.- La zona de combustión avanza en la misma dirección que los

fluidos.

Capítulo I 25



En reverso.- La combustión se mueve en dirección contraria a los fluidos.

Húmeda.- Se inyecta agua en forma alternada con aire. Se crea vapor lo cual

permite utilizar de una mejor manera el calor y reduce los requerimientos de

aire.

1.6.- Planteamiento del problema

Con base en la revisión de la literatura existente de cada uno de los métodos de recuperación

mejorada, la tesis “Diseño y análisis numérico de las características mecánicas de un quemador

prototipo como parte de un generador de vapor de fondo de pozo para recuperación de crudo”

[I.33] y la colaboración de las instituciones involucradas en el proyecto SENER-CONACYT

denominado Sistema Integral para la Generación de Vapor en Fondo de Pozo (147061) , se llegó

a la conclusión de que los métodos térmicos son los que han presentado una mejor solución a la

problemática que enfrenta el sistema petrolero nacional con relación a los hidrocarburos.

El problema es claro, se necesita aumentar las reservas del petróleo en México de una manera

integral y efectiva. Los métodos actúales de recuperación mejorada presentan una oportunidad de

importancia para resolverlo. Sin embargo, México aún no cuenta al 100% con esta tecnología, se

han dado casos donde se han realizado pruebas de la factibilidad del uso de estas técnicas de

recuperación mejorada como la ocurrida en el campo Samaria Neógeno en el 2009, donde se

realizaba una inyección cíclica de vapor. Se hizo la perforación de 8 pozos de diferentes

geometrías para su estudio. Se realizó un análisis en frio de la producción por un periodo de seis

meses para después realizar la inyección de vapor, inyectando 5,000 toneladas de vapor a cada

pozo por un periodo mínimo de 18 meses. Al inyectar el primer ciclo de vapor, la producción

tuvo un incremento de más de 1,000 BPD por día. Estos resultados muestran que la aplicación de

un método térmico para el recobro adicional del petróleo es factible. [I.34]

La aplicación de un método que implica la inyección cíclica de vapor aunque es factible, tiene

limitaciones tales como la profundidad del pozo, ya que entre más profundo, se presentan más

perdidas de energía durante el flujo del vapor. A lo largo de los años, la inyección de vapor

únicamente se ha dado con equipo ubicado en la superficie del pozo. Sin embargo la tecnología

ha ido avanzando en este campo permitiendo la implementación de otras alternativas de

inyección, como lo es la generación de vapor en fondo de pozo. [I.35]

Capítulo I 26



La generación de vapor en el fondo de pozo es un concepto desarrollado por la empresa Sandia

National Laboratories, la cual fue la iniciadora del desarrollo de estas tecnologías. La principal

ventaja de este método es la reducción de las pérdidas de calor, ya que la combustión toma lugar

muy cerca del manto petrolero. El concepto desarrollado por Sandia National Laboratories se

divide en dos partes, un generador de baja presión y uno de alta presión siendo la mayor

diferencia los productos de combustión. En el de baja presión los productos de combustión son

liberados al ambiente y en de alta presión son usados en el proceso. Existen dos tipos de

generadores de vapor; de contacto directo y de contacto indirecto. Para el presente proyecto el

generador de vapor a diseñar será de contacto indirecto, el cual consta de tuberías que

alimentaran oxígeno, agua y el combustible hasta la cámara de combustión en la cual se

producirá la reacción química que liberara la energía necesaria para evaporar el agua que se

inyectara en forma de gotas. Este tipo de recuperación se apoya principalmente en la inyección de

oxígeno, un combustible y agua en el pozo. Para obtener mejores resultados el agua se debe de

atomizar. [I.36]

El diseño de este generador conjunta varias áreas de Ingeniería, desde el diseño mecánico de cada

uno de sus componentes, hasta los análisis numéricos y/o experimentales para asegurar un

funcionamiento óptimo y seguro. El generador de vapor de fondo de pozo consta de los

siguientes componentes:

Líneas de alimentación.

Cabezal de distribución.

Cámara de combustión.

Las líneas de alimentación inyectarán oxigeno (𝑂2), metano como combustible (𝐶𝐻4) y agua

(𝐻2𝑂). Esta última se usara para dos propósitos, su evaporación y como una película protectora

de los componentes del generador. Este trabajo se enfocara en el diseño de un cabezal de

distribución que permita la correcta inyección de los fluidos antes mencionados para la correcta y

segura operación del dispositivo.

Capítulo I 27



1.7.- Metodología de diseño

Para el diseño del cabezal se iniciará con la búsqueda bibliográfica sobre los diferentes métodos

térmicos de recuperación mejorada. Posteriormente, con base en requerimientos especiales,

condiciones de trabajo y la revisión de análisis previos de este sistema, los cuales son planteados

por investigadores del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP)

del Instituto Politécnico Nacional., quienes trabajan de forma conjunta con el Instituto Mexicano

del Petróleo (IMP). Para el diseño de este cabezal se tomaron en cuenta varias condiciones a las

cuales estará sometido; diámetro máximo de 4 in, temperatura y presión de trabajo.

Se generaran diseños conceptuales del cabezal donde se toma en consideración únicamente la

distancia entre las boquillas, la modificación en la geometría para la obtención de la película de

agua y algunos análisis numéricos donde se toma en cuenta la presión de trabajo máxima. Para el

diseño de cada uno de los componentes del cabezal de distribución se seguirá el Código ASME

para el diseño de recipientes sometidos a presión.

Finalmente se realizará un análisis térmico-estructural por medio del Método de Elemento Finito

con ayuda de un programa computacional, el cual nos proporcionará datos de gran relevancia

sobre los esfuerzos que se generaran en el dispositivo, esto para asegurar una correcta y segura

operación.

I.8.- Sumario

La extracción del petróleo toma gran importancia desde 1859, cuando se inició la explotación de

este. Se han llevado acabo grandes avances en la investigación sobre los procesos y

características de los hidrocarburos, para facilitar su obtención. Debido a las divisiones del

petróleo, existen diversas técnicas de recuperación, dentro de estas se encuentra la recuperación

mejorada. Esta recuperación se auxilia de la inyección de químicos al pozo y de procesos

térmicos, esta técnica ha tenido gran auge en los últimos años debido a que se obtienen buenos

resultados. En México, el campo de aplicación de la recuperación mejorada es grande, debido a la

gran cantidad de campos petroleros abandonados y que dentro de los cuales se localizan los pozos

maduros.

Capítulo I 28



I.9.- Referencias

I.1.- Balestrini, C., Economía y Política Petrolera; Volumen 1, Ed. Academia Nacional de

Ciencias Económicas, pp 110-112, 1994.

I.2.- Chow-Pangtay, S., Petroquímica y Sociedad, Ed. La ciencia desde México; No. 39, 1987.

I.3.- Fenneman, N. M., Oil Fields of Texas-Lousiana Gulf Costal Plain, Ed. US Government

Printing Office, pp 114-117, 1906.

I.4.- Instituto Mexicano del Petróleo, Tipos de Petróleo, Página Web., www.imp.mx.

I.5.- Barberii, E. E., El Pozo Ilustrado, Ed. Petróleos de Venezuela S.A., pp 671, 1998.

I.6.- Stoneley, R., Introduction to Petroleum Exploration for Non-Geologists, Ed. Oxford

University Press, pp 1-5, 1995.

I.7.- Rodríguez, J., Ingeniería Básica de Yacimientos, Ed. Universidad de Oriente, pp 98-104,

2007.

I.8.- Escobar, F., Fundamentos de Ingeniería de Yacimientos, Ed. Universidad Sur Colombiana.

Colombia, pp 13-15, 2002.

I.9. - Cornford, C., Source Rocks and Hydrocarbons of the North Sea, Ed. Petroleum Geology of

the North Sea; Basic Concepts and Recent Advances, Fourth Edition, pp 376-390, 1998.

I.10. - Bjørlykke, K. y Avseth, P., Petroleum Geoscience; From Sedimentary Environments to

Rock Physics, Ed. Springer, pp 8-10, 2010.

I.11.- Craft, B. C., Hawkins, M. F. y Pérez-Palacio, R., Ingeniería Aplicada de Yacimientos

Petrolíferos, Ed. Tecnos, pp 445-450, 1977.

I.12.- Escob-Vafai, K., Handbook of Porous Media, Ed. CRC Press, pp 4-5 2009.

I.13.- Halliburton, Recopilación Técnica de Ingeniería de Yacimientos

I.14.- Dandekar, A. Y., Petroleum Reservoir Rock and Fluid Properties, CRC Press, pp 27-31,

2013.

I.15.- de Ferrer, M., Fundamentos de Ingeniería de Yacimientos. Ed. Astro Data, Venezuela,

2010.

I.16.- Hyne, N. J., Nontechnical Guide to Petroleum Geology, Exploration, Drilling, &

Production, Ed. PennWell Books, pp 159-162, 2012.

I.17.- Rodríguez, J., Ingeniería Básica de Yacimientos, Ed. Universidad de Oriente, pp 6-7, 2007.

I.18.- Jimeno, E. L. y Carcedo, F. J. A., Drilling and Blasting of Rocks, Taylor & Francis, pp 1-

2, 1995.

Capítulo I 29



I.19.- Australian Drilling Industry Training Committee Limited, Drilling; The Manual of

Methods, Applications and Management, CRC Press, pp 76-83, 1997.

I.20.- Nguyen J. P., Drilling, Ed. Ediciones Technip, pp 1-10, 1993.

I.21.- Varhaug, M., Un Giro a la Derecha; Una Visión General de las Operaciones de

Perforación, Oilfield Review, pp 61–63, 2011.

I.22.- Bourgoyne Jr, A. T., Millheim, K. K., Chenevert, M. E. y Young Jr, F. S., Applied Drilling

Engineering, Spe Textbook Series Volume 2, 1986.

I.23.-Adams, N. y Charrier, T., Drilling Engineering; A Complete Well Planning Approach, Ed.

PennWell Publishing Company, 1985.

I.24.- Petróleos Mexicanos, Las Reservas de Hidrocarburos en México Publicación 2012, página

Web, www.pemex.com, Diciembre 2013.

I.25.- Petróleos Mexicanos, Reservas de Hidrocarburos. Página Web, www.pemex.com,

Diciembre 2013.

I.26.- Secreteria de Energia, Prospectiva de Petróleo Crudo 2012 – 2006, Página Web,

www.sener.gob.mx, Diciembre 2013.

I.27.- Salager, J. L., Recuperación Mejorada del Petróleo, Ed. Universidad de los Andes,

Venezuela, pp 22-25, 2005.

I.28.- Murillo-Pulido, A., Métodos Alternos de Recuperación Mejorada; Inyección de Aire, Ed.

Universidad Nacional Autónoma de México, pp 3-10, 2012.

I.29.- de Ferrer, M. P., Inyección de Agua y Gas en Yacimientos Petrolíferos, Ed. Astro Data S.

A., Maracaibo, Venezuela, pp 11-32, 2001.

I.30.- Gutiérrez, R., Volumen de Vapor para la Estimulación de Pozos Horizontales; Yacimiento

mfb-53 (Arena u1, 3) Campo Bare, Trabajo de grado Universidad de Venezuela, 2012.

I.31.- Alvarado, D. y Banzer, C., Recuperación Térmica de Petróleo, Caracas, pp 1-22, 2002.

I.32.- Al-mjeni, R., Oman, S. T., Edwards, J., Felber, B. J., Hirasaki, G. J., Miller, C. A. y Lim,

F., ¿Llegó el Momento para la Tecnología EOR?, Oilfield Review, Vol. 6, No. 6, pp 16–35,

2011.

I.33.-García Solís A. E., Diseño y Análisis Numérico de las Características Mecánicas de un

Quemador Prototipo como Parte de un Generador de Vapor de Fondo de Pozo para

Recuperación de Crudo Tesis de Maestría en Ciencia. Instituto Politécnico Nacional. SEPI-

ESIME-Zacatenco. 2013

Capítulo I 30



I.34.- Exploración, P. y Producción, A. I. S. L. Prueba Piloto de Inyección Cíclica de Vapor,

Campo Samaria Neógeno–Primera Etapa, Sección Técnica, Ingeniería Petrolera Vol 52 No 3

2012.

I.35.- Montes Páez, E. G. y Pacheco-Rodríguez, H. D., Aplicación de Nuevas Tecnologías para la

Recuperación de Crudo Pesado en Yacimientos Profundos, Revista de la Facultad de

Ingeniería Fisico-Mecanicas 2012.

I.36. - Ware, C. H., An Evaluation of Alternatives in Downhole Steam Generation, Ed. US

Department of Energy, pp 6-20, 1981.

31



CAPÍTULO II

MARCO

TEÓRICO

Capítulo II 32



II.1.- Recipientes sujetos a presión

Se le considera así a cualquier contenedor cerrado que tenga la capacidad de almacenar algún

fluido a una presión [II.1]. En la vida cotidiana se pueden observar muchos ejemplos de este tipo

de recipientes como tanques de gas, tubos, cabinas a presión en aeronaves, etc. En estos

recipientes, un análisis preciso permite calcular el esfuerzo en cualquier punto.

En general, la magnitud del esfuerzo de un recipiente sometido a presión varía en función de la

posición en la pared. Sin embargo, el hecho de que el recipiente tenga un espesor pequeño en la

pared produce una variación en el análisis insignificante. Tal suposición ayuda a desarrollar un

número de ecuaciones simples para la determinación de este. El criterio a seguir para estrablecer

si un recipiente se puede considerar como de pared delgada es el siguiente:

“Si la relación del radio medio del recipiente a sus espesor de pared es de 10 o mayor, el

esfuerzo es casi uniforme y se puede suponer que todo el material de la pared resiste por igual

las fuerzas aplicadas. A este tipo de recipientes se les denomina de pared delgada” [II.2]

Figura II.1.- Representación radio medio y espesor.

Espesor

Radio medio

Capítulo II 33



Como regla general, los recipientes a presión se consideran de pared delgada cuando la razón del

radio r al espesor de la pared t es mayor a 10, permitiendo determinar los esfuerzos en las paredes

[II.3]. Obviamente, si el recipiente no cumple con el criterio antes mencionado, se considera

como un recipiente de pared gruesa.

Rm

t> 10 Pared delgada II.1

Rm

t< 10 Pared gruesa II.2

II.1.1 Tipos de recipientes

Existen varios tipos de recipientes, los cuales están clasificados de la siguiente manera:

Recipientes a presión

Los de almacenamiento únicamente sirven para la contención de fluidos a presión, mientras que

los de procesos tienen una amplia gama de usos, tal es el caso de intercambiadores de calor,

reactores, etc.

USO

Almacenamiento

De proceso

FORMA

Cilíndricos

Esféricos

Capítulo II 34



Figura II.2.- Recipiente de almacenamiento

Por otra parte, debido a su forma, el principal uso de ambos es el almacenaje de grandes

volúmenes de fluidos a altas presiones, siendo el esférico el más conveniente [II.1].

Figura II.3.- Recipiente de proceso

II.2 Análisis de esfuerzos en recipientes sujetos a presión

Al analizar un recipiente, el objetivo principal es determinar el esfuerzo en su pared para

garantizar la seguridad. Establecer la relación entre las fuerzas externas aplicadas al recipiente así

como también las fuerzas correspondientes. Para iniciar con un análisis de los esfuerzos que

actúan en un recipiente a presión se deben contemplar todas las condiciones de diseño y

posteriormente determinar todas las fuerzas externas relacionadas.

Entonces se relacionaran estas fuerzas externas al recipiente a presión para así encontrar los

esfuerzos a los cuales será sometido. Se deben tomar consideraciones tales como si las cargas

Capítulo II 35



generaran algún efecto a corto o largo plazo o si la aplicación de estas será de una manera

uniforme.

Para tener un análisis completo de como los esfuerzos afectan al recipiente en cuestión o qué tipo

de esfuerzo se está aplicando se determina: [II.4]

La teoría de falla a utilizar.

El tipo de carga.

El posible riesgo que el esfuerzo representa para el recipiente.

Generalmente el esfuerzo se puede categorizar como; esfuerzo primario, secundario y pico.

Esfuerzo primario: Se define como cualquier esfuerzo normal o cortante que sea

consecuencia del agente externo aplicado al recipiente. Este esfuerzo es necesario para

satisfacer el equilibrio entre las cargas internas y externas. Generalmente, este esfuerzo es

resultado de la aplicación de una fuerza mecánica, como lo puede ser una presión.

Esfuerzo secundario: Se origina a través de la auto-contracción de una estructura, la cual

debe satisfacer la deformación o desplazamiento para estar en equilibrio con la fuerza

externa aplicada. Los esfuerzos secundarios son auto-equilibrantes. Su mayor

característica es que se trata de una condición de deformación controlada. Ocurren en

discontinuidades estructurales y pueden ser causados por cargas mecánicas o expansiones

térmicas.

Esfuerzo pico: Este es el esfuerzo máximo producido en una región por una concentración

o por algún esfuerzo térmico. Este esfuerzo puede no causar distorsiones significantes

pero podría causar falla por fatiga. [II.5]

II.3 Teorías de falla

La importancia del esfuerzo radica en su ubicación en el recipiente, así como también en la

relación que tuvo con la última falla del recipiente (en caso de haber existido una). Al paso de los

años, un gran número de teorías han sido desarrolladas a partir de combinar la medición de los

esfuerzos y el modo potencial de falla. Desafortunadamente no existe una teoría de falla universal

que explique un caso general de las propiedades del material y el estado de esfuerzos. El

Capítulo II 36



comportamiento del metal generalmente se clasifica en frágil o dúctil. Sin embargo bajo

condiciones especiales, un material dúctil puede fallar frágilmente. Los materiales dúctiles tienen

como característica que 𝜀𝑓 ≥ 0.05 y regularmente tienen una resistencia a la fluencia que a

menudo es la misma a tensión que a compresión, mientras que los materiales frágiles 𝜀𝑓 < 0.05.

Las teorías aceptadas para estos tipos de materiales son: [II.6]

Materiales dúctiles

Esfuerzo cortante máximo

Máxima energía de distorsión por unidad de volumen

Materiales frágiles

Esfuerzo principal máximo

II.3.1 Teoría de falla del esfuerzo cortante máximo

Esta teoría marca que la fluencia del material inicia cuando el esfuerzo cortante máximo de

cualquier elemento se equipara al esfuerzo cortante máximo en un ensayo a tensión de una pieza

del mismo material, también es conocida como la teoría de Tresca.

Al llevar un material dúctil al límite de fluencia se pueden observar patrones de líneas de

desplazamiento a 45°, como el esfuerzo cortante es máximo a 45° es comprensible pensar que de

ahí se deriva el mecanismo de falla.

Recordando que para el esfuerzo en tensión simple 𝜎 =𝑃

𝐴, y que el esfuerzo cortante máximo

ocurre a 45° de la superficie en tensión con una magnitud de 𝜏𝑚𝑎𝑥 =𝜎

2. De tal manera que el

esfuerzo cortante máximo en la fluencia es 𝜏𝑚𝑎𝑥 =𝑆𝑦

2. Para un estado de esfuerzo general se

determinan 3 esfuerzos principales, 𝜎1 ≥ 𝜎2 ≥ 𝜎3 .

De tal que el esfuerzo cortante máximo se puede representar de la siguiente manera:

τmáx =σ1−σ3

2≥

Sy

2 o σ1 − σ3 ≥ Sy II.3

Capítulo II 37



Para propósitos de diseño, la Ecuación II.3 se pude modificar agregando un factor de seguridad,

n.

τmáx =Sy

2n o σ1 − σ3 =

Sy

n II.4

El esfuerzo plano se presenta comúnmente cuando uno de los esfuerzos principales es 0. Existen

tres casos a tomar en cuenta cuando se usa la Ecuación II.3 para esfuerzo en dos dimensiones.

Caso no. 1: Ocurre cuando, σA ≥ σB ≥ 0 . En este caso, la Ecuación II.3 y se reduce a una

condición de fluencia: σA ≥ Sy.

Caso no. 2: Ocurre cuando, σA ≥ 0 ≥ σB. En este caso, la Ecuación II.3 se convierte en σA −

σB ≥ Sy

Caso no. 3: Ocurre cuando, 0 ≥ σA ≥ σB. En este caso, la Ecuación II.3 cambia a σB ≥ Sy

Figura II.4.- Representación gráfica de la zona de esfuerzos principales seguros

II.3.2 Teoría de falla de la máxima energía de distorsión por unidad de volumen

Predice que la falla ocurre cuando la energía de deformación total por unidad de volumen alcanza

o excede la energía de deformación por unidad de volumen correspondiente a la resistencia a la

fluencia en tensión o en compresión del material. Esta teoría tiene su base en la comprobacion

que los materiales dúctiles que son sometidos esfuerzos hidrostáticos presentan resistencia a la

fluencia exceden en gran medida los valores que resultan en un ensayo a tensión simple. Se

Caso 1

Caso 2

Caso 3

Sy

-Sy

Sy

-Sy 𝜎𝐴

𝜎𝐵

Capítulo II 38



b) Componente hidrostático

=

𝜎𝑝𝑟𝑜𝑚



c) Componente de distorsión

+

𝜎3 − 𝜎𝑝𝑟𝑜𝑚



a) Esfuerzos triaxiales

𝜎2

𝜎3

𝜎1

𝜎1 < 𝜎2 < 𝜎3

postuló entonces que la fluencia estaba relacionada con la distorsión angular del elemento

sometido a esfuerzo. Un volumen unitario sometido a un estado de esfuerzos tridimensional,

𝜎1, 𝜎2, 𝜎3, el cual se muestra en la Figura II.5.

Figura II.5.- Estado de esfuerzos tridimensional

El estado es de esfuerzos mostrado en la Figura II.5 es debido a tensión hidrostática como

consecuencia de los esfuerzos promedios que actúan en las direcciones principales:

𝜎𝑝𝑟𝑜𝑚 =𝜎1+𝜎2+𝜎3

3 II.5

Se puede apreciar que en la Figura II.5 en el inciso b el elemento no sufre una distorsión angular.

Considerando 𝜎𝑝𝑟𝑜𝑚 como un componente de los esfuerzos, este componente se puede sustraer

de ellos, quedando el inciso c como el estado de esfuerzos, el cual está sometido a distorsión

angular pura.

En un caso de tensión 𝜎 , la fluencia podría ocurrir cuando 𝜎 ≥ 𝑆𝑦. Por lo tanto es considerado

como un esfuerzo sencillo o efectivo del estado general total de esfuerzos dado por 𝜎1, 𝜎2, 𝜎3, el

cual es llamado como esfuerzo de von Mises, en honor al doctor R. von Mises quien colaboró en

el desarrollo de esta teoría.

𝜎′ = [(𝜎1−𝜎2)2+(𝜎2−𝜎3)2+(𝜎3−𝜎1)2

2]

1/2

II.6

Mientras que para esfuerzo en dos dimensiones, sean 𝜎𝐴 y 𝜎𝐵 diferentes de cero la ecuación se

puede expresar.

Capítulo II 39



𝜎′ = (𝜎𝐴2 − 𝜎𝐴𝜎𝐵 + 𝜎𝐵

2)1/2 II.7

Esta teoría es conocida también como:

Teoría de von Mises

II.3.3 Teoría del esfuerzo principal máximo [II.7]

Esta teoría nos dice que la falla ocurre al momento en que uno de los tres esfuerzos principales es

igual o sobrepasa la resistencia. Los esfuerzos principales son colocados en forma ordenada 𝜎1 ≥

𝜎2 ≥ 𝜎3. Entonces se reduce la falla cuando:

𝜎1 ≥ 𝑆𝑢𝑡 O 𝜎3 ≤ −𝑆𝑢𝑐 II.8

Donde 𝑆𝑢𝑡 y 𝑆𝑢𝑐 son las resistencias a la tensión y a la compresión, respectivamente. En el caso

de esfuerzo en dos dimensiones, los esfuerzos principales son dados σA ≥ σB, la ecuación se

pude escribir como:

𝜎𝐴 ≥ 𝑆𝑢𝑡 O 𝜎𝐵 ≤ −𝑆𝑢𝑐 II.9

II.4 Recipientes a presión cilíndricos y esféricos

Los recipientes a presión comúnmente tienen formas geométricas de esferas, cilindros, conos,

elipsoides o alguna mezcla de estos. Cuando se trata de un recipiente de pared delgada, este se

analiza como una membrana y el esfuerzo resultante de presión interna es llamado esfuerzo de

membrana. Estos esfuerzos son generalmente a tensión o compresión y se consideran también

uniformemente distribuidos.

En cualquier recipiente sujeto a una presión, ya sea interna o externa, los esfuerzos se sitúan en

la pared exterior, en es te caso el estado de esfuerzos es triaxial y se pueden definir tres:

𝜎𝑋 = Esfuerzo longitudinal

𝜎𝜑 = Esfuerzo circunferencial

Capítulo II 40



L

2𝑟𝑖

𝜎1

𝜎2

𝜎𝑟 = Esfuerzo radial

También se pueden presentar esfuerzos a flexión y esfuerzo cortante. El esfuerzo radial es un

directo y se da como el resultado de la presión actuando directamente en la pared del recipiente,

el cual produce un esfuerzo a compresión igual a la presión a la que se encuentra sometida. En

algunos casos, este esfuerzo puede despreciarse debido a que la pared puede ser muy delgada, por

lo tanto se asume para propósitos de análisis que es estado de esfuerzos es biaxial. Al hacer este

análisis, para propósitos de diseño se debe considerar un factor de seguridad mayor para

compensar ese esfuerzo desconocido. [II.4]

Una esfera es una forma ideal para un recipiente a presión cerrado si el contenido es de peso

insignificante; mientras que uno cilíndrico es buena opción con el inconveniente de las uniones

de los extremos. El análisis comenzara considerando un recipiente cilíndrico, se aísla un

segmento del recipiente a analizar pasando dos planos perpendiculares al eje y un plano

longitudinal por el mismo eje.

Figura II.6.- Representación para el análisis de esfuerzos en recipientes cilíndricos

Las condiciones existentes de simetría hacen que no haya esfuerzos cortantes, ya que estos

causarían una distorsión incompatible de cilindro. A los largo del cilindro únicamente existen

esfuerzos normales, los cuales están representados como esfuerzos circunferenciales (𝜎1) y los

longitudinales (𝜎2). Estos esfuerzos multiplicados por su respectiva área mantienen al cilindro en

equilibrio con la presión interna.

Capítulo II 41



Multiplicando esta presión por la el área 2𝑟𝑖L, donde r es el radio interior, genera la fuerza que

actúa sobre el cilindro. Esta fuerza se encuentra equilibrada por las fuerzas que se generan por los

esfuerzos circunferenciales multiplicados por sus respectivas áreas 𝐿(𝑟0 − 𝑟𝑖), donde 𝑟0 es el

radio exterior del cilindro. Haciendo la igualación de las fuerzas opuestas se tiene:

p(2riL) = 2σ1(r0 − ri)L II.10

Figura II.7.- Representación gráfica de la relación entre los esfuerzos circunferenciales

multiplicados por sus áreas

Considerando al espesor del cilindro t como (𝑟0 − 𝑟𝑖), la ecuación para determinar su esfuerzo

circunferencial es:

σ1 =pri

t II.11

La Ecuación II.11 solo es válida para recipientes cilíndricos de pared delgada. Sin embargo, el

espesor de pared puede alcanzar un décimo del radio interno y cualquier error al aplicar la

Ecuación II.10 es pequeño. Debido a la suposición de membrana, las fuerzas P en el aro deben de

considerarse tangenciales a este. Las componentes horizontales de las fuerzas P mantienen la

componente horizontal de la presión interna en un estado de equilibrio estático.

El otro esfuerzo principal sobre el cilindro 𝜎2, actúa de una manera longitudinal a este, y se

determina resolviendo un problema de fuerza axial.

σ1(r0 − ri)L = P

p(2riL) = 2P

σ1(r0 − ri)L = P

r0

ri

Capítulo II 42



𝜎1 = 𝜎2

Figura II.8.- Diagrama de esfuerzos recipiente cilíndrico

La fuerza desarrollada por la presión interna es 𝑝 𝜋 𝑟𝑖2, y la fuerza desarrollada por el esfuerzo

longitudinal en las paredes es 𝜎2(𝜋 𝑟02 − 𝜋 𝑟𝑖

2). Igualando y despejando 𝜎2.

p π ri2 = σ2(π r0

2 − π ri2) II.12

σ2 = p ri

2

(r0+ri)(r0−ri) II.13

Simplificando

σ2 =pr

2t II.14

Se puede apreciar que para recipientes cilíndricos de pared delgada, 𝜎2 ≅𝜎1

2 .

Para recipientes a presión esféricos de pared delgada, se puede utilizar un método análogo para

deducir una expresión. Pasando un plano por el centro de la esfera, un hemisferio queda aislado.

Figura II.9.- Diagrama de esfuerzos recipiente esférico

P

P 𝜎2

Capítulo II 43



Usando la misma notación antes mencionada, puede obtenerse una ecuación idéntica a la

Ecuación II.14. Sin embargo para una esfera, cualquier sección que pasa por su centro da el

mismo resultado cualquiera que sea la inclinación del plano. Por lo tanto, los esfuerzos máximos

de membrana para recipientes esféricos sometidos a presión de pared delgada son:

𝜎1 = 𝜎2 =𝑝𝑟

2𝑡 II.15

Es importante resaltar que para tamaño y espesor de pared comparable, el esfuerzo normal

máximo en un recipiente a presión esférico es solo aproximadamente la mitad que en un

cilíndrico. En el recipiente cilíndrico, los esfuerzos longitudinales, paralelos a su eje, no

contribuyen a mantener el equilibrio con la presión interna p que actúa sobre la superficie curva;

mientras que en uno esférico, un sistema de esfuerzos iguales resiste la presión interna aplicada.

Estos son tratados como biaxiales, aunque la presión que actúa sobre la pared causa esfuerzos

locales de compresión sobre el interior iguales a esta presión, los cuales son pequeños y pueden

ser ignorados. [II.7]

II.5 Esfuerzos térmicos

Estos son resultado del cambio de la temperatura del material, ya sea expansión o contracción.

Estos esfuerzos son secundarios debido a que son auto-limitantes. No causan ruptura en

materiales dúctiles excepto por la aplicación de estos de una manera repetida, sin embargo

pueden causar falla por deformaciones excesivas. [II.8]

Las restricciones mecánicas pueden ser externas o internas. Las primeras ocurren cuando el

material está contenido o soportado de una manera que restrinja la expansión térmica. Las

internas suceden cuando la temperatura de un material no es uniforme. El esfuerzo causado por

un gradiente térmico es de carácter interno. Los gradientes de temperatura en un recipiente

pueden ser logarítmicos o lineares a través de este. La diferencia principal entre esfuerzos

mecánicos y los térmicos radica principalmente en la naturaleza de la carga. Las fibras a altas

temperaturas se comprimen mientras que a una baja temperatura se estiran. Los patrones de

esfuerzo solo deben de satisfacer los requerimientos para el equilibrio de las fuerzas internas.

Capítulo II 44



Figura II.10.- Gradiente térmico lineal a través de una pared

Las ecuaciones básicas para esfuerzos térmicos son simples. Sin embargo, se vuelven complejas

al involucrar otras variables como gradientes térmicos, gradientes logarítmicos, restricción

parcial, etc. Si la temperatura cambia en una unidad cubica de una temperatura inicial T1 a una

final T2 y el crecimiento de este se contrae totalmente. A continuación se ejemplificaran 4 casos

de estudio:

Caso 1: La barra se encuentra con restricción solo en una dirección pero es libre de

expandirse en cualquier otra.

𝜎 = −𝐸𝛼(𝑇2 − 𝑇1) II.16

Si 𝑇2 > 𝑇1 se trata de un esfuerzo de compresión, mientras que si 𝑇2 < 𝑇1 el esfuerzo

será a tensión.

Caso 2: Restricciones tanto en X y Y.

𝜎𝑥 = 𝜎𝑦 =−𝛼(𝑇2−𝑇1)

1− II.17

Caso 3: Restricciones en las tres direcciones (x, y, z):

𝜎𝑥 = 𝜎𝑦 = 𝜎𝑧 =−𝛼(𝑇2−𝑇1)

1−2 II.18

Caso 4: si un gradiente térmico linear está a través de la pared del recipiente (figura II.9)

http://es.wikipedia.org/wiki/Ni


Capítulo II 45



𝜎𝑥 = 𝜎𝜑 =±𝛼𝐸(𝑇2−𝑇1)

2(1− ) II.19

Este esfuerzo es de flexión. El lado caliente del material se encuentra a tensión, mientras

que el frio está a compresión. [II.4]

Donde:

𝑇1 = Temperatura inicial

𝑇2 = Temperatura final

𝛼= Coeficiente de expansión térmica

E= Modulo de elasticidad

= Coeficiente de Poisson

∆𝑇= Diferencia de temperatura

II.6 Diseño de recipientes sujetos a presión

Al diseñar un recipiente sujeto a presión es necesario tomar en cuenta las diferentes presiones a

las que estará sometido.

Presión de operación: Es aquella presión a las que estará sometido el equipo en

condiciones normales de trabajo.

Presión de diseño: Esta presión es la utilizada en el diseño del recipiente. Esta

regularmente es superior a la presión de operación en un 10%.

Máxima presión de trabajo: Esta presión es a la que puede ser sometido el recipiente,

en condiciones de trabajo después de que el material fue corroído, bajo efectos de

temperatura, en operación normal y bajo el efecto de cargas como la debida al viento y/o

presión hidrostática.

Presión de la prueba hidrostática: Una y media veces la presión máxima permitida de

operación. Si le esfuerzo del material del recipiente a la temperatura de diseño es menor



Capítulo II 46



que la de la prueba, la presión hidrostática deberá sufrir un incremento proporcional,

(viento, reacciones externas, etc) que puedan causar flexión o tensión longitudinal.

Temperatura de operación: Es la temperatura a la que el metal estará sometido en

condiciones de operación. [II.1]

II.6.1 Recipientes cilíndricos

Este tipo de recipientes son usualmente usados en la industria nuclear y la petroquímica, también

son utilizados como intercambiadores de calor. Generalmente son fáciles de fabricar e instalar,

así como también de dar mantenimiento. El diseño considera un comportamiento lineal.

El mayor parámetro de diseño a considerar es el espesor del cilindro, que usualmente es regido

por la presión interna y en algunas ocasiones por la externa. El espesor requerido para un

recipiente cilíndrico sometido a presión interna es determinado por la ecuación siguiente:

𝑡 =𝑃𝑅

𝑆𝐸−0.6𝑃 II.20

Cuando t<0.5R o P<0.385SE

Esta ecuación se puede utilizar para calcular la presión máxima cuando el espesor es conocido:

𝑃 =𝑆𝐸

𝑅+0.6𝑡 II.21

Se pude apreciar que existe una similitud entre la Ecuación II.20 que provee el código ASME con

la descrita en la teoría clásica del esfuerzo de membrana en un cilindro, siendo la única variable

el factor de 0.6P, el cual toma en consideración la no linealidad del esfuerzo que se puede

desarrollar en estos recipientes cuando el espesor excede 0.1R. De una manera similar la

ecuación para determinar el espesor necesario longitudinalmente para presión interna.

𝑡 =𝑃𝑅

2𝑆𝐸−0.4𝑃 II.22


Capítulo II 47



Figura II.11.- Representación espesor recipiente cilíndrico

Donde:

E= Factor de eficiencia de la junta

P= Presión interna

R= Radio interna

S= Esfuerzo permisible por el material

t= Espesor

Cuando el recipiente está sometido a presión externa se generan fuerzas a compresión, las cuales

pueden causar pandeo. Las ecuaciones para este caso pueden ser simplificadas considerando el

pandeo mínimo en términos de distancia, diámetro y espesor del cilindro.

II.6.2 Recipientes esféricos y cabezas hemisféricas

Las cabezas son una parte de gran importancia dentro de los recipientes sujetos a presión. Son

generalmente fabricadas del mismo material que todo el recipiente y pueden ser soldadas. El

diseño geométrico de la cabeza depende de la forma del recipiente, así como también la

temperatura y presión a la que estará sometida. Se pueden encontrar cabezas:

Planas

Elipsoidales

Hemisféricas

Cónicas

Capítulo II 48



Figura II.12.- Tipos de cabezas. a) Bridada. b) Hemisférica. c) Elipsoidal. d) Cónica.

La selección de la cabeza se toma con base en su función, consideraciones económicas y su

localización en el recipiente. Los recipientes esféricos sujetos a presión se consideran como

cabezas hemisféricas. [II.8]

El espesor requerido para una cabeza hemisférica, considerando la presión interna es dado por:

𝑡 =𝑃𝑅

2𝑆𝐸−0.8𝑃 II.23


Esta ecuación se puede utilizar para calcular la presión máxima que pude soportar la cabeza

conociendo el espesor. [II.5]

𝑃 =2𝑆𝐸

𝑅+0.8𝑡 II.24

a) Bridada b) Hemisférica

c) Elipsoidal

d) Cónica

Capítulo II 49



Donde:

E= Factor de eficiencia de la junta

P=Presión interna

R=Radio interno

S=Esfuerzo permisible en el material

t=Espesor de la cabeza

II.7 Diseño de uniones soldadas

Una vez obtenido el espesor mínimo requerido en el recipiente a presión, se deben de unir los

componentes, usualmente se utilizan uniones por medio de soldadura. El escoger la soldadura

como método de unión, depende de varios factores tales como: el tamaño del recipiente, las

condiciones de operación, etc. El Código ASME limita el diseño y uso de estas uniones con base

en el tipo de soldadura, el material y donde estará ubicada.

Figura II.13.- Cabeza hemisférica

Capítulo II 50



A

B

C

D

A

A

Categorías en uniones soldadas

Las categorías en las uniones definen la localización en el recipiente, pero no su tipo.

Figura II.14.- Ubicación de las uniones [II.10]

Categoría A: Soldadura longitudinal en la carcasa principal o en boquillas; soldadura en

esferas, cabezas, o recibientes con un lado plano; uniones circunferenciales conectando una

cabeza hemisférica a un recipiente.

Categoría B: Soldadura circunferencial en una carcasa o un una boquilla o conectando una

cabeza hemisférica a un recipiente.

Categoría C: Soldadura conectando bridas, tubos o cabezas planas al recipiente.

Categoría D: Soldadura que conecta boquillas al recipiente.

Tipos de uniones soldadas

Con base en la regulación UW-12 ASME VIII División. 1 se obtienen valores de la eficiencia de

las juntas. El esfuerzo de la costura circunferencial rige únicamente cuando la eficiencia de la

junta circunferencial es menor que la mitad de la eficiencia de la longitudinal. También es

aplicable cuando hay cargas adicionales. La eficiencia de cada unión es dada en la Tabla II.1.

[II.10]

Capítulo II 51



Tabla II.1 Eficiencia de uniones [II.10]

Norma UW-12

Eficiencia de la unión al estar

radiografiada

100% Por puntos Sin

Inspección

Soldadura a tope

unida por ambos

lados. Si se usa

solera como

respaldo se debe

retirar después de

aplicar la soldadura

1.00

0.85

0.70

Soldadura simple a

tope con solera de

respaldo, la cual

permanecerá en el

recipiente

0.90

0.80

0.65

Unión simple por

un solo lado, sin

solera de respaldo.

-------

-------

0.60

Capítulo II 52



II.9 Factor de seguridad

Este factor existe para solventar algún problema con la carga, como que no sea aplicada

homogéneamente o que exista alguna carga súbita, las dimensiones y características del material.

El factor de seguridad está relacionado con los diferentes modos de falla. Estos son aplicados en

materiales donde se tiene la certidumbre de que el funcionamiento será de una manera segura en

condiciones de trabajo normales. La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME),

sugiere los siguientes criterios como factor de seguridad mínimo:

Un 25% del mínimo especificado de fuerza a tensión a temperatura ambiente.

Un 25% del mínimo especificado de fuerza a tensión a temperatura de diseño.

Un 62.5 % del límite elástico mínimo especificado a temperatura ambiente.

Unión traslapada

con doble cordón

de soldadura

-------

-------

0.55

Unión traslapada

con cordón sencillo

y tapón de

soldadura

-------

-------

0.50

Unión traslapada

con cordón sencillo

sin tapón de

soldadura

-------

-------

0.45

Capítulo II 53



Un 62.5 % del límite elástico mínimo especificado a temperatura de diseño.

Un 80% del esfuerzo mínimo requerido para producir ruptura en el material, al final

de 100,000 horas de trabajo temperatura de diseño.

Sin embargo los códigos europeos de construcción de recipientes sujetos a presión aplican un

factor de seguridad de 1.5. [II.5]

II.10 Sumario

El Código ASME es una base teórica de gran ayuda para realizar el diseño de recipientes sujetos a

presión, los cuales son usados en la industria petroquímica. El correcto diseño de estos, parte de

tener conocimientos básicos de la mecánica de materiales, como lo es el análisis de esfuerzos y

las diferentes teorías de falla existentes. La construcción de estos recipientes abarca varias áreas

como el tipo de soldadura para su unión, el calculó de su espesor así como también tomar en

cuenta la presión y temperatura a la cual estará trabajando. Con base en el Código ASME, se

utilizaran los conceptos teóricos desarrollados previamente para el correcto dimensionamiento y

diseño del cabezal de distribución.

II.10 Referencias

II.1.- Estrada, J, M., Diseño y Cálculo de Recipientes a Presión. Editorial Inglesa pp 1-6, . 2001.

II.2.-Mott, R., Resistencia de Materiales Aplicada, Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana SA,

3ª. Ed., México, pp 536-554, 1996.

II.3.-Gere J, M., Mecánica de Materiales, 930 pp. Thomson Learning. Quinta Edición, pp 541-

550, 2002.

II.4. - Moss, D. R., y Basic, M. M., Pressure Vessel Design Manual. Elsevier, pp 1-10, 2004.

II.5. - Chattopadhyay, S., Pressure Vessels: Design and Practice. CRC press, pp 2-37, 2004.

II.6.- Popov, E. P., Introducción a la Mecánica de Sólidos. Limusa, pp 169-172,1976.

II.7.- Shigley, J. E., Mischke, C. R., Budynas, R. G., Liu, X., y Gao, Z., Mechanical Engineering

Design, McGraw-Hill Vol. 89. New York, pp 213-240, 1989.

Capítulo II 54



II.8.-Barron, R. F., y Barron, B. R. Design for Thermal Stresses. John Wiley & Sons, pp 1-5,

2011.

II.9.- Farr, J. R., y Jawad, M. H., Guidebook for the Design of ASME Section VIII Pressure

Vessels. ASME press, 1998.

II.10.-Stewart, M., y Lewis, O. T., Pressure Vessels Field Manual: Common Operating Problems

and Practical Solutions. Gulf Professional Publishing, pp 217-231, 2012.

55



CAPÍTULO III

ANÁLISIS

DEL CASO DE

ESTUDIO

Capítulo III 56



Combustor

Vaporizador

de agua

72”

Aire

Combustible

Agua

Bujía

Termocople

Vapor y

gases de

combustión

dentro del

pozo

III.1.- Generalidades

Como bien se señaló en los capítulos anteriores, el concepto de un generador de vapor no es algo

nuevo. Sin embargo, con el paso del tiempo se han implementado nuevas tecnologías para hacerlo

más eficiente. Los laboratorios Sandia, alrededor de 1980, fueron pioneros en el concepto de

generadores de vapor en fondo de pozo. El generador de alta presión o DFDSG, que es operado

con la inyección de los gases de combustión en la formación, tiene potencial para estimular pozos

maduros (Figura III.1). El problema de este sistema desarrollado por Sandia es la alta corrosión.

Lo cual, principalmente se debe a la formación de ácidos altamente dañinos a la estructura y que

al inyectar los gases de escape al yacimiento.

Figura III.1.- Arreglo esquemático de un DFDSG

Las cuatro ventajas principales del uso de un generador de vapor para fondo de pozo son las

siguientes:

Reducción en la contaminación del aire.

Reducción en las pérdidas de calor.

Inyección de vapor más profunda. El DFDSG se puede aplicar a profundidades mayores

de 1800 m.

Los generadores de vapor convencionales están limitados por su tamaño. Sin embargo,

el DFDSG es de menor tamaño y tiene la posibilidad de utilizar agua de mar.

Capítulo III 57



La implementación de un generador de vapor en el fondo de un pozo petrolero maduro reduce

significativamente la contaminación del aire, las pérdidas de calor y puede aplicarse para

profundidades mayores que los sistemas de vapor de inyección desde la superficie. Por otra parte,

los costos asociados con la implementación de este tipo de generadores son muy cercanos a los

costos de un sistema generador de vapor convencional. [III.1]

III.2.- Diseño del cabezal de distribución para el generador de vapor

El concepto básico de un generador de vapor consiste en una parte de alimentación, una cámara de

combustión y finalmente, una tobera por donde saldrá el vapor (Figura III.1). El propósito de este

trabajo es el diseño de un cabezal de distribución, ya que para el correcto funcionamiento del

generador de vapor se necesitan llevar a cabo la inyección de fluidos específicos para que exista la

combustión requerida y se evapore el agua inyectada. Dichos fluidos son:

Oxígeno (𝑂2).

Metano como combustible (𝐶𝐻4).

Agua (𝐻2𝑂).

El agua se usará para dos propósitos, el principal es su evaporación y el segundo para la formación

de una película protectora de los componentes del generador. Este cabezal de distribución tendrá

una conexión con un tubo umbilical.

Figura III.2.- Concepto del generador de vapor. a) Ubicación del cabezal de alimentación en el

generador de vapor. b) Partes del cabezal de alimentación.

Cabezal de

alimentación

Brida clase

300

Cámara de

combustión Brida clase

300

a) Líneas de

alimentación

Oxigeno

Metano

b)

Capítulo III 58



Para el diseño de este tipo de cabezal se tomaron en cuenta varias condiciones a las cuales estará

sometido:

Diámetro máximo de 4 plg.

El sistema estará sometido a una presión de trabajo de 200 bar.

Se tiene como parámetros iniciales una temperatura de enfriamiento de 730°C.

Se debe implementar un diseño al cabezal para la generación de una película de agua

protectora de 2 mm de dimensión.

El ángulo de los aspersores no influyen en la mezcla, ni en la combustión de esta.

La longitud total del todo el reactor es aproximadamente de 1 m.

La inclusión de un plato estabilizador con un ángulo aproximado de 10° para la correcta

distribución del agua.

Diámetro del cabezal de distribución; 101.6 mm.

Diámetro de boquillas para inyección de Oxígeno; 16.6 mm.

Diámetro de boquillas para inyección de metano; 5.86 mm.

Estos datos de diseño fueron proporcionados por el Laboratorio de Ingeniería Térmica e

Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) del Instituto Politécnico Nacional.

Figura III.3.- Dimensionamiento de las boquillas de inyección

III.2.1.- Funcionamiento del cabezal de distribución

En la generación de vapor, la combustión es una parte fundamental. Esta se puede definir como la

oxidación rápida que genera calor, aunque tambien se puede generar luz [III.2]. La función

16.60 mm

5.86 mm 33.87 mm

Espesor (t)

Capítulo III 59



principal del cabezal es la inyección del combustible y el oxidante. La esquematización de cómo

será esta inyección se muestra en la Figura III.4.

Figura III.4.- Esquema de inyección.

1.- Oxígeno. 2.- Metano. 3.- Agua. 4.- Película de enfriamiento por agua.

Inyección de combustible, el cual puede ser gas natural o metano.

Inyección de oxidante, se usará Oxígeno comprimido. El coeficiente de exceso de

oxígeno es 1.0 para excluir penetración del Oxígeno en el yacimiento.

Inyección de agua, la cual se usa para enfriar paredes de la cámara de combustión por

la generación de una película protectora, la cual tendrá una dimensión de 2 mm.

También esta última será utilizada en la formación del vapor inyectandola en el núcleo

de la llama, teniendo en cuenta, que la cantidad de agua que se evapora es 100% de agua

que se inyecta en el reactor.

Para este dispositivo se diseñará una carcasa, la cual servirá de protección para el cabezal, donde

irán las líneas de alimentación con los fluidos antes mencionados. Así como, las venas por las

cuales circulara el agua para la formación de la película con un espesor de 2 mm.

1 2 3 3 2

4

Cabezal de distribución

1 2 3 3 2

Capítulo III 60



III.2.2.- Dimensionamiento del cabezal [III.3]

Para el correcto dimensionamiento de la carcasa se utilizará el código ASME para recipientes

sujetos a presión cilíndricos. Este tipo de recipientes son usualmente usados en la industria nuclear

y la petroquímica. Son utilizados como intercambiadores de calor. Generalmente son fáciles de

fabricar, instalar y darles mantenimiento. Su diseño supone que el material tiene un

comportamiento lineal y elástico.

El mayor parámetro de diseño a considerar es el espesor del cilindro, que usualmente es regido por

la presión interna y en algunas ocasiones por la externa. El espesor requerido para un recipiente

cilíndrico para presión interna es determinado por la ecuación siguiente:

𝑡 =𝑃𝑅

𝑆𝐸−0.6𝑃 III.1

Dónde; E = Factor de eficiencia de la junta, P = Presión interna, R = Radio interno, S = Esfuerzo

en el material y t = Espesor de la cabeza.

Material.- Se utilizará un acero ASTM A-53 GRADO B, las tuberías de dicho material están

destinadas a aplicaciones mecánicas y de presión. También es aceptable para usos

ordinarios en la conducción de vapor, agua, gas, y las líneas de aire. Este tipo

de tubería es apta para ser soldada. Así como, para operaciones de formado tales como

enrollado, plegado, y aplicación de bridas.

Tabla III.1.- Propiedades mecánicas acero ASTM A-53 GRADO B

Material Límite de cedencia Límite elástico Elongación %

ASTM A-53 GRADO B 240 MPa 415 MPa Max. 25

Min. 23

Presión de operación; 200 bar = 20000000 𝑁 𝑚2⁄

Presión de diseño; (20000000 𝑁 𝑚2⁄ )*(1.1) = 22 000000 𝑁 𝑚2⁄

Limite elástico material; 240 000000 𝑁 𝑚2⁄

Capítulo III 61



Eficiencia de la junta; 0.90

Diámetro interior; 0.080 m

𝑡 =𝑃𝑅

𝑆𝐸 − 0.6𝑃=

(22 000000 )(0.040)

(240 000000). 90 − 0.6(22 000000 )= 0.0043 𝑚

Tomando en cuenta el factor de la corrosión, el espesor tendrá un valor final de 5 mm

Se realizó el cálculo de espesor parea la cabeza, estas son generalmente fabricadas del mismo

material que todo el recipiente y puede ser soldada. El diseño geométrico de la cabeza depende de

la geometría del recipiente. Así como, la temperatura y presión a la que estará sometida. La

selección de la cabeza se toma con base en su función, consideraciones económicas y

consideraciones de donde estará colocado el recipiente. Los recipientes esféricos sujetos a presión

se consideran como cabezas hemisféricas. El espesor requerido para una cabeza hemisférica

considerando la presión interna es dado por:

𝑡 =𝑃𝑅

2𝑆𝐸−0.8𝑃 III.2

Dónde, E = Factor de eficiencia de la junta, P = Presión interna, R = Radio interno, S = Esfuerzo

en el material y t = Espesor de la cabeza.

Material.- Para aplicaciones que interactúen con vapor se recomienda un acero al Carbón,

los grados utilizados comúnmente para recipientes sujetos a presión son SA 285 GRADO

C, SA 515 GRADO 70 y SA 516 GRADO 70. Se usara el acero al Carbón SA 515

GRADO 70 ya que este es recomendable para condiciones de operación a altas

temperaturas.

Tabla III.2.- Propiedades mecánicas acero al carbón SA 515 GRADO 70

Material Límite de cedencia Limite elástico Elongación %

SA 515 GRADO 70 260 MPa 485 MPa Max. 21

Min. 17

Capítulo III 62



Presión de operación; 200 bar = 20000000 𝑁 𝑚𝑚2⁄

Presión de diseño; (20000000 𝑁 𝑚2⁄ )*(1.1) = 22 000000 𝑁 𝑚𝑚2⁄

Limite elástico material; 240 000000 𝑁 𝑚2⁄

Eficiencia de la junta; 0.90

Diámetro interior; 0.080 m

𝑡 =𝑃𝑅

2𝑆𝐸 − 0.8𝑃=

(22 000000 )(0.040)

𝟐(260 000000). 90 − 0.8(22 000000 )= 0.0019 𝑚

Tomando en cuenta el factor de la corrosión, el espesor tendrá un valor final de 5 mm. Ambos

espesores son considerando la presión a la cual trabajara el generador de vapor internamente.

III.3.- Modelado del cabezal de distribución para el generador de vapor

Hoy en día, las herramientas computacionales son de gran ayuda e importancia al diseñar elementos

mecánicos. El diseño asistido por computadora CAD resulta ser de verdad útil. La principal

finalidad de estas herramientas es la de crear, analizar y optimizar el diseño dentro de la Ingeniería.

Normalmente este tipo de programas proporcionan al usuario una interfaz gráfica que permite

introducir y manipular objetos geométricos en 2 y 3 dimensiones [III.4].

El uso de estos programas ayuda a la reducción de tiempos. Incrementa la productividad ya que el

realizar un dibujo en cualquier programa computacional de dibujo resulta ser hasta 3 veces más

rápido que la forma convencional. Se puede realizar un diseño tridimensional permitiendo una

mayor visualización del componente. Se reutilizan los diseños y se aumenta la precisión en el

dibujo permitiendo así la eliminación de los prototipos.

Para el modelado de este prototipo, se utilizó el programa computacional Solidworks. Este

programa desarrollado por Solidworks Corporation. Con este programa computacional se puede

generar fácilmente dibujos en 2D y en 3D. A partir de los datos de diseño se procedió a realizar el

modelado en 3D de cada uno de los componentes citados en la Tabla III.3. Cada componente se

modeló por separado y al final se realizó un ensamble la carcasa que cubrirá al cabezal, dicho

componente es el que estará sometió a las condiciones de frontera.

Capítulo III 63



Tabla III.3.- Partes del cabezal de alimentación

Componente Cantidad

Cabeza hemisférica de la carcasa 1

Cilindro de la carcasa 1

Cabezal con venas de distribución 1

Brida clase soldable 1

Figura III.5.- Modelado en 3D cabeza hemisférica de la carcasa

50 mm

90 mm

5 mm

Entrada para

Oxígeno

Entrada para

Metano

Capítulo III 64



Figura III.6.- Modelado en 3D del cilindro de la carcasa

Una vez que se modelaron los componentes de la carcasa, en la cual estar contenido el cabezal, se

modeló, tomando en consideración las condiciones para la correcta formación de la película de

agua protectora. Estas fueron 2 principalmente:

La inclusión de un plato estabilizador para la correcta distribución y desplazamiento

del agua.

La integración de las venas por donde correrá el agua de la película protectora.

Este dispositivo tendrá una serie de 5 perforaciones, por las cuales se conectaran los tubos de

alimentación de los fluidos antes mencionados.

90 mm

80 mm

5 mm

Capítulo III 65



Figura III.7.- Elementos para la formación de película protectora de agua

Figura III.8.- Cabezal con las líneas para la alimentación de fluidos

Con el modelo en 3D de cada uno de los componentes (carcasa y cabezal con las venas de

distribución), se realizó el ensamble general del prototipo (Figura III.9). El modelo resultante se

guardó con una extensión compatible con el programa computacional ANSYS. Este se utilizó para

realizar el análisis por elemento finito del cabezal de alimentación. Come se mencionó

anteriormente el material seleccionado es usualmente usado en conducción de fluidos y gases para

la industria petroquímica. Con base en las condiciones de frontera; presión, temperatura y las

restricciones se determinó que las zonas de interés en este modelo son los componentes de la

carcasa y la unión con la brida en cuestión.

Venas de distribución

Plato estabilizador Ángulo 10°

Inyección de Oxígeno

Inyección de metano

Capítulo III 66



Uniones por

soldadura

Brida

Cilindro

carcasa

Cabeza

carcasa

Figura III.9.- Modelado en 3D cabezal de distribución. a) Vista explosionada. b) Isométrico.

Figura III.10.- Zonas de interés del cabezal de distribución

III.4.- Diseño de uniones [III.5]

El procedimiento que más se utiliza actualmente dentro de la fabricación de recipientes a presión

es el de soldadura. El material de aporte, deberá ser compatible con el material base. Al soldar

recipientes a presión, los electrodos más utilizados son el 6010. El cual es un electrodo con polvo

de Hierro en el revestimiento. Esto aumenta la velocidad de depósito, así como tambien, facilita su

aplicación. Tiene un amplio campo de aplicación como en barcos, cañerías y tuberías de presión y

el 7018 que es muy similar. Existen un gran número de métodos para hacer uniones soldadas, la

elección depende principalmente de las circunstancias en las que se dará la soldadura, el Código

ASME y los aspectos económicos.

Cabeza hemisférica

Brida

Socket-welding

Cilindro

Cabezal con venas

de distribución

a) b)

Capítulo III 67



III.4.1.- Uniones soldadas

Una vez obtenido el espesor mínimo requerido en el recipiente a presión, se deben de unir los

componentes, usualmente se utilizan uniones por medio de soldadura. El escoger la soldadura como

método de unión depende de varios factores tales como; el tamaño del recipiente, las condiciones

de operación, etc. El código ASME limita el diseño y uso de estas uniones con base en el tipo de

soldadura, el material y donde estará ubicada.

Figura III.11.- Ubicación del cordón de soldadura

Con base en la regulación UW-12 ASME VIII División 1 se obtienen valores de la eficiencia de las

juntas. El esfuerzo de la costura circunferencial rige únicamente cuando la eficiencia de la junta

circunferencial es menor que la mitad de la eficiencia de la longitudinal. También es aplicable

cuando hay cargas adicionales.

Figura III.12.- Tipo de soldadura a utilizar

Se utilizará una soldadura a tope unida por ambos lados. Si se usa solera como respaldo, se debe

retirar después de aplicar la soldadura. La eficiencia de cada unión es de 0.90. Este valor se utilizará

en el cálculo de los espesores mínimos requeridos para la carcasa del cabezal. La soldadura será de

categoría B, la cual es circunferencial en una carcasa o un una boquilla o conectando una cabeza

Aplicación

de

soldadura

Capítulo III 68



hemisférica a un recipiente. Con respecto a la norma ASME UW-16.1, la cual especifica las

dimensiones del espesor los cordones de soldadura del recipiente [III.3].

𝑎 = 𝑡, 𝑡𝑛 III.3

Donde; a = Espesor del cordón de soldadura, t = Espesor del recipiente y 𝑡𝑛= Espesor del

recipiente menos las consideraciones de la corrosión

Las consideraciones anteriores indican el espesor y las aproximaciones para determinar las

dimensiones de las soldaduras. Estas se realizan con respecto a los espesores de los elementos de

la carcasa a ensamblar, dicho espesor (a) será de 3 mm. La mayoría de las soldaduras son

circunferenciales, como en la unión entre la cabeza hemisférica y el cilindro así como también la

unión con la brida.

III.4.2.- Unión bridada [III.5]

Los accesorios en los recipientes a presión cuentan con aditamentos como boquillas, válvulas, etc.

En estos casos se utilizan conexiones bridadas, las cuales dan una solución para el ensamble en los

recipientes. La amplia variedad existente en estas es de gran ayuda al diseñar un recipiente a

presión, ya que se adaptan a las diversas necesidades de los recipientes. La selección de la brida

normalmente se hace a partir de la presión de diseño con la cual se calculó el recipiente. De acuerdo

a la forma en la que la brida se une al recipiente es como se dividen en:

Bridas de cuello soldable (welding neck).- Cuenta con un cono largo el cual

gradualmente cambia su espesor. Dicho cambio se da desde espesor de la brida hasta el

espesor de la pared del tubo. Este tipo de brida se usa para condiciones de operación

severas, como altas presiones o de temperaturas elevadas o menores de cero. Las bridas

de cuello soldable se recomiendan para el manejo de fluidos explosivos, inflamables o

costosos, donde una falla puede ser acompañada de desastrosas consecuencias.

Bridas deslizables (slip-on).- Debido a su costo más bajo, a la menor precisión

requerida al cortar los tubos a la medida y a la mayor facilidad de alineamiento en el

ensamble son más seleccionadas que las de cuello soldable. Sin embargo estas presentan

una menor resistencia a las condiciones de operación del recipiente.

Capítulo III 69



Bridas de enchufe soldable (socket welding).- Cuando se manejan fluidos tóxicos,

altamente explosivos o muy corrosivos, el uso de estas bridas es recomendable, también

es recomendable usarlas en tuberías que trabajan a muy altas presiones.

Bridas roscadas.- Son recomendables al unir tuberías difíciles de soldar, como

Aluminio, PVC, etc. No recomendables para condiciones que involucren altas

temperaturas, bajo condiciones cíclicas donde puede haber fugas a través de las cuerdas

en pocos ciclos de esfuerzos o calentamiento.

Bridas especiales.- Estas son bridas que se fabrican al no encontrar una comercial que

satisfaga las necesidades del diseñador.

La brida a seleccionar será una socket welding, la cual funcionará como conector con resto del

cuerpo del generador de vapor. Esto ayudará en que se pueda realizar un ensamble y desensamble

de una manera práctica. Las dimensiones se muestran en la Figura III.12. Así como, el número de

perforaciones para su sujeción que serán un total de 8.

Figura III.13.- Dimensionamiento de la brida

III.5.- Manufactura de los componentes. [III.6]

Generalmente, los componentes para la fabricación de los recipientes sujetos a presión son

manufacturados con placas. El formado de los componentes, algunas veces puede presentar una

reducción en el espesor, estos deben de ser considerados por los fabricantes de.

120 mm

15 mm

10 mm

100 mm

90 mm

Capítulo III 70



III.5.1.- Formado del cilindro

El método de fabricación más común es llamada rolado y soldado. La placa es cortada con el

espesor y longitud requeridos. En el caso de recipientes muy largos o con gran espesor se pueden

requerir más de una placa para su construcción. El corte de la placa puede ser por medio de

oxiacetileno o por arco de plasma, ya que estas opciones reducen costos y tiempo de maquinados.

Se obtiene el diámetro correcto cuando los bordes de la placa rolada se unen para aplicar la

soldadura longitudinal. Las placas con un espesor menor a 3 pulgadas son generalmente roladas en

frío, mientras que con un espesor mayor a 3 pulgadas, son roladas en caliente para reducir la fuerza

necesaria para el rolado.

Actualmente, se ofrecen tubos de acero con y sin costura de soldadura, los cuales están enfocados

a la conducción de fluidos y gases, servicios a altas temperaturas. Usualmente utilizados en la

industria petroquímica. Los fabricantes ofrecen espesores desde 3 mm hasta 33 mm.

Figura III.14.- Rolado para la formación de tubos para recipientes a presión.

III.5.2.- Formado de cabezas hemisféricas

Para el formado de las cabezas hemisféricas, elípticas o esféricas es necesario una placa, la cual

debe tener el espesor requerido. Dicha placa es cortada en una forma circular cuyo diámetro debe

permitir la generación de toda la cabeza. Esta placa circular es presionada entre dos dados, los

cuales son manufacturados para darle la forma, así como también deben proporcionar el diámetro

interior y exterior requerido. Es aceptable el soldar dos o más piezas cuando no se logran las

dimensiones esperadas. Se usan las mismas consideraciones de espesor tanto para el formado en

frio o en caliente.

Capítulo III 71



Figura III.15.- Embutido para la formación de cabeza hemisférica.

III.5.3.- Soldadura circunferencial

La soldadura circunferencial, la cual es la que se usara para el ensamble del cabezal, es usualmente

hecha usando un procedimiento combinado de soldadura automática y de soldadura manual. Para

realizar esta soldadura, el recipiente debe ser colocado de forma horizontal en rollos donde se

puedan girar para así generar una soldadura continua. En la Tabla III. 4, se muestran las tolerancias

en el desajuste de los componentes que puede haber al momento de la aplicación de la soldadura.

Tabla III.4.- Tolerancias en la soldadura circunferencial

Espesor (t) Tolerancia

Más de ½ plg ¼ t

De ½ plg a ¾ plg ¼ t

De ¾ plg a 112⁄ plg 3

16⁄ plg.

De ¾ plg a 112⁄ plg 1

8⁄ t

De 112⁄ plg a 2 plg 1

8⁄ t

Más de 2 plg. 18⁄ t

Para la correcta aplicación de esta soldadura siempre es necesario emplear sujetadores para

asegurar que cada uno de los elementos se mantenga lo mayor alineados posible. Generalmente se

utiliza soldadura de arco sumergido (SAW). Es un proceso automático, donde un alambre desnudo

es alimentado hacia la pieza. Se caracteriza porque el arco se encuentra sumergido en una masa

fundente. Tiene una tolva la cual se desplaza delante del electrodo, los espesores posibles de soldar

con esta técnica varían desde los 5 mm hasta los 40 mm. Actualmente se usan procesos automáticos

Cabeza

formada Dados

Placa

circular

Capítulo III 72



que controlan desde la velocidad de los elementos a soldar y la cabeza soldadora, la velocidad de

aporte de electrodos, la corriente de soldadura, etc. Este tipo de técnica es altamente recomendable

para su uso en altas temperaturas y presiones, para aplicaciones de la industria de generación,

transporte y petroquímica. Para la reducción de los esfuerzos metalúrgicos y las condiciones no

deseadas [III.7].

Existen diversos métodos de inspección para verificar la calidad de la soldadura. La inspección

visual es el método no destructivo más utilizado. En este método si la soldadura se ve bien, se

acepta o si no, se rechaza. Por otra parte, existen métodos como la inspección radiográfica y el

ultrasonido que permiten una inspección mucho más profunda. La inspección por radiografía

detecta los defectos dentro del conjunto de piezas soldadas. Se utilizan rayos de onda corta

desarrollados para las máquinas de rayos X. Dichos rayos son capaces de penetrar materiales

sólidos y así revelar la mayoría de las imperfecciones de la soldadura, estas imperfecciones

aparecen como áreas oscuras o claras en las películas contra un fondo de contraste después de la

exposición. Esto se debe a que si existe algo menos denso que la soldadura, como un poro o algún

defecto, se absorben menos rayos X oscureciendo la película.

La inspección por ultrasonido es un método rápido y relativamente económico. Emplea ondas de

sonido de alta frecuencia que penetran en los metales y demás materiales a una elevada velocidad.

Generalmente se utilizan dos tipos de equipo ultrasónico, pulso y resonancia. El pulso, es el más

empleado en el campo de la soldadura, utiliza sonido generado en pequeñas ráfagas o pulsos. El

sonido se dirige hacia la pieza con una sonda en un ángulo preseleccionado o en una dirección en

que los defectos reflejaran energía de retorno a la sonda [III.8].

Capítulo III 73



Figura III.16.- Inspección de soldadura. a) Visual. b) Por radiografía. c) Por ultrasonido.

III.6. – Sumario

Se realizó el diseño del dispositivo para la distribución de los fluidos específicos que servirán para

el funcionamiento del generador de vapor. Se tomaron en cuenta las condiciones de operación así

como también se hizo la selección de los materiales adecuados para su funcionamiento. Se

establecieron los parámetros necesarios para el posterior modelado en 3D por medio de Solidworks,

se exportó este modelo a un formato compatible con la plataforma ANSYS para así poder realizar

el análisis de este dispositivo por medio del Método de Elemento Finito.

III.7. - Referencias

III.1.- Eson, R. L., Downhole Steam Generator-Field Test, Regional Meeting of the Society of

Engineers, pp 8, 1982.

III.2.- Turns, S. R., An introduction to combustion, Mc Graw Hill New York, pp 6-8, 1996.

III.3.- Farr, J. R. y Jawad, M. H., Guidebook for the Design of ASME Section VIII Pressure Vessels,

ASME Press, pp 27-62, 1998.

III.4.- Cecil, J., Jay, H. y Dennis, S., Dibujo y Diseño en Ingeniería, 6ta Edición, Ed. Mc Graw-

Hill, pp 19-30, 2004.

a) b)

c)

Capítulo III 74



III.5.- Megyesy E. F., Manual de Recipientes a Presión. Diseño y Cálculo, Editorial Limusa,

Mexico, pp 140-150, 1992.

III.6.- Stewart, M. y Lewis, O. T., Pressure Vessels Field Manual: Common Operating Problems

and Practical Solutions, Ed. Gulf Professional Publishing, pp 217-231, 2012.

III.7.- Otegui, J. L y Rubertis, E., Cañerías y Recipientes a Presión, Editorial UNMdP Argentina,

pp 210-211, 2008.

III.8.- Jeffus, L., Manual de Soldadura GTAW (TIG), Editorial Paranininfo, pp 185-186, 2008.

74



CAPÍTULO IV

ANÁLISIS

NUMÉRICO DEL

CABEZAL DE

DISTRIBUCIÓN

Capítulo IV 75



IV.1.- Introducción al Método del Elemento Finito

Existe un gran número de problemas reales de Ingeniería para los cuales no se puede obtener una

solución que se acerque a la realidad. Esto puede deberse a la complejidad de las ecuaciones

diferenciales que lo gobiernan o bien las dificultades con las condiciones que intervienen con

este. Para éste tipo de problemas se puede auxiliar con aproximaciones numéricas. Se acepta que

los métodos de análisis directos que son más utilizados en Mecánica se pueden clasificar en dos

grupos; diferencias finitas y elementos finitos. Para las diferencias finitas, se escriben ecuaciones

diferenciales por cada nodo, esto proporciona un resultado cercano en un grupo de ecuaciones

lineales simultáneas. Aunque este método es fácil de entender y de utilizar en problemas simples,

se vuelve difícil al involucrar geometrías o condiciones de frontera complejas. Por otra, parte los

elementos finitos usan formulaciones integrales para desarrollar sistemas de ecuaciones

algebraicas.

Tabla IV.1.- Perturbaciones en problemas ingenieriles

Tipo de problema Parámetros causantes de perturbaciones en un sistema

Mecánica de solidos Agentes externos (presión, momentos, etc.)

Transferencia de calor Diferencia de temperatura

Dinámica de fluidos Diferencia de presión

Redes eléctricas Diferencia de voltaje

El Método del Elemento Finito es una técnica de análisis numérico para obtener soluciones

aproximadas para una amplia variedad de problemas de ingeniería que involucran esfuerzos,

transferencia de calor, fluido, etc.

La inclusión de estos métodos numéricos es de gran ayuda en casos cuando un análisis

experimental no puede ser realizado, debido a diferentes razones como, por ejemplo, que los

componentes sean de gran tamaño. El Método de Elemento Finito se apoya en la discretización

de un dominio, en un gran número de elementos para así obtener la solución. Básicamente, un

problema puede ser dividido en sub-problemas y su solución es obtenida mediante la unión de

cada una de las soluciones de estos sub-problemas. Esto es logrado mediante la división de la

geometría a analizar en un gran número de formas simples [IV.1].

Capítulo IV 76



IV.1.1.- Antecedentes del Método del Elemento Finito [IV.2]

El empleo de métodos de discretización y aproximación numérica para la obtención de soluciones

es conocido desde tiempos antiguos. Los egipcios utilizaban métodos de discretizado para

determinar el volumen de las pirámides. Arquímedes, de igual manera, usaba este principio para

calcular áreas y volúmenes. Por otro lado, en oriente, el matemático chino Lui Hui hacia uso de

un polígono regular para calcular longitudes de circunferencias.

El desarrollo de este método como se conoce hoy en día ha estado ligado a lo hecho por Courant

en los años 40, donde propone el uso de funciones polinómicas para la formulación en

subregiones triangulares. Esto para la aproximación de soluciones. Sin embargo no fue hasta el

trabajo presentado por Turner, Clough, Martin y Topp donde introdujeron la aplicación de

elementos finitos simples como barras y placas triangulares, con la aplicación de cargas en su

plano, para realizar el análisis de estructuras aeronáuticas que formalmente se utilizó el término

de discretizado. Oden, con su trabajo de revisión a trabajos previos, aporto de manera

significativa en el campo de las matemáticas al método. Al pasar de los años han surgido un gran

número de aportes al desarrollo del método y sin lugar a dudas esto ha beneficiado a su

aplicación.

Figura IV.1.- Discretización de una aeronave de combate [IV.3]

En la actualidad, el uso de este método es amplio en la industria y continúan apareciendo un gran

número de investigaciones en este campo. Las herramientas computacionales han aportado un

medio eficaz para la aplicación de este método, ya que la unión de métodos de análisis con las

técnicas de diseño y fabricación permite la realización de un diseño más confiable.

Capítulo IV 77



IV.1.2.- Generalidades del método

En cualquier sistema a analizar por este método se pueden definir 3 aspectos:

Dominio es el espacio geométrico donde se analizará el problema.

Condiciones de frontera, son todas las variables conocidas y que afectan al sistema

que se analizará. Estas pueden ser; cargas, desplazamientos, temperatura, etc.

Incógnitas, son las variables que se desean conocer después de la aplicación de las

condiciones de carga y frontera.

La idea principal de este método, parte de la división de un elemento continúo en un conjunto de

pequeños elementos. Dependiendo de la naturaleza física del problema, pueden ser líneas, áreas o

volúmenes. Cada elemento es identificado por el número de nodos que es definido por una

secuencia global de números de nodos.

Figura IV.2.- Descripción de elementos. a) Línea. b) Área. c) Volumen.

Los elementos están interconectados por una serie de puntos llamados nodos. Estos nodos

especifican la localización en coordenadas en el espacio, donde los grados de libertad y acciones

a)

1 2

1

3

2

b)

)

2

1

3

4

c)

)

Capítulo IV 78



del problema físico existen. Sobre estos nodos se evaluan las incógnitas fundamentales del

problema.

Figura IV.3.- División del dominio en subdominios

En elementos estructurales, estas incógnitas son los denominados desplazamientos nodales, ya

que a partir de estos se puede calcular las incógnitas restantes como tensiones, deformaciones

unitarias, etc. También son denominadas grados de libertad, los cuales determinan el estado y/o

posición del nodo. Dependiendo del tipo de problema estudiado, estos grados de libertad pueden

ser:

Desplazamientos.

Temperatura.

Presión.

Velocidad.

Potencial eléctrico.

Potencial magnético.

El sistema, debido a las condiciones de frontera, evoluciona a un estado final. En dicho estado

final se puede determinar incógnitas como; esfuerzos, deformaciones unitarias, etc. Al plantear la

ecuación diferencial que rige el comportamiento del medio continuo para el elemento, se

obtienen las fórmulas que relacionan el comportamiento interior, con los valores que tomen los

grados de libertad. Esto se realiza mediante interpolaciones. Conociendo las matrices que definen

el comportamiento del elemento se ensamblan y se forma un conjunto de ecuaciones lineales,, las

cuales nos proporcionan los valores de los grados de libertad en los nodos deseados.

Nodo

Capítulo IV 79



IV.1.3.- Procedimiento de análisis por el Método de Elemento Finito [IV.4]

Aunque el procedimiento del MEF puede variar dependiendo del problema y de la solución, las

etapas básicas involucradas en cualquier análisis son similares y consisten en:

IV.1.3.1.- Fase de pre procesamiento

En esta fase se define la geometría, las propiedades de los materiales que estarán en el

modelo, el tipo de elemento a utilizar, así como también, el tipo de análisis a realizar.

Posterior a esto se prosigue con los siguientes aspectos:

Desarrolla y discretiza el dominio en nodos y elementos. Se selecciona el más

apropiado para el análisis, ya que la variación del tamaño y el tipo son primordiales

para la solución del problema, muchas veces esta selección se realiza con juicio

ingenieril. La discretización es la parte fundamental del método, ya que la precisión

del resultado dependerá de los detalles de esta.

Se asume una función de forma para representar el comportamiento físico de un

elemento.

Se desarrollan las ecuaciones para el elemento, las cuales se obtienen utilizando los

principios teóricos disponibles. Estas ecuaciones describen la relación entre los grados

de libertad y los parámetros nodales para el elemento.

Se unen los elementos para representar el problema en su totalidad.

Finalmente, se aplican las condiciones carga y de frontera, las ultimas son las

restricciones o soportes que puedan existir en el problema. Dichas condiciones

comúnmente especificadas en valores conocidos.

IV.1.3.2.- Fase de solución

Durante esta fase se permite aplicar las condiciones de carga y frontera. Con el modelo ya

generado se procede a obtener la solución deseada al problema planteado. Durante esta fase

se:

Resuelve una serie de ecuaciones algebraicas lineales y no lineales de una manera

simultánea para obtener una solución nodal, como lo puede ser valores de

desplazamiento o temperatura.

Capítulo IV 80



IV.1.3.3.- Fase de post-procesamiento

En esta fase se tienen las herramientas necesarias para mostrar los resultados, los cuales se

pueden mostrar en forma de gráficas y/o animaciones. Por otra parte se pueden generar

análisis posteriores al modelo, tales como una secuencia de carga y descarga y la obtención de

información adicional como esfuerzos principales, transferencia de calor, etc.

IV.1.4.- Aplicaciones del Método de Elemento Finito [IV.5]

El MEF puede ser utilizado para resolver cualquier problema en varias áreas de Ingeniería como

Mecánica de Sólidos, de Fluidos, Térmicos e incluso análisis estáticos y transitorios. Los

problemas que pueden ser resueltos por este método se pueden dividir en de equilibrio, de valor

propio y transitorios. Los problemas de equilibrio generalmente son estables, es decir, las

condiciones de frontera y cargas aplicadas no cambian conforme al tiempo, algunos problemas

típicos son:

Análisis estático de vigas, placas, carcasas, puentes y estructuras de concreto.

Distribución de temperatura en sólidos y fluidos.

Análisis de esfuerzos en recipientes sujetos a presión, materiales compuestos y

cualquier componente mecánico.

Los problemas de valor propio de igual manera son estables, sin embargo incluyen la estimación

de los modos de vibración y las frecuencias naturales en sólidos:

Frecuencia natural y estabilidad en estructuras

Frecuencias naturales y estabilidad en aeronaves, cohetes y misiles.

En los problemas transitorios, el MEF estudia problemas de propagación en medios continuos

con respecto al tiempo:

Propagación de esfuerzos, respuesta de las estructuras a cargas periódicas.

Respuesta de aeronaves a cargas súbitas, así como su respuesta dinámica.

Transferencia de calor, análisis de motores a combustión interna, turbinas, etc.

Mecánica de la fractura bajo cargas dinámicas.

Capítulo IV 81



IV.1.5.- Ventajas y limitaciones del Método de Elemento Finito [IV.6]

Aunque este método puede aplicar a casi cualquier problema, no quiere decir que sea la única

solución. Existe gran número de métodos numéricos disponibles. Sin embargo, dependiendo de

la complejidad del problema se debe hacer la selección del método correcto. Tiene numerosas

ventajas sobre otros métodos numéricos, algunas de estas son:

Este método es aplicable a cualquier problema real como análisis de esfuerzos, de

fluidos, transferencia de calor, etc.

No existen restricciones acerca de la geometría, se pude utilizar prácticamente

cualquier geometría compleja.

No hay restricciones en la aplicación de las condiciones de frontera.

Se pueden analizar materiales isotrópicos, ortotrópicos, así como compuestos.

La precisión deseada puede ser obtenida con la implementación de una malla que se

adapte a las necesidades del diseñador.

Existe una gran variedad de programas computacionales que ayudan en la aplicación

de este método numérico.

Algunas limitaciones del MEF son:

La solución obtenida puede ser utilizada para solo un problema específico.

Una gran cantidad de datos es requerida

Generalmente se tiene que analizar una gran cantidad de resultados.

La experiencia, un buen juicio ingenieril y un entendimiento del problema físico son

requeridos para el modelado en el MEF.

Una pobre selección del elemento o la discretización puede llevar a resultados

erróneos.

IV.1.6.- Programas computacionales para el método de elemento finito

El avance tecnológico en el área de las computadoras ha sido de ayuda en el desarrollo de

programas computacionales para realizar análisis por MEF. Hoy en día existen una gran variedad

de estos programas como; ANSYS, Msc/Nastram, NISA, ABAQUS, ALGOR, ADAMS, etc. Todos

Capítulo IV 82



estos ofrecen poder, flexibilidad, una interfaz amigable, etc. Para la correcta selección de un

programa computacional, este debe de ofrecer los siguientes aspectos:

Una buena colección de elementos finitos.

Base de datos de materiales.

Una buena colección de procesamiento.

Generación autónoma de malla

Documentación en línea.

Mostrar animaciones de las geometrías con deformación.

Documentación en línea.

IV.2.- Implementación de geometría para formación de la película de agua

El análisis del flujo de fluidos se hace con base en los principios fundamentales de la Mecánica

de Fluidos, que estudia el comportamiento de estas sustancias, tanto en reposo como en

movimiento y evalúa sus efectos sobre el entorno que lo rodea.

Durante el funcionamiento del generador de vapor, se lleva a cabo una combustión de metano y

Oxígeno a altas presiones. La temperatura que se alcanza es superior a la temperatura de fusión

del material del reactor. Por esa razón, debe protegerse la pared interior del reactor por medio de

una película de agua, que no debe romperse por ningún motivo, ya que esto provocaría la fusión

del reactor.

Estudios realizados por el LABINTHAP de la ESIME Zacatenco del Instituto Politécnico

Nacional referentes a la correcta formación de la película de agua, muestran que para una buena

distribución del agua en el reactor se debe considerar un plato estabilizador de 10°. El plato

inclinado con área anular compensada, proporciona mejores resultados, pues evita la formación de

vórtices en el interior de su área anular. Por lo que al descender el fluido y generar la película de

enfriamiento no se observa un flujo perturbado. Con el objeto de la generación de una película de

agua uniforme de entre 2 y 2.5 mm de espesor, que servia de protección y enfriamineto del sistema de

generación de vapor, se estudiaron diferentes geometrías, así como su influencia en la dinámica de

esta.

Capítulo IV 83



Figura IV.4.- Geometría del plato estabilizador

Tabla IV.2.- Condiciones de operación

Fluido Agua

Flujo másico de agua 0.75, 1.125 y 1.5 kg/s

Diámetro del plato estabilizador 91.5 mm

Diámetro del tubo de Oxígeno 16.6 mm

Diámetro del tubo de metano 5.86 mm

Diámetro cabezal 101.6 mm

Las condiciones de frontera y de simulación del flujo de agua en el sistema son:

El fluido transportado cumple con un régimen estacionario y transitorio

La velocidad de corriente incide paralelamente en la superficie de la tubería.

Tubería de acero sin rugosidad.

Se consideró las condiciones de los alrededores del reactor.

Modelo en una sola fase utilizando el modelo k-épsilon para la turbulencia.

Modelo en dos fases utilizando VOF y el modelo k-épsilon realizable para la turbulencia.

En la Figura IV.5a, la geometría propuesta utiliza un plato sin inclinación. En este análisis se

puede observar un vórtice que genera una recirculación debido a la velocidad con la que el fluido

choca con la pared del reactor.

10°

Capítulo IV 84



Figura IV.5.- Análisis del comportamiento del fluido. a) Con plato estabilizador. b) Sin plato

estabilizador

0

0.005

0.01

0.015

0.02 (m)

6.500

5.778 2.889 4.333

3.611 5.056 2.167 0.722

0.000 1.444

Vel. 𝑚𝑠−1

0

0.0075

0.005

0.002

0.01 (m

6.500

5.778 2.889 4.333

3.611 5.056 2.167 0.722

0.000 1.444

Vel. 𝑚𝑠−1

a)

b)

Capítulo IV 85



Figura IV.6.- Vectores de velocidad de la geometría con plato estabilizador

Con base en el análisis de fluido fue que se determinó el mejor ángulo posible, el cual afecta

directamente a la forma que tomará el cabezal de distribución, dicha geometría es integrada al

modelo para asegura su integridad estructural. Como se muestra en la Figura IV.6. La recirculación

del agua es mínima permitiendo que la formación de la película sea el correcto.

IV.3.- Análisis de la integridad estructural del cabezal del generador de vapor

Para este trabajo se utilizará el programa computacional denominado ANSYS, el cual es capaz de

realizar análisis estáticos, dinámicos, de transferencia de calor, dinámica de fluidos y de

electromagnetismo. Para iniciar el análisis, el modelo previamente hecho en Solidworks, se

exportó a ANSYS. Esto se realizó mediante un formato con terminación .igs.

0

0.0075

0.005

0.002

5

0.01 (m)

0.000

1.625

3.250

4.875

6.500

Vel 𝑚𝑠−1

Capítulo IV 86



Figura IV.7.- Modelo sólido del cabezal de alimentación

IV.3.1.- Discretizado del cabezal

Se inició con la discretización del elemento analizar. En este caso se tomaron en cuenta todos los

elementos que componen al cabezal. La malla se controló cambiando la configuración que viene

en el programa, ya que la malla que al generarse de una manera libre y automática, puede

desarrollar errores en el análisis. ANSYS crea los elementos de forma automática, pero

normalmente la malla no resulta la adecuada para generar los resultados correctos, por lo que es

recomendable controlarla antes de iniciar el análisis. Esto se puede realizar con refinamientos o

cambiando la relevancia de la malla. Este refinamiento se aprecia en la Figura IV.8.

Figura IV.8.- Discretización. a) Relevancia 0. b) Relevancia 100

0.000

0.025

0.050

0.075

0.100 (m)

a) b)

Capítulo IV 87



La malla utilizada para el análisis tuvo los siguientes detalles:

Tabla IV.3.- Información de la malla

Descripción Información

Nodos 1186826

Elementos 581719

Tamaño 0.000088161 mm

Forma tetraedros y hexaedros

Figura IV.9.- Discretización de la pieza en programa computacional ANSYS

IV.3.2.- Aplicación de condiciones de frontera

Se ubicaron las sujeciones, que en este caso están en la brida que conectará el cabezal con la

cámara de combustión. Cabe recordar que no se pretende calcular las temperaturas para un ciclo

de trabajo, si no, determinar el comportamiento de los esfuerzos inducidos por las condiciones de

carga que serán las presiones y temperaturas especificadas en capítulos anteriores

0.00

0.02

5

0.05

0.07

5

0.10(m)

Capítulo IV 88



Tabla IV.4.- Condiciones de frontera y restricciones de movimiento


Presión 200 bar (20 MPa)

Temperatura 730 °c

Restricción de

movimiento

No se permite el giro del

cabezal, la restricción

principal se ubicó en la

brida que se encargará de

la conexión con la cámara

de combustión.

Figura IV.10.- Sujeciones en brida de conexión

Para la aplicación de las cargas, primero se aplicó la presión a la cual estará sometida el cabezal

de alimentación, dicha presión es de 200 bares o de 20 MPa. Dicha presión es la que encuentra

dentro del pozo petrolero. Esta presión se supone en caso de que el dispositivo internamente

tenga una presión menor a la que se encuentra el interior del pozo petrolero.

0.000

0.025

0.050

0.075

0.100 (m)

Capítulo IV 89



Figura IV.11.- Aplicación de la presión de operación (20 MPa)

Posterior a la aplicación de la presión de 20 MPa se aplicó la temperatura a la cual estará

sometido el cabezal de distribución.

Figura IV.12.- Aplicación de la temperatura de operación (730°c)

0.00

0 0.02

5

0.05

0 0.075

0.10

0 (m)

0.0

0.0

25

0.05

0 0.0

75

0.10

0 (m)

Capítulo IV 90



IV.4.- Análisis numérico del cabezal de distribución a una sobrecarga

El análisis anterior se realizó fue en condiciones normales de trabajo, debido a que se trata de una

dispositivo totalmente nuevo y puede ocurrir problemas al momento de operarlo. Estos pueden

ser ocasionados por error humano o algún mal funcionamiento del equipo. Por esta razón, es de

gran importancia tener datos que ayuden a tener un plan de acción en caso de existir algún

accidente.

IV.4.1.- Aplicación de condiciones de frontera

Se ubicaron las sujeciones, de igual manera están en la brida que conectará el cabezal con la

cámara de combustión. Se pretende determinar el comportamiento de los esfuerzos inducidos por

las condiciones de sobrecarga que serán las presiones y temperaturas que se expresan en la Tabla

IV.5, la temperatura a la cual estará sometido el cabezal será la misma, la única modificación será

el aumento en la presión de operación.

Tabla IV.5.- Condiciones de frontera y restricciones de movimiento en análisis de

sobrecarga


Presión 400 Bar (40 MPa)

Temperatura 730 °c

Restricción de

movimiento

No se permite el giro del

cabezal, la restricción

principal se ubicó en la

brida que se encargará de

la conexión con la cámara

de combustión.

Al establecer las nuevas condiciones de frontera y de carga, se procede a realizar el análisis por el

MEF, se realizó un análisis termo-estructural. La malla se realizó de la misma manera que en el

análisis anterior, esta se controló cambiando la configuración definida en el programa, el número

de elementos, de nodos y su tamaño son los definidos en la Tabla IV.3.

Capítulo IV 91



Se aplicó la presión externa de 40 MPa en el cabezal de distribución como se muestra en la

Figura IV.13.

Figura IV.13.- Aplicación de la sobrecarga 40 MPa.

Posterior a la aplicación de la carga se aplicó la temperatura a la cual estará sometido el cabezal

de distribución que será la misma utilizada en el análisis anterior.

Figura IV.14.- Aplicación de la temperatura de operación (730°c)

0.00

0 0.02

5

0.05

0 0.075

0.10

0 (m)

0.00

0 0.02

5

0.05

0 0.075

0.10

0 (m)

Capítulo IV 92



IV.5.- Sumario

Se realizó el análisis numerico de este dispositivo por medio del método de elemento finito, para

asegurar la integridad estructural del cabezal de distribución. Se aplicaron las condiciones de

frontera pertinentes, sujeciones, presión de operación y la temperatura. Se corrió el análisis y los

resultados obtenidos fueron aceptables para el diseño de este cabezal. También se realizó un

análisis simulando una sobrecarga al equipo para determinar si existe algún punto de riesgo

durante la operación.

IV.6. - Referencias

IV.1.- Rao, S. S., The Finite Element Method in Engineering, Ed. Elsevier Butterworth-

Heinemann, pp 3-10, 2005.

IV.2.- Carnicero, A., Introducción al Método de los Elementos Finitos, Ed. Escuela Técnica

Superior de Ingeniería ICAI, Madrid, España, pp 3-5, 2001.

IV.3.- Moaveni S., Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS, Ed. Prentice

Hall, pp 1-10, 1999.

IV.4.- Desai, Y. M, Edho T.I. y Shah A.h., Finite Element Method with Applications in

Engineering, Ed Pearson, pp 27-33, 2011.

IV.5.- Madenci, E. y Guven, I., The Finite Element Method and Applications in Engineering

Using ANSYS®, Ed. Springer, pp 10-20, 2007.

IV.6.- Srinivas, P. y Kumar, R., Finite Element Analysis Using ANSYS 11.0, Ed. PHI Learning

Pvt. Ltd, pp 1-36, 2010.

93



CAPÍTULO V

ANÁLISIS DE

RESULTADOS

Capítulo V 94



V.1.- Análisis del campo de esfuerzos obtenidos en condiciones normales de trabajo.

Se realizó el análisis por Elemento Finito para observar como actuaran los esfuerzos en el cabezal

de distribución después de haber sido aplicada la presión y la temperatura a la cual estará sometido

en un ciclo normal de operación. En el análisis ejecutado se muestran la expansión de la carcasa

así como el desplazamiento axial en todo el conjunto ocasionados por la presión y la temperatura.

Por medio de la teoría de falla de von-Mises se aprecia el esfuerzo máximo al cual está sometido

el cabezal de distribución.

Figura V.1.- Esfuerzos von-Mises en la geometría externa del cabezal

De acuerdo a los resultados arrojados por ANSYS el valor del esfuerzo máximo al que estará

sometido el cabezal es de 67.749 MPa, como se puede apreciar en la Figura V.1. Dicho valor está

presente en toda la geometría, esto se puede concluir con ayuda de los códigos de colores, que

presenta el programa.

6.7749e7

2.7728e9

5.5687e9

8.3047e9

1.1071e10

Pa.

0.00

0.02

0.05

0.07

0.10(m)

Capítulo V 95



En la Figura V.2, se muestra un corte, el cual permite apreciar el valor del esfuerzo presente en la

geometría interna, la cual es la que ayudara con la formación de la película de agua, este valor

permanece constante con el mostrado en la Figura V.1.

Figura V.2.- Esfuerzos von-Mises en la geometría interna del cabezal

Figura V.3.- Análisis de esfuerzos von-Mises en la brida

6.77

49e7

6.7749e7

6.7809e7

6.7678e7 6.8675e7

6.7899e7

6.7456e7

6.7787e7

6.7985e7

0.00

0.02

0.05

0 0.07

0.100 (m

6.7749e7

2.7728e9

5.5687e9

8.3047e9

1.1071e10

Pa

Capítulo V 96



Una zona de gran interés y de preocupación relacionada con la integridad estructural del cabezal

de distribución, es su unión con la brida. En la Figura V.3 se muestran los valores de los esfuerzos

presentes en esta sección, como se puede observar los valores oscilan entre el esfuerzo máximo

proporcionado anteriormente, también se puede apreciar que los valores en la circunferencia tienen

el mismo comportamiento.

Figura V.4.- Ubicación del esfuerzo máximo y mínimo

La Figura V.4, muestra la ubicación del esfuerzo máximo y mínimo, esto corrobora que el esfuerzo

von-Mises es similar en toda la geometría.

V.2.- Deformación en condiciones normales de trabajo

La deformación máxima ocasionada por las condiciones de carga de acuerdo a los resultados

arrojados por el análisis numérico, no impedirá el correcto funcionamiento del dispositivo. En la

Figura V.5 y la Figura V.6 se aprecia que el área de la unión entre la cabeza hemisférica y el cilindro

será la parte que más se deformara en la geometría externa.

Figura V.5.- Cabezal de distribución. a) Sin deformar. b) Deformada.

a) b)

Capítulo V 97



Figura V.6.- Deformación total en la geometría externa del cabezal

Figura V.7.- Deformación total en la geometría interna del cabezal

0 0.00013

6.8559e 0.00020

0.00027

0.00034

0.00041

0.00047

0.00054

0.00061

m

0 0.00013

6.8559e-5 0.00020

0.00027

0.00034

0.00041

0.00047

0.00054

0.00061

m

Capítulo V 98



La Figura V.7 muestra un plano de la geometría interna del cabezal de distribución, dicho corte

muestra la ubicación de la deformación máxima que tiene un valor de 0.00061 m, y se ubica en la

parte superior de la geometría interna, dicho valor asegura que esta deformación no interfiere con

la operación del dispositivo.

V.3.- Análisis del campo de esfuerzos obtenidos en sobrecarga

Al realizar este análisis numérico, se puede apreciar que aunque el valor del esfuerzo máximo von-

Mises aumentó, el comportamiento y distribución de los esfuerzos es similar al obtenido en el

análisis realizado a condiciones normales de operación. Los esfuerzos se distribuyen en toda la

geometría de una manera uniforme como se muestra en la Figura V.8.

Figura V.8.- Análisis de esfuerzos von-Mises geometría externa

El valor que se obtuvo fue de 87.849 MPa. Se debe considerar que el espesor elegido toma en

consideración un valor de seguridad al momento de su cálculo. En caso de existir algún problema

durante la operación del cabezal, la integridad estructural está asegurada, esto se establece con base

en los datos obtenidos del análisis numérico. Cabe recalcar que aunque es confiable esta

información, se requieren análisis experimentales, así como también la realización de experimentos

y pruebas en ambientes controlados y debidamente instrumentados.

8.7849e7

2.97141e9

5.8287e9

8.3047e9

1.1071e10

Pa

Capítulo V 99



Para llevar a cabo los análisis experimentales, existe una tesis vinculada a este proyecto

denominada “Diseño de un prototipo de laboratorio de cabezal de distribución para la extracción

de crudo en yacimiento petrolero maduro” elaborada por el Ing. Rafael Espinoza Zavala, que como

su nombre bien indica es el diseño del banco de pruebas

Figura V.9.- Análisis de esfuerzos von-Mises geometría interna

Se secciono el cabezal de distribución para obtener una vista de la geometría interior y los esfuerzos

que en esta actuaban, el valor se mantuvo constante como en la geometría externa.

V.4.- Deformación en sobrecarga

La deformación mostrada por el análisis con una sobrecarga es similar a la mostrada en el análisis

en condiciones normales de operación, mostrando que la mayor deformación en la geometría

externa se concentra en la unión de la cabeza hemisférica con el cilindro de la carcasa como se

muestra en la Figura V.10.

8.7849e7

2.97141e9

5.8287e9

8.3047e9

1.1071e10

Pa

Capítulo V 100



Figura V.2.- Análisis de esfuerzos von-Mises geometría interna

Figura V.10.- Deformación en la geometría externa del cabezal

Figura V.11.- Deformación total en la geometría externa del cabezal

0 0.00018

6.8559e-5 0.00025

0.00036

0.00045

0.00051

0.00058

0.00066

0.00071

m

a) b)

Capítulo V 101



Figura V.12.- Deformación en la geometría interna del cabezal

La Figura V.12, muestra la deformación que sufre la geometría interna, la cual tiene un valor

máximo de 0.00071 m. Dicha deformación es mayor a la sufrida en condiciones normales de

operación. Aunque mayor, esta deformación continua sin afectar la inyección de los fluidos y

tampoco interviene con la operación del cabezal.

V.5.-Factor de seguridad

Debido al lugar de operación de este dispositivo, en el fondo de un pozo petrolero, es importante

seguir las normas que intervienen en la industria petrolera así como también las que dictamina

Petróleos Mexicanos. El equipo está sujeto a presión interna por esta razón el Código ASME

sección VIII fue la bibliografía que se usó para el diseño. En cuanto a los materiales se

especificaron de acuerdo a las normas ASTM.

En cualquier diseño mecánico realizado es de suma importancia y conveniente realizar la

evaluación de los índices de seguridad en cada uno de los elementos que constituyen el mecanismo

y/dispositivo. Dicho factor se calculó usando la relación siguiente:

0 0.00018

6.8559e-5 0.00025

0.00036

0.00045

0.00051

0.00058

0.00066

0.00071

m

Capítulo V 102



σEsfuerzo de cedencia

σEsfuerzo von Mises > 1 (V.1)

Donde el esfuerzo de cedencia es reportado a la temperatura de operación, de acuerdo a ASME.

Por otra parte, el esfuerzo de von Mises es el valor máximo encontrado en la zona de interés. Con

este factor se puede definir el estado de seguridad que tiene cada zona. Los valores mayores que 1

identifican que el elemento es seguro. Alternativamente, los valores inferiores a este valor

dictaminan que no están en un rango de seguridad.

Como lo muestra la V.1 el esfuerzo máximo por la Teoría de Falla de von Mises fue de 67.749

MPa. Este actúa sobre todo el ensamble. Con esta información se evaluaron los factores de cada

elemento del cabezal.

Tabla V.1 Factores de seguridad cabezal de alimentación

Temperatura Elemento Factor de seguridad

750 ° C Cabeza carcasa 5.6

750 ° C Cilindro carcasa 5.6

750 ° C Cabezal 5.6

7500 ° C Brida 5.6

Se puede concluir que el cabezal tiene integridad estructural en el rango de operación establecido

inicialmente.

V.6.- Generación del prototipo rápido

Inicialmente los prototipos rápidos solo se usaban para la fabricación de prototipos. Hoy en día se

utiliza como un proceso de fabricación más. Un ejemplo se encuentra en el sector dental, en el cual

se utiliza para fabricar las estructuras metálicas que luego irán recubiertas de cerámica creando

coronas y puentes dentales.

Estos prototipos se crean a partir de un diseño 3D, el cual posteriormente se guarda en un archivo

compatible con la impresora que se vaya a utilizar. Con esto se pueden reducir costos de

fabricación y diseño y verificar su producto antes de su fabricación. La generación de prototipos

rápidos pueden ser útiles en:

Capítulo V 103



Evaluación de aspectos estéticos y ergonómicos.

Probar concordancia geométrica, la forma y los ensambles.

Mostrar las características y patrones de comportamiento en una prueba del producto

final.

Evaluar las funciones de la pieza final.

Para la generación del prototipo rápido se guardó el archivo del modelado 3D de la pieza en un

archivo .STL, el cual es compatible con el equipo de impresión. El equipo de impresión utilizado

es del prototipo rápido fue una impresora Dimension sst 1200. Se encuentra ubicada en la sección

de Biomecánica en la Sección de Posgrado e Investigación de la ESIME Zacatenco.

Figura V.13.- Impresora Dimension sst 1200

A partir de la exportación del archivo del modelado en 3D, este se exportó al programa predefinido

para la impresora. Se ubicaron las piezas en el área de impresión y se calcularon sus tiempos de

impresión como se muestra en la Figura V.14.

Figura V.14.- Paquetería impresora Dimension sst 1200

Capítulo V 104



El prototipo está destinado para realizar inspecciones visuales principalmente de la formación de

la película de agua. Por otra parte, se utilizara para el dimensionamiento físico del dispositivo

antes de construir el prototipo.

Figura V.15.- Proceso de impresión de prototipos rapidos

V.5.-Sumario

Se analizaron los resultados obtenido por el análisis realizado por medio del Método de Elemento

Finito, lo cual ayudo a asegurar la integridad estructural del cabezal de distribución. Se aplicó un

caso extremo de carga ya que como se trata de un dispositivo nuevo, el diseño debe de ser confiable

y seguro en estos casos. Se evaluaron los factores de seguridad de todos los elementos del cabezal

de distribución, obteniendo datos positivos. Finalmente, se generó un prototipo rápido para

posteriores evaluaciones experimentales no destructivas para asegurar el funcionamiento de este.

105



CONCLUSIONES Y

TRABAJOS

FUTUROS

Conclusiones 106



CONCLUSIONES

La problemática referente a los hidrocarburos dentro del territorio nacional, es de gran

preocupación. El desarrollo e implementación de nuevas tecnologías, proceso y/o maquinas

que permitan dar una solución integral es algo primordial.

La estimulación de pozos maduros o recuperación mejorada presenta una gran oportunidad

para explotar los yacimientos petroleros existentes dentro del territorio nacional y así

incrementar las reservas de petróleo existentes.

A nivel mundial estas tecnologías se encuentran ya dando resultados positivos. Lo cual

permite generar un panorama de una futura implementación de cualquier sistema de

recuperación dentro de los campos petroleros en el territorio nacional.

La aplicación de un método térmico para el recobro adicional del petróleo es factible,

debido a que este método es el más aplicado en la actualidad, y se encuentra dando

resultados alentadores.

Esta investigación forma parte de un proyecto, en el cual, ya se tienen productos terminados

con alto contenido de información relevante para este trabajo. A la par se están llevando a

cabo más investigaciones en paralelo para así abordar cada uno de las disciplinas que un

proyecto de esta magnitud requiere.

El uso del Código ASME para realizar el diseño del cabezal de distribución fue de suma

importancia, ya que permitió obtener los parámetros necesarios para garantizar una

operación segura y confiable.

El diseño realizado del cabezal de distribución fue uno totalmente nuevo, este se desarrolló

con base en requerimientos específicos manifestados por el grupo de investigadores del

LABINTHAP.

Conclusiones 107



El dimensionamiento de la geometría propuesta está debidamente desarrollada tomando en

cuenta parámetros de presión, temperatura y corrosión. Estos parámetros son a los cuales

estará expuesto el dispositivo durante todo el ciclo de operación. Dichos datos fueron

proporcionados por el LABINTHAP. Se tomaron en cuenta restricciones de tamaño como

lo fueron la limitación en el diámetro del cabezal a 4 pulgadas, así como también, la

longitud esperada del todo el generador que se espera no rebase 1 metro.

El mayo parámetro a considerar es la temperatura, ya que los rangos de operación del

dispositivo llegan hasta los 730 °C. Para contrarrestar el efecto de la temperatura y para la

protección de cada uno de los elementos que componen el generador de vapor, se generara

una película de agua, el espesor requerido es de 2 mm.

Dentro de este diseño se incluyó geometría especial, la cual permitirá la formación y una

correcta distribución del agua. Para su validación se realizaron análisis numéricos del fluido

a utilizar, mostrando que para los fines antes mencionados se necesitan la adición de un

plato estabilizador con un ángulo de 10°, así como también, la inclusión de venas de

distribución en toda la circunferencia de esta.

Al tener cada uno de los diseños en un modelo 3D se realizó el ensamble de cada uno de

los componentes, para así asegurarse de la integridad estructural del cabezal de distribución.

Para asegurar la integridad estructural se realizó un análisis por medio del Método del

Elemento Finito en un programa computacional.

Para el correcto desarrollo del análisis por MEF, se realizó un mallado controlado de todo

el conjunto por medio de tetraedros y hexaedros. La malla tenía 1, 186,826 nodos y 581,719

elementos, con un tamaño de 0.088161mm.

Se utilizó la teoría de falla de von Mises, ya que esta toma en consideración los esfuerzos

principales así como también los esfuerzos cortantes. Al obtener los resultados se aprecia

que el mayor esfuerzo obtenido fue de 67.749 MPa y se encuentra distribuido de una

uniforme en toda la geometría del cabezal de distribución. Por otro lado la deformación

Conclusiones 108



máximo obtenida fue de 0.00065 mm, dicha deformación no afecta en el funcionamiento

del cabezal de distribución.

Se obtuvieron datos con respecto al factor de seguridad del dispositivo, siendo estos

aceptables y dentro de los parámetros permitidos.

Se realizó un análisis del cabezal de distribución a una sobrecarga, esto para determinar si

existiría un riesgo en caso de un mal funcionamiento de este. Los datos obtenidos por el

análisis del Método de Elemento Finito revelan que el cabezal no presentaría ningún riesgo

El desarrollo e implementación de este tipo de tecnología para la recuperación mejorada es

algo real, los datos obtenidos permiten pasar a la siguiente fase de este proyecto y realizar

análisis experimentales para obtener una mayor visión y posteriormente llegar a la

fabricación de un prototipo.

En otros países el desarrollo de generadores de vapor para aumentar la extracción del

petróleo es algo que sucede hoy en día, existen empresas establecidas que obtienen

ganancias de esta tecnología.

Trabajos futuros 109



TRABAJOS FUTUROS

Implementación de un banco de pruebas del sistema de generación de vapor en el

LABINTHAP. Dicho proyecto se encuentra en la tesis de título “Diseño de un prototipo de

laboratorio de cabezal de distribución para la extracción de crudo en yacimiento petrolero

maduro” elaborada por el Ing. Rafael Espinoza Zavala.

Evaluación de la formación de la película de agua con ayuda del prototipo rápido. Esto

realizando pruebas y experimentos debidamente monitoreados.

Realizar un análisis de fatiga en las zonas donde la temperatura aumenta

considerablemente, en la unión con la cámara de combustión, ya que la fatiga inducida por

el cambio de temperatura es un factor importante a analizar.

Realizar la construcción del prototipo para realizar pruebas en el campo petrolero donde

será ubicado. Instrumentar el dispositivo para corroborar los datos numéricos con datos

experimentales.



ANEXOS

DISEÑO DE CABEZAL DE DISTRIBUCIÓN PARA GENERADOR DE …

Documents

Transcript of DISEÑO DE CABEZAL DE DISTRIBUCIÓN PARA GENERADOR DE …