ANLISIS NODAL

1.1 INTRODUCCIN

El anlisis nodal se define como la segmentacin de un sistema de produccin en puntos o nodos, donde se producen cambios de presin. Los nodos estn definidos por diferentes ecuaciones o correlaciones.

El anlisis nodal es presentado para evaluar efectivamente un sistema completo de produccin, considerando todos los componentes del sistema comenzando por la presin de reservorio Pr y terminando en el separador, incluyendo el flujo a travs del medio poroso, flujo a travs de las perforaciones de terminacin, flujo a travs de la tubera de produccin con posibles restricciones de fondo, flujo por la lnea horizontal pasando a travs del estrangulador en superficie hacia el separador.

El objetivo principal del anlisis nodal, es el de optimizar la produccin variando los distintos componentes del sistema para un mejor rendimiento econmico pudiendo pronosticar los caudales antes que el pozo sea perforado.

Para que ocurra el flujo de fluidos en un sistema de produccin, es necesario que la energa de los fluidos en el reservorio sea capaz de superar las prdidas de carga en los diversos componentes del sistema. Los fluidos tienen que ir desde el reservorio hacia los separadores en superficie, pasando por las tuberas de produccin, equipos superficiales en cabeza de pozo y las lneas de surgencia. La Figura 1.1 muestra un sistema de produccin simple, con tres fases:

1. Flujo a travs del medio poroso. 2. Flujo a travs de la tubera vertical o direccional. 3. Flujo a travs de tubera horizontal.

La Figura 1.1 muestra todos los componentes del sistema en los cuales ocurren las prdidas de presin, que va desde el reservorio hacia el separador:

La prdida total de presin en un sistema de produccin es el punto inicial Pr menos la presin final del fluido . El anlisis de las figuras mencionadas, indican que esta presin es la suma de las prdidas de presin en cada componente que conforma el sistema.

La presin en cada componente varia con el caudal de produccin, el caudal puede ser controlado por los componentes seleccionados, siendo por lo tanto muy importante la seleccin y el dimensionamiento de los componentes individuales en el estudio de un pozo especfico.

El diseo final de un sistema de produccin no puede ser separado en dos subsistemas, dentro del comportamiento del reservorio. Este debe ser analizado como una unidad, puesto que, la cantidad de gas fluyente desde el reservorio hasta superficie en un pozo depende de la cada de presin en el sistema.

El caudal de produccin de un pozo puede muchas veces estar muy restringido por el comportamiento de uno de los componentes del sistema. El comportamiento total del sistema puede ser aislado y optimizado de manera ms econmica. Experiencias pasadas han mostrado que se gast una gran cantidad de dinero en estimular la formacin, cuando la capacidad de produccin del pozo es restringido, porque la tubera o lnea de flujo eran extremadamente pequeas. Otro ejemplo de error en el diseo de terminacin es instalar tuberas extremadamente grandes. Esto ocurre frecuentemente en pozos que se espera un caudal de produccin muy alto. Mostrando que en esta prctica no slo se invierte dinero en equipamiento innecesario, ms esa tubera extremadamente grande puede reducir el caudal con el que fluir realmente el pozo. Esto puede causar que el pozo se escurra y se extinga, para lo cual vemos necesario la instalacin de equipos de elevacin artificial o de compresin.

La Inter-relacin entre caudal y presin es aprovechada por el Anlisis Nodal para resolver muchos problemas que se presentan con la excesiva resistencia al flujo y las variaciones en el caudal durante la vida productiva del pozo, en la etapa de surgencia natural o en la del levantamiento artificial. En este trabajo, estudiaremos la etapa de surgencia natural.

1.2.-ANLISIS DEL SISTEMA DE PRODUCCIN

La optimizacin de la produccin en pozos de gas y petrleo para un Sistema de Produccin llamado tambin Anlisis Nodal, tiene como objetivo el mejorar las tcnicas de terminacin, produccin y rendimiento para muchos pozos. Este tipo de anlisis fue propuesto por Gilbert en 1954, discutido por Nind en 1964 y Brown en 1978.

Se darn algunas definiciones sobre el Anlisis del Sistema de Produccin de autores reconocidos en la industria del petrleo y gas:

En 1978, Kermit E. Browi, El Sistema de Anlisis Nodal est diseado para combinar varios componentes de pozos de petrleo y gas para predecir los caudales y para optimizar los componentes de un sistema

En 1979, Joe Mach, Eduardo Proao, Kermit E. Brownii, Un Sistema de Anlisis Nodal fu presentado para evaluar efectivamente un sistema completo de produccin. Son considerados todos los componentes, comenzando desde la presin de reservorio y finalizando en el separador.

En 1985, Kermit E. Brown, James F. Leaiii, Anlisis Nodal fue definido como un sistema de optimizacin de pozos de petrleo y gas, y es utilizado como una herramienta excelente para evaluar a fondo un sistema completo de produccin y optimizar el caudal de flujo objetivo. En 1987, R.M Frear Jr., and J.P. Yu and J.R. Blairiv, Anlisis Nodal es un anlisis de sistema que puede ser utilizado para optimizar un sistema de produccin en pozos de petrleo y gas. Cada componente en un pozo de un sistema de produccin es incluido y analizado para aumentar el caudal y analizar mejor rentabilidad econmica.

En 1991, H. Dale Beggsv, Un Sistema de Anlisis Nodal, es un mtodo muy flexible que puede ser utilizado para mejorar el desempeo de muchos sistemas de pozos. Para aplicar un procedimiento de anlisis de un sistema de un pozo, es necesario calcular la cada de presin que ocurrir en todos los componentes del sistema mencionados en la figura 1.1.

Desde que el Anlisis Nodal fue propuesto, la esencia del contenido se mantiene. Podemos observar en los conceptos presentados anteriormente por los distintos autores en diferentes pocas, que el avance y desenvolvimiento en la tecnologa de la computacin, permite hacer clculos exactos y rpidos de algoritmos complejos y proporciona resultados fcilmente entendidos, adems que este tipo de anlisis se vuelve popular en todo tipo de pozos de petrleo y gas. El Anlisis Nodal, es el procedimiento de anlisis que requiere un sistema.

Primero, la colocacin de los nodos, que se pueden encontrar en diferentes partes del pozo.

Segundo, la generacin del grfico nodal, presin en el nodo versus el caudal como una herramienta visual para determinar los parmetros dominantes del pozo.

Estas curvas generadas independientemente para cada segmento, son interceptadas en un punto que indica la capacidad productiva del sistema para un caso particular de componentes. (ver Figura 1.2). El anlisis de esta figura muestra que la curva de flujo de entrada (inflow) representa las presiones (aguas arriba) del nodo y la curva de flujo de salida (outflow) representa las presiones (aguas abajo) del nodo.

1.3- NODO

Un nodo es el punto donde existe un cambio en el rgimen o direccin de flujo. Los cuales se pueden dividir en nodo Comn y nodo fijo.

1.3.1.1 NODO FIJO

Son los puntos terminales e inicial del sistema de produccin, donde no existe una cada de Presin.

1.3.2.1 NODO COMN Este es el nombre que recibe una seccin determinada de un sistema de produccin donde se produce una cada de presin, las cadas de presin estn expresadas por ecuaciones fsicas o matemticas que relacionan la presin y caudal. La Figura 1.3 muestra los nodos comn y fijos que se utilizan con ms frecuencia.

Todos los componentes aguas arriba del nodo, comprenden la seccin de flujo de entrada (inflow), en cuanto a la seccin de flujo de salida (outflow) agrupa todos los componentes aguas abajo.

Es importante notar que para cada restriccin localizada en el sistema, el clculo de la cada de presin a travs del nodo, como una funcin del caudal, esta representado por la misma ecuacin general:

Una vez el nodo es seleccionado, se realiza un balance de presiones que representan al nodo:

Entrada (Inflow) al nodo:

Salida (Outflow) del nodo:

Estas relaciones deben cumplir los siguientes requisitos: 1) El caudal que ingresa al nodo debe ser igual al de salida. 2) Solamente existe una presin en el nodo.

1.4 .- ELEMENTOS USADOS EN EL SISTEMA DEL ANLISIS NODAL Considerando las variadas configuraciones de pozos de un sistema de produccin, estos elementos, tambin llamados componentes, pueden ser muchos debido a que existen sistemas muy complejos de terminacin. Los ms comunes estn representados en la Figura 1.3.

1.4.1.- UBICACIN DE LOS NODOS COMPONENTES Observando la Figura 1.3, podemos determinar las posiciones de los nodos componentes ms comunes, siendo estos modificados de acuerdo a necesidades y requerimientos del sistema de produccin o polticas de produccin adoptadas.

1.4.2 .- COMPONENTES QUE INTERVIENEN EN EL ANLISIS NODAL En funcin a la necesidad que se tiene de cada uno de los elementos que intervienen como componente de un sistema de produccin, definiremos la funcionalidad de los ms importantes.

1.4.2.1.- SEPARADOR.En el proceso de separacin de petrleo y gas en los campos, no existe un criterio nico para establecer las condiciones ms adecuadas de produccin ptima de los equipos. El anlisis nodal TM, esta orientado a obtener ciertos objetivos puntuales que nos den condiciones de mxima eficiencia en el proceso de separacin; obteniendo de esta manera:

Alta eficiencia en el proceso de separacin de gas Petrleo Mayor incremento en los volmenes de produccin Incremento en la recuperacin de lquido Disminucin de costos por compresin Estabilizacin de gas-condensado 1.4.2.2.- LNEA DE FLUJO HORIZONTAL. Este componente, es el que comunica la cabeza del pozo con el separador y donde el fluido presenta un comportamiento que obedece a las condiciones adoptadas para el sistema de produccin de los pozos.

El tratamiento del componente para flujo horizontal, puede ser analizado usando las diversas ecuaciones y correlaciones presentadas por investigadores que han estudiado la incidencia, que puede tener este componente, sobre el conjunto del sistema en su interrelacin con los dems nodos.

1.4.2.3.- LNEA DE FLUJO VERTICAL. Este componente es el que comunica el fondo del pozo con la superficie, donde el fluido presenta un comportamiento que obedece a las condiciones de presin y temperatura, que estn de acuerdo a la profundidad. En este componente existe la mayor prdida de energa del sistema, que va desde el 20 al 50 % de acuerdo a la relacin gas / condensado y corte de agua.

1.4.2.4.- CHOQUE SUPERFICIAL.Es el que controla la produccin del pozo con el cual se puede aumentar o disminuir el caudal de produccin, siendo que en este componente se produce una presin diferencial que puede ser calculada con una de las muchas ecuaciones para choques o estranguladores.

1.4.2.5.- CABEZA DE POZO. Es un punto del sistema en el que se produce el cambio de direccin, de flujo vertical a flujo horizontal, y de donde se toma el dato de la presin de surgencia para conocer la energa de produccin del pozo, siendo tambin un punto crtico que es tomado en cuenta para su anlisis dentro del sistema.

1.4.2.6.- VLVULA DE SEGURIDAD. Este componente, es un elemento que se instala en la tubera vertical y que opera en cualquier anormalidad del flujo que puede ocurrir en el transcurso de la produccin, siendo vital para la seguridad operativa del pozo.

1.4.2.7.- CHOQUE DE FONDO. De acuerdo a la necesidad de elevar la presin o controlar la energa en el flujo de la lnea vertical, as como tambin, tener una presin de aporte y elevacin controlada, se procede a la bajada de este tipo de restriccin, por lo que se va producir una presin diferencial en la que se tendr una cada de presin que a su vez puede ser calculada.

1.4.2.8.- PRESIN FLUYENTE. Esta es muy importante para el sistema, ya que de ella depende toda la capacidad de la instalacin que se desea conectar al reservorio a travs del pozo y as producir todo el campo. Esta presin, es medida en el fondo del pozo y tomada en el punto medio del nivel productor. Su determinacin se la hace en una forma indirecta utilizando herramienta mecnica o electrnica de toma de presin, o tambin se la puede calcular utilizando correlaciones.

1.4.2.9.- COMPLETACIN O PERFORACIONES EN EL FONDO. Este nodo es muy importante en el sistema de produccin debido a que comunica el reservorio con el pozo, y de l depende mucho el potencial de entrega de pozo, debido a la disminucin del rea por donde debe pasar el fluido, la cual puede ser expresada por correlaciones.

1.4.3.- PRESIN CONSTANTE El nodo 8, ubicado en un sistema de produccin en el separador, establece que existen dos presiones que no estn en funcin del caudal de produccin del reservorio. La presin de separacin es usualmente regulada a una presin de entrega de gas, planta o la presin de succin del compresor nodo 8. Por lo tanto, la presin del separador ser constante para cualquier caudal de flujo. La presin del reservorio , nombrada por el nodo 1, ser tambin considerada constante en el momento de la prueba o anlisis. El balance de presin para el nodo en el choque se puede definir como:

1.4.4.- ANLISIS DEL SISTEMA EN EL FONDO DE POZO Si colocamos el nodo solucin en el fondo de pozo, esto nos permite aislar el reservorio de las tuberas tanto vertical como horizontal; dando la posibilidad de estudiar varios efectos, podemos estudiar la sensibilidad al dimetro de tubera manteniendo los parmetros de reservorio constante y la sensibilidad de los parmetros de reservorio como la permeabilidad, dao, conductividad. Ver Figuras 1.5 y 1.6. La ecuacin de flujo de entrada y salida respectivamente son:

Entrada =Salida

1.4.5 OPTIMIZACIN DE LA TUBERA DE PRODUCCIN Uno de los componentes ms importantes en un sistema de produccin, es la sarta de produccin. Debido a que cerca del 50 % de la prdida total de presin en un pozo de gas puede ocurrir por la movilizacin de los fluidos desde el fondo del pozo hasta la superficie. Un problema comn en los proyectos de completacin, es el seleccionar un tamao de tubera de produccin basados en critrios totalmente irrelevantes, como por ejemplo, el tamao que se tiene disponible en almacn. La seleccin del tamao de la tubera de produccin debe ser hecha en base a datos disponibles, ya sea pruebas de Formacin o datos de reservorio, lo cual no es posibles hacerlos en pozos exploratorios por falta de informacin confiable.

A medida que el rea de flujo vertical se incrementa, las velocidades de flujo disminuyen pudiendo llegar a generar que las condiciones de flujo sean inestables e ineficientes, esto ocasiona que se forme un escurrimiento de lquido, formndose la acumulacin de lquido en el fondo del pozo, que podra ocasionar el ahogo o muerte del pozo. Una situacin similar se presenta en pozos de baja productividad y dimetro excesivo de tubera, (Figura 1.7). Por el contrario, en las tuberas de produccin muy pequeas el caudal de produccin es restringido a causa de la prdida excesiva de friccin.Un problema comn que ocurre en la completacin de pozos de alto potencial, es el de instalar tuberas de produccin con dimetros excesivos para mantener la seguridad. Esto con frecuencia es contraproducente, ya que disminuye la vida til de los pozos, a medida que la presin del reservorio decrece, los lquidos comienzan a escurrirse por falta de velocidad del gas para arrastrar los lquidos en fondo.

La respuesta de la capacidad de produccin con la variacin del rea de flujo, es muy importante para poder definir el dimetro de tubera que se deba bajar a un pozo, ya que para dos dimetros distintos de tubera obtendremos distintos caudales. Por ejemplo, si tenemos un dimetro D2 mayor a D1 , el caudal Q2 aumenta un porcentaje con respecto al caudal Q1 ; quiere decir, que estamos frente a un pozo restringido por el comportamiento de flujo de salda (outflow). La severidad de la restriccin, depender del porcentaje del incremento del caudal con un cambio del tamao de la sarta. Por el contrario, para un D2>D1 el caudal Q2 es aproximadamente igual al caudal Q1, no se justificarn el costo de una inversin para un cambio de tamao de tubera ver ( Figura 1.7.)

1.4.6- EFECTO DE AGOTAMIENTO DEL RESERVORIO Al aislar los componentes de las tuberas tanto vertical como horizontal, podemos observar el efecto de Agotamiento del reservorio, con su disminucin de su capacidad productiva, conforme transcurre el tiempo. Teniendo en cuenta los cambios de la relacin gas-condensado RGC y el corte de agua.

Las intersecciones de las curvas aguas arriba y aguas abajo para las mismas condiciones de la presin de reservorio, da como resultado las capacidades de produccin para esta relacin ( ver figura 1.8 ).

Mantener la produccin en un caudal constante, implicara una disminucin de la presin de fondo fluyente a medida que la presin del reservorio declina. Existen dos formas para lograr esto:

la primera, es instalando un compresor para reducir la presin del separador. la segunda, es instalando una lnea de flujo y tuberas de mayor dimetro para disminuir la cada de presin en el sistema de tuberas.

1.5.- ANLISIS DEL SISTEMA NODO EN CABEZA DE POZO Con la ubicacin del nodo de solucin en la cabeza del pozo ( nodo 5 ), la lnea de flujo horizontal esta aislada facilitando el anlisis de cambio de dimetro de la misma y de la cada de presin en la lnea o conducto.

Nuevamente el sistema total es dividido en dos componentes, constituyendo el separador y la lnea de flujo horizontal como un componente, y el reservorio ms la sarta de tubera vertical como un segundo componente; ver la figura 1.9 muestra, el primer componente. La lnea de flujo empieza con la presin de separacin incrementandose, la presin en la lnea de acuerdo a la prdida de presin debido a los efectos de friccin y aceleracin, determinandose la presin final en cabeza de pozo para mover el caudal asumido. La Figura 1.10, muestra el segundo componente del sistema; la linea de flujo empieza con la presion de reservorio, la cual va disminuyendo de acuerdo a las restrinciones encontradas, primeramente, se debe descontar la prdida de presin obtenida en las perforaciones en el caso que el pozo este completado, luego se descuenta la prdida de presin por elevacin, friccin y aceleracin obtenida en la tubera vertical encontrando la presin en cabeza para cada caudal asumido. La presin del nodo para este caso esta dada por:

Entrada (Inflow) al nodo:

Salida (Outflow) de nodo:

Procedimiento de clculo:

Asumir varios valores de , y determine el correspondiente de los mtodos de inflow performance. Determine la presin de cabeza del pozo, correspondiente para cada y determinada en el paso 1. Trazar un grfico vs . Utilizando una presin fija de separador y las ecuaciones en las tuberas de flujo, calcular para varios caudales de flujo asumidos. Trazar un grfico vs en el mismo grfico que en el paso 3. La interseccin da solamente el valor de y para un dimetro de lnea que ira a satisfacer ambos subsistemas.

1.6.- ANLISIS DEL SISTEMA EN EL SEPARADOR Con la ubicacin del nodo en el separador se puede dividir el sistema en dos componentes, para optimizar la presin de separacin, con los distintos dimetros de choques en el caso de que existan. El primer componente del sistema es el separador. El segundo componente del sistema muestra el reservorio, tubera y lneas de flujo. La Figura 1.12 nos muestra el efecto de la presin de separacin para los distintos choques y el mximo caudal que podramos obtener. La solucin es obtenida haciendo el grfico vs , como calculado para la relacin:

Procedimiento de clculo:

Comenzar con la presin de reservorio para calcular la presin de fondo fluyente correspondiente para cada caudal asumido. Determinar la presin de cabeza para cada y y del paso 1, haciendo uso de una correlacin de flujo vertical.

Con la presin de cabeza del paso 2, establecer la presin del separador , respectiva y permisible para cada caudal. Trazar un grfico vs y determinar para varios valores de .

El incremento o reduccin de presin del separador, esta ligado al comportamiento del sistema de tubera y en particular a la lnea de flujo. Al disminuir la presin del separador se logra un incremento en el caudal del pozos y para los pozos de alta productividad se ve reflejado mucho mejor. Muchas veces existe el criterio errneo de producir un pozo bajo condiciones de flujo subcrtico, siendo mejor producir bajo condiciones crticas eliminando el efecto de contrapresion del separador al reservorio, dejando baches de lquido en el fondo. En pozos con baja productividad, el componente restrictivo puede ser el mismo reservorio y un cambio de presin del separador tendr un efecto insignificante sobre el caudal, porque adicionales cadas de presin ofrecen pequeos incrementos en la produccin.

1.7.- SELECCIN DEL COMPRESOR La seleccin y el dimensionamiento de un compresor para aumentar la capacidad productiva de un sistema de pozos, requieren conocer la presin de succin y descarga requerida, adems del volumen de gas para la venta y la distancia donde se debe entregar el gas, que es usualmente fijada. En base a todos estos datos requeridos, determinamos la descarga y succin del compresor que esta en funcin al caudal de gas.

La presin del separador controla la presin de succin del compresor y est directamente relacionada con la potencia del compresor (HP) estimada de la siguiente manera:

Donde:R= Relacin de compresin = n= Numero de etapasPara R > 4.5 use 2 etapas Para R > 20 use 3 etapasq= [MMpcsd]

El siguiente procedimiento, es usado para determinar los parmetros de diseo necesarios y la potencia requerida para entregar una cantidad de gas a una presin fijada en la lnea de venta

Comenzar con la , determine para varios valores de usando el procedimiento para determinar el efecto de la presin del separador.

Trazar un grfico vs . Comenzar con la presin de lnea de venta, determine la presin de descarga requerida en el compresor, para varios valores de caudal de flujo.

Trazar un grfico vs en el mismo grfico tal como fue usado en el paso 2. La interseccin de estas curvas da la capacidad de flujo o de entrega.

Seleccione valores de y determine los valores de , y para cada . Determinar la relacin de compresin requerida R, y la potencia requerida por el compresor HP 1.8.- ANLISIS DEL SISTEMA PARA POZOS CON RESTRICCIONES SUPERFICIALES

La Figura 1.12 muestra una descripcin fsica del pozo con un choque de superficie instalado. Puesto que el choque de cabeza esta usualmente representado por el nodo 2 de acuerdo a la ubicacin de los nodos, mostrada en la Figura 1.3, es seleccionado para resolver el problema y determinar los caudales posibles para diferentes dimetros de choque.

La solucin es dividida en dos partes:

1.-La primera parte, sigue exactamente el procedimiento descrito en la seccin 1.5 (anlisis del sistema nodo en cabeza de pozo). En este caso, el desempeo de la curva vertical del IPR representar la presin aguas arriba del nodo 5, (presin de cabeza que controla el caudal) y el desempeo de la curva del segmento horizontal, la presin aguas abajo del nodo 5 (presin necesaria para mover el fluido al separador). As mismo, hemos considerado que no existe cada de presin en el nodo, y que el caudal que se predice es donde la presin aguas arriba es igual a la presin aguas abajo , ver Figura 1.12. Sin embargo, sabemos que el choque crear una cada de presin en el nodo funcional 5 para cada caudal.

2.-La segunda parte se aboca a encontrar esta cada de presin, para luego hacer un grfico vs q elaborado sobre la base de los clculos del desempeo del choque.

La cada de presin para diferentes choques y caudales, se obtiene de la figura 1.13 y se hace un grfico vs q. Para diferentes dimetros de choques, calcular la presin de cabeza asumiendo varios caudales. Tabular estos datos en una tabla, incluyendo adems los valores de cada de presin entre presin de cabeza, requerida para mover el caudal asumido a travs del choque y la presin downstream necesaria para mover el fluido al separador.

Los tabulados son plasmados en coordenadas cartesianas, para mostrar el comportamiento del choque se muestra en la Figura 1.13 para diferentes dimetros de choques.

Las curvas del comportamiento del sistema nos indican el requerido para varios caudales, tomando en cuenta el sistema completo desde la salida al separador. Las curvas de desempeo del choque revelan un creado para un conjunto de caudales considerando diferentes tamaos de choques.

Los puntos de interseccin de las creadas y requeridas representan las soluciones posibles. Por ejemplo, el caudal obtenido a travs de la configuracin de un pozo sin restricciones, caer en un cierto porcentaje con la instalacin de un choque en cabeza de un dimetro particular.