desarrollo de un algoritmo numérico para el diseño y simulación del proceso de producción de ...

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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

DESARROLLO DE UN ALGORITMO NUMÉRICO PARA EL
DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE
HIDROCARBUROS MEDIANTE SISTEMAS DE BOMBEO
MECÁNICO

Presentado Ante la ilustre
Universidad Central de Venezuela
Por los Brs. Gil L., María Verónica.
Morillo L., José R.
para optar el titulo
de Ingeniero Mecánico

CARACAS, 2003
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

DESARROLLO DE UN ALGORITMO NUMÉRICO PARA EL
DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE
HIDROCARBUROS MEDIANTE SISTEMAS DE BOMBEO
MECÁNICO

TUTOR ACADEMICO: Prof. Ing. José Luis Perera

TUTOR INDUSTRIAL: Prof. Ing. Julio González

Presentado Ante la ilustre
Universidad Central de Venezuela
Por los Brs. Gil L., María Verónica
Morillo L., José R.
para optar el titulo
de Ingeniero Mecánico

CARACAS, 2003
DEDICATORIA
DEDICATORIA

María Verónica Gil Lugo:
A mis Padres
A mis Abuelitos, Vicenta y Francisco
A mis Hermanas, Ana, Jenie y Mónica
A mi “Lokito” Bello
A mis Amigas de Introductorio, Luisa y Siulyn

José Reinaldo Morillo Linares:
A mis Padres
A mis Abuelos, Juan Linares y Genoveva de Linares
A mi Hermano Cesar

I
AGRADECIMIENTOS
AGRADECIMIENTOS

A Dios, porque a pesar de todos los inconvenientes que hemos tenido este año,
gracias a Él, hemos podido realizar y terminar éste, nuestro Trabajo Especial, sin
mucho retraso.

Al Prof. Julio González y la Sra. Sharon Escalante, por tendernos una mano y
ofrecernos este proyecto, en un momento en el que habíamos quedado desamparados.

A Fernando Valencia y Marco Peña, por su guía y orientación incondicional
durante la elaboración del proyecto.

A Carlos Gil (mi Tío Carlos) por abrirnos las puertas de Intevep y brindarnos la
oportunidad de realizar nuestro Trabajo Especial de Grado en tan importante
institución.

A nuestros familiares y amigos por apoyarnos en todas nuestras decisiones y
alentarnos a seguir.

Al Prof. Perera por aceptar ser nuestro tutor académico.

GRACIAS, MUCHAS GRACIAS A TODOS

II
TABLA DE CONTENIDOS
TABLA DE CONTENIDOS

DEDICATORIA I
AGRADECIMIENTOS II
TABLA DE CONTENIDOS III
LISTA DE FIGURAS V
LISTA DE TABLAS VIII
RESUMEN IX
INTRODUCCION 1
CAPITULO I 3
1. FUNDAMENTOS TEORICOS 3
1.1 Producción de Crudos. 3
1.2 Comportamiento del Fluido. 13
1.3 Flujo de Fluidos. 24
1.3.1. Comportamiento de Fluencia en Yacimientos (IPR) 24
1.3.2. Flujo de Fluidos Multifásicos en Tuberías. 31
1.4 Análisis Nodal  51
1.5 Equipos. 56
1.5.1. Bombas Electro-Sumergibles. 56
1.5.2. Bombas de Cavidades Progresivas. 81
CAPITULO II 105
2. DESARROLLO DEL ALGORTIMO 105
2.1 Descripción General del Algoritmo 105
2.2 Diagrama de Flujo General. 110
2.3 Descripción Detallada. 112
2.3.1. Entrada de datos. 112
2.3.2. Caracterización del Reservorio. 115
2.3.3. Análisis Nodal  122
III
TABLA DE CONTENIDOS
2.3.4. Recomendación del Método de Bombeo. 130
2.3.5. Algoritmo BES. 132
2.3.6. Algoritmo BCP. 145
2.3.7. Nivel de Sumergencia del Equipo de Bombeo 159
CAPITULO III 161
3. VERIFICACION DEL ALGORITMO 161
3.1 Comparación con programas comerciales con datos de Pozos. 161
3.2 Discusión de Resultados. 206
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 210
REFERENCIAS 213
BIBLIOGRAFIA 217
APENDICE 219
Apéndice A: Ejemplo de un reporte de las condiciones del
Reservorio hecho por el programa BES_BCP. 219
Apéndice B: Reporte Típico del Programa WellFlo v3.6e. 220
Apéndice C: Ejemplo típico de un reporte de BCPi. 226
Apéndice D: Reporte típico del Algoritmo de la Diseño de una BES. 228
Apéndice E: Reporte típico del Algoritmo de la Simulación de una BES. 231
Apéndice F: Reporte típico del Algoritmo de la simulación de una BCP. 232

IV
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1 Diagrama de Completación con Bombeo Mecánico. 7
Fig. 2 Diagrama de Completación con BES. 8
Fig. 3 Diagrama de Completación con BCP. 9
Fig. 4 Diagrama de Completación con Bombeo Hidráulico. 10
Fig. 5 Diagrama de Completación con LAG. 12
Fig. 6 Comportamiento del Rs en función de la Presión. 15
Fig. 7 Comportamiento del Bo en función de la Presión. 16
Fig. 8 Comportamiento de µ en función de la Presión. 19
O
Fig. 9 Factores para pozos de distintas formas y posiciones
en el área de Drenaje. 25
Fig.10 Curva del Comportamiento de Afluencia sobre
el Punto de Burbujeo 28
Fig.11 Curva del IPR Compuesto. 30
Fig.12 Patrones de Flujo en Tubería Horizontales. 45
Fig.13 Patrones de Flujo en Tubería Verticales e Inclinadas. 48
Fig.14 Sistema Simple de Producción. 51
Fig.15 Ubicación de Nodos en el Sistema de Producción. 53
Fig.16 Posibles Pérdidas en un Sistema Completo. 53
Fig.17 Determinación de la Capacidad de Flujo. 54
Fig.18 Bomba Centrífuga. 57
Fig.19 Instalación Típica de una BES. 58
Fig.20 Etapas de una Bomba Centrífuga. 59
Fig.21 Tipos de Bomba Centrífuga. 59
Fig.22 Diagrama de Velocidades a la entrada y salida del Rotor. 62
Fig.23 Separador de Gas Rotatorio. 63
Fig.24 Sección Sello. 65
Fig.25 Ensamble Rotor – Estator. 66
Fig.26 Caja de Conexiones. 69
Fig.27 Cabezal del Pozo. 70
V
LISTA DE FIGURAS
Fig.28 Cable Plano. 71
Fig.29 Cable Circular. 71
Fig.30 Curvas de Comportamiento típicas de una Bomba Centrífuga. 73
Fig.31 Principio de Operación de una BCP. 81
Fig.32 Definición de una Hipocicloide. 83
Fig.33 Construcción de Elementos Lobulares. 84
Fig.34 Sección Transversal de Elementos Internos y Externos
Construidos por la Hipocicloide. 84
Fig.35 Definición de una Hélice Circular. 85
Fig.36 Vista Espacial de los Electos generados con la 1º y 2º
Condición Geométrica. 85
Fig.37 Movimiento de las Cavidades en una BCP. 86
Fig.38 Cortes Transversales de una BCP de Simple y múltiple Lóbulo. 87
Fig.39 Parámetros Geométricos del Rotor y Estator de una BCP. 88
Fig.40 Escurrimiento de una BCP. 89
Fig.41 Gráfica de Escurrimiento en función de la Diferencia de Presión. 90
Fig.42 Diagrama General del Montaje de una BCP. 92
Fig.43 Corte de una BCP. 93
Fig.44 Cabilla con Acople según las Normas API. 97
Fig.45 Equipo de Superficie de una BCP. 99
Fig.46 Comparación entre las curvas de comportamiento de una
Maquina de Desplazamiento Positivo y una Turbo Maquina. 100
Fig.47 Efecto de la Viscosidad en el comportamiento volumétrico
de una BCP. 100
Fig.48 Ejemplo de una Familia de Curvas dadas por los
Fabricantes para una BCP. 101
Fig.49 Estado de Esfuerzos Triaxial de un Elemento Infinitesimal. 102
Fig.50 Esfuerzos Principales y Esfuerzos Cortantes máximo
para un estado de esfuerzo plano. 103
Fig.51 Sumatoria de curvas para hallar el Punto de Operación
del Sistema BCP. 146
VI
LISTA DE FIGURAS
Fig.52 Diagrama de la Sumergencia. 159
Fig.53 Energía del sistema con Diferentes Correlaciones. Poso Well-570. 170
Fig.54 Sensibilidad de la Profundidad de Asentamiento. Pozo GF-44. 190
Fig.55 Sensibilidad del Diámetro de la Tubería de Producción. Pozo GF-44. 191
Fig.56 Sensibilidad de la Frecuencia de Operación. Pozo GF-44. 192
Fig.57 Sensibilidad de la Presión de Descarga. Pozo GF-44. 193
Fig.58 Sensibilidad de Profundidad de Asentamiento. Pozo BES-Example. 194
Fig.59 Sensibilidad del Diámetro de la Tubería de Producción.
Pozo BES-Example. 195
Fig.60 Sensibilidad de la Frecuencia de Operación. Pozo BES-Example. 196
Fig.61 Sensibilidad de la Presión de Descarga. Pozo BES-Example. 197
Fig.62 Sensibilidad de la Profundidad de Asentamiento. Pozo MFA-70. 198
Fig.63 Sensibilidad del Diámetro de Tubería de Producción. Pozo MFA-70. 199
Fig.64 Sensibilidad de la Velocidad de Operación. Pozo MFA-70. 200
Fig.65 Sensibilidad de la Cabilla. Pozo MFA-70. 201
Fig.66 Sensibilidad de la Profundidad de Asentamiento. Pozo TJ-1401. 202
Fig.67 Sensibilidad del Diámetro de Tubería de Producción. Pozo TJ-1401. 203
Fig.68 Sensibilidad de la Velocidad de Operación. Pozo TJ-1401. 204
Fig.69 Sensibilidad de la Presión de Descarga. Pozo TJ-1401. 205

VII
LISTA DE TABLAS
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Correlaciones para el Cálculo de la Presión de Burbujeo. 17
Tabla 2. Correlaciones para el Cálculo del Factor de Volumen
de Formación del Petróleo. 18
Tabla 3. Selección del Elastómero de Según la Composición del Fluido. 96
Tabla 4. Características de la Cabilla según Normas API. 98

VIII