Aseguramiento de flujo en sistemas de produccin de petrleo y gasEl trmino aseguramiento de flujo fue usado por primera vez por la compaa Petrobras en la dcada de los noventa, del portugus Garantia do Fluxo, que literalmente significa garanta del flujo. Dicho trmino tradicionalmente se empleaba para las prcticas en aguas profundas relacionadas con la desobstruccin de pozos, lneas de produccin y sistemas de recoleccin por depsito de parafinas, hidratos e incrustaciones.En la actualidad la definicin del aseguramiento de flujo se le da al proceso de anlisis de la ingeniera que asegura o garantiza que los fluidos hidrocarburos sean transportados a travs del sistema de produccin de una manera segura y econmica desde el yacimiento hasta los puntos de exportacin en un entorno determinado durante el tiempo de vida de un proyecto.Problemas tpicos del aseguramiento de flujo Aunque los problemas del aseguramiento de flujo pueden suscitarse en casi todos sistemas de produccin de petrleo y gas, en los ltimos aos su impacto ha sido ms significativo en la explotacin de sistemas en aguas profundas. Esto es debido a la presin hidrosttica ejercida por el tirante de agua combinada con la de las formaciones subsecuentes y los fluidos confinados dentro de ellas. Por otro lado, el mismo lecho marino es bastante fro, ya que su temperatura puede permanecer entre los 0 y 4C, lo que provoca una reduccin considerable en la temperatura de las lneas de produccinUn diagrama de fases es de suma importancia para comprender los problemas que se enfrentan cuando se lleva a cabo el transporte de hidrocarburos en tuberas bajo condiciones extremas, poniendo especial atencin a los componentes que se desprenden de los fluidos del yacimiento resultado de los cambios de presin y temperatura. Entre los componentes que causan mayor problema y que se han estudiado desde los inicios del aseguramiento de flujo estn los asfaltenos, las parafinas y los hidratos.Problemas relacionados con los depsitos de asfaltenos, hidratos, parafinas, incrustaciones y emulsiones que pueden presentarse durante el flujo de fluidos; se discuten sus mecanismos y condiciones de formacin, y se presenta una revisin de las estrategias operativas ms comunes para su prevencin y mitigacin.Hidratos de gas Los clatratos de gas o comnmente llamados hidratos de gas, son compuestos cristalinos slidos creados por el contacto de molculas pequeas de gas con agua libre dentro del sistema de produccin. Los hidratos son formados cuando las molculas de un gas o mezcla de gases son atrapadas dentro de una red de molculas de agua en forma de jaula a temperaturas cercanas a los 32 F en sistemas de alta presin. Dentro de los gases formadores de hidratos se encuentran el metano, etano, propano, dixido de carbono y el cido sulfhdrico.Durante la ltima dcada, los hidratos se han convertido en el problema nmero uno del aseguramiento de flujo, especialmente en la produccin costa afuera, debido a las condiciones de alta presin y bajas temperaturas. La formacin y depsito de hidratos puede causar los siguientes problemas operativos: La reduccin del dimetro interno y el incremento de la rugosidad de las tuberas causan una restriccin o impedimento total al flujo. Las acumulaciones de hidratos en los barcos de proceso y tanques de almacenamiento, provocan paros, reduccin en la eficiencia operativa y requieren servicios de limpieza que resultan tardados y costosos. Esquema de un tapn de hidratos en una lnea de produccin.

Parafinas Las parafinas o ceras parafnicas son compuestos orgnicos dentro del crudo que pueden solidificarse principalmente por cambios de temperatura dentro del sistema. Estn formadas de una variedad de alcanos de alto peso molecular. La mayora de ellos contiene cadenas largas y lineales de ms de 17 tomos de carbono, aunque pueden rebasar los C100. Poseen adems, hidrocarburos cclicos y ramificados (iso). El contenido y distribucin de estos compuestos son dependientes del tipo de crudo. Las parafinas normales son generalmente la especie ms abundante formadora de estructuras macro-cristalinas. Sin embargo, las parafinas iso y ccliclas pueden tambin estar presentes en cantidades significativas, formando ceras micro cristalinas. Poseen estructuras extremadamente variadas, que pueden ir desde cadenas lineales y estrechas de n-parafinas con varias ramificaciones de metilo hasta estructuras cclicas bastante compleja.Los problemas por parafinas se dan principalmente por el enfriamiento de los hidrocarburos. A medida que la temperatura en el sistema decrece, las parafinas que se encuentran en el crudo pueden depositarse y formar grandes tapones, ocasionando una reduccin del dimetro de la tubera e incluso el bloqueo total al flujo de hidrocarburos. Adicionalmente, los tapones formados de parafinas pueden ocasionar incrementos en la presin que afectan la integridad mecnica tanto de las lneas como de los sistemas artificiales de produccin. Generalmente, el flujo de hidrocarburos hacia la superficie tiende a ser muy largo en ambientes de aguas profundas, por lo que es fcil que los fluidos reduzcan su temperatura debido a las condiciones a las que se encuentra el lecho marino. La formacin de parafinas en estos ambientes puede ser tan severa al grado de taponar grandes tramos de tubera, lo que posteriormente incurre en el gasto de millones de dlares para efectuar operaciones de remediacin.AsfaltenosSon compuestos orgnicos aromticos de alto peso molecular dentro del aceite que son insolubles en n-pentano y n-hexano, pero solubles tanto en benceno como en tolueno. Su densidad se acerca a los 1.2 g/cm^3, poseen tonalidades oscuras y carecen de un punto de fusin definido, por lo que al elevar su temperatura dejan un residuo de aspecto carbonoso en lugar de volverse lquidos. Dentro de los hidrocarburos, los asfaltenos son los compuestos ms comunes de todas las fracciones aromticas, en los que se incluyen tambin los cidos asfalto-gnicos y los carbenos. Estn constituidos por macromolculas heterocclicas formadas principalmente de carbono e hidrgeno, aunque incluyen otros elementos en menor proporcin como el azufre, nitrgeno y oxgeno.Depsito de asfaltenos a travs del sistema de produccin

La problemtica durante la explotacin de hidrocarburos, la precipitacin y depsito de asfaltenos puede presentarse en las vecindades del pozo, tuberas, vlvulas, y dems elementos del sistema de produccin; la acumulacin de estos depsitos puede causar una interrupcin e incluso la restriccin total del flujo si se llega a presentar de forma severa.

Depsito asfltico obstruyendo una tuberaIncrustacionesA diferencia de los slidos orgnicos formados a partir del aceite, el concepto de incrustaciones se le asigna especficamente a los depsitos formados por la unin inica de componentes minerales inorgnicos disueltos en el agua de formacin, por ciertos cambios fisicoqumicos y determinadas condiciones de operacin. En la industria petrolera, dentro de las ms comunes se encuentran las conformadas por carbonato de calcio (CaCO2), sulfato de bario (BaSO4), y sulfato de estroncio (SrSO4), aunque algunas pueden ser parcialmente orgnicas, como los naftenatos o los formados a base de glicol monoetilnicoEn los campos de aceite y gas, los compuestos inorgnicos disueltos en las salmueras se presentan en forma de iones. Las combinaciones de estos iones tienen una solubilidad relativamente baja en el agua, por lo que los slidos formados pueden precipitarse rpidamente y formar incrustaciones a lo largo de la pared de la tubera en forma de capas. Adicionalmente, es posible que los minerales incrustados sean cubiertos con depsitos de parafinas o asfaltenos.Las incrustaciones pueden presentarse en todo el sistema de produccin, desde el yacimiento hasta las instalaciones en superficie; de esta manera, pueden ocasionar una reduccin de la permeabilidad restringiendo el flujo de fluidos desde el yacimiento al pozo. Asimismo, pueden bloquear el flujo en las tuberas de produccin y ductos, as como en accesorios tales como vlvulas de seguridad, estranguladores, mandriles de bombeo neumtico, entre otros.Un problema adicional al bloqueo del flujo, es la corrosin que puede generarse debajo de las incrustaciones por la actividad bacteriana (Lazar, 1985); esto incrementa el riesgo de fallas en la integridad mecnica del sistema. Detener la produccin por el cierre de lneas y/o trabajos de reparacin y mantenimiento para remediar estas problemticas, puede ocasionar prdidas econmicas significativas. Por lo tanto, el control y mitigacin de las incrustaciones tiene que ser un objetivo primario en las operaciones de manejo y control del agua de formacin.

Reduccin de permeabilidad por depsito de incrustaciones dentro del medio poroso.

EmulsionesGeneralmente, una emulsin es definida como un sistema heterogneo que consiste de al menos un lquido disperso (fase dispersa) en otro lquido inmiscible (fase continua), en forma de gotas de tamaos coloidales que varan normalmente de 0.1 a 100 [m].En los sistemas de produccin de petrleo y gas, el agua y el aceite pueden mezclarse por efectos de la turbulencia y agitacin, y formar emulsiones. Dependiendo de qu fase sea la continua, las emulsiones pueden ser de aceite en agua (gotas de agua dispersas en una fase continua aceite, w/o) de agua en aceite (gotas de aceite dispersas en una fase continua agua, o/w), siendo stas ltimas las ms comunes. Si el agua y el aceite llegan a separarse de forma natural en la tubera y no existe una cada de presin grande corriente abajo del separador, las emulsiones no representarn un problema para la produccin. Por el contrario, si la estabilidad de las emulsiones llega a ser tal que no exista una separacin natural, o que los qumicos agregados para desestabilizar las emulsiones no resulten efectivos, la viscosidad resultante tendr que ser considerada en el diseo hidrulico del sistema. En este sentido, desde la perspectiva del aseguramiento de flujo, el manejo de la viscosidad es posiblemente el reto ms grande asociado a la produccin de crudos pesados; aun cuando los crudos ligeros tambin pueden formar emulsiones, las ms estables y que pueden incrementar sustancialmente la viscosidad de la mezcla se generan con los aceites pesados.CorrosinLa corrosin constituye uno de los problemas ms comunes en el transporte y produccin de hidrocarburos en tuberas. Se define como el deterioro de materiales, ms comnmente de un metal, debido a la interaccin qumica con su entorno (Mokhatab et al, 2006). La corrosin en un sistema de produccin es un fenmeno sumamente complejo que involucra la qumica de los fluidos producidos, la metalurgia del material de las tuberas y la hidrulica del flujo multifsico.Debido a que generalmente existe una fase acuosa dentro del flujo de hidrocarburos, las tuberas y dems elementos metlicos del sistema como vlvulas e impulsores, permanecen en frecuente contacto con el agua, lo que genera un proceso continuo de corrosin. La corrosin puede afectar la integridad mecnica de los pozos tanto de aceite como de gas, as como de los ductos, cabezales y dems equipos en superficie para el transporte y proceso de los fluidos producidos. Reduce el espesor de las paredes de las tuberas, y ocasiona una prdida de la resistencia y ductilidad del acero que los compone.Por lo regular, los metales usados en los sistemas de produccin de hidrocarburos no son homogneos, por lo que las diferencias de potencial entre los mismos constituyen una de las causas principales de corrosin. Cuando una pieza de metal de composicin heterognea entra en contacto con un fluido conductor como el agua, parte de la superficie del metal se corroer debido a la diferencia de potencial entre los diferentes materiales que la componen. La tendencia que tiene el agua a corroer un elemento depende de los siguientes factores: Concentraciones de CO2 y H2S Temperatura Presin Metalurgia de los materiales

Adicionalmente, el aumento de velocidad del flujo tiende a reducir el grosor de las pelculas protectoras sobre la pared de la tubera tanto de incrustaciones de carbonatos de hierro o inhibidores, limitando su habilidad para retrasar la corrosin. Captulo 2 90 Por otra parte, se sabe que es ms probable tener efectos de corrosin en zonas donde se suscite un bacheo comparado con aquellas que tengan un flujo estratificado (de Waard, 1995). En pozos de gas, es posible que se presente una condensacin del vapor de agua si la temperatura cae por debajo del punto de roco, lo que formar gotas de agua en la pared de la tubera. Por lo general, tanto el agua de formacin como los gases naturales producidos contienen porciones de CO2 y H2S. Adicionalmente, su pH promedio es menor a 4. Si se presenta una constante condensacin de agua cida, esto conllevar a la creacin de un ambiente muy corrosivo. Los mecanismos de corrosin pueden agruparse en: Electroqumicos Qumicos Microbiolgicos Mecnicos Trmicos

Taponamiento Severo El taponamiento severo es uno de los regmenes de flujo ms indeseables en las instalaciones costa afuera. Ocurre en sistemas constituidos por un oleogaseoducto horizontal o con inclinacin negativa conectado a un tubo vertical ascendente llamado Riser (como se ilustra en la Figura 3.1). El taponamiento severo genera oscilaciones de gran magnitud en todos los parmetros del flujo que pueden poner en riesgo la integridad mecnica del Riser y las instalaciones superficiales, dificultan la operacin y control de todo el sistema, y en ocasiones pueden derivar en paros operativos.El sistema de Riser-tubera En los sistemas de produccin submarinos, se denomina Riser a la tubera vertical que conecta las lneas horizontales que se encuentran en el lecho marino, con las instalaciones en la superficie. La altura de los Riser puede variar desde unos cientos de metros hasta alcanzar cerca de 2 km, dependiendo de la profundidad del lecho marino hasta las instalaciones en superficie. Existen diferentes tipos de Riser que varan dependiendo de los requerimientos de diseo del sistema integral de produccinEsquema de un sistema tpico de produccin costa afuera.

Cuando se presentan ciclos de taponamiento severo puede haber perodos sin produccin, seguido de altos flujos de gas y lquido, lo que conlleva a tener altas presiones y fluctuaciones del flujo que a menudo provocan fallas en los elementos de proceso como los separadores, ponen en riesgo la integridad mecnica del sistema y reducen la capacidad de produccin general del campo.Adicionalmente, una vez que surgen fallas en los equipos superficiales, todo el sistema de produccin submarino, incluyendo los rboles y lneas de produccin, tiene que entrar en un perodo de paro operativo.

Golpe de arieteEl golpe de ariete es un fenmeno que se origina cuando un fluido incompresible en movimiento es forzado a detenerse o cambiar su velocidad de manera sbita, de tal manera que se forma una onda de alta presin que se propaga corriente arriba en el sistema. Por lo regular, este fenmeno ocurre cuando una vlvula es cerrada de forma abrupta, donde en analoga con el comportamiento mecnico de un resorte se observa cmo se forma un onda compresiva que se desplaza en sentido contrario al flujo.El efecto de golpe de ariete puede causar problemas significativos, desde vibraciones y ruido excesivo, hasta poner en riesgo la integridad mecnica del sistema. Si la tubera se cierra rpidamente a la salida (o corriente abajo) la masa del fluido que se encuentra antes del cierre seguir en movimiento con una velocidad determinada, lo que provocar una acumulacin de alta presin y crear ondas de choque. Esto puede ocasionar una fuerte explosin o golpes repetitivos (a medida que las ondas de choque viajan de ida y vuelta), lo que podra causar la ruptura de la tubera. Las ondas de choque generadas por el golpe de ariete pueden ser de suficiente magnitud para causar daos fsicos a la tubera, los equipos y al personal. Se sabe que el golpe de ariete puede desmontar la tubera fuera de sus soportes y causar rupturas en la misma. Por otra parte, cuando se cierra una vlvula corriente abajo de una tubera, el flujo corriente arriba de la vlvula tratar de seguir fluyendo, creando un vaco que a su vez incurre en un colapso de la tubera o la implosin de la misma. En el campo, las presiones tanto en la boca como en la cabeza del pozo no se incrementan o reducen de forma suave despus de haber efectuado un paro o arranque operativo. Las fluctuaciones errticas resultantes de presin son comunes, especialmente en operaciones costa afuera donde se instalan empacadores. El aumento cclico en la presin inducido por un cambio repentino puede desajustar los empacadores, golpear la tubera y daar la terminacin del pozo. En los sistemas de produccin costa afuera, el cierre repentino de una vlvula ubicada en superficie (especialmente cerca del separador) puede generar un golpe de ariete severo.

ConclusionesEl aseguramiento del flujo es una disciplina multidisciplinaria para el diseo y operacin de los sistemas de produccin de petrleo y gas, orientada a garantizar la produccin ininterrumpida de hidrocarburos, de una manera segura y econmica, durante el tiempo de vida del proyecto de explotacin.El aseguramiento de flujo es una tarea multidisciplinaria que debe ser considerada desde la etapa de diseo de los sistemas de produccin, en la que se requiere poner especial atencin en los diseos termo-hidrulicos y la caracterizacin termodinmica de los fluidos.