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  • UIS Ingenieras, Volumen 7, No. 1, pgs. 77- 86, Junio 2008; Facultad de Ingenieras Fisicomecnicas, UIS

    Diseo De un sistema De inyeccin De corriente en Pozo (sicP) moDelaDo De la tubera De ProDuccin

    resumen

    El presente artculo resume el procedimiento para realizar el diseo conceptual de un Sistema de Inyeccin de Corriente en Pozo (SICP), que tiene por objeto elevar el gradiente de temperatura en la tubera de produccin (Tubing-Casing) de un pozo petrolfero. Este incremento en la temperatura facilita la movilidad del crudo en ascenso por el tubing desde el fondo del pozo hasta la superficie. Para tal efecto, el SICP opera de la siguiente manera: Al tubing se le har circular corriente elctrica hasta el fondo del pozo, en donde se interconecta con el casing y ste a su vez con la tierra del sistema, cerrando de este modo el circuito. Este procedimiento genera un incremento de temperatura en la tubera como consecuencia de las prdidas elctricas (Histresis y corrientes de Eddy) propias del acero, material ferromagntico con el cual se fabrica la tubera de produccin.

    Palabras Claves: Calentamiento electromagntico, Crudos Pesados, Impedancia de tubera, Sistemas de potencia, Control de puente inversor, Sistemas de adquisicin de datos.

    abstract

    This paper resumes the conceptuality design process of Injection Current System in Well (SICP), with object to elevate the gradient of temperature in the production pipe (Tubing-Casing) of an oil well. This increment in the temperature facilitates the mobility of the raw one in ascent for the tubing from the bottom of the well until the surface. For such an effect, the SICP operates in the following way: to the tubing will be made circulate electric current until the bottom of the well where is interconnected with the casing and this in turn with the earth of the system, closing the circuit this way. This procedure generates an increment of temperature in the pipe like consequence of the electric losses (Hysteresis and Eddy currents) characteristic of the steel, material ferromagnetic with which the pipe is manufactured.

    Keywords: Electrical Heating, Heavy oil, Pipe impedance, Power System, Inverse bridge Control, Data acquisitions system.

    OMAR LEONARDO PEA GALVISIngeniero Electrnico

    Grupo de Investigacin en Sistemas de Energa Elctrica, GISEL Universidad Industrial de Santander

    omarleonardo@telebucaramanga.net.co

    HERMANN RAL VARGAS TORRES.Doctor en Ingeniera Elctrica

    Profesor Asociado Escuela de Ing. Elctrica, Electrnica y Telecomunicaciones

    Grupo de Investigacin en Sistemas de Energa Elctrica, GISELUniversidad Industrial de Santander

    hrvargas@uis.edu.co

    JAIRO HUMBERTO GUZMN MEJAFsico, Universidad Nacional

    Ingeniero Proyectos ICP ECOPETROLjguzman@ecopetrol.com.co

    Fecha de Recibido:29/08/2007Fecha de Aprobacin: 16/05/2008

  • 78 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERAS FSICO MECNICAS

    1. INTrodUCCIN

    El mundo se enfrenta a grandes retos energticos para el futuro, segn la Agencia para la Administracin Energtica EIA, la demanda de energa a nivel global crecer cerca de un 71% entre los aos 2003-2030, [1]. Siendo esta demanda en su mayora asociada al consumo de hidrocarburos. El problema radica en que las reservas de crudo mundiales se agotarn aproximadamente en 50 aos [2] y no existe a la fecha una fuente energtica con suficiente potencial (viabilidad tcnica-econmica) para reemplazar al petrleo y cubrir las necesidades energticas globales.

    En Colombia la situacin no es diferente, ya que se presenta un agotamiento de las reservas de crudo y se pronostica un autoabastecimiento hasta el ao 2015 [3]. Adems, buena parte de las reservas disponibles en el pas y en el mundo son de crudos pesados, los cuales son menos atractivos de explotar, por su alta viscosidad que dificulta su extraccin. Asimismo, los crudos pesados contienen altos contenidos de impurezas y por consiguiente, el precio comercial es inferior al de referencia WTI. Sin embargo, la tendencia creciente del precio del crudo hace rentable la explotacin de cualquier tipo de yacimiento petrolfero. Por ejemplo, ECOPETROL desarrolla el negocio de la extraccin de crudos pesados en varios campos de los llanos orientales, como una de las principales actividades contempladas en su plan estratgico para los prximos cinco aos [3].

    Esto hace que un Sistema de Inyeccin de Corriente en Pozo (SICP) sea una alternativa tcnico-econmica viable para mejorar la extraccin de crudos pesados en general [4], debido a que disminuye la viscosidad del crudo en ascenso por accin de la transferencia trmica del tubing al crudo. A su vez, se mejora el trabajo y la eficiencia de las bombas de extraccin, prolonga el intervalo entre mantenimientos, alarga el ciclo de vida til para las bombas de extraccin y se evita el taponamiento de la tubera por precipitacin de parafinas1.

    En efecto, para la consecucin de un sistema de calentamiento, se debe realizar estudios preliminares para determinar el diseo del SICP. Por tanto, se necesita conocer la transferencia de potencia al tubing empleando un modelo fsico-matemtico [5 - 6], a fin de obtener un punto de trabajo apropiado en la relacin consumo de potencia-calor generado. Asimismo, se propone un modelo simple de impedancia elctrica, con el nimo de predecir la naturaleza de la impedancia propia de una configuracin de tubera de produccin [7 - 8]. Con los resultados del modelo se selecciona el 1 Acumulacin de partculas en la cara interior del tubing

    punto de operacin del sistema en trminos de potencia y rango de frecuencia [9-12]. A partir de este punto de operacin se determina el criterio para la seleccin de cada uno de los componentes estructurales del SICP [13-15]. Como el sistema de control y el sistema de adquisicin los cuales tienen la misin de monitorear y controlar las variables de corriente y de temperatura a lo largo del pozo [16-17].

    Finalmente, se presentan los resultados obtenidos con un prototipo escalado diseado con la metodologa anteriormente planteada. El cual junto con las simulaciones de los modelos desarrollados, confirman los resultados esperados por el sistema.

    2. MarCo TerICo

    En esta seccin se describen los conceptos tericos en los cuales est sustentado el diseo del SICP.

    a. CrUdos Pesados

    Como el objetivo principal del SICP es calentar los crudos en ascenso por la tubera de produccin o tubing, es conveniente definirlo en trminos de las propiedades que dependen de la temperatura. De este modo, los crudos pesados son definidos como una amalgama de hidrocarburos que varan de tipo, peso molecular y punto de ebullicin, adems, contiene otros compuestos tales como: metales, agua y azufre.

    Tambin, estn caracterizados por tener una viscosidad elevada caracterizada por una gravedad API2 baja. Escala en la cual a menor API el crudo es ms denso o pesado. Infortunadamente, no existe una relacin analtica para determinar la viscosidad de los crudos en funcin de la temperatura, debido a la heterogeneidad de los compuestos que conforman el crudo en cada yacimiento [18 - 20], ver Figura 1.

    2 API Asociado a la densidad del crudo con respecto a la del agua

    Figura 1. Curvas empricas de Viscosidad del crudo contra temperatura a presin atmosfrica

  • 79DISEO DE UN SISTEMA DE INYECCIN DE CORRIENTE EN POZO (SICP) MODELADO DE LA TUBERA DE PRODUCCIN

    No obstante, existen expresiones del coeficiente de viscosidad en funcin de la temperatura para fluidos laminares, ver ecuacin (1), en la cual se confirma la tendencia exponencial y se estima el comportamiento del fluido frente a un cambio de temperatura.

    Donde, : es constante, Ea: Energa de activacin, : Constante de gases ideales, T: Diferencia de Temperatura.

    Como se puede apreciar en la Figura 1, para crudos con gravedades API bajas se presenta una disminucin importante en la viscosidad por accin de un pequeo incremento de temperatura. Por consiguiente, se espera resultados significativos al aplicar la tcnica de calentamiento electromagntico en pozos con crudos extrapesados o pesados.

    b. Modelo eleCTroMagNTICo

    Para encontrar las curvas de prdidas elctricas en funcin de la corriente y de la frecuencia, se procedi a caracterizar fsicamente el comportamiento de la tubera debido a la circulacin de corriente elctrica. Para tal efecto, se deben realizar las siguientes suposiciones: a. La tubera es lo suficientemente larga como para

    que los efectos en la onda de corriente puedan ser reflejados a lo largo de la tubera.

    b. Se asume que la frecuencia de excitacin es lo suficientemente baja para que longitud de onda no tenga efectos negativos como la existencia de corrientes de desplazamiento (radiacin).

    c. Definir la corriente (It) en el tubing con simetra cilndrica y para calcular la corriente inducida en el casing, se remplaza la corriente por una lnea It en el eje ar con r=0, ver Figura 2. Igualmente, se asume que la solucin del campo es independiente de la direccin angular .

    La solucin del sistema se define por una ecuacin en derivadas parciales, en trminos de H(r). A su vez se definen las condiciones de frontera (ver la Figura 2) y se obtiene la ecuacin para el campo magntico (2).

    donde:E = Intensidad del Campo elctrico [V/m]H =Intensidad del Campo magntico [A/m]= Conductividad elctrica [/m]= permeabilidad del medio conductor [H]

    zr aaa ,, , son las direcciones unitarias del sistema de coordenadas cilndricas, siendo nicamente las competentes del campo presentes H y Ez.

    Figura 2. Vista frontal y superior de la tubera

    Figura 3. Relacin de H y B por lazo de Histresis

    (1)

    (2)

    TEa

    e

    )(

    1

    2

    2

    2

    Sin embargo, la ecuacin (2) no tiene solucin analtica debido a la relacin no lineal del campo magntico H y la de