Location and resource

En la figura 8 se ilustra la configuración de los fluidos agua, gas y petróleo de un yacimiento típico antes de iniciar su explotación o inyección. Actualmente, en la explotación del petróleo se estima que se extraen tres barriles de agua por cada barril de petróleo. La tecnología que se implemente para el control del agua puede significar una reducción de los costos de explotación y un aumento en la producción de hidrocarburos.

El agua afecta todas las etapas de la vida del campo petrolero, desde la exploración hasta el abandono del campo, pasando por el desarrollo y la producción del mismo. Cuando se extrae petróleo de un yacimiento, tarde o temprano el agua proveniente de un acuífero subyacente o de los pozos inyectores se mezcla y es producida junto con el petróleo, que luego invade la tubería de producción y las instalaciones de procesamiento en la superficie y por último se extrae y se desecha o se inyecta para mantener la presión del yacimiento. Una estrategia para mejorar la eficiencia y aumentar la producción de hidrocarburos es controlar los servicios de agua desde el levantamiento, separación, filtrado, bombeo y reinyección.

Si el agua de inyección no está filtrada correctamente, se pueden originar problemas en los pozos debido a que el agua con partículas relativamente grandes pueden provocar el taponamiento de la matriz del lecho poroso del pozo. El agua debe ser tratada con químicos como bactericidas y secuestrantes de oxígeno para no aumentar el daño al pozo haciendo aumentar la presión de inyección hasta producir una fractura, que al comienzo es corta pero luego crece y se propaga a través del medio permeable. Para el caso del agua obtenida en superficie su tratamiento también influye en la vida útil de los equipos de bombeo.

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Figura 8. Yacimiento que contiene agua, petróleo y gas. La ilustración muestra la distribución de los fluidos en un yacimiento típico antes de comenzar la producción o la inyección.

Fuente: Bill Bailey, “Control del Agua”, Oilfield Review, verano de 2000: p32_53. Publicación de la compañía Schlumberger.

38 CAPITULO 3

DISEÑO DETALLADO

3. PROCESO DE DISEÑO

Para el diseño detallado del equipo se establecieron parámetros iniciales con base en los equipos existentes, los requerimientos del proceso y las observaciones de campo. Las dimensiones del equipo están direccionadas por el elemento filtrante debido a que son de fabricación estándar y están previamente dimensionados, esto implica que el tamaño del recipiente, capacidad de filtración de agua y disposición espacial de los componentes están restringidos y a criterio del diseñador. Para cumplir con los requerimientos de proceso y las restricciones que impone el elemento filtrante, se diseñó un equipo con las características y dimensiones que se muestran en la tabla 1.

3.1. CARACTERÍSTICAS

Tabla 1. Características y dimensiones del equipo

Cliente MECANICOS ASOCIADOS S.A.S

Año de iniciación en servicio 2014

Identificación FILTRO DE CARTUCHO MSC-FC-001

Líquido de proceso AGUA DE PRODUCCIÓN

Servicio FILTRACIÓN DE AGUA

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Modelo JEBM5FC250-01

Capacidad 250 gpm

Dimensiones 20” OD x 40” Long.

Tipo de material filtrante CARTUCHO

Cantidad de cartuchos 5/VASIJA

Referencia de cartuchos BAWER - SERIE PSB-743-C-406

Presión de diseño 150 psig

Temperatura de diseño 220 °F

Presión de operación 70 psig

Temperatura de operación 200 °F

3.2. DESCRIPCIÓN

El filtro de cartucho está compuesto por dos cámaras internas, una superior aguas arriba de los elementos filtrantes, y otra inferior aguas abajo, disco de fijación de elementos filtrantes, venteo, drenaje, boquilla de entrada, boquilla de salida, conexiones para manómetros o medidor de presión diferencial, válvula de alivio, elemento pescante de la tapa, orejas de izaje y estructura de soporte. Las figuras 9 y 10 muestran los componentes principales del equipo de filtración.

El fluido entra por la cámara superior y pasa a través de los elementos de filtración (flujo de afuera hacia adentro en los cartuchos), y luego pasa a la cámara inferior que tiene su respectiva boquilla de salida y entrega el agua filtrada.

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Los elementos de filtración son sujetados con boquillas en la parte inferior y adicionalmente se ajustan en la parte superior con un disco para de esta manera obtener un sello óptimo entre la cámara superior y la cámara inferior.

La cámara superior consta de una tapa elipsoidal y el cuerpo cilíndrico los cuales se acoplan con el sistema de sujeción que se muestran en la figura 10.

El equipo debe ser instalado en la línea de proceso con suficiente espacio que permita las actividades de mantenimiento y servicio de la unidad. Se deben colocar los diámetros de tubería o mangueras apropiados para evitar problemas de fugas y pérdidas de fluido. Los manómetros o indicadores del diferencial de presión deben proveer lectura confiable ya que de su lectura depende el cambio del elemento filtrante. Normalmente se recomienda el cambio de cartuchos a máximo 35 psig de presión diferencial.

Esta unidad de filtración está diseñada para ser instalada en líneas con presiones mínimas de alimentación de 40 psig; en caso que no se logre suministrar esta presión se debe instalar la respectiva bomba centrifuga de alimentación al filtro que asegure mínimo 40 psig y máximo 120 psig. Para su seguridad e integridad del sistema de inyección de agua el filtro cuenta con una válvula de alivio instalada en la tapa superior y calibrada a una presión de disparo de 150 psig.

Cada uno de los anteriores elementos se calculó, dimensionó se chequeo en la memoria de cálculo anexa. Por otra parte, la memoria de cálculo se validó con una simulación del recipiente utilizando el software ANSYS; los resultados de la simulación fueron similares a los obtenidos en la memoria de cálculo y se muestran en el anexo B.

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Figura 9. Vista general del filtro tipo cartucho. Fuente: El autor Tapa elipsoidal superior Tapa elipsoidal inferior Salida agua filtrada Entrada de agua Sin filtrar Cuerpo cilíndrico Pescante Estructura soporte Sistema de sujeción

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Figura 10. Detalle del sistema de sujeción de la tapa elipsoidal. Fuente: El autor

En los siguientes apartes se describe cada uno de los componentes y se referencia el aparte de la memoria donde se calculó y se verificó su seguridad operativa con el resultado del factor de seguridad comparando el esfuerzo sometido con el esfuerzo admisible dado por el código ASME Sección II Parte D para cada uno de los materiales utilizados.

Espárrago Tuerca Arandela rectangular Pletina lateral superior

Pletina lateral inferior Elemento basculante Anillo superior Anillo inferior Cuerpo cilíndrico Tapa elipsoidal Pasador

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3.3. CUERPO CILINDRICO

La función de este elemento es garantizar la integridad cuando se encuentre presurizado y servir de soporte de los demás elementos del filtro tanto internos como externos. Ver figura 11.

El material fue seleccionado conforme al Código ASME Sección II Parte D y su espesor fue calculado conforme al código ASME Sección VIII Div. 1 Ed. 2010. En el numeral 1 de la memoria de cálculo se pueden verificar los resultados.

Figura 11. Cuerpo cilíndrico del filtro con la boquilla de entrada y refuerzos para soporte. Fuente: El autor

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