UNIVERIDAD NACIONAL
AUTONÓMA DE MÉXICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESTUDIO NUMÉRICO DE LA
CORRIDA DE DIABLOS PARA EL
MANTENIMIENTO DE LA
PRODUCCIÓN EN OLEODUCTOS
T
QUE
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PARA
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OBTENER
I N G E N I E R O
P
ELVIS
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EDWARD
S
I
EL
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TÍTULO
DE
P E T R O L E R O
E
N
FRAGOSO
T
A
RIVERA
DIRECTOR DE TESIS: DR. EDGAR RANGEL GERMÁN
MÉXICO, D. F.
2007
Agradecimientos
Gracias a Dios por todo.
A quienes desde el inicio de mi vida me llevaron por un
buen camino, y aunque es una forma mínima de agradecer
por todo su esfuerzo y dedicación, y solo quiero que sepan
que todos mis logros son sus logros. Gracias a mis padres
Ángel y Beatriz y a mis hermanas Karen Y Belem por el
apoyo que me brindaron durante todos mis estudios y aun
en los momentos difíciles ellos supieron como motivarme
para seguir adelante.
A los que me apoyaron y confiaron en mí para lograr
este objetivo, gracias a todos mis familiares, amigos.
A una persona que es muy especial para mí pues esta
me escucho, me aconsejo y también me apoyo moralmente
muchas veces. La confianza que ella me trasmitió me
ayudo muchísimo. Ella estuvo conmigo desde que inicie
este trabajo. Gracias Nathaly
A la Universidad Nacional Autónoma de México y en
especial a la Facultad de Ingeniería por la oportunidad,
de estudiar la carrera de ingeniero petrolero.
A todos y cada uno de los profesores que me
impartieron su cátedra, en gran parte es por ellos que
adquirí los conocimientos sobre la carrera de ingeniero
petrolero.
A mi director de tesis, el Doctor Edgar René Rangel
Germán, quien mostró mucho interés, por su tiempo y
dedicación en la asesoría del presente trabajo y en especial
por los consejos.
A la empresa Scandpower por las facilidades prestadas
para conseguir el Software OLGA que fue el simulador
que se utilizo en gran parte del desarrollo de esta tesis. Al
ingeniero Octavio Reyes, pues gracias a el se pudo
conseguir el simulador Olga.
A los ingenieros que tomaron parte del jurado, para
realizar mi examen profesional, por su tiempo en la
revisión de este trabajo.
ELVIS EDWARD FRAGOSO RIVERA
ÍNDICE
ESTUDIO NUMÉRICO DE LA CORRIDA DE DIABLOS
PARA EL MANTENIMIENTO DE LA PRODUCCIÓN EN
OLEODUCTOS
1
INTRODUCCIÓN
1
2
MARCO TEÓRICO
5
2.1
Historia de la corrida de diablos
5
2.2
Definición de diablo
6
2.3
Corrida de diablos
8
2.3.1
Metodología de la corrida de diablos
11
2.3.2
Frecuencia de la corrida de diablos
14
2.3.3
Resultados que se obtienen con la corrida de diablos
15
2.3.4
Problemas que se pueden presentar durante la
corrida de diablos y cómo solucionarlos
17
2.3.4.a
2.4
Ubicación del diablo
Tipos de diablos
19
21
2.4.1
Diablos convencionales
22
2.4.2
Diablos de gel
37
2.4.3
El diablo como herramienta de inspección
39
2.5
Selección de diablo
41
2.6
Tren de diablos
42
2.7
Tipos de herramientas de inspección en la corrida de
diablos
44
2.8
2.7.1
Herramientas de inspección en línea
44
2.7.2
Inspección en el sitio
45
2.7.3
Herramienta de inspección MFL
46
2.7.4
Herramientas de inspección Ut
47
Parámetros que se utilizan durante la operación
i
48
ÍNDICE
3
4
2.8.1
Tiempo de la corrida de diablos
48
2.8.2
Velocidad de la corrida de diablos
49
2.8.3
Velocidad del escariador (diablo)
49
2.8.4
Control de la velocidad de llegada del diablo
50
2.8.5
Efecto de la presión del separador
50
2.8.6
Efecto de fugas alrededor del diablo
51
2.8.7
Efecto del líquido frente del diablo
51
2.9
Modelo de la corrida de diablos
51
2.10
Metodología de la simulación
53
2.10.1
Corrida de diablos en tuberías para la simulación
55
2.10.2
Equipo de proceso
56
2.10.3
Simulación del diablo
56
2.10.4
Simulación de los tipos de diablos
56
2.10.5
Fuerza de fricción actuando en el diablo
57
2.10.6
Fugas
58
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
59
3.1
Escenarios
60
3.2
Perfil de la tubería
61
3.3
Composición de los fluidos
63
3.4
Transferencia de calor
65
3.5
Condiciones “Estables” de Operación - Caso Base
66
RESULTADOS
68
4.1
Análisis del Caso Base
68
4.2
Estudio paramétrico
81
4.2.1
Variación de la presión a la entrada del sistema
82
4.2.2
Variación de la fracción de volumen de gas
88
4.2.3
Variación de la temperatura del sistema
95
4.2.4
Variación de la rugosidad de la tubería
101
ii
ÍNDICE
4.2.5
108
4.2.6
Variación del diámetro de las tuberías, del diablo y
masa del diablo
Variación del tipo de diablo en la simulación
4.2.7
Corrida de diablos sin acumulación de parafina
119
115
5
DISCUSIÓN
124
6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
128
6.1
Conclusiones
128
6.2
Recomendaciones
130
APÉNDICE
131
LISTA DE TABLAS
136
LISTA DE FIGURAS
138
BIBLIOGRAFÍA
142
iii
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se enfatiza la importancia que tiene la limpieza en
tuberías de transporte y manejo de hidrocarburos: la corrida de diablos.
En los sistemas de tuberías de transporte de hidrocarburos es frecuente que se
forman obstrucciones al flujo, debido a las mismas características del fluido, como
por ejemplo: en tuberías de gas húmedo es normal encontrar líquidos que
obstruyen el flujo, parafinas en sistemas de tuberías de aceite, o incrustaciones si
una tubería de gas o de petróleo transporta agua. Estas obstrucciones pueden
originar grandes problemas tales como la disminución de la producción, necesidad
de mayor presión de bombeo, grandes acumulaciones de impurezas y corrosión
en las tuberías por la presencia de agua.
La corrida de diablos es un proceso importante de limpieza de tuberías en la
industria petrolera debido a los beneficios que se obtienen después de realizar
dicha operación, puesto que la producción se incrementa, los productos son más
limpios y se requiere una menor presión de bombeo. Se deben identificar los
indicadores que se presentan en un sistema de tuberías para saber si es
necesaria una corrida de diablos; es crucial conocer el proceso de la operación
para prevenir los problemas que pueden presentarse. Estos estudios se realizan
con ayuda de simuladores de flujo.
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
Las causas más comunes para realizar una operación de limpieza en sistemas
de transporte de hidrocarburos, una corrida de diablos son: antes de empezar la
operación en una línea nueva de producción, cuando es evidente que existe gran
acumulación de parafinas, cuando en una línea de operación declina la
producción, cuando baja la eficiencia del sistema, cuando se necesita mayor
energía para el bombeo de los fluidos, cuando se tiene gran porcentaje de
impurezas, cuando existe presencia de corrosión por la acumulación de agua en
las tuberías.
Así, esta tesis tiene como objetivos principales:
•
Resaltar la importancia de la corrida de diablos como operación de
limpieza en la industria petrolera, mencionando las diferentes razones para
realizarlas.
•
Señalar los problemas que se presentan durante la operación de la
corrida de diablo y el planteamiento para resolverlos.
•
Analizar un sistema de transporte de hidrocarburos con el problema de
acumulación de parafina en donde se requiere una corrida de diablos, con el
objetivo de estudiar los efectos que, el cambio en los principales parámetros
operativos, de diseño y de fluidos, tienen sobre el comportamiento de los
parámetros y condiciones de flujo del mismo, realizando estudios de simulación
numérica usando un simulador de flujo en tuberías comercial.
•
Discutir la importancia de la realización de estudios numéricos para
entender y predecir los efectos de la corrida de diablos en los sistemas de
transporte de hidrocarburos.
2
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
En el capítulo 2 se exponen el marco teórico y los antecedentes en los que se
basó el desarrollo del presente trabajo. Se define la corrida de diablos, su historia,
así como la metodología para su ejecución, la frecuencia con la que debe
realizarse, los resultados que se obtienen al realizar la operación, los problemas
que pueden presentarse durante la corrida de diablos y como se pueden resolver.
En la sección 2.3 y 2.4 se define el dispositivo de limpieza “diablo“, se
mencionan los diferentes tipos de diablos que existen en el mercado, divididos por
función y por forma, mencionando las tareas que cumple cada uno de ellos
cuando se utilizan en una corrida de diablos, así como la selección del diablo.
En la sección 2.5 y 2.6 se mencionan lo puntos más importantes sobre el tren
de diablos y las herramientas de inspección que se utilizan durante la corrida de
diablos. Las técnicas más comunes como son la MFL (Magnetic Flux Leakage), la
Ut (Ultrasonic) y la inspección en el sitio.
En la sección 2.7 se mencionan los parámetros que se utilizan durante la
operación de corrida de diablos. Estos son muy importantes para predecir el
comportamiento de la operación y saber si son los adecuados para las
condiciones del sistema.
En las secciones 2.8 y 2.9 se describe el modelo de la corrida de diablos y la
metodología de simulación, todos los aspectos de la corrida de diablos utilizados
en las simulaciones, respectivamente.
En el capítulo 3 se presenta la formulación del problema. Se definen los
elementos para especificar el problema de forma completa, estos elementos son:
escenarios de simulación, perfil de la tubería, composición de los fluidos,
transferencia de calor y condiciones “estables” de operación para el caso base
definido en el estudio.
3
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
El simulador comercial utilizado para el estudio numérico en el presente trabajo
es el simulador OLGATM, el cual es un modelo unidimensional para régimen
permanente y transitorio en el que se específica y da solución a un sistema de
ecuaciones que representan la conservación de materia, momento y energía.
En el capítulo 4 se presentan los resultados de los estudios numéricos
realizados
con
el simulador
OLGA,
incluyendo
un
estudio
paramétrico
involucrando las variables que tienen mayor influencia sobre la corrida de diablos.
En los capítulos 5 y 6 se presenta las discusiones, y las conclusiones y
recomendaciones, respectivamente, sobre el tema de corrida de diablos planteado
en esta tesis.
4
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO
2.1 Historia de la Corrida de Diablos
La corrida de diablos en tuberías fue desarrollada en los años 50`s en los
Estados Unidos para limpiar las tuberías de aceite crudo, ha sido utilizada en la
limpieza de tuberías en la industria del aceite y del gas por más de 50 años. Sin
embargo, la corrida de diablos se está utilizando extensamente en el mundo hoy
en día para limpiar tuberías en todas las industrias incluyendo las centrales
eléctricas, la explotación minera, las refinerías, las plantas químicas y en las
industrias petroquímicas. Con el paso de los años, la corrida de diablos se ha
convertido en un método bastante sofisticado en la limpieza de tuberías.
El método de corrida de diablos fue desarrollado para eliminar depósitos que
pueden obstruir o retardar el flujo a través de una tubería. Actualmente se usan
durante
todas
las
fases
en
la
vida
de
un
sistema
de
tuberías
(www.piggingassnppsa.com, 2005).
El nombre del instrumento de limpieza viene de la industria de petróleo,
donde discos de metal conectados por una barra eran propulsados a través de
oleoductos para quitar acumulaciones de parafinas de las paredes internas de
tuberías. La acción del metal en el metal hace un ruido como un chillido de
cerdo (pig). (hps-pigging, 2005).
5
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.2 Definición de Diablo
En la literatura existen muchas definiciones del instrumento de limpieza de
tuberías llamado diablo, a continuación se citan algunas de éstas.
Los diablos de tubería son dispositivos que se insertan y viajan por el
interior a lo largo de la longitud de una tubería de producción. Un diablo es un
dispositivo mecánico para limpieza interior o inspección de una tubería. (User's
Manual V4.0, OLGA 2000).
Un diablo es el objeto, que empuja fluidos a través de la tubería. El diablo es
fabricado de materiales como el silicio de alta calidad, que son muy resistentes y
a la vez flexibles. Los diablos están disponibles en varias formas y se hacen de
varios materiales. (Brief Overview of Gulf of Mexico OCS Oil and Gas Pipelines,
2005). Un diablo puede soportar temperaturas de hasta 200 [ºC] sin expansión o
degradación significativa, permitiéndole limpiar aun con vapor si es requerido
(hps-pigging, 2005).
Un diablo puede ser un disco o un dispositivo esférico o cilíndrico hecho de
un material flexible como neopreno1. El movimiento del diablo a través de la
tubería es logrado aplicando presión de gas o un líquido como aceite o agua en
la parte de atrás o al frente del diablo.
Usualmente un diablo es un sólido o semisólido. Existen diferentes tipos de
diablos, y con rangos desde esferas usadas para barrer los líquidos
condensados en líneas de flujo de gas, hasta diablos altamente instrumentados
para la inspección de líneas de flujo. Los diablos además son usados para
separar diversos fluidos cuando una sola línea de flujo es usada para
transportar diferentes fluidos.
1.”Neopreno”: Es el elastómero de uso especial más difundido en todo el mundo, pues sus
excelentes propiedades y características garantizan óptimos resultado, sintético resistente al calor
y a productos químicos como aceites y petróleo. Se emplea en tuberías de conducción de petróleo y como
aislante en cables y maquinaria.
6
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Un diablo actúa como un pistón móvil libre dentro de la tubería, sellando
contra la pared interior, con un número de elementos de sello. Los diablos
pueden realizar varias tareas incluyendo la limpieza de escombros de la línea, el
retiro del producto residuales internos, y calibración del diámetro interno de la
tubería.
Estas herramientas se emplean para la limpieza de tuberías, la separación
de fluidos de diferentes densidades conducidas a través de poliductos, el
llenado y vaciado de líneas en calibración y pruebas hidrostáticas.
Figura 2.1. Diablo (inlineservices, 2006)
También conocidos como diablos, los escariadores o raspatubos se fabrican
en formas diversas, se utilizan para desprender las escamas de óxido, arena,
basura, parafina o cualquier otro material indeseable que penetre dentro de la
tubería. Algunas veces también se emplean esferas de poliuretano2 para
desplazar aceite o agua de las líneas. Éstos pueden usarse en tuberías de
cualquier diámetro, ya que su tamaño se puede ajustar inflándolas a través de
una válvula (Transporte de Hidrocarburos por Ductos, CIPM).
2.”. Poliuretano”: resinas que van desde las formas duras y aptas para recubrimientos resistentes a
los disolventes, sintéticos resistentes a la abrasión y espumas flexibles.
7
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Los diablos han probado ser eficaces para la limpieza de líneas en refinerías,
instalaciones de plantas químicas, de centrales eléctricas, en la industria de
aceite y el gas, explotación minera, industrias de nuevas construcciones y otros
tipos. Algunas líneas que se benefician de la corrida de diablos son:
•
Poliductos
•
Gasoductos
•
Oleoductos
•
Líneas de agua
•
Líneas del vapor
2.3 Corrida de diablos
La corrida de diablos es un término que describe un método mecánico de
cambiar de sitio un líquido en una tubería o para limpiar parafina3, asfaltenos4,
incrustaciones cristalinas, corrosión5, y otros depósitos acumulados en el interior
de la tubería y para determinar la integridad interna de la tubería.
En las incrustaciones minerales que se producen en los campos petroleros,
el agua juega un papel crítico, dado que el problema se presenta sólo cuando
existe producción de agua.
La formación de incrustaciones puede ser causada por un cambio de
temperatura o de presión, la liberación de gas, modificación del pH o el contacto
con agua incompatible.
3. “Parafina”: sustancia cerosa asociada con algunos hidrocarburos líquidos. Las propiedades físicas
de la parafina son dependientes de la composición del aceite crudo, de la temperatura y presión. A presión
o
atmosférica, la parafina es típicamente un semi-sólido en temperaturas aproximadamente de 100 F y
o
solidifica aproximadamente a los 50 F. Los depósitos de parafina se forman dentro de tuberías que
transportan hidrocarburos líquidos y, si alguna acción terapéutica, como la corrida de diablos, no se realiza,
la parafina depositada bloqueará completamente todo el flujo a través de la línea en el futuro.
4.- Asfaltenos, Mezcla de hidrocarburos, sustancia negra, muy viscosa, pegajosa, sólida o semisólida
según la temperatura ambiente.
5.”Corrosión”: Reacción electroquímica en la pared de la tubería con un ambiente que causa una
pérdida de metal (Specifications and requirements for intelligent pig inspection of pipelines Version 2.1, 6
November 98). Desgaste total o parcial que disuelve o ablanda cualquier sustancia por reacción química o
electroquímica con el medio ambiente. El término corrosión se aplica a la acción gradual de agentes
naturales, como el aire o el agua salada sobre los metales.
8
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Existen aguas de producción que, a pesar de encontrarse sobre saturadas y
ser proclives a las incrustaciones minerales, no presentan problema alguno.
Las incrustaciones pueden presentarse como una capa dura adherida a las
paredes interiores de las tuberías. Con frecuencia tienen varios centímetros de
espesor y presenta cristales de 1 cm. o más. El efecto primario de la formación
de incrustaciones en las tuberías es la reducción de la producción al aumentar
la rugosidad de la superficie de la tubería y reducir el área de flujo.
Figura 2.2. Incrustaciones cristalinas
Las técnicas utilizadas para eliminar las incrustaciones deben cumplir ciertas
condiciones: ser rápidas, no dañar las tuberías ni el ambiente de la formación, y
prevenir precipitaciones en el futuro; la corrida de diablos puede realizar esta
tarea.
El método de corrida de diablos involucra el movimiento a través de la
tubería a ser limpiada de un dispositivo, cilíndrico o esférico de un diámetro
exterior igual al diámetro interior de la tubería que se mueve a través de la
tubería con el propósito de limpiar, dimensionar o inspeccionar. (Girardind,
2005).
El propósito de la operación de la corrida de diablos es para que un sistema
de tuberías se mantenga eficientemente estable. La eficiencia de la tubería
9
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
depende de dos aspectos: primero, la operación continua; y segundo, la
reducción de costos de operación.
Figura 2.3. Escombros removidos por el diablo (Piggingassnppsa, 2005)
Cada tubería varía en configuración: diámetro, longitud, contenido de fluido,
geometría, presiones y temperaturas de operación, materiales, espesor de la
pared y ubicación geográfica. Estos factores son clave para elegir qué tipo de
diablo se debe utilizar para realizar las diferentes tareas, como para quitar
cualquier residuo, como herramientas, varillas de soldaduras llamados
escombros o animales muertos entrampados en la línea.
Cuando la tubería está en servicio, es necesaria una corrida de diablos para
mantener la eficiencia de la línea y ayudar en el control de corrosión. La corrida
de diablos también remueve fragmentos de soldadura. Cuando se tiene una
reducción drástica del flujo. Es necesaria para remover los líquidos en sistemas
de gas húmedo, remover la acumulación de agua, levantamiento y control de
parafina en tuberías de aceite crudo.
10
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.3.1 Metodología de la corrida de diablos
Los mecanismos de la corrida de diablos son relativamente simples. El
método que se debe utilizar para realizar una corrida de diablos involucra varios
pasos dependiendo lo que se quiera obtener de ella. Cada uno de éstos utiliza
diferentes herramientas, como es el caso de una corrida de inspección que
busca un análisis de las condiciones de la tubería y para esto utilizan las
herramientas de inspección más comunes, la MFL (Magnetic Flux Leakage, por
sus siglas en inglés) y la Ut (Ultrasonic, por sus siglas en inglés).
Un diablo se inserta a través de un lanzador. Éste es simplemente un barril,
especialmente diseñado, de gran tamaño con un reductor que se acopla a la
línea existente. El lanzador del diablo tiene un diámetro más grande que la
tubería para permitir inserciones del diablo a mano, y una compuerta o pestaña
que después es cerrada. Esto permite la fácil introducción del diablo. El
diámetro exterior de un diablo es de igual tamaño que el diámetro interior de las
tuberías para mantener un buen sello. En la figura 2.4 se muestra la forma
típica del lanzamiento y en la figura 2.5 el diagrama del lanzamiento.
Figura 2.4. Método convencional de lanzamiento (Westernfilterco, 2005)
11
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Figura 2.5. Diagrama del lanzamiento (Westernfilterco, 2005)
Una vez en el lanzador, un medio propulsor ayuda a introducir el diablo. Éste
puede ser aire o líquido, normalmente se utiliza el fluido de la tubería. El diablo
entra estrechamente dentro de la tubería. La presión aplicada causa que el
diablo avance a través de la tubería. En su viaje a través de la tubería, el diablo
raspa el interior de ésta y barre cualquier contaminante o líquido acumulado.
El producto diseñado para desplazar el diablo (PDP, Product Displacement
Pig) ofrece la capacidad de desplazar productos en líneas con curvas de pocos
grados y cruces estándares de tuberías llenas. La longitud del sello permite
pasar los cruces de las tuberías sin perder el sello.
Si la tubería que se intenta limpiar tiene conexión con otras tuberías, se
deben cerrar las válvulas de éstas, para definir la trayectoria del diablo y no
tener problemas de que el diablo o el fluido se desvié. El diablo viaja a través de
la tubería, y ésta puede presentar inclinaciones y curvas de 90° como curvas S y
curvas U de 180 grados (ver figura 2.6). Esto se puede alcanzar con presiones
relativamente bajas (hps-pigging, 2005).
12
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
a)
b)
Figura 2.6. a) Curva tipo U y b) Curva tipo S
En el extremo de recepción, se utiliza el mismo diseño del barril de gran
tamaño, permitiendo un retiro fácil del diablo de la línea. El contenedor del
diablo es similar al lanzador del diablo; localizado al extremo opuesto de la
tubería, permite el flujo de fluidos o gases a través de él y empuja a los diablos
al extremo del contenedor (Pipeline Removal Preparations Survey, 2005). En la
figuras 2.7 y 2.8 se muestra la configuración típica de la receptora del diablo y el
diagrama de la receptora del diablo, respectivamente.
Figura 2.7. Método convencional de recepción (Westernfilterco, 2005)
13
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Figura 2.8. Diagrama de recepción (Westernfilterco, 2005)
El lanzador y el receptor son trampas para introducir en la tubería y recibir
los diablos después de haber realizado una operación exitosa. El diseño de
estas trampas de diablos depende del tipo de diablo que va a hacer la operación
y de las condiciones de la tubería. Estos recipientes consisten en un encierro,
abertura para el acceso rápido, un barril de gran tamaño, un reductor para la
conexión a la tubería. El diseño del suministro en la estación debe incluir
equipos de manejo para diablos. En la trampa de diablos existe derrame de
líquidos y debe considerarse en el diseño y la construcción (Girarding, 2005).
2.3.2 Frecuencia de la corrida de diablos
La frecuencia de la corrida de diablos, y el número de ellos, depende de las
condiciones de operación de la tubería; esto es, de las condiciones de operación
de cada sección, pues se necesita un tratamiento diferente como resultado de
las diferentes acumulaciones en ésta.
El costo de cada operación comparado con la variación de la eficiencia de
flujo de la tubería permitirá establecer el número óptimo de corridas para
alcanzar la máxima eficiencia al menor costo.
14
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
En cada caso la frecuencia de la corrida de diablos debe ser determinada en
un análisis de la composición del fluido y de las condiciones del sistema de
transporte, por ejemplo: la frecuencia de corrida de diablos en tuberías que
manejan gran porcentaje de gas depende de la composición del gas, de las
condiciones a temperatura ambiente y puede variar mucho de una ubicación a
otra.
Se requiere una corrida de diablos rutinaria en las líneas de aceite para
determinar las proporciones de la producción y las temperaturas de operación.
La frecuencia de las corridas de diablos podría variar en los tiempos
de
ejecución semanal, mensual o mucho más tiempo, dependiendo de la
naturaleza del fluido producido y de las condiciones de operación. Existen
diablos especialmente para tuberías, conocido como "diablos inteligentes" que
son capaces de detectar áreas de corrosión interior en una tubería y algunos
también son capaces de localizar fugas o goteras.
2.3.3 Resultados que se obtienen con la corrida de diablos
Después de limpiar una tubería con una corrida de diablos son varios los
beneficios que se obtienen, algunos de ellos se enlistan a continuación
(Flowmore Services, 2005):
1.
El flujo se restaura; y en algunas ocasiones puede aumentar,
2.
Los costos por el bombeo de fluidos se reducen; el ahorro de energía
puede ser dramático en líneas grandes,
3.
Los productos que se obtienen son más limpios; las impurezas como el
agua pueden eliminarse,
4.
En el aspecto de las ventas, los clientes resultan satisfechos y
contentos debido a los buenos resultados, el tiempo fuera de servicio es
mínimo.
15
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
En la figura 2.9 se muestra un diagrama de un fragmento de tubería antes,
con una acumulación de parafinas, y después, con la tubería limpia, de una
corrida de diablos involucrando también los gastos en cada una de los dos
aspectos. En el segmento de tubería con acumulación de parafina se tiene un
gasto de 250 GPM (galones por minuto, 946.357 litros por minuto) y después de
realizar la corrida de diablos, y que la tubería está limpia, el gasto aumentó a
850 GPM (3217.62 litros por minuto). (Flowmore Services, 2005)
Antes
Después
Figura 2. 9. Producción antes y después de la corrida de diablos (Flowmore Services, 2005)
En este ejemplo el gasto aumentó más de tres veces de lo que se tenía
anteriormente. Éste es uno de los beneficios que se tienen al realizar una
corrida de diablos en un sistema donde ha disminuido la producción.
Con las corridas de diablos se mejora la calidad del producto, se reduce el
bombeo requerido, se restaura capacidades de flujo por completo y se reduce
tiempo muerto, ya que no son destructivas a las tuberías. Los diablos pueden
ser utilizados en todos los tipos de material de construcción de tubería (acero,
plástico y concreto), y tienen la habilidad de adaptarse a varios tipos de
instalaciones incluyendo curvas, válvulas, creces, reducciones y tuberías de
doble diámetro. Han demostrado ser un método extremadamente rentable de
limpieza de líneas en todos los tipos de industrias, a una fracción del costo de
16
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
los otros métodos de rehabilitación o de reemplazo (como tener que cambiar
toda o una sección de tubería).
2.3.4 Problemas que se pueden presentar durante la corrida de
diablos y cómo solucionarlos
Uno de los problemas que se pueden presentar durante la corrida de diablos
es el que un diablo se pegue en la tubería por diferentes razones. A
continuación se da una breve descripción de lo que sucede y de cómo se puede
solucionar el problema.
Siempre hay una razón lógica para que el diablo se detenga en la tubería:
falta de presión de propulsión adecuada, acoplador flojo con propulsión detrás
del diablo, cierre de una válvula delante de diablo (hps-pigging, 2005).
El diablo puede pegarse o perderse por varias razones tal como, una tubería
deformada o que el diablo esté desgastado, envío de tipo de diablo inadecuado
o incompatible, cantidad excesiva de escombros.
Hay dos tipos de “diablos” pegados que se pueden presentar al realizar la
corrida de diablos. (www.westernfilterco.com, 2005):
I. Cuando un diablo pierde el sello. Esto puede suceder por un número de
razones, por ejemplo, excesivo desgaste debido a demasiado uso de un
diablo, las condiciones abrasivas en la línea, y los diablos rasgados debido a
las válvulas parcialmente cerradas u otros escombros destructivos. En este
caso, el diablo ha perdido su sello y está permitiendo que el medio que lo
propulsaba penetre a través de él en vez de propulsarlo. Una vez detectado
este
problema,
las
opciones
para
(Westernfilterco, 2005) son:
17
recuperar
el
diablo
"pegado",
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
A. Aumentar el volumen de la corrida de diablos: Aumentando el
volumen del medio propulsor, la cantidad de fluido que no penetró
puede ser bastante para propulsar el diablo.
B. Quitar la presión y el volumen (permitiendo que el diablo se
recupere): si un diablo se detuvo por una disminución del área, como
una válvula parcialmente abierta, es recomendable quitar la presión y
el volumen, pues la mayoría de los diablos cuentan con la capacidad
para
recuperar
su
forma
original,
después
de
un
tiempo
aproximadamente 15 minutos.
C. Correr una esponja del tamaño de la línea: El funcionamiento de la
esponja en una línea donde un diablo ha perdido sello reestablecerá
el sello perdido por el primer diablo. La esponja intentará penetrar el
diablo como el medio propulsor lo está haciendo, pero en cambio
sellará el área sin sello, y el medio propulsor comenzará de nuevo a
empujar el “diablo" pegado.
D. Invertir la dirección del flujo: Invirtiendo el flujo del medio
propulsor, podemos hacer que el diablo se retire algunos pies y
después reaplicando la presión detrás del diablo e intentar enviar a
través de la tubería. A menos que sea necesitado, se debe enviar el
diablo de nuevo al lanzador.
II. Un diablo que ha encontrado obstrucciones que no puede desplazar. Esto
incluirá la acumulación excesiva de escombros delante del diablo, las
válvulas parcialmente cerradas, y varias obstrucciones, por ejemplo: cajas,
herramientas, etc. Para quitar este tipo, las opciones siguientes pueden ser
útiles, (Westernfilterco, 2005):
A. Aumentar la presión de la corrida de diablos: el aumento de la
presión se compara con el aumento de la fuerza, que puede ser
bastante para permitir que el diablo empuje la obstrucción.
B. Aumentar / disminuir la presión de la corrida de diablos (de
manera alterna): Aumentando y disminuyendo la presión en una
18
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
manera rápida encendido y apagado, puede darle el "retroceso en la
parte posterior" para ayudar al diablo a manejar la obstrucción. Esta
opción trabaja muy bien en instalaciones donde se tienen diámetros
internos pequeños y válvulas entre cerradas.
C. Remover la presión y el volumen (para permitir la recuperación
del diablo): Como con el tipo de pérdida de sello, este procedimiento
es útil por las mismas razones, permitiendo que el diablo recupere su
forma después de encontrar una obstrucción.
D. Invertir la dirección del flujo: La dirección contraria del flujo es muy
eficaz para quitar este tipo de diablo "pegado". En la mayoría de los
casos, el diablo no puede empujar la obstrucción, invertir el flujo
permite que el diablo sea recuperado de la línea. Nota: Esto no
funciona para los diablos unidireccionales (los diablos de la copa y los
similares).
2.3.4. a. Ubicación del diablo
De vez en cuando se pegan los diablos en línea. El diablo atascado puede
encontrarse usando un diablo descubridor con un transmisor en su cuerpo. El
transmisor emitirá una señal para que pueda localizarse con un receptor.
Después de que el diablo se localiza, la línea puede excavarse y quitar el diablo
(Girardind, 2005).
El diablo tiene características especiales que le permite ser magnetizado.
Los detectores son especialmente diseñados para ser utilizados en el
seguimiento del diablo en cualquier extremo de la línea. Estos detectores no
son introducidos en las líneas de producción y pueden detectar el campo
magnético del diablo a través de la tubería de acero inoxidable (hps-pigging,
2005). Los diablos pueden ser localizados usando señales fijas a lo largo de la
tubería o sistemas electrónicos ajustados dentro del diablo.
19
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Los detectores del diablo se utilizan para detectar el paso de un diablo. Las
dos categorías básicas son intrusivas y no-intrusivas. La intrusiva se une
permanentemente a la tubería y se equipa de una punta de prueba que se
introduce en la tubería. Cuando un diablo pasa, dispara la palanca y actúa el
detector. La no-intrusiva no se introduce en la tubería. Estas unidades son del
tipo magnético, de transmisión / recepción, o ultrasónicas. Se montan a la
tubería, pero son unidades móviles. Ambos tipos se equipan de una cierta clase
de señal de alertar al paso del diablo. Esto puede ser una bandera, una luz,
etc. Pueden también ser equipados de señales eléctricas a las operaciones de
control de funcionamiento tales como válvulas, bombas, compresores, etc.
(Westernfilterco, 2005).
En la figura 2.10 se puede apreciar un detector de diablos, este se coloca en
la tubería para poder localizar el diablo en caso de que se detenga en la tubería
durante la operación, o para registrar el momento en que pasa por determinado
punto. El diablo se puede ubicar con ayuda de la punta de prueba y al detectarlo
se registra en la placa disparadora.
Placa
disparadora
Punta de
prueba
Figura 2.10. Detector del diablo
20
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.4 Tipos de diablo
Clasificación de Diablos
Diablo convencional
o diablo de utilidad
Limpiadores
Acero (cilíndricos)
Esferas
Selladores
Polietileno
(espuma)
Casquete sólido
Diablos de gel
Diablos geométricos
o herramientas de
inspección
MFL (Magnetic Flux Leakage)
Ut (Ultrasonic)
Herramientas de inspección en línea
Tabla 2.1. Clasificación de diablos
Figura 2.11. Tipo de diablos convencionales (Westernfilterco, 2005)
Los diablos que se usan para lograr las diferentes tareas de la corrida de
diablos pueden ser divididos en tres categorías generales:
21
CAPÍTULO 2
•
MARCO TEÓRICO
el convencional o diablo de utilidad o corrida de diablos de rutina que se
usan para realizar funciones como limpiar y separar los fluidos.
•
diablos de gel se usan junto con los diablos convencionales para
perfeccionar las tareas de drene y limpieza de la tubería.
•
diablos geométricos o herramientas de inspección en línea que
proporcionan información sobre la condición de la línea así como la
magnitud y situación de cualquier problema, la inspección de la pérdida
de metal y corrosión.
2.4.1 Diablos convencionales
Los diablos convencionales o de utilidad pueden ser divididos en dos
categorías basados en su propósito fundamental: Diablos Limpiadores y
Selladores.
A.
Diablos Limpiadores se usan para quitar la acumulación de sólidos o
de semi-sólido y escombros acumulados en las paredes de la tubería. Esto es
normalmente parafina en las tuberías de aceite crudo. Cuando se usan los
inhibidores en una tubería de gas, los solventes en los inhibidores se evaporan,
formando gotas en las paredes de la tubería que pueden quitarse limpiándolo
con los diablos. También se usan los diablos limpiadores en conjunto con
químicos tratando las líneas para perturbar los sitios de corrosión y quitar agua,
microbios, productos de corrosión, y comida para los microbios. Esto aumenta la
eficiencia y baja el costo de la operación.
Los diablos limpiadores están normalmente provistos con cepillos u hojas
para hacer la limpieza. Tienen cepillos de alambre para raspar las paredes de la
tubería y remover los sólidos. Diablos de 14" y más pequeños normalmente
usan cepillos de rueda de alambres rotatorios. Estos cepillos son fáciles de
reemplazar y baratos. Se usan los cepillos rotatorios especiales en algunos
diablos grandes. Los diablos más grandes tienen cepillos extras.
22
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Estos cepillos se pueden reemplazar individualmente como sea necesario y
están montados en hojas de resorte de alambre, o resorte de espiral. Los
resortes empujan y mantienen a los cepillos de alambre en contacto con la
pared de la tubería.
Hay cepillos de muchos materiales. Los cepillos normales son hechos de
alambre de acero de carbono. Cuando los depósitos suaves de parafina, lodo,
etc., necesitan ser removidos, una opción excelente es la hoja de uretano6. El
diseño de la hoja es intercambiable con los cepillos.
Se instalan los puertos de desviación en el frente del diablo o en el cuerpo.
Estos puertos se usan para controlar la desviación del fluido. Si los puertos
están en el cuerpo del diablo, el flujo también fluirá a través de los cepillos y los
mantendrá limpios. Cuando pasa el fluidos a través de los puertos en el frente
del diablo, ayuda a mantener los escombros delante del diablo en suspensión y
moviéndose.
Los elementos de sellado son copas o discos de elastómero7. Se usan como
una combinación de elementos de limpieza y sellado para quitar los depósitos
suaves. Las copas son de norma o de diseño cónico.
El material de la copa y del disco es normalmente fabricado de un material
del poliuretano que da abrasión excelente y resistencia a romperse pero está
limitado en el rango de temperatura. Neopreno, y otros elastómeros se utilizan
para las aplicaciones de temperatura más altas (Girardind, 2005).
B.
Diablos Selladores se usan durante la prueba hidrostática de tuberías
para llenar la línea de agua y después drenarla.
6.”Uretano”. Clase de sintéticos resistentes a la abrasión y espumas flexibles.
7.”Elastómero”: cualquier polímero sintético que presenta las propiedades, en particular su elasticidad
y su flexibilidad, son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico, es decir, se deforman
al someterlos a una fuerza pero recuperan su forma inicial al suprimir la fuerza.
23
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Se usan para mantener un buen sello para barrer líquidos de la línea o
proporcionar una interfase entre dos productos distintos dentro de la tubería.
Quitando condensados y agua en sistemas de gas húmedo, agua de tuberías de
producción o separando productos distintos en tuberías de producción. Los
diablos selladores pueden ser esferas, diablos de casquete sólidos de
poliuretano, o diablos de tipo cilíndrico con copas o discos selladores.
Dentro de estas dos categorías, existe una subdivisión extensa, la cual
puede hacer diferencias entre los diferentes tipos o formas de diablos. Estos son
los diablos de acero (cilíndricos), esferas, polietileno (espuma), y casquete
sólido (Girardind, 2005).
•
Diablos de cilindro, que tienen un tubo del cuerpo central o mandril, y
varios componentes que pueden congregarse hacia el centro para configurar el
diablo a realizar un deber específico.
Figura 2.12. Diablo de cilindro, (Girardind, 2005)
Los diablos del acero son más duraderos. Consisten en un cuerpo de acero
con elementos reemplazables (copas y discos). Pueden también ser equipados
por componentes abrasivos (los cepillos y las láminas) para quitar depósitos de
la pared interior de la tubería. La ventaja de los diablos de acero es la capacidad
para sustituir los componentes que usan (Westernfilterco, 2005).
24
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Los diablos de cilindro tienen un cuerpo de metal (acero o aluminio) y son
equipados con selladores (copas o discos raspadores) para proporcionar la
presión diferencial para propulsar el diablo en la tubería. Para limpiar la línea el
diablo está equipado con cepillos del alambre u hojas del poliuretano.
Una ventaja del diablo de cilindro es que puede ser un diablo de limpieza,
un diablo de sellado o una combinación de ambos. Pueden reemplazarse los
selladores y cepillos para hacer que el diablo pueda re-usarse. Se diseñan los
diablos limpiadores para un raspado fuerte y pueden equiparse con cepillos de
alambre u hojas del poliuretano. Se diseñan para las corridas largas.
Hay también desventajas del diablo de cilindro. El costo de reajustarlo, y
diablos más grandes requieren un equipo de manejo especial para cargar y
descargar el diablo. De vez en cuando las cerdas de cepillo de alambre se
rompen y entrarán en lugares no deseados (Girardind, 2005).
En la tabla 2.2 se muestran varios modelos, los estilos más comunes, de
diablos de cilindro, con diversas formas en las que se pueden presentar como
es el diablo de copa, de discos, de copa cónica, de copa cónica con lámina y
copa cónica con cepillo y otros tipos de arreglos con cepillos. Con esto se pude
diferenciar si un diablo cilíndrico es del tipo de diablo limpiador o de sello o si es
una combinación de ambos.
Diablos de Copa
Diablos de Discos
25
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Diablos de copa cónica
Diablos de copa cónica con lámina
Diablos de copa cónica con cepillo
Diablos con varios tipos de cepillos
Tabla 2.2. Diablos de acero (Westernfilterco, 2005)
•
Diablos Esféricos o esferas, son de una composición sólida o inflable,
los inflebles se rellenan con glicol8 y/o agua para alcanzar el diámetro óptimo.
las esferas inflables de poliuretano se fabrican de manera completa para
proporcionar un diseño duradero, ya que la soldadura representa un punto de
debilidad.
8.”Glicol”: Compuesto orgánico con dos grupos oxhidrilos unidos a diferentes átomos de carbono; se trata
por lo tanto de un alcohol divalente. Son en su mayoría líquidos viscosos, incoloros y de sabor dulce.
26
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Figura. 2.13. Diablo esfera. (Girardind, 2005)
Se han usado las esferas durante muchos años como diablos selladores.
Hay cuatro tipos básicos de esferas; soluble, inflable, espuma y sólida.
La esfera soluble se usa normalmente en tuberías de aceite crudo y contiene
una cera cristalina microscópica y polietileno que actúa como un inhibidor de
parafina y no obstruye el flujo. Si en una línea nunca se ha corrido un diablo, la
esfera soluble es una buena opción para realizas una corrida.
La esfera normalmente se disolverá en pocas horas. Esto está en función de
la temperatura y movimiento del fluido, fricción y absorción de aceite.
La esfera inflable es fabricada de varios elastómeros (poliuretano, neopreno
y otros) dependiendo de la aplicación. Tiene un centro hueco con válvulas que
se usan para inflar la esfera con líquido. Las esferas están llenas con agua, o
agua y glicol e infladas al tamaño deseado.
Nunca deben inflarse las esferas con aire, puesto que por la naturaleza del
mismo puede comprimirse a alta presión y/o amoldarse a la superficie de la
tubería, y no realizar eficientemente la operación de remover los líquidos.
27
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Dependiendo de la aplicación y material, la esfera es inflada de 1% a 2%
arriba del diámetro interior de la tubería. En tamaños pequeños la esfera puede
ser de composición sólida, eliminando la necesidad de inflarse, pero no tiene la
vida útil como una esfera inflable.
Las esferas también pueden fabricarse de espuma del poliuretano. Pueden
cubrirse con un material del poliuretano para dar un buen uso. Para los
propósitos de limpieza pueden tener cepillos de alambre en la superficie. Las
ventajas de estas esferas de espuma es que son ligeras en peso, baratas, y no
necesitan ser infladas.
Las esferas son en general fáciles de manejar, maneja radios de 90o, giros y
curvaturas irregulares. Pueden viajar desde las líneas laterales más pequeñas a
las líneas principales más grandes, y son más fáciles de automatizar que otros
diablos.
Las esferas son comúnmente usadas para quitar los líquidos de los sistemas
de gas húmedo, agua de las tuberías de producción, el control de parafina en
las tuberías de aceite crudo, y la prueba hidrostática y drene después de
rehabilitar la tubería o una nueva construcción. Usadas para separar varios
productos como gasolinas, aceites de combustible, aceites crudos, combustibles
de motor de reacción, y otros productos de petróleo transportados a través de
una tubería. (Girardind, 2005).
Figura 2.14. Diablo tipo esfera (Girardind, 2005)
28
CAPÍTULO 2
•
MARCO TEÓRICO
Diablos de espuma, la espuma del poliuretano se amolda a varias
configuraciones de tiras sólidas de poliuretano y/o materiales abrasivos
permanentemente unidos a ellos;
Figura. 2.15. Diablo espuma (Girardind, 2005)
Los diablos de espuma son un tipo de dispositivo barato y versátil en la
limpieza de tuberías. Los tamaños se extienden de 2" hasta 48". Con
configuraciones incluyendo básico, entrecruzado, cepillos de alambre, cerda
plástica, y de carburo de silicio. Son ligeros y fáciles de trabajar y capaces de
ser utilizados en tuberías, instalaciones, y válvulas (Westernfilterco, 2005).
Los diablos de espuma, menos conocidos como los diablos de polietileno,
son fabricados de espuma de poliuretano. La espuma es de varias densidades
que van de la densidad ligera (2 lbs/ft3), la densidad media (5-8 lbs/ft3), a la
densidad pesada (9-10 lbs/ft3). Aunque normalmente se encuentra en una forma
de bala, pueden tener fines cóncavos, fines lisos, o bala huele en ambos fines.
El diablo de polietileno puede ser de espuma básica o cubiertos con un material
de poliuretano resistente. Los diablos cubiertos pueden tener un espiral de
poliuretano, con varios cepillos o cubierto de carburo de silicio. Si el diablo es de
espuma básica, tendrá la base cubierta. La longitud del diablo de poliuretano
normal es dos veces su diámetro. Algunas ventajas de los diablos de
poliuretano es que son comprimibles, extensibles, ligeros y flexibles. Los diablos
de poliuretano viajan a través de las tuberías de diámetro múltiples y radios
cortos de curvatura de 90º. Hacen giros bruscos en las cruces para poder
29
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
limpiar las laterales. Pasan por las válvulas tan pequeñas como el 65% de
apertura. Los diablos de poliuretano también son baratos.
Las desventajas de los diablos de espuma radican en que son productos de
un solo uso, longitud corta de corridas, y las concentraciones altas de algunos
ácidos acortan su vida.
Se usan los diablos de espuma de poliuretano para probar la línea (un diablo
pasa a través de la línea), secar y limpiar, remover depósitos espesos,
condensados en las tuberías de gas húmedo y en corridas de diablos de
diámetros múltiples. Los diablos de poliuretano cubiertos con un cepillo de
alambre o de carburo de silicio se usan para raspar y suavizar la abrasión de la
tubería (Girardind, 2005).
Los tipos de diablos de espuma disponibles que se puede usar dependen de
la condición de la tubería, y el aumento esperado de parafina, corrosión, u otro
residuo de la producción del hidrocarburo, como se lista a continuación (Pipeline
Removal Preparations Survey, 2005):
1.
Diablo de polietileno de baja densidad - Un diablo de densidad baja
puede atravesar tuberías parcialmente bloqueadas porque radicalmente
se puede deformar cuando se empuja a través de la tubería. Este diablo
esta diseñado para realizar un buen sello en el interior de la tubería y
asegurar que todo el líquido de la tubería cambie de sitio impulsado por
el fluido o gas detrás del diablo. Este tipo de diablo se muestra en la
tabla 2.3.
Tabla 2.3. Diablo ligero de espuma (Westernfilterco, 2005)
30
CAPÍTULO 2
2.
MARCO TEÓRICO
Diablo de polietileno de densidad media - Un diablo de densidad media
puede atravesar obstáculos con la fuerza que se le aplicada y puede
mover algunos materiales depositados en las paredes de la tubería.
Esto tipo de diablo se muestra en la tabla 2.4.
Tabla 2.4. Diablo de espuma de densidad media (Westernfilterco, 2005)
3.
Diablo de polietileno de alta densidad - Un diablo de densidad alta
atraviesa obstáculos con mayor fuerza y mueve materiales acumulados
en las paredes de la tubería. Esto tipo de diablo se muestra en la tabla
2.5.
Tabla 2.5. Diablo pesado de espuma (Westernfilterco, 2005)
Entre el diablo de polietileno de densidad baja, media y alta, la
diferencia radica en su composición interna, y en el objetivo que se
quiere conseguir al utilizarlo, cada uno de ellos tiene una finalidad
independiente, y no en su apariencia física.
4.
Diablo de cepillo - Este diablo tiene cepillos de alambre o otros tipos de
cepillos para quitar el material de residuo proveniente de diablos
anteriores.
5.
Diablo rascador - Este diablo tiene varios rascadores duros construidos
para raspar el residuo más resistente fuera de las paredes de la tubería.
31
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
En la corrida de diablos progresiva es necesario asegurar que los diablos no
se peguen en la tubería. El uso de una densidad alta o de un diablo rascador en
la primera carrera podría raspar bastante material y por consecuencia detener el
diablo y bloquear la tubería. Empujando los primeros, uno o dos, diablos con
varios barriles de lubricante o surfactante, ablandarán y disolverán residuos del
hidrocarburo depositado en la tubería y permitirá a los diablos de polietileno más
densos quitar la mayoría de material antes de usar un diablo rascador.
El diablo de espuma se construye de espuma de poliuretano de varias
densidades y está disponible en varios tipos de capas externas. Aunque cada
diablo tiene una aplicación específica, algunos son intercambiables según la
preferencia del usuario dentro de ciertos parámetros.
Figura 2.16. Esquema del diablo espuma en operación. (Girardind, 2005)
El diablo de espuma se adapta de material de espuma de poliuretano de
densidad ligera, media, o pesada. Su forma de bala se diseña para ayudar a
cruzar las instalaciones y válvulas. Los fines cóncavos están disponibles para el
servicio bidireccional. La longitud del diablo es aproximadamente dos veces su
diámetro para reducir la posibilidad de que diablo de volteretas en la tubería. El
diámetro del diablo de poliuretano es más grande que el diámetro interior de la
tubería. Esto se hace para ejercer un arrastre friccional entre el diablo de
espuma y la pared de la tubería. Los diablos pueden acomodarse en cualquier
orden, considerando lo que se quiera conseguir de cada uno de ellos.
32
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Los diablos de espuma tienen una base de lámina cóncava con una capa de
poliuretano resistente. Esto proporciona un máximo sellado en la superficie
trasera para las fuerzas de propulsión de los fluidos o gases usados.
Las capas exteriores en los cuerpos de espuma consisten de un tipo de
espiral entrelazado de poliuretano resistente. Estos espirales agregan la fuerza
y dan un mayor limpiado y raspado, la acción es comparada con la espuma
básica. Se fabrican dos tipos de diablos entrelazados. Cepillos del alambre,
carburo de silicio, o las cerdas plásticas pueden adherirse en estos espirales de
poliuretano para agregar una máximo acción de raspado o cepillado.
La acción de limpieza del diablo de espuma se crea por el arrastre friccional
proporcionado por el sobre tamaño del diámetro. Además, la presión creada por
el fluido sobre la parte trasera del diablo comprime el diablo longitudinalmente.
Esto aumenta el arrastre friccional sobre las paredes de la tubería y la acción de
raspado del diablo.
Algunos fluidos pasan alrededor de y a través del cuerpo de espuma
creando una alta velocidad y desviación del volumen. Esta desviación retira los
escombros delante del diablo, suspendiendo algunos de los escombros en la
solución y barriéndolos fuera de la línea (Girardind, 2005).
•
Diablos sólidos, se amoldan en una sola pieza, normalmente de
poliuretano. Los diablos sólidos son de varios diseños y son normalmente
hechos de poliuretano; sin embargo, el neopreno, y otros elastómeros en los
diablos de tamaños más pequeños.
Son considerados diablos de sellado aunque algunos diablos sólidos están
disponibles con cepillos en su alrededor y pueden usarse para propósitos de
limpieza. El diablo de lanzamiento sólido está disponible en copa, disco, o una
combinación de diseño copa / disco. La mayoría de los diablos son de una
33
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
construcción de piezas pero varios fabricantes tienen todos los diablos de
uretano con elementos de sellado reemplazables.
Figura. 2.17. Diablo sólido. (Girardind, 2005)
Debido al costo de reajustar y transportar un diablo cilíndrico (trabajo y
material), muchas compañías reutilizan el diablo de lanzamiento sólido.
Los diablos sólidos son sumamente eficaces quitando los líquidos de las
tuberías de producción, removiendo condensados y agua de sistemas de gas
húmedo, y controlando el aumento de parafinas en los sistemas de aceite crudo
(Girardind, 2005).
Los diablos sólidos caen en la categoría de diablos de espuma medios y
diablos de acero. Los equipan de copas y/o discos y tienen la capacidad de
adaptar cepillos como un diablo de acero. Sin embargo, los componentes que
usan no pueden ser substituidos. Como en los diablos de acero, diversas
configuraciones pueden ser provistas. Los cinco tipos básicos de diablos sólidos
se pueden observar en la tabla 2.6.
Construidos, con alto grado de abrasión y con un químico resistente al
material sólido y diseñados para permitir el sello al borde de la copa y en la
34
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
parte posterior del disco contra la superficie interna de la tubería. El centro
hueco agrega flexibilidad para adaptarse a los diámetros internos fuera de
circunferencia o que varían, y además maneja los diámetros de poca curvatura.
Utilizados sobre todo para las pruebas hidrostáticas, drene, retiro del fluido,
así como, limpiezas cuando está equipado con cepillos. Más ligero en peso que
los diablos de acero, éste permite un sello más eficiente durante funcionamiento
del diablo.
Tipo
copa y
Tipo copa
disco
Con los
Tipo disco
cepillos
Esferas
Tabla 2.6 Tipos de diablos sólidos. (Girardind, 2005)
Otra clasificación de los diablos se basa en el objetivo o tarea que se quiere
conseguir al realizar la corrida de diablos, cualquiera de los diablos que se han
explicado anteriormente puede tomar parte en una de estas clasificaciones, para
esto también influyen las condiciones de la tubería y del fluido.
35
CAPÍTULO 2
•
MARCO TEÓRICO
Diablos de conjunto
Se usan los diablos de conjunto para separar fluidos distintos como las
diferentes calidades de gasolina, combustoleo, etc., en tuberías de
productos múltiples. Estos diablos son unidireccionales si tienen copas y
bidireccional si están provisto con discos (Girardind, 2005).
•
Diablos de desplazamiento
Estos diablos se utilizan para desplazar un fluido con otro. Pueden ser
bidireccionales o unidireccionales en diseño. Se usan en la hidrostática, en
el llenado, en el drene, la evacuación y en el abandono de la línea
(Girardind, 2005).
•
Diablos calibradores
Se usan los diablos calibradores después de construir la tubería para
determinar si hay obstrucción en la tubería. Asegura que el ovalidad de la
línea está dentro de la tolerancia aceptada. La lámina de aforo puede
montarse en el frente o a atrás del diablo y es hecho de un acero ligero o
de aluminio. La lámina puede ser sólida. Su diámetro externo es de un 9095% del diámetro interno de la tubería (Girardind, 2005).
•
Diablo de perfil
Es un diablo de aforo normalmente con tres láminas de aforo. Una
lámina está colocada en el frente, una en medio, y una atrás del diablo.
Normalmente se usa antes de utilizar una herramienta de Inspección en
línea, para asegurar que la herramienta pase alrededor de las curvaturas y
a través de la tubería (Girardind, 2005).
•
Diablos de diámetros dobles
Existen sistemas de producción en donde se presentan tuberías de dos
diferentes diámetros es decir, 4" x 6", 8" x 10", etc. es por eso que el diablo
de cilindro es normalmente ajustado con discos sólidos para la línea más
pequeña y discos rasurados para la línea más grande. Si es un diablo de
limpieza, los cepillos lo apoyarán en la línea y mantendrán el diablo
centrado. El diablo de poliuretano también se usa ampliamente en esta
aplicación (Girardind, 2005).
36
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Diablos especiales
•
Son diablos que se utilizan para realizar una aplicación específica y que
no se lograría si se utilizara un diablo convencional. Muchas aplicaciones
requieren los diablos especiales. Un ejemplo de un diablo especial es; un
diablo del molinete que usa alfileres de acero con las puntas endurecidas
para quitar la cera y descascarar la tubería, un diablo de limpieza
magnético para recoger los escombros férreos de la tubería (Girardind,
2005).
2.4.2 Diablos de gel
Es una serie de sistemas de gel líquido que se ha desarrollado para el uso
en operaciones en tuberías, o durante el inicio, o como una parte de un
programa de mantenimiento continuo. La mayoría de los geles de tubería son
basados en agua, pero con un rango de químicos, solventes, y incluso ácidos
que pueden estar en los geles. El diesel de gel normalmente se usa como un
portador de inhibidor de corrosión en líneas de gas (Piggingassnppsa, 2005).
Hay cuatro principales tipos de gel que se usa en aplicaciones de la tubería:
•
Bacheo o gel separador
•
Gel recogedor de escombros
•
Gel de hidrocarburo
•
Gel deshidratador
Figura 2.18. Diablo de gel (Piggingassnppsa, 2005)
37
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Como un líquido, aunque muy viscoso, el gel puede bombearse a través de
cualquier
línea
que
acepte
líquidos.
Pueden
usarse
diablos
de
gel
exclusivamente (en líneas de líquido), en lugar de diablos, o junto con varios
tipos de diablos convencionales. Cuando se usa con diablos convencionales, los
diablos del gel pueden mejorar el desarrollo global mientras minimizan el riesgo
de que un diablo se pegue.
En la figura 2.19 se muestra la forma en que se realiza la corrida de diablos
usando en el frente un diablo de gel, éste comprende un gel separador y un gel
de escombros y diablos convencionales, entre uno y otro se introduce un gel de
escombros o un gel separador. Con esto se minimizar la desviación de los
fluidos de los diablos y se realiza una mejor limpieza.
Figura 2.19. Tren de diablos con el diablo de gel (Piggingassnppsa, 2005)
Las principales aplicaciones de los diablos de gel en tuberías son las
siguientes:
•
Separación de productos
•
Escombros removidos
•
Línea rellena e hidroprueba
•
Desagüe y secado
•
Condensados removidos de líneas de gas
•
Inhibidores
•
Tratamiento químico especial
•
Remover los diablos atascados
38
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.4.3 El diablo como herramienta de inspección.
Otra de las aplicaciones que tiene el diablo durante su operación son la de
inspeccionar las condiciones de la tubería. Se ha desarrollado un diablo que
mide el diámetro interno este consiste en un diablo de limpieza que puede medir
el diámetro interior de una tubería. Este diablo pasa a través de la tubería como
un diablo de limpieza, mismos tipos y número de copas de cerrado tienen que
ser usadas, se ha hecho de los mismos materiales y se han instalado a los
mismos intervalos (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk
lines including tight bends, 2005). Este diablo se muestra en la figura 2.20.
Figura 2.20. Diablo medidor del diámetro interno (Inspection tools with high reliability for the
safety of trunk lines including tight bends, 2005)
Al contrario de un diablo del calibrador ordinario, este diablo puede usarse
para detectar abolladuras. Por consiguiente, los censores que miden la
distorsión y detectan la deformación, se han colocado a lo largo del interior de la
copa de medición. Estos datos son usados en conjunto con el dato registrado
por el propio diablo. Este diablo también tiene el mismo tipo de rodillos de
medición como es encontrado en herramientas de inspección, y puede medir el
diámetro interior de una tubería instalada a intervalos de 2 milímetros.
También se ha desarrollado un diablo cámara al que se le ha ajustado una
cámara de video que se usa para grabar dentro de la tubería. Este diablo
también puede usarse como un diablo de limpieza, tiene el mismo diseño. La
lente no se coloca en el frente del diablo por que el polvo dentro de la tubería
39
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
puede ensuciar la lente, en cambio la cámara se ajusta atrás del diablo así la
lente no se ensucia. Entonces este diablo graba en la dirección inversa del
movimiento del propio diablo y da testimonio de las condiciones internas de la
tubería después de haber corrido el diablo (Inspection tools with high reliability
for the safety of trunk lines including tight bends, 2005). Este diablo se muestra
en la figura 2.21.
Figura 2.21. Diablo cámara (Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines
including tight bends, 2005)
Ejemplo de una fotografía en una línea del flujo de este diablo cámara se
muestra en la figura 2.22. Esta imagen capturada por este diablo revela la forma
circunferencial de la tubería. Durante el uso en el campo, este diablo ha
mostrado excelente durabilidad y habilidad para pasar a través de la tubería
(Inspection tools with high reliability for the safety of trunk lines including tight
bends, 2005).
Figura 2.22. Imagen captada por el diablo cámara (Inspection tools with high reliability for
the safety of trunk lines including tight bends, 2005)
40
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Las tuberías se inspeccionarán o se estudiarán con datos existentes para
determinar la situación actual de la limpieza de la tubería involucrando el estudio
de extremidades y cruces (tees).
2.5 Selección del diablo
Una vez definidos los parámetros de operación y metas del proyecto de
limpieza, se debe hacer una selección del diablo para perfeccionar la eficacia de
limpieza de la corrida del diablo (Baker Petrolite, 2005).
El tipo de diablo a ser usado y su configuración óptima para realizar una
tarea en una tubería en particular debe determinarse basado en varios criterios
que incluye (Piggingassnppsa, 2005):
•
El propósito
En éste influye el tipo, dureza, situación y volumen de la sustancia que
se quitara o cambiara de lugar, tiempo de acumulación, ubicación del
deposito, el tipo de información que se obtendrá de una corrida de
diablo y los objetivos y metas para la corrida de diablo.
•
Los volúmenes de la línea
Se debe considerar, los volúmenes en la línea durante la corrida de
diablos, la disponibilidad contra la tendencia de presión requerida y la
velocidad del diablo
•
Características de la tubería
Se deben de tomar en cuenta los diámetros interiores mínimos y
máximos de la línea, la máxima distancia que deberá viajar el diablo, el
mínimo radio de curvatura, y ángulos de la curvatura, las características
adicionales como tipos de válvula, las conexiones de la rama, el perfil
de elevación, y el material especifico de la tubería.
41
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Varios son los diseños de diablos que se pueden utilizar en la corrida de
diablos en ambas direcciones de la tubería. Todos los modelos bidireccionales
operan mecánicamente con señales eléctricas autocambiables o ambas señales
mecánicas y eléctricas. En la figura 2.23 se muestran algunos diablos
bidireccionales.
Figura 2.23. Diablos bidireccionales (Girardind, 2005)
Al seleccionar el diablo se debe tomar en cuenta la temperatura de
operación pues puede que el material con el que está fabricado el diablo no sea
el óptimo para realizar la limpieza.
2.6 Tren de diablos
Es un proceso también llamado "corrida de diablos progresiva" (progressive
pigging). Este proceso consiste en introducir a la tubería una serie de diablos de
espuma de polietileno, estos limpian a través de la tubería con agentes químicos
y/o un limpiador de agua para quitar todos los hidrocarburos.
El diablo es empujado por el lanzador en la tubería bombeando aire,
nitrógeno, agua o químicos detrás del diablo. Una cantidad moderada de fluido o
gas se bombea antes de un segundo diablo que es insertado en el lanzador, así
hasta el número requerido de diablos con la cantidad correspondiente de
42
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
químicos o limpiadores con agua se envían a través de la línea y para quitar la
mayoría de los hidrocarburos depositados en la tubería. Los diablos se reciben
en un "receptor de diablo" (Pig catcher).
En la figura 2.24 se muestra una corrida de diablos progresiva en donde se
ilustra los diferentes tipos de diablos que se utilizan para conseguir la limpieza
esperada por cada uno de ellos, se nota que cada uno de ellos cumple con un
fin, que es remover la mayor cantidad de parafinas, líquidos o sólidos.
Figura 2.24. Tren de diablos (Baker Petrolite, 2005)
Una tubería que se ha mantenido limpia o se ha limpiado en el momento de
cierre, puede requerir sólo diablos de polietileno de densidad baja y limpiadores
de agua para la limpieza final. (Pipeline Removal Preparations Survey, 2005).
Las tuberías se limpian hidráulicamente y neumáticamente con una serie de
diablos limpiadores de polietileno (POLY-PIG) de espuma flexibles. En el caso
de fragmentos pesados, los diablos de polietileno se introducen en el sistema de
una manera progresiva que empieza con unidades de limpieza muy pequeñas y
muy suaves que trabajan con limpiadores clasificados según el tamaño con
calidades abrasivas. Este método de limpieza de diablos de polietileno ha
demostrado ser la manera más segura, más rápida y más barata de limpiar la
mayoría de las tuberías (Flowmore Services, 2005).
El diseño del tren de diablos es crítico para el éxito del programa de
limpieza. Típicamente, el bache de químicos es colocado delante de un diablo
43
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
cepillo para iniciar las corridas, con un diablo disco o diablo copa usado al final
de las corridas. Día a día se perfecciona el tren de diablo para que la limpieza
completa se logre en un número mínimo de corridas y aumente al máximo la
producción a la vez que se minimizan los costos (Baker Petrolite, 2005).
2.7 Tipos de herramientas inspección en la corrida de
diablos
Básicamente las técnicas más comunes son MFL (Magnetic Flux Leakage, por
sus siglas en inglés), Ut (Ultrasonic, por sus siglas en inglés), Herramientas de
inspección en línea y la inspección en sitio.
2.7.1 Herramientas de inspección en línea
La herramienta de inspección en línea proporciona información de la
condición de la tubería y/o sus volúmenes. Con pocas excepciones, la
herramienta de inspección en línea recoge datos que son analizados por los
ingenieros y técnicos para determinar e informar de la condición de la línea
(Piggingassnppsa, 2005).
• Pre inspección del diablo
Este es uno de los primeros pasos que se deben llevar a cabo durante la
corrida de diablos. El diablo debe estar dentro las condiciones de operación
establecidas para poder seleccionarlo. Si el diablo tiene corridas anteriores, este
debe ser inspeccionado para asegurar que se puede utilizar sin que este se
detenga en la tubería.
El diámetro exterior del diablo sella la superficie de la tubería. Estos
diámetros deben ser tan grandes como el diámetro interior de la tubería para
mantener un buen sello.
44
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Se inspecciona el sellado en la superficie para asegurar que el diablo no se
cortará, romperá, pinchará, esto puede afectar la habilidad del diablo para
funcionar en la tubería durante la operación.
Los cepillos de diablos deben además ser medidos para asegurar que los
cepillos mantienen contacto con la pared de la tubería durante la operación
completa.
Cuando se usan cepillos en los diablos de limpieza de tipo cilíndrico, se debe
examinar la corrosión o ruptura de los cepillos. Se beben tomar precauciones
para prevenir que los cepillos no se rompan en la tubería. Las cerdas sueltas
dañan las válvulas, instrumentación y otros equipos de las tuberías. Todos los
componentes del diablo deben ser controlados para asegurar que están
ajustadas y en buenas condiciones (Girarding, 2005)
2.7.2 Inspección en el sitio
Mientras estas herramientas están viajando a través de la línea, la presión
diferencial constantemente se monitorea. Un método rastreador acústico se usa
para monitorear la situación de la herramienta en la inspección en tiempo real.
Se usan herramientas de inspección para monitorear las líneas y el proceso es
mostrado en la figura 2.25 (Inspection tools with high reliability for the safety of
trunk lines including tight bends, 2005).
Diablo de limpieza
Diablo medidor de
diámetro interno
Diablo cámara
Herramienta de
inspección
Figura 2.257. Flujo de trabajo de la inspeccion en el sitio (Inspection tools with high reliability for
the safety of trunk lines including tight bends, 2005)
45
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.7.3 Herramienta de inspección Magnetic Flux Leakage
Los dos parámetros más comunes para medir la geometría y el diámetro son
la pérdida de metal y la corrosión, la información que proporciona este diablo
inteligente es de un rango muy amplio de inspección que incluyen
(Piggingassnppsa, 2005):
•
Medidas del diámetro y de la geometría
•
Monitoreo de la curvatura de la tubería
•
Perfil de la tubería
•
Registro de la temperatura y la presión
•
Perdida de metal y determinación de la corrosión
•
Inspección fotográfica
•
Determinación de grietas
•
Medición de los depósitos de parafinas
•
Determinación de la fuga
El principio físico de la herramienta de trabajo MFL es magnetizar la pared
del pozo y detectar la salida de flujo causado por el metal (ganancia o pérdida) u
otra anomalía relativa que cambie el espesor de la pared de la tubería.
Figura 2.26. Herramienta MFL. (roseninspection, 2006)
La evaluación de la perdida de metal es determinado indirectamente a través
de la calibración y experiencia en la interpretación de registros, los resultados
del MFL son cualitativos (volumétricos).
46
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Las herramientas del MFL se corren en aceite, gas o sistemas multifasicos
con una detección mínima de 5 – 10 %. Reportan las características de la
tubería de acero, es decir en el caso de tuberías con más costuras en un nivel
alto reduce la capacidad y la exactitud (Pipeline Integrity Management Through
Intelligent Pigging Survey, SPE # 36275).
Las principales limitaciones de las herramientas MFL son:
•
Necesita ser calibrado para un sitio, cuando se evalúan los defectos
•
Incapaz para detectar la suavidad, la longitud y áreas uniformes en
espesores de pared
•
Para evaluar errores causados por cambios desconocidos en el
espesor de la pared
•
Limitaciones sobre la detección mínima de dimensiones, exactitud del
tamaño total en el nivel de los resultados reportados
•
Incapacidad de registrar el tamaño, anomalías debajo de ciertas
dimensiones y asociado con la masa de acero
•
Temperatura máxima <= 60 oC
2.7.4 Herramientas de inspección Ultrasonic
El principio de operación de la herramienta untrasonic es emitir ondas de
sonido que viajan hasta tener contacto con la pared de la tubería, la onda rebota
y es captada por la misma herramienta, registrando el tiempo que tarda en viajar
la onda, con esto se puede determinar si existen en el interior de la tubería
fisuras, corrosión, incluso materiales que se encuentran depositados en la pared
interna de la tubería.
Esta es la herramienta más exacta pero muy difícil de manejar e
históricamente más costosa en comparación con la herramienta MFL. Más
conveniente para el monitoreo de la corrosión que la anterior; menos tolerancia
47
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
en la exactitud de reportes (Pipeline Integrity Management Through Intelligent
Pigging Survey, SPE # 36275).
Figura 2.27. Herramienta Ut. (Piggingassnppsa, 2005)
Limitaciones de la herramienta Ut:
•
Requiere una baja velocidad (aproximadamente 1 [m/s]). Herramienta
con alta rapidez para reportar resultados
•
Requiere un nivel alto de limpieza de la superficie interna de la tubería,
libre de productos de corrosión, parafinas, inhibidores efectivos de
sólidos en suspensión.
•
Mínimo espesor de la pared y limitaciones para detectar el tamaño.
2.8 Parámetros que se utilizan durante la operación
Para poder saber cual será el comportamiento de la corrida de diablos se
necesita conocer ciertos parámetros, para poder predecir las condiciones de
operación bajo las cuales la limpieza de la tubería se realiza y para ver si éstas
son las óptimas para el sistema, a partir de éstos se puede realizar una
operación exitosa.
2.8.1 Tiempo de la corrida de diablos
La predicción del tiempo de la corrida de diablos es muy importante.
Consiste en proveer al operador un tiempo estimado de llegada del diablo.
Saber cuando llegará el diablo es extremadamente importante. Además,
conocer los diferentes parámetros que afectan el tiempo de la corrida de diablos
48
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
permite al operador minimizar la duración del proceso de corrida de diablos
(Challenges in Pigging of Subsea Gas Flowlines, SPE 77576).
2.8.2 Velocidad de la corrida de diablos
La velocidad promedio durante la corrida de diablos afecta directamente al
tiempo de la corrida de diablos. Generalmente la velocidad del diablo utilizada
en tuberías es de 3 a 5
[MPH] (4.785 a 7.29 ft/s, 6.71 a 11.18 [m/s]). La
velocidad del diablo determina el gasto del líquido removido, y la cantidad de
depósitos removidos semejantes a las parafinas y capaz de asfaltenos. Las
fuerzas sobre los equipos submarinos, secciones más altas y además codos de
tuberías limitan la velocidad del diablo (Challenges in Pigging of Subsea Gas
Flowlines, SPE 77576).
2.8.3 Velocidad diablo
Normalmente los diablos se desplazan a la misma velocidad que la corriente
del flujo antes de introducirlo, sin embargo, la velocidad más eficiente oscila
entre, para líneas conductoras de gas natural de 5 a 15 [MPH] (11.18 a 33.47
m⁄s), y para líneas conductoras de líquidos de 2 a 10 [MPH] (4.47 a 22.33m⁄s).
La velocidad debe permanecer dentro pues si está por debajo puede detenerse
durante la corrida de diablos y si es mayor puede no remover la mayor parte de
los escombros depositados en la tubería, en los dos casos la operación resulta
ser ineficiente. Esta velocidad puede verse afectada de 3 a 5 % menos si la
conexión lateral de la “trampa” se encuentra abierta (Transporte de
Hidrocarburos por Ductos, CIPM). Las expresiones para determinar la velocidad
real de los diablos son las siguientes:
Para gas natural
v = 5.996 x10 − 5
q g Z (T + 460 )
pd 2
(2.1)
Para líquidos
v = 0.01192
ql
d
49
(2.2)
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
donde:
D
T
p
qg
ql
Z
Diámetro
Temperatura media
Presión media
Gasto de gas
Gasto de líquido
Factor de compresibilidad del gas
[pg]
[ºF]
[lbf /pg2]
[pies3/día]
[bl/día]
La velocidad de llegada del diablo es de mayor preocupación para las
operaciones en los lugares más altos. La rectitud del sistema de corrida de
diablos y la recepción del diablo limita la máxima velocidad de llegada del
diablo. En casos con sistemas de aguas profundas con riser del orden de unos
pocos miles de pies de altura, la velocidad de llegada del diablo es muy grande.
Esto es causado por la columna de condensados (líquidos) en el riser
(Challenges in Pigging of Subsea Gas Flowlines, SPE 77576).
2.8.4 Control de la velocidad de llegada del diablo
La causa de la excesiva velocidad de llegada del diablo es la elevada
presión diferencial a través del diablo. Esta diferencia de presión se incrementa
con el acercamiento del diablo a la instalación. Para reducir la velocidad del
diablo es necesario disminuir la diferencia de presión, con cualquiera de estas
dos opciones:
1. incrementar la presión al frente del diablo
2. reducir presión detrás del diablo
2.8.5 Efecto de la presión del separador
La presión en el separador tiene un gran impacto sobre el tiempo para la
corrida de diablos.
Reduciendo la presión del separador se incrementa la velocidad del diablo.
La presión del separador se usa para ajustar o modificar la velocidad del diablo.
50
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Aumentando la presión del separador disminuye la velocidad del diablo y
viceversa.
La presión del separador no es usualmente ajustable pero cuando se trata
de un tren de diablos de alta, intermedia, y baja presión del separador, la salida
de la recepción del diablo se alinea con el deseo de separar y controlar la
presión de respaldo.
2.8.6 Efecto de fugas alrededor del diablo
Cuando se incrementan las fugas alrededor del diablo resulta en velocidades
promedio de diablo más bajas, una más baja velocidad de llegada del diablo
aumenta el tiempo de llegada del diablo. En una corrida de diablos con presión
suministrada por gas los requisitos aumentan cuando se tiene una gran cantidad
de fugas de gas alrededor del diablo.
2.8.7 Efecto del líquido delante del diablo
La presencia de una gran columna de líquido frente del diablo es crucial,
para reducir la aceleración del diablo. Esto llega a ser un aspecto muy
significativo en el control del movimiento del diablo en segmentos de tubería
horizontal y semi-horizontal.
2.9 Modelo de la corrida de diablos
Para simular el movimiento del diablo en la tubería es dividido en dos
secciones como se muestra en las figuras 2.28 y 2.29. La primera es desde la
entrada a sección de tubería hasta el diablo y la segunda del diablo a la salida
de la sección de tubería. La velocidad del diablo es dada por la velocidad del
fluido que impulsa al diablo en los pasos anteriores de tiempo. Como la masa
delante del diablo y el tiempo son conocidos, se puede conocer el gasto de flujo
másico entrando a la sección.
51
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Este gasto de flujo másico será la condición para el cálculo del la salida
diablo, y este es la condición para el cálculo a la entrada del diablo. Así el
cálculo en todas partes de la tubería en este lapso de tiempo es finito. Este
procedimiento es repetitivo hasta que el diablo alcance el final de la tubería
(Modeling of Pigging Operations, SPE 56586).
En la figura 2.28 se muestra un diagrama del comportamiento que tiene la
corrida de diablos en un instante de tiempo. El diablo es impulsado por el fluido
de producción de la tubería, el cual presenta gas en su mayoría, ver figura, esto
es la corriente detrás del diablo. En la corriente delante del diablo se va
acumulando el líquido estancado y escombros depositados en la tubería, es
mayor en distancias próximas al diablo. El volumen de la tubería es ocupado
por el diablo en la celda del diablo.
Figura 2.28. Modelo de flujo de la corrida de diablos. (Modeling of Pigging Operations, SPE 56586)
En la figura 2.29 se muestra un diagrama de la forma en que se presentan
las diferentes densidades durante la corrida de diablos delante del diablo en una
sección de tubería, una región de baja densidad (2) y una región de alta
52
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
densidad (1). Al tener una alta cantidad de escombros se tiene una mayor
densidad a cuando se tiene una gran cantidad de gas en el fluido.
Figura 2.29. Regiones durante la corrida de diablos. (Modeling of Pigging Operations, SPE 56586).
2.10 Metodología de la simulación
El simulador numérico utilizado en el presente trabajo es el simulador
comercial OLGATM,
de
la
empresa
noruega
Scandpower.
OLGA fue
originalmente desarrollado por un programa conjunto de investigación, en el que
estaban involucradas organizaciones de investigación y diversas compañías
petroleras (Bendiksen et al., 1991). El objetivo era simular flujos transitorios
lentos asociados con transporte de masa, importantes en el bacheo por
conformación del terreno y durante variaciones de gasto. Con OLGA se puede
simular el flujo de hidrocarburos en tuberías, en redes de tuberías y en equipo
de proceso que formen parte de estos sistemas.
El simulador OLGA fue desarrollado por los Institutos Noruegos SINTEF
(Consorcio de Institutos de Investigación) e IFE (Instituto para la Tecnología de
la Energía). Desde el inicio del proyecto, el código OLGA ha sido continuamente
mejorado gracias al incremento de la base de datos experimental del laboratorio
de SINTEF y al uso extensivo de pruebas numéricas del IFE y las compañías
53
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
petroleras involucradas en el proyecto. Para mayores referencias consultar el
trabajo de Bendiksen (1991).
OLGA es un modelo de dos fluidos, unidimensional y dinámico (válido para
régimen transitorio o variable), en el que se especifica un sistema de ecuaciones
constituido por las ecuaciones de conservación, momento y energía; y
ecuaciones de ajuste, definidas mediante correlaciones de parámetros tales
como la fracción de volumen de líquido y el factor de fricción interfacial, además
de condiciones iniciales y de frontera. Para resolver esta serie de ecuaciones
dentro de OLGA, se seleccionaron los métodos implícitos por ser los más
adecuados al tratar con transitorios lentos.
La especificación de condiciones iniciales permite que el simulador genere
las condiciones de operación del sistema en estado “estacionario”, lo cual es
esencial, para modelar y simular un evento transitorio o dinámico, al ser
tomadas como punto de partida.
La información que se necesita como entrada a OLGA consiste de 7
archivos. Dos de ellos son indispensables y cinco opcionales. El primero de los
archivos necesarios contiene la información particular del caso de estudio tal
como la geometría, las condiciones operativas, las variables que se solicitan
como salida, etc. Toda esta información está organizada en grupos de
elementos físicos similares.
El segundo de estos archivos contiene las tablas de propiedades de los
fluidos, el cual es una parte clave para el correcto funcionamiento de OLGA. El
grupo de propiedades de transporte del fluido que requiere OLGA para resolver
el sistema de ecuaciones es generado por el simulador PVTsimTM, el cual es
una parte integral de OLGA. PVTsim es de índole predictivo, lo que significa que
es capaz de estimar las propiedades PVT del fluido a partir de ecuaciones de
54
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
estado, además de poseer una base de datos con las propiedades de los
principales fluidos hidrocarburos y no hidrocarburos.
La información opcional está constituida por datos de equipo de proceso
como bombas y compresores (cuando se desean incorporar al sistema de
estudio), de otros datos (cuando se requieren realizar, por ejemplo, estudios de
depósito de asfaltenos o de formación de hidratos) y de archivos como el de
reinicio o “restart” (cuando se desea que el sistema realice determinados
cálculos, tomando como punto de partida la información referente a un cierto
tiempo, resultado de cálculos anteriormente realizados).
Los sistemas de flujo dentro de OLGA están constituidos por uno o más
ramales o “branches”. Cada ramal consiste de una secuencia de tuberías o
“pipes” y cada tubería está dividida en secciones. Estas secciones corresponden
a las celdas de discretización empleadas en el modelo numérico.
Figura 2.30. Representación de la discretización de las tuberías.
Las variables de flujo (velocidades, gastos, etc.) son definidas en los límites
de sección (A, B, C y D en la figura 2.30 mientras que otras variables como son
presión, temperatura, etc. Son reportados como valores promedio dentro de los
volúmenes de sección (1, 2 y 3 en la figura 2.30).
2.10.1 Corrida de diablos en tuberías para la simulación
OLGA es un simulador de corrida de diablos de una tubería. OLGA usa un
diablo específico para poder insertar en la tubería a un solo tiempo y lugar. El
bache de líquido creado por el diablo a lo largo de la tubería es seguido en
tiempo. De especial interés es la determinación del tamaño y velocidad de un
55
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
bache de líquido permitido por el sistema delante de un diablo que se inserta en
un cierre de la línea de flujo (User's Manual V4.0, OLGA 2000).
2.10.2 Equipo de proceso
Lo siguiente es una descripción de los equipos disponibles en OLGA. Los
componentes son los siguientes: separadores de dos y tres fases, válvulas y
estranguladores críticos y subcríticos compresor con control de pase, bombas
con reciclo y pase de flujo, intercambio de calor, válvula check, fuente de control
de masa, fuga y diablo / tapón, acumulación de parafina.
El principal propósito de incluir equipos es para dar más realismo a las
condiciones de frontera para las múltiples fases que se transportan en las líneas
(User's Manual V4.0, OLGA 2000).
2.10.3 Simulación del diablo
Existen dos formas para simular el escenario de la corrida de diablos en
OLGA cualquiera de las dos usa la llave de trabajo PLUG o se usa la llave de
trabajo
PIGTRACKING.
NOTA
el
PLUG
es
más
resistente
que
el
PIGTRACKING (User's Manual V4.0, OLGA 2000). Un diablo es un dispositivo
mecánico para la limpieza interna o inspección de una tubería. Nota: que el
tapón / diablo como se describe en el modelo no ocupa volumen en la tubería.
2.10.4 Simulación del los tipos de diablos
Pueden simularse tres tipos de diablo o tapón:
CORTO: El diablo corto se usa normalmente sólo para limpiar la tubería.
LARGO: El tipo de diablo largo se usa para simular la operación de la corrida
de diablos donde un tren de diablos se envía a la tubería con espacios entre
los diablos llenos de fluido de la corrida de diablos. Los movimientos de tren
de diablo se calculan para un solo diablo en el tren de diablos. De igual
56
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
forma se calcula la temperatura media del fluido de la corrida de diablos se
calcula. El fluido de la corrida de diablos se introduce en la sección del
lanzamiento como aceite. En el periodo cuando el fluido de la corrida de
diablos se está inyectando en la tubería, el fluido se coloca en la sección de
la lanzadora del diablo. Si existen fuentes o un estrangulador adelante de la
lanzadora del diablo, puede ser necesario modificar la entrada del fluido,
después de las fuentes o del estrangulador debido a la compresión que
puede llegar a sufrir el fluido.
HIDRATO: Un tapón formado debido a la formación de hidratos.
PESADO SSH: El tren del diablo largo se simuló como un diablo corto. La
fuerza de fricción debido al fluido de la corrida de diablos dentro del tren del
diablo es calculado automáticamente y se agrega a la fuerza de fricción
debido a movimiento del diablo. Esta opción está sólo disponible para los
participantes del proyecto SSH (User's Manual V4.0, OLGA 2000).
2.10.5 Fuerza de fricción actuando en el diablo
Dos tipos de fuerzas de fricción son modeladas:
1. La fuerza de fricción de la pared debido al contacto entre el diablo y
pared de la tubería. Ésta involucra la fuerza de fricción cuando el diablo
se empieza a mover.
Ésta fuerza también se usa como la fricción
estática entre el diablo y la pared de la tubería. El diablo se empieza
mover después de la que fuerza aplicada sobre él es mayor a la fuerza
de fricción estática. La velocidad del diablo aumenta cuando la fuerza de
fricción disminuye.
2. La fricción del fluido debido a la viscosidad del fluido en el espacio entre
el diablo y la pared de la tubería. Cuando el diablo se está moviendo, el
fluido alrededor del diablo produce una fuerza viscosa.
57
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.10.6 Fugas
Para en diablo corto dos tipos diferentes de fugas son modeladas:
1. La fuga debido a la baja presión sobre el diablo. El fluido fluye de la parte
trasera del diablo a la parte delantera del diablo.
2. La fuga debido al deslizamiento entre el diablo y el fluido alrededor del
diablo.
58
CAPÍTULO 3. FORMULACIÓN DEL
PROBLEMA
Los sistemas de corridas de diablos en tuberías pueden ser esquematizados
de la siguiente forma simplificada, mostrando el momento en donde el diablo está
dentro de la tubería y va removiendo tanto líquidos como depósitos:
Figura 3.1. Representación esquemática, con ampliación del sistema de corrida de diablos en
tuberías.
59
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En la figura 3.1 se muestra un diablo con una velocidad, v, una masa, m, el
cual es impulsado con una presión, P, dentro de una tubería de diámetro, Di, por
donde fluye un fluido que tiene ciertas propiedades (densidad, viscosidad,
velocidad , fracción de volumen de líquido y de gas, etc.).
En el presente trabajo se estudia un sistema de flujo particular. Para definir el
problema en forma integral se establecerán los siguientes aspectos: escenarios de
simulación, perfil de la tubería, composición de los fluidos, características del
instrumento de limpieza (diablo) y condiciones “estables” de operación, las cuales
definen las características del “caso base”.
3.1 Escenarios
Al realizar cualquier estudio de simulación, independientemente de la
metodología o herramienta que se utilice, es necesario definir los escenarios de
estudio. Al precisar los diferentes escenarios que se desean analizar se tendrán
metas claras y serán mayores las posibilidades de efectuar un estudio exitoso.
Como ya se mencionó, en este trabajo se analiza un sistema de corrida de
diablos con los siguientes objetivos:
•
Estudiar los efectos que, el cambio en los principales parámetros
operativos (presión a la entrada, pe y temperatura, T), de diseño
(diámetro, D y rugosidad, ε ), del fluido (fracción de volumen de gas , α G )
y de operación (tipo de diablo), tienen sobre el comportamiento de los
parámetros y condiciones de flujo del mismo (presión, contenido total de
líquido en el sistema, flujo másico de líquido, fracción de volumen de
líquido), y sobre la operación, en la velocidad y posición del diablo, de
igual forma el impacto de la parafina asociada al fluido, mediante estudios
de simulación numérica, utilizando un simulador comercial. Estos
60
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
resultados serán obtenidos a partir de estudios paramétricos, involucrando
las variables de interés.
•
Definir cuáles son los parámetros y/o variables que tienen un mayor
efecto sobre la corrida de diablos, a partir del análisis de los resultados
obtenidos de estas simulaciones numéricas.
•
Analizar la información obtenida.
En la tabla 3.1 se muestran las variables y parámetros que se utilizan para
realizar los estudios paramétricos; es decir, que se modifican y que llamaremos
“variables”. Aunque se tomen como independientes presentan cierta dependencia
entre sí. También aquellos que servirán para definir las condiciones operativas del
sistema; es decir, los parámetros a observar y que serán llamados “parámetros de
medición”.
Variables
Presión a la entrada del sistema [KPa]
Fracción de volumen de gas
Temperatura [ºC]
Rugosidad de la tubería [m]
Diámetro de la tubería, D [m]
Diámetro del diablo, [m]
Masa del Diablo mDiablo [kg]
Tipo diablo
Con/Sin acumulación de parafina
Parámetros de Medición
Flujo másico [Kg/s]
Contenido de líquido en el
sistema [barriles]
Fracción de volumen de líquido
Velocidad del diablo, VDiablo
[m/s]
Acumulación de la masa de
parafina [Kg]
Tabla 3.1.Variables y parámetros de medición usados para el estudio paramétrico
3.2 Perfil de la Tubería
Es muy importante definir de forma adecuada el perfil de la tubería para
realizar buenas predicciones de parámetros y condiciones de flujo. Esta
información consiste de: elevación de las tuberías como función de la distancia,
diámetros internos, rugosidad, etc. Puede incluir, además, información de equipos
accesorios y de proceso.
61
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Los sistemas de flujo dentro del simulador numérico usado están constituidos
por uno o más ramales o “branches”. Cada ramal consiste de una secuencia de
tuberías o “pipes” y cada tubería está dividida en secciones. Estas secciones
corresponden a las celdas de discretización empleadas en el modelo numérico.
En este trabajo se utiliza un modelo cuyo perfil de tuberías se muestra en la
figura 3.2. El sistema, así constituido, representa un arreglo típico de tuberías y
equipo en instalaciones marinas.
Éste consiste de un solo ramal el cual une a dos plataformas marinas y está
compuesto por las siguientes tuberías: una tubería horizontal que sale de la
plataforma-1, un riser-1 que desciende hasta el fondo marino, 10 tuberías
(interconectadas entres sí) que viajan por el lecho marino y que se desplazan casi
horizontalmente 10 km. a partir del riser-1, un riser-2 que asciende y una tubería
horizontal que conecta el riser-2 con un controlador, ubicado en la plataforma-2.
Cada tubería está compuesta, a su vez, de entre 2 y 8 secciones, dependiendo del
nivel de detalle que se requiera en cuanto a los diversos cálculos que se realizan y
en cuanto a la información que se solicita como salida.
Perfil de la Tubería
Ramal_1
Profundidad [m]
25
-25
-75
-125
-175
-225
-1000
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
Longitud [m]
Figura 3.2. Perfil de la tubería
62
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Todas las tuberías son de diámetro y rugosidad interna de 0.50 m y 0.00005
m, respectivamente, este mismo diámetro lo tienen la lanzadora, la receptora y la
válvula de salida. Como ya se mencionó, el perfil de la elevación con respecto a la
distancia se muestra en la figura 3.2.
El diablo es insertado por una lanzadora ubicada en la tubería horizontal de
la plataforma-1 a un tiempo de simulación de 182 días después de haber iniciado
la producción, con una fuerza necesaria para comenzarse a mover de 1000 N. El
diablo después de realizar la operación llega a la plataforma-2 donde se sustraerá
con ayuda de una trampa de diablos ubicada en la tubería horizontal, antes de
alcanzar la válvula de salida, es en este punto donde se recogerán todos los
escombros que el diablo removió para un análisis y se pueda ayudar a mejorar
operaciones posteriores.
El tiempo total de la simulación son 185 días. Éste se eligió a partir de
información obtenida del tiempo recomendado para realizar una operación de
limpieza, en este caso la corrida de diablos, y después de haber realizado un
análisis del comportamiento de la operación, con ayuda del simulador. La
simulación inicia con una tubería limpia, sin escombros, es un sistema de
producción que es nuevo o se realizan una limpieza en él y donde se está
iniciando la producción.
3.3 Composición de los Fluidos
Se requiere información completa de las propiedades físicas de los
componentes y pseudocomponentes definidos para la mezcla; ésta consiste de
composición molar, caracterización de componentes pesados y cambios en la
composición con respecto al tiempo, la cual puede ser generada a partir de un
análisis composicional y mediante ecuaciones de estado.
63
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En las tablas 3.2 y 3.3 se muestran las propiedades del fluido durante la
corrida de diablos a una presión atmosférica de 117 bar (119.306 [Kg/cm2]) y a
una temperatura de 25 [ºC] y las propiedades de la parafina acumulada en pared
de la tubería respectivamente.
Propiedad
Valor
Unidades
Densidad del gas
112.36
[Kg/m3]
Densidad del líquido
821.12
[Kg/m3]
Fracción de volumen de gas
0.0227
Viscosidad del gas
0.0157
[Cp]
Viscosidad del líquido
0.1415
[Cp]
Capacidad de calor del gas
2115
[J/Kg ºC]
Capacidad de calor del líquido
1645
[J/Kg ºC]
Entalpía del gas
574538
[J/Kg]
Entalpía del líquido
314173
[J/Kg]
Tabla 3.2. Propiedades del fluido de producción
Componentes de la parafina
No.
Nombre
Densidad
[Kg/m3]
Calor para
fundir [J/kg]
Concentración
1
'C7'
732
95814
0.0256
2
'C8'
750
112800
0.0226
3
'C9'
770
124832
0.0134
4
'C10-C12'
794.3
144155
0.0265
5
'C13-C15'
824.1
163312
0.0172
6
'C16-C18'
848.1
176216
0.0112
7
'C19-C21'
868.1
184055
0.00714
8
'C22-C25'
887.8
190947
0.0055
9
'C26-C30'
909.2
197089
0.00311
10
11
'C31-C36'
'C37-C45'
931.1
955.3
200156
190425
0.000986
0.0000119
Tabla 3.3. Propiedades de la parafina acumulada en pared de la tubería
64
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
3.4 Transferencia de Calor
La información con que se disponga debe conducir al conocimiento del perfil
de temperatura a lo largo de las tuberías en estudio.
Para resolver el problema, dentro del simulador comercial utilizado, se tienen
diferentes niveles de rugosidad para el cálculo de las transferencias de calor a
través de las tuberías: definir de forma “manual” el perfil de temperatura en el
sistema, asignar coeficientes de transferencia de calor generales para cada
sección de tubería y, finalmente, elegir la opción de un cálculo riguroso del flujo de
calor a través de la tubería, los materiales aislantes y el medio externo al sistema.
En el presente trabajo se decidió utilizar la primera opción, esto incluye asignar la
temperatura a cada sección de tubería, definiéndose la siguiente información:
•
Condiciones ambientales del mar y del aire en el modelo:
Figura 3.3. Condiciones ambientales en el modelo
Se considera al agua de mar a una temperatura promedio de 10 oC; la
temperatura del aire es considerada a 25 oC, como se indica en la figura 3.3. Es
65
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
decir, la tubería que está en contacto con el fondo marino o con el mar se le
asigno una temperatura de 10 [ºC] mientras que para la tubería que está en la
superficie se consideran condiciones ambientales (25 [ºC]).
3.5 Condiciones “estables” de operación - Caso Base
Las condiciones estables de operación, para el caso base. El sistema tiene una
presión a la entrada de 119.3 [Kg/cm2] y la presión de salida es de 118 [Kg/cm2],
antes de realizar la corrida de diablos, no hay una caída de presión significativa,
éste es un indicativo pues a una baja caída de presión el flujo másico es menor,
existe fluido estancado en la tubería. El total de líquido y gas contenido en la
tubería es de 11445 y 1605.22 barriles respectivamente.
El flujo másico de líquido y de gas del sistema es afectado si se tiene gran
cantidad de fluido que está estancado en la tubería, el valor para éstos es de
567.05 [Kg/s] y de 12.8505 [Kg/s] respectivamente.
La temperatura máxima a la que se encuentra el fluido es de 11 [ºC] y la
mínima es de 10 [ºC], esto porque la tubería está en contacto con el lecho marino,
el cual tiene una temperatura de 10 [ºC], y no se tiene ningún aislante en toda la
tubería.
Las velocidades con la que están fluyendo el líquido y el gas son es de 4.3416
[m/s]
y de 4.3843 [m/s] respectivamente. El gas fluye con una velocidad mayor,
por naturaleza del mismo.
El fluido que se está transportando a través del sistema contiene una gran
cantidad de parafina asociada, esto es otra razón por la que el fluido no está
fluyendo libremente por la tubería, pues la parafina se está depositando en la
pared de la tubería.
66
CAPÍTULO 3
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Las condiciones de operación se describen con mayor detalle en la sección
4.1. Algunas de éstas se muestran en la figura 3.4.
Figura 3.4 Condiciones “estables” de operación-caso base
Donde:
Pe: Presión de entrada
Ps: Presión de salida
α g = Fracción de volumen de gas
Nota: para poder realizar la simulación de este ejemplo (caso base) se
introdujeron todas las características que se mencionaron anteriormente en el
simulador OLGA, así como también las variables para obtener los resultados que
se muestran en el capítulo 4. En el apéndice se muestra el archivo generado con
los valores de entrada.
67
CAPÍTULO 4. RESULTADOS
En este capítulo se muestran los resultados obtenidos de las simulaciones
numéricas realizadas para diferentes casos y estudios paramétricos considerados.
El análisis de los resultados obtenidos de estas simulaciones se divide en:
análisis del caso base y estudio paramétrico.
4.1 Análisis del Caso Base
El caso base consiste de una tubería. Con arreglo tradicional: el mismo
diámetro en toda su extensión, uniendo dos plataformas marinas. Las plataformas
están equipadas con una lanzadora y una receptora del diablo indicando el punto
de partida y de llegada, respectivamente, así como de controladores y válvulas; el
fluido con el que se realiza la corrida de diablos es el de producción como está
compuesto. El diablo a utilizar cumple con ciertas características, como el
diámetro exterior, la masa, longitud y el tiempo de operación que se va a similar es
de 185 días. El sistema tiene características operativas específicas, como la
presión y la temperatura.
68
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
En la tabla 4.1 se muestran los principales parámetros y características del
sistema, del fluido, del diablo y de los tiempos que se utilizan en la simulación para
este caso.
Geométricas
Operativas
LTOTAL =10575[m]
Tamb = 25 [ o C ]
D = 0.500 [m]
ε = 0.00005[m]
p s = 102 [
kg
cm
pe =119.3[
2
Del Fluido
α g = 0.0227
]
kg
]
cm2
Accesorios
Del Diablo
De Simulación
Lanzadora
Tipo corto
(esfera)
tsimulación =185[días]
Masa = 49.9
[Kg]
∆t start = 0.001[días]
Válvula
Controlador
Receptora
α l = 0.9773
Diablo
Diámetro =
0.500 [m]
Min∆t = 0.001[días]
Max∆t = 4 [días]
Tabla 4.1. Principales parámetros y características del sistema para el caso base de
simulación.
Como se mencionó en el capítulo 2, una corrida de diablos se realiza para
disminuir la presión de bombeo o debido a la disminución en la producción en un
punto y tiempo determinado. Se observa que si existe alguna obstrucción al flujo
hay variación en éstos parámetros, las cuales se presentan con mayor impacto si
es mayor la obstrucción.
Las figuras 4.1 a la 4.11 muestran el comportamiento para el caso base, el cual
fue definido de forma general en el Capítulo 3. La figura 4.1 muestra el
comportamiento de la presión a lo largo de la tubería al inicio y término de la
simulación, es decir, antes y después de la corrida de diablos. En ésta se observa
que bajo las condiciones definidas para el caso base (constituida por aspectos
geométricos, condiciones operativas y características de los fluidos), el sistema
presenta una gran variación en el valor de la presión a partir de la base del riser-1
antes y después haber realizado la operación de la corrida del diablo. La mayor
variación se presenta al final de la tubería (la diferencia es de 15.936 [kg/cm2],
226.664 [lb/pg2]). Se puede observar la distribución que tiene la presión en la
tubería. La presión para un tiempo cero permanece con una variación menor a 5
[kg/cm2], 71.12 [lb/pg2], para la tubería horizontal (no hay pérdida de presión)
debido a que el fluido está estancado en gran parte de ésta y es aquí donde la
69
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
presión se concentra. Este comportamiento es un indicador, para decidir si una
corrida de diablos es necesaria.
Presión en el sistema
140
Presión [ Kg/cm2 ]
135
130
125
120
115
110
105
100
-
2 000
Tiempo = 0 [días]
Tiempo = 185 [días]
4 000
6 000
8 000
10 000
Longitud [m]
Figura 4.1. Variación de la presión con la posición al inicio y final de la simulación (antes y después
de la corrida de diablos).
La figura 4.2 muestra como se comporta la fracción de volumen de líquido
contenido en la tubería. Se observa que existe una gran variación antes y después
de haber realizado la corrida de diablos. Antes de hacer la operación el
comportamiento del fluido es inestable, debido a la fracción de líquido en las
partes bajas de la tubería, así como las obstrucciones debidas a la acumulación
de parafina. Al realizar la operación se mejoran considerablemente las condiciones
de operación pues a lo largo de la tubería el flujo del fluido se mantiene en forma
estable lo cual repercute positivamente en la eficiencia de los equipos y reduce la
dificultad del manejo de los procesos. El diablo cumple la misión de remover
líquidos acumulados y parafina depositada en la tubería. La curva del perfil de la
tubería (figura 4.2) permite explicar que la variación de la fracción de volumen de
líquido antes de realizar la corrida de diablos se debe a la distribución de la
tubería, acumulándose más líquido en las partes donde la tubería asciende y
disminuyendo en donde la tubería está en forma horizontal o desciende. En esta
figura también se observa el efecto de la gravedad y de igual forma del
70
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
colgamiento de líquido al inicio de la simulación. Al final de la simulación el líquido
fluye con mayor facilidad. Al disminuir la presión, (ver figura 4.1) la liberación de
gas es mayor y por lo tanto el flujo de líquido disminuye del inicio al final de la
tubería de 0.86988 a 0.82126, respectivamente.
Fracción de volumen de líquido en el sistema
0
0.94
-50
0.92
0.9
-100
0.88
-150
0.86
0.84
-200
0.82
0.8
-
Profundidad [m]
Fracción de volumen de
líquido
0.96
-250
2 000
Tiempo = 0 [días]
4 000
6 000
Longitud [m]
Tiempo = 185 [días]
8 000
10 000
Trayectoria de la tubería
Figura 4.2. Variación de la fracción de volumen de líquido contenido en la tubería, y perfil de ésta.
La figura 4.3 muestra la forma en que se distribuye la fracción de volumen de
gas en el sistema. En las partes donde la tubería está en forma ascendente hay
colgamiento de líquido y por está razón el gas fluye con mayor facilidad y
disminuye en donde la tubería está en forma descendente u horizontal ya que el
líquido fluye con mayor facilidad. Al final de la simulación se puede observar que el
flujo de gas es más estable, aumentando de 0.13026 a 0.17882 al inicio y al final
de la simulación, respectivamente. Con esto podemos observar que existe
liberación de gas contenido en el líquido por la disminución de la presión.
Si se compara la figura 4.2 con la figura 4.3 se puede apreciar que éstas son
complementarias.
71
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Fracción de volumen de gas
Fracción de volumen de gas en el sistema
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-
2 000
Tiempo = 0 [días]
4 000
6 000
Longitud [m]
8 000
10 000
Tiempo = 185 [días]
Figura 4.3. Variación de la fracción de volumen de gas contenido en la tubería antes y después de
la corrida de diablos.
La figura 4.4 muestra el contenido total de líquido en el sistema. El tiempo en
esta figura inicia 10 minutos antes (por eso el signo negativo) de que inserte el
diablo en la tubería, esto con la finalidad de apreciar en la figura el momento en
que se inserta el diablo en la tubería. Se puede observar que hay un incremento
en el volumen de líquido contenido en el sistema con respecto al tiempo, éste va
de 11,445 a 11,451 barriles antes y después de realizado la corrida de diablos,
respectivamente, con estos resultados es evidente que la corrida de diablos
resultó ser eficiente para este caso. El inicio de la corrida de diablos está marcado
con el tiempo cero y el término de ésta se puede apreciar en la figura. El líquido
aumenta durante la operación porque el diablo va removiendo los fluidos que se
encuentran atascados en la tubería. El líquido se va incrementando conforme el
diablo avanza, y cuando el diablo está por llegar al riser-2, es el que asciende del
fondo marino a la superficie, hay un aumento de casi 70 barriles. Esto es porque el
diablo tiene que mover todo el líquido que ya había removido más el que se
encuentra en el riser-2 y además porque la presión aumenta y se comienza a
concentrar el gas en líquido. Después de que el diablo alcanza la receptora el
72
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
líquido contenido en la tubería disminuye hasta el punto donde se estabiliza y a
partir de este momento éstas son las nuevas condiciones de operación.
Contenido total de líquido en el sistema
Contenido total de líquido
[BBL]
11530
11520
11510
11500
11490
11480
11470
11460
11450
11440
-10
0
10
Líquido contenido en el sistema
Salida del diablo
20
30
40
50
60
70
Tiempo [minutos]
Figura 4.4. Contenido total de líquido en el sistema con respecto al tiempo.
La figura 4.5 muestra el volumen de gas contenido en el sistema. Éste aumenta
al momento de introducir el diablo, hasta donde el diablo llega a la base del riser-2,
y después de esto disminuye porque la presión delante del diablo aumenta; y
después de que el diablo sale, la presión disminuye y hay liberación de gas, por
esta razón en la figura 4.4 el líquido disminuye ocupando el volumen el gas que se
libera, hasta llegar a las nuevas condiciones de operación. El contenido de gas en
la tubería tiene una ligera disminución de 1605 a 1604 barriles, esto es antes y
después de la corrida de diablos, respectivamente, ese volumen es ocupado por el
líquido total contenido en la tubería. La explicación del tiempo es la misma de la
figura 4.4.
73
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Total de gas contenido en el sistema
Total de gas contenido
[BBL]
1610
1605
1600
1595
1590
1585
1580
-10
0
10
Gas contenido en el sistema
Salida del diablo
20
30
40
50
60
70
Tiempo [minutos]
Figura 4.5. Contenido total de gas en el sistema con respecto al tiempo.
La figura 4.6 muestra la distribución del flujo másico de líquido para las
condiciones antes y después de realizar la corrida de diablos, 181 y 183 días de
iniciar la simulación, respectivamente. La operación se efectuó a los 182 días esto
con la finalidad de ver los efectos que tiene el realizar la limpieza. El beneficio de
haber realizado una corrida de diablos se ve en la curva del flujo másico de esta
figura, pues el flujo de líquido aumenta considerablemente. El incremento de flujo
de líquido es de aproximadamente de 0.35 kilogramos por segundo, que equivale
a un flujo másico de 30.24 toneladas por día. Este resultado se presenta en la
tabla 4.2.
Incremento del flujo másico después de la corrida de diablos
[Kg/s]
0.35
[Kg/m]
21
[Kg/h]
1,260
[Kg/d]
30,240
Tabla 4.2. Incremento del flujo másico.
El incremento del flujo se debe a que el diablo remueve la mayor cantidad de
obstrucciones, ya sea líquido o parafina, que se encuentra en el interior de la
tubería y que impiden que los fluidos fluyan eficientemente. Al realizar la corrida de
diablos hay mayor flujo de líquido y es el objetivo que se quiere conseguir, y con
esto la eficiencia del sistema aumenta.
74
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Flujo másico en el sistema
Flujo másico [Kg/s]
570
569
568
567
566
Después de realizar
la corrida de diablos
565
564
-
2 000
4 000
6 000
8 000
10 000
Longitud [m]
Líquido, Tiempo = 181 [días]
Líquido, Tiempo = 183 [días]
Figura 4.6. Flujo másico de líquido con respecto a la longitud.
En sistemas de tuberías donde se tiene parafina asociada al aceite de
producción representa un problema, pues existe el riesgo que se pueda
interrumpir la producción debido a la acumulación de parafina en la tubería. La
figura 4.7 muestra el contenido de parafina en el fluido de producción, en forma
disuelta, suspendida y la suma de ambas, existe una gran acumulación de
parafina depositada en la pared de la tubería, por lo tanto se disminuye la
producción. Éste es el principal problema de nuestro caso base. En la figura 4.7 se
representan las características de fluido y de la parafina contenida. La parafina
disuelta es mayor que la parafina suspendida lo cual puede representar un
problema, en este caso se precipita y pasa a formar parte de la parafina
suspendida, ésta es la que se acumula con mayor rapidez y obstruye el flujo, esto
deriva mayores problemas como mayor presión de bombeo requerida. Se observa
que es muy elevada la cantidad de parafina en el fluido, la masa de parafina no es
afectada con el paso del tiempo, aún después de haber realizado la operación de
corrida de diablos se mantiene estable. La masa de parafina total asociada al
fluido de producción es de poco menos de 250 toneladas.
75
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Masa de parafina en el fluido
Masa de parafina [Kg]
250000
200000
150000
100000
50000
0
0
25
50
Masa de parafina disuelta
Masa de parafina suspendida
Masa total de parafina
75
100
125
150
175
200
Tiempo [días]
Figura 4.7. Masa de parafina en el fluido con respecto al tiempo.
Un mayor porcentaje de parafina asociada al fluido de producción, provocará
mayor acumulación de parafina sobre la pared la tubería; esto se ilustra en la
figura 4.8. La masa de parafina contenida en el sistema aumenta con el transcurso
del tiempo, el mayor incremento de masa depositada en la pared de la tubería es
antes de los primeros 25 días que son los mismos en donde el contenido de
líquido disminuyo drásticamente, ver figura 4.4, esto es porque la superficie entera
de la tubería se encontraba limpia, y la parafina se deposita a lo largo de toda su
extensión y después el incremento de acumulación es estable. Esta acumulación
se presenta básicamente por la baja temperatura, ya que como se mencionó
anteriormente la parafina se solidifica aproximadamente a una temperatura de 10
[ºC]. La temperatura que se tiene durante toda la tubería en el fondo marino oscila
entre 11.33 y 10.78 [ºC] al inicio y al final de la simulación, respectivamente. La
acumulación de parafina que se tiene representa sólo el 0.15 por ciento de la
masa de parafina asociada en el fluido de producción que está utilizando para este
caso. Una de las causas de que no se tenga una masa mayor de parafina
depositada es por la velocidad del fluido en el sistema, pues en promedio es muy
alta. Otra causa es que la temperatura del sistema está un poco por arriba de la
76
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
temperatura a la que la parafina se solidifica. Cabe mencionar que las condiciones
del fluido y de la parafina asociado no cambian, por lo que la acumulación de
parafina en la pared de la tubería aumenta cada vez más con el paso del tiempo.
Para disminuir la acumulación de parafina en la tubería en un lapso de tiempo se
debe realizar una medida correctiva como la corrida de diablos.
Parafina depositada en la pared de la tubería
Masa de parafina [Kg]
400
350
300
250
Tiempo de la
simulación.
185 días
200
150
100
50
0
0
25
50
75
Masa de parafina
100
125
150
175
200
Tiempo [días]
Figura 4.8. Masa de parafina depositada en la pared de la tubería durante 185 días.
La figura 4.8 muestra la acumulación máxima de masa de parafina, es
aproximadamente de 364.57 kilogramos y la figura 4.9 muestra el valor máximo de
parafina removida por el diablo, 400 kilogramos, esto porque al efectuar la
operación la masa de parafina que se encuentra en el fluido se acumula al frente
del diablo. Al realizar la operación el diablo encuentra la masa de parafina
depositada en la pared de la tubería y empieza a desplazarla, el valor máximo se
registra cuando el diablo se encuentra al final de la trayectoria total. El diablo quita
la mayoría de la masa de parafina dejando sólo una cantidad mínima en toda la
superficie de la tubería de aproximadamente 15 kilogramos.
Nota: En las figuras 4.9, 4.10 y 4.11 el tiempo cero indica el tiempo en que el
diablo fue insertado en la tubería.
77
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
En la figura 4.9 se aprecia que el diablo va removiendo la parafina que se
encuentra depositada en la superficie interior de la tubería incrementándose cada
momento hasta donde se extrae el diablo, llegando a un valor de masa total de
parafina removida de 400 Kilogramos. Este aumento de 40 kilogramos entre la
masa de parafina depositada y removida, es porque la misma parafina que fluye al
momento de la operación se va concentrando enfrente del diablo, la parafina
disuelta y suspendida en el fluido de producción se precipita y se acumula en el
frente del diablo, también interviene la velocidad del diablo. Al extraer el diablo ya
no se tiene incremento de parafina deposita, el haber realizado esta operación de
limpieza era necesaria pues si no se llagara a realizar se pueden llegar a
presentar más problemas y con mayores consecuencias. Con este análisis se
determina, que es muy poca la masa de parafina que se encontraba en la
superficie de la parafina con respecto al volumen de líquido transportado en el
sistema.
Parafina removida por el diablo
450
Masa de pafina [Kg]
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
10
Masa de parafina removida
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Figura 4.9. Masa de parafina acumulada removida por el diablo.
En las ultimas tres imágenes (4.7, 4.8 y 4.9) se observó el comportamiento que
tiene la masa de parafina en el sistema con el paso del diablo y con respecto al
tiempo.
78
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
La velocidad del diablo a lo largo de la tubería se puede observar en la figura
4.10 junto con su posición con respecto al tiempo. Se distingue el momento en que
se introduce y cuando extrae el diablo de la tubería con ayuda de la lanzadora y la
receptora, respectivamente. La posición se observa conforme al desplazamiento
que tiene el diablo a través de la longitud de la tubería. La velocidad del diablo
durante la operación se mantiene estable con pequeñas variaciones debido a la
irregularidad del fondo marino donde se encuentra asentada la tubería. La
velocidad mínima del diablo es de 4.07 y la máxima de 4.27 [m/s]. Se puede
apreciar el momento en que se inserta a 182 [días], partiendo de la lanzadora,
alcanza una velocidad de 4.077 [m/s] y cuando se retira de la tubería después de
haber transcurrido 43.66 minutos. En esta figura la posición y la velocidad son
mutuamente dependientes.
Velocidad y posición del diablo
4.5
10000
3.5
8000
3
2.5
6000
2
4000
1.5
1
Posición [m]
Velocidad [m/s]
4
2000
0.5
0
0
-10
Velocidad
Posición
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Figura 4.10. Velocidad y posición del diablo con respecto al tiempo.
Como se mencionó en el capítulo 2, la velocidad del diablo debe permanecer
entre 2 a 10 [MPH] (4.47 a 22.33 [m⁄s]) para líneas conductoras de líquidos, para
este caso la velocidad está por debajo de lo recomendado, esto no impide que la
corrida de diablos sea eficiente pues también con ésta velocidad se hace un buen
barrido de obstrucciones de la tubería. En la figura 4.11 se puede observar la
79
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
velocidad del diablo así como la velocidad del líquido y gas: 4.15, 4.39, 4.34 [m/s]
para el diablo, líquido, y gas, respectivamente. La velocidad del diablo es parecida
a la de los fluidos debido a que la operación se realiza con la presión que se está
usando para la producción, los fluidos son más rápidos que el diablo y esto es
porque se presentan fugas a través del diablo durante la operación.
Velocidad del líquido, gas y diablo
5
4.5
Velocidad [m/s]
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-10
Líquido
0
Gas
10
Diablo
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Figura 4.11. Velocidad de líquido, gas y diablo con respecto al tiempo.
Los resultados de la simulación para el caso base muestran que después de
haber realizado la corrida de diablos se mejoran las condiciones de flujo: se
asume que el diablo removería una gran cantidad de masa de parafina que estaba
obstruyendo el flujo, el flujo másico aumento, el contenido total de líquido y de gas
aumento, y el líquido y el gas fluyen con mayor facilidad.
El siguiente estudio paramétrico busca determinar cuáles son los parámetros
que más influyen en la corrida de diablos. Se busca también determinar que tipo
de diablo es el más adecuado para el sistema.
80
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
4.2 Estudio Paramétrico
La tabla 3.1, se presenta de nuevo con el objetivo de recordar las variables y/o
parámetros elegidos para realizar los estudios paramétricos y aquéllos que serán
analizados para especificar el comportamiento del sistema, detallando que el
propósito principal es estudiar el efecto que las variaciones de los primeros tienen
sobre los parámetros de medición de la corrida de diablos en el sistema.
Variables
Parámetros de Medición
Presión a la entrada del sistema [KPa]
Flujo másico [Kg/s]
Fracción de volumen de gas
Contenido de líquido en el sistema
Temperatura [ºC]
[barriles]
Rugosidad de la tubería [m]
Fracción de volumen de líquido
Diámetro de la tubería, D [m]
Diámetro del diablo, [m]
Velocidad del diablo, VDiablo [m/s]
Masa del Diablo mDiablo [kg]
Acumulación de la masa de
parafina [Kg]
Tipo diablo
Sin acumulación de parafina
Tabla 3.1.Variables y parámetros de medición usados para el estudio paramétrico.
Antes de empezar a estudiar los resultados de las variables (diámetro de la
tubería y masa del diablo, fuerza de empuje, presión de entrada del sistema,
fracción de volumen de gas, temperatura, rugosidad, tipo de diablo y sin
acumulación de parafina) sobre el comportamiento del flujo másico, el contenido
de líquido en el sistema, la fracción de volumen de líquido, la velocidad del diablo,
y la acumulación de volumen de parafina, debemos saber que se puede llegar a
presentar resultados optimistas y pesimistas.
81
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
4.2.1 Variación de la Presión en la Entrada del Sistema
En las cinco figuras que se muestran a continuación (4.12 a 4.16) se presentan
los resultados obtenidos para los casos en los que la presión a la entrada del
sistema varía.
Las figuras muestran que cuando se tienen gastos o producciones grandes en
el sistema, las instalaciones operan de una manera más estable; es decir,
muestran una menor variación en las condiciones de flujo y parámetros
estudiados.
La tabla 4.3 muestran los valores de la presión a la entrada del sistema, que se
tomaron para realizar los diferentes casos para ésta sección.
Caso
Presión a la entrada del sistema
1
11,600 [KPa]
118.287 [Kg/cm2]
1,682.429 psia
2(caso base)
11,700 [KPa]
119.306 [Kg/cm2]
1,696.933 psia
3
11,800 [KPa]
120.326 [Kg/cm2]
1,711.437 psia
4
12,000 [KPa]
122.366 [Kg/cm2]
1,740.44 psia
Tabla 4.3. Variación de la presión de entrada en el sistema.
La figura 4.12 muestra los resultados del flujo másico de líquido para los
diferentes valores de presión a la entrada del sistema. Los efectos que
proporcionan la variación de la presión al sistema de producción en estudio son
considerables. En todos los casos la corrida de diablos mejora las condiciones de
flujo en el sistema, entre menor es la presión de entrada al sistema, mayor es el
incremento del flujo másico que se transporta a través de la tubería. La tabla 4.4
muestra los resultados para los cuatro diferentes casos.
82
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Presión a la entrada
del sistema
Incremento del flujo másico después de la
corrida de diablos
[KPa]
[Kg/s]
[Kg/min]
[Kg/h]
[Kg/d]
11,600
0.49
29.4
1,764
42,336
11,700 (caso base)
0.35
21
1,260
30,240
11,800
0.315
18.9
1,134
27,216
12,000
0.27
16.2
972
23,328
Tabla 4.4. Incremento del flujo másico para las diferentes presiones.
El mayor incremento del flujo másico de líquido se presenta para la presión de
11,600 [KPa], esto es porque al tener una menor presión de empuje, el diablo
realiza la operación más lentamente y va removiendo una mayor cantidad de
parafina depositada en la pared de la tubería. Para las condiciones del caso base,
entre mayor es la presión a la entrada del sistema, mayor es el flujo másico de
líquido. En nuestro análisis es en el caso 4 con una presión de 12,000 [KPa]. Para
todos los casos el incremento de flujo másico de líquido se obtuvo de los datos
registrados para un día antes y uno después de haber realizado la corrida de
diablos.
Flujo másico de líquido
625
Flujo másico de
líquido [Kg/s]
615
605
595
585
575
565
555
545
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1,tiempo =181 [días]
Caso 4,tiempo = 181 [días]
Caso 3,tiempo = 183 [días]
Caso 2,tiempo = 181 [días]
Caso 1,tiempo = 183 [días]
Caso 4,tiempo = 183 [días]
Caso 3,tiempo = 181 [días]
Caso 2,tiempo = 183 [días]
Figura 4.12. Efecto de la presión a la entrada del sistema sobre el flujo másico de líquido.
83
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
La figura 4.13 muestra que la presión a la entrada del sistema afecta al líquido
contenido en la tubería, al tener una presión de entrada alta en el sistema es más
el contenido de fluido que se transporta en la tubería en un lapso de tiempo, por la
velocidad con la que esta viajando el fluido. Se muestra el momento en el cual el
diablo está realizando la limpieza, el líquido delante del diablo va aumentando
conforme avanza y al salir del sistema (cuando las curvas alcanzan el punto
máximo). El volumen de líquido desciende hasta normalizarse y éstas son las
nuevas condiciones de producción. El tiempo en esta gráfica comienza al
introducir el diablo a la tubería.
En la tabla 4.5 se presentan los datos antes y después de realizar la corrida de
diablos, así como el incremento que tienen cada uno de los casos en el contenido
total de líquido.
Caso
Antes [BBL]
Después [BBL]
Incremento [BBL]
1
11,428.4
11,437.3
8.9
2 (caso base )
3
4
11,445
11,460
11,488.9
11,451
11,465
11,493
6
5
4.1
Tabla 4.5. Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos.
Para todos los casos se mejoran las condiciones de operación, el incremento
parece no ser significativo, por ejemplo para el caso 1 donde la presión de entrada
del sistema es la menor, el incremento es el mayor, se registra un incremento en
el líquido contenido en la tubería de 8.9 barriles, después de realizar la corrida de
diablos, esto puede significar ganancias para un lapso de tiempo posterior.
84
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Líquido contenido en la
tubería [BBL]
Total de líquido contenido en la tubería
11600
11580
11560
11540
11520
11500
11480
11460
11440
11420
11400
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Figura 4.13. Efecto de la presión a la entrada del sistema sobre el líquido contenido en la tubería.
La figura 4.14 muestra la fracción de volumen de líquido contenido en la
tubería, para este caso la variación que se hizo a la presión a la entrada del
sistema tiene un efecto moderado en la fracción de volumen de líquido. La fracción
de volumen de líquido contenido en la tubería es directamente proporcional a la
presión de entrada pues para una presión alta es mayor el contenido de líquido
que se encuentra en la tubería. Para todos los casos se tiene un flujo inestable al
inicio de la simulación, porque se tiene líquido estancado en la tubería. El líquido
no fluye fácilmente pues la sección de la tubería asciende, actúa la gravedad, se
presenta el colgamiento de líquido, por la misma naturaleza del líquido al ser éste
más pesado se tiende a depositar en las partes bajas de la tubería. Después de
realizar la corrida de diablos se disminuye el líquido estancado, para todos los
casos, el líquido fluye con mayor facilidad. La presión de entrada en el sistema
mantiene las condiciones de flujo después de que el diablo remueve todo el líquido
estancado. El rango de variación de la presión a la entrada permite señalar que
entre mayor es la presión a la entrada del sistema, mejores serán las condiciones
de flujo y viceversa.
85
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Fracción de volumen de
líquido
Fracción de volumen de líquido contenido en la
tubería
1
0.98
0.96
0.94
0.92
0.9
0.88
0.86
0.84
0.82
0.8
0
2000
Caso 1, tiempo = 0[días]
Caso 2, tiempo = 185[días]
Caso 4, tiempo = 0[días]
4000
6000
Longitud [m]
Caso 1, tiempo = 185[días]
Caso 3, tiempo = 0[días]
Caso 4, tiempo = 185[días]
8000
10000
Caso 2, tiempo = 0[días]
Caso 3, tiempo = 185[días]
Figura 4.14. Efecto de la presión a la entrada sobre la fracción de volumen de líquido.
La figura 4.15 muestra la parafina removida por el diablo para las diferentes
presiones, para éstas condiciones y para este caso la presión a la entrada del
sistema afecta en gran medida a la parafina que se deposita en la pared de la
tubería, esto es porque el fluido se mueve a mayor velocidad, esto hace que la
masa de parafina que se deposita sea menor y por lo tanto la masa de parafina
que remueve el diablo es menor. Se puede apreciar la diferencia de la masa de
parafina removida entre el caso 1 y el caso 4 de 585 a 275 kilogramos,
respectivamente, para el caso base (caso 2) la masa removida es de 400
kilogramos, esto de debe a que el diablo se mueve con mayor velocidad y
remueve con mayor facilidad a la parafina. La masa de parafina removida para
estos casos puede resultar insignificante comparada con los volúmenes de
producción pero puede resultar benéfico realizar corridas de diablos periódicas
para no tener una gran cantidad de masa de parafina depositada pues si es
excesiva puede que el diablo se estanque o se detenga y eventualmente generar
mayores problemas, tales como que la operación dure más tiempo de lo previsto o
se tengan que realizar operaciones con mayor presión a la entrada del sistema
para mover el diablo.
86
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Parafina acumulada removida por el diablo
Masa de parafina [Kg]
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Salida del diablo
Figura 4.15. Efecto de la presión a la entrada sobre la parafina removida.
La velocidad del diablo y su posición también se ve afectada por la presión a la
entrada del sistema. La figura 4.16 muestra que la velocidad del diablo es
directamente proporcional a la presión a la entrada. Si la velocidad del diablo
excede el rango permitido puede causar problemas y no es recomendable manejar
velocidades altas pues puede ocasionar problemas y además no cumplir con las
tareas específicas eficientemente. La velocidad para los cuatro casos está un poco
por debajo de la velocidad recomendada. Como se explico en el capítulo 2 ésta
debe permanecer, para líneas conductoras de líquidos, de 2 a 10
[MPH] (4.47 a
22.33 [m/s]). La posición del diablo también se ve afectada pues entre mayor es la
presión a la entrada mayor es la velocidad, menos es el tiempo que tarda el diablo
en realizar la operación, viajar a través y salir de la tubería. Para esta figura, el
tiempo inicia a partir de que el diablo se introduce en la tubería, esto es, cuando
inicia la operación de la corrida de diablos.
87
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
6
12000
5
10000
4
8000
3
6000
2
4000
1
2000
0
0
-10
0
10
20
30
40
50
Posición [m]
Velocidad [m/s]
Velocidad y posición del diablo
60
Tiempo [minutos]
Velocidad, caso 1
Posición, caso 1
Velocidad, caso 2
Posición, caso 2
Velocidad, caso 3
Posición, caso 3
Velocidad, caso 4
Posición, caso 4
Figura 4.16. Efecto de la presión a la entrada sobre la velocidad y posición del diablo.
Después de haber realizado el análisis paramétrico de los efectos que tiene la
presión a la entrada del sistema sobre la corrida de diablos, podemos decir que
nuestro caso base está en un rango aceptable (en las condiciones de operación),
pues sólo se tiene que incrementar la presión a la entrada cuidando que la
velocidad del diablo se mantenga estable y dentro de lo establecido, para no
provocar un mayor problema, y así remover la mayor cantidad de líquidos
estancados y parafina depositada en la pared de la tubería, con esto se aumenta
la eficiencia de la corrida de diablos y se mejoran las condiciones de flujo haciendo
más eficiente el sistema de producción.
4.2.2 Variación de la Fracción de Volumen de Gas
La siguiente variable a analizar es la fracción de volumen de gas contenido en
el fluido de producción. En esta subsección se analiza el efecto que tiene sobre el
flujo másico, el contenido de total líquido y otros parámetros que ya se han
mencionado anteriormente. La tabla 4.6 muestra cómo varia la fracción de gas
contenido en el líquido y la variación porcentual de la fracción de volumen de gas
88
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
con respecto al caso base. Ésta es una de las variables que puede cambiar
conforme siga operando el sistema de producción, pues con el tiempo se puede
incrementar la cantidad de gas contenido en el fluido. Esta variable representa las
condiciones que tiene el sistema de producción al realizar la operación de corrida
de diablos, pues con el tiempo una de las variables que cambia es la fracción de
volumen de gas contenido en el fluido. La cantidad de líquido puede ser en un
principio del 100 [%] pero con el paso del tiempo comienza a decrecer. Por esta
razón se eligió esta variable para ver como se comporta la corrida de diablos bajo
condiciones distintas. Los casos para este análisis son, varían en cuanto a la
cantidad de gas contenido en el fluido con respecto al caso base.
Variación [%]
Caso 1
Fracción de volumen de gas
0.0206
Caso 2 (caso base)
Fracción de volumen de gas
0.0226
Caso 3
Fracción de volumen de gas
0.0246
8.85
8.85
Tabla 4.6. Variación de la facción de volumen de gas.
La figura 4.17 muestra el efecto de la fracción de volumen de gas sobre el flujo
másico de líquido. El lector puede observar que existe una diferencia considerable
entre los tres casos, esto es por hay una diferencia en el volumen de gas presente
en el líquido, a mayor cantidad de gas contenido en el fluido menor es el flujo
másico de líquido. Esta diferencia es menor de 10 kilogramos por segundo entre
cada uno de los casos. La variación es mínima entre el flujo másico de líquido
antes y después de haber realizado la corrida de diablos (181 y 183 días,
respectivamente). Existe un incremento en los tres casos, el máximo es de 40.608
toneladas por día y el mínimo de 24.624 toneladas por día siendo el primero en
donde se tiene mayor presencia de gas y el segundo el de menor. Ver tabla 4.7.
Con esto se puede afirmar que la corrida de diablos resultó ser eficiente para las
condiciones presentadas, y con estos tres valores de la fracción de volumen de
gas hay un incremento en la producción y esto hace que el sistema sea más
eficiente.
89
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Incremento del flujo másico después de la
corrida de diablos
Fracción de volumen de gas
[Kg/s]
[Kg/m]
[Kg/h]
[Kg/d]
0.0206
0.285
17.1
1,026
24,624
0.022 (caso base)
0.35
21
1,260
30,240
0.0246
0.47
28.2
1,692
40,608
Tabla 4.7. Incremento del flujo másico para las diferentes presiones.
Para los tres casos el diablo cumple con el objetivo de remover los líquidos
estancados y parafina depositada en la pared de la tubería. Al terminar la corrida
de diablos el fluido fluye con mayor facilidad y es por eso que el flujo másico de
líquido incrementa.
La figura 4.17 y la tabla 4.7 muestran que en cualquier etapa de la producción
y en cualquier escenario (caso) la corrida de diablos resulta se eficiente, pues
aumenta el flujo másico, para estas condiciones y este sistema. Al existir gran
concentración de gas en el fluido de producción es mayor el incremento del flujo
másico de líquido después de realizar una corrida de diablos.
Flujo másico de líquido
Flujo másico de líquido
[Kg/s]
580
575
570
565
560
555
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1,tiempo = 181 [días]
Caso 1,tiempo = 183 [días]
Caso 2,tiempo = 181 [días]
Caso 2,tiempo = 183 [días]
Caso 3,tiempo = 181 [días]
Caso 3,tiempo = 183 [días]
Figura 4.17. Efecto de la fracción de volumen de gas sobre el flujo másico de líquido.
90
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
La figura 4.18 muestra el efecto de la fracción de volumen de gas sobre el
líquido total contenido en la tubería antes y después de la corrida de diablos.
Existe una variación del volumen de líquido entre un caso y otro de 300 barriles;
esto se debe a la variación de la fracción de volumen de gas de los datos iniciales
(ver tabla 4.6). El mayor incremento en el total de líquido contenido en la tubería
después de realizar la limpieza interna del sistema con ayuda de la corrida de
diablos se presenta en el caso 3, de 9.6 barriles. A mayor presencia de gas menor
es la cantidad de líquido contenido en la tubería. La tabla 4.8 muestra el valor de
líquido contenido en la tubería antes y después realizar la corrida de diablos, así
como el incremento en cada caso, este representa la cantidad de barriles de
líquido adicionales en la tubería después de realizar la corrida de diablos para ese
instante, es el incremento de líquido que se esta trasladando por segundo.
Caso
Antes [BBL]
Después [BBL] Incremento[BBL]
1
11,593.6
11,598
4.4
2 (caso base )
11,445
11,451
6
3
11,298.4
11,308
9.6
Tabla 4.8. Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos.
.
Total de líquido contenido en la tubería
Líquido contenido en la
tubería [BBL]
11700
11650
11600
11550
11500
11450
11400
11350
11300
11250
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Salida del diablo
Figura 4.18. Efecto de la fracción de volumen de gas sobre el contenido de líquido.
91
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Al final de la corrida de diablos hay un incremento en el total de líquido
contenido en la tubería; esto es porque el diablo remueve el líquido estancado y se
va acumulando en frente de éste, después empieza a disminuir porque el diablo
llega a la receptora, en este punto la operación ha concluido hasta donde se
normaliza. El comportamiento en los tres casos es muy parecido; esto quiere decir
que la fracción de volumen de gas no afecta la operación de la corrida de diablos.
El efecto de la fracción de volumen de gas sobre la fracción de volumen de
líquido contenido en la tubería se muestra en la figura 4.19. Al inicio de la
simulación todos los casos presentan líquido estancado; la variación entre estos
es por la cantidad de gas contenido en la tubería. El líquido se estanca
principalmente por la distribución de la tubería. Para todos los casos, al final de la
corrida de diablos las condiciones de operación mejoran, el diablo remueve, los
líquidos estancados.
Fracción de
volumen de líquido
Fracción de volumen de líquido contenido en la
tubería
1
0.98
0.96
0.94
0.92
0.9
0.88
0.86
0.84
0.82
0.8
0
2000
Caso 1, tiempo = 0[días]
Caso 2, tiempo = 185[días]
4000
6000
Longitud [m]
Caso 1, tiempo = 185[días]
Caso 3, tiempo = 0[días]
8000
10000
Caso 2, tiempo = 0[días]
Caso 3, tiempo = 185[días]
Figura 4.19. Efecto de la fracción de volumen de gas sobre la fracción de volumen de líquido.
La presión disminuye a lo largo de la producción debido a la liberación de gas
haciendo que para el final de la simulación las tres curvas presenten una
disminución en el contenido total de líquido. La variación de la fracción de volumen
de líquido entre el caso 1 y el 3 es de 0.04 y depende del valor de fracción de gas.
92
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Para la parafina removida por el diablo, la fracción de volumen de gas presenta
un efecto considerable; el diablo remueve la parafina depositada y el fluido
estancado y la masa de parafina que está en forma disuelta y suspendida en el
fluido. El tener mayor cantidad de gas en el fluido hace que la cantidad de líquido
que fluye sea menor y por consiguiente menos parafina fluirá, y con esto la masa
de parafina acumulada en la pared de la tubería es menor; esto después de 6
meses de haber iniciado la producción. Esto es porque el gas fluye con mayor
facilidad y como el líquido viaja a una velocidad menor la parafina se deposita con
mayor facilidad. La fracción de volumen de gas es menor para el caso 1 y la mayor
para el caso 3. La masa de parafina removida es de 303.34 y 540.89 kilogramos,
respectivamente. Para los tres casos el diablo remueve la mayor cantidad de
parafina depositada. Esto lo muestra la figura 4.20. A mayor cantidad de gas en el
fluido de producción menor es la masa de parafina depositada y menor es la masa
de parafina que el diablo remueve.
Parafina acumulada removida por el diablo
Masa de parafina [Kg]
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Salida del diablo
Figura 4.20. Efecto de la fracción de volumen de gas sobre la masa de parafina removida.
La velocidad y la posición del diablo son afectadas por la fracción de gas
contenido en el sistema de una manera mínima. Una vez que el diablo se
introduce a la tubería, viaja impulsado por la presión de entrada del sistema y si
93
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
existe volumen de gas mayor o menor esto no afecta la velocidad pues el diablo
va removiendo lo que esta frente de él; lo único que hace que el diablo se detenga
o que disminuya su velocidad es la cantidad de parafina depositada en la pared de
la tubería, esto lo muestra la figura 4.20. Para estos casos la masa de parafina
que el diablo remueve no varia mucho entre el caso 1 y el caso 3. La diferencia es
de 237.55 kilogramos, esta masa no es demasiado grande para que el diablo
disminuya su velocidad en forma drástica. Por lo que respecta a la posición, ésta
depende de la velocidad del diablo, la cual no varía en forma considerable entre
un caso y otro, por lo tanto el diablo recorre la tubería en casi el mismo tiempo.
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
12000
10000
8000
6000
4000
Posición [m]
Velocidad [m/s]
Velocidad y posición del diablo
2000
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Velocidad, caso 1
Posición, caso 1
Velocidad, caso 2
Posición, caso 2
Velocidad, caso 3
Posición, caso 3
Figura 4.21. Efecto de la fracción de volumen de gas sobre la velocidad y posición del diablo.
Después de realizar el análisis se puede decir que para estas condiciones,
estos escenarios pueden presentarse si se realiza la corrida de diablos en
cualquier etapa de la vida productiva del sistema pues la fracción de volumen de
líquido puede cambiar con el tiempo.
94
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
4.2.3 Variación de la Temperatura del Sistema
La siguiente variable a analizar es la temperatura. Se espera que al calentar
una sección de la tubería, la masa de parafina sea menor y que afecte el tiempo
entre una corrida de diablos y otra. Para este análisis es necesario recordar el
perfil de la tubería, ver figura 4.22. Esta variable se eligió para ver los efectos que
tiene el transmitir calor en el sistema, (en el riser-1 y riser-2) partiendo del caso en
estudio (caso base), sobre el flujo másico, el total de líquido contenido en el
sistema, la masa de parafina depositada y removida por el diablo. Otros
parámetros como la velocidad del diablo, la fracción de volumen de líquido no
presentan cambios considerables; solo los primeros son donde se aprecia los
efectos de transmitir calor a la tubería. La tabla 4.9 muestra la forma en que se
varió la temperatura en el sistema para los diferentes casos.
Perfíl de la Tubería
25
Profundidad [m]
-25
Zonas elegidas para transferirles calor
-75
-125
-175
-225
-500
500
1500 2500 3500 4500 5500 6500 7500 8500 9500 10500
Longitud [m]
Tubería horizonta-1
Riser-2
Riser-1
Tubería horizontal-3
Tubería horizontal-2
Figura 4.22. Perfil de la tubería, para el incremento de la temperatura.
El calor es trasmitido al riser-1 y al riser-2 por medio de un cable eléctrico que
se extiende a lo largo de toda su longitud.
95
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Caso 1
Tubería
horizontal-1 [ºC]
20
Riser-1
[ºC]
20
Tubería
horizontal-2 [ºC]
10
Riser-2
[ºC]
20
Tubería
horizontal-3 [ºC]
20
Caso 2
25
25
10
25
25
Caso 3
30
30
10
30
30
Caso 4
40
40
10
40
40
Tabla 4.9. Distribución de la temperatura en la tubería.
La figura 4.23 muestra el efecto que tiene la variación de la temperatura en el
riser-1 y riser-2 sobre el flujo másico de líquido. Se decidió sólo poner las curvas
para el caso 1 y caso 4 para que se puedan apreciar los efectos que se tienen
antes y después de la corrida de diablos. Las curvas se generaron para un día
antes y día después de realizar la corrida de diablos, 181 y 183 días de
simulación, respectivamente; para estos dos escenarios el caso 1 es el que
maneja mayor flujo de líquido, esto es porque la temperatura en los risers 1 y 2 es
la menor y por consiguiente el cambio de temperatura del fluido al estar en
contacto con la tubería que se encuentra en el lecho marino es menos drástico y la
parafina que se deposita es menor haciendo que fluya con mayor facilidad los
fluidos.
Flujo másico de líquido
[Kg/s]
Flujo másico de líquido
571
570
569
568
567
566
Después de realizar
la corrida de diablos
565
564
563
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1,tiempo = 181 [días]
Caso 1,tiempo = 183 [días]
Caso 4,tiempo = 181 [días]
Caso 4,tiempo = 183 [días]
Figura 4.23. Efecto de la temperatura sobre el flujo másico de líquido.
96
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Al ser mayor la temperatura del fluido, la viscosidad del mismo disminuye y
fluye con mayor facilidad y la parafina permanece disuelta en el aceite hasta que
se encuentra con una temperatura menos, al sufrir el cambio de temperatura se
precipita la parafina y se deposita en la pared de la tubería.
Calentar los risers 1 y 2 hace que la parafina se deposite con mayor facilidad,
porque el fluido se encuentra con un cambio de temperatura drástico al llegar al la
tubería horizontal que se encuentra en el lecho marino, Al transcurrir 181 días de
que el sistema esté en operación (simulación), el flujo másico para el caso 1 es de
569.465 [Kg/s]; y de 568.545 [Kg/s] para el caso 4, esta diferencia de 0.92 [Kg/s]
representa producir 79,488 kilogramos más de líquido por día.
La tabla 4.10 muestra el incremento que tiene el flujo para los cuatro casos de
esta sección. El mayor incremento es el del caso 4. Esto es porque existía mayor
masa de parafina depositada en la tubería que obstruía el flujo y el diablo removió
la mayoría y por que la viscosidad del líquido para el caso 4 es la menor.
Incremento del flujo másico después de la corrida de diablos
[Kg/s]
[Kg/m
[Kg/h]
[Kg/d]
Caso 2 (caso base)
0.305
0.35
18.3
21
1,098
1,260
26,352
30,240
Caso 3
0.425
25.5
1,530
36,720
Caso 4
0.5
30
1,800
43,200
Caso 1
Tabla 4.10. Incremento del flujo másico para las diferentes temperaturas
El efecto de la temperatura sobre el total de líquido contenido en la tubería
durante la corrida de diablos lo muestra la figura 4.24. Desde que se introduce el
diablo a la tubería existe una ligera diferencia para los cuatro casos, de menos de
cuatro barriles, siendo el de mayor contenido del líquido el caso 1 y el de menor el
caso 4, Esto es principalmente porque al aumentar la temperatura en el riser-1, el
fluido está a una temperatura mayor a la tubería que se encuentra en el lecho
marino (tubería horizontal-2). Al estar en contacto el líquido con esta tubería la
97
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
diferencia de temperatura provoca que se solidifique y se acumule mayor cantidad
de parafina, ocupando volumen y reduciendo el área de flujo.
Total de líquido contenido en la tubería
Líquido contenido en la
tubería [BBL]
11540
11520
11500
11480
11460
11440
11420
11400
0
Caso 1
10
Caso 2
20
Caso 3
30
40
Tiempo [minutos]
Caso 4
50
60
Salida del diablo
Figura 4.24. Efecto de la temperatura sobre el líquido contenido en la tubería.
A mayor temperatura en el riser-1y riser-2, mayor es la cantidad de parafina
depositada en la pared de la tubería por el mismo cambio de temperatura y es
menor el líquido que se transporta a través de la tubería.
El efecto de la temperatura sobre la masa de parafina depositada es
considerable pues al existir una caída en la temperatura en el sistema la parafina
se acumula con mayor facilidad en la tubería. El contenido del líquido en la tubería
es menor y se reduce la eficiencia del sistema. La figura 4.25 muestra los efectos
que tiene la acumulación de parafina al incrementar la temperatura en la tubería.
Para estas condiciones, a mayor calentamiento del riser-1 y riser-2 mayor es la
masa de parafina que se deposita en la pared de la tubería, a lo largo de 6 meses
se ve una considerable variación entre estos casos. Lo que se pretende es que la
masa depositada en la pared de la tubería sea mínima, entonces lo que se debe
de hacer es evitar grandes cambios de temperatura, como en el caso 1 donde la
98
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
temperatura se disminuye, con esto es menor el cambio de temperatura y menos
la masa de parafina que obstruye el flujo.
Masa de parafina depositada
Masa de parafina
depositada [Kg]
600
500
400
300
200
100
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Tiempo [días]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Figura 4.25. Efecto de la temperatura sobre la masa de parafina depositada.
Otra alternativa para que la caída de la temperatura no sea tan drástica es que
la temperatura en todo el sistema sea la misma, esto se puede lograr si se calienta
la tubería que se encuentra en el lecho marino hasta alcanzar la temperatura de
las tuberías que se encuentran a temperatura ambiente, pero esto puede resultar
poco práctico, pues seria costoso tratar de calentar kilómetros de tubería y no es
muy recomendable si los beneficios son mínimos.
La figura 4.26 muestra el efecto de la temperatura sobre la masa de parafina
removida por el diablo. Ésta depende directamente de la masa de parafina
depositada en la pared de la tubería, pues el diablo remueve la mayor cantidad de
parafina acumulada y de líquidos estancados que se encuentra obstaculizando el
flujo. Para el caso 4 donde se registra la mayor cantidad de parafina removida de
600 kilogramos, es donde se depositó la mayor cantidad de parafina, ver figura
4.25, y es también donde se tiene el mayor incremento de flujo másico de líquido,
ver tabla 4.10.
99
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Parafina acumulada removida por el diablo
Masa de parafina [Kg]
700
600
500
400
300
200
100
0
0
10
Caso 1
Caso 2
20
Caso 3
30
40
Tiempo [minutos]
Caso 4
50
60
salida del diablo
Figura 4.26. Efecto de la temperatura sobre la masa de parafina removida.
En el caso 1 donde la temperatura del riser 1 y riser 2 disminuye se registra la
menor masa de parafina removida. Esto no quiere decir que el diablo no removió
la masa depositada sino que no se tiene gran acumulación de parafina en la
tubería porque en el sistema no hay una caída de temperatura considerable, hay
que recordar que la parafina se solidifica a una temperatura promedio de 10 [ºC]
(50.00 [ºF]), en el caso 1 es donde se tiene la menor temperatura en el riser 1 y 2.
Existe un aumento en la masa de parafina removida, la parafina disuelta y
suspendida se precipitan y conforme el diablo se mueve se deposita parafina,
delante de este, adicional a la que remueve.
La temperatura influye considerablemente en el comportamiento de la parafina
que se deposita en la pared de la tubería, si la temperatura del fluido aumenta la
viscosidad disminuye, por lo tanto el fluido se mueve con mayor facilidad, la
parafina permanece disuelta, pero al encontrarse con una temperatura menor en
el sistema las condiciones del fluido cambian, la parafina disuelta y suspendida de
precipitan y se depositan en la pared de la tubería, al incrementarse ésta el
contenido de líquido en la tubería disminuye al igual que el flujo másico de líquido,
100
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
este último no se restablece aun y cuando se realiza la corrida de diablos,
haciendo el sistema menos productivo.
Para este caso y estas condiciones el incrementar la temperatura en el riser 1 y
2 no es recomendable para reducir la masa de parafina depositada; es mejor
mantener estable la temperatura en el todo sistema tratando de no llegar a
temperatura inferiores a 10 [ºC] (50 [ºF]), temperatura a la cual la parafina se
solidifica. O tener en todo el sistema una temperatura promedio alta para tratar de
evitar que la parafina se deposite, además el fluido podría moverse con mayor
facilidad, pues la viscosidad del mismo disminuirá. Se debe de realizar una
evaluación para saber si los beneficios que se logran al calentar o enfriar la
temperatura superan a los de realizar corrida de diablos rutinaria, considerando
también los costos de cada opción.
4.2.4 Variación Rugosidad de la Tubería
La rugosidad de la tubería es una variable que se debe considerar pues ésta
es una de las primeras condiciones que obstruyen el flujo y también es
responsable de que la parafina, para el caso en estudio, se deposite con mayor
facilidad. La rugosidad de la tubería es un factor que depende del proceso de
fabricación de la misma. Este valor es el que tiene una tubería cuando es nueva,
pero cuando ya ha sido utilizada es diferente y más cuando se le ha realizado una
operación como la corrida de diablos pues la fricción que produce el diablo con la
tubería puede llegar a rasparla el interior de la tubería y cambiar el valor y la
distribución de la rugosidad.
La rugosidad de la tubería se varió de tal manera que se abarcaran valores
menores y mayores al que tiene el caso en estudio (caso base). Estos valores se
muestran en la tabla 4.11.
101
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Factor de Rugosidad [m]
Caso 1
0.00003
Caso 2 (caso base)
0.00005
Caso 3
0.00008
Caso 4
0.00009
Caso 5
0.0001
Tabla 4.11. Variación de la rugosidad de la tubería.
La figura 4.27 muestra el efecto de la rugosidad sobre el flujo másico de
líquido. Existe un comportamiento diferente entre los cinco casos; esto es porque
al tener una rugosidad mayor es más fácil que la parafina se deposite. Para el
caso 5 donde la rugosidad es 1x10-4 [m] el flujo másico de líquido es el menor
antes y después de realizar la corrida de diablos. En donde se tiene la mayor
presencia de flujo másico de líquido es con la rugosidad de 3x10-5 [m] (caso 1).
Ésta es la menor de todos los casos, aun y cuando es la rugosidad más pequeña
de estos cinco casos y después de realizar la corrida de diablos no se logra que el
flujo másico en los casos restantes aumente de tal forma que iguale al del caso 1.
Flujo másico de líquido
600
Flujo másico de
líquido [Kg/s]
590
580
570
560
550
540
530
520
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1,tiempo = 181 [días]
Caso 4,tiempo = 181 [días]
Caso 2, tiempo =183 [días]
Caso 5, tiempo =183 [días]
Caso 2,tiempo = 181 [días]
Caso 5,tiempo = 181 [días]
Caso 3, tiempo =183 [días]
Caso 3,tiempo = 181 [días]
Caso 1,tiempo = 183 [días]
Caso 4, tiempo =183 [días]
Figura 4.27. Efecto de la rugosidad sobre el flujo másico de líquido
102
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Es recomendable elegir una tubería que tenga una rugosidad adecuada para
que el sistema funcione de manera eficiente. La figura 4.27 muestra el efecto que
tiene el realizar una corrida de diablos en tuberías de diferentes rugosidades
después de una producción de seis meses y de haber depositado masa de
parafina en la pared de la tubería que obstaculiza el flujo. La diferencia que existe
entre el caso 1 y el caso 5 es de 0.67 [kg/s]; esto es 57,888 kilogramos por día. Es
importante elegir en el diseño del sistema una tubería con una rugosidad óptima
para conseguir que el sistema sea lo más eficiente posible.
La tabla 4.12 muestra el incremento del flujo másico después de realizar la
corrida de diablos para diferentes rugosidades. Al terminar la corrida de diablos el
fluido fluye con mayor facilidad y el flujo másico de líquido aumenta.
Rugosidad [m]
Incremento del flujo másico después
de la corrida de diablos
[Kg/s] [Kg/m]
[Kg/h]
[Kg/d]
0.00003
0.315
18.9
1,134
27,216
0.00005 (caso base)
0.35
21
1,260
30,240
0.00008
0.53
31.8
1,908
45,792
0.00009
0.65
39
2,340
56,160
0.0001
0.985
59.1
3,546
85,104
Tabla 4.12. Incremento del flujo másico para las diferentes rugosidades.
La figura 4.28 muestra el efecto de la rugosidad de la tubería sobre el total de
líquido contenido en la tubería durante la corrida de diablos. En todos los casos se
incrementa cuando el diablo viaja por la tubería y comienza a descender en el
momento en que el diablo llaga a la receptora.
103
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Total de líquido contenido en la tubería
Líquido contenido en la
tubería [BBL]
11540
11520
11500
11480
11460
11440
11420
11400
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Caso 5
Figura 4.28. Efecto de la rugosidad de la tubería sobre el contenido de líquido.
Durante la corrida de diablos el contenido de líquido aumenta porque el diablo
remueve los líquidos contenidos en la tubería, el mayor incremento es el del caso
2, en donde el diablo se mueve a una velocidad tal que al salir no provoca un
vació y después de un lapso de tiempo la condiciones de operación se normalizan.
Para los otros casos de esta sección, después de que el diablo sale el líquido
disminuye drásticamente y después se normaliza. En todos los casos las nuevas
condiciones de operación del sistema son después de que el sistema se
normaliza.
Después de realizar la corrida de diablos y de esperar a que el líquido alcance
las nuevas condiciones de operación, hay un incremento para todos los casos en
el total de líquido contenido en la tubería. El diablo limpia la tubería y remueve los
líquidos estancados. El mayor incremento en el total de líquido contenido en la
tubería se presenta en el caso 5 de 19 barriles más de los que se tenían antes de
realizar la corrida de diablos. La tabla 4.12 muestra el valor del contenido total de
líquido antes y después de realizar la corrida de diablos, así como el incremento
que se obtuvo en cada caso, este representa la cantidad de barriles de líquido
adicionales en la tubería después de realizar la corrida de diablos para ese
104
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
instante. A mayor rugosidad mayor es el incremento que se tiene en el contenido
total de líquido después de realizar una corrida de diablos.
Después[BBL] Incremento[BBL]
Caso
Antes [BBL]
1
11,445.9
11,458.6
4.7
2 (caso base )
3
11,445
11,442.5
11,451
11,451.9
6
9.4
4
11,442.8
11,455.5
12.7
5
11,442
11,461
19
Tabla 4.13. Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos.
La figura 4.29 muestra la forma en que se deposita la parafina en función de la
rugosidad de la tubería y la masa de parafina acumulada removida por el diablo.
Sólo se graficaron los valores máximos para cada caso; estos son los que se
registraron antes de introducir el diablo para la masa de parafina depositada y
después de que la corrida de diablos termino para la masa de parafina acumulada
que el diablo removió. Existe un crecimiento estable de la masa depositada en la
pared de la tubería conforme la rugosidad de la tubería aumenta.
Masa de parafina
Masa de parafina [Kg]
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
0.00002
Parafina depositada
Parafina removida
0.00004
0.00006
0.00008
0.0001
0.00012
Rugosidad [m]
Figura 4.29. Efecto de la rugosidad de la tubería sobre la masa de parafina depositada y removida
por el diablo.
105
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
A valores de rugosidad mayores a 9x10-5 [m] la masa de parafina que se
deposita aumenta rápidamente. Esto puede ser provocado porque el flujo viaja a
través de una tubería que le impide fluir con facilidad y ocasiona que la parafina se
deposite en mucha mayor cantidad y en menor tiempo. El comportamiento de la
masa de parafina depositada con respecto al tiempo es estable y para un valor de
rugosidad mayor a 9x10-5 [m] la cantidad de masa depositada aumenta
rápidamente a diferencia de los otros casos. Existe la posibilidad de que el
simulador sufra inestabilidad numérica en los cálculos. La tabla 4.14 muestra los
valores de la masa depositada en la pared de la tubería en función de la
rugosidad.
Rugosidad [m]
Parafina depositada [Kg]
Caso 1
3 x10-5
297.363
Caso 2
5 x10
-5
8 x10
-5
9 x10
-5
Caso 3
Caso 4
Caso 5
10 x10
364.572
582.377
740.256
-5
1,217.28
Tabla 4.14. Masa depositada en la tubería en función de la rugosidad.
El análisis anterior también afecta a la masa de parafina removida. Al tener una
rugosidad de tubería alta, la masa de parafina depositada es mayor y por
consiguiente la masa de parafina que remueve el diablo es alta. La figura 4.30
muestra la masa de parafina removida por el diablo para el caso 5, con una
rugosidad de la tubería de 1 x10-4[m], es mucho mayor que en los otros casos de
ésta sección. Para los casos restantes los resultados son como se esperaban
pues al existir una rugosidad pequeña es menos la resistencia al flujo, la masa que
se deposita es menor y se deposita más lentamente. Para todos los casos la
parafina que se deposita es menor a la que el diablo remueve; esto es
principalmente porque al momento de introducir el diablo se mueve a cierta
velocidad provocando que en el frente del diablo se deposite parafina y tiene que
ser removida junto a la que se deposito en la tubería.
106
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Parafina acumulada removida por el diablo
Masa de parafina [Kg]
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Caso 5
Salida del diablo
Figura 4.30. Efecto de la rugosidad de la tubería sobre la masa de parafina removida.
La velocidad y la posición del diablo son afectadas por la rugosidad de la
tubería de una manera mínima. El diablo viaja propulsado por la presión a la
entrada del sistema, su velocidad disminuye al ir removiendo los líquidos
estancados y la parafina. La rugosidad tiene un efecto adicional ya que si la
tubería tiene una rugosidad alta hará que el diablo viaje más lento de lo que
viajaría si tuviese una rugosidad pequeña. Para el caso 1 y el caso 2 la velocidad
del diablo es mayor a 4 [m/s] en toda la trayectoria y para los casos restantes
donde la rugosidad es mayor a 5 x10-5 [m] la velocidad está por debajo de los 4
[m/s], esto ocasiona que la posición del diablo o la duración de la corrida de
diablos sea más lenta. Esto lo muestra la figura 4.31. A menor rugosidad de la
tubería, el diablo se mueve a mayor velocidad y el tiempo de la corrida de diablos
es menor, y viceversa.
107
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
10000
8000
6000
4000
Posición [m]
Velocidad [m/s]
Velocidad y posición del diablo
2000
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Velocidad, caso 1
Velocidad, caso 5
Posición, caso 4
Velocidad, caso 2
Posición, caso 1
Posición, caso 5
Velocidad, caso 3
Posición, caso 2
Velocidad, caso 4
Posición, caso 3
Figura 4.31. Efecto de la rugosidad de la tubería sobre la velocidad y posición del diablo.
Cuando se tenga que instalar un nuevo sistema de producción se debe realizar
una selección adecuada del sistema nuevo. Elegir una tubería que tenga una
rugosidad apropiada, para no ocasionar problemas, durante la producción y
durante las operaciones de limpieza como la corrida de diablos.
4.2.5 Variación del Diámetro de las Tuberías, del Diablo y Masa
del Diablo
En esta subsección se modifican simultáneamente tres variables. Para este
análisis los datos fueron obtenidos del catálogo de la compañía Girardind, en
donde se muestran los diferentes diámetros de tuberías así como de los diablos
incluyendo la masa de estos últimos. Esta variación no se puede realizar en la
realidad, pues es poco práctico y muy costoso tener cambiar las tuberías, válvulas
y otros equipo que se utilizan en un sistema para la producción si es que no se
realiza un buen diseño de las instalaciones; sin embargo, se efectuó la simulación
para dar una idea real al lector, con datos que se encuentran en la industria
petrolera de estas tres variables, de cómo pueden afectar la producción y la
108
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
eficiencia de los sistemas. La única variable que puede llegar a ser estable
dependiendo de la instalación es el diámetro de la tubería, el diámetro del diablo y
su masa se ajustan a ésta pues ya se tienen establecido sus valores.
Se decidió utilizar para el análisis de esta sección medidas del diámetro de la
tubería mayores y menores a las del caso base para estudiar cual es el efecto que
tiene sobre las condiciones del sistema. La tabla 4.15 muestra los valores
utilizados para este análisis.
Clase
Tamaño nominal
de la tubería
[in]
[cm]
Diámetro de
la esfera
[in]
[cm]
Caso
Inflable
1
16”
16”
40
15.60”
2
18”
18”
45
Caso Base, 3
20”
20”
4
22”
22”
Masa
[lbs]
[Kg]
39.6
65
29.48
17.35”
48.8
81
36.74
50
19.70”
50.0
110
49.9
55
21.80”
55.4
143
64.86
Tabla 4.15. Variación del diámetro de la tubería, del diámetro del diablo y del peso del diablo
(Girardind, 2005).
La figura 4.32 muestra el efecto que tienen estas tres variables sobre el flujo
másico de líquido en la tubería. Antes de realizar la corrida de diablos se tiene un
flujo másico que disminuye proporcionalmente al tamaño de la tubería, esto es por
el área de flujo de cada tubería; para un diámetro grande es mayor el área en
donde el fluido puede fluir. Al realizar la operación el incremento del flujo másico
parece ser despreciable en los cuatro casos de esta sección para pero la tabla
4.16 muestra el incremento que tiene el flujo másico para cada caso y en la figura
4.32 muestra los resultados para un día antes y un día después de la corrida de
diablos (181 y 183 días de simulación).
Incremento del flujo másico después de la corrida de diablos
[Kg/s] [Kg/m]
[Kg/h]
[Kg/d]
Caso 2
0.62
37.2
2,232
53,568
Caso 3 (caso base)
0.35
21
1,260
30,240
Tabla 4.16. Incremento del flujo másico para los cuatro casos.
109
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Al realizar la corrida de diablos se puede observar que para un diámetro de
tubería pequeño el incremento del flujo másico de líquido es grande así mismo el
mayor incremento que se obtuvo en esta sección y con estas condiciones es el del
caso 1, con un diámetro de tubería de 0.45 metros.
Flujo másico de
líquido [Kg/s]
Flujo másico de líquido
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1,tiempo = 181 [días]
Caso 4,tiempo = 181 [días]
Caso 3, tiempo =183 [días]
Caso 2,tiempo = 181 [días]
Caso 1,tiempo = 183 [días]
Caso 4, tiempo =183 [días]
Caso 3,tiempo = 181 [días]
Caso 2, tiempo =183 [días]
Figura 4.32. Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del diablo sobre el flujo másico de
líquido.
El tiempo en la figura 4.33 inicia en el momento en que se inicia la corrida de
diablos. Para este sistema de tuberías, el total del líquido contenido en la tubería
también es afectado por las dimensiones del diámetro de la tubería. Si éste
disminuye también disminuye el contenido de líquido y viceversa, por las
características del sistema, esto lo muestra la figura 4.33.
Caso
Antes [BBL] Después[BBL] Incremento[BBL]
1
7,372.29
7,378.87
6.58
2
9,269.56
9,283.37
13.81
3 (caso base )
11,445
11,451
6
4
13,847.4
13,851.6
4.2
Tabla 4.17. Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos.
110
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
La tabla 4.17 muestra el incremento en todos los casos del líquido contenido
en la tubería después de que el diablo ha salido del sistema y de que se ha
normalizado el flujo. En el caso 4 hay un incremento del líquido cuando la corrida
de diablos se está realizando; esto es porque hay mayor presencia de líquidos.
Total de líquido contenido en la tubería
Líquido contenido en la
tubería [BBL]
15000
14000
13000
12000
11000
10000
9000
8000
7000
6000
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Fi
gura 4.33. Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del diablo sobre el líquido contenido
en la tubería.
La figura 4.34 muestra el comportamiento de la fracción de volumen de líquido
contenido en la tubería es casi el mismo al inicio de la simulación para los cuatro
casos de esta sección, pero al terminar la corrida de diablos y que las condiciones
de flujo mejoran, la fracción de volumen de líquido es afectada por las
dimensiones de la tubería, entre menor es el diámetro del sistema menor es el
impacto. Para el caso 1 en donde se tiene el menor diámetro (diablo y tubería) no
mejora del todo pues sigue teniendo líquido en el sistema que no fluye. En
tuberías de diámetros pequeños el diablo remueve el líquido de producción
estancado y la parafina depositada, pero después de un corto tiempo el líquido se
vuelve a estancar. Al estar el líquido estancado en la tubería actúa la gravedad y
el colgamiento de líquido, si el diámetro de la tubería aumenta el líquido estancado
111
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
disminuye, y es entonces cuando la eficiencia del sistema aumenta pues es mayor
Fracción de
volumen de
líquido
el líquido que se transporta a través de la tubería.
Fracción de volumen de líquido contenido en la
tubería
1
0.98
0.96
0.94
0.92
0.9
0.88
0.86
0.84
0.82
0.8
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1, tiempo = 0 [ días]
Caso 2, tiempo = 185 [días]
Caso 4, tiempo = 0 [días]
Caso 5, tiempo = 185 [días]
Caso 1, tiempo = 185 [días]
Caso 3, tiempo = 0 [días]
Caso 4, tiempo = 185 [días]
Caso 2, tiempo = 0 [días]
Caso 3, tiempo = 185 [días]
Caso 5, tiempo = 0 [días]
gura 4.34. Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del diablo sobre la fracción de
líquido contenido en la tubería.
Fi
El comportamiento de la masa de parafina depositada en la pared de la tubería
y la masa de parafina que remueve el diablo, es muy variado con respecto al
diámetro de la tubería. Los resultados después de realizar la corrida de diablos los
muestra la tabla 4.18.
Caso
1
Diámetro
[cm]
40
Masa de parafina
depositada [Kg]
489.311
Masa de parafina
removida [Kg]
563.934
2
45
755.18
831.891
3
50
364.572
398.423
4
55
408.482
288.95
Tabla 4.18. Relación de la masa de parafina en función del diámetro.
Al inicio de la simulación, cuando el sistema se encuentra limpio en su interior,
la mayor acumulación de parafina se presenta en las tuberías de diámetros
grandes, en los casos de 50 y 55 [cm], esto es porque hay una mayor área en
112
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
donde la parafina se puede depositar y después se deposita en forma gradual.
Para los diámetros pequeños, los de 40 y 45 [cm], al inicio es muy poca la parafina
que se deposita, hay una menor área, y después de un largo periodo al existir una
menor área de flujo el fluido comienza a presentar una mayor resistencia a fluir y
es cuando la parafina se acumula en la tubería en mayor cantidad. También hay
un mayor arrastre debido a que la velocidad del flujo también es mayor en la
tubería más pequeña.
Para estas condiciones cuando se tienen diámetros de tuberías menores o
iguales a 50 [cm], el diablo aparentemente remueve la mayor cantidad de parafina
acumulada en la tubería y la que se depositó durante la operación de limpieza.
Cuando el diámetro de la tubería es mayor o igual a 55 [cm] el diablo no remueve
el total de la masa de parafina que está depositada en la pared de la tubería. No
es recomendable tener un sistema de tuberías con diámetros grandes pues al
realizar la corrida de diablos el diablo debe tener el mismo diámetro exterior y
después de hacer la simulación no cumple eficientemente su tarea de remover la
parafina depositada en la pared de la tubería. Ver tabla 4.18.
Los sistemas con diámetros mayores a 50 [cm] pueden necesitar una presión
mayor a la que se esta utilizando en el sistema para poder real8izar eficientemente
la tarea de remover la mayor cantidad de los depósitos, parafina, que se
encontraban en la tubería.
La presión de entrada que se esta utilizando en el sistema (119.3 [kg/cm²])
parece no ser suficiente para remover la mayoría de la parafina depositada en la
tubería de 55 [cm] de diámetro.
La velocidad del diablo y la posición del mismo dependen de las dimensiones
del sistema, de la tubería y del diablo, para este estudio, en los cuatro casos
parten de una velocidad inicial de cero y a un tiempo de 182 días de haber iniciado
la simulación se realiza la corrida de diablos al insertar el diablo en la tubería. Si el
113
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
diámetro de la tubería es pequeño, 0.4 metros, la velocidad promedio que tiene
durante la operación es la menor comparada con la de los otros casos siendo más
alta la del diámetro de 0.5 metros. En los casos 1, 2 y 3 la velocidad se mantiene
dentro de el rango permitido que como ya se explicó en la sección 2, ésta debe
permanecer para líneas conductoras de líquidos de 2 a 10
[MPH] (4.47 a 22.33
[m⁄s]). Para el caso 4, donde se tiene un diámetro de 55 centímetros, el diablo
alcanza una velocidad máxima de más de 5 [m/s] pero después desciende hasta
tener una velocidad de más de 3 [m/s], esto es porque el diablo es muy pesado y
adicional al peso de la parafina que el diablo ha removido, la presión no es lo
suficientemente alta para mantener la velocidad del diablo. La posición del diablo
depende de su velocidad; si el diablo se mueve a mayor velocidad éste hará más
rápido el recorrido dentro de la tubería. Esto lo muestra la figura 4.35.
6
12000
5
10000
4
8000
3
6000
2
4000
1
2000
0
Posición [m]
Velocidad [m/s]
Velocidad y posición del diablo
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [s]
Velocidad, caso 1
Posición, caso 1
Velocidad, caso 2
Posición, caso 2
Velocidad, caso 3
Posición, caso 3
Velocidad, caso 4
Posición, caso 4
Figura 4.35. Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del diablo sobre la velocidad y
posición del diablo.
La dimensión del diámetro de la tubería es un valor que no se puede variar
pues resulta poco práctico renovar todas las tuberías de una instalación sólo para
resolver un problema que se pude prevenir. Para conocer el diámetro de esta
tubería con el cual se pueda tener un mejor aprovechamiento de él, donde se
114
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
pueda manejar la producción en la instalación con un flujo de fluidos más estable,
se debe decidir durante el diseño de la instalación.
4.2.7 Variación del tipo diablo en la simulación
Con ayuda del simulador OLGA podemos analizar el comportamiento para
diferentes diablos como ya se mencionó en el capítulo 2. En esta sección se
realizó la simulación ocupando un diablo largo (tren de diablos) para estudiar
cuales son las ventajas de utilizarlo o si es que en la simulación no se ve alguna
mejoría al realizar ésta. El lector debe recordar que en la simulación, los
movimientos del tren de diablos se calculan para un solo diablo y un tren de
diablos se inserta en la tubería con espacios entre los diablos llenados de fluido de
la corrida de diablos.
El propósito de realizar este análisis es determinar que tipo de diablo es el más
eficiente para este sistema.
La tabla 4.19 muestra los datos adicionales que se utilizan para realizar la
corrida de diablos con un diablo largo. Datos del diablo corto se utilizan en
combinación con éstos.
Masa del
diablo
Viscosidad
Capacidad
calorífica
Conductividad
5
[ºC]
[cp]
Temperatura
inicial
Longitud
10
[m]
2,000
[J/Kg ºC]
Densidad
800
[Kg/m3]
0.4
[W/m ºC]
Periodo de
inyección
2
[min]
49.9
[Kg]
8
Tabla 4.19. Datos adicionales para la corrida de diablo largo.
Nota: la longitud del diablo es la distancia que hay entre el primer diablo y el
último.
115
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
La figura 4.36 muestra el comportamiento del líquido total contenido en la
tubería durante la corrida de diablos. Existe un cambio en el momento de
introducir el diablo, pues el líquido disminuye y a lo largo de la operación presenta
grandes variaciones cuando se utiliza un diablo largo. Esta variación se debe a
que la introducción del diablo largo a la tubería es lenta y a que el espacio entre el
diablo largo se encuentra ocupado en su totalidad por líquido. Al final de la corrida
de diablos los dos tipos de diablos cumplen con el propósito de la limpieza interior
de la tubería. Las condiciones del sistema después de terminar la corrida de
diablos, para los dos casos son las mismas.
Total de líquido contenido en la tubería
Líquido contenido en la
tubería [BBL]
15000
14500
14000
13500
13000
12500
12000
11500
11000
10500
0
Caso 1
10
Caso 2
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Figura 4.36. Efecto del tipo de diablo sobre el contenido total de líquido.
La figura 4.37 muestra que la fracción de volumen de líquido contenido en la
tubería, no presenta variación para ambos tipos de diablo (corto y largo). Esto es
principalmente porque no hay incremento en la cantidad de líquido pues para el
diablo corto es propulsado por el mismo fluido de producción, al igual que para el
diablo largo y además el espacio es ocupado por el fluido de producción que se
está manejando en el sistema. Otro aspecto a considerar en la simulación es que
la masa y el volumen del diablo no se consideran, por que se considera como
parte de fluido, así no afecta en los resultados pues es un solidó de 49.9 [kg].
116
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Fracción de volumen
de líquido
Fracción de volumen de líquido contenido en la
tubería
1
0.98
0.96
0.94
0.92
0.9
0.88
0.86
0.84
0.82
0.8
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1, tiempo = 0[días]
Caso 2, tiempo = 0[días]
Caso 1, tiempo = 185[días]
Caso 2, tiempo = 185[días]
Figura 4.37. Efecto del tipo de diablo sobre el volumen de líquido.
La masa de parafina depositada en la pared de la tubería es la misma para los
dos casos pues no cambiaron las condiciones de operación a las que se
encuentra el sistema, sólo se realizó la simulación para saber cual de los dos
diablos hace una mejor limpieza en la tubería. La masa de parafina removida por
el diablo es diferente en los dos casos, ver figura 4.38. El diablo corto empieza a
remover parafina en el momento en que se introduce, mientras que el diablo largo
lo hace después del periodo de introducción del mismo. La diferencia de la masa
removida es menor de 50 kilogramos, ambos removieron casi por completo la
parafina depositada. Hay que recordar que en el recorrido del diablo por la tubería
se va depositando parafina delante de él, por eso es que la parafina removida por
el diablo es mayor a la que estaba depositada en la tubería entes de realizar la
corrida de diablos. Mientras mayor sea la parafina depositada en la tubería mayor
será la parafina removida.
117
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Parafina acumulada removida por el diablo
Masa de parafina [Kg]
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
Caso 1
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Caso 2
Figura 4.38. Efecto del tipo de diablo sobre la masa de parafina removida.
La velocidad del diablo largo (caso 2) es muy diferente a la velocidad del diablo
corto (caso 1) al igual que la posición, pues el diablo largo tiene un periodo de
introducción más largo y es mayor que el diablo corto, esas son las principales
causas del porque existe tal diferencia, esto lo muestra la figura 4.39.
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
-10
0
Velocidad, caso 1
10
20
30
Tiempo [minutos]
Velocidad, caso 2
40
Posición, caso 1
50
60
Posición, caso 2
Figura 4.39. Efecto del tipo de diablo sobre la velocidad y posición del diablo.
118
Posición [m]
Velocidad [m/s]
Velocidad y posición del diablo
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
El diablo largo recorre la tubería y realiza la limpieza más rápido que el diablo
corto. El realizar la limpieza en un menor tiempo hace que sea menor la masa de
parafina que remueve el diablo. Si la velocidad del diablo es alta, el tiempo que
tarda el diablo en recorrer el sistema (toda la tubería) es menor, la posición del
diablo es afectada.
Después de haber realizado el análisis del tipo de diablo, la limpieza que
realizan ambos es aceptable. Para estas condiciones la simulación demostró que
el diablo ha utilizar para la limpieza de la tubería es el diablo corto. Se debe utilizar
un diablo largo si al momento de realizar la corrida de diablos se desea
inspeccionar, si se tienen grandes cantidades que un solo diablo no pudiera
remover.
4.2.8 Corrida de diablos sin acumulación de parafina
Este análisis se realizó para saber el comportamiento del sistema de
producción después de la corrida de diablos sin tener la presencia de parafina en
el líquido, y que tanto beneficia al comportamiento del diablo no tener parafina
depositada en la pared de la tubería. Para este caso la obstrucción al flujo del
fluido se presenta por el mismo líquido estancado en la tubería. El propósito de
este caso es compararlo con el caso base y saber cual es el impacto de la
parafina en los resultados finales.
Para este análisis el caso 1 es el caso base, el cual tiene parafina asociada a
el líquido, mientras que el caso 2 no tiene presencia de parafina.
La figura 4.40 muestra el efecto de la parafina sobre el flujo másico de líquido
en el sistema. El comportamiento de las curvas es diferente pues aún antes de la
corrida de diablos hay una diferencia en el flujo másico, de 20 [kg/s], la razón de
que sea menor para el caso 1 donde se tiene presencia de parafina, es que la
masa que se deposita en la pared de la tubería durante 181 días ocupa un
119
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
volumen y obstruye el flujo. En el caso 2 donde no se tiene presencia de parafina,
es mayor el flujo másico. La diferencia del flujo másico después de la corrida de
diablos entre el caso 1 y el caso 2 es de 22.55 [Kg/s]. Al realizar la corrida de
diablos en el caso 2 se presenta el mayor incremento; éste se debe a que la
tubería no tiene presencia de parafina; y el caso 1, en donde se tiene parafina
después de la corrida de diablos, la tubería no queda totalmente limpia. Esta
pequeña (casi despreciable) masa ocupa un volumen en la tubería y es la
causante de que en los dos casos no se observe el mismo incremento.
Flujo másico de líquido
Flujo másico de líquido
[Kg/s]
595
590
585
580
575
570
565
560
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1,tiempo = 181 [días]
Caso 1,tiempo = 183 [días]
Caso 2,tiempo = 181 [días]
Caso 2,tiempo = 183 [días]
Figura 4.40. Efecto de la presencia de parafina sobre el flujo másico de líquido.
La tabla 4.20 muestra los resultados, para las condiciones de los dos casos,
del incremento del flujo másico después de realizar la corrida de diablos. El
incremento que tiene el flujo másico después de realizar una operación de
limpieza cuando no se tiene parafina asociada al líquido de producción es de
168,912 [kg/d] más de lo que se tiene antes de la limpieza.
120
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Incremento del flujo másico después de la corrida de diablos
[Kg/s]
[Kg/m]
[Kg/h]
[Kg/d]
Caso 1
0.35
21
1260
30,240
Caso 2
1.955
117.3
7038
168,912
Tabla 4.20. Incremento del flujo másico para los cuatro casos.
La figura 4.41 muestra el efecto de la parafina sobre el contenido total de
líquido en el sistema durante la corrida de diablos. Existe una diferencia entre el
caso 1 y el caso 2 de 4.9 barriles de líquido por segundo. El caso 1 es el que tiene
menor cantidad de líquido en la tubería, porque el diablo va removiendo los
líquidos estancados y parafina depositada que ocupan volumen en la tubería, y en
el caso 2 no existe parafina. En ambos casos el líquido contenido aumenta porque
el diablo va empujando todo lo que se encuentra de frente. El diablo cumple con el
objetivo de limpiar la tubería en ambos casos.
Total de líquido contenido en la tubería
Líquido contenido en la
tubería [BBL]
11540
11520
11500
11480
11460
11440
11420
Caso 1
0
10
20
30
40
Caso 2
Salida del diablo Tiempo [minutos]
50
60
Figura 4.41. Efecto de la presencia de parafina sobre la fracción de volumen de líquido.
La tabla 4.21 muestra el incremento del líquido contenido en la tubería para los
dos casos después de que la corrida de diablos ha terminado, y de que el flujo se
121
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
ha normalizado. En el caso 2 el incremento del líquido es muy pequeño y es
porque en la tubería no había depósitos de parafina que ocuparan volumen.
Caso
Antes [BBL]
Después[BBL] Incremento[BBL]
1(caso base )
11,445
11,451
6
2
11,449.9
11,451
0.1
Tabla 4.21. Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos.
El efecto de la parafina sobre la fracción de volumen de líquido en el sistema
es despreciable, después de realizar la corrida de diablos las tuberías quedan
prácticamente limpias y el fluido puede fluir sin ninguna dificultad. El diablo en
ambos casos removió todo lo que obstruía el flujo, como es el líquido estancado, y
la parafina depositada sólo para el caso 1, esto lo muestra en la figura 4.42. La
corrida de diablos resultó ser una operación eficiente al momento de realizar la
limpieza de la tubería, para las condiciones a las se encontraban los dos sistemas.
Fracción de volumen
de líquido
Fracción de volumen de líquido contenido en la
tubería
1
0.98
0.96
0.94
0.92
0.9
0.88
0.86
0.84
0.82
0.8
0
2000
4000
6000
8000
10000
Longitud [m]
Caso 1, tiempo = 0[días]
Caso 2, tiempo = 0[días]
Caso 1, tiempo = 185[días]
Caso 2, tiempo = 185[días]
Figura 4.42. Efecto de la presencia de parafina sobre la fracción de volumen de líquido.
La parafina depositada en la pared de la tubería, para estas condiciones, no
representa un obstáculo sobre la velocidad y posición del diablo, pues la presión
es lo suficientemente alta para mantener el diablo a una velocidad estable en
122
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
ambos casos. La masa de parafina no es tan pesada para detener el diablo, ni
siquiera para disminuir considerablemente su velocidad. El diablo recorre la
tubería aproximadamente en el mismo lapso de tiempo para ambos casos. Ver
figura 4.43.
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
12000
10000
8000
6000
4000
Posición [m]
Velocidad [m/s]
Velocidad y posición del diablo
2000
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo [minutos]
Velocidad, caso 1
Velocidad, caso 2
Posición, caso 1
Posición, caso 2
Figura 4.43. Efecto de la presencia de parafina sobre la velocidad y la posición del diablo.
Después de haber realizado este análisis se puede determinar que para este
caso la parafina no tiene un gran impacto pues en la mayoría de los parámetros
estudiados no presentan una variación considerable. Esto es principalmente
porque la masa de parafina para el caso base es pequeña comparada con el total
de líquido que maneja el sistema. Este análisis representa el comportamiento de la
corrida de diablos y los resultados que se tienen al realizarla en un sistema donde
no se tiene presencia de parafina. Si se tuviera cantidades muy altas de parafina
depositada en la tubería el diablo podría detenerse y provocar mayores
problemas; por eso la corrida de diablos debe realizarse en periodos cortos
dependiendo de las características del sistema, como es el fluido y las
instalaciones.
123
CAPÍTULO 5. DISCUSIÓN
Se mostró en el estudio del caso base de simulación la operación de corrida de
diablos en el sistema en cuestión, el cual presentaba acumulación de parafina y
líquido estancado. Esto representaba una baja en la eficiencia del sistema. Por
estas razones se realizaron análisis paramétricos para saber el comportamiento
que tendría el sistema si cambiaran sus condiciones (las variables y/o los
parámetros), tales como la presión a la entrada del sistema, la temperatura en el
sistema, la rugosidad de las tuberías, así como el diámetro de las tuberías, del
diablo y la masa de éste, algunas propiedades del fluido como la fracción de
volumen de gas y la concentración de parafina y otras de operación como el tipo
de diablo.
Al realizar el análisis de cada una de los variables en el estudio paramétrico se
observa claramente cuáles son las que tienen mayor impacto en los resultados, y
con esto, cuales se deben considerar al revisar el comportamiento de la corrida del
diablo y del sistema antes, durante y después de la operación.
124
Con estos
CAPÍTULO 5
DISCUSIÓN
resultados se pueden elaborar predicciones sobre las condiciones que se
mejorarán y en que medida se aumentará la eficiencia del sistema.
El criterio para elegir las variables para el análisis del caso base se basó en el
impacto que tienen sobre la operación la corrida de diablos en el sistema. Así
mismo los parámetros se eligieron en función al impacto que sufrieron al cambiar
cada una de las variables. Las variables y los parámetros se eligieron con un
criterio particular ya que no es usual encontrarlos en la literatura.
Una de las aportaciones más importantes de este trabajo son los resultados
teóricos obtenidos en el capítulo 4, en donde se presenta el impacto que tienen las
diferentes variables al realizar la corrida de diablos y cuáles son los beneficios en
el sistema, pero no todas las variables afectan de igual forma, incluso en el
análisis de algunos parámetros la diferencia es mínima e incluso nula, y en otros
los resultados no se mantienen o nunca se alcanzan.
El diámetro de las tuberías fue una de las variables analizadas. Éste afecta,
obviamente, directamente al diámetro del diablo y a su masa, aunque es
impráctico tener que cambiar todo el sistema para solucionar un problema que se
puede prevenir si se elige el diámetro de las tuberías adecuado en el diseño de la
instalación, pero este análisis ilustra el comportamiento que se tendría si el
diámetro de la tubería fuera pequeños y grandes; las limitaciones que se
presentan para los primeros es que no se mantiene las condiciones después de
que diablo termina la operación, mientras que para los segundos si se mantienen,
además pueden incrementar la producción, aunque se debe elegir el diámetro
adecuado pues puede ser contraproducente tener un diámetro de tubería muy
grande porque se pueden tener caídas de presión muy elevadas.
Otro de los parámetros es la presión a la entrada del sistema. Este es uno de
los parámetros con mayor relevancia pues si la presión es muy pequeña puede
llegar a inducir una pegadura del diablo en complicidad con la cantidad de parafina
125
CAPÍTULO 5
DISCUSIÓN
depositada en la tubería, y si la presión es muy alta la velocidad puede aumentar
hasta un punto tal que el diablo no estará en la velocidad recomendada, para
líneas conductoras de gas natural de 5 a 15
líneas conductoras de líquidos de 2 a 10
[MPH] (11.18 a 33.47 m⁄s), y para
[MPH] (4.47 a 22.33 m⁄s), además
puede no cumplir con el objetivo principal de limpiar lo mejor posible a la tubería.
Por lo mismo se debe elegir la presión a adecuada. Esta variable afecta a todo el
sistema pues si disminuye, la fracción de volumen de gas aumenta. Esta última
variable que se analizó pero, como se describió en el capítulo 4, tiene un impacto
mínimo sobre los resultados. Si la fracción de volumen de gas en el sistema
aumenta, el contenido de líquido disminuye y por lo tanto la parafina asociada en
el líquido que se maneja en el sistema es menor y esto da como resultado que la
parafina depositada en el sistema sea menor.
La temperatura es una de las variables que se debe observar con
detenimiento, ya que si se tienen grandes caídas en la temperatura en el sistema,
la parafina se acumulará en exceso. Esto provoca que el sistema sea más
deficiente pues la producción que maneja disminuye. Otra cosa que puede
provocar es que las operaciones de limpieza, las corridas de diablos, se tenga
que hacer más frecuentemente.
La rugosidad de la tubería es una de las variables que tiene efectos
considerables en el sistema, pues al aumentar la rugosidad la cantidad de parafina
que se acumula en la pared de la tubería aumenta, y por lo tanto el líquido
contenido en el sistema disminuye. Esto hace que el sistema sea menos eficiente.
Si la tubería tiene una rugosidad alta hará que el diablo viaje a una velocidad
menor por el rozamiento que existe entre la tubería y el diablo. Existe la posibilidad
de que el simulador sufra inestabilidad numérica en los cálculos si la rugosidad de
la tubería es mayor a 9x10-5, o esto puede ser provocado por que el caso en
estudio es un modelo práctico.
126
CAPÍTULO 5
DISCUSIÓN
En los resultados se observa que para las características del sistema el diablo
corto y el tren de diablos son adecuados para realizar la operación de limpieza.
Esto se debe a que el diablo corto se utiliza para limpiar la tubería, ver sección
2.11.4, y el tren de diablos se utiliza para realizar otras tareas como la inspección
de la tubería además de realizar la limpieza de la tubería. La elección de utilizar el
diablo corto para la limpieza fue la adecuada pues el objetivo principal es el de
limpiar la tubería.
Se realizaron corridas de diablos sin parafina para analizar que sucede en el
sistema si no se tiene la presencia de ésta. Se observa que tiene un impacto
considerable en los resultados para este sistema pues la masa de parafina total
que se removió para el caso con parafina y después de seis meses de producción
fue de 400 kilogramos.
Considerar una combinación de las variables estudiadas para optimizar los
resultados de la corrida de diablos es una opción excelente para lograr que las
condiciones del sistema sean estables.
La selección de la propuesta de solución debe realizarse tomando en cuenta
aspectos tanto técnicos como económicos. Una herramienta importante para esto
es el uso de simuladores de flujo, pues éstos se pueden utilizar para realizar un
diseño de instalaciones óptimo o para analizar el comportamiento de sistemas
existentes. Esto si se usan adecuadamente.
El simulador presenta irregularidades para las condiciones del sistema que se
estudio, al que se le hizo la simulación, cuando se utiliza el diablo largo, en
específico cuando se obtiene los resultados teóricos del líquido contenido en la
tubería, esto puede ser provocado por las características del sistema y del fluido
que se utilizaron en la simulación.
127
CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
6.1 Conclusiones
1.
La corrida de diablos es un proceso de gran importancia en la Industria
Petrolera debido a los beneficios que ofrece a la producción de
hidrocarburos. Ésta debe realizarse periódicamente en cada una de las
instalaciones de producción bajo condiciones de flujo y de operación.
2.
La elaboración de estudios numéricos mediante el empleo de simuladores de
flujo representa una herramienta muy útil, porque permiten cuantificar de
manera aproximada la cantidad y velocidad del líquido que se transporta, el
tiempo y la cantidad de depósitos que se acumulan en el interior de la
tubería, conocer el impacto que podría tener si se alteran las condiciones de
operación establecidas y/o existentes, como la presión, temperatura, etc, en
el funcionamiento del sistema. La selección de las técnicas debe involucrar
tanto a la parte técnica como a la económica.
128
CAPÍTULO 6
3.
CONCLUSIÓN
Las principales causas del por que se debe realizar una corrida son: después
de que la tubería se construye, acumulación excesiva de parafinas en la
tubería, la disminución de la producción, el flujo presente en la tubería es
excesivamente turbulento, cuando se necesita mayor energía para el bombeo
de los fluidos, en el producto final se tiene un gran porcentaje de impurezas
como parafinas o agua.
4.
El principal problema que se presenta en la corrida de diablos es que el
diablo se detenga o se pierda en la tubería cuando la operación se está
realizando y los parámetros que ayudan a resolverlo son la presión y el
volumen.
5.
Las siguientes variables: diámetro de las tuberías, presión a la entrada y la
temperatura del sistema, la fracción de volumen de gas, son algunas de las
más importantes para el estudio del sistema de corrida de diablos. La presión
a la entrada del sistema resultó ser muy importante para mantener controlada
la operación.
6.
Los datos obtenidos de parámetros tales como flujo másico, líquido contenido
en la tubería, fracción de volumen de líquido en el sistema, son mediciones
que ayudan a analizar el sistema y a identificar el grado de estabilidad o
inestabilidad del mismo.
7.
Si el diámetro de la tubería del sistema de transporte es grande, la presión de
bombeo que impulsa al fluido debe ser alta para evitar que el fluido se mueva
lentamente y la parafina se deposite en cantidades excesivas.
8.
La principal función del diablo largo es inspeccionar el interior de la tubería,
por esta razón el diablo corto, que está diseñado para remover escombros
depositados en la tubería, realiza en el sistema una mejor limpieza.
129
CAPÍTULO 6
9.
CONCLUSIÓN
El aumento de la masa de parafina depositada en la pared interna de la
tubería es favorecido cuando la cantidad de gas presente en el fluido que se
transporta es pequeña, ya que existe mayor cantidad de parafina asociada al
fluido.
10. La presión de bombeo en el sistema baja, diámetro de la tubería grande,
rugosidad alta, son parámetros que contribuyen y favorecen la acumulación
de depósitos, escombros, condensados y/o parafina en la pared interna de la
tubería.
6.2 Recomendaciones
1.
Para obtener resultados más confiables y de una forma más eficiente, se
deben utilizar parámetros más detallados de las características físicas del
sistema, de la composición de fluido y parámetros de la simulación.
2.
El problema que se presentó en este trabajo es un estudio breve de la corrida
de diablos, se recomienda analizar sistemas simplificados y más complejos,
casos reales, de campo de instalaciones de PEMEX.
3.
Antes de tomar cualquier decisión es necesario haber realizado un número
de corridas suficientes que involucren todos probables escenarios y
parámetros.
4.
En estudios posteriores pueden incluirse otros aspectos como la corrosión,
tapones de hidratos, manejar tres fluidos, y utilizar la transferencia de calor a
lo largo de la tubería, entre otros.
5.
Realizar una corrida de diablos mínimo cada seis meses en cada sistema de
transporte de hidrocarburos para que su rendimiento se mantenga estable.
130
APÉNDICE
Archivo de datos de entrada al simulador (base.inp)
!*******************************************************************************
!- CASE Definition
!------------------------------------------------------------------------------CASE AUTHOR="Elvis ", \
DATE="Abril del 2005", \
INFO="Ejemplo de tesis", \
PROJECT="Corrida de diablos", \
TITLE="Diablo Corto"
!
!*******************************************************************************
!- OPTIONS Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Setting Calculation Options
OPTIONS DEBUG=OFF, PHASE=TWO, POSTPROCESSOR=OFF, SLUGVOID=SINTEF,
STEADYSTATE=ON, \
TEMPERATURE=ADIABATIC, WAXDEPOSITION=ON
!
!*******************************************************************************
!- FILES Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Input Files
! User should write the names of restart file, PVT file
! and compressor file here if, they exist
FILES PVTFILE="flow-pig.tab", WAXFILE="ol-wax-1.wax"
!
!*******************************************************************************
131
APÉNDICE
!- INTEGRATION Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Integration
INTEGRATION CPULIMIT=100000 d, DTSTART=0.001 d, ENDTIME=185 d, MAXDT=4 d,
MINDT=0.001 d, \
STARTTIME=0 s
!*******************************************************************************
!
GEOMETRY Definition
!*******************************************************************************
GEOMETRY LABEL=GEOM-1, XSTART=0 m, YSTART=0 m
PIPE LABEL=PIPE-1, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=2, ROUGHNESS=5e-005 m, XEND=100
m, \
YEND=0 m
PIPE LABEL=PIPE-2, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=8, ROUGHNESS=5e-005 m, XEND=100
m, \
YEND=-200 m
PIPE LABEL=PIPE-3, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=2, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=1000 m, \
YEND=-200 m
PIPE LABEL=PIPE-4, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=4, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=2000 m, \
YEND=-195 m
PIPE LABEL=PIPE-5, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=2, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=2500 m, \
YEND=-195 m
PIPE LABEL=PIPE-6, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=4, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=3500 m, \
YEND=-190 m
PIPE LABEL=PIPE-7, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=4, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=4500 m, \
YEND=-190 m
PIPE LABEL=PIPE-8, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=4, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=5500 m, \
YEND=-185 m
PIPE LABEL=PIPE-9, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=6, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=7000 m, \
YEND=-185 m
PIPE LABEL=PIPE-10, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=4, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=8000 m, \
YEND=-180 m
PIPE LABEL=PIPE-11, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=4, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=9000 m, \
YEND=-175 m
PIPE LABEL=PIPE-12, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=6, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=10100 m, \
YEND=-175 m
PIPE LABEL=PIPE-13, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=7, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=10100 m, \
YEND=0 m
PIPE LABEL=PIPE-14, DIAMETER=0.5 m, NSEGMENTS=2, ROUGHNESS=5e-005 m,
XEND=10200 m, \
YEND=0 m, ZEND=2 m
!
132
APÉNDICE
!*******************************************************************************
!- NODE Definition
!------------------------------------------------------------------------------! NODE Definitions
NODE LABEL=INLET, TYPE=TERMINAL, X=0 m, Y=0 m
NODE LABEL=OUTLET, TYPE=TERMINAL, X=10200 m, Y=0 m
!*******************************************************************************
!
BRANCH Definition
!*******************************************************************************
BRANCH LABEL=BRAN-1, FLOAT=ON, FLUID="1", FROM=INLET, GEOMETRY=GEOM-1,
TO=OUTLET
!
!*******************************************************************************
!- POSITION Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Definition for Position of Plug
POSITION LABEL=PLUGSTART-1, BRANCH=BRAN-1, PIPE=PIPE-1, SECTION=2
POSITION LABEL=PLUGTRAP-1, BRANCH=BRAN-1, PIPE=PIPE-14, SECTION=2
POSITION LABEL=RISERBASE-1, BRANCH=BRAN-1, PIPE=PIPE-2, SECTION=8
POSITION LABEL=RISERTOP-1, BRANCH=BRAN-1, PIPE=PIPE-1, SECTION=2
POSITION LABEL=RISERBASE-2, BRANCH=BRAN-1, PIPE=PIPE-13, SECTION=1
POSITION LABEL=RISERTOP-2, BRANCH=BRAN-1, PIPE=PIPE-14, SECTION=1
!
!*******************************************************************************
!- BOUNDARY Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Boundary Definitions
BOUNDARY GASFRACTION=2:-1 -, NODE=INLET, PRESSURE=2:117 bara, TEMPERATURE=(
10, \
25 ) C, TIME=( 0, 2500 ) d, TYPE=PRESSURE, WATERFRACTION=2:0 -,
WAXFRACTION=2:1 BOUNDARY GASFRACTION=3:1 -, NODE=OUTLET, PRESSURE=3:101.9716 kp/cm2,
TEMPERATURE=( 2:25, \
10 ) C, TIME=( 0, 1500, 2500 ) d, TYPE=PRESSURE, WATERFRACTION=3:0 -, \
WAXFRACTION=3:1 !*******************************************************************************
!
INITIALCONDITIONS Definition
!*******************************************************************************
INITIALCONDITIONS BRANCH=BRAN-1, INTERPOLATION=HORIZONTAL, PIPE=PIPE-1,
TEMPERATURE=2:77 F
INITIALCONDITIONS BRANCH=BRAN-1, INTERPOLATION=VERTICAL, PIPE=PIPE-2,
TEMPERATURE=8:10 C
INITIALCONDITIONS BRANCH=BRAN-1, INTERPOLATION=LENGTH, PIPE=( PIPE-12, PIPE11, \
PIPE-10, PIPE-9, PIPE-8, PIPE-7, PIPE-6, PIPE-5, PIPE-4, PIPE-3 ), \
TEMPERATURE=40:10 C
INITIALCONDITIONS BRANCH=BRAN-1, INTERPOLATION=VERTICAL, PIPE=PIPE-13,
TEMPERATURE=7:10 C
INITIALCONDITIONS BRANCH=BRAN-1, INTERPOLATION=HORIZONTAL, PIPE=PIPE-14,
TEMPERATURE=2:25 C
!*******************************************************************************
133
APÉNDICE
!
WAXDEPOSITION Definition
!*******************************************************************************
WAXDEPOSITION BRANCH=BRAN-1, DIFFCOEFFMULT=1 , AGEINGTIME=0.5 d,
MAXROUGHNESS=0 m, \
VISCOPTION=TABULAR, VISMULTIPLIER=( 1, 1 ) , WAXPOROSITY=0.5 -,
WAXTABLE="WAXTAB", \
WAXVOLFRACTION=( 0, 1 ) !
!*******************************************************************************
!- CONTROLLER Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Controllers
CONTROLLER LABEL=Control, AMPLIFICATION=-0.00035 , BIAS=0.02 , BRANCH=BRAN-1, \
DERIVATIVECONST=0 s, INTEGRALCONST=18 s, MAXSIGNAL=1 , MINSIGNAL=0 , \
PIPE=PIPE-14, SECTIONBOUNDARY=2, SETPOINT=44 , STROKETIME=100 d, TIME=0
s, \
TYPE=PID, VARIABLE=GG
!
!*******************************************************************************
!- VALVE Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Choke Definition
VALVE LABEL=CHOKE-1, BRANCH=BRAN-1, CD=0.84 , CONTROLLER=Control,
DIAMETER=0.5 m, \
PIPE=PIPE-14, SECTIONBOUNDARY=3
!
!*******************************************************************************
!- PLUG Definition
!------------------------------------------------------------------------------! PLUG Definition
PLUG LABEL=PLUG-1, DIAMETER=500 mm, INSERTTIME=182 d,
LAUNCHPOSITION=PLUGSTART-1, \
LEAKAGEFACTOR=0 , LINEARFRIC=150 Ns/m, MASS=49.89522003792 kg,
QUADRATICFRIC=0 Ns2/m2, \
STATICFORCE=1000 N, TRAPPOSITION=PLUGTRAP-1, TYPE=SHORT,
WALLFRICTION=1000 Ns/m
!
!*******************************************************************************
!- PRINTINPUT Definition
!------------------------------------------------------------------------------! PRINTINPUT Definition
PRINTINPUT KEYWORD=GEOMETRY
!
!*******************************************************************************
!- OUTPUT Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Output Definition
OUTPUT COLUMNS=4, DTOUT=185 d
OUTPUT BRANCH=BRAN-1
OUTPUT VARIABLE=( UL, UG, GD, GL, GG, AL, PT, BE, GA, RMTOT, ID, BOU, LIQC, DPZ, \
VOL, DPT, UPIG, ZZPIG, CONTR )
134
APÉNDICE
!
!*******************************************************************************
!- TREND Definition
!------------------------------------------------------------------------------! TREND Definition
TREND DTPLOT=5 h
TREND BRANCH=BRAN-1, VARIABLE=( LIQC, GASC )
TREND DTPLOT=1 m, POSITION=PLUG-1, VARIABLE=( ZZPIG, UPIG )
TREND VARIABLE=( VOLGBL, NINTGR, HT )
TREND DTPLOT=1 m, POSITION=PLUGTRAP-1, VARIABLE=( UL, UG )
!
!*******************************************************************************
!- PROFILE Definition
!------------------------------------------------------------------------------! Profile Plot Definition
PROFILE DTPLOT=1 d, VARIABLE=( PT, AL, TM, HOL, GLT, GG )
!
ENDCASE
135
LISTA DE TABLAS
Capítulo II. Marco Teórico
Tabla 2.1
Clasificación de diablos
21
Tabla 2.2
Diablos de acero
26
Tabla 2.3
Diablo ligero de espuma
30
Tabla 2.4
Diablo de espuma de densidad media
31
Tabla 2.5
Diablo pesado de espuma
31
Tabla 2.6
Tipos de diablos sólidos
35
Capítulo III. Formulación del Problema
Tabla 3.1
Variables y parámetros de medición usados para el estudio
paramétrico
61, 81
Tabla 3.2
Propiedades del fluido de producción
64
Tabla 3.3
Propiedades de la parafina acumulada en pared de la tubería
64
136
TABLAS
Capítulo IV. Resultados
Tabla 4.1
Principales parámetros y características del sistema para el
caso base de simulación
69
Tabla 4.2
Incremento del flujo másico
74
Tabla 4.3
Variación de la presión de entrada en el sistema
82
Tabla 4.4
Incremento del flujo másico para las diferentes presiones
83
Tabla 4.5
Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos
84
Tabla 4.6
Variación de la facción de volumen de gas
89
Tabla 4.7
Incremento del flujo másico para las diferentes presiones
90
Tabla 4.8
Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos
91
Tabla 4.9
Distribución de la temperatura en la tubería
96
Tabla 4.10 Incremento del flujo másico para las diferentes temperaturas
97
Tabla 4.11 Variación de la rugosidad
102
Tabla 4.12 Incremento del flujo másico para las diferentes rugosidades
103
Tabla 4.13 Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos
105
Tabla 4.14 Masa depositada en la tubería en función de la rugosidad
106
Tabla 4.15 Variación del diámetro de la tubería, del diámetro del diablo y
del peso del diablo
109
Tabla 4.16 Incremento del flujo másico para los cuatro casos
109
Tabla 4.17 Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos
110
Tabla 4.18 Relación de la masa de parafina en función del diámetro
112
Tabla 4.19 Datos adicionales para la corrida de diablo largo
115
Tabla 4.20 Incremento del flujo másico para los cuatro casos
121
Tabla 4.21 Contenido de líquido antes y después de la corrida de diablos
122
137
LISTA DE FIGURAS
Capítulo II. Marco Teórico
Figura 2.1
Diablo
7
Figura 2.2
Incrustaciones cristalinas
9
Figura 2.3
Escombros removidos por el diablo
10
Figura 2.4
Método convencional de lanzamiento
11
Figura 2.5
Diagrama del lanzamiento
12
Figura 2.6
Curva tipo U y Curva tipo S
13
Figura 2.7
Método convencional de recepción
13
Figura 2.8
Diagrama de recepción
14
Figura 2.9
Producción antes y después de la corrida de diablos
16
Figura 2.10 Detector del diablo
20
Figura 2.11 Tipo de diablos
21
Figura 2.12 Diablo de cilindro
24
Figura 2.13 Diablo esfera
27
Figura 2.14 Diablo tipo esfera
28
Figura 2.15 Diablo espuma
29
138
FIGURAS
Figura 2.16 Esquema del diablo espuma en operación
32
Figura 2.17 Diablo sólido
34
Figura 2.18 Diablo de gel
37
Figura 2.19 Tren de diablos con el diablo de gel
38
Figura 2.20 Diablo medidor del diámetro interno
39
Figura 2.21 Diablo cámara
40
Figura 2.22 Imagen captada por el diablo cámara
40
Figura 2.23 Diablos bidireccionales
42
Figura 2.24 Tren de diablos
43
Figura 2.25 Flujo de trabajo
45
Figura 2.26 Herramienta MFL
46
Figura 2.27 Herramienta Ut
48
Figura 2.28 Modelo de flujo de la corrida de diablos
52
Figura 2.29 Regiones durante la corrida de diablos
53
Figura 2.30 Representación de la discretización de las tuberías
55
Capítulo III. Formulación del Problema
Figura 3.1
Representación esquemática, con ampliación del sistema
de corrida de diablos en tuberías
59
Figura 3.2
Perfil de la tubería
62
Figura 3.3
Condiciones ambientales en el modelo
65
Figura 3.4
Condiciones “estables” de operación-caso base
67
Capítulo IV. Resultados
Figura 4.1
Variación de la presión al inicio y final de la simulación
con la posición
70
Figura 4.2
Variación de la fracción de volumen de líquido contenido
en la tubería
71
Figura 4.3
Variación de la fracción de volumen de gas contenido en
la tubería
72
139
FIGURAS
Figura 4.4
Contenido total de líquido en el sistema en el tiempo
73
Figura 4.5
Contenido total de líquido en el sistema en el tiempo
74
Figura 4.6
Flujo másico de líquido y de gas
75
Figura 4.7
Masa de parafina en el fluido
76
Figura 4.8
Masa de parafina depositada en la pared de la tubería
77
Figura 4.9
Masa de parafina acumulada removida por el diablo
78
Figura 4.10 Velocidad y posición del diablo
79
Figura 4.11 Velocidad del sistema
80
Figura 4.12 Efecto de la presión a la entrada sobre el flujo másico de
líquido
83
Figura 4.13 Efecto de la presión a la entrada sobre el líquido
contenido en la tubería
85
Figura 4.14 Efecto de la presión a la entrada sobre la fracción de
volumen de líquido
86
Figura 4.15 Efecto de la presión a la entrada sobre la parafina
removida
86
Figura 4.16 Efecto de la presión a la entrada sobre la velocidad y
posición del diablo
88
Figura 4.17 Efecto de la fracción de volumen de gas sobre el flujo
másico de líquido
90
Figura 4.18 Efecto de la fracción de volumen de gas sobre el
contenido de líquido
91
Figura 4.19 Efecto de la fracción de volumen de gas sobre la fracción
de volumen de líquido
92
Figura 4.20 Efecto de la fracción de volumen de gas sobre la masa
de parafina removida
93
Figura 4.21 Efecto de la fracción de volumen de gas sobre la
velocidad y posición del diablo
94
Figura 4.22 Perfil de la tubería, para el incremento de la temperatura
95
Figura 4.23 Efecto de la temperatura sobre el flujo másico de líquido
96
Figura 4.24 Efecto de la temperatura sobre el líquido contenido en la
tubería
98
Figura 4.25 Efecto de la temperatura sobre la masa de parafina
depositada
99
140
FIGURAS
Figura 4.26 Efecto de la temperatura sobre la masa de parafina
removida
100
Figura 4.27 Efecto de la fracción de volumen de gas sobre el flujo
másico de líquido
102
Figura 4.28 Efecto de la rugosidad de la tubería sobre el contenido
de líquido
104
Figura 4.29 Efecto de la rugosidad de la tubería sobre la masa de
parafina depositada
105
Figura 4.30 Efecto de la rugosidad de la tubería sobre la masa de
parafina removida
107
Figura 4.31 Efecto de la rugosidad de la tubería sobre la velocidad y
posición del diablo
108
Figura 4.32 Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del
diablo sobre el flujo másico
110
Figura 4.33 Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del
diablo sobre el líquido contenido en la tubería
111
Figura 4.34 Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del
diablo sobre la fracción de líquido contenido en la tubería
112
Figura 4.35 Efecto del diámetro de la tubería, del diablo y masa del
diablo sobre la velocidad y posición del diablo
114
Figura 4.36 Efecto del tipo de diablo sobre el contenido total de
líquido
116
Figura 4.37 Efecto del tipo de diablo sobre el volumen de líquido
117
Figura 4.38 Efecto del tipo de diablo sobre la masa de parafina
removida
118
Figura 4.39 Efecto del tipo de diablo sobre la velocidad del sistema
118
Figura 4.40 Efecto de la presencia de parafina sobre el flujo másico
de líquido
120
Figura 4.41 Efecto de la presencia de parafina sobre la fracción de
volumen de líquido
121
Figura 4.42 Efecto de la presencia de parafina sobre la fracción de
volumen de líquido
122
Figura 4.43 Efecto de la presencia de parafina sobre la velocidad y la
posición del diablo
123
141
BIBLIOGRAFÍA
Articulos
1.
Brief Overview of Gulf of Mexico OCS Oil and Gas Pipelines: Installation,
Potential Impacts, and Mitigation Measures, Deborah Cranswick, Minerals
Management Service, Gulf of Mexico OCS Region, New Orleans, August
2001.
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