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SPE 74832 Artificial Lift Solutions Using Coiled Tubing (Soluciones de levantamiento artificial utilizando Tubera enroscada)

Abstracto/Resumen La versatilidad de la tubería flexible continúa expandiendo su campo de aplicación. El último sector que ha visto el avance de este material único de tubería es la industria del levantamiento artificial. El concepto de reemplazar la sarta de varilla de succión con tubería enroscada continua ha sido investigado, evaluado y exitosamente aplicado. Hay un gran número de ventajas de diseño y operacionales beneficiando a los productores de aceite y/o gas que pueden ser alcanzadas con este nuevo sistema. Las limitaciones del tamaño de terminación, fallas de conexión y problemas de reparación de terminación son sólo algunos de los motivadores de esta innovación. Siendo una nueva aplicación, aún hay un número de parámetros operacionales y de diseño para estudiar. Sin embargo, las instalaciones de prueba han mostrado que es prometedora. Este documento resumirá los beneficios operacionales de este nuevo sistema y se enfocará en una instalación reciente y comportamiento de bombeo de un productor de altos volúmenes de aceite en el Basamento Pérmico (Permian Basin). También abordará un número de áreas para mejoramiento tecnologíco que son planeados para avanzar en esta innovación.

INTRODUCCION Las sartas de varillas de tubería flexible (CTRS) ofrecen un nuevas maneras de lidiar con algunos problemas muy antiguos en el campo de bombas de fondo de pozo estándar artificiales, Las CTRS permiten al operador emplear un enfoque diferente para transmitir el levantamiento de la energía, así como tener más opciones para llenar sus pozos La innovación de CTRS es que el operador utiliza un producto de tubería continua molida (tubería flexible) para conectarse a su bomba de émbolo de fondo de pozo para el accionamiento mecánico

El flujo de fluido productivo resultante se lleva a la superficie interior de la sarta de tubería flexible Las dos principales ventajas es la eliminación de las conexiones de las varillas de bombeo convencional y sus problemas asociados, así como una verdadera terminación del diámetro del hoyo (pozo). Para evaluar el sistema CTRS, una prueba de instalación de pozo fue organizada en la cuenca del Basamento Pérmico del oeste de Texas . Muchos detalles de esta nueva metodología dieron resultado con éxito y se documentan a través de este proceso.

CONCEPTO DE CTRS El concepto CTRS fue desarrollado originalmente en Argentina y fue patentado posteriormente en varias jurisdicciones - incluyendo Estados Unidos y Canadá, una empresa internacional de petróleo y la empresa de consultoría con sede en EE.UU. buscaban desarrollar un método para completar pozos en pozos pequeños en Argentina, en donde se les ocurrió la idea. Usando tubería flexible (CT) para reemplazar la varilla de bombeo convencional, y configurar una bomba de varilla estándar tal que el flujo saliente viaje a la superficie dentro de la tubería flexible (CT) (Fig 1) permitiendo una reducción significativa en el tamaño de la terminación neceesitada para dado caudal de producción. Tambien reduce los componentes tubulares necesitados para la terminación mientras la cadena CTRS se duplica al mismo tiempo que la sarta de varillas y la tubería de producción. Un gran número de otros beneficios físicos son anticipados de esta innovación y están actualmente siendo evaluados.

DETALLES DE TERMINACION CTRS Para la mayoría de las aplicaciones los componentes del hoyo de la terminación de CTRS consisten de una cadena CTRS, una bomba y un ancla. Todos estos componentes son desplegados y colocados en un solo viaje en el pozo. En la superficie, la cadena CTRS se extiende a lo largo del cabezal de pozo a la brida y se cuelga utilizando una abrazadera de barra pulida. En esta forma, el CTRS también actúa como su propia barra pulida a través de prensaestopas. Conectado en la parte superior de la cadena de CTRS es adecuado con un pivote tubular de acero, que es conectado a la manguera de presión flexible que finalmente ha sido amarrada en la línea de flujo superficial. (fig 3.) Es importante notar que cuando la tubería flexible (CT) está siendo instalada, un conjunto de rodillos de enderezamiento es instalado para asegurar que la curvatura residual sea removida de la cadena.

PROBLEMAS MECÁNICOS Hay un gran número de beneficios mecánicos con las terminaciones CTRS debido al hecho de que no sólo se requiere una conexión al pozo – como contraposición a los acoplamientos de la varilla de bombeo en una terminación convencional. El conector único de CTRS une el forndo de la cadena de tubería flexible (CT) a la bomba, por lo tanto sólo es cargado por el peso del fluido y cualquier inercia resultante a través del ciclo de bombeo. Es razonable anticipar que eliminando el acoplamiento múltiple debería resultar en una reducción significante en un tiempo de reposo y actividad de servicio típicamente requirió recuperación y reparación de sartas de varillas que han fallado debido a fallos de acoplamiento. Mientras el concepto está en el are, sólo el tiempo y la experiencia aprobarán la validez de este exposición (teoría). No tener algún acoplamiento también significa que el material de CTRS es “de capa” o uniforme de diámetro a lo largo de su longitud. Esto es anticipado para tener dos ventajas principales sobre las varillas articuladas convencionales. La primera ventaja de esto es que el desgaste de los contactos asociada con una varilla de bombeo trabajando de ida y vuelta en la terminación será minimizado si no es eliminado. Como se ve en la figura 4, en la terminación Convencional, la geometría creada por el acoplamiento/ configuración de varillas, puede resultar en concentraciones relativamente altas en los puntos de contacto si la terminación no es perfectamente vertical. Para las aplicaciones CTRS esta fuerza normal es bien atribuida y tendrá una mejor oportunidad para permanecer bajo el nivel crítico para que el gasto abrasivo acelerado tome lugar. Otra diferenciación física que afecta el desgaste es la diferencia de rigidez entre la varilla de bombeo y el CTRS. Mientras el CTRS puede ser especificado en rangos que van desde 1” hasta 3½”, los diámetros típicos irán desde 1¼” a 1¾”. Para ilustrar esta diferencial, compararemos las características de rigidez de una varilla de bombeo de 1” con paredes CTRS de 1¾”, y 0.156” Primero que nada, determinaremos el área de sección transversal de todos donde: D1= Diámetro exterior de la varilla de bombeo D2= Diámetro exterior del CTRS t= grosor de pared del CTRS Área de sección transversal de la varilla de bombeo A SR =D12 π /4 ¿ 12 π /4 2

¿ 0.785 ¿

Área de sección transversal del CTRS 2t D 2 −¿ D22−( ¿¿ 2 ) π / 4 A CTRS =¿ 2 x 0.156 1.75−¿ 1.752−( ¿¿ 2 ) π /4 ¿¿ ¿ ( 3.06−2.07 ) π / 4 2

0.777∈¿ ¿¿

Por lo tanto en este ejemplo ambos son cercanamente equivalentes en área pero la varilla de bombeo es ligeramente más grande y debido a esto ligeramente más pesada y más fuerte que el CTRS (por 1% asumiendo densidad similar y rendimiento / propiedades de resistencia finales) Ahora, observando el momento polar de inercia de cada uno de estos ejemplos, tenemos: Momento de Inercia de la varilla de bombeo 4

I SR=π D1 /64 4

¿ π 1 /64 ¿ 0.049 ¿4 Momento de Inercia del CTRS 2t D 2−¿ 4 D2 − ( ¿¿ 4 ) /6 4 I CTRS =π ¿ 2 x 0.156 1.75−¿ 1.754 −( ¿¿ 4 ) / 6 4 ¿ π¿ 4

¿ 0.25 ¿

Relación de Momentos de Inercia Polares Relación=I CTRS / I SR ¿ 0.25/0.049

¿ 5.10 o 510

Lo que hemos visto aquí es que aunque el material de área seccional transversal de cada una de estas muestras son casi idénticas, La rigidez de pandeo del CTRS es de más de 5 veces de la fuerza comparable de la varilla de bombeo. Es obvio que esta relación se mantendrá para otras comparaciones de CTRS contra varilla de bom beo debido a los problemas de geometría del tubo y varilla. Asumiendo que con ambos, varilla de bombeo y CTRS, hay tensión de compresión en un punto en la sarta durante el estrangulamiento, el contacto acero-acero resultará de un pandeo sinusoidal o helicoidal. La rigidez del material define la cantidad de deformación de la varilla en el estrangulamiento y a fuerza normal es calculada de la siguiente manera: Fuerza normal=( IDT −D R ) x F A 2 /4 EI Dónde: IDT =Diametrointerior de la tubería DR =Diametro de la varilla F A =La fuerza axial Por el bien de comparación, considere los dos pozos comparables, uno con varilla de bombeo y el otro con CTRS – utilizando la misma varilla de bombeo de 1” y un CTRS de 1.75” como en la parte previa de este ejemplo. Especificaremos que cada uno es instalado en 6.4 lb/ft, 2 7/8” de tubería y que el estrangulamiento hay una carga resistiva de 500 lb. Fuerza normal de la varilla de bombeo

Fuerza normal de CTRS

Relación de fuerzas normales

Por lo tanto la fuerza normal resultante utilizando CTRS será menos del 10% que una varilla de bombeo convencional. También considere los resultados de los cálculos de arriba en una tensión de línea o un valor de “fuerza por longitud”. En la actualidad la fuerza de varilla de bombeo se manifestará en los puntos de contacto – más que totalmente distribuida. Sería difícil especificar exactamente cuales puntos de la varilla de succión entrarán en contacto durante esta acción pero podemos considerarlo a futuro para definir los límites superiores e inferiores de la magnitud de la condición de contacto. Para identificar el rango sobre el cual este fenómeno se presentará podemos mirar un caso donde la longitud entera de 25 ft de la varilla de bombeo está en contacto. Para el otro fin de este rango podemos ver lo que ocurre si sólo la unión está en contacto. Fuerza total normal para la varilla de bombeo en contacto total

Tomando un momento para evaluar el CTRS bajo estas condiciones, tenemos: Fuerza total normal para CTRS en contacto total

Regresando al análisis de la varilla de bombeo, hemos visto que la varilla de bombeo convencional bajo estas condiciones de carga, desarrollará 18.3 lbs de fuerza normal a lo largo de 25-ft si los contactos de longitud entera hace contacto con la terminación. Utilizando este cargamento, y por un momento considerando sólo los acoplamientos en contacto con la terminación, el esfuerzo de contacto lineal resultante sería como sigue (con un acoplamiento de 4”)

NF acoplamiento =

18.3 longitud de acoplamiento

¿ 4.58 lbs/ ¿

Obviamente la carga no es probable a ocurrir solo en los contactos de acoplamiento, ni es probable a ser totalmente distribuida a lo largo de la longitud de la varilla. Por lo tanto el valor actual será probable a caer en algún lugar entre 0.061 lbs/in y 4.58 lbs/in. Comparando esto con los valores previamente calculados de 0.0056 lb/in para el CTRS, la fuerza normal es significativamente más alta para la varilla de bombeo.- incluso en el mejor escenario. Trabajos pasados han verificado la relación entre la fuerza normal y la tubería o desgaste de varilla y que con aumentos lineares en la presión de contacto habrá un elemento exponencial en el desgaste. Rigidez más alta también debería ayudar la eficiencia de la operación de bombeo. Siendo más rígido, el CTRS debería requerir menos peso en la barra de hundimiento o ser más efectivo en terminaciones de grandes diámetros.

PROBLEMAS DE FLUJO Otra área donde el CTRS ofrece beneficios operacionales es en la dinámica de fluido del sistema. Primero que nada, en las instalaciones de varilla de bombeo, se requiere que el flujo productivo viaje hasta la varilla de bombeo / espacio anular de tubería de producción para alcanzar la superficie. Si bien es un espacio anular relativamente grande, los acoplamientos de varilla de bombeo crean restricciones al fljo (Fig 5) Considerando una terminación de 4000 ft con una varilla de bombeo de 25 ft, entonces abran aproximadamente 160 acoplamientos donde esta condición de restricción de flujo ocurrirá. Dos consecuencias pueden ser atribuidas a esta caída de presión. Una es que la eficiencia de las operaciones de bombeo puede ser adversamente afectada. La otra es que en áreas donde los asfáltenos y parafinas están presentes, es posible que esta repetida y creciente presión del fluido mientras se mueva al pozo pueda resultar en una condición favorable para la deposición de estos materiales. El tamaño general del espacio anular puede contribuir a una futura deposición cuando se compara con una terminación por CTRS alternativa. De nuevo, usando la misma muestra anterior de terminación de 4000 ft. Los volúmenes de paso de flujo respectivo son de la siguiente manera:

Si bombeamos cada una de estas terminaciones al mismo caudal que antes – por ejemplo – 600 BFPD, los tiempos de ascenso son como se muestra a continuación: Tiempo de ascenso de la varilla de bombeo

Tiempo de ascenso del CTRS

Relación de tiempo de ascenso

Por lo tanto el fluido en la terminación con CTRS alcanza la superficie en 42% del tiempo que le tomaría a una terminación convencional. Cuando la temperatura es un problema para el ambiente deposicional es posible que esto ayude a prevenir o al menos a reducir la formación de parafinas y asfaltenos.

CASO HISTÓRICO DE CTRS El resto de este documento detallará la instalación y comportamiento de una terminación CTRS en un alto volumen de pozo de aceite en West Texas.

CAMPO HISTÓRICO El Campo Goldsmith está localizado en la parte norte del centro del condado Ector, Texas, y está situado en un gran anticlinal NE-SO en la parte oriental de la Plataforma de Producción del Basamento Central (Central Basin), es de seis yacimientos. Grayburg. San Andres, Clarfork (5600”), Tubb, Devonian, y Ellenburger. Los yacimientos más prolíficos son el de San Andrés (4200”) y el Clearfork (5600”)

El primer pozo perforado en el Campo Goldsmith fue un pozo de gas terminado en la formación de San Andrés en Diciembre de 1934. El Scharbauer No. 1 o A-1 fue perforado en la Sección 20, Bloque 44 T-I-N y produjo 40 bopd y 25 MMcfpd Datos de la formación de San Andrés:  Las operaciones de inyección de agua de campo limpio comenzaron a finales de 1950.  La profundidad promedio de 4200 pies, con un ligero descenso de formación de 100 a 150 pies por milla.  Aproximadamente 1100 pies de dolomita, anhidrita y lutita  La pata de aceite del yacimiento es de alrededor de 100-125’ de grosor, con una grande zona de transición en la columna de agua.

CRITERIOS DE COMPORTAMIENTO DE CAMPO Algunos de los problemas asociados con el Campo Goldsmith:  Se mueve con 500-800 BFPD con sistemas de bombeo de varilla convencional resultando en un desgaste de tubería con varilla debido al pandeo de la sarta.  Cajas de engranaje sobrecargados  Limitado en tamaño de tubería en muchos niveles por revestimiento o liners de 4½”  Las reducciones de sub-bombeo son caras y pueden desgastarse en 3-4 años

Fecha del Servicio

Descripción del Trabajo Principal

11/13/95 8/14/97 4/9/98 8/1/98 9/30/98 12/29/98 1/26/99 4/8/99 1/10/00 7/5/01

Fallos de Tubería Fallos de Tubería Fallos de Tubería Otros Fallos de Varilla Pulida Fallos de Tubería Falos de Varilla Fallos de Bombeo Fallos de Tubería Mantenimiento

Características de CTRS  Capaz de mover los mismos volúmenes con menos HP  La caja de engranaje no será sobrecargada  La varilla de tubería de engranaje será determinada  Las opciones de CT eliminan las cajas de varillas.

 

Cualquier contacto con la sarta exterior (ya sea con tubería o revestimiento, se distribuirá sobre o a lo largo del área, reduciendo las fuerzas abrasivas) El CT es más rígido que las varillas

Diseño de Terminación de CTRS Detalles del Pozo El GSAU 2-167 es un pozo vertical terminado con tubería de 5½” 14 lb/ft, J-55 tubería de revestimiento instalada a una profundidad de 4214 ft.. Una de 4½” 11.6 lb/ft J-55 la línea de tie back esta cementada desde superficie a 4003 ft. Hay 26 perforaciones distribuídas desde 4134 ft hasta 4204ft produciendo un promedio de 622 BFPD y 4 MCFPD (Fig 8) EL GSAU fue originalmente terminado con un 2¼” x 2½” x 24’ de bomba de varilla de tubería se terminó en tubería de 2 7/8” J-55. La tubería fue anclada con una TAC de 4½” a 3976’. Una tubería de 2 7/8 sub perforado y una de 2 7/8” BPMA fueron instaladas bajo el bombeo al final del asentamiento a 4,012’ La energía de levantamiento fue transferida al bombeo por el siguiente diseño de varilla.  1 ½” x 26’ Varilla pulida  1 ½” x 18’ Varilla de fibra de vidrio Pony  55 – 1¼ Varillas de fibra de vidrio  48 – 1” Varillas de clase API “D”  11 – 1 5/8” Barras de peso  2¼ x 2’ émbolo Desafortunadamente, la terminación experimentó muchas gallas debido al desgaste de tubería, varilla de bombeo y caja de engranaje sobrecargada. Las fallas repetitivas llevan a una investigación de aplicaciones de levantamiento artificial alternativa. Los otros métodos disponibles fueron bombeos electro sumergibles (ESP’s) y CTRS. Los ESP’s fueron eliminados como un método viable debido a los costos de equipamiento, costos operacionales y el tiempo esperado de vida de la línea reductora requerida en ESP’s para tubería de revestimiento de 4½. Una investigación técnica en la factibilidad de un CTRS fue llevado a cabo y considerado como una opción viable. El estudio abarcó el diseño del bombeo de varilla, ancla de bombeo, tubería flexible, hardware y equipo de producción. Una unidad de bombeo (LSPU) estaba disponible en el campo y debido al alto requerimiento de producción relativamente alto, fue elegido para la unidad de bombeo. Las especificaciones de las unidades operadas son así:  4.5 el golpe por minuto (spm)  288” stroke  36,000 lbs, capacidad

Basado en las especificaciones de ROTOFLEX 900, y la producción requerida de 620 BPD, el remanente de los componentes de terminación de CTRS fueron diseñados.

BOMBAS DE VARILLA La terminación de CTRS utiliza bombeo convencional con varillas con un tubo de tracción hueco para producir el pozo. El equipo de superficie y la producción del pozo determinaron la mayoría de las variables de bombeo de varillas. La excepción fue el diámetro del émbolo de las bombas de varilla. La ecuación de desplazamiento teórico de bombeo fue usada para calcular el diámetro mínimo del émbolo. Desplazamiento de Bombeo Teórico

Dónde: V= Desplazamiento de Bombeo Teórico (BPD) Ap= Área del émbolo (in2) = (/4) D2 Sp =Émbolo efectivo Stroke (in) = 0.85 S S = Superficie embolada (in) N= Embolus por minute (spm) Sustituyendo los valores conocidos y resolviendo para los diámetros de émbolo, la ecuación rinde:

El diámetro calculado es el diámetro mínimo para alcanzar el caudal de producción deseado. Para asegurar que el objetivo de la producción es obtenido, un émbolo de mayor diámetro debe ser instalado. Sustituyendo un diámetro de 2¼” en la ecuación de desplazamiento de bombeo teórico y usando la longitud del émbolo de superficie en lugar de la longitud del émbolo stroke efectivo, un caudal de producción máxima de 765 BPD es determinado. Si este caudal de producción fuera alcanzado en condiciones específicas. El sistema estaría operando a 100% de eficiencia. Sin embargo, es sabido que la superficie total del émbolo no es transmitida al émbolo debido a las pérdidas de inercia y deformación helicoidal. Para contar con este fenómeno, un factor de 0.85 es aplicado a la longitud del émbolo de superficie para calcular su efectividad. Calculando la producción

usando un émbolo de 2¼” de diámetro y la longitud del émbolo efectivo, rinde un caudal de producción efectivo de 650 BPD. Este caudal de producción es satisfactorio, y con un deslizamiento aceptable del fluido en la bomba de aproximadamente 24 BPD, las especificaciones de varilla de bombeo de tubería fueron determinadas. Las especificaciones finales fueron un émbolo de 2¼” x 2” Con un espaciamiento de 0.006’ en el fondo de un tubo de tracción hueco de 1½” x 31” en un barril de 33” INSTALACIÓN INICIAL – ANCLA DE BOMBA El beneficio añadido de ser capaz de operar el CTRS sin tubería de producción plantea un problema de como anclar la bomba. Desde que la tubería de producción es eliminada, el barril de bombeo de tubería tiene que ser anclado similarmente a una inserción de bombeo. Un obstáculo encontrado fue que los anclajes de la bomba de inserción común solo están disponibles para tuberías de revestimiento de hasta 3 ½”. Un obstáculo adicional fue que si estas anclas eran aumentadas de tamaño, tenían que ser levantadas y rotadas para colocarse. Esto fue determinado por ser un paso indeseado con las unidades de tubería flexible y los esfuerzos fueron emprendidos para diseñar un anclaje apropiado. Complicando el diseño están las fuerzas variables aplicadas al ancla. Desde que el fluido es producido a través de la tubería flexible, la presión diferencial hidrostática del fluido es aplicada y removida del ancla en cada bombeo, Esta condición de fondo requiere la construcción de un ancla robusta que aún permita que el fluido migre a su alrededor. En la evaluación de los requerimientos, un modelo modificado de 4 ½” x 2 3/8” “B” TAC fue usado como un ancla de bombeo. Una vez instalada, el ancla puede ser recuperada por pescadores de cizallamiento con 15000 lbs de fuerza de tirón. Un acoplamiento de tubería de 2 7/8” con un ancla de lodo de 2 7/8” deberá ser conectado bajo el ancla y un sello de cierre de recorte receptor se instalará en la parte superior. El receptor aceptará un conjunto de aguijón retenedor instalado en el fondo del cilindro de bomba. El conjunto de aguijón retenedor es un sistema de cierre de tipo cesta – pinza. Para ser capaz de jalar la bomba y dejar el ancla, las pinzas fueron diseñadas para liberarse con un tirón de 5300 lbs. Como una consideración operacional adicional, una cizalla shear fue instalada entre la bomba y el aguijón ensamblado por la probabilidad de que en un evento, ambos, el aguijón ensamblado y el ancla se atoren. Desafortunadamente, el diseño del ancla requiere que sea colocado utilizando un equipo de reacondicionamiento y una tubería acoplada. Mientras esta no fuera la situación ideal, el ancla fue estimada a ser la mejor disponible en ese tiempo. Se decidió que el diseño de ancla sufriría investigación a fondo con el fin de diseñar un ancla que pudiera ser colocada con tubería flexible mientras simultáneamente se instalara la bomba.

TUBERÍA FLEXIBLE

La selección de la sarta de tubería flexible es crítica para obtener el diseño correcto de CTRS. La tubería flexible es el conducto para los fluidos producidos a la superficie y es expuesto. Ambos internamente y externamente, a cualquier condición corrosiva en el pozo. Estas condiciones pueden limitar el grado de tubería flexible que puede ser utilizado, adversamente afectando la profundidad máxima del CTRS. Adicionalmente, la geometría de la tubería flexible debe ser optimizada para asegurar la energía mecánica aplicada al agujero, la deformación helicoidal es minimizada y que el caudal de producción requerido es alcanzable. Estas variables deben ser determinadas basadas en los límites operacionales de la unidad de bombeo, la geometría del pozo y la resistencia a la fatiga aceptada de la tubería flexible. La industria tiene muchos programas que son capaces de calcular todos estos parámetros cuando se usa varilla de bombeo convencional y pueden ser manipuladas para que coincida una lectura de diámetro existente. Desafortunadamente, estas aún no están colocadas para manipular las diferentes fuerzas encontradas con CTRS. Una disparidad es la fricción del fluido dentro de la tubería flexible. Un modelo de flujo de fluido computarizado es usado para predecir esto con el entendimiento de que el fluido sólo se está moviendo a mitad de tiempo relativo a la tubería flexible. Por lo tanto, si la producción diaria es 500 bbls, la mitad del tiempo el fluido es estacionario dentro de la tubería flexible y el resto del tiempo el caudal de fluido es equivalente a 1,000 BPD. Otra área de distinción del CTRS es la fuerza actuante en el émbolo para proveer flotabilidad. Las sartas de varilla convencional están siempre bajo efecto de flotabilidad de la carga hidrostática. El diseño de CTRS tiene que contar por el nivel del fluido en el espacio anular de la tubería flexible. Considerando estos cambios, una balance de fuerza tiene que ser estudiado para determinar los picos de la carga de varilla y la carga de varilla mínima. Debe notarse que un programa de análisis en forma de onda de tubería concéntrica conteniendo fluidos variables está siendo desarrollado pero esta fuera del ámbito de este documento. Se entiende que habrá alguna deformación helicoidal causando fuerzas normales debido al contacto con la pared. En ese momento, estas fuerzas no son cuantificables, y debido a la geometría del CTRS, será considerado despreciable en los cálculos

PICOS DE CARGA DE VARILLA PULIDA Ha sido determinado que el valor máximo de la aceleración hacia abajo, que incrementa la carga en la tubería flexible, ocurre al fondo del estrangulador. Este valor máximo es dado por:

Dónde: a1= aceleración máxima hacia debajo de la tubería flexible (ft/seg 2) S = superficie de estrangulador (in)

N = velocidad de bombeo (spm) c/p = relación manivela-minero - Positiva para unidades convencionales - Negativa para unidades de aire y Mark II - Asumida despreciable para un LSPU Una suposición es hecha sobre que la válvula viajera se cierra y la válvula fija se abre a la aceleración máxima hacia abajo. Un balance de fuerza en este momento produce el PPRL PPRL = (peso de la columna de fluidos) + (peso del émbolo y tubería de tracción hueca) + (peso de la tubería flexible) + (aceleración) + (término de fricción) – (flotabilidad del émbolo) El peso del émbolo y tubo de tracción huevo serán considerados despreciables. Adicionalmente, se asume que todo el gas asociado es producido en el espacio anular. Definiciones adicionales de cada componente de la ecuación: Peso del fluido (Wf) Dónde: Densidad del fluido (lb/gal) Profundidad de bombeo (ft) Presión de línea de flujo (psi) Área del émbolo Peso de la tubería flexible (Wct)

Dónde: Longitud de la n° sección cónica (ft) Peso de la n° sección cónica (lb/ft) Término de aceleración Para determinar el PPRL, la aceleración máxima hacia abajo necesita ser calculada mediante la multiplicación de a1 por el Wct Término de fricción del espacio anular (F fa)

La fricción entre la tubería flexible y el fluido del espacio anular es calculada usando un modelo de flujo de fluido. La magnitud del término depende del nivel del fluido y sus propiedades, el área de espacio anular, caudal del estrangulador, longitud de estrangulamiento y profundidad de bombeo. Flotabilidad del émbolo

Fuerza de flotabilidad (lbs) Profundidad de bombeo (ft) Profundidad del nivel del fluido en el espacio anular (ft) Área del émbolo (in2) Diámetro exterior de la tubería flexible Diámetro interior de la tubería flexible Sustituyendo dentro de las ecuaciones de balance de fuerza se obtiene la siguiente ecuación PPRL:

CARGA DE VARILLA PULIDA MÍNIMA Ha sido determinado que el máximo valor de la aceleración hacia arriba, la cual disminuye la carga en la tubería flexible, ocurre en la cima del estrangulador. Este valor máximo está dado por:

A2= aceleración máxima hacia arriba de la tubería flexible (ft/seg 2) S = superficie de estrangulador (in) N = velocidad de bombeo (spm) c/p = relación manivela-minero - Negativa para unidades convencionales - Positiva para unidades de aire y Mark II - Asumida despreciable para un LSPU Una suposición es hecha sobre que la válvula viajera se abre y la válvula fija se cierra a la aceleración máxima hacia arriba. Un balance de fuerza en este momento produce el MPRL MPRL = (peso del émbolo y tubería de tracción hueca) + (peso de la tubería flexible) + (aceleración) + (término de fricción) – (flotabilidad del émbolo)

Una vez más, el peso del émbolo y el tubo de tracción hueco serán considerados despreciables. Peso de la tubería flexible (Wct)

Dónde: Longitud de la n° sección cónica (ft) Peso de la n° sección cónica (lb/ft) Término de aceleración Para determinar el MPRL, la aceleración máxima hacia abajo necesita ser calculada mediante la multiplicación de a2 por el Wct Término de fricción (Ff):

Dónde: Fricción del fluido en el espacio anular Fricción del fluido en la tubería flexible Ambos valores de fricción son calculados usando un modelo de flujo de fluidos Flotabilidad en el émbolo

Dónde: Fb= Fuerza de flotabilidad (lbs) Dp= Profundidad de la bomba (ft) Ap = Área del émbolo (in2) ACTID= Diámetro interno de tubería flexible Sustituyendo en las ecuaciones de balance de fuerza se obtiene la siguiente ecuación MPRL:

CÁLCULOS PARA GSAU 2-167

La producción y descripción del pozo han sido definidas (Fig 10) , una unidad de bombeo fue seleccionada y las especificaciones de varilla de bombeo han sido determinadas. Una sarta de tubería flexible 1 ¾” x 0.175” 90K fue investigada usando las ecuaciones de balance de fuerza para asegurar un diseño apropiadeo de CTRS. La bomba sería colocada al final de la de 4 ½” a 4003’.

Por lo tanto, la carga de varilla de punta pico es:

Por lo tanto, la carga mínima de varilla de punta pico es:

Las cargas de varilla polish calculadas se comparan favorablemente con la carta dinamométrica actual del GSAU 2-167 (Fig.10)

Dado que las cargas de varilla polish calculadas estaban dentro de los parámetros operacionales para la unidad de bombeo, un diseño de terminación has sido determinado para mecánicamente proveer la producción requerida. La última guía a ser investigada era la resistencia a la fatiga para determinar si el CTRS fue una solución económica.

CÁLCULOS DE FATIGA La industria de tubería flexible ha invertido en una gran cantidad de tiempo y esfuerzo en el estudio de la fatiga plástica de tubería flexible. Hasta el momento, poco esfuerzo ha sido hecho por estudiar el efecto de la fatiga de alto ciclado en tubería flexible. Desde que las pruebas extensivas son requeridas para determinar la capacidad de la tubería flexible, en el interino, un modelo computacional teórico ha sido desarrollado. El modelo toma en cuenta los daños físicos microscópicos que pueden ocurrir en el pozo bajo el rendimiento final de la fuerza del material cuando se expone a estrés cíclico. El modelo fue usado para estimar la vida de fatiga de la tubería flexible de 1 ¾” x 0.175” 90K (Fig 11 y 12). El modelo continuará siendo usado como un punto de referencia hasta que los datos suficientes sean colectados para correlacionar. Debido al hecho de que no existen datos analíticos para confirmar el modelo de fatiga, El diagrama de Stress API Modificado de Goodman fue usado para sustancia que la tubería flexible no sería sobre cargado. A pesar que el diagrama es comúnmente usado para las varillas de bombeo de acero, El material de tubería flexible es comparativo al acero usado en las varillas. La tensión máxima es calculada así:

La tensión mínima es calculada así:

Aplicando los valores calculados a los diagramas API modificados de Goodman, se corrobora que la tubería flexible está operando bajo condiciones de trabajo permitidas.

EQUIPO DE SUPERFICIE Y HARDWARE En las partes más críticas de la terminación con CTRS es el conector atando la tubería flexible en el tubo de succión hueco. Como con la ancla, el conecto prevendrá la tensión cíclica con cada estrangulamiento. Adicionalmente, el conector será sujeto a inercia, resultando en una deformación helicoidal y cargas laterales. Los conectores han sido probados exhaustivamente en la industria de tubería flexible. Instalar un ancla capaz de manejar las repeticiones o las cargas cíclicas no fue la principal preocupación. Hay muchos estilos de conectores disponibles que pueden resistir estas fuerzas.

La principal reservación en el conector fueron las juntas tóricas. Para que el CTRS operara apropiadamente, tuvo que haber un sello hidráulico constante. El sello debió ser capaz de resistir las cargas y operar por un extendido periodo de tiempo. Si las juntas tóricas se barrieran debido a las cargas secundarias, eventualmente fallarían. Incluso una pequeña fuga reduciría enormemente la eficiencia del sistema y fallaría por completo rápidamente. La solución propuesta fue instalar un conector roll-on en la ranura con paradas anti-rotación. El roll-on ha sido probado por muchos años como un conector confiable y proveyó cuatro juntas tóricas. En adición, una manga de apoyo fue manufacturada que se deslizaba sobre la tubería flexible a través del conector. Los tornillos de fijación fueron diseñados para mantener la manga en su lugar. La teoría era que la manga de poyo absorbería cualquier carga secundaria, de este modo reducir a grandes rasgos la posibilidad de fallo de las juntas tóricas (fig. 14)

Desde que el conector superficial estaría adjunto a la tubería flexible sobre la brida, estaría expuesto a tensiones cíclicas muy bajas. La única fuerza aplicada al conector superficial serían las cargas secundarias/laterales debido al peso de la manguera de producción. Para transferir los fluidos producidos desde la tubería flexible hasta la línea de flujo, un sistema reciprocante tuvo que ser usado.Instalado en el conector superficial hay una manguera hidráulica de 3000 psi. La manguera necesita tener suficiente holgura para evitar tensarse durante el estrangulamiento. Para permitir la holgura y evitar que la manguera roce el suelo o enredarse con el cabezal de pozo, una tubería vertical tuvo que ser instalada directamente en la línea de flujo (fig 13)

INSTALACIÓN DEL CAMPO DE CTRS El 20 de septiembre del 2001, el CTRS fue instalado en el GSAU 2-167. El pozo ha sido preparado para colocar el ancla de 4 ½” x 2 3/8” modelo “B” TAC a 3990’. Adjunto bajo el ancla está un ensamble de tubería de 2 7/8” con un ancla de lodo de 2 7/8” El ensamble de broche de cierre de punta fue hecho hasta el fondo de la bomba y todo fue desplazado dentro del pozo utilizando placas de desplazamiento y abrazaderas de tubería de perforación. Mientras es común trabajar con un agujero descubierto mientras se instala la varilla de bombeo, fue una situación única para operaciones de tubería flexible. Para aliviar las reservas de trabajo con un agujero descubierto a la atmosfera y una leve posibilidad de perder el control del pozo. Un camión de paro fue improvisado para lubricar el fluido en el pozo. La tubería flexible fue colocada en el inyector y operada a través del enderezador. La presión hidráulica suministrada al enderezador fue optimizada para remover todas las curvaturas residuales de la tubería flexible. Con la tubería flexible recta, el conector roll-on fue instalado y llegó a la bomba. Para evitar que el barril de la bomba de cayera en el pozo y posiblemente dañarse, el émbolo tuvo que ser estrangulado antes del desplazamiento para ensamble. Una lección valiosa se aprendió durante este procedimiento. Debido al tamaño de la cabeza del inyector y enderezador, la unidad de bombeo necesitada para ser espaciada del cabezal de pozo para darle espacio de operación. Afortunadamente, la unidad de bombeo A se desliza fácilmente del pozo. La bomba fue deslizada al pozo y el cabezal inyector/enderezador llegó al cabezal de pozo. El ensamble se operó dentro del pozo y se enganchó en el ancla. Una prueba de bombeo se realizó para asegurar que las pinzas se engancharon apropiadamente.

Con los componentes de fondo de pozo instalados, era momento de instalar el equipo superficial. El cabezal inyector fue despojado de la tubería flexible, lo que permitió hacer un corte sobre el cabezal del pozo. La tubería flexible ahora estaba parada en el pozo con todo el peso en el ancla. La caja de empaquetadura fue removida de la tubería flexible e instalada en el cabezal. La tubería flexible funcionaría como una varilla polish, eliminando la necesidad de utilizar una línea de varilla polish de 30’ 1 ¾”. Otra opción sería instalar una varilla polish convencional, pero esto requeriría una conexión adicional a la tubería flexible en el área de alta tensión. Con la unidad de bombeo A deslizada en el pozo, el CTRS fue espaciado usando la grúa. Debería notarse que la tubería flexible fue llenada con agua antes de su instalación para eliminar la necesidad de calcular el tramo que afrontaría con una columna de fluido. Las abrazaderas de varilla de succión fueron instaladas en la tubería flexible y aterrizada en la brida. Previo a hacer la conexión final con la línea de flujo, la unidad fue operada para asegurar que todos los componentes estuvieran funcionando adecuadamente. La fase final de la instalación fue conectar el sistema de línea de flujo de producción. Un conector fue soldado en la cima de la tubería flexible y los accesorios fuera de la plataforma fueron usados para asegurar la manguera a la tubería flexible y tubería vertical. Un lubricador de mecha fue asegurado en la cima de la caja de empacadores y el pozo fue puesto en producción.

COMPORTAMIENTO DE POZO CTRS Poco tiempo después del comienzo, el sistema CTRS fue capaz de alcanzar caudales de bombeo de más de 600 BPD. Las figuras 17 y 18 muestran que comparado a la instalación inicial, el sistema CTRS funciona bien: en producción y eficiencia, lo que puede ser correlacionado de las cartas ‘Dyno’ representadas en la siguiente sección.

INTERPRETACIÓN DEL DINAMÓMETRO La carta de dinamómetro en la Figura 19 muestra que modificando los parámetros de entrada, el comportamiento de CTRS puede ser modelado usando lecturas de programas de levantamiento artificial disponibles. El software usado aquí muestra que tan bien el diagrama predicho coincide con el diagrama actual. El modelo usó un émbolo de sarta de succión de una pulgada con algunas barras de hundimiento para representar los dos collares de perforación que fueron usados en el fondo de la sarta tubería flexible. La sarta de una pulgada fue usada en el modelo. Esto se debe a que el área de sección transversal en una de la sarta de varillas de una pulgada está muy cerca de la sarta de tubería flexible de 1.75”

MONITORÉO DE LA BARRA PULIDA, (BARRA POLISH) Mientras las terminaciones de CTRS son instaladas usando una línea de barra pulida, se decidió que para esta instalación la sarta de tubería flexible continua actuaría como su propia sección de barra pulida. Esto provee tres beneficios. En el primer caso simplifica los requerimientos de hardware en superficie. Como la tubería flexible de 1.75” usada para la instalación, una línea de barra pulida de 2” sería requerida. Este no es un tamaño común de línea y también habría requerido el uso de una caja de empacadores modificada.

El segundo beneficio de preceder una línea de barra pulida es que simplifica los requerimientos de instalación. Tales como el uso de tubería flexible como su propia sección de barra pulida, reduce el número de pasos para asentar la terminación. Finalmente esto elimina la necesidad de una conexión superficial de cargas altas en tubería flexible. Como con una instalación de barra de succión alineada correctamente, es anticipado que deba haber un ligero desgaste en la sección de barra pulida del CTRS. La tubería flexible tiene una superficie suave e incluso si está ligeramente ovalado de ser desviado, la caja de empacadores internos tomará la forma de la tubería flexible. Habiendo hecho esta innovación al proceso de CTRS, se sintió que se necesitaba recolectar datos en la sección de barra de succión para ver si algún desgaste apreciable podría ser detectado. La tabla 2 muestra datos de los dos primeros sets de datos de mediciones utilizando un micrómetro digital en las secciones superior, media e inferior de una sección de barra pulida. Un diámetro exterior promedio se reportó debido a la ovalidad de la tubería flexible. En esta instalación, una caja de empaques fuera de la plataforma fue usada como un sistema de mecha para lubricación. A pesar de todo, se puede ver que no ha habido desgastes discernibles. Debido a los errores de medición y la dificultad de evaluar un diámetro exterior promedio, uno de los sets muestra una ligera reducción en el diámetro, mientras las otras dos reportan un ligero incremento en el diámetro. Se asume que la cantidad de desgaste será mínimo pero las mediciones continuarán siendo tomadas

COMPORTAMIENTO GENERAL DEL SISTEMA En la instalación inicial, 9/20/01, la sarta fue colocada con la grúa para asegurar que el sistema estuviera funcionando apropiadamente. El fluido llegaba a superficie con cada estrangulamiento, así que las conexiones de cabezal fueron hechas. Después de encender la unidad de bombeo, las abrazaderas de barra

pulida parecían caerse de la barra portadora como si el CTRS se estuviera apilando o posiblemente pandeando. Hubo algunos problemas al alinear la unidad y el POC, así que la decisión fue hecha para alentar el caudal, del planeado originalmente de 4.1 a 3.2. El sistema parecía controlarse y funcionar adecuadamente hasta alrededor del 10/8/2001. Note que ningún dato de producción fue alcanzado hasta este momento, este pozo es uno de muchos en una misma batería, así que el pozo tuvo que ser puesto a trabajar a tiempo para la prueba del colector. El sistema de CTRS comenzó a apilarse de nuevo, posiblemente por pegues de bomba, así que la sarta y bomba fueron sacadas el 10/10/01. Después de una inspección de la bomba, algunas piezas de metal fueron encontradas en la bomba y esta estaba severamente destruida, en parte debido a las piezas de metal, y en parte por el FeSO2 del pozo. El pozo también contenía alrededor de 2% de H 2S. Las piezas de metal fueron enviadas para ser analizadas, y se encontró que tenían diferente metalurgia a la del CTRS. El metal parecía ser parte de la bomba, y posiblemente algunas basuras producidas. Después de que la bomba estaba lista para re-operar, el sistema fue instalado el 10/15/01. Después de alcanzar la profundidad deseado, la sarta fue un poco más debajo de lo que debía, lo que indicó que parte del sistema de anclaje del agujero perforado se había movido. Un sistema de anclaje revisado fue ideado, operado con una unidad convencional de bombeo y operado sobre la sarta. Después el sistema fue reinstalado el 10/24/01. Para asistir el estrangulamiento de la bomba, el operador agregó dos collares de perforación sobre la bomba para actuar como barras de hundimiento. Esta vez el sistema operó continuamente por alrededor de 10 semanas. Durante vacaciones se encontró que estaban apilándose de nuevo. El 1/10/02, el sistema fue sacado de nuevo y se descubrió que el sistema de anclaje se había separado. Un nuevo sistema de anclaje fue ideado y el sistema volvió a operar en el pozo el 2/11/02. Esta vez el sistema de anclaje era de tipo más permanente. Esto es, que estaba basado en un sistema de empacadores, que tenían parte asentada en línea de alambre, y después el resto del sistema de anclaje estaba al final de la bomba para que se pudiera asegurar como un empaque, pero aún podía ser sacado con la bomba.

ECONOMÍA DEL CTRS Así como con las nuevas innovaciones técnicas se necesita saber la motivación económica para poder justificar e impulsar el proceso. Se anticipa que el CTRS será impulsado por un número de factores económicos. En breve estos son:  Opciones de terminación con agujero pequeño  Costos reducidos de material de terminación  Eliminación de fallos de acoplamiento  Reducción de fallas de desgaste de tubería  Menores requerimientos para el poder de levantamiento

Algunos de los puntos mencionados requieren consideraciones y discusión más allá de la finalidad de este documento. Esta sección se centrará directamente en los aspectos económicos relacionados al asunto del pozo en este artículo. Las tres opciones para producir el GSAU 2-167 fueron operar las barras de succión con una unidad de bombeo convencional o una LSPU, o instalar una terminación de CTRS. La economía de cada terminación fue examinada. Los costos de unidades de bombeo no son incluidos en el análisis por razones que serán descritas, tampoco un LSPU o un ESP fueron necesitados para alcanzar los requerimientos de producción adecuados. Como se mencionó previamente, el ESP fue eliminado como opción económica debido a que las bombas de línea delgada necesitaban ser operadas en revestimiento de 4 ½”. El uso eléctrico estimado sólo para el ESP sería de $2,836.00/mes.

TERMINACIÓN CON BARRA DE SUCCIÓN CONVENCIONAL El GSAU 2-167 originalmente tenía una unidad de bombeo convencional Lufkin 640-305-168 en operación. Para producir los 620 BFPD requerido, el caudal de estrangulador tuvo que ser de 10.85 spm los cuales producirían una velocidad de barra pulida de 1842 in/min. Esto es 23% más que una regla de dedo límite de 1500 in/min para minimizar el desgaste de tubería en la barra. Adicionalmente la sarta de barras diseñada sería cargada al 99% de tensión máxima. Las barras de alta fuerza no podrían ser utilizadas debido a la presencia de H 2S. A pesar de que el sistema no era una opción viable, la economía estaba preparada en cuestión de comparación. (Todos los costos para el sistema de bombeo con barra son listas de precios publicados)

TERMINACIÓN CON CTRS: Con la unidad de LSPU y el CTRS, el máximo de fluidos producidos habría sido de 697 BFPD con la unidad operando a 4.35 spm. De nuevo, esto pudo haber producido una velocidad de barra pulida de 1253 in/min.

Como puede ser visto, la terminación con CTRS fue la opción más cara. La diferencia más notable fue los costos de instalación. Esto es atribuido a dos factores. El primero es que como esta fue la primera instalación de CTRS para el equipo, la curva de aprendizaje estaba alta y la instalación tomó todo el día. Las instalaciones subsecuentes han sido más rápidas y concesiblemente dos terminaciones pudieron ser instaladas en un día con planeación adecuada. Esto pudo reducir los costos de instalación a la mitad. Segundo, una unidad de servicio convencional de tubería flexible fue usada para la operación. En tiempo, si el CTRS es aceptado como una técnica de terminación viable, un paquete de equipo específico será utilizado que debería permitir una reducción en los costos de operación.

CONCLUSIÓN La instalación del CTRS de Goldsmith GSAU 2-167 fue la primera de su tipo en el Basamento Pérmico. En adición era una aplicación única debido a los requerimientos de bombeo de fluidos prolíficos – En exceso de 600 BPD. Muchas metas fueron alcanzadas a través de este proyecto. Los resultados clave de este esfuerzo fueron:  Con excepción de los sistemas de anclaje, el CTRS ha mostrado un comportamiento como el que se espera – ambos mecánico e hidráulico  Los procedimientos de instalación fueron desarrollados, exitosamente implementados y refinados.  Muchos de los beneficios del comportamiento de CTRS pueden mostrados para ser válidos pero requerirá historias de campo más largas para ser probado.  Mejoras continuas están en camino para los sistemas de anclaje del CTRS.

AGRADECIMIENTOS A los autores les gustaría agradecer y gratificar a las siguientes compañías por su apoyo en este proyecto y su permiso para publicar el documento  ChevronTexaco  BJ Services  Coil Tubing Americas 