Arena: Remedio y veneno
Por Adam Calvin | Director de Ingeniería de Campo | 27 de octubre de 2023
En los campos de la ingeniería y la medicina, encontrar el equilibrio adecuado es fundamental. Consideremos, por ejemplo, el término griego clásico pharmakon, que significatanto "remedio" como "veneno", dependiendo de la intención, la aplicación y los efectos.
Remedio y veneno
El "pharmakon" del auge del fracking es sin duda la arena, un "remedio" que mejora la producción... y un "veneno" para las líneas de flujo y los equipos.
Como agente de sostén, la arena es abundante, inocua para el medio ambiente y a menudo más eficaz que otras alternativas como la cáscara de nuez o las perlas de acero, vidrio o plástico.
Sin embargo, la arena que acompaña a los hidrocarburos fuera de la formación y del pozo puede taponar y erosionar las líneas de flujo y los equipos de producción, costando cada año al sector millones de dólares en reparaciones o pérdidas. La arena puede incluso dañar el pozo y el revestimiento más allá de un umbral crítico, provocando la desaparición prematura de pozos muy productivos y rentables.
Eliminar la arena del flujo de producción es, por tanto, una necesidad básica. Durante años, esto se ha hecho principalmente con separadores por gravedad o sistemas de filtración, pero ambos tienen serias desventajas: pueden imponer contrapresiones que reducen los volúmenes de producción, y requieren un mantenimiento manual continuo: vaciar manualmente los separadores y cambiar las mallas de los filtros.
Un punto débil añadido de los separadores por gravedad es su escasa eficacia, que suele requerir una serie de voluminosas unidades para capturar toda la arena. El mayor mantenimiento manual que exigen ambos sistemas también eleva tanto la exposición al riesgo del personal como el coste de más mano de obra.
Cosechar el torbellino
Una solución mucho mejor para controlar la arena es el hidrociclón, un innovador dispositivo que utiliza la fuerza centrífuga para separar los sólidos finos de los fluidos.
Si se observa el diagrama siguiente, la corriente de producción entra en el dispositivo y gira en su interior mientras la forma cónica invertida acelera el contenido. La velocidad es suficiente para generar un vórtice, haciendo que los fluidos (tanto líquidos como gaseosos) se concentren en una columna ascendente en el centro y que los sólidos más pesados vuelen hacia el exterior contra la pared interior y se desplacen hacia abajo; los fluidos salen por el rebosadero en la parte superior mientras que los sólidos salen por el rebosadero en la parte inferior.
Un hidrociclón no tiene piezas móviles, ya que aprovecha la velocidad de la corriente de producción para generar la fuerza centrífuga. El diseño pasivo elimina prácticamente los fallos mecánicos y el mantenimiento manual constante, pero su simplicidad, tal como se ilustra en el diagrama, es engañosa.
Para que un hidrociclón sea eficaz y fiable en la gestión de arenas se requiere mucha ingeniería de precisión; una vez más, el equilibrio es fundamental. Los factores clave son el tamaño del dispositivo en relación con el ángulo de la sección cónica, los tamaños de la entrada y la salida, la colocación del buscador de vórtices y la métrica de la válvula de vértice.
Si la velocidad es insuficiente, por ejemplo, la separación será marginal; si es excesiva, las partículas sólidas finas erosionarán rápidamente las paredes interiores o una unidad de construcción débil saltará por los aires provocando un fallo catastrófico que podría causar lesiones al personal. Además, el dispositivo debe ser lo bastante robusto para soportar las altas presiones, a menudo excepcionalmente altas, de los pozos de petróleo y gas.
Elegancia ingenieril: TETRA SandStorm
El hidrociclón TETRA SandStorm, de tecnología avanzada, es un hidrociclón de ingeniería precisa, supereficaz, fiable y seguro que está demostrando su valor sobre el terreno. No impone contrapresiones restrictivas en el flujo de producción ni requiere un mantenimiento manual constante.
De hecho, la tecnología se combina fácilmente con el sistema de control automatizado TETRA BlueLinx para obtener una solución de gestión de la arena que no sólo ofrece una eficacia de separación de la arena de hasta el 99,4%, sino que también reduce significativamente la mano de obra y el mantenimiento.
Lo sabemos porque en repetidas aplicaciones en instalaciones de clientes, las unidades TETRA SandStorm se han instalado junto a trampas ciclónicas de la competencia, ambas con sistemas de filtrado de segunda etapa situados aguas abajo para capturar cualquier arena que se cuele por la primera etapa. Una y otra vez, los filtros muestran que TETRA SandStorm elimina entre el 97 y el 99% de la arena del flujo de producción y supera significativamente a los ciclones de la competencia.
Caso práctico 1: Índice de producción de los Apalaches
En el yacimiento de Marcellus Shale, en el noreste de Estados Unidos, un operador con varios pozos de gas buscaba una solución mejor para recuperar la arena del flujo de retorno. El reto era el elevado caudal de los pozos, de hasta 45 MMCFD, y el variado tamaño de las partículas de arena. Ni un separador ni un sistema de filtrado eran aceptables debido a sus limitaciones en el caudal de producción.
Se propuso el SandStorm de TETRA y, a petición del operador, la tecnología se instaló en paralelo a la de un competidor. Ambos pozos compartían el mismo caudal, volumen de arena y tamaño de las partículas de arena, lo que permitió realizar una comparación equitativa de la eficacia de la recuperación de arena, el impacto en el caudal de producción y el tiempo necesario para eliminar las arenas capturadas.
El sistema de gestión de arenas de TETRA superó al de la competencia, recuperando el 99,4% de la arena con un caudal máximo sin restricciones de 42 MMCFD. De hecho, el sistema SandStorm de TETRA fue tan eficaz que no fue necesaria una segunda etapa y el flujo de retorno no sufrió ningún lavado, evitando así daños por abrasión en el flujo de retorno y en el equipo de producción y ahorrando al operador hasta 10.000 dólares por pozo.
Además de su eficacia inigualable, el sistema TETRA aportó otras ventajas notables. En primer lugar, al ser cuatro veces más pequeño que el sistema de la competencia, el TETRA SandStorm simplificó el transporte y la colocación in situ. En segundo lugar, su diseño sencillo pero robusto eliminó prácticamente la posibilidad de avería de los componentes, el mantenimiento manual y el riesgo y el tiempo de inactividad asociados. Y en tercer lugar, el tiempo necesario para vaciar la arena del TETRA SandStorm fue inferior a cinco minutos, significativamente menos que los 45 minutos necesarios para vaciar el sistema de la competencia.
Caso práctico 2: Gestión de la arena del Pérmico
En la cuenca del Pérmico, al oeste de Texas, se realizó otra comparación. Al igual que en el caso anterior, se equiparon dos pozos con sistemas de gestión de la arena y filtros aguas abajo para medir su eficacia, pero en este caso el contraste fue aún mayor.
La tecnología de hidrociclones SandStorm de TETRA capturó una media del 96,63% de la arena de 132.889 barriles de fluidos, con un pico diario del 100% y varios días del 98% y el 99%. Por el contrario, el desarenador de la competencia capturó una media de sólo el 45,55% de la arena de 126.472 barriles de fluido, con un pico diario del 60%. Además, la solución TETRA era el doble de pequeña que la de la competencia, por lo que, en definitiva, duplicaba la eficiencia y reducía el espacio ocupado a la mitad.
Resolución
Al igual que los crecientes volúmenes de agua producida, los volúmenes de arena seguirán aumentando.
Además de las arenas que utilizamos para fracturar la roca y mejorar la producción, los laterales más largos y los yacimientos más profundos y no consolidados hacen que salga más arena del pozo. Los separadores por gravedad y los sistemas de filtrado seguirán siendo herramientas útiles en determinadas situaciones, pero cuando la gestión de la arena es crítica, lo más sensato es considerar la solución como una inversión para salvaguardar los equipos y el volumen de producción.
Una inversión inteligente es la tecnología avanzada de ciclones TETRA SandStorm.
