Estado de la tecnología para la producción en aguas profundas

 

Introducción

Para poder desarrollar un campo en aguas profundas un aspecto importante es la tecnología, que nos ayudará a producirlo y que estará activa a lo largo de la vida de un pozo, en cada una de sus etapas, como lo hemos revisado durante el curso la tecnología acompaña al desarrollo de campos desde las primeras etapas del proyecto con el análisis del lecho marino, monitoreo del entorno, sísmica, estudios especiales, análisis de riesgo, simuladores, etc., todos los estudios anteriores requieren de diversos niveles de tecnología, tienden a subir conforme la complejidad, es decir, se requiere un tecnología más avanzada cuando se requiere explotar hidrocarburos a una distancia mayor respecto a la costa, conforme aumenta el tirante de agua, la capacidad de procesamiento de los equipos entre muchas otras características.

Dadas algunas crisis recientes en la industria, el variante precio del petróleo, guerras financieras y cambiantes posiciones políticas para con la industria, se debe incluir un problema que en ocasiones actúa como barrera para el desarrollo tecnológico, el económico, que pasa de la viabilidad técnica a la económica, lo que hace que la discusión sobre la reducción de costos sea de carácter rigurosa, en especial en aguas profundadas.

Durante el curso se han tratado las distintas tecnologías que involucra un desarrollo de campos en aguas profundas por lo cual en el presente trabajo no incluye una revisión detallada de la tecnología tratada en clase en cuanto a planeación y esquemas del desarrollo submarino, sistemas submarinos de producción, sistemas flotantes de producción.

Objetivo

Desarrollar a partir del poster de deepwater technologies & solutions for concept selection de los años 2018 y 2019 publicado por el offshore magazine el tema de los estados de la tecnología para la producción en aguas profundas.

Desarrollo

ESTADO DE LA TECNOLOGÍA PARA LA PRODUCCIÓN EN AGUAS PROFUNDAS

Para entrar en materia repasaremos el proceso requerido para la ejecución de un proyecto en aguas profundas que se explica en la siguiente imagen:

Dentro de los principales sistemas flotantes de producción tenemos: TLP´s sancionadas, instaladas, operando y decomisadas:

La investigación y los servicios tecnológicos que ofrece el Centro de Tecnología para Aguas Profundas (CTAP) del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) a las actividades petroleras en campos de aguas someras, profundas o terrestres; también comprende estudios geotécnicos y diseño de cimentaciones para la industria civil y obras urbanas como presas, puentes o edificios. La industria naval puede verse igualmente beneficiada gracias al análisis y diseño de embarcaciones para actividades comerciales. Asimismo, la energía eléctrica eólica podría recibir del CTAP del IMP proyectos de infraestructura marina de soporte para turbinas y generadores eléctricos.

Entre los beneficios que el CTAP, en su incipiente trabajo, brinda al sector hidrocarburos y al resto de las industrias referidas, está la formación de recursos humanos especializados; el desarrollo de tecnologías con seguridad operativa e impacto mínimo hacia el medio ambiente; la calificación de tecnologías nuevas o existentes ante condiciones ambientales u operacionales propias de cada proyecto de inversión. Así como la generación de tecnologías diferenciadas para fortalecer la competitividad de la industria nacional.

Cada uno de los laboratorios del CTAP del IMP tiene, además de un alto grado de especialización, características que incluso los distinguen como únicos en México, Latinoamérica o en el mundo, sea por su infraestructura o por ciertos equipos diseñados para el CTAP específicamente

Uno de los programas dedicados al fomento de la tecnología en campos de aguas profundas es el CTAP este asimila, genera y califica tecnologías para el desarrollo y operación de campos petroleros en aguas profundas y ultra profundas, a través de recursos humanos calificados orientados hacia la eficiencia y oportunidad.

El CTAP provee tecnologías y servicios de alto contenido a la industria petrolera para un desarrollo acelerado y eficiente de campos en aguas profundas y ultra profundas, formando recursos humanos especializados de alto desempeño.

Antecedentes

Para la exploración y desarrollo de campos petroleros localizados en aguas profundas y ultra profundas de los mares territoriales, la industria petrolera está recurriendo al uso de tecnologías disponibles en el ámbito internacional; sin embargo, existe la necesidad de la industria para contar con tecnologías para este fin y que cumplan con las características oceanográficas y del suelo marino, de los hidrocarburos y de la producción de México. Por tales motivos, y dada la complejidad de las tecnologías de producción flotantes y submarinas, fue necesaria la creación de un centro de desarrollo tecnológico que atienda las necesidades del sector hidrocarburos para el diseño y la calificación de las tecnologías requeridas para desarrollar los campos mexicanos con seguridad operativa y mínimo impacto al medio ambiente, lo cual ha sido impulsado por el Instituto Mexicano del Petróleo.

En la conceptualización del Centro de Tecnología para Aguas Profundas se tomaron como referencia las principales características en materia de infraestructura, funcionalidad y modos de operación de otros centros de investigación enfocados a la industria petrolera en distintos países.

Asimismo, se llevó a cabo un análisis de la problemática existente en nuestro país, los retos tecnológicos a resolver en materia petrolera en el corto y mediano plazos, y las acciones para contar con un centro integral que cumpliera con las necesidades de la industria. Algunos datos relevantes son los siguientes:

• El CTAP fue conceptualizado desde 2007 para el desarrollo de campos petroleros en aguas profundas en el Golfo de México.
• El campo mexicano descubierto con mayor tirante de agua es Maximino, con una profundidad de 2,933 m, localizado en el área de Perdido, Tamaulipas.
• Las rondas 1 y 2: áreas en aguas profundas, ofrecen nuevas oportunidades para el IMP.

El CTAP ofrecerá investigación y servicios tecnológicos para la industria petrolera y otras:

Actividades petroleras en campos de aguas someras, profundas y terrestres.

• Planeación del desarrollo de campos.
• Determinación de parámetros ambientales y geotécnicos para el diseño de infraestructura.
• Perforación de pozos.
• Aseguramiento de flujo e ingeniería de los sistemas de producción

Proyectos de otras industrias:

• Civil: estudios geotécnicos y diseño de cimentaciones para obras urbanas (edificios, puentes y presas).
• Naval: análisis y diseño de embarcaciones para actividades comerciales.
• Energía eléctrica eólica: diseño de infraestructura marina de soporte para las turbinas y generadores eléctricos.

El CTAP cuenta con variedad de laboratorios especializados de aguas profundas que se mencionaran a continuación

Laboratorio de Calificación de Tecnologías (LCT)

Único en Latinoamérica. Su diferencia con los que existen en Europa, además de su capacidad, es contar con dos bahías de prueba que permiten estudiar dos tecnologías de proceso, ahorrando tiempo en su instalación; aludió el coordinador del CTAP del IMP, Federico Barranco Cicilia.

El potencial de este laboratorio es la calificación y evaluación del desempeño de equipos de proceso y dispositivos para medición de flujo, a fin de estudiar el comportamiento de estos, sujetos a mezclas tipo gas-líquido o líquido-líquido a diferentes condiciones de presión, flujo y temperatura. Aquí se desarrollan modelos para simulación, se evalúan y califican dispositivos de medición de fluidos y equipos de proceso, como separadores de hidrocarburos. El LCT también ofrece servicios de entrenamiento teórico-práctico a operadores de sistemas de producción de hidrocarburos.

Los circuitos experimentales del Loop de baja presión son:

Circuito de prueba multifásico utilizando fluidos modelo (C1).

Circuito de prueba de desarenado y erosión por arenas (C2).

Circuito de prueba multifásico a presión atmosférica (C3).

El C1 tiene condiciones de operación para 50 mil barriles de fase líquida —agua y crudo—, más una fase gaseosa de 2 mil m3/hr de aire. La temperatura de operación es de hasta de 60 grados Celsius.

El C2 permite realizar pruebas experimentales para determinar los efectos de erosión por arenas en conductos y dispositivos mecánicos en contacto con los flujos de hidrocarburos producidos en campos petroleros, así como llevar a cabo pruebas para evaluación de equipos para desarenado. Además, tendrá la posibilidad de reconfigurarse para llevar a cabo pruebas experimentales de separadores ciclónicos.

El C3 está constituido por un separador trifásico con un volumen aproximado de 25 m3, un separador de prueba vertical trifásico, construido en acrílico para la visualización del comportamiento de internos separadores de fases, un conjunto de bombas centrífugas que generan flujos de líquidos hasta por cinco mil barriles por día y un módulo de compresión.

Laboratorio de simulación numérica de fenómenos metoceánicos e hidrodinámicos

En éste, un grupo de investigadores se dedican al diseño y evaluación de sistemas de producción marina. El IMP tiene una vasta trayectoria en el desarrollo de plataformas fijas y desde hace 12 años incursionó en los sistemas flotantes, cuyo primer proyecto, referente a Buques de producción, Almacenamiento y Trasiego (FPSOs) lo llevó a cabo el doctor Federico Barranco; aludió la maestra en ciencias Virginia Rebeca Mora Perdomo, responsable de este laboratorio.

Además de las destacadas habilidades de quienes conforman esta unidad, aquí se desarrollan metodologías enfocadas a la determinación de parámetros metoceánicos para el análisis y diseño de infraestructura marina.

Los objetivos principales son: caracterizar fenómenos meteorológicos y oceanográficos —como viento, oleaje o corrientes marinas, tanto en la superficie como en el fondo— que impactan el diseño y operación de sistemas marinos.

Laboratorio de Geotecnia e interacción suelo-estructura

A decir del doctor en ingeniería geotécnica, Celestino Valle Molina, este laboratorio es el único en México con el equipo más novedoso —estado del arte— para caracterizar dinámica y estáticamente el suelo de aguas someras y profundas mexicanas, donde se pueden realizar proyectos en forma integral; ya que cuenta con un equipo de centrífuga de tres metros de brazo para probar modelos físicos a escala de infraestructura.

El equipo de centrífuga, único en Latinoamérica, sirve para resolver problemas de mecánica de suelos, evaluar la capacidad de carga de cimentaciones y estudiar el comportamiento de ductos submarinos. Su ventaja es la posibilidad de probar los modelos físicos de cimentaciones marinas y ductos submarinos al mismo nivel de esfuerzo que en el campo, porque al aumentar artificialmente el nivel de aceleración de la gravedad, se origina un fenómeno de escalamiento. Por ejemplo, un pilote de succión para cimentar sistemas submarinos o flotantes mide 40 metros de largo por seis de diámetro; con la centrífuga eso se representa con un tubo de sólo 40 centímetros de largo por seis centímetros de diámetro, al ponerla a girar a 100 g´s (g es la aceleración de la gravedad de la Tierra), lo cual se logra al girar el equipo a una velocidad de alrededor de tres vueltas por segundo, generando así las mismas condiciones de esfuerzo que en el campo, por lo que el análisis es a escala real.

Laboratorio de fluidos de perforación, terminación y cementación de pozos

Este laboratorio cuenta con más de 50 sistemas experimentales y equipamiento cuyo diseño es único en el mundo, por estar hecho para atender problemas específicos que personal de Petróleos Mexicanos (Pemex) y del IMP ha identificado en pozos exploratorios de aguas profundas mexicanas. La misión del laboratorio es generar valor tecnológico para la industria nacional y extranjera y ser un referente de progreso en México.

Sus principales objetivos son: proporcionar servicios de alto valor tecnológico al sector hidrocarburos tanto nacional como internacional, evaluar y desarrollar tecnologías propias; las cuales, al igual que sus servicios deben tener seguridad operativa y ser compatibles con el medio ambiente, es decir con nuestro entorno y no deben impactar negativamente los yacimientos. El laboratorio a su vez busca contribuir a la construcción de pozos con calidad de agujero para la exploración y el desarrollo de los campos mexicanos en aguas profundas.

WelTheads

Los welTheads individuales se encapsulan en el fondo del océano dentro de cámaras de presión llamadas bodegas de boca de pozo. Los productos de las cabezas de pozo fluyen hacia un centro múltiple instalado en el fondo del mar que también se mantiene a presión atmosférica. Aquí los fluidos de cada pozo se controlan (se mezclan) y luego se transportan mediante líneas de recolección a una instalación de separación. El centro múltiple también tiene los controles necesarios para desviar los pozos individuales para su análisis. Una plataforma flotante anclada o una estructura fija pueden servir para soportar la instalación de separación.

La atención tripulada en la boca del pozo submarino o en el centro múltiple se proporciona mediante tapas atmosféricas sumergibles que operan desde barcos de apoyo. Las cápsulas contienen su propio sistema de propulsión para maniobrar en su lugar sobre la bodega del pozo o el centro múltiple. Se unen a las estructuras submarinas mediante el acoplamiento de un sello tipo junta. La energía eléctrica para el sistema de propulsión) para el equipo a bordo y un suministro de aire son provistos por cables umbilicales del barco de soporte de superficie.

Planta de proceso

Los casos hasta la fecha se han relacionado principalmente con las intervenciones de pozos y submarinos, y la planta de proceso se ha modelado de manera muy simple por la capacidad de rendimiento y las estadísticas de tiempo de inactividad. Sin embargo, la planta de proceso debe cerrarse cuando la inclinación de la embarcación excede los límites definidos (los movimientos dependen del rumbo relativo de la embarcación a las olas).

Sistema de almacenamiento, descarga y producción flotante

Después de cumplir su objetivo, es decir, la evaluación de un nuevo campo, se debe eliminar un sistema piloto para instalar la configuración final. Con frecuencia, un estudio de viabilidad económica puede revelar que, en lugar de eliminar el sistema piloto, actualizarlo sería adecuado.

La idea básica, por lo tanto, llamada nuevo enfoque para el desarrollo de campo de bajo costo consiste en instalar un sistema piloto basado en un barco de 06 pozos con una torreta diseñada para recibir 12 risers-02 riser por pozo, siendo uno de ellos un ISU (línea de servicio integrado). Además, los tubos en "l" podrán incorporar tubos ascendentes de mayor diámetro, y también tendrán tubos ascendentes disponibles para exportar gas e importar petróleo, el último tubo ascendente solo si es necesario, para procesar el petróleo de un sistema vecino.

Esta unidad puede usarse como un sistema de prueba a largo plazo o como un piloto, también puede ser parte del desarrollo final. El elemento clave, sin embargo, reside en pasar por los 03 pasos sin perder producción o, en el peor de los casos, con una pérdida mínima de producción.

Tecnologías avanzadas

Procesamiento submarino (SSP). Una definición generalizada de SSP es cualquier tratamiento activo de los fluidos producidos en o debajo del fondo marino para mejorar el factor de recuperación del reservorio. SSP generalmente se considera para sistemas con un vínculo a una estructura de host y puede influir en todas las fases de la vida del proyecto. SSP puede aumentar la productividad al:

• Uso de sistemas de bombeo monofásicos o multifásicos para mejorar la energía de conducción de fluidos (refuerzo submarino).

• Separación y eliminación del agua submarina producida (separación en dos fases).

• Separar el petróleo, el gas y el agua submarina (separación trifásica).

Separación submarina.

La separación submarina de gas / líquido implica bombear la fase líquida a través de una línea mientras la fase gaseosa fluye sin bombear a través de una línea separada. Un JIP noruego ha liderado la industria en el inicio de operaciones reales, mientras que los JIP como DeepStar facilitaron los intercambios muy necesarios entre las comunidades de proveedores y usuarios, así como la investigación instigada y la viabilidad y los estudios conceptuales.

El agua submarina / hidrocarburos en separación (eliminación de agua a granel) no tiene un efecto significativo en la vida de producción temprana cuando el corte de agua es inferior al 15%, pero se vuelve más significativo a medida que aumenta la producción de agua. La ganancia en producción es el resultado de la reducción de la carga de líquido transportada en la tubería.

La separación en dos fases puede reducir el tiempo de producción del primer petróleo y los gastos generales de capital. Los gastos operativos también se pueden reducir porque la separación del agua aumenta la producción de petróleo y minimiza la necesidad de productos químicos y remediación.  La separación submarina permite mejores tasas de producción por pozo al tiempo que reduce la cantidad de pozos requeridos.

Sistema de protección de presión submarina de alta integridad (HIPPS)

 Un HIPPS es un sistema de seguridad instrumentado que aísla las instalaciones aguas abajo de una sobrepresión. Los HIPPS han sido aceptados por la industria para aplicaciones terrestres y terrestres durante muchos años.

Conclusión

En los proyectos de aguas profundas, la restricción de reducción de costos es muy importante debido a los altos costos involucrados, puede ser una barrera para el desarrollo tecnológico, así como algunas reglamentaciones por parte del país o las compañías por lo que queda adaptarse e ir creciendo tanto tecnológica como paralelamente con las necesidades y desafíos que la industria petrolera nos impone. Relacionado con esto, el desarrollo tecnológico nos representa a parte de retos oportunidades que deben de tomare, especialmente en un país como México que cuenta con recursos naturales, es decir, hidrocarburos, que deben ser potencializados. El estado de las tecnologías en el caso de México se puede ver atribuido por los diversos servicios que ofrece el CTAP, que está constantemente al pendiente de los proyectos de aguas profundas.

Se concluye también que el avance tecnológico viene desde la producción en la plataforma continental, continua a aguas poco profundas, sigue con las aguas profundas hasta las aguas ultra profundas, el avance tecnológico  se encuentra pues en el dominio donde el despliegue de tecnologías avanzadas es concomitante con el mejor uso de las tecnologías existentes, la producción que pasa de aguas profundas a aguas ultra profundas se basa más estrictamente en el desarrollo y la adopción de tecnologías avanzadas. Aunque siempre existe la preocupación de que el ritmo de adopción de nueva tecnología sea insuficiente para mantenerse al día con la demanda del desarrollo de aguas ultra profundas, la tecnología ha sido y seguirá siendo responsable del crecimiento y el éxito de la producción en aguas ultra profundas.

Finalmente se debe tener en cuenta que una tecnología más moderna no siempre significa que es la mejor para la producción de aguas profundas sino que se debe seleccionar la tecnología que mejor se adapte al proyecto de producción.

Referencias                                  

• https://cdn.offshoremag.com/files/base/ebm/os/document/2019/07/2019_DeepwaterPoster_041019_D18.5d31de6cccc40.pdf
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• https://cdn.offshore-mag.com/files/base/ebm/os/document/2019/06/2018_deepwaterposter_d7out.5cf69289cf748.pdf
• https://www.gob.mx/imp/articulos/centro-de-tecnologia-para-aguas-profundas-ctap-del-instituto-mexicano-del-petroleo
• https://petroquimex.com/el-ctap-del-imp-cuenta-con-otros-cuatro-laboratorios-y-equipamiento-de-vanguardia-segunda-parte/
• Rowe, S. J., Dello Stritto, F. J., Brendling, W. J., & Grittner, S. (2000). Simulating Operating & Production Efficiencies for Deep Water Field Developments. Offshore Technology Conference. doi:10.4043/12209-ms 
• Bybee, K. (2005). State of the Art of Ultradeepwater Production Technologies. Journal of Petroleum Technology, 57(08), 54–70. doi:10.2118/0805-0054-jpt

 ALAN RUIZ 

RRAR