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Vlvulas de seguridad de fondode pozo listas para operar

James GarnerSugar Land, Texas, EUA

Kevin MartinBPAberdeen, Escocia

David McCalvinHouston, Texas

Dennis McDanielKerr-McGee Oil & Gas Corp.Houston, Texas

Por su colaboracin en la preparacin de este artculo seagradece a Phillip Hodge, Houston, Texas.ScaleGard es una marca de Schlumberger. Tefln es unamarca registrada de E.I. DuPont de Nemours & Co. Inc.

Las vlvulas de seguridad de fondo de pozo ofrecen mxima proteccin contra el flujo

descontrolado proveniente de pozos productores de petrleo y gas en caso de dao

catastrfico del equipo de cabeza de pozo. Su utilizacin en reas marinas se encuentra

legislada en diversos lugares del mundo para proteger a las personas y el medio

ambiente. Las vlvulas de seguridad han evolucionado, pasando de los relativamente

simples dispositivos de la dcada de 1940 a los complejos sistemas que hoy forman

parte integrante de las terminaciones de pozos marinos de todo el mundo.

Los sistemas de seguridad de fondo de pozo pro-veen cierre de emergencia a prueba de fallaspara detener el flujo de fluido de un pozo en casode dao o inoperabilidad de las vlvulas desuperficie o de la cabeza de pozo. Las vlvulas deseguridad resultan esenciales en los pozos mari-nos y en muchos pozos terrestres ubicados enambientes sensibles o en pozos que producengases peligrosos. El objetivo de su instalacin esproteger a las personas, el medio ambiente, lasreservas de petrleo y las instalaciones de super-ficie. La instalacin exitosa, la operacin seguray la confiabilidad de los sistemas de vlvulas deseguridad son elementos cruciales para eldesempeo eficaz y seguro de un pozo.

Siendo probablemente el componente msregulado de los pozos de petrleo y gas, el sis-tema de vlvulas de seguridad debe satisfacerrigurosos requisitos tcnicos, de calidad y opera-tivos. El examen minucioso de su diseo, fabrica-cin y funcionamiento por parte de losorganismos reguladores y de los operadoresexige que los fabricantes de vlvulas apliquen unnivel de esmero y verificacin superior al apli-cado a los equipos asociados de terminacin depozos y control de flujo. Esto refleja el papel deci-sivo que desempean las vlvulas de seguridad.

Los vientos y las olas del Huracn Lili azota-ron unas 800 instalaciones marinas, incluyendoplataformas y equipos de perforacin, cuandouna tormenta Categora 4 atraves la reginpetrolera del rea marina de Luisiana, EUA, enseptiembre y octubre del ao 2002. A pesar delos sostenidos vientos de 233 km/h [145millas/h], el Servicio de Administracin de

Minerales (MMS, por sus siglas en ingls) de losEstados Unidos inform que la tormenta no habaproducido vctimas fatales ni lesiones entre losoperarios de las plataformas marinas, ningnincendio, ni incidente de contaminacin impor-tante.1 Slo haba ocasionado daos sustancialesa seis plataformas y cuatro equipos de perfora-cin para exploracin. Se reportaron nueve prdi-das de petrleo, dos de las cuales superaban elbarril. Ninguno de estos derrames tena relacincon las seis plataformas severamente daadas.

La prevencin de accidentes es un aspectoimportante de la estrategia de seguridad delMMS. La ausencia de noticias significativasacerca de los derrames producidos durante estatormenta certifica el xito de los protocolos deseguridad establecidos. Como parte del sistemade seguridad, las vlvulas de seguridad de fondode pozo desempean un papel relativamentepoco glamoroso pero decisivo. Al funcionarcorrectamente cuando otros sistemas fallan,estas vlvulas constituyen una proteccin defini-tiva frente al desastre que representa el flujodescontrolado de un pozo.

En principio, una vlvula de seguridad es undispositivo sencillo. La mayor parte del tiempopermanece abierta para permitir el flujo de losfluidos producidos, pero en situaciones de emer-gencia se cierra automticamente y detiene eseflujo. Para efectuar esta tarea se han utilizadodiseos tcnicos sofisticados y desarrolladomateriales de ltima generacin. El mecanismode cierre de la vlvula debe actuar y hacerse her-mtico luego de permanecer varios meses enposicin de apertura y transcurridos unos aos

1. Congdon B, Fagot C y Winbush D: MMS PreliminaryReport Finds Most Facilities Withstood Hurricane Lili; 6Platforms Out of 800 with Severe Damage; MMS BuoyProvides Important Data. Comunicado de prensa delServicio de Administracin de Minerales de EUA (15 deoctubre de 2002).http://www.gomr.mms.gov/homepg/whatsnew/news-real/021016.html.El Servicio de Administracin de Minerales es la agenciade EUA que controla el petrleo, el gas natural y otrosrecursos minerales de la plataforma continental externaestadounidense en aguas marinas federales.

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despus de su instalacin. Procedimientos y tec-nologas especiales aplicados a la reapertura dela vlvula despus del cierre aseguran su confia-bilidad permanente.

Los pozos se perforan y terminan en condicio-nes diversas, de manera que para seleccionar einstalar la vlvula de seguridad de fondo adecuada,es preciso realizar una revisin minuciosa delyacimiento, el pozo y las condiciones ambientales.

Este tipo de anlisis debera tener en cuentaestos factores a lo largo de la vida esperada deuna terminacin, o quizs, durante la vida pro-ductiva de un pozo. Los desarrollos de petrleo ygas en yacimientos de aguas profundas y de altapresin y alta temperatura (HPHT, por sus siglasen ingls), imponen desafos tecnolgicos adicio-nales en lo que respecta al diseo y a la instala-cin de las vlvulas de seguridad.

En esos entornos, donde la intervencin depozos resulta a la vez difcil y costosaamenudo implica varios millones de dlares esta-dounidenses, sin contar la prdida de produc-cinla importancia de contar con un sistemade vlvulas de seguridad confiable es an mayor.Este artculo analiza la evolucin, el diseo y lainstalacin de las vlvulas de seguridad de fondode pozo mediante la descripcin de ejemplos deoperaciones llevadas a cabo en el Mar del Nortey el Golfo de Mxico.

Los desastres impulsan el desarrolloEl primer dispositivo de seguridad para controlarel flujo proveniente del fondo del pozo se utilizen aguas continentales de los Estados Unidos amediados de la dcada de 1940. Esta vlvula deOtis Engineering se dejaba caer en el pozo ante la

inminencia de una tormenta y actuaba como vl-vula de retencin aislando el flujo en caso de queel gasto (tasa, velocidad de flujo, caudal, rata)superara un valor predeterminado. Para recuperarla vlvula haba que desplegar una unidad conlnea de acero (lnea de arrastre, slickline).

Esas primeras vlvulas slo se desplegabanen caso de necesidad, cuando se pronosticabauna tormenta. La utilizacin de las vlvulas deseguridad de fondo de pozo era mnima hastaque en 1949 el estado de Luisiana aprob una leyque exiga la colocacin de un dispositivo de cie-rre automtico debajo de la cabeza de pozo entodos los pozos productores ubicados en aguascontinentales de ese estado.

Lamentablemente, la mayora de las catstro-fes se producen inesperadamente. Las instala-ciones de superficie, incluyendo las vlvulas de

seguridad de superficie, pueden daarse por elimpacto de tormentas o vehculos. Las embarca-ciones que arrastran anclas u otros dispositivospueden producir averas en las instalaciones ubi-cadas en el fondo de lechos lacustres o marinos.Incluso se han producido accidentes al derivarprovisoriamente los equipos de seguridad desuperficie durante el desarrollo de operacionesde adquisicin de registros (perfilaje) e interven-cin de pozos.

La necesidad de contar con un tipo de vlvulade seguridad nuevo y ms confiable surgi a razde los accidentes ocurridos en el Lago deMaracaibo, Venezuela, a mediados de la dcadade 1950, donde los buques tanque que golpearonlas plataformas de perforacin provocaron reven-tones en los pozos. Los productores queran unavlvula que protegiera el medio ambiente encaso de producirse daos severos en las instala-ciones de superficie, maximizando al mismotiempo la produccin. El resultado fue el desarro-llo de una vlvula normalmente cerrada contro-lada desde la superficie; esto significa que lavlvula permaneca cerrada a menos que algnmecanismo la mantuviera abierta. Este meca-nismo lo constitua la presin del fluido transmi-tida a la vlvula a travs de una lnea detransmisin hidrulica instalada en la superficie.

Un reventn producido en 1969 en un pozodel Canal de Santa Brbara frente a la costa deCalifornia, EUA, condujo a la sancin de las regu-laciones de 1974 que exigan la utilizacin de sis-temas de vlvulas de seguridad de fondo de pozoen todas las plataformas e instalaciones marinassituadas en aguas federales de EUA. Las regula-ciones se basaban en requisitos y sugerenciasformulados por un grupo de estudio del InstitutoAmericano del Petrleo (API, por sus siglas eningls), integrado por fabricantes y usuarios devlvulas de seguridad de fondo de pozo.2 El APIha publicado lineamientos clave para los diver-sos aspectos del diseo y la terminacin depozos de petrleo y gas.

La Organizacin Internacional deNormalizacin (ISO, por sus siglas en ingls)revis el trabajo del grupo de estudio del APIpara que satisficiera las necesidades globales.Estas normas ISO tienen amplia aplicacin enproyectos marinos internacionales y en numero-sos desarrollos terrestres. En los Estados Unidos,el MMS asegura el cumplimiento de los requisi-tos de la legislacin federal y estatal.Organismos gubernamentales similares, talescomo la Administracin de Salud y Seguridad enel Reino Unido y la Direccin Noruega dePetrleo en Noruega, desempean esta funcinen sus respectivos pases.

Las normas y recomendaciones desarrolladasa travs de diversas contribuciones industrialeshan generado mayor concientizacin respecto dela seguridad y un mayor compromiso con la miti-gacin del riesgo humano y ambiental. Esteaspecto se torna cada vez ms relevante amedida que la industria busca explotar reservasde petrleo en condiciones operativas mucho msexigentes y severas y ms sensibles desde elpunto de vista ambiental que las prevalecientesen 1974. Los desafos que plantea una produccinde petrleo y gas segura en yacimientos de aguasprofundas y de alta presin y alta temperatura,llevan los esfuerzos de cooperacin de la catego-ra de beneficiosos a la categora de esenciales.

Operacin de vlvulas de seguridadLas vlvulas de seguridad modernas son parteintegrante de los sistemas que protegen prcti-camente todas las instalaciones de produccinmarinas y un nmero creciente de instalacionesterrestres. Estos sistemas resguardan a las per-sonas y al medio ambiente y limitan el movi-miento no deseado de los fluidos producidoshacia la superficie. A modo de seguro contradesastres, estos sistemas deben permaneceresencialmente adormecidos durante largos per-odos, pero han de entrar en funcionamientocuando se haga necesario. El desarrollo de lassofisticadas vlvulas disponibles actualmenteevolucion en etapas claramente definidas.

Las primeras vlvulas de seguridad de fondode pozo se accionaban mediante un cambio en elrgimen de produccin en el fondo del pozo. Esasvlvulas tienen un tubo de flujo equipado con unestrangulador, que es un tubo corto y duro que res-tringe el flujo, creando una presin diferencialentre la parte superior y la parte inferior del tubo.El fluido de produccin que circula por este orificiocrea una presin diferencial en el buje de estran-gulacin; la presin sobre la cara inferior delestrangulador es ms alta que la presin sobre lacara superior. Cuando la fuerza aplicada sobre lacara inferior supera a la combinacin de la presinejercida sobre la cara superior y la fuerza delresorte mecnico que mantiene abierta a la vl-vula, el tubo de flujo sube, y permite que la char-nela se articule en la corriente de flujo y se cierrecontra un asiento aislando el flujo. El gasto nece-sario para que se cierre la vlvula puede prefijarsedurante la fabricacin a travs de la seleccin delresorte y del separador de resorte y mediante elajuste del dimetro del orificio del buje de estran-gulacin (derecha).

Las vlvulas de seguridad accionadas de estemodo generan una restriccin en el pozo quepuede limitar la produccin aunque estn abiertas.

Durante muchos aos luego de la aparicin delas vlvulas de seguridad en la dcada de 1940,estuvo vigente en el mercado estadounidense elsistema de prorrateo, de modo que los gastos delos pozos eran menores que su mximo poten-cial.3 En ese momento, el obstculo que repre-sentaba el diseo y la instalacin de este tipo devlvula para la eficiencia de la produccin no eraun aspecto importante.

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FSFS

P2

P1

F2 F2

Charnela

Resorte de la vlvula

F1 F1

Flujo

> Vlvula de seguridad tpica controlada desde elfondo del pozo. Las primeras vlvulas de seguri-dad eran relativamente simples en lo que res-pecta a operacin y generaban una restriccinimportante de la produccin. La fuerza delresorte de la vlvula, FS, acta sobre el tubo deflujo para mantener la vlvula a charnela normal-mente abierta. La presin por debajo de la res-triccin es P1 y por encima, P2. Estas presionesactan sobre las caras expuestas del pistn, cre-ando una fuerza resultante F1 F2 para cerrar lavlvula. Cuando el fluido fluye en forma ascen-dente, la constriccin produce una presin dife-rencial que aumenta la fuerza de cierre. Lafuerza del resorte est prefijada para un gasto(tasa, velocidad de flujo, caudal, rata) especfico,de manera que cuando el gasto alcanza esevalor crtico, el pistn sube soltando la charnelapara que cierre y asle el flujo de fluido.

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Estas vlvulas de seguridad accionadas o con-troladas desde el fondo del pozo tienen dos limi-taciones fundamentales. Dado que paraaccionarlas se requiere una variacin significativaen el flujo o en la presin de fluido, pueden utili-zarse cuando la produccin normal se limita a unnivel inferior a la capacidad mxima de un pozo.

Este nivel de accionamiento es ajustado y prede-terminado antes de instalar la vlvula de seguri-dad en el pozo. Adems, dado que se requiere uncambio importante en el gasto para accionar elmecanismo de aislamiento, la vlvula no opera encondiciones de bajo gasto en las que el flujo defluido es inferior al nivel de produccin prefijado.

Debido al cambio experimentado por los mer-cados energticos en la dcada de 1970 y a lamayor demanda de produccin, fue necesariodesarrollar un nuevo tipo de vlvula. No obs-tante, cuando se maximiza la productividad de unpozo, puede resultar difcil o imposible tener sufi-ciente flujo adicional en el fondo del pozo paravencer la fuerza del resorte y cerrar una vlvulade seguridad controlada desde el fondo. En estascondiciones, ya no es posible garantizar la ope-racin confiable de los equipos de tipo velocidadde flujo controlados desde el fondo del pozo.

El control de la operacin de las vlvulas deseguridad desde una estacin de control desuperficie y la implementacin de un cierre con-fiable, independientemente de las condicionesdel pozo, eran objetivos clave para los ingenierosde diseo. A comienzos de la dcada de 1960,Camco, ahora parte de Schlumberger, desarrolllos sistemas de vlvulas de seguridad de fondode pozo controladas desde la superficie (SCSSV,por sus siglas en ingls) para satisfacer estasnecesidades (izquierda). Las mejoras introduci-das posteriormente en el diseo dieron comoresultado un perfil interno de vlvula que causauna interrupcin mnima del flujo de fluido dentrodel conducto de produccin mientras la vlvulaest abierta.

FLFL

FSFS

FHFH

FU FU

Aldaba

Sello

Tubera deproduccin

Tubera derevestimiento

Lnea de control hidrulico

Sello

Resorte dela vlvula

FlujoTubo de flujo

y pistn

Charnela

< Vlvula de seguridad de fondo de pozo contro-lada desde la superficie (SCSSV, por sus siglasen ingls). El diseo ms reciente de las vlvulasSCSSV, corresponde a una vlvula normalmentecerrada en la que la fuerza del resorte, FS, actapara empujar el pistn hacia arriba y soltar lacharnela para cerrar la vlvula. La presin decontrol transmitida desde la superficie a travsde una lnea de control hidrulico acta contra elresorte para mantener la vlvula a charnelaabierta durante la produccin. Este diseo depistn concntrico, que ha sido reemplazado enmuchas vlvulas modernas por un diseo de tipovstago pistn, tiene una zona en forma de anilloentre el pistn y el cuerpo de la vlvula sobre laque acta la presin hidrulica para generar lafuerza de apertura FH. La pequea diferencia enlas secciones transversales de la pared del pis-tn entre la cara superior (U) y la cara inferior (L)del mismo agrega una pequea fuerza ascen-dente adicional, FL FU.

2. Las reglamentaciones utilizan las normas 14A y 14B del API.3. Un pozo prorrateado es aqul para el cual su rgimen de

produccin mximo est fijado por la ley.

La vlvula SCSSV es operada a distanciamediante una lnea de control que conectahidrulicamente la vlvula de seguridad, hasta ya travs de la cabeza de pozo, a un sistema decierre de emergencia con suministro de presinhidrulica. El diseo es a prueba de fallas: seaplica presin hidrulica a travs de la lnea decontrol para mantener abierta la vlvula durantela produccin. Si se pierde la presin hidrulica,como podra suceder en una catstrofe, la vl-vula de seguridad se cierra automticamente porla accin de un sistema interno de resortesmecnicos. Se trata de un diseo de vlvula nor-malmente cerrada a prueba de fallas.

Con una vlvula SCSSV, la activacin ya nodepende de las condiciones de flujo en el fondo

del pozo. El control externo permite adems pro-bar la vlvula cuando se desea, lo cual constituyeuna mejora importante en un dispositivo quepuede tener aos de instalacin antes de ser uti-lizado para su funcin primordial.

Sistemas de cierreLos primeros mecanis-mos de cierre de las vlvulas de seguridad secaracterizaban por tener dos diseos principales:uno de vlvula de bola (esfrica) u otro de vlvulaa charnela (arriba). El diseo de la vlvula de bolaes una esferala bolacon un gran orificio quela atraviesa. Cuando este orificio est alineadocon la tubera de produccin, el flujo circula sinimpedimentos. Si la bola se hace girar 90 seobtura el flujo. Las vlvulas de bola son mecni-camente ms complejas de operar ya que el

movimiento lineal del mecanismo de control, quesuele ser un pistn, debe convertirse en movi-miento de rotacin de la bola sobre el sello.Adems, el mecanismo de la vlvula de bola essensible al aumento de la friccin provocado porla presencia de suciedad o acumulaciones deincrustaciones o parafina.

El diseo de la vlvula a charnela, promovidapor Camco a fines de la dcada de 1950, se haconvertido en el mecanismo de cierre ms utili-zado en la industria, incluso para servicios seve-ros donde es esencial la confiabilidad a lo largode toda la vida productiva de un pozo. En esta vl-vula, la charnela acta como una puerta. Un tubode flujo se mueve en una direccin empujando lacharnela para que se abra y permitiendo la circu-lacin a travs de la vlvula. El retroceso del tubode flujo desde la charnela permite que un resortede torsin cierre la vlvula y obture el flujo.

El mecanismo de la vlvula a charnela esmenos susceptible al mal funcionamiento que unarreglo de vlvula de bola y ofrece muchas venta-jas durante la operacin. Es menos probable quelos detritos presentes en la corriente de flujo y laformacin de slidos a partir de incrustaciones yparafina impidan el cierre de una vlvula a char-nela que el de una vlvula de bola. Es ms fcilque una vlvula de bola se dae si se cae unaherramienta operada a cable o se pierde cual-quier otro equipo en el pozo. A travs de las vl-vulas a charnela se pueden bombear fluidos sindaar la superficie de obturacin de la charnela.

La funcin fundamental de una vlvula deseguridad de fondo de pozo es aislar y obturar elflujo cuando situaciones de emergencia exigen lainterrupcin de la produccin del pozo. El API haestablecido una tasa de prdidas aceptable de0.14 m3/min [5 pc/min] para las vlvulas de segu-ridad de fondo de pozo nuevas. Este valor se con-sidera suficiente para contener la presin delpozo. Las vlvulas de Schlumberger son probadassegn un patrn ms riguroso que el exigido porlas especificaciones del API. Una vlvula debecerrarse contra 200 y 1200 lpc [1.4 y 8.3 MPa] y acualquiera de las dos presiones diferenciales deprueba no puede escapar ms de una burbuja denitrgeno en 30 segundos.

Despus del accionamientoLuego de ocu-rrido un incidente que activa una vlvula de segu-ridad, puede ser necesario bombear fluidosdensificados dentro del pozo para controlarlo omatarlo (ahogarlo). Las vlvulas de seguridadgeneralmente se instalan por encima de la mayo-ra de los dems arreglos de fondo, de modo quese necesita un mtodo para que los fluidos de

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Vlvula de bola

Vlvula a charnela

> Rasgos clave de las vlvulas de bola y a charnela. Una vlvula de bolatiene una esfera atravesada por un orificio, que permite el paso del flujocuando el orificio est alineado con la tubera de produccin. Si se hacegirar la bola 90, la parte slida de la bola queda en la corriente de flujo,detenindola (arriba). La vlvula a charnela ms comn funciona como unabisagra con un resorte. Cuando el tubo de flujo est abajo, la charnela seabre, y cuando el tubo sube, la charnela se cierra (abajo).

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control pasen a travs de una vlvula de seguri-dad cerrada. El aumento de presin generado porel bombeo de los fluidos de control de pozo abriruna vlvula a charnela y permitir que los fluidosatraviesen fcilmente el arreglo de la vlvula deseguridad. Una vez que los fluidos de control delpozo estn en su lugar, el resorte de torsin de lavlvula a charnela volver a cerrar la vlvula.

Cuando se requiera poner el pozo en produc-cin nuevamente, deber reabrirse la vlvula deseguridad. La presin positiva que acta desdeabajo mantiene cerrada la vlvula de fondo depozo. En los primeros y ms elementales diseos,la presin en la tubera de bombeo se aplicabadesde la superficie para abrir la vlvula, pero laaplicacin de la presin requerida puede resultardificultosa o impracticable por falta de disponibi-lidad de equipos o debido a restricciones detiempo y costo.

Las vlvulas de seguridad de tipo charnela hoyincluyen un mecanismo de accionamiento que lasabre utilizando una presin diferencial pequeaque no daa el mecanismo de cierre. Las vlvulasde ecualizacin automtica emplean el mismomecanismo de accionamiento y tambin ofrecenun mecanismo para simplificar la presin de ecua-lizacin generada por encima y por debajo de lacharnela cerrada (derecha). Cuando la vlvula deecualizacin automtica est cerrada, queda unespacio entre el extremo inferior del tubo de flujoy la charnela. Un pequeo aumento en la presinde la lnea de control hace descender el tubo deflujo lo suficiente como para desalojar el dardo deecualizacin, el cual abre una pequea trayectoriade flujo hacia la tubera de produccin por debajode la charnela. La presin se ecualiza por encimay por debajo de la charnela permitiendo que la vl-vula se abra suavemente.

Los mecanismos de ecualizacin automticaen los diseos de vlvulas de bola requieren laaplicacin de una presin hidrulica elevada quepuede daar el complejo sistema de cierre,caracterstico de este tipo de vlvulas.

La desventaja potencial de los sistemas deecualizacin de presin es que cualquier meca-nismo o trayectoria de fluido que evite el arreglode cierre presenta una trayectoria de prdidaspotencial que puede contribuir a la falla o al malfuncionamiento de la vlvula de seguridad. Estadesventaja potencial se minimiza todo lo posiblea travs de diseos y mtodos de fabricacinrigurosos que imponen estrictas normas de exac-titud, confiabilidad y aseguramiento de la calidad.

En ciertas aplicaciones, la funcionalidad deun mecanismo de ecualizacin de presin internoconstituye un rasgo esencial de los diseos determinaciones de pozos. En ocasiones, puederesultar imposible ecualizar la presin frente auna vlvula cerrada mediante el bombeo defluido en el pozo desde la superficie. Por ejemplo,en pozos aislados o remotos, bombear fluido den-tro del pozo cuando es necesario, puede ser dif-cil y costoso o quizs el equipo necesario no estdisponible de inmediato o implique un alto costode transporte hasta el lugar en cuestin. Para

estos pozos, se puede utilizar una vlvula deecualizacin automtica a fin de minimizar la pre-sin requerida en la superficie.

Generalmente se opta por minimizar el uso desistemas de ecualizacin automtica durante eldiseo del pozo mediante la seleccin de aplica-ciones y procedimientos operativos que norequieran este tipo de vlvulas.

Sistemas de transporteExisten dos siste-mas caractersticos para la instalacin y recupe-racin de vlvulas de seguridad: tubera deproduccin y lnea de acero. El mtodo elegido

Resorte de la vlvula

Dardo

Charnela

> Mecanismo tpico de ecualizacin automticade las vlvulas de seguridad. Un sistema deecualizacin automticafabricado con mate-riales resistentes a la erosinest diseadopara operar a prueba de fallas con una interrup-cin mnima de la integridad general y de la con-fiabilidad operativa de la vlvula de seguridad.Cuando la charnela se cierra, como se muestraen el diagrama de la herramienta y en el recua-dro (izquierda), el dardo (en rojo) descansa en un asiento y el tubo de flujo (en color tostado) se encuentra levemente por encima del sello dela charnela. Un pequeo aumento de la presinde control hace descender levemente el tubo deflujo y abre una trayectoria de flujo alrededor deldardo (centro). Cuando las presiones existentespor encima y por debajo de la charnela se ecua-lizan, el tubo de flujo desciende para abrir total-mente la vlvula a charnela y el dardo se intro-duce en otro sello (derecha).

para una aplicacin de fondo de pozo incide en lageometra de las vlvulas y en su efecto sobre elflujo de fluido proveniente del pozo (abajo).

Las vlvulas de seguridad que se instalan yrecuperan con tubera de produccin estn dise-adas para formar parte integrante de la sarta deproduccin y se instalan durante la terminacindel pozo con los tubulares y otros equipos defondo de pozo. Para las vlvulas controladas desdela superficie, la lnea de control hidrulico que va ala superficie se adosa directamente a la vlvula deseguridad y se fija a la sarta de produccin cuandosta se baja en el pozo. El beneficio ms impor-tante de las vlvulas recuperables con tubera deproduccin es que no se obstaculiza la produc-cin; el dimetro interno de las vlvulas de segu-ridad es en esencia equivalente al de la tuberade produccin. El dimetro interior completo per-mite adems el acceso al pozo debajo de la vlvulacon herramientas e instrumentos para el control deflujo, la vigilancia rutinaria o los servicios al pozo.

Un arreglo de la vlvula de seguridad que seopera y recupera con lnea de acero se coloca enel pozo despus de instalar la sarta de produc-cin y el equipo de cabeza de pozo de superficie.Este arreglo se asienta y se traba en un niple deasentamiento especial colocado en la sarta deproduccin a la profundidad de colocacin dese-ada, ya sea como componente de la sarta de pro-duccin o como elemento integrante del diseode una vlvula de seguridad transportada contubera de produccin. El niple de asentamientotiene una lnea de control que se extiende hastala superficie a fin de aplicar la presin hidrulicanecesaria para operar la vlvula.

En la mayora de los casos, las vlvulas recu-perables con lnea de acero son ms fciles ymenos costosas de extraer del pozo para su man-tenimiento o inspeccin que los diseos recupe-rables con tubera de produccin. Casi todas lasvlvulas recuperables con tubera de produccinhan sido diseadas para utilizar vlvulas recupe-rables con lnea de acero como sistema secunda-rio; si el primer tipo de vlvula funciona mal, sepuede instalar la vlvula recuperable con lneade acero hasta la siguiente reparacin progra-mada que requiera la extraccin de la tubera deproduccin. En un pequeo porcentaje de termi-naciones, se utiliza un sistema de vlvulas ope-radas con lnea de acero como vlvula deseguridad primaria.

Una vlvula SCSSV recuperable con lnea deacero debe tener una conexin de presin con lalnea de control hidrulica que parte de la super-ficie. El niple de asentamiento tiene dos superfi-cies pulidas a ambos lados de un orificiohidrulico. Los elementos de obturacin de laparte externa de la vlvula recuperable con lnea

de acero se acoplan a estos dimetros internospulidos en el niple. Una vez que una vlvula setraba en su lugar, los sellos contienen la presinhidrulica y la separan de los fluidos del pozo.

Seleccin de materialesEn el entorno deun pozo, donde los fluidos pueden ser corrosivoso erosivos y pueden hacer precipitar incrustacio-nes y slidos orgnicos, es difcil que los equiposde fondo mantengan un alto grado de disponibi-lidad y confiabilidad por mucho tiempo. Las pie-zas baadas por el flujo, que estn en contactocon los fluidos de produccin, deben ser disea-das para resistir la corrosin, la erosin y la for-macin de precipitados o slidos.

Las superficies baadas por el flujo de las vl-vulas de seguridad de fondo de pozo deSchlumberger pueden protegerse con un trata-miento superficial de revestimiento resistente aldepsito de incrustaciones ScaleGard. Se tratade un producto a base de tefln, con un aglome-rante mejorado, que se aplica a las superficiesmediante un proceso de pulverizacin y coccin.El revestimiento, de 0.0013 a 0.002 mm [0.00005a 0.00008 pulgadas] de espesor, no interfiere conla operacin de los arreglos de equipos de termi-nacin que tienen piezas mviles o de movi-miento alternativo y es levemente flexible. Untratamiento con ScaleGard imparte las mismaspropiedades excelentes de reduccin de la fric-cin que las del tefln, incluso en condiciones delubricacin deficientes.

Las incrustaciones, que comprenden diversassales inorgnicas que precipitan a partir de unasolucin acuosa, resisten la adherencia a piezasrevestidas con ScaleGard ya que las superficies

de tefln resisten el humedecimiento con solucio-nes acuosas y orgnicas. Los revestimientos deScaleGard tambin tienen excelente resistencia alos productos qumicos y al calor. La seleccin demateriales, el diseo de componentes y el reves-timiento de piezas baadas por el flujo, contribu-yen a aumentar la eficacia y la confiabilidad delas vlvulas de seguridad de fondo de pozo.

Integridad del sistema de vlvulasEn el pasado, los sistemas de vlvulas de seguri-dad funcionaban mal por fallas o problemas conlos componentes ajenos a la vlvula SCSSV pro-piamente dicha. Para que los componentes de lospistones y las charnelas de estos dispositivosfuncionen correctamente, la lnea de control, elfluido de control y los sistemas de control desuperficie tambin deben ser diseados, fabrica-dos, instalados y mantenidos correctamente.

Una de las causas del mal funcionamiento delos sistemas de vlvulas de seguridad ha sido lapresencia de pequeas cantidades de detritos enel fluido de control hidrulico. La proteccinbsica frente a este riesgo que puede alterar laconfiabilidad consiste en proveer al personaloperativo los mecanismos y la capacitacinnecesarios para aplicar estrictas normas de ope-racin y mantenimiento de los sistemas de vl-vulas de seguridad de fondo de pozo a lo largo detoda su vida til. Los sistemas de filtracin defluidos de control de Schlumberger que puedeninstalarse en los equipos de superficie y de fondode pozo para minimizar este riesgo aportan pro-teccin adicional. Muchos de los diseos de vl-vulas de seguridad para aguas profundas incluyen

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Panel de control de superficie

Lnea de control hidrulico

Acoplamiento de flujo

Sellos

Vlvula de seguridadrecuperable con tubera

de produccin

Niple de asentamientohidrulico

Acoplamiento de flujo

Vlvula de seguridadrecuperable con lneade acero (slickline)

> Comparacin entre los sistemas de vlvulas de seguridad recuperables conlnea de acero y con tubera de produccin. El sistema recuperable con lneade acero se caracteriza por estar trabado en un niple de asentamiento insta-lado en la columna de terminacin y sellar ambos lados del orificio de la lneade control para aislar el fluido de control de los fluidos del pozo (izquierda). Elsistema recuperable con tubera de produccin forma parte integrante de lacolumna de terminacin (derecha). El dimetro interno de la vlvula es similaral dimetro interno de la tubera de produccin.

Primavera de 2003 61

ahora este sistema de filtracin como compo-nente integrante del resto del equipamiento paraasegurar la integridad operativa durante toda lavida til de la instalacin de un pozo.

El fluido de control de las vlvulas de seguri-dad debe funcionar correctamente ante la expo-sicin a una amplia gama de temperaturas ypresiones. Adems debe mantener la viscosidad,la lubricidad y las condiciones generales queaseguran el funcionamiento permanentementesatisfactorio de las vlvulas de seguridad. Eltiempo de cierre de una vlvula de seguridadel lapso transcurrido entre el inicio de la accinen los controles de superficie y el cierre de la vl-vuladepende en gran medida del diseo y laprofundidad de colocacin de la vlvula de segu-ridad y de la viscosidad del fluido de control. Elfluido de control debe ajustarse a todas las con-diciones operativas previstas a fin de garantizarel desempeo ptimo de la vlvula.

Histricamente, se han utilizado fluidos decontrol base aceite. Sin embargo, el diseo delos sistemas de control utilizados para los siste-mas de pozos modernos a menudo implica laliberacin de la presin de control en el fondo delmar para reducir el tiempo de respuesta opera-tiva. Seguros desde el punto de vista ambiental,los fluidos de control base agua fueron desarro-llados para esta funcin y se caracterizan pormantener los requisitos de alto desempeo delos fluidos de control base aceite. Ahora existenfluidos sintticos para casos en los que el

entorno operativo supera las capacidades de losfluidos base agua y base aceite en trminos deproductos qumicos y temperatura.

Las vlvulas de seguridad siempre son some-tidas a pruebas funcionales de acuerdo con lasespecificaciones API en el momento de su fabri-cacin; muchos organismos gubernamentalesregulan y exigen que se realicen esas pruebas.Dado que las sensibilidades operativas varansegn el tipo de vlvula, el modelo y el fabricante,se debe consultar el manual de operaciones quecorresponda para establecer los procedimientosoperativos y las restricciones aplicables a undiseo de vlvula especfico.

El diseo de los sistemas de vlvulas de segu-ridad de avanzada debe contemplar la resolucinde problemas de funcionamiento de manera depoder reanudar las operaciones de produccin ala mayor brevedad posible. Muchos organismosreguladores prohben la produccin si no secuenta con un sistema de vlvulas de seguridadfuncional. El pozo debe contar con herramientaspara contingencias, con modos de operacin pre-parados para reanudar o continuar con las activi-dades de produccin en forma segura hasta quese lleve a cabo la siguiente intervencin o repa-racin programada importante. Por ejemplo, amodo de proteccin frente a contingencias, cier-tos sistemas de vlvulas de seguridad recupera-bles con tubera de produccin estn diseadospara quedar en posicin de apertura y tieneninsertado un arreglo de vlvulas de seguridad

recuperable con lnea de acero para utilizar elmismo sistema de control, como se describianteriormente. Si bien es posible que el arreglode vlvulas secundarias restrinja en ciertamedida el flujo, la produccin puede continuar almismo tiempo que se preserva la funcionalidadnecesaria para garantizar la seguridad del pozo.

El flujo turbulento puede ocasionar prdidasde materiales desde las paredes de los tubularespor encima y por debajo de alguna restriccin ocambio de perfil en los tubulares de produccin,como puede suceder con las vlvulas de seguri-dad. A menudo se instalan acoplamientos deflujo de paredes resistentes en la tubera, porencima y por debajo de los arreglos de vlvulasde seguridad, para proteger la sarta de la erosinen estos puntos. Siempre se recomienda, y enciertos casos las regulaciones exigen, el uso deacoplamientos de flujo con arreglos de vlvulasde seguridad recuperables con lnea de acerodebido a la mayor restriccin y a la creciente tur-bulencia creados por el cambio en el perfilinterno de los conductos de flujo.

Optimizacin del flujo en forma seguraA menudo se utiliza un enfoque sistemtico paraseleccionar los tubulares de produccin y los com-ponentes de terminacin para pozos productoresde petrleo y gas. Esto asegura que el desempeoglobal de la sarta de terminacin utilizada seacompatible con la productividad del yacimiento yque el conducto que comunica el yacimiento conlas instalaciones de superficie sea eficiente.

El diseo de las terminaciones apunta a mini-mizar los probables efectos de la corrosin y laerosin generados por los slidos y los fluidosproducidos. Las condiciones de produccin pue-den cambiar o superar el desempeo esperado,de manera tal que los regmenes de produccinde un pozo resulten superiores a los previstos. Enconsecuencia, los ingenieros de produccin tie-nen dos opciones si desean utilizar la termina-cin existente: restringir la produccin deacuerdo con las limitaciones del diseo de termi-nacin original; o investigar cmo incrementarlos niveles de produccin manteniendo al mismotiempo un factor de seguridad aceptable dentrode los lmites del equipo instalado.

BP adopt sta ltima metodologa para lospozos gasferos del campo Bruce, ubicado en laporcin septentrional del Mar del Norte (arriba). Eldesarrollo comenz en 1992 y la primera produc-cin de petrleo y gas se obtuvo en 1993. Un estu-dio destinado a evaluar el impacto de los cambiosen la produccin sobre la operacin de las vlvu-las de seguridad se concentr en los pozos sub-marinos terminados a fines de la dcada de 1990con tubera de produccin de 512 pulgadas y vl-

Mandril de inyeccin de productos qumicos a 11,435 pies

Vlvula de seguridad defondo de pozo a 937 pies

Empacador de produccin a 12,339 pies

Tubera de revestimiento corta(liner) y terminacin inferior

Mandril de inyeccin de productos qumicos a 11,571 pies

Aberdeen

St. Fergus

Islas Shetland

Islas Orkney

M a rd e

lN

or t

e

REINOUNIDO

150 km750

100 millas500

Campo Bruce

> Campo Bruce, rea marina de Aberdeen, Escocia. A la derecha se muestra un diseo de pozo delcampo Bruce. La vlvula SCSSV est colocada a una profundidad somera; 937 pies [286 m]. Los man-driles de inyeccin de productos qumicos estn a mayor profundidad dentro del pozo.

vulas de seguridad Camco TRM-4PE, recupera-bles con tubera de produccin. El diseo deestas vlvulas incorporan sellos dinmicos noelastomricos, hechos de tefln y que incluyenun fleje tensado y un anillo (O-ring), y un sistemade ecualizacin automtica (abajo).

Las pruebas de pozo y los primeros datos deproduccin indicaban una mecnica de rocassegn la cual la formacin prospectiva del campoBruce era competente y tena mnimo potencialde produccin de arena. Las pautas operativas

recientemente revisadas, adoptadas por BP en elcampo Bruce, determinaban una velocidad defluido mxima de 230 pies/seg [70 m/s] para laproduccin nominal de gas libre de slidos (pro-duccin de arena inferior a 0.0016 g/m3 [0.1lbm/MMpc]). Sobre esta base, BP decidi elevarel lmite de velocidad de produccin para las con-diciones de produccin de flujo multifsico (poli-fsico) libre de slidos en las terminaciones delcampo Bruce. Sin embargo, el rgimen de pro-duccin de muchos pozos se mantena restrin-gido por el lmite operativo de 110 pies/seg [34m/s] de las vlvulas de seguridad instaladas.

Segn estimaciones de BP, al elevar el lmite develocidad de fluido de 110 a 230 pies/seg en lospozos del campo Bruce, la produccin adicionalsera de 425,000 a 566,000 m3/d [15 a 20 MMpc/D]por cada pozo. La ejecucin de una nueva termina-cin o la reparacin del pozo para permitir esteincremento de la produccin no se considerabancriterios viables, de modo que se realiz una re-evaluacin de los lmites impuestos sobre eldesempeo y la capacidad de las vlvulas SCSSV.

A modo de rutina y como parte del proceso devalidacin del diseo del producto, las vlvulasde seguridad de fondo de pozo son sometidas apruebas operativas bajo condiciones de flujonaturalconocidas como pruebas de cierre ins-tantneo (gas-slam)utilizando especificacio-nes API e ISO. Estas pruebas estndar se llevana cabo a velocidades de flujo relativamentebajas; de unos dcimos de pies por segundo.

Para velocidades de flujo de gas mayores, serequieren equipos especiales para realizar estaspruebas en las vlvulas y supervisar su desem-peo. La restriccin aplicada previamente porSchlumberger, de 110 pies/seg, para la operacinde las vlvulas de seguridad serie TRM-4PE seestableci utilizando estas pruebas de diseoconvencionales.

Adems se realizaron pruebas adicionales decierre instantneo de vlvulas de seguridad en elcentro de pruebas de BG Technology Limited, enBishop Auckland, Reino Unido, uno de los tresnicos lugares del mundo capaces de llevar acabo estas pruebas de cierre instantneo bajo

condiciones que reproducen lo mejor posible lascondiciones del campo Bruce.

El objetivo principal de estas pruebas eradeterminar si las vlvulas de seguridad serieTRM-4PE podan utilizarse en forma segura yconfiable con regmenes de produccin equiva-lentes a 230 pies/seg. Parte de este procesoestableci la velocidad de flujo de gas mximafrente a la cual se cerrara mltiples veces la vl-vula, manteniendo al mismo tiempo una opera-cin confiable y la capacidad de obturacin conuna tasa de prdidas aceptable; el valor admisi-ble de 5 pc/min establecido por el API. La opera-cin confiable se determina midiendo laspresiones operativas hidrulicas concordantes yconsistentes de la vlvula. El procedimiento delas pruebas de cierre instantneo y el instrumen-tal asociado fueron diseados para vigilar enforma rutinaria el desempeo de los componen-tes clave de las vlvulas de seguridad, inclu-yendo el mecanismo de charnela y asiento, elsistema hidrulico y el mecanismo de activacinde la vlvula de ecualizacin.

El cierre de las vlvulas se verific aplicandouna serie de flujos msicos diferentes, llevndosea cabo la inspeccin visual de los componentescrticos despus de cada serie de pruebas. Laspruebas iniciales con velocidades de 110 pies/segse efectuaron primero para establecer un punto dereferencia para el desempeo operativo del sis-tema hidrulico y del mecanismo de cierre de lavlvula. Luego se aplicaron aumentos gradualesdel flujo msico (abajo). Con posterioridad al cierreinicial y nuevamente, al cabo de cinco ciclos deapertura y cierre, se realizaron mediciones preci-sas de las prdidas observadas.

El objetivo era probar con xito la vlvula deseguridad a una velocidad de 230 pies/seg.Alcanzado el objetivo, se aplicaron gastos adicio-nales, ms agresivos, para establecer el lmitedel actual diseo de vlvula. Luego se aplicaronexitosamente pruebas de 122 m/s [400 pies/seg]para producir el cierre, pero el rgimen de 107m/s [350 pies/seg] fue considerado como lmitede operacin confiable para los componentes dela vlvula estndar en uso.

62 Oilfield Review

Lnea de controlhidrulico

Resorte de la vlvula

Charnela

> Arreglo de la vlvula de seguridad TRM-4PEutilizado en el campo Bruce. La serie TRM, recu-perable con tubera de produccin, tiene un dise-o compacto y simple que se adecua a una am-plia gama de tipos de terminaciones. La cantidadde sellos y conexiones incorporados en el arreglode la vlvula se minimiza para reducir el riesgode prdidas.

Velocidadobjetivo,pies/seg

Presin aguas

arriba, lpc

Temperaturaaguas

arriba, C

Gasto,Mpc/D

Velocidad medida, pies/seg

Gasto msico, lbm/seg

Tasa de prdidas en el momento del

cierre, pc/min*

Tasa de prdidas al cabo de 5 ciclos,

pc/min*

110

150

230

300

350

400

740

739

751

755

739

723

19

20

15

14

11

11

63.40

86.84

137.23

179.80

209.88

235.08

110

152

230

297

350

401

36.74

50.33

79.54

104.16

121.65

136.26 0.130

0

0

0

0

0

0.167

0.200

0.130

0

0

0

* La tasa de prdidas admisible, establecida por el API es de 0.14 m3/min [5 pc/min]

> Resultados de la prueba de cierre instantneo (slam test).

Primavera de 2003 63

Como resultado de las pruebas realizadas enla vlvula de seguridad y del estudio de ingenie-ra efectuado sobre el sistema de terminacin, ellmite del rgimen de produccin para los pozosdel campo Bruce en los que resultaba aplicablepas de 110 a 230 pies/seg. Este incremento seconcret sabiendo que el desempeo del equipoestaba garantizado y que cualquier cuestin rela-cionada con la seguridad o la proteccin del pozohaba sido resuelta con xito.

Al cabo de 12 meses, el benecio adicionalen trminos de rgimen de produccin de cadauno de los pozos del campo Bruce con produccinrestringida fue de 255,000 m3/d [9 MMpc/D] degas y 63.6 m3/d [400 B/D] de petrleo. Por otraparte, los resultados de las pruebas indican quepodran considerarse aumentos de gastos paraterminaciones adicionales con instalaciones devlvulas SCSSV similares.

Consideraciones acerca de los sistemas de vlvulasDesde la dcada de 1980, numerosas compaasde petrleo y gas colaboraron en la ejecucin deun importante estudio de conabilidad de las vl-vulas SCSSV, que inclua datos de fabricantes devlvulas y compaas operadoras con participa-ciones en reas marinas de Brasil, Dinamarca,los Pases Bajos, Noruega y el Reino Unido. Elestudio, originalmente emprendido por laFundacin para la Investigacin Cientfica eIndustrial del Instituto Noruego de Tecnologa(SINTEF, por sus siglas en ingls) y actualmente acargo de Wellmaster, es el mayor trabajo deinvestigacin encarado hasta el momento sobrela experiencia operativa con este tipo de vlvu-las. Las conclusiones del informe de la SINTEF de1989 incidieron en las vlvulas de seguridaddesarrolladas desde entonces.4 Estas conclusio-nes incluyen los siguientes resultados: Las vlvulas de seguridad recuperables con

tubera de produccin son ms conables quelas vlvulas que se recuperan con lnea de acero.

Las vlvulas a charnela son ms conables quelas vlvulas de bola.

Las vlvulas no ecualizadoras son ms cona-bles que las vlvulas de ecualizacin automtica.

Debera considerarse la necesidad de realizarpruebas funcionales rutinarias para identicarproblemas frente al riesgo de imponer condicio-nes o causar daos durante la prueba, que afec-ten la operacin o la conabilidad de las vlvulasde seguridad.

Los avances producidos en la ciencia de losmateriales y en el diseo de componentes, suma-dos al aseguramiento de excelente calidad queofrecen los materiales y la manufactura, conti-nan mejorando la conabilidad de los sistemas

de vlvulas de seguridad, satisfaciendo al mismotiempo los rigurosos requisitos de las pruebas decierre instantneo y la necesidad de disponer degrandes dimensiones para el ujo en los diseosde pozos modernos de gran productividad. En unestudio realizado por la SINTEF y Wellmaster, semuestra que el tiempo promedio antes de que seproduzcan fallas en las vlvulas a charnela recu-perables con tubera de produccin pas de 14aos en 1983 a ms de 36 aos en 1999; ao enque se efectu el estudio.5

Las inuencias tcnicas y econmicas impul-san el desarrollo tecnolgico de diferentes mane-ras. La aplicacin de las actuales vlvulas deseguridad de fondo de pozo se divide en trescategoras generales: convencionales, de altapresin y alta temperatura, y de aguas profundas.

Los sistemas de vlvulas de seguridad con-vencionales se instalan en condiciones de pozopredecibles o conocidas y requieren poca o nin-guna ingeniera o material especial. Los operado-res pueden prever que estos pozosexperimentarn alguna intervencin econmica-mente viable durante su vida productiva, quesiempre es ms breve que la de los pozos deavanzada para los cuales las intervenciones nose planican o no son factibles. El impulsor clavepara la seleccin de componentes en una insta-lacin convencional es la conabilidad a un pre-cio econmico.

Los diseos de terminaciones en entornos dealta presin y alta temperatura y en ambientes deaguas profundas responden a normas de cona-bilidad ms rigurosas, en las que se hace hincapien una operacin segura y eciente que optimicela produccin del yacimiento a lo largo de toda lavida productiva de un pozo. Estas aplicaciones msextremas exigen conceptos de diseo probados,que minimicen la cantidad de sellos y conexionespara reducir las trayectorias de prdidas poten-ciales, y utilizan materiales que no se vern afec-tados por las condiciones previstas y las cargasaplicadas a lo largo de la vida til de la vlvula.

Las intervenciones son cada vez ms costo-sas, aun cuando se planiquen con anticipacin.Los componentes de las terminaciones de pozosdeben durar cada vez ms. Los costos, la comple-jidad y los riesgos que ocasionan las reparacio-nes o las intervenciones con lnea de aceropueden resultar prohibitivos en los pozos subma-rinos. La ingeniera y las actividades relacionadascon el aseguramiento de la calidad para condi-ciones de diseo tan exigentes e interdependien-tes, requieren que las soluciones se formulencaso por caso o segn el proyecto en cuestin.

Los ingenieros y diseadores de equipos defondo de pozo trabajan bajo constante presinpara extraer el mximo provecho de la geometra

del pozo disponible sin sacricar la conabilidad oel valor del sistema. El dimetro de la tubera derevestimiento depende en gran medida de lascondiciones de perforacin, de modo que losingenieros responsables de disear los compo-nentes de la terminacin, incluyendo las vlvulasde seguridad, deben proveer la funcionalidaddeseada sin sacricar el rea de ujo disponibleen el conducto de produccin. Los materiales dealta resistencia permiten reducir el espesor de lasparedes de los componentes, sin embargo, tam-bin se debe examinar la compatibilidad con cual-quier uido de pozo potencialmente corrosivo.

De un modo similar, el diseo de vlvulaspara instalaciones de alta presin y alta tem-peratura demanda una construccin ms slidaen lo que respecta a los componentes que so-portan cargas o presin. La seleccin de materia-les y el diseo de componentes de avanzada sonlas herramientas clave para la resolucin de esteproblema. El innovador sistema de cierre concharnela curva es un ejemplo de cmo los in-genieros creativos que se especializan en diseolograron aumentar el dimetro interno de lasvlvulas de seguridad sin aumentar las dimensio-nes externas del arreglo de la vlvula (arriba).

> Vlvula de seguridad con charnela curva. Eldiseo curvo de la charnela admite un mayor di-metro interno para el conducto de produccin. Lasaletas de la charnela estn perladas para ocuparun radio ms pequeo que el que permitira undiseo de charnela plana convencional. Estoofrece ventajas importantes cuando la geometradel pozo o de la vlvula de seguridad es crtica.

4. Molnes E, Holand P, Sundet I y Lindqvist B: Reliability ofSurface Controlled Subsurface Safety Valves Phase III,Main Report, Informe de la SINTEF STF F89030, SINTEF,Trondheim, Noruega (Octubre de 1989).

5. Experience Databases, Web site de Wellmaster, wellmas-ter.iku.sintef.no/expdb.htm, visto el 9 de diciembre de 2002.

Las vlvulas de seguridad con charnelas curvasse ajustan al dimetro interno y externo de lastuberas de revestimiento de menor dimetromejor de lo que jams se haya imaginado.

Colocacin de vlvulas a gran profundidadLa profundidad de colocacin de una vlvulaSCSSV se encuentra limitada por la superficiehidrulica til necesaria para producir el cierrede la vlvula. En la actualidad, prcticamentetodas las vlvulas de seguridad de fondo de pozoson vlvulas normalmente cerradas, que requie-ren una fuerza positiva para mantenerse abier-tas. Esa fuerza la suministra la presin de la lnea

de control hidrulico que se extiende hasta lasuperficie; la presin hidrosttica ejercida por elfluido de la lnea hidrulica provee una fuerzaconstante que se aplica contra el mecanismo decierre de la vlvula. En caso de prdida en lalnea de control, la presin de control podraaumentar si un fluido ms denso proveniente delespacio anular de la tubera de produccin se fil-tra dentro de la lnea de control. Para aseguraruna operacin a prueba de fallas, la presin decierre del mecanismo de resorte de una vlvulade seguridad debe ser superior a la presinpotencialmente aplicada en cualquiera de loscasos mencionados.

En 1978, Camco introdujo un sistema deaccionamiento de tipo vstago pistn que ha sidoadoptado por la industria para las vlvulas recu-perables tanto con tubera de produccin comocon cable (izquierda). La superficie hidrulica serestringe al rea transversal de un vstago pistnpequeo que opera el tubo de flujo. Adems dereducir en forma sustancial el efecto de la pre-sin hidrosttica del fluido de control, los dime-tros de los sellos son ms pequeos, de modoque se requiere menos fuerza para superar lafriccin de los sellos. Con la vlvula de tipo vs-tago pistn es posible asentar las vlvulas a msde 609 m [2000 pies] de profundidad vertical ver-dadera (TVD, por sus siglas en ingls). Con dise-os an ms pequeos, las vlvulas tipo vstagopistn pueden colocarse a profundidades de2438 m [8000 pies] TVD. Se han utilizado diver-sos mecanismos para superar esta restriccin deprofundidad, incluyendo lneas equilibradoras ysistemas de resorte alojados dentro de cmarascon gas comprimido.

Tambin se puede lograr mayor profundidadmediante la utilizacin de una cmara cargadacon nitrgeno como fuerza equilibradora, la cualacta en conjuncin con el resorte mecnico dela vlvula. Esta carga se predetermina para quecompense la presin hidrosttica que podraexistir en el peor de los casos en la lnea de con-trol hidrulico a la profundidad de instalacin dela vlvula, permitiendo as profundidades decolocacin de ms de 3658 m [12,000 pies] TVD.Recientemente se colocaron tres vlvulas deseguridad TRC-DH a profundidades que oscilanentre 3062 y 3066 m [10,047 y 10,060 pies] en elGolfo de Mxico, estableciendo un rcord en laindustria.

Tambin se requirieron cambios en el diseode los sellos de las vlvulas SCSSV para quesoportaran presiones y temperaturas de pozoms elevadas. Los materiales de obturacin elas-tomricos pueden degradarse a altas temperatu-ras y en entornos qumicos hostiles. Con eltiempo, se puede deteriorar la confiabilidad y laeficacia de las vlvulas de seguridad que utilizanselladores elastomricos. Camco desarroll laprimera vlvula de seguridad que reemplaza a lossellos elastomricos por sistemas de sello metala metal.6 En los ltimos aos, esta tecnologa secombin con los sistemas de sello hechos detefln y que incluyen un fleje tensado y un anillo,para satisfacer la creciente severidad de las apli-caciones de vlvulas de seguridad.

La explotacin de yacimientos en aguasprofundas depende de que se superen ciertosdesafos tcnicos que unos aos atrs se consi-

64 Oilfield Review

Lnea de control hidrulico

Aldaba

Tubera deproduccin

Tubera derevestimiento

Sello

VstagosCuerpo

Resorte dela vlvula

Asiento dela vlvula

Tubo de flujo

Charnela

Flujo

FUFH FH

FS

FLFL

FS

FU

> Vlvula SCSSV de tipo vstago pistn. En este diseo de vlvula, la presinde control hidrulico, FH, acta sobre un arreglo tipo vstago pistn que reem-plaza a la mayor superficie hidrulica en forma de anillo del diseo de vlvulade pistn concntrico. La menor seccin transversal de este diseo permiteutilizar resortes ms pequeos, lo cual es importante para las vlvulas coloca-das a gran profundidad.

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deraban insalvables. Kerr-McGee Oil & Gas Corp.se centra en el desarrollo de reas de produccinprincipales con gran potencial, tales como elambiente de frontera de aguas profundas, apli-cando un enfoque riguroso en trminos de cos-tos, calidad y tecnologa. Sus conocimientostcnicos y la rpida respuesta a oportunidades ydesafos permiten a Kerr-McGee completar de-sarrollos y alcanzar la primera etapa de pro-duccin dentro de marcos temporales agresivos.

El desarrollo de los campos Nansen y Boomvang,puestos en operacin en la primera mitad del ao2002, sac provecho de este enfoque (arriba).7

Ubicado en el Golfo de Mxico, unos 217 km[135 millas] al sur de Galveston, Texas, EUA, elcampo Nansen yace a 1121 m [3678 pies] de pro-fundidad de agua. El campo se ha desarrolladomediante una combinacin de pozos submarinoscon rbol de produccin sumergido y pozos conrbol de produccin seco en la plataforma (paramayor informacin acerca de rboles de produc-cin sumergidos y secos, vase Buenas expecta-tivas para los pozos en aguas profundas, pgina38). A estas profundidades de agua, se requiereun sistema de vlvulas de seguridad para altasprofundidades equipados con resorte y nitrgenocomprimido. Con este sistema, la vlvula de segu-

ridad tambin puede colocarse debajo del reacrtica del pozo donde la formacin de incrusta-ciones, parafina u otros depsitos similarespodran afectar la operacin o la confiabilidad delmecanismo de cierre de la vlvula. El campovecino Boomvang fue desarrollado en forma para-lela utilizando tecnologas similares.

Kerr-McGee posea una larga y exitosa tra-yectoria en la utilizacin de las vlvulas de segu-ridad de fondo de pozo Camco, incluyendo lavlvula de seguridad de gran profundidad serieTRC-DH recuperable con tubera de produccin, yya haba trabajado y adquirido experiencia conSchlumberger en proyectos anteriores. La com-paa decidi que los ingenieros de Schlumbergerparticiparan en la planificacin y el diseo determinacin de pozos para el proyecto Nansen.

6. Blizzard WA: Metallic Sealing Technology in DownholeCompletion Equipment, Journal of PetroleumTechnology 42, no. 10 (Octubre de 1990): 12441247; yMorris AJ: Elastomers Are Eliminated in High-PressureSurface-Controlled Subsurface Safety Valves, SPEProduction Engineering 2, no. 2 (Mayo de 1987): 113118.

7. Para obtener mayor informacin acerca del desarrollode los campos Nansen y Boomvang, consulte: WorldsFirst Truss SparsNansen & Boomvang, Suplementode Harts E&P and Oil and Gas Investor (Otoo de 2002).

Campo Nansen

G o l f o d e M x i c o

CampoBoomvang

EUA

Galveston, Texas

> Campo Nansen, Golfo de Mxico. Las instalaciones del campo Nansen fueron construidas con una prtiga armada(truss spar), como se ilustra en la fotografa.

En el desarrollo del campo Nansen, la vlvula deseguridad TRC-DH fue utilizada tanto para lospozos submarinos como para los pozos de la pla-taforma (izquierda).

La estrecha colaboracin existente entre losingenieros de Kerr-McGee y Schlumberger permi-ti superar en forma eficaz los desafos plantea-dos sin afectar la crtica lnea de tiempo. Porejemplo, los proyectos ambiciosos normalmentenecesitan un tiempo considerable para la obten-cin de materiales, de modo que las necesidadesde materiales especiales o las especificacionesde equipos poco convencionales fueron definidascon la debida antelacin. Esto inclua tambin laobtencin de materiales para la fabricacin de loscomponentes de las vlvulas, ya que el dimetrorelativamente grande de los componentes de lasvlvulas de seguridad requiere materiales cuyasdimensiones no siempre son fciles de conseguir.

Los ingenieros de Kerr-McGee buscaban ras-gos redundantes y caractersticas de operacinseguras. La serie de vlvulas de seguridad TRC-DH fue desarrollada especficamente para estetipo de aplicacin en aguas profundas. El diseode la vlvula tiene incorporado un sistema de con-trol operado por doble pistn que provee redun-dancia operativa total. El sistema de resorte y gascomprimido proporciona presiones sustancial-mente menores en las lneas de control a mayo-res profundidades de colocacin en comparacincon las proporcionadas por los sistemas de vlvu-las convencionales. La presin de las lneas decontrol de superficie para las vlvulas de resortey gas comprimido en el campo Nansen es inferiora 34.5 MPa [5000 lpc] en la superficie, frente a los68.9 MPa [10,000 lpc] que se necesitaran paralos sistemas de operacin de las vlvulas conven-cionales. La utilizacin de vlvulas de esta seriecontribuye significativamente a optimizar la con-fiabilidad del sistema de control y del sistema deoperacin y reduce los riesgos asociados con lossistemas hidrulicos de presin extrema.

Kerr-McGee seleccion las vlvulas de segu-ridad TRC-DH-10-F de 312 pulgadas, recuperablescon tubera de produccin, para los tres pozossubmarinos del campo Nansen (prxima pgina).En los nueve pozos con rbol de produccin secose utilizaron ocho vlvulas de 312 pulgadas y unavlvula de 412 pulgadas. Se seleccionaron tresvlvulas de 412 pulgadas de iguales caractersti-cas para las terminaciones crticas de pozos sub-marinos en el campo vecino Boomvang.

El diseo compacto de las vlvulas de seguri-dad TRC-DH ofrece las dimensiones principalesde 5.750 pulgadas de dimetro externo (OD, porsus siglas en ingls) y 2.750 pulgadas de dime-tro interno (ID, por sus siglas en ingls) para las

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Sello de nariz

Lnea decontrolhidrulico

Resorte dentrode una cmarade gascomprimido

Vstago pistn

Mecanismo deliberacin delarreglo vstagopistn

Charnela

> Arreglo de la vlvula de seguridad TRC-DH utilizado en el campo Nansen.Los pistones de operacin dual permiten la redundancia operativa. Este arre-glo incluye un mecanismo de resorte alojado dentro de una cmara de gascomprimido y est diseado para equilibrar el peso del fluido de la lnea decontrol. Esto permite la aplicacin de bajas presiones de control en la super-ficie. Esta vlvula ha sido diseada para aplicaciones de colocacin a altasprofundidades y altas presiones. El tubo de flujo descansa sobre el sello denariz cuando la charnela est abierta. Este anillo de tefln que descansasobre el tope de un resorte impide que se acumulen detritos y slidos en lazona de la charnela y el asiento.

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vlvulas de 312 pulgadas, y 7.437 pulgadas OD con3.688 pulgadas ID para las vlvulas de 412 pulga-das. Casi todos los componentes para esta serie devlvulas de seguridad son maquinados con aceroinoxidable con 13% de cromo de alta resistencia,lo cual genera una presin de trabajo de 10,000lpc para ambos tamaos de vlvula. El diseo delas vlvulas tiene incorporado un sistema de sellode nariz en el tubo de flujo. Se trata de un anillode tefln que descansa sobre el tope de unresorte. Cuando se abre la vlvula, la parte infe-rior del tubo de flujo desciende dentro del anillo detefln, comprimiendo el resorte. Si bien esto no esun sello propiamente dicho, impide la acumulacinde detritos y slidos en la charnela y el asiento.

Conforme al diseo de terminacin para todoslos pozos del campo Nansen, las vlvulas de segu-ridad se colocaron a 2262 m [7425 pies] TVD. Aesta profundidad, las temperaturas eran lo sufi-cientemente elevadas como para que existiera unmnimo riesgo de que hidratos o slidos precipita-dos impidieran la operacin de las vlvulas. Dadoque todas las vlvulas se colocaron a la mismaprofundidad, se aplic una presin comn de gasa todas las vlvulas durante la fabricacin. Elhecho de que los diseos de las terminacionesfueran similares entre s constituy un factor clavepara la rentabilidad econmica y la eliminacin deproblemas de procedimiento con las caractersti-cas demoras que los mismos ocasionan.

Para acceder a estos pozos submarinos esnecesario un equipo de perforacin de aguas pro-fundas, lo cual implica un proceso costoso y dila-torio de la produccin que refuerza la necesidadde confiabilidad de las vlvulas de seguridad. Lossistemas de operacin dual incorporados en cadavlvula son sistemas de control independientes ytotalmente redundantes. Esto reduce considera-blemente el riesgo de tener que realizar una inter-vencin o una reparacin en caso de que hubieraun problema con el sistema de control hidrulicodentro del sistema de vlvulas de seguridad defondo de pozo.

La adopcin de un enfoque centrado en elmanejo del proyecto para la seleccin, fabricacine instalacin de la vlvula de seguridad y los com-ponentes asociados con el sistema durante esteproyecto de pozos mltiples permiti incorporar deinmediato en el proceso de diseo las leccionesaprendidas para futuras instalaciones. Por ejem-plo, durante la ejecucin del proyecto Nansen, seimplementaron cambios leves en las especificacio-nes de los materiales, en el diseo de productos yen los procedimientos de instalacin porque las

primeras experiencias haban ayudado a identificaroportunidades para incorporar mejoras. Los cam-bios introducidos en el diseo de ingeniera y enlos procedimientos de manufactura permitieronmejorar el sistema de fijacin de las lneas de con-trol, lo cual simplific la instalacin de las vlvulasde seguridad. Este nivel de integracin hace quelos proveedores y fabricantes compartan la res-ponsabilidad por los asuntos relativos a la seguri-dad y el medio ambiente, que constituyenindicadores de xito clave para proyectos de laenvergadura del desarrollo del campo Nansen.

Hasta la fecha, Kerr-McGee y Schlumbergerhan instalado 10 vlvulas de seguridad, que ope-ran en su totalidad conforme al diseo y sinfallas. El xito y las lecciones aprendidas en loscampos Nansen y Boomvang, incluyendo losaspectos de los sistemas de vlvulas de seguri-dad relacionados con la metalurgia, la fabrica-cin, el diseo, las operaciones y el personal,sern trasladados a otros desarrollos en aguasprofundas del Golfo de Mxico.

Desafos futurosLa tendencia hacia el desarrollo de yacimientosms complejos contina planteando desafos a losdiseadores de sistemas de vlvulas de seguri-dad. Hoy, la explotacin de reservas de petrleose lleva a cabo en aguas ms profundas y en con-diciones de produccin y operacin ms rigurosasque nunca. En estas condiciones ms hostiles, laseleccin de materiales es un elemento crticopara aumentar la resistencia de los equipos a lacorrosin y a la degradacin de los materialesdurante perodos de produccin prolongados.

Con el desarrollo de vlvulas de seguridad defondo de pozo que incorporen solenoides para suaccionamiento, podran lograrse profundidadesde colocacin prcticamente ilimitadas. Esto ali-viara el problema de los aportes de presingenerados por el peso del fluido alojado en lalnea de control o las prdidas que se producenen esa lnea.8

La necesidad de equipos compactos y toleran-cias tcnicas ajustadas tambin plantea desafosen trminos de diseo e ingeniera para las vlvu-las que operan en condiciones extremas. Se handesarrollado materiales de revestimiento y tcni-cas de aplicacin de avanzada, tales como elrevestimiento ScaleGard, para aumentar la resis-tencia a los depsitos superficiales en los compo-nentes de las vlvulas seleccionados y baadospor el flujo. Las mejoras introducidas reciente-mente en la tecnologa de inyeccin de productosqumicos permiten el uso del revestimientoScaleGard dentro de la vlvula de seguridad paraevitar la acumulacin de contaminantes que aca-

rrea la produccin y ayudar a asegurar la confia-bilidad del sistema de vlvulas de seguridad.

Pronto sern necesarias vlvulas de seguri-dad de mayor tamao. En ciertas zonas, porejemplo en Noruega, la existencia de proyectosde terminacin con sartas monodimetro y tubu-lares de produccin de gran dimetro, plantea lanecesidad de contar con sistemas de vlvulas deseguridad de 958 pulgadas. Las fuerzas genera-das por la presin que acta sobre superficies decomponentes tan grandes exceden significativa-mente a las soportadas por los equipos de dimen-siones convencionales y plantean importantesdesafos adicionales a los ingenieros de diseo.

El xito y la confiabilidad de las prestacionesdesarrolladas en el pasado constituyen la clavepara el desarrollo de las vlvulas de seguridadinnovadoras del futuro. Cada vez es ms comn lautilizacin de equipos de control electrnico ensistemas de terminacin avanzados (vaseAvances en materia de vigilancia de pozos yyacimientos, pgina 14). Esta tecnologa hademostrado su confiabilidad y funcionalidad a tra-vs de indicaciones del desempeo de la produc-cin en tiempo real. Equipos de ltima generacinofrecen ahora estas ventajas en tiempo real a lossistemas de seguridad de fondo de pozo en situa-ciones que exigen, ante todo, una respuestarpida. Este componente crtico de los sistemasde seguridad requiere dedicacin y experienciapara continuar con el desarrollo y garantizar laseguridad y la operacin eficaz durante toda lavida productiva de un pozo. MA/BA/GMG

8. Going WS y Pringle RE: Safety Valve Technology for the1990s, artculo de la SPE 18393, presentado en laConferencia Europea del Petrleo de la SPE, Londres,Inglaterra,16 al 19 de octubre de 1988.

Lnea de lodo y cabeza de pozo a 3980 pies

Mandril de inyeccin de productosqumicos a 6462 pies

Mandril de inyeccin de productos qumicos a 7377 pies

Vlvula de seguridad de fondo de pozo a 7425 pies

Tubera de produccin

Empacador de produccin y sistemas de control de flujo a 10,600 pies

> Diagrama de pozo del campo Nansen. En elcampo Nansen, los mandriles de inyeccin deproductos qumicos se encuentran colocadospor encima de la vlvula SCSSV.