Título: Regulador de presión para inyección de polímeros

2. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El proceso de extracción de hidrocarburos líquidos o gaseosos (H.C.) del subsuelo se realiza mediante la construcción de pozos con varios requerimientos técnicos en función de la localidad, si es un pozo en tierra o en mar o lagos, de la profundidad a la cual se encuentra el recurso y la estructura geológica del yacimiento.

Con excepción de la producción de H.C. desde arenas bituminosas, en la extracción de pozos y en función de la presión acumulada en el subsuelo, al principio el hidrocarburo fluye a la superficie una vez que se perfora la formación geológica y se fractura la roca en un proceso denominado “cañoneo". Una vez que el pozo declina en su producción “natural”, se extrae el H.C. por bombeo mediante el levantamiento artificial por gas (“gas lift”) y en la etapa final, en la las usualmente importantes cantidades de hidrocarburo remanentes en el yacimiento deben ser extraídas mediante técnicas y procedimientos de recuperación mejorada o recuperación secundaria.

La recuperación secundaria consiste en desplazar el mayor volumen de hidrocarburos hacia el pozo de extracción usando la infraestructura ya instalada e implica los procesos de inyección de un fluido de arrastre, tal como agua, un gas, composiciones químicas, vapor, entre otros mediante pozos de inyección adicionales.

Dentro de dichos procesos de recuperación secundaria, uno de los más comunes consiste en la inyección de agua dentro del pozo. Como es sabido, se inyecta el fluido externo (agua o gas) a través de pozo de inyección en comunicación con los pozos de producción, con lo cual se logra mantener la presión del yacimiento desplazando los hidrocarburos hacia el pozo de producción, para su extracción.

De acuerdo a S.Q. Junio {TUNIO, S. Q., Junio, A. H., Ghirano, N. A., El Adawy, Z. M. Comparison of different enhanced oil recovery techniques for better oil productivity Int. J. App. Sci. Tech, Vol. 1, Nro 5, (2011), 143-153} los métodos de recuperación mejorada pueden ser clasificados en dos categorías generales:

Los métodos que incrementan la eficiencia del barrido volumétrico, y II. Aquellos que mejoran la eficiencia del desplazamiento.

Los problemas de barrido pueden solucionarse mediante la heterogeneidad del yacimiento mientras que la movilidad o desplazamiento pude ser controlada mediante el control de un fluido bajo presión introducido en el reservorio.

Esto último implica la inundación de la perforación secundaria con soluciones de polímeros o algún otro método de control de movilidad del H.C., tal como los procedimientos térmicos. Por otro lado, las fuerzas de capilaridad tienen gran impacto en el proceso de desplazamiento del hidrocarburo, y es una de las responsables de sustentar el crudo en la matriz del reservorio. Por tal motivo y con el objeto de disminuir esta acción se utiliza químicos, soluciones alcalinas, gases miscibles, nitrógeno y bacterias. La mejor opción va también a obedecer diversos aspectos; por ejemplo en el caso de fluidos poliméricos, que proporción debe inyectarse a la formación, así como que cantidad de polímero va a ser absorbido en las arenas del reservorio.

Sumado a lo anterior, R. Hinkley, {Polymer enhanced oil recovery. Industrial lessons learned. Oil and Gas Authority, (2017)}, menciona que se ha comprobado que en la inundación de yacimientos con agua, dicho fluido tiende a formar caminos preferenciales en la formación, fluyendo el agua en forma de flecha entre los pozos de inyección y los pozos de producción, creando un patrón de flujo ascendente cónico evitando la zona donde hay aún grandes reservas de petróleo, puesto que toda energía tiende a disiparse según el camino con mínimo expendio energético. Esto se mejora inyectando agua con polímeros de alta densidad, lo que logra incrementar la distribución homogénea del fluido e incrementar la viscosidad y por ende la resistencia a fluir con el consiguiente mayor arrastre del recurso en el medio poroso.

En las técnicas conocidas de inyección de agua con polímeros de elevada viscosidad, se reconocen dos problemas de mayor índole que determinan limitaciones a su empleo eficiente:

A. Los productos poliméricos disueltos en el agua (o vehículo de disolución) suelen ser costosos y son muy sensibles a la degradación química, térmica, biológica y mecánica, condiciones usualmente imperantes del proceso de extracción de petróleo y gas. Uno de los mayores factores de degradación de la cadena polimérica lo constituye el cizallamiento, (shear) debido a que las solicitaciones ejercidas sobre las moléculas poliméricas suelen ser de magnitud elevada y las cadenas poliméricas suelen quebrarse al no resistir las condiciones de trabajo mecánico impuesto desde la superficie sobre el fluido bajo inyección, resultando en una perdida irreversible de viscosidad y factor de resistencia al fluir.

B. Es sabido que, estudios recientes han producido avances en la eficiencia de estos polímeros, dotándolos de mayor resistencia a la degradación hasta el control de flujo y presión en la cara al yacimiento para disminuir los efectos de capilaridad y elevada obstrucción al fluir. Sin embargo, este control de flujo y presión traslada el problema aguas arriba. En efecto, los reguladores de control de flujo (válvulas y restricciones o registros y diversas formas de inyección) hacen empleo de válvulas especiales de reducción escalonada. A la fecha, se determina el control de caída de presión y flujo localizada a diversas alturas del pozo de inyección y a diferentes capas geológicas, en función de la localización de los yacimientos. Pero esto hace que el control de los esfuerzos por cizallam lento de las moléculas poliméricas sea más complejo y costoso, inclusive operativamente gravoso, puesto que en la actualidad es usual colocar dispositivos de control de presión y flujo en cada diferente altura del pozo de inyección, en donde se hallan localizadas las válvulas reguladoras del caudal de agua. Otro problema adicional, lo constituye la limitación del espacio en los mandriles de bolsillo normalizados ubicados a las diversas alturas del pozo de inyección donde se debe alojar estos dispositivos, lo cual constituye otra severa limitación a la eficiencia de estos controles.

En la Figura 1 , se puede apreciar un resumen esquemático y genérico de un corte geológico de un pozo de inyección de agua conocido en el arte de amplia aplicación. En términos generales en dicha Fig. 1 se aprecia que dicho pozo consta de un cabezal de pozo (1), la tubería de revestimiento (2), la tubería de inyección (3), los mandriles de bolsillo (4), las empaquetaduras (5), las válvulas reguladoras de la presión y flujo (6) y con (7) se indican los orificios de salida de fluidos desde la tubería de revestimiento hacia el yacimiento. En términos generales, la tubería o “casing” (2) como se sabe, estabilizan las paredes de la perforación, dentro de los cuales se colocan los mandriles (4) con sus bolsillos dispuestos a las alturas de los yacimientos estratificados a diversas profundidades donde alojan dentro de los mismos las respectivas válvulas (6). Un mandril de bolsillo consiste en un tubo de sección transversal oval o cilindrica, con extremos con reducciones excéntricas y dimensiones normalizadas. En el compartimiento lateral interno del mandril, se ubica el bolsillo de sección transversal cilindrica. Dentro del bolsillo se aloja la válvula reguladora del caudal y de inyección de la solución de arrastre de H.C. Estos mandriles de bolsillo tienen diferentes formas y configuraciones, los cuales van roscados a la tubería de inyección a lo largo de su trayectoria o longitud.

3. SECTOR TÉCNICO

Producción de hidrocarburos líquidos mediante procesos de recuperación mejorada (Enhanced Oil Recovery EOR).

Así como mecánica de fluidos de no-Newtonianos, degradación mecánica, y desempeño de soluciones poliméricas.

4. TÉCNICA ANTERIOR

Hasta las anteriores secciones se ha proporcionado el marco genérico dentro del cual se desarrolla el presente invento. Analizando específicamente las referidas válvulas, Figura 1-(6), las mismas son dispositivos que mitigan el efecto de las solicitaciones que conducen a la degradación por quiebre de la cadena polimérica de dichas soluciones poliméricas, particularmente la tasa de velocidad de deformación en cizalla (“shear rate”) principal responsable de dicha ruptura de la cadena polimérica {A. Thomas, Polymer flooding. -En: IntechOpen, Chapter 2, (2016), 55-99}.

Adicionalmente, se puede hallar referencias respecto del uso de estos dispositivos para evitar la formación de emulsiones por ruptura de la cadena polimérica en P. Kwakernaak y col. (Reduction of oil droplet break-up in a choke. -En: SPE, (2007), 1-8.2007), y A. S. Monteiro (2012).

En síntesis, y ya específicamente dentro del campo del presente invento, el arte previo reconoce el empleo de válvulas capaces de lograr una baja tasa de deformación en cizalla de los polímeros (“low shear rate”) que son válvulas de estrangulamiento de flujo, las cuales se emplean para:

■ Mitigar la ruptura de gotas evitando la formación de emulsiones; y

■ Disminuir los efectos de degradación mecánica durante el proceso de inyección de fluidos poliméricos.

La degradación mecánica en los procesos de recuperación secundaria mediante la inundación del mandril por fluidos poliméricos ocurre principalmente durante la inyección del fluido en superficie mediante el control de flujo y presión en las válvulas de estrangu lamiente y cuando se introduce dicho fluido en el medio poroso de la formación geológica que contiene las reservas de H.C. Los elevados esfuerzos al cual son sometidos dichos fluidos por las pequeñas cavidades y los efectos de capilaridad obligan al empleo de presiones de salida del fluido diferente para cada formación geológica, precisamente para reducir al máximo dicha degradación por cizalla.

Con los medios valvulares actualmente conocidos es técnicamente complicado y sumamente costoso lograr que para cada capa geológica se logre una presión de inyección diferenciada, al punto tal que tal solución resulta en la mayoría de los casos impracticables. Más abajo se incluye un breve listado de algunas de las patentes que han intentado dar solución a este problema mediante varios dispositivos al efecto.

Es conocido que, en la mayoría de las válvulas convencionales de reducción de presión, existe un balance energético mediante la transformación de energía de presión a energía cinética, obedeciendo a leyes elementales de la mecánica. Esto trae como consecuencia una elevada velocidad en el campo fluido y los efectos asociados, tal como la turbulencia, aceleración y tasas de solicitaciones ejercidas sobre dicho fluido polimérico. La mezcla de polímero y agua es sensible a estas fuerzas inerciales, las cuales provocan la ruptura irreversible de sus moléculas perdiéndose la viscosidad de la mezcla y por lo tanto su efectividad de arrastre al generar emulsiones acuosas.

Al efecto, la patente US 4.204.574 enseña el control de la presión empleando varias bombas separadas con sus respectivas corrientes individuales de fluido.

La patente US 4.276.904 es relativa a dispositivo de control de flujo en una combinación de tuberías helicoidales que forman tres bobinas. Estas bobinas están conectadas a un distribuidor común de flujo con un diámetro inferior que el distribuidor.

Cada una de las bobinas con diámetros internos del tubo diferente y con helicoidales embobinados de cuatro (4) tubos y dos (2) tubos. El control de flujo dependiendo del caudal se realiza con la operación de la cantidad de válvulas abiertas y cerradas. Las válvulas completamente abiertas deben ser mayores que el diámetro de cada tubo y la boquilla de conexión con el distribuidor "manifol". Los diámetros internos de los tubos aseguran la reducción del flujo y presión con niveles de degradación viscosa no mayor al 25%. La patente US 4.617.991 muestra un dispositivo que absorbe la energía de la corriente del fluido como lo hace los alabes de una turbina hidráulica en las estaciones hidroeléctricas. El concepto es dinámico y se logra baja degradación viscosa por las velocidades moderadas en el campo de flujo. Es compacto para ser instalado en la superficie a boca de pozo, pero no lo suficiente para ser instalado dentro de los tubos y menos aun dentro de los mandriles de bolsillo. Además, la energía debe ser disipada de algún modo y para esto se requiere que estos alabes movilicen un elemento pesado o mediante un campo magnético, lo cual serían los elementos que finalmente transformaran la energía, presentando a altas velocidades la generación de deformación en cizalla que incrementan los porcentajes de degradación viscosa.

La patente US 5.222.807 enseña un aparato para el mezclado y disolución de polímeros sólidos en medio acuoso a baja tasa de deformación en cizalla logrando alta homogeneidad de la mezcla mediante el paso continuo por un sistema de tuberías, bombas y platos perforados en serie sujetados por cadenas que busca el entrelazado del flujo y así el mezclado.

La patente US 5.605.172 muestra un dispositivo cónico generador de remolinos. Su elevado volumen lo imposibilita para su instalación dentro del espacio reducido provisto por el mandril de bolsillo.

El documento US 8.770.228 es relativa a un conjunto para una válvula de control de presión y caudal por medio de una cámara cónica de entrada tangencial y salida axial. El flujo entra de manera rotativa por la sección más pequeña de la sección cónica para provocar un efecto de reducción de velocidad y presión por el efecto de torbellino. Este dispositivo busca disminuir efectos de deformación en cizalla en el fluido que pueden contribuir en el rompimiento de gotas formando emulsiones que son más complejas de separar en las estaciones de producción de petróleo.

La patente US 9.260.937 muestra un reductor de presión y control de flujo para inyección de soluciones poliméricas directamente en la formación en la tubería de inyección. El elemento principal de control de flujo está constituido por una serie de tubos capilares de diferentes diámetros colocados en paralelo dentro de un tubo principal que conforma la válvula. Dependiendo de las condiciones de operación que se desea cada conjunto puede ser configurado por la cantidad, dimensión y posicionamiento de los tubos. Las reivindicaciones solicitadas en esta aplicación posee tres ejemplos en donde indican niveles de degradación viscosa entre 20 y 36% para caída de presión promedio de 15 [bar]/ 218 [psi] en diferentes configuraciones de tubos, longitudes y caudales.

La publicación de patente US 2017/0335655 A1 enseña una válvula de control de presión y caudal de baja tasa de deformación en cizalla y ajustable para aplicación en procesos de producción de hidrocarburos líquidos. El dispositivo está compuesto por platos con un canal espiral que va reduciendo la presión mediante fricción y la forma aprovecha la mayor longitud posible además del efecto rotacional de la geometría. La aplicación de este dispositivo tiene la misma funcionalidad de la patente de Typhonix AS 8.770.228; en la cual se busca disminuir los efectos de deformación cortante en el fluido para evitar el rompimiento de gotas que forman emulsiones que son más complejas de separar en las estaciones de producción de petróleo y pueden afectar procesos aguas abajo.

La patente US 10.024.128 B2 se refiere a una o varias combinaciones de válvulas y elementos internos reductores de presión en controladas tasas de velocidad de deformación en cizalla y aceleración para procesos de recuperación secundaría y mantenimiento de pozos de petróleo. Se divulgan alrededor de 65 dispositivos internos de reducción de presión mediante canales espirales, suavizados, mallas, placas cruzadas, remolinadores, pequeños ciclones, paletas móviles, filtros, placas perforadas. La mayoría con actuadores para calibrar el flujo y presión deseada.

Si no se emplean las válvulas del arte previo, debido a los inconvenientes arriba explicados, las técnicas conocidas intentan resolver el problema recurriendo a alternativas tal como:

■ Mediante fricción en la tubería en régimen de flujo en transición entre laminar y turbulento evitando diámetros hidráulicos críticos, y

■ Mediante la absorción de energía de presión mediante diferentes formas de rotación del fluido, lo cual permite aumentar la trayectoria y el contacto del fluido y las superficies de la cavidad por donde fluye, y al mismo tiempo se aprovecha todo el volumen posible de la válvula, disminuyendo la presión por la contracción de efectos cinéticos por la rotación y fricción del fluido polimérico.

Ejemplo de esto último lo constituye la solicitud de patente argentina acta P2019 01 01122 de los mismos solicitantes. Si bien esta realización cumple con su cometido en forma satisfactoria, el fluido solo puede disminuir su gradiente de presión por fricción durante el largo recorrido helicoidal, de modo que existe una verdadera limitación al diferencial de caída total de presión en función del volumen desarrollado de la helicoide, la cual a su vez queda imitada por las dimensiones del bolsillo.

De acuerdo a L. Del Pozo y col. (2018) los efectos de solo fricción pueden lograrse a baja tasa de velocidad de deformación en cizalla mediante las ya citadas largas extensiones de recorridos helicoidales, pero implica, aparte de la ya citada limitación de la longitud del helicoide, también un elevado costo de producción.

Una solución parcial a este problema ha sido abordada en la publicación “PRACTICE AND UNDERSTANDING OF SEPARATE POLYMER INJECTION IN DAQING OILFIELD” de Liang Yaning & Zhang Shicheng, © Daqing Oilfield Comp. Ltd. Petrochina * 2011. En dicha publicación se estipula el empleo de piezas longitudinales dotadas de una pluralidad de salientes anulares axialmente dispuesta la una en sucesión de la otra sobre una misma pieza de eje longitudinal. En teoría y en las simulaciones computarizadas esta solución funciona correctamente al forzar el pasaje del fluido polimérico por las sucesivas restricciones existentes entre la pared del bolsillo y el perfil de dichas salientes anulares con las expansiones intermedias entre cada par adyacente de dichas salientes.

Sin embargo, en la práctica esta solución operativamente sería compleja de lograr, ya que es improbable que las piezas longitudinales con dichas salientes se mantengan en posición estrictamente fija respetando una separación predeterminada entre el perfil de las salientes y la superficie interior del bolsillo. Otro inconveniente hallado con esta pretendida solución al problema planteado es que dichas salientes anulares son inscriptas dentro de un cilindro ideal, mientras que la sección cilindrica citada (bolsillo) no es de diámetro constante a lo largo de su longitud lo cual representa otro problema para las salientes si estas son exteriores. A lo anterior es imperativo mencionar que, al usar la pared del bolsillo como elemento canalización del flujo; es inevitable el descaste de esta pieza por erosión disminuyendo la vida útil del mandril.

En efecto, para que el control de la reducción de la presión paulatina sobre el fluido polimérico para evitar la acción de cizalla sea efectivo y obtener la restricción de flujo deseada, debe existir una tolerancia de ± 0,05 mm constante entre la separación de los perfiles anulares y la pared adyacente, para lograr los fenómenos que se explicarán más abajo y para que el diferencial de disminución de presión se mantenga. En la práctica, mediante lo propuesto por Liang Yaning & Zhang Shicheng esto no es posible, puesto que a los argumentos ya citados, se le debe agregar el fenómeno de las vibraciones existentes dentro de las tuberías con lo cual se destruye toda tolerancia, y en resumen, en la práctica lo propuesto tal como es ilustrado y explicado en la citada publicación, no es operativamente lograble. Además el sistema de empaques también influye sobre dicha tolerancia.

Sumado a lo anterior, una solución alternativa a los problemas antes expuestos ha sido también divulgada como “SHEAR DEGRADATION MODEL OF HPAM SOLUTIONS DESIGN OF REGULATOR VALVES IN POLYMER FLOODING EOR” de F. A. Díaz; J.P. Tomé; A. Prada; y G. Perez; J. Petroleum Exploration and Production Technology, 2020. En esta publicación, se muestran dos propuestas compactas, e instaladas dentro de válvulas de regulación con dimensiones normalizadas sin uso de las paredes del bolsillo, lo cual es un avance con respecto a la propuesta de Yaning & Zhang Shicheng, y col., 2011. Presentan dos dispositivos, uno de flujo helicoidal, y otro con restricciones u orificios de choque, emulando placas orificios en serie. Estos investigadores han reportado alcanzar una presión diferencial alrededor de 40 [Bar]/580 [psi], degradaciones viscosas alrededor de 8,5 [%], y caudal de 435 [Barriles/día]/69,1 [m ³ /d ] desde un dispositivo en flujo helicoidal, mientras que para el dispositivo de choques en serie obtuvieron 27 [Bar]/390 [psi] entre 11 y 12 [%] de degradación viscosa, y caudal de 560 [Barriles/día]/89 [m ³ /d], Probaron tres concentraciones de soluciones poliméricas de 500, 700, y 1000 partes por millón. No obstante, las condiciones de dureza del agua en la preparación del polímero no fueron reportadas, lo cual puede significar una variable importante en la degradación viscosa. De acuerdo a esto, no se tiene evidencia si para el experimento fue desarrollado con agua destilada a condiciones de laboratorio o con sales disueltas, tal como se inyecta en el campo; como fueron probados los dispositivos de la presente invención que se verán en detalle más adelante. Por otro lado, la calidad del polímero tampoco ha sido divulgada en esta investigación.

5. DIVULGACIÓN DE LA INVENCIÓN

5.1 Objetivos del presente invento

Es objetivo principal del presente invento minimizar dentro de rangos totalmente aceptables la degradación mecánica de fluidos poliméricos inyectados en estratos geológicos porosos y/o capilares con la finalidad de proceder a un eficiente barrido y recuperación secundaria de hidrocarburos presentes en dichas formaciones geológicas, mediante un efectivo control del gradiente de disminución de la presión aplicada a dichos fluidos poliméricos de barrido.

Es objetivo del invento es reducir la presión ejercida sobre el flujo de solución polimérica dentro de cada rango específicamente requerido individualmente por cada capa geológica a baja tasa de degradación viscosa del fluido polimérico, independientemente de la presión de inyección en cabeza de pozo.

Es también objetivo del invento que este novedoso dispositivo resulte compacto y capaz de alojarse dentro de los bolsillos normalizados de los mandriles de la infraestructura ya instalada en un pozo, para la inyección de agua o soluciones acuosas de fluidos poliméricos.

Es objetivo del invento lograr una limitación de graduación de la presión preestablecida y específica para cada caso.

Otro objetivo del invento consiste en lograr un dispositivo que permita una calibrada caída de presión y que al mismo tiempo sea de fácil y sencilla fabricación.

Es también objetivo del invento que la reducción de presión se logre mediante el empleo de componentes reductores de presión estáticos y fijados dentro del mandril de bolsillo sin libertad de movimiento.

Es también objetivo del invento que, aplicando una única presión de bombeo en cabeza de pozo de la solución polimérica, se puede dimensionar cada dispositivo en función de la profundidad del bolsillo dentro del cual aloja y de la caída de presión individual requerida para cada estrato geológico.

5.2 Reseña del invento

Regulador de presión y flujo para inyección de polímeros, que incluye un cabezal de pozo Fig. 1 (1) con los dispositivos de bombeo de un fluido de arrastre; la tubería de revestimiento Fig. 1 (2) o “casing", la tubería de inyección Fig. 1 (3), y por lo menos un mandril de bolsillo Fig. 1 (4) vinculado a dicha tubería de inyección y en comunicación con la misma, estableciendo una comunicación de ingreso de dicho fluido desde el mandril de bolsillo a la tubería de inyección, y por lo menos una salida de fluido desde dicha tubería de inyección a la formación 4geológica que contiene el hidrocarburo a ser arrastrado por dicho fluido de arrastre, caracterizado porque comprende una pieza tubular que define una carcasa cerrada en ambos extremos cuyas respectivas porciones de superficie externa presenta medios de sujeción y vinculación al interior del mandril de bolsillo; internamente dicha carcasa presenta una superficie tubular y dentro de la carcasa se dispone una pieza en forma de varilla dotada en por lo menos parte de su extensión con una pluralidad de salientes anulares proyectantes perpendiculares a su eje longitudinal, siendo definido entre cada par de dichas salientes anulares un receso anular; el extremo superior y el extremo inferior de dicha pieza en forma de varilla se halla retenido por respectivos medios de retención al interior de los correspondientes extremos de la carcasa, definiéndose entre el dorso de dicha serie de proyecciones anulares y la superficie interna tubular de la carcasa un huelgo anular <L6> con un rango entre 0,1 mm < L6< 1,1 mm, preferiblemente 0,2 mm < L6< 1 ,0 mm y más preferiblemente aun, L6 entre 0,3 a 0,9 mm; la referida carcasa presenta por lo menos una entrada situada en las adyacencias del extremo superior de la carcasa y por debajo de los medios de retención de la pieza en forma de varilla, comunicante del exterior al mandril de bolsillo con el interior del citado huelgo anular, mientras que en adyacencias del extremo inferior y por encima de los medios de retención de la varilla al interior de la carcasa, la misma presenta por lo menos una abertura de salida, definiendo dichas entradas y salidas un pasaje de la solución polimérica por el interior del referido huelgo anular; la altura <L5> de las proyecciones anulares presenta un rango entre 0,7mm <L5< 1 ,1 mm, y en ancho <L4> de cada saliente anular tiene un rango de 3 mm <L4< 6 mm; siendo las dimensiones de <L4> y de <L5> consideradas desde la primitiva de la varilla, siendo el radio de curvatura <r> de cada nervadura anular entre un rango de 0,5 mm <r< 1,5 mm; el huelgo o separación <L6> entre el dorso de cada nervadura y el interior de la carcasa tiene un rango 0,70 <L6< 0,45, estableciéndose durante el pasaje de la solución polimérica sobre el dorso de cada proyección anular una aceleración de la velocidad del flujo con un régimen sustancialmente laminar, seguido por una desaceleración en un flujo sustancialmente en torbellino, cuando dicho flujo penetra en el receso anular subyacente.

5.3 Descripción detallada del invento

A efectos de lograr explicar los ejemplos de realización preferidos del presente invento, se adjuntan los siguientes dibujos que los ilustran, con el apoyo de la descripción de los mismos dada a continuación, debiendo interpretarse estos ejemplos de realización como una de las tantas posibles construcciones del invento, por lo que no corresponde asignarles ningún valor limitativo al mismo, incluyéndose dentro del ámbito de protección del invento los posibles medios equivalentes a los ilustrados; siendo la amplitud del presente invento determinado por la primera reivindicación adjunta en el capítulo de reivindicaciones correspondiente. Asimismo, en estas Figuras, las mismas referencias identifican medios ¡guales y/o equivalentes.

En la Figura 2, se observa el corte longitudinal a una de las posibles construcciones de la carcasa o cuerpo tubular genéricamente indicado con (8) del presente invento. Dicha carcasa (8) en una de las construcciones del invento es formada por un cuerpo tubular superior (9) el cual axialmente se vincula con un cuerpo inferior tubular (10). El motivo por el cual dicha carcasa (8) es formada por la unión coaxial de dos tramos tubulares es debido a razones de mecanizado, y adicionalmente, permite variar si se lo desea, las condiciones fluido-dinámicas de la solución polimérica al pasar del tramo superior al tramo inferior, pero nada impide que esta carcasa (8) se mecanice en una sola pieza tubular.

El extremo superior del tramo (9) es cerrado por una tapa superior (11), la cual presenta internamente y coaxial un alojamiento (12) abierto hacia abajo, es decir, enfrentado el interior tubular (14). Debajo de dicho alojamiento el tramo superior (9) posee por lo menos una abertura que define un pasaje (13) comunicante en el exterior con el interior (14, 14') de la carcasa tubular (8). El extremo inferior de (8) se halla cerrado por una pieza (15) denominada “nariz” la cual internamente y coaxial al eje de (8) presenta un alojamiento (16) dirigido hacia arriba, es decir, hacia el interior de (14'). Esta nariz (15) posee una salida (17) comunicante el interior (14, 14') de (8) con el exterior, y por encima de este orificio de salida, presenta un empaque (15').

Con respecto a las dimensiones de la carcasa (8) las mismas pueden tener el siguiente rango, si bien estos valores son dados a mero título de ejemplo no limitativo:

■ Longitud <L2> del tramo superior (9): 250< L2< 252 (mm);

■ Longitud <L3> del tramo inferior (10): 300< L3< 305 (mm);

■ Longitud total <L1> de carcasa (8) entre extremos: 555,70 (mm);

■ Diámetro interno <r1> de (14): 30< r1< 31 (mm);

■ Diámetro interno <r2> de (14’): 22< r2< 25 (mm);

La Figura 4, muestra una perspectiva de una de las posibles construcciones de la pieza en forma de varilla genéricamente indicada con la referencia (18). Esta varilla es alargada y en el caso particular ilustrado, está formada por dos tramos (20, 21) axialmente alineados. En cada tramo (20, 21) se dispone una pluralidad de proyecciones anulares (26) (ver Figs. 6, 7, 8, y 9) que proyectan perpendiculares al eje longitudinal de la pieza (18) y entre cada par de proyecciones anulares se forma una depresión (27) también anular, resultando cada proyección (26) distanciada y separada por dicho receso o depresión anular (27) conformando a lo largo de cada tramo de varilla (20, 21) una superficie continua y ondulada cuyo corte transversal (Figs. 7a, 7b, 8,) representa una sinusoide. Esta varilla se completa con un extremo superior (19) y un extremo inferior (22).

En la Figura 6, se ilustra el ensamble de la varilla (18) dentro de la carcasa (8) según la Fig. 2 mostrando el cuerpo de varilla con las proyecciones anulares de la Fig. 4 y 5 instalado dentro de dicha carcasa. Como ya fuera mencionado, estas figuras solo sirven para dar una idea de conjunto; las formas de las proyecciones anulares (26), de las depresiones intermedias anulares (27), y del huelgo entre la pared interna (14, 14') respecto del dorso de las proyecciones anulares, con sus respectivas cotas y el funcionamiento del presente invento se detalla a partir de las siguientes figuras.

Las Figuras 7a y 7b ilustran porciones en corte longitudinal muy ampliado de una construcción preferida de las salientes anulares (26) y sus recesos anulares intermedios (27), mostrando respectivamente para el tramo superior y el tramo inferior los siguientes rangos de valores dimensionales, considerando que la varilla (18) es una pieza cilindrica sobre la cual se mecanizan las referidas nervaduras (26) con su respectivas depresiones anulares (27), en consecuencia se puede considerar el fondo del “valle” de cada depresión como la primitiva a los efectos de las siguientes medidas, dadas a título de ejemplo:

■ La altura <L5> de las proyecciones anulares presenta un rango entre 0.7mm <L5< 1,1 mm medido desde dicha primitiva (Ver Fig. 7b);

■ El ancho <L4> de cada saliente anular, medida sobre la primitiva a ambos lados de la nervadura tiene un rango de 3 mm <L4< 6 mm;

■ El radio de curvatura <r> de cada nervadura anular se halla entre un rango de 0,5 mm <r< 1 ,2 mm;

■ El huelgo o separación <L6> entre el dorso de cada nervadura (26) y el interior (14) de la carcasa (8) que enfrente el dorso de cada nervadura tiene un rango 0,70 < L6< 0,45. Por otra parte, siempre de acuerdo a la construcción ilustrada en las Fig.4 y 6 a modo de ejemplo no limitativo de la varilla (18) con nervaduras (26), dicha varilla al componerse de dos tramos axialmente ensamblados, presenta en su tramo superior (20) una cantidad de 52 depresiones anulares (27), es decir, 53 salientes anulares, mientras que en la porción inferior (21) presenta 47 depresiones anulares con 48 salientes anulares. Estos últimos datos son dados a mero título de ejemplo no limitativo de una de las posibles construcciones del invento.

La Figura 8 muestra muy ampliado la transición de un primer tramo superior (20) con un segundo tramo inferior (21) del cuerpo de varilla (18). En esta figura, se observa el empalme axial de ambos tramos de la varilla con nervaduras y la reducción del diámetro del segundo tramo inferior (21) respecto del superior (20). Se puede inferir empíricamente y a modo de educada hipótesis que notablemente el segundo tramo (21) presenta un comportamiento termodinámico ligeramente diferente al del tramo superior, dado por las reducciones de diámetro, por una huelgo <L6> ligeramente distinto y por tener una diferente cantidad de nervaduras, sin olvidar que la cámara (28) obtenida por el abocinamiento (23) en la transición entre ambos tramos de la varilla (18) presenta un centro de acumulación de fluido.

La Figura 9 ilustra el resultado de una simulación bajo dinámica de fluidos computational para un caudal de 555 [barriles/d]. Las secciones circulares simulan los dorsos de las nervaduras (26) y se nota el flujo relativamente laminar contra la pared de la carcasa (8). Se demuestra la generación de vórtices (V1) con posible desprendimiento de burbujas debido a la repentina reducción de la tensión de vapor del fluido, es decir se crean zonas reducidas de cavitación parcial. La referencia (V2) es la zona de grandes vórtices y zona de baja presión, y (V3) es la zona de flujo laminar adyacente a la pared (14, 14').

Evidentemente los ejemplos ilustrados tanto para la carcasa (8) como para la varilla (18) son meros ejemplos constructivos. Nada impide emplear varillas de una sola pieza, con o sin la reducción entre el tramo superior y el tramo inferior, como tampoco nada impide modificar los radios de curvaturas de los dorsos y de las depresiones de la proyecciones (26, 27) respectivamente. No se trata de una transición de los anillos superiores a inferiores. La transición solo se debe a las limitaciones geométricas por el espacio disponible dentro de la válvula. 5.4 Consideraciones teóricas relativas al funcionamiento del presente invento

Los fines del presente invento es fundamental obtener beneficios de un fenómeno conocido como desprendimiento de vórtices, que suele ser negativo en otros equipos industriales como por ejemplo, intercambiadores de calor y válvulas deslizantes. En el caso de este reductor de presión, este fenómeno puede ser usado como disipador de energía con baja incidencia sobre el polímero, mitigando la degradación viscosa y obteniendo mayor presión diferencial. El fluido se desplaza de forma adyacente a la pared interior de la válvula por encima de las nervaduras y con régimen turbulento en las depresiones entre nervaduras y una parte del caudal pasa por encima de las nervaduras anulares alejado de las depresiones anulares o surcos, es decir, viaja en paralelo a la pared interior de la válvula en flujo anular.

Como ya fuera dicho, las nervaduras anulares proyectantes perpendiculares al eje de la varilla (18) forman un flujo anular, formado entre el diámetro exterior de la varilla y la pared interior de la válvula.

La hipótesis de este sistema se basa en alcanzar alta disipación de energía por la "compresión y expansión" del fluido a través de las nervaduras con las depresiones intermedias debido a los cambios de área de sección transversal del anular en cada depresión, y en consecuencia, cambios en la velocidad. Además, el número de surcos también incide sobre la presión diferencial. En cuanto a las ventajas químicas, este sistema de nervaduras/depresiones disminuye el efecto de ruptura de moléculas al hacer el descenso de la presión de manera escalonada, lo cual somete el fluido a alto cizallamiento pero solo en pequeñas fracciones de tiempo, cosa que no sucede en el flujo a través de las espiras de las hélices o demás dispositivos de control de presión al mismo efecto. De acuerdo al presente invento, el tiempo al cual el fluido es sometido a condiciones de ruptura de las moléculas debe ser sumamente limitado, evitar cizallamiento constante, y pasar el menor tiempo posible sometido a altos esfuerzos y deformación, las cuales son condiciones responsables de la degradación mecánica de estos materiales poliméricos.

La ecuación que rige a tasa de velocidad de deformación en cizalla es: Donde (d/u) es el diferencial de velocidad y (d/r) es el diferencial del diámetro hidráulico equivalente.

6. DESCRIPCIÓN BREVE DE FIGURAS

La Figura 1 muestra un resumen esquemático y genérico de un corte geológico de un pozo de inyección de agua conocido en el arte;

La Figura 2 muestra en un corte longitudinal a una de las posibles construcciones de la carcasa o cuerpo tubular;

La Figura 3 muestra una vista externa del cuerpo tubular o carcasa;

La Figura 4 muestra al cuerpo de varilla en perspectiva y aislado de la carcasa;

La Figura 5 muestra al cuerpo de varilla en vista frontal y aislada de la carcasa;

La Figura 6 ilustra el corte longitudinal de una de las posibles construcciones del invento, mostrando el cuerpo de varilla con las proyecciones anulares de la Fig. 4 y 5 instalado dentro de dicha carcasa según la Fig. 2;

La Figura 7a y 7b ilustran porciones en corte longitudinal muy ampliado de una construcción preferida de las salientes anulares, mostrando respectivamente para el tramo superior y el tramo inferior los valores dimensionales de las mismas y de su huelgo respecto de la pared tubular interna de la carcasa;

La Figura 8 muestra muy ampliado la transición de un primer tramo superior con un segundo tramo inferior del cuerpo de varilla;

La Figura 9 ilustra una simulación fluido-dinámica computational del pasaje del flujo a través de las nervaduras y depresiones anulares ilustrando la transición del flujo laminar a un régimen turbulento (o transitorio) para cada pasaje por el huelgo entre nervaduras y carcasa; y

La Figura 10 muestra los resultados computationales de cizallamiento comparados con los datos degradación viscosa, y presión diferencial de tres prototipos probados experimentalmente.

7. EJEMPLOS

Se presentan los siguientes ejemplos sin que estos tengan limitación alguna sobre el alcance de esta invención. En total son dos ejemplos experimentales y un ejemplo computational en donde se muestran las principales variables que afectan la degradación mecánica en los polímeros, como lo es la tasa de velocidad de deformación en cizalla “shear rate”, así como la validación de los cálculos computationales con los datos experimentales.

Los datos experimentales fueron obtenidos desde un banco de pruebas piloto, el cual es una plataforma de fácil movilidad a cualquier locación donde exista una operación de inyección de polímeros a los yacimientos petrolíferos. Este sistema está compuesto principalmente de un alojamiento con bolsillo de medida normalizada estándar de 38,1 [mm]/1 ,5 [pulg], una bomba de desplazamiento positivo tipo diafragma con una capacidad máxima de 245, [m ³ /d] y máxima presión de 241 [Bar]; 4 tanques de para la alimentación del sistema (tres principales, y uno de reserva) con una suma de capacidad de 4901 [litros], dos transmisores de presión ubicados aguas arriba justo antes de la entrada del alojamiento y uno aguas abajo del alojamiento, un transmisor de presión para el sistema de seguridad calibrado para apagar el sistema a 213 [Bar], asimismo para tener lecturas análogas, se disponen de dos manómetros tipo bourdon; dos válvulas de alivio, una ubicada a la salida de la bomba, y una en el sistema de tanques.

Además, se disponen dos válvulas de estrangulamiento, una que separa la zona de alta presión de la zona de baja presión, y una que se utiliza para restringir el flujo y elevar la presión de operación del alojamiento hasta 206,8 [Bar], Finalmente, el banco tiene dos puntos de toma de muestras antes y después del alojamiento para tomar el polímero sin efecto de la válvula y posterior efecto de esta, respectivamente. Todas las señales de interés son registradas en un sistema video-gráfico de adquisición de datos.

La degradación viscosa es obtenida mediante la ecuación 2, la cual también ha sido utilizada por {Naug S. Mari. J. Improvement in polymer wáter flooding efficiency using a low shear choke valve Master in Science thesis, University of Stavanger (2013)}

(2)

Donde, η ₀ = Viscosidad de la solución “sin degradación” η _deg = Viscosidad de la solución “con degradación” η _H20 = Viscosidad del agua (0,59 cP a 45, 5° C) 7.1 Ejemplo 1

Se han realizado pruebas experimentales con geometrías idénticas de las nervaduras salientes, tanto la varilla superior, como inferior, así como se mantiene un área anular equivalente que asegure la misma velocidad de flujo en la parte superior como inferior, manteniendo así una constante tasa de velocidad de deformación en cizalla.

Para este ejemplo se utilizó una solución de poliacrilamida hidrolizada (HPAM abreviatura en inglés) Floppam 3230S por SNF a concentraciones de 600 y 700 mg/l. Las pruebas se realizaron en alto flujo 89 [m ³ /d]/560 [bbl/d] y presión de operación de entrada a la válvula de 206,8 [Bar]/3000 [psi], Adicionalmente, se realizaron ensayos en flujo medio de 44,5 [m ³ /d]/280 [bbl/d] y también presión de operación de entrada a la válvula de 206,8 [Bar]/3000 [psi].

Tabla 1. Resultados experimentales dispositivo "Anular -A-"

En la Tabla 1 , se muestran los resultados obtenidos de estas pruebas experimentales, condiciones operacionales y características físicas de los fluidos para el prototipo denominado como “Anular-A”.

7.2 Ejemplo 2

Con este experimento, se evalúa el desempeño de una válvula con la varilla inferior con distinta configuración geométrica, específicamente, distinta distancia entre crestas de las salientes con respecto a la primera sección o varilla superior. Además, y se modifica el diámetro hidráulico de la cavidad anular, lo cual permite disminuir la velocidad de flujo en la varilla inferior, y en consecuencia, la tasa de velocidad de deformación en cizalla de mayor (varilla superior) a menor (varilla inferior).

Para este ejemplo, se utilizaron dos tipos de soluciones poliméricas, poliacrilamida hidrolizada (HPAM abreviatura en inglés) Floppam 3230S por SNF (concentración de 600 y 700 mg/l) y una solución de poliacrilamida hidrolizada y estabilizada mediante surfactantes EOR-880 por NALCO (concentración de 700 [mg/l]). Las pruebas se realizaron en alto flujo 89 [m ³ /d]/560 [bbl/d] y presión de operación de entrada a la válvula de 206,8 [Bar]/3000 [psi], Adicionalmente, se realizaron ensayos en flujo medio de 44,5 [m ³ /d]/280 [bbl/d] y también presión de operación de entrada a la válvula de 206,8 [Bar]/3000 [psi].

En la Tabla 2, se muestran los resultados obtenidos de estas pruebas experimentales, condiciones operacionales y características físicas de los fluidos para el prototipo denominado como “Anular-B".

Tabla 2. Resultados experimentales dispositivo "Anular -B-"

Durante todos los ensayos, se tomaron tres muestras de la dureza de agua cada nueve pruebas aproximadamente, de las cuales resultaron en 80, 92, y 115 [ppm] de concentración. Con esto queda evidenciado que las condiciones de prueba son las de campo y no de laboratorio. El agua no fue tratada por plantas para la disminución de dureza o estabilización de esta, parámetro importante en la degradación viscosa del fluido.

7.3 Ejemplo 3

En la Figura 10, se se observa los resultados de una simulación computational que demuestra el concepto de cizallamiento escalonado. Según el arte previo, un valor de cizallamiento aceptable para evitar degradación viscosa debe ser por debajo de 10.000 [1/s]; mientras que 18.000 [1/s] es catalogado como crítico. Mientras que, por encima de 18.000 [1/s], es completamente adverso. El gráfico muestra para un dispositivo en flujo helicoidal en constante tasa de cizallamiento entre 15.000 y 29.000 [1/s], mientras que el flujo anular (A) a través de surcos registra picos entre 13.000 y 28.000 [1/s] en el reductor superior y entre 11.000 y 36.000 en el inferior. No obstante, el cizallamiento disminuye notablemente en el flujo anular (B) a través de surcos, del cual se registra entre 8.000 y 16.000 en el reductor inferior. El cizallamiento intermitente ha logrado establecer pérdidas de viscosidad según las tablas de los ejemplos 1 y 2, entre 22 y 28 [%] para dispositivo anular (A); y entre 8 y 12 [%] para el anular (B); mientras en flujo helicoidal, se registraron pérdidas de viscosidad entre 40 y 50 [%]. Esto, en máximo caudal de operación, lo cual según la teoría, es la condición más crítica.

Finalmente, se compararon los resultados de presión diferencial entre los resultados experimentales y computacionales, lo cuales son presentados en la Tabla 3. La misma Figura 10 muestra los resultados de tasa de deformación en cizalla a través del sistema interno de la válvula con caudal de alrededor de 555 [bbl/d] empleando material Flopaam 3230S a 700 [ppm] implementando el modelo de ley de potencias para un fluido no-newtoniano viene expresado por la ecuación 3.

Donde η = Viscosidad relativa al esfuerzo en cizalla

K= Coeficiente dado por la curva del polímero n= Es el comportamiento del fluido ante el cizallamiento

Uno de los parámetros al que se le atribuye los efectos de ruptura de cadenas de las moléculas del polímero son los esfuerzos cortantes en el flujo, específicamente, la tasa de velocidad de deformación en cizalla o “shear rate”. Si bien lo ideal sería disminuir este valor al mínimo posible, la realidad del balance de energía mecánica pasa a ser un objetivo difícil de lograr, considerando la presión diferencial que se pretende alcanzar en un espacio limitado de un sistema mandril bolsillo-válvula reguladora. Sin embargo, los resultados computacionales permiten mostrar los diferentes niveles promedio de “shear rate” a lo largo de la válvula, los cuales al ser comparados con los datos experimentales es posible observar resultados interesantes que delimitan el comportamiento.

En la referida Figura 10, se muestran las curvas de “shear rate” obtenidas por simulación fluido-dinámica computacional del prototipo de flujo helicoidal proveniente de ensayos previos y los prototipos “Anular -A-” y “Anular -B-”, dotados con distintas configuraciones de nervaduras anulares. De los resultados computacionales, principalmente se observa cómo, incluso con una magnitud en “shear rate" muy similar entre los modelos helicoidal y anular -A-, el modelo anular -A- prácticamente obtuvo una disminución de los efectos de cizallamiento a menos de la mitad que el modelo helicoidal en cuanto a degradación. No obstante, también con una disminución en la presión diferencial; disminución que no afecta significativamente el alcance y objetivos del presente invento. Adicionalmente, lo más interesante lo muestra el comportamiento del “Anular -B-” en donde se obtuvo una descendencia notable en el cizallamiento en la varilla inferior que disminuyo de manera significativa el porcentaje de degradación viscosa. Esto valida la estrategia del diseño de los internos de los modelos “Anular A y B”, más aun el modelo “Anular -B”, los cuales alcanzado una parte importante de las expectativas esperada por esta geometría.

Por otra parte, el prototipo “Anular A y B” mejora las condiciones de contracción en la entrada al dispositivo reductor, lo que mitiga posibles puntos de concentración de esfuerzos cortantes sobre el fluido que pueden influir negativamente el desempeño de las válvulas.

Una particular construcción (no ilustrada) contempla que entre pares de proyecciones anulares se crea un espacio amortiguador compuesto por un tramo de varilla sustancialmente cilindrico, creando cámaras de acumulación a lo largo de la trayectoria del fluido.