VIII LATINCORR 2012 (REC-007-LATC2012)

DESARROLLO DE METODOLOGIA PARA LA

EVALUACIN DEL COMPORTAMIENTO DE ELASTOMEROS INMERSOS EN HIDROCARBURO Autores: Ludwing Alfonso Lopez Carreo, Julio Andrs Forero Angarita, Jose Martin

Lizcano Contreras, Carlos Javier Mateus Caicedo. Laboratorio de Ingeniera de Materiales, Institutito Colombiano del Petrleo ICP.

Expositor: Ludwing Alfonso Lopez Carreo ludwing.lopez@ecopetrol.com.co

RESUMEN

El sistema de levantamiento con Bombas de Cavidades Progresivas (PCP), se presenta como una alternativa tcnico-econmica para el manejo de fluidos con alto porcentaje de slidos (arena), valores bajos de gravedad API, altos cortes de agua, entre otros, factores cada vez ms determinantes al momento de elegir el sistema de levantamiento artificial y uno de sus componentes ms crtico e importante, es el elastmero que hace parte estructural del estator de la bomba y en operacin genera fallas que inducen paradas de produccin. Debido a que no se contaba con argumentos tcnicos suficientes para diferenciar las ventajas de un elastmero, ni con un sistema estandarizado de seleccin de materiales, surgi la necesidad de establecer una metodologa para evaluar el comportamiento de los elastmeros con los fluidos, bajo las condiciones operacionales del campo. Este trabajo describe el desarrollo de una metodologa de laboratorio para evaluar el comportamiento de elastmeros inmersos en hidrocarburo bajo condiciones de subsuelo, simulando las variables a las que puede estar sometido este material como parte del estator de una bomba de cavidades progresivas PCP. Esta metodologa pretende estipular los ensayos necesarios para la seleccin del elastmero como componente del estator de una PCP, cuando est en contacto con un fluido de caracterizacin previa conocida. En esta metodologa se compara el comportamiento de cinco variables: compatibilidad en agentes qumicos, dureza, abrasin, tensin temperatura ambiente y descompresin explosiva antes y despus del proceso de inmersin en hidrocarburo, las cuales permiten evaluar y ranquear las principales caractersticas del material relacionadas con las fallas de este elemento en los pozos, tales como: Permeacin de gas, abrasin, degradacin e hinchamiento y poder brindar un criterio tcnico para soportar la seleccin del elastmero ms adecuado para la fabricacin de la bomba PCP, de acuerdo a las condiciones propias del campo de produccin. INTRODUCCION El sistema de levantamiento con Bombas de Cavidades Progresivas (PCP), se presenta como una alternativa tcnico-econmica para el manejo de fluidos con alto porcentaje de

slidos (arena), valores bajos de gravedad API, altos cortes de agua, entre otros, factores cada vez ms determinantes al momento de elegir el sistema de levantamiento artificial y uno de sus componentes ms crtico e importante, es el elastmero que hace parte estructural del estator de la bomba y en operacin genera fallas que inducen paradas de produccin. Debido a que no se contaba con argumentos tcnicos suficientes para diferenciar las ventajas de un elastmero, ni con un sistema estandarizado de seleccin de materiales, surgi la necesidad de establecer una metodologa para evaluar el comportamiento de los elastmeros con los fluidos, bajo las condiciones operacionales del campo.

ANTECEDENTES El incremento del uso de sistemas PCP se presenta como una alternativa tcnico-econmica para manejo de fluidos con alto porcentaje de slidos (arena), valores bajos de gravedad API, entre otros factores a tener presente a la hora de elegir el sistema de levantamiento a utilizar. En los campos operados por Ecopetrol S.A. y por otras compaas en Colombia viene en aumento la implementacin de este sistema de levantamiento como alternativa para producir crudo con caractersticas y factores como los anteriormente mencionados (ver figura 1).

Figura 1. Numero de Pozos y Produccin porcentual de crudo con sistema PCP en los campos operados por Ecopetrol S.A en Colombia.

En el campo Casabe, se iniciaron a instalar en noviembre de 2004, como una alternativa para el manejo de arena y la versatilidad del sistema para ajustar la capacidad de extraccin. A finales del ao 2010 el campo cuenta con 103 sistemas PCPs instalados. Con respecto a la produccin de petrleo, se observa igualmente un rpido crecimiento de la produccin manejada con este sistema, la cual al mes de noviembre de 2010 representa el 70% de la produccin total del campo. Este sistema de levantamiento est instalado en los pozos de mayor potencial del campo Casabe por ser este sistema ms verstil para el manejo de arena, de fcil manipulacin y de un menor costo en su instalacin inicial. Sin embargo, es un sistema relativamente nuevo en el campo, por lo que se han presentado varios problemas, los cuales se han venido enfrentando con gran expectativa de mejoras. Uno de estos problemas tiene que ver con la influencia de los fluidos sobre los elastmeros de las bombas, para ello personal de operaciones e ingeniera de la Alianza Casabe (Ecopetrol S.A. Schlumberger) con el soporte del Instituto Colombiano del Petrleo (ICP), han venido trabajando en encontrar e

identificar aquellas caractersticas que permitan mejorar el diseo, seleccin y practicas operacionales que ayuden a minimizar el ndice de fallas en este sistema de levantamiento. Por las razones expresadas anteriormente y ante la ausencia de argumentos tcnicos suficientes para diferenciar las ventajas de un elastmero en razn a otro, y la inexistencia de un sistema estandarizado de seleccin de materiales, surgi la necesidad de establecer una metodologa para evaluar el comportamiento de los elastmeros con los fluidos, bajo las condiciones operacionales del campo.

DESARROLLO Ante la situacin de fallas e intervenciones recurrentes en los pozos con sistema de levantamiento PCP en el campo Casabe, donde llego a alcanzar ndices de 2.3 fallas por pozo al ao en el 2009, se fortaleci un equipo de trabajo para establecer estrategias de mitigacin de la probabilidad de falla de este sistema, donde las relacionadas con la confiabilidad de los elastmeros de los estatores representaba un gran impacto, convirtindose en uno de los temas principales a revisar. Inicialmente se realiz la revisin bibliogrfica y evaluacin de experiencias en campo de las variables que ms afectan el comportamiento de los elastmeros. Luego con el apoyo de los proveedores y casas fabricantes se facilit el flujo de informacin en cuanto a procedimientos, mejores prcticas y experiencias, las cuales unidas a la revisin bibliogrfica de estndares y normas para la evaluacin y caracterizacin de componentes polimricos se convirtieron en la base para la estructuracin y desarrollo de una metodologa de laboratorio para evaluar el comportamiento de elastmeros inmersos en hidrocarburo bajo condiciones de subsuelo, simulando las variables a las que puede estar sometido este material como parte del estator de una bomba de cavidades progresivas PCP. A continuacin se describen las caractersticas y conclusiones ms relevantes de cada uno de los pasos desarrollados:

Revisin Bibliogrfica

Las bombas de cavidades progresivas (PCP) representan un mtodo de levantamiento artificial de crudos pesados, medianos y livianos que ofrece una amplia versatilidad, alta eficiencia y bajo costo. La geometra simple de este tipo de bombas constituidas principalmente por un rotor metlico y un estator elastomrico le confieren al sistema tales ventajas. En una aplicacin especifica, el comportamiento de un elastmero depende de sus propiedades qumicas y mecnicas. Estas pueden variar drsticamente entre las diversas formulaciones de elastmeros existentes. A continuacin se presenta una descripcin general de las diversas propiedades que definen un elastmero.

Dureza. Resistencia a la tensin y elongacin. Elasticidad. Resistencia a la abrasin. Resistencia al desgarre. Fatiga y Resistencia a la fractura por flexin. Resistencia al calor. Resistencia a los lquidos (hinchamiento). Resistencia permeable al gas.

Para garantizar el correcto funcionamiento de las bombas de cavidades progresivas es indispensable seleccionar adecuadamente el material elastomrico con el que se fabrica el

estator de la bomba. Los elastmeros utilizados comnmente en la fabricacin de estatores, deben poseer las siguientes caractersticas:

Elevada resistencia qumica al fluido de transporte. Buena resistencia trmica. Buena resistencia a la abrasin y desgaste. Capacidad de recuperacin elstica. Adecuadas propiedades mecnicas en particular resistencia a la fatiga.

Los materiales elastomricos utilizados generalmente en la fabricacin de estatores para bombas de cavidades progresivas son:

Cauchos de nitrilo convencional (NBR). Cauchos de nitrilo hidrogenado (HNBR). Fluoroelastmeros (FKM)

Caracterizacin de las variables que afectan el comportamiento de los elastmeros De acuerdo con la revisin bibliogrfica se defini hacer muestreo de fluido en cabeza de pozo para realizar las siguientes pruebas de caracterizacin y anlisis:

Anlisis Sara. Clasificacin de aromticos. Cromatografa de gas (CO2 y H2S). Fisicoqumicos de agua (CO2, H2S, Hierro disuelto).

Los ensayos realizados fueron:

Anlisis de contenidos de CO2 y H2S en fase gas con tcnicas colorimtricas Drager. Las especies fisicoqumicas analizadas en la fase gaseosa de las lneas de produccin en este monitoreo fueron CO2 en porcentaje en volumen y H2S en ppm.

Anlisis de contenidos de CO2, H2S, Fe total en fase acuosa de fluido de produccin, por tcnicas fotomtricas (Hach) y pH (pH-metro Horiba). Las especies fisicoqumicas analizadas en la fase acuosa en las lneas de produccin en este monitoreo fueron CO2 disuelto en ppm, H2S disuelto en ppm, Fe++ total en ppm y pH.

Piano en crudos (Carbono 1-12+). Cromatografa lquida (SAR). Separacin de Asfltenos

Como resultado del anlisis de esta informacin se plantearon las siguientes conclusiones:

La presencia de aromticos (como agente qumico) es el elemento ms influyente sobre el desempeo del elastmero.

En los pozos de mayor frecuencia de falla se encontraron elevadas velocidades de operacin (> 250rpm), lo cual puede estar asociado a un incremento de la temperatura por efecto de friccin, ejemplo Cbe-1057 y Cbe1050.

La entrada de gas en la bomba puede generar elevadas temperaturas en el interior de la bomba, aumentando la susceptibilidad de falla en el elastmero, por lo que colocar la bomba por debajo de los intervalos productores es la mejor practica para minimizar la entrada de gas y bajar el efecto de elevar la temperatura y la tendencia del hinchamiento del elastmero.

Los valores de CO2 encontrados en el campo Casabe no representan una gran influencia en la tendencia a fallas de hinchamiento de los elastmeros.

No se observ una tendencia clara del impacto de las variables analizadas que permitan identificar las causas de las fallas en los elastmeros de las bombas, por lo que se planteo la necesidad de evaluar la compatibilidad de los elastmeros con los fluidos de campo simulando las condiciones operacionales en el laboratorio.

Desarrollo de la metodologa para evaluacin del comportamiento de elastmeros inmersos en agentes qumicos.

A partir de la recopilacin de informacin de mejores prcticas y experiencias de proveedores y personal de campo, las cuales unidas a la revisin bibliogrfica de estndares y normas para la evaluacin y caracterizacin de componentes polimricos se desarrollo un protocolo para la evaluacin del comportamiento de los elastmeros inmersos en agentes qumicos. Esta metodologia estipula los ensayos necesarios para la seleccin del elastmero de la bomba PCP, cuando est en contacto con un fluido, con el fin de establecer el comportamiento de este material que permita garantizar el mejor desempeo del sistema de levantamiento del fluido, situacin que determina la vida til de la bomba. El conjunto de ensayos a realizar estn orientados a medir las condiciones que debe cumplir el elastmero, a saber:

Caracterizacin del Hidrocarburo.

Compatibilidad en Agentes Qumicos (ASTM D471-06 Standard Test Method for Rubber PropertyEffect of Liquids). Esta prueba est relacionada con la variacin en volumen (hinchamiento) que sufre el elastmero por el contacto con el fluido del pozo. Entre menor sea el porcentaje de variacin experimentado, se interpreta como un mejor comportamiento del elastmero a la afectacin de agentes como:.

o Disolventes Aromticos. o Acido Sulfhdrico (H2S). o Bixido de Carbono (C02). o Tratamientos qumicos utilizados en el control de la agresividad del fluido

(inhibidores de corrosin, anti incrustante, entre otros.)

Propiedades Mecnicas. o Dureza Shore A.(ASTM D2240-05 Standard Test Method for Rubber Property

Durometer Hardness). Esta prueba est relacionada con la variacin de la resistencia a la penetracin de un indentador de acero que sufre el elastmero por el contacto con el fluido del pozo. Entre menor sea el porcentaje de variacin experimentado, se interpreta como un mejor comportamiento del elastmero.

o Tensin.(ASTM D412-06 Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers Tension1. Esta prueba est relacionada con la variacin de la resistencia a la traccin expresada como esfuerzo que sufre el elastmero por el contacto con el fluido del pozo. Entre menor sea el porcentaje de variacin experimentado, se interpreta como un mejor comportamiento del elastmero.

o Resistencia a la Abrasin. Esta prueba est relacionada con la resistencia a la abrasin final que tiene el elastmero despus de entrar en contacto con el fluido del pozo. Entre menor sea el porcentaje de variacin experimentado, se interpreta como un mejor comportamiento del elastmero.

Resistencia a la Descompresin Explosiva (Permeabilidad). Esta prueba est relacionada con la susceptibilidad del elastmero a la generacin de ampollas grietas, producto de la permeacin de gas en condicin de paro de la operacin normal de la bomba. Entre menor sea el ndice de descompresin explosiva (valoracin de 1 a 5 segn criterio del anexo D 3.7 NORSOK M-710), ver figura 2.

Figura 2. Criterios de calificacion. Estndar Norsok M-710.

Descripcin de la metodologa

En el desarrollo de la metodologa se acondicion un recipiente en acero inoxidable que permiti preservar las condiciones de presin, temperatura y caracterizacin del fluido. La muestra es trasladada al Laboratorio de Ingeniera de Materiales para la realizacin de los ensayos fsico mecnicos, compatibilidad y determinacin de su composicin (contenido de fracciones de aromticos) en Laboratorios del ICP. Adicionalmente se acondicionaron dos autoclaves para implementar el ensayo de compatibilidad en agentes qumicos, en las cuales se distribuyeron el grupo de probetas sometidas a inmersin. El volumen de cada autoclave es de 2750 ml y 2600 ml respectivamente. Para garantizar la homogeneidad del fluido en contacto con las probetas durante la realizacin de la prueba, el autoclave de mayor volumen se ubic sobre una estructura (rocker) con movimientos oscilantes de 22.5 a 30 ciclos/min con dispositivos fabricados para sostener las probetas (tensin y compatibilidad) garantizando que no exista contacto entre ellas durante la prueba. La autoclave de menor volumen es una autoclave dinmica con movimiento interno transmitido por un eje que gira a 250 rpm en la cual se instalaron las probetas de dureza y abrasin. Ver Figura 3 y 4.

Figura 3. Montaje Probetas Autoclave 2750 ml.

Figura 4. Montaje Probetas Autoclave 2600 ml Para simular las condiciones en operacin de una bomba PCP en fondo de pozo, se inyect CO2 en gas durante 15 minutos a una rata de 30 Psi, presurizando luego con Nitrgeno a 1700 Psi estabilizndolo a 70C. La duracin del ensayo fue de 14,2 das, durante este periodo se presenta normalmente el 80% del hinchamiento del elastmero, una vez finalizada la prueba se realizaron los ensayos fsico-mecnicos. Para el ensayo de descompresin explosiva se acondicion el autoclave ubicada en el rocker, con los dispositivos enunciados anteriormente, presurizndola con CO2 al 100%, la duracin de la prueba es de 72 horas. Debido a que no se contaba con argumentos tcnicos suficientes para diferenciar las ventajas de un elastmero, ni con un sistema estandarizado de seleccin de materiales, surgi la necesidad de establecer unos criterios de calificacin para evaluar el comportamiento de los elastmeros con los fluidos, bajo las condiciones operacionales del campo. Matriz de Calificacin de Desempeo Los criterios de calificacin se basan en los resultados de las pruebas fsico-mecnicas descritas y establecen la forma de jerarquizar el orden del buen desempeo del elastmero. Los factores para cada uno de los ensayos se calculan sobre la base de que el mejor sistema de cada prueba representa un factor de 1.0 y el mnimo admisible tendr un factor de 0.60, de tal manera, que los factores correspondientes para los sistemas de inters fueron calculados por interpolacin lineal. La evaluacin de desempeo se fundamenta exclusivamente en los resultados de pruebas de laboratorio, la integracin de los resultados se describe en forma cuantitativa mediante la siguiente correlacin matemtica:

Donde: KCAQ = Calificacin por Compatibilidad en Agentes Qumicos. KDS = Calificacin por Dureza Shore A. KT = Calificacin por Tensin. KRA = Calificacin por Resistencia a la Abrasin. KDE = Calificacin por Descompresin Explosiva. Para la determinacin del factor integral de desempeo se asign un porcentaje a cada una de las pruebas realizadas, teniendo en cuenta su influencia en el buen comportamiento del elastmero en el medio al cual va a estar expuesto, basado en el mtodo de evaluacin de

DERATDSCAQ KKKKKKf

pesos (weighted evaluation) el cual fue incluido en las investigaciones de anlisis de decisin de Flanagan et al. (1989), Ferry, Flanagan (1991), Kirk and DellIsola (1995), y otras, que bsicamente han utilizado esta metodologa como criterio de seleccin. El anlisis bsicamente consiste en la comparacin por pareja de criterios o parmetros, seleccionando el de mayor relevancia y su valoracin en cuanto a esa relevancia en la siguiente relacin (1:6, 5:2, 3:4), de esta forma entre las parejas puede ser evaluada en cuatro niveles. En la tabla 1., se muestra la definicin de la incidencia porcentual de cada una de las variables, para obtener la expresin en forma cuantitativa de la calificacin de cada material evaluado: Tabla 1. Definicin del valor porcentual de incidencia de cada variable

A B C D E

VARIABLES HINCHAMIENTODESCOMPRESION

EXPLOSIVADUREZA ABRASION UTS

A HINCHAMIENTO 3 1 3 2

B

DESCOMPRESION

EXPLOSIVA4 2 4 2

C DUREZA 6 5 5 3

D ABRASION 4 3 2 2

E UTS 5 5 4 5 TOTAL

19 16 9 17 9 70

PORCENTAJE 27% 23% 13% 24% 13% 100%

Aplicacin del protocolo y anlisis de los resultados.

La metodologa se aplic a 3 pozos del campo Casabe (CSBE 1057, CSBS 1, CSBE 1111) cuyas caractersticas representaban condiciones crticas (gas, contenido de aromticos, BSW, Arena, etc.) para el comportamiento del elastmero identificadas a partir de los resultados de la matriz de anlisis comparativa. Las figuras 5 y 6 relacionan todas las propiedades analizadas con la matriz de calificacin, de acuerdo con dicho criterio el elastmero que refleje un factor de desempeo cercano a uno se considera como el de mejor comportamiento.

Figura 5. Anlisis comparativo de los resultados del valor porcentual de incidencia de cada variable.

23.0*24.0*13.0*13.0*27.0* DERATDSCAQ fffffKf

Figura 6. Anlisis comparativo de los resultados promedio del valor porcentual de incidencia de cada variable. De las pruebas realizadas el de mejor desempeo fue el elastmero G

CONCLUSIONES

Con el desarrollo del trabajo presentado en este informe se fortaleci el conocimiento y la capacidad de anlisis de las diferentes variables que afectan el comportamiento de los elastmeros en las bombas PCPs, generndose una metodologia y adecuacin de infra-estructura para la evaluacin de su comportamiento bajo condiciones operacionales simuladas en laboratorio.

La metodologa desarrollada brinda una excelente alternativa para realizar una

evaluacin comparativa del desempe de los elastmeros bajo las mismas condiciones operacionales simuladas, ante la ausencia de un estndar internacional que establezca parmetros de decisin que permita calificar el comportamiento de cada elastmero.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

ISO 15136-1 Petroleum and natural gas industries - Progressing cavity pumps systems for artificial lift Part 1: Pumps. 2007.

NORSOK STANDARD M-710. Qualification of non-metallic sealing materials and Manufacturers. Rev. 2, October 2001.

ASTM D 471-06. Standard Test Method for Rubber PropertyEffect of Liquids. ASTM D412-06a Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic

ElastomersTension. ASTM D 2240-05 Test Method for Rubber PropertyDurometer Hardness. ASTM D 338905. Standard Test Method for Coated Fabrics Abrasion Resistance

(Rotary Platform Abrader).

LOPEZ L., OREJUELA O. Informe con los resultados de la revisin bibliogrfica de fallas en sistemas PCP y de pruebas de compatibilidad fluidos elastmeros. Instituto colombiano del Petrleo ICP. 2008.