ES2290649T3 - Aparato de muestreo. - Google Patents
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Abstract
Un aparato de muestreo (1) para tomar muestras de un fluido enriquecido en una fase seleccionada de una mezcla fluida (FF) de múltiples fases que fluye por el interior de una tubería principal (FL), de tal modo que la mezcla fluida de múltiples fases contiene al menos la fase seleccionada y otra fase, comprendiendo el aparato: - una disposición de muestreo (2, SP1, SP2, SP3, SP4), destinada a tomar una muestra de fluido de la mezcla fluida (FF) de múltiples fases que fluye por el interior de la tubería principal (FL), - una cámara (3) de muestra, que tiene un volumen variable con el fin de recoger la muestra de fluido de la mezcla fluida de múltiples fases y dejar que se asiente por gravedad la muestra de fluido hasta formar el fluido enriquecido en la fase deseada y un fluido enriquecido en al menos otra fase, y - un colector (4) de válvulas, que conecta la disposición de muestreo a la cámara (3) de muestra para impulsar la muestra de fluido dentro de la cámara (3) de muestra y para impulsar el fluido enriquecido en la fase seleccionada hacia una salida (5) de muestra, y el fluido enriquecido en otra fase de vuelta a la tubería principal (FL).
Description
Aparato de muestreo.
La invención se refiere a un aparato para el
muestreo de una fase individual de una mezcla fluida de múltiples
fases.
Una aplicación particular de la invención se
refiere al muestreo de las diversas fases de una mezcla fluida de
múltiples fases desde un pozo de hidrocarburos. Dicha mezcla fluida
de múltiples fases comprende típicamente tres fases: una fase
acuosa, una fase de hidrocarburos líquida y una fase de
hidrocarburos gaseosa.
Una vez que se ha perforado y asegurado el pozo
de hidrocarburos, se llevan a cabo generalmente diversas
operaciones:
- operaciones de ensayo del pozo (que sirven
para caracterizar los diversos componentes del efluente que fluye
al exterior del pozo, y para estimar las capacidades de producción
del pozo) y, subsiguientemente,
- el funcionamiento productivo del pozo, siempre
y cuando el petróleo producido sea satisfactorio en términos de
calidad, caudal de flujo, etc...
Durante estas operaciones, la composición del
efluente varía. El efluente que se recoge inicialmente está
constituido esencialmente por agua. De forma subsiguiente, el
porcentaje de residuo acuoso disminuye gradualmente, y la
composición del efluente queda enriquecida con petróleo y con gas.
De esta forma, el efluente es una mezcla fluida de múltiples fases.
Además, la mezcla fluida de múltiples fases puede presentar
complejos regímenes de flujo, por ejemplo, neblina, burbujas, lodo,
flujos a borbotones, etc..., en el ánima o cavidad del pozo, o en
las conducciones de flujo.
Durante la operación de ensayo y el
funcionamiento de producción, una preocupación importante es
identificar y/o analizar de una forma tan precisa como sea posible,
las diversas fases que constituyen la mezcla fluida de múltiples
fases. Una etapa preliminar consiste en obtener una muestra
representativa de la mezcla fluida de múltiples fases que fluye al
exterior del pozo de hidrocarburos. Los sistemas de la técnica
anterior descritos en las Patentes US 6.182.505 y US 6.212.948 se
refieren a semejante aparato de muestreo.
Para el muestreo de una fase a partir de una
mezcla fluida de múltiples fases, se conoce la práctica de dotar a
la tubería por la que fluye la mezcla fluida de múltiples fases, de
trampas de gravedad (trampas superior e inferior), conectadas a un
drenaje apropiado con el fin de recoger una fase concreta. La
representatividad de las fases recogidas por las trampas de
gravedad es cuestionable porque las fases de las trampas de gravedad
no se refrescan de forma continua. Además, la trampa inferior
recoge todas las fases pesadas, tales como líquidos (petróleo,
agua) y sólidos. Estos sólidos taponan a menudo el drenaje
impidiendo un muestreo ulterior, y, si el flujo del líquido más
pesado (agua) es importante, resulta muy difícil drenar el más
ligero (petróleo), ya que el caudal de acumulación podría ser más
rápido que el que se drena.
Se conoce también la práctica de tomar una
muestra en una única toma (cilindro de muestreo), de la tubería por
la que fluye la mezcla fluida de múltiples fases, a fin de
reacondicionar la muestra y separar la fase ulteriormente, en el
laboratorio. El reacondicionamiento de la muestra en un laboratorio
consiste en aplicar a la tubería temperatura y presión para
alcanzar el equilibrio termodinámico inicial y, por tanto, las
composiciones de la fase fluida iniciales. Las fases estabilizadas
son entonces separadas y transferidas a varias celdas para
mediciones físico-químicas. Este método no permite
controlar el volumen de la muestra para cada fase, lo que podría
conducir a una cantidad insuficiente de una fase dada para las
mediciones posteriores al muestreo.
Un propósito de la invención consiste en
proponer un aparato de muestreo que supere al menos una de las
desventajas de la técnica anterior.
De acuerdo con la invención, el aparato de
muestreo consiste en un aparato de muestreo activo que recoge de
una mezcla fluida de múltiples fases que fluye por el interior de
una tubería principal, una muestra representativa de una fase
seleccionada sin alterar su composición y estado. El aparato de
muestreo toma una muestra de los fluidos que fluyen en una posición
seleccionada de la tubería, recoge la muestra en una cámara de
volumen variable, y enriquece la muestra en una fase dada, al
desalojar o hacer circular de nuevo en la tubería principal las
fases no deseadas en un procedimiento iterativo. El aparato de
muestreo comprende un detector de fase, destinado a detectar el
tipo de fluido tomado y expulsado de la cámara, así como un detector
de medición de volumen, destinado a medir el volumen de la
cámara.
\newpage
El aparato de muestreo permite tomar un volumen
significativo y controlable de una fase seleccionada para su
análisis adicional.
El aparato de muestreo permite mantener una
muestra en condiciones de flujo en línea o conducción (presión y
temperatura) durante todo el procedimiento de muestreo, al objeto de
impedir el cambio en la composición debido a transferencias de
masa.
Más precisamente, la presente invención se
refiere a un aparato de muestreo destinado a tomar muestras de un
fluido enriquecido en una fase seleccionada de una mezcla fluida de
múltiples fases que fluye por el interior de una tubería principal,
de tal modo que la mezcla fluida de múltiples fases contiene al
menos la fase seleccionada y otra fase, comprendiendo el
aparato:
- una disposición de muestreo, destinada a tomar
una muestra de fluido de la mezcla fluida de múltiples fases que
fluye por el interior de la tubería principal,
- una cámara de muestra, que tiene un volumen
variable con el fin de recoger la muestra de fluido de la mezcla
fluida de múltiples fases y dejar que se asiente por gravedad la
muestra de fluido hasta formar el fluido enriquecido en la fase
deseada y un fluido enriquecido en al menos otra fase, y
- un colector de válvulas, que conecta la
disposición de muestreo a la cámara de muestra para impulsar la
muestra de fluido dentro de la cámara de muestra y para impulsar el
fluido enriquecido en la fase seleccionada hacia una salida de
muestra, y el fluido enriquecido en otra fase de vuelta a la tubería
principal.
El aparato de muestreo comprende adicionalmente
una disposición de control de la temperatura, destinada a mantener
la cámara de muestra y el colector de válvulas a la temperatura de
la mezcla fluida de múltiples fases de la tubería principal. La
disposición de control de la temperatura puede comprender un
aislante térmico, un dispositivo de calentamiento y un regulador de
temperatura.
La disposición de muestreo puede comprender una
tubería de muestreo, diseñada para conectarse a la tubería
principal, de tal modo que la tubería de muestreo comprende al menos
una sonda de muestreo.
La cámara de muestra comprende una lumbrera
superior y una lumbrera de fondo o inferior.
El colector de válvulas conecta la sonda de
muestreo a la cámara y tiene una salida de muestra destinada a
proporcionar el fluido enriquecido con la fase seleccionada. Éste
comprende al menos una válvula de sonda que conecta la sonda de
muestreo a un detector de fase, una válvula de lumbrera superior,
que conecta el detector de fase a la lumbrera superior, una válvula
de lumbrera inferior, que conecta el detector de fase a la lumbrera
inferior, y una válvula de salida, que conecta el detector de fase a
la salida de muestra.
El detector de fase es, por ejemplo, un detector
de fase óptico.
La cámara de muestra puede comprender un pistón
que puede ser desplazado hacia arriba y hacia atrás dentro de la
cámara de muestra por un dispositivo de accionamiento del pistón. El
volumen variable viene definido por la posición del pistón dentro
de la cámara de muestra. El pistón está separado de la pared de la
cámara de muestra por una cavidad anular destinada a permitir que
fluya hacia abajo un fluido presente en la cámara, hacia la
lumbrera inferior.
La tubería de muestreo puede comprende unas
sondas de muestreo inferior, media y superior, respectivamente
situadas en una parte inferior, una parte central y una parte
superior de la tubería de muestreo. Las sondas de muestreo
superior, media e inferior se sitúan de cara al flujo de la mezcla
fluida de múltiples fases.
La tubería de muestreo puede comprender
adicionalmente una sonda de muestreo de gas, situada bien en la
parte media o bien en la parte superior de la tubería de muestreo,
y en un sentido opuesto con respecto a las sondas de muestreo
inferior, media y superior.
La tubería de muestreo puede comprender una
única sonda de muestreo que tiene una posición ajustable dentro de
la tubería de muestreo.
El aparato de muestreo puede comprender
adicionalmente un sensor para medir el volumen de la cámara de
muestra (por ejemplo, midiendo la posición del pistón dentro de la
cámara de muestra).
La invención se refiere también a un método de
muestreo para tomar muestras de un fluido enriquecido en una fase
seleccionada, de una mezcla fluida de múltiples fases que fluye por
el interior de una tubería principal, de tal modo que la tubería
principal está dotada de un aparato de muestreo de acuerdo con la
invención. El método de muestreo comprende:
- una primera etapa que comprende las etapas de
tomar una muestra de fluido de la mezcla fluida de múltiples fases
mediante la conexión de una sonda de muestreo a la cámara de muestra
y el incremento del volumen de la cámara, y dejar que se asiente
por gravedad la muestra de fluido dentro de la cámara de muestra,
hasta formar el fluido enriquecido en la fase seleccionada y un
fluido enriquecido en al menos una fase no deseada,
- una segunda etapa que comprende las etapas de
desalojar o hacer circular el fluido enriquecido en al menos una
fase no deseada de vuelta a la tubería principal mediante la
conexión de la cámara de muestra a una sonda de muestreo y la
reducción del volumen de la cámara,
- repetir las primera y segunda etapas de tal
manera que se obtenga en la cámara de muestra una cantidad dada del
fluido enriquecido en la fase seleccionada, y
- una tercera etapa que comprende la etapa de
expulsar el fluido enriquecido en la fase seleccionada fuera de la
cámara mediante la conexión de la cámara a la salida y la reducción
del volumen de la cámara.
A lo largo de la operación de muestreo, el
aparato de muestreo se mantiene a la temperatura de la mezcla fluida
de múltiples fases que fluye por el interior de una tubería
principal. Además, se supervisan las fases del fluido que fluye
dentro y fuera de la cámara de muestra.
La presente invención se ilustra a modo de
ejemplo y no está limitada por las figuras que se acompañan, en las
cuales los mismos números de referencia indican elementos
similares:
La Figura 1 es una vista esquemática de un pozo
de hidrocarburos y un equipo de pozo que comprende un aparato de
muestreo;
La Figura 2 ilustra esquemáticamente un aparato
para tomar muestras de una fase individual de una mezcla fluida de
múltiples fases, de acuerdo con la invención.
La Figura 1 muestra esquemáticamente una torre
OR de extracción de hidrocarburos. Un efluente E fluye al exterior
del pozo desde una cabecera WH del pozo. La cabecera WH del pozo
está conectada a diversos equipos OE del pozo a través de una
tubería principal FL. Los equipos del pozo pueden comprender
cualesquiera equipos conocidos de ensayo de pozo o de producción de
pozo, que no se describirán adicionalmente. La tubería principal FL
comprende un aparato de muestreo 1 para tomar muestras de un fluido
enriquecido en una fase seleccionada desde el efluente E
constituido por una mezcla fluida de múltiples fases. El aparato de
muestreo proporciona un fluido SF tomado como muestra, ya sea a un
analizador apropiado ANA para el análisis de campo o sobre el
terreno, ya sea al interior de una botella de muestreo SB para un
análisis subsiguiente por un laboratorio LAB.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente un aparato
para tomar muestras de una fase individual a partir de una mezcla
fluida de múltiples fases, de acuerdo con la invención.
El aparato de muestreo 1 comprende una tubería
de muestreo 2, una cámara 3 de muestra de volumen variable, un
colector 4 de válvulas y una disposición 6 de control de la
temperatura.
La tubería de muestreo 2 está diseñada para ser
conectada a la tubería principal FL, por ejemplo, por
bridas/mangui-
tos de doble rosca y medios de conexión conocidos. La tubería de muestreo 2 comprende cuatro sondas de muestreo: una sonda de muestreo SP1 de gas, una sonda de muestreo inferior SP2, una sonda de muestreo media SP3 y una sonda de muestreo superior SP4.
tos de doble rosca y medios de conexión conocidos. La tubería de muestreo 2 comprende cuatro sondas de muestreo: una sonda de muestreo SP1 de gas, una sonda de muestreo inferior SP2, una sonda de muestreo media SP3 y una sonda de muestreo superior SP4.
La sonda de muestreo inferior SP2 está situada
en una parte inferior de la tubería de muestreo 2. La sonda de
muestreo media SP3 está situada en una parte central de la tubería.
La sonda de muestreo superior SP4 está ubicada en una parte
superior de la tubería. Las sondas de muestreo superior, media e
inferior están situadas de cara al flujo de la mezcla fluida FF de
múltiples fases (es decir, las puntas muestreo de las sondas de
muestreo superior, media e inferior están dirigidas aguas
arriba).
La sonda de muestreo SP1 de gas está situada en
la parte media de la tubería y en el sentido de flujo de la mezcla
fluida FF de múltiples fases, a saber, en el sentido opuesto con
respecto a las sondas de muestreo superior, media e inferior (es
decir, la punta de muestreo de la sonda de muestreo de gas está
dirigida aguas abajo).
Las sondas de muestreo SP1, SP2, SP3 y SP4
permiten el muestreo en diferentes posiciones y sentidos de la
tubería principal. En particular, esta colocación permite la
captación de una fase predominante de la mezcla fluida FF de
múltiples fases que fluye por el interior de la tubería principal 2,
dependiendo de su calidad (gas, líquido) y de los regímenes de
flujo (neblina, burbujas, lodo, flujos a borbotones, etc.). Para
capturar una fase predominante, puede seleccionarse una de las
sondas de muestreo por medio de un colector de válvulas integrado,
tal y como se describe aquí adicionalmente en lo que sigue.
\newpage
La forma de la tubería de muestreo y las
posiciones de las sondas de muestreo SP1, SP2 y SP3 sobre la misma
línea vertical, como se muestra en la Figura 2, no son limitativas.
Alternativamente, la tubería de muestreo puede tener otras formas y
configuración que la mostrada en la Figura 2, por ejemplo, puede ser
una porción de tubería que tenga una forma de T, de codo, etc...
Además, las posiciones de las sondas de muestreo, así como su
número, pueden variar dependiendo de las características del flujo
de fluido. En particular, las características del flujo de fluido
dependen de la posición del punto de muestreo tras un codo o una
línea recta de la tubería principal, etc... Puede esperarse dicha
configuración de la línea principal y, por tanto, la posición de la
sonda de muestreo puede adaptarse a la configuración. De esta forma,
las sondas de muestreo SP1, SP2, SP3 y SP4 pueden colocarse de
acuerdo con diversas posiciones, ángulos y sentidos con respecto al
sentido del flujo de fluido en la tubería principal.
Ventajosamente, al estar colocadas las sondas de
muestreo estacionariamente en la tubería y no comprender ninguna
parte móvil, la tubería de muestreo y las sondas de muestreo son muy
fiables por lo que respecta a fugas y problemas de obstrucción
cualesquiera que sean las características de flujo de la mezcla
fluida de múltiples fases (régimen de flujo, presión, temperatura,
composición,...).
La cámara 3 de muestra de volumen variable
comprende una lumbrera superior 3A y una lumbrera de fondo o
inferior 3B. La cámara 3 de muestra comprende adicionalmente un
pistón 7A. El pistón puede desplazarse dentro de la cámara de tal
manera que el volumen variable queda definido por la posición del
pistón 7A dentro de la cámara 3 de muestra. El tamaño y la posición
del pistón dentro de la cámara forman una cavidad anular 9, que
permite que el fluido entre el cámara o la abandone por la lumbrera
inferior 3B. La cámara está dispuesta formando un cierre hermético
con el pistón por medio de una junta de obturación 7B.
Ventajosamente, la lumbrera de fondo está situada en el nivel de la
junta de obturación del pistón, que es el punto más bajo en el que
puede recogerse el fluido que está presente en la cámara (por
ejemplo, una fase líquida pesada).
El pistón 7A es accionado por un dispositivo de
impulsión 7D del pistón, perteneciente al aparato de muestreo. El
dispositivo de impulsión 7D del pistón puede consistir en una
disposición de accionamiento hidráulica que comprende un
dispositivo de impulsión hidráulico destinado a desplazar el pistón
dentro de la cámara, y un resorte cargado, destinado a desplazar el
pistón fuera de la cámara. Alternativamente, el pistón de la cámara
de muestra puede ser accionado por cualquier otro dispositivo de
accionamiento mecánico conocido (dependiendo de la energía
disponible).
El aparato de muestreo comprende adicionalmente
un sensor (no mostrado) para medir el volumen (volumen vacío) de la
cámara de muestra. El sensor, por ejemplo, un codificador, mide la
posición del pistón dentro de la cámara de muestra. El valor de
este volumen puede estar disponible para su lectura desde unos
medios mecánicos (vernier) y/o unos medios digitales (dispositivo
de presentación visual).
La cámara de muestra con el pistón es análoga a
una jeringuilla de alta presión, lo que permite que el fluido
tomado como muestra por una de las sondas de muestreo sea aspirado
al interior de la cámara y hecho circular o desalojado fuera de la
cámara. La cámara actúa como un separador gravitacional para el
fluido tomado como muestra.
Para una aplicación particular en la industria
de los servicios de producción petrolífera, la mezcla fluida de
hidrocarburos que fluye en la tubería principal es una mezcla que
comprende típicamente tres fases: una fase acuosa (fase de agua -en
realidad, una fase enriquecida en agua), una fase de hidrocarburos
líquidos (fase de petróleo -en realidad, una fase enriquecida en
petróleo) y una fase de hidrocarburos gaseosos (fase de gas). El
fluido que se ha tomado como muestra (una mezcla fluida de
hidrocarburos) y que penetra en la cámara se separa por gravedad en
una capa de líquido y una capa de gas GE. La capa de líquido está
constituida por una capa WE enriquecida en agua (agua con gases
disueltos, sales e impurezas, sobre todo petróleo) y una capa OE
enriquecida en petróleo (petróleo con gases disueltos e impurezas,
sobre todo agua). La capa de líquido puede comprender
adicionalmente una capa de emulsión entre la capa enriquecida en
agua y la capa enriquecida en petróleo. El espesor de la capa de
emulsión depende de las propiedades relativas físicas y químicas
(por ejemplo, la densidad, la tensión interfacial, etc.) de las
fases de petróleo y de agua.
El fluido tomado como muestra por una de las
sondas de muestreo puede ser aspirado en la cámara bien por la
lumbrera superior 3A o bien por la lumbrera inferior 3B. De
preferencia, el fluido es aspirado por la lumbrera superior 3A.
El fluido de la cámara puede ser desalojado o
hecho circular fuera de la cámara bien por la lumbrera superior 3A
o bien por la lumbrera inferior 3B. De preferencia, las fases más
ligeras (la fase gaseosa, pero también la fase enriquecida en
petróleo) son desalojadas de la cámara por la lumbrera superior 3A,
y las fases más pesadas (la fase enriquecida con agua, pero también
la fase enriquecida con petróleo) son desalojadas por la lumbrera
inferior 3B. Puede utilizarse cualquier sonda de muestreo SP1, SP2,
SP3, SP4 para desalojar o hacer circular la fase no deseada de
vuelta a la tubería principal FL.
Ventajosamente, la cámara puede estar diseñada
para minimizar el volumen muerto.
El colector 4 de válvulas conecta las sondas de
muestreo SP1, SP2, SP3 y SP4 a la cámara de muestreo 3. El colector
de válvulas garantiza las conexiones tanto hidráulicas como
mecánicas entre las sondas y la cámara.
\newpage
El colector 4 de válvulas comprende una salida 5
de muestra destinada a proporcionar un fluido enriquecido en una
única fase, por ejemplo, a un analizador apropiado para un análisis
directo del fluido, o a un cilindro o botella de transporte para un
análisis subsiguiente en un laboratorio.
El colector 4 de válvulas comprende también un
detector 8 de fase, destinado a determinar el tipo de fase que
fluye desde las sondas de muestreo hacia la cámara y viceversa, o
desde la cámara hacia la salida. De forma ventajosa, el detector de
fase es un detector de fase óptico. La sonda detectora de fase
óptica se monta en el colector de válvulas de tal manera que se
detectan todos los fluidos que fluyen dentro y fuera de la
cámara.
El colector 4 de válvulas comprende al menos una
válvula V1, V2, V3 y V4 de sonda, una válvula V5 de lumbrera
superior, una válvula V6 de lumbrera inferior y una válvula de
salida V7.
Las cuatro válvulas V1, V2, V3, V4 de sonda
conectan, respectivamente, las sondas de muestreo de gas SP1,
inferior SP2, media SP3 y superior SP4 al detector 8 de fase.
La válvula V5 de lumbrera superior conecta el
detector 8 de fase a la lumbrera superior 3A de la cámara 3.
La válvula V6 de lumbrera de fondo conecta el
detector de fase a la lumbrera de fondo 3B de la cámara 3.
La válvula de salida V7 conecta el detector 8 de
fase a la salida 5 de muestra.
El colector 4 de válvulas permite la selección
de las sondas de muestreo, la conexión con la cámara de muestra
(superior o inferior) y la activación de la salida de muestra.
El colector 4 de válvulas permite que el fluido
tomado como muestra sea desalojado o hecho circular al exterior de
la cámara, bien a la tubería principal, a través de una de las
sondas de muestreo SP1, SP2, SP3 ó SP4, o bien a la salida 5 de
muestra para un uso adicional (análisis directo o cilindro de
transporte).
Ha de apreciarse que el colector 4 de válvulas
puede hacerse funcionar manualmente por un operario dependiendo de
la indicación proporcionada por el detector de fase, o bien
automática o semi-automáticamente, por una
disposición de control (no mostrada). Dicha disposición de control
puede abrir y cerrar las diversas válvulas y controlar el
desplazamiento del pistón de acuerdo con las mediciones efectuadas
por el detector de fase y la fase programada de la que se han de
tomar predominantemente las muestras.
El aparato de muestreo 1 comprende
adicionalmente una disposición 6 de control de la temperatura,
destinada a mantener la cámara 3 de muestra y el colector 4 de
válvulas en la temperatura de la mezcla fluida FF de múltiples
fases que fluye por el interior de la tubería principal FL. La
disposición 6 de control de la temperatura comprende un aislante
térmico (no mostrado). El aislante térmico permite que el colector
de válvulas y la cámara de muestra se aprovechen del calor
conducido por el fluido tomado como muestra a través de las diversas
conexiones.
La disposición de control de la temperatura
puede comprender también un dispositivo de calentamiento y un
regulador de temperatura (no mostrado). Esta alternativa puede
aplicarse en el caso de que exista un gradiente de temperatura
demasiado importante entre la tubería principal y la cámara de
muestra, debido a una conducción insuficiente del calor.
Además, tanto el pistón 7A como el dispositivo
de impulsión 7D del pistón pueden estar aislados térmicamente con
respecto a la cámara por un aislante térmico 7C del pistón.
Ventajosamente, el aislante es una junta de material especial.
La disposición de control de la temperatura
permite mantener el fluido de muestra a la misma temperatura que el
fluido de mezcla de múltiples fases que fluye por el interior de la
tubería principal, con lo que se evitan transferencias de masa
entre las diferentes fases gobernadas por leyes termodinámicas.
De forma ventajosa, todas las partes mojadas del
aparato de muestreo están hechas de una aleación apropiada para
proporcionar las mejores resistencia e inercia químicas, así como la
mejor resistencia mecánica. La presión y temperatura máximas de
funcionamiento dependen de la aplicación; por ejemplo, en la
aplicación en la industria de producción petrolífera, el aparato de
muestreo funciona a una presión de hasta 700 bar y a una temperatura
de hasta 150ºC.
El aparato de muestreo descrito aquí en lo
anterior funciona como sigue.
Tras haber conectado el aparato de muestreo a
una tubería principal de un pozo de hidrocarburo, se lleva a cabo
una operación de muestreo de acuerdo con una primera etapa. Al
comienzo, todas las válvulas se encuentran en un estado cerrado. La
operación de muestreo toma predominantemente una muestra de fluido
enriquecido en una fase seleccionada de la mezcla fluida de
múltiples fases que fluye por el interior de la tubería principal.
Dependiendo de la fase seleccionada de la que se han de tomar las
muestras, se selecciona una sonda de muestreo concreta de entre las
cuatro sondas de muestreo SP1, SP2, SP3 y SP4. La selección de una
sonda de muestreo se lleva a cabo por el colector 4 de
válvulas.
Por ejemplo, con el fin de tomar una muestra
de:
- un fluido enriquecido en gas, se selecciona la
sonda de muestreo SP1 mediante la apertura de la válvula V1 de
muestreo de gas,
- un fluido enriquecido en petróleo, se
selecciona/n la sonda de muestreo media SP3 ó/y la superior SP4
abriendo, respectivamente, la válvula de muestreo media V3 ó/y la
válvula de muestreo superior V4,
- un fluido enriquecido en agua, se selecciona
la sonda de muestreo inferior SP2 abriendo la válvula de muestreo
inferior V2.
Sin embargo, dependiendo del régimen de flujo
predominante en la tubería principal y de la configuración de la
tubería, puede seleccionarse cada una de las sondas SP2, SP3 y SP4
situadas de cara al flujo para el muestreo predominantemente de una
fase pesada dada (fluido enriquecido en agua o fluido enriquecido en
petróleo).
La sonda de muestreo SP1 de gas, colocada en la
parte superior de la tubería y según el sentido del flujo, se
utiliza para tomar muestras predominantemente de un fluido
enriquecido en gas. Esto es debido a las densidades y, por tanto, a
la diferencia de fuerzas de inercia entre el líquido y el gas, de
tal modo que la sonda de muestreo SP1 de gas toma muestras de más
gas puesto que el líquido no cambiará su dirección de flujo
fácilmente.
Durante esta primera etapa, la válvula V5 de
lumbrera superior se abre también preferiblemente para dejar fluir
el fluido tomado como muestra al interior de la cámara 3 a través de
la lumbrera superior 3A. De forma alternativa, la válvula V6 de
lumbrera inferior puede ser abierta para dejar fluir el fluido
tomado como muestra al interior de la cámara 3 a través de la
lumbrera inferior 3A. Alternativamente, ambas válvulas de lumbrera
pueden ser abiertas para dejar fluir el fluido tomado como muestra
al interior de la cámara 3.
De forma concomitante, el pistón 7A es accionado
hacia atrás para aspirar el fluido tomado como muestra al interior
de la cámara. Preferiblemente, el pistón es accionado a una
velocidad que garantiza una presión diferencial baja entre la
tubería principal y la cámara.
En consecuencia, durante la primera etapa, el
fluido tomado como muestra es transferido desde la tubería principal
a la cámara de muestra con una caída de presión mínima.
Durante la primera etapa, el detector de fase se
utiliza para controlar el tipo de la fase fluida que fluye al
interior de la cámara de muestra.
De acuerdo con una segunda etapa, el fluido
tomado como muestra que está presente en la cámara se enriquece en
la fase seleccionada. Esto se lleva a cabo aspirando el fluido que
se toma como muestra al interior de la cámara de muestra y
desalojando o desplazando hacia atrás la fase no deseada, de vuelta
a la tubería principal.
El fluido tomado como muestra que se aspira al
interior de la cámara de muestra, se asienta descendiendo hasta
formar una capa debido a la gravedad. Preferiblemente, el aparato de
muestreo se hace funcionar verticalmente para mejorar la
segregación por gravedad de las diversas fases. En particular, la
fase pesada (por ejemplo, el fluido WE enriquecido en agua) fluye
descendiendo hasta la lumbrera inferior 3B a través de la cavidad
anular 9 existente entre el pistón 7A y la pared 3 de la cámara, en
tanto que la fase más ligera (por ejemplo, la fase GE enriquecida
en gas y/o la fase OE enriquecida en petróleo) permanece cerca de la
parte superior de la cámara.
Las fases no deseadas son desalojadas de vuelta
a la tubería principal a través, bien de la lumbrera superior 3A o
bien de la lumbrera inferior 3B, dependiendo de su densidad relativa
con respecto a la fase seleccionada. La operación de desalojo se
lleva a cabo desplazando el pistón 7A hacia arriba dentro de la
cámara 3 y abriendo la válvula de lumbrera correspondiente, V5 ó
V6. La fase no deseada es desalojada o hecha circular hacia la
tubería principal FL por una de las lumbreras de muestreo SP1, SP2,
SP3 ó SP4, a través de su válvula respectiva V1, V2, V3 ó V4.
Estas etapas pueden ser repetidas según un
procedimiento iterativo con el fin de acumular un volumen
significativo o suficiente de la muestra de fluido enriquecida en
una fase seleccionada en la cámara de muestra. Una vez más, puede
utilizarse el detector de fase para detectar el tipo de fluido que
deja la cámara de muestra y decidir si la cámara de muestra está
predominantemente llena de la fase seleccionada de la que se han de
tomar muestras.
Generalmente, el muestreo de un fluido
enriquecido en una fase dada, en un flujo de mezcla fluida de
múltiples fases, no es posible como tal debido al amplio intervalo
de regímenes de flujo y relaciones de fases que se pueden
encontrar. Sin embargo, hay siempre una posición en la línea o
conducción de flujo en la que una fase está presente de forma
predominante. Así pues, una buena elección de la sonda de muestreo
puede reducir el número de iteraciones para enriquecer el fluido
tomado como muestra con una fase dada.
De acuerdo con una tercera etapa, se expele o
expulsa un volumen conocido de la muestra de fluido enriquecida en
una fase seleccionada, a través de una salida, hacia una aplicación
externa (por ejemplo, una botella de transporte, un aparato de
análisis). Esto se lleva a cabo abriendo la válvula de salida V7 y
una de las válvulas V5 de lumbrera superior y V6 de lumbrera
inferior, o ambas, y desplazando el pistón 7A hacia arriba en la
cámara 3. El detector de fase puede utilizarse para detectar el tipo
de fluido que abandona la cámara de muestra y confirmar que
corresponde a la fase seleccionada de la que se han de tomar
muestras.
Durante estas etapas, la muestra se mantiene a
la presión y temperatura de la tubería principal. Esto permite
evitar transferencias de masa entre las diferentes fases gobernadas
por leyes termodinámicas.
Preferiblemente, la presión es mantenida en el
valor de presión de la tubería principal al dejar abierta una
conexión por una sonda de muestreo durante todo el procedimiento,
mientras está presente más de una fase en la cámara (durante el
procedimiento de muestreo o desalojo). La presión es controlada
durante la transferencia de un fluido tomado como muestra, de la
fase seleccionada, a la aplicación, mediante el ajuste manual o
automático de la velocidad del pistón 7A y de la apertura de la
válvula de salida V7.
En la realización aquí descrita en lo anterior,
el aparato de muestreo comprende cuatro sondas de muestreo para el
muestreo de las diferentes fases. Sin embargo, como puede ser
evidente para una persona experta en la técnica por el principio de
funcionamiento aquí descrito en lo anterior, la tubería de muestreo
puede comprender menos o más sondas de muestreo, pero al menos una
sonda de muestreo. En particular, y como alternativa (no mostrada),
la tubería de muestreo puede comprender una sola sonda de muestreo
que tenga una posición en altura ajustable dentro de la tubería de
muestreo. Esta única sonda de muestreo, conectada al detector de
fase, permite colocar la sonda de muestreo en una posición
apropiada dentro de la tubería con el fin de seleccionar
predominantemente un fluido enriquecido en una fase dada.
La sonda única puede colocarse activamente en la
fase deseada por medio de un dispositivo de impulsión controlado
hidráulica o neumáticamente dependiendo de la respuesta del detector
de fase.
Aunque el aparato de muestreo se ha descrito en
relación con un ejemplo concreto consistente en el muestreo de un
volumen de muestra significativo de agua, petróleo o gas que fluye
dentro de una tubería principal, tras una cabecera de pozo situada
en la superficie, éste puede utilizarse obviamente en otra
aplicación, por ejemplo, en una aplicación submarina, o en tubos de
conducción, o en combinación con un medidor de flujo de múltiples
fases, etc...
Se ha venido describiendo una aplicación
particular de la invención referida a la industria de la producción
petrolífera. Sin embargo, la invención es también aplicable a otros
tipos de industria en los que exista la necesidad de analizar una
fase particular de una mezcla fluida de múltiples fases que fluye
dentro de una tubería principal (por ejemplo, la industria
alimentaria, la industria química,...).
Los dibujos y su descripción dados en lo
anterior ilustran la invención en lugar de limitarla.
Cualquier signo de referencia en una
reivindicación no ha de interpretarse con limitativa de la
reivindicación. La expresión "que comprende" no excluye la
presencia de otros elementos diferentes de los citados en una
reivindicación. La palabra "un" o "una" que precede al
elemento no excluye la presencia de una pluralidad de tales
elementos.
Claims (16)
1. Un aparato de muestreo (1) para tomar
muestras de un fluido enriquecido en una fase seleccionada de una
mezcla fluida (FF) de múltiples fases que fluye por el interior de
una tubería principal (FL), de tal modo que la mezcla fluida de
múltiples fases contiene al menos la fase seleccionada y otra fase,
comprendiendo el aparato:
- una disposición de muestreo (2, SP1, SP2, SP3,
SP4), destinada a tomar una muestra de fluido de la mezcla fluida
(FF) de múltiples fases que fluye por el interior de la tubería
principal (FL),
- una cámara (3) de muestra, que tiene un
volumen variable con el fin de recoger la muestra de fluido de la
mezcla fluida de múltiples fases y dejar que se asiente por gravedad
la muestra de fluido hasta formar el fluido enriquecido en la fase
deseada y un fluido enriquecido en al menos otra fase, y
- un colector (4) de válvulas, que conecta la
disposición de muestreo a la cámara (3) de muestra para impulsar la
muestra de fluido dentro de la cámara (3) de muestra y para impulsar
el fluido enriquecido en la fase seleccionada hacia una salida (5)
de muestra, y el fluido enriquecido en otra fase de vuelta a la
tubería principal (FL).
2. Un aparato de muestreo de acuerdo con la
reivindicación 1, de tal manera que el aparato de muestreo comprende
adicionalmente una disposición (6) de control de la temperatura,
destinada a mantener la cámara (3) de muestra y el colector (4) de
válvulas a la temperatura de la mezcla fluida (FF) de múltiples
fases de la tubería principal (FL).
3. Un aparato de muestreo de acuerdo con la
reivindicación 2, en el cual la disposición (6) de control de la
temperatura comprende un aislante térmico, un dispositivo de
calentamiento y un regulador de temperatura.
4. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual:
- la disposición de muestreo comprende una
tubería de muestreo (2) destinada a conectarse a la tubería
principal (FL), de manera que tubería de muestreo comprende al
menos una sonda de muestreo (SP1, SP2, SP3, SP4),
- la cámara de muestreo (3) que tiene un volumen
variable, comprende una lumbrera superior (3A) y una lumbrera
inferior (3B), y
- el colector (4) de válvulas que conecta la
sonda de muestreo a la cámara, tiene una salida (5) de muestra
destinada a proporcionar el fluido enriquecido en la fase
seleccionada, y comprende:
- al menos una válvula (V1, V2, V3, V4) de sonda
que conecta la sonda de muestreo a un detector (8) de fase,
- una válvula (V5) de lumbrera superior, que
conecta el detector de fase a la lumbrera superior,
- una válvula (V6) de lumbrera de fondo, que
conecta el detector de fase a la lumbrera de fondo, y
- una válvula de salida (V7), que conecta el
detector de fase a la salida de muestra.
5. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la cámara
de muestra comprende un pistón (7A) y el aparato de muestreo
comprende adicionalmente un dispositivo de impulsión (7D) del
pistón, destinado a desplazar el pistón dentro de la cámara (3) de
muestra, de tal manera que el volumen variable se define por la
posición del pistón dentro de la cámara de muestra.
6. Un aparato de muestreo de acuerdo con la
reivindicación 5, en el cual el pistón (7A) está separado de la
cámara (3) de muestra por una cavidad anular (9) destinada a dejar
fluir hacia abajo un fluido presente en la cámara, hacia la
lumbrera inferior (3B).
7. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la
tubería de muestreo (2) comprende adicionalmente:
- una sonda de muestreo inferior (SP2), situada
en una parte inferior de la tubería de muestreo,
- una sonda de muestreo media (SP3), situada en
una parte central de la tubería de muestreo,
- una sonda de muestreo superior (SP4), situada
en una parte superior de la tubería de muestreo, y
- las sondas de muestreo superior, media e
inferior están situadas de cara al flujo de la mezcla fluida de
múltiples fases.
8. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la
tubería de muestreo (2) comprende adicionalmente una sonda (SP1) de
muestreo de gas, situada en la parte media de la tubería de
muestreo y en un sentido opuesto con respecto a las sondas de
muestreo inferior, media y superior (SP2, SP3, SP4).
9. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual la tubería de
muestreo (2) comprende adicionalmente una sonda (SP1) de muestreo de
gas, situada en la parte superior de la tubería de muestreo y en un
sentido opuesto con respecto a las sondas de muestreo inferior,
media y superior (SP2, SP3, SP4).
10. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual la tubería de
muestreo comprende una sonda de muestreo que tiene una posición
ajustable dentro de la tubería de muestreo.
11. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el
detector (8) de fase es un detector de fase óptico.
12. Un aparato de muestreo de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, de tal manera que
el aparato de muestreo comprende adicionalmente un sensor para medir
el volumen de la cámara de muestra.
13. Un aparato de muestreo de acuerdo con la
reivindicación 12, en el cual el sensor mide la posición del pistón
dentro de la cámara de muestra.
14. Un método de muestreo para tomar muestras de
un fluido enriquecido en una fase seleccionada, de una mezcla
fluida (FF) de múltiples fases que fluye por el interior de una
tubería principal (FL), de tal modo que la tubería principal está
dotada de un aparato de muestreo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 13, de tal manera que el método de muestreo
comprende las siguientes etapas:
- una primera etapa que comprende las etapas de
tomar una muestra de fluido de la mezcla fluida de múltiples fases
mediante la conexión de una sonda de muestreo a la cámara de muestra
y el incremento del volumen de la cámara, y dejar que se asiente
por gravedad la muestra de fluido dentro de la cámara de muestra,
hasta formar el fluido enriquecido en la fase seleccionada y un
fluido enriquecido en al menos una fase no deseada,
- una segunda etapa que comprende las etapas de
desalojar o hacer circular el fluido enriquecido en al menos una
fase no deseada de vuelta a la tubería principal mediante la
conexión de la cámara de muestra a una sonda de muestreo y la
reducción del volumen de la cámara,
- repetir las primera y segunda etapas de tal
manera que se obtenga en la cámara de muestra una cantidad dada del
fluido enriquecido en la fase seleccionada, y
- una tercera etapa que comprende la etapa de
expulsar el fluido enriquecido en la fase seleccionada fuera de la
cámara mediante la conexión de la cámara a la salida y la reducción
del volumen de la cámara.
15. Un método de muestreo de acuerdo con la
reivindicación 14, de tal manera que el método comprende
adicionalmente la etapa de mantener el aparato de muestreo a la
temperatura de la mezcla fluida (FF) de múltiples fases que fluye
por el interior de una tubería principal.
16. Un método de muestreo de acuerdo con la
reivindicación 14 ó la reivindicación 15, de tal manera que el
método comprende adicionalmente la etapa de supervisar las fases del
fluido que fluye dentro y fuera de la cámara de muestra.
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