MXPA00001538A - Separador helicoidal mejorado - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a:Un separador helicoidal, colocado de una manera sustancialmente vertical para promover la separación de una mezcla de líquido/gas en dos corrientes distintas de sustancialmente fase individual, que comprende:una cámara de expansión, y un separador secundario que consiste de al menos una veleta guía en forma de hélice deinclinación constante que tiene, adyacente a su superficie inferior aberturas que permiten el paso de gas hacia un tubo que se extiende fuera del separador, caracterizado por:una región intermedia que consiste de al menos una veleta guía de forma de hélice de inclinación variable que estáentre la cámara de expansión y el separador secundario, la inclinación variable que disminuye la dirección de flujo del líquido/gas.

Description

SEPARADOR HELICOIDAL MEJORADO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a equipo para el uso en procesos para separar mezclas de varias fases en general en aplicaciones industriales, basándose en la diferencia de densidad de las fases, que es particularmente aplicable a mezclas de gases en líquidos, combinando la fuerza centrífuga con la fuerza de gravedad. De manera más específica, sin embargo, es un punto de equipo usado más efectivamente en la producción de petróleo y se puede aplicar tanto durante la producción como también durante las operaciones de perforación de pozos de petróleo, particularmente en el caso de depósitos en ultramar localizados a grandes profundidades o en depósitos de tierras marginales. La invención también aplica en general a la industria petroquímica o la industria química.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El petróleo crudo se encuentra de manera natural en una mezcla de agua y gas. Un problema que necesita ser resuelto inmediatamente, cuando es baja la presión de ascenso, es la elección de la manera en la cual se transportará desde el cabezal del pozo al sitio donde se procesará inicialmente el petróleo. La razón para esto es que se puede transportar por flujo natural de varias fases, por medio de bombeo de varias fases (mezclado con gas) o por medio de bombeo solo del componente líquido después de la separación de la fase gaseosa del petróleo. La decisión en favor de uno de los métodos mencionados con anterioridad dependerá, entre otros factores, de las características del depósito, las características de los fluidos producidos y condiciones ambiéntales. Uno de los objetivos de la presente invención es promover la separación eficiente del gas mezclado con el petróleo, aún en el lecho marino, dentro de un pozo falso, de una manera tal como para ser viable la explotación de ciertas reservas de hidrocarburos localizadas en aguas de océanos profundos . Una de las ventajas principales de la separación en el lecho marino, en un pozo falso, consiste en la reducción de la presión de flujo del petróleo en el fondo del pozo, lo que permite mayor recuperación del petróleo del depósito. El incremento en la producción ocurre debido a que la presión en el cabezal del pozo se reduce a la presión de operación del separador, que es sustancialmente menor que la presión hidrostática de la profundidad del agua o que la presión hidrostática de una tubería de producción a la plataforma de ultramar. La separación de la corriente de petróleo que se origina en el depósito hacia dos distintas corrientes, una de líquido y otra de gas, permite que las reservas se exploten usando tecnologías convencionales que son bien conocidas en la industria del petróleo. El gas se levanta por la diferencia de la presión entre el separador y el recipiente de recepción localizada en la plataforma, mientras que la corriente líquida se puede levantar, por ejemplo, usando una bomba centrífuga sumergida (SCP) u otra técnica de levantamiento artificial, adecuada. Una ventaja adicional de usar la separación en el lecho marino, en el caso de la producción de petróleo en ultramar, radica en la posibilidad de ahorrar espacio físico y reducir la carga en la cubierta de la plataforma. Aún una ventaja significativa, adicional de este proceso de separación, en unión con un depósito natural, se relaciona al monitoreo de las reservas, puesto que, si los flujos de líquido y gas se separan, se pueden medir de manera más fácil. Este hecho es altamente significativo, principalmente cuando se consideran las dificultades comprendidas en la medición de un flujo de varias fases. El monitoreo de la producción individual de líquido y gas también permitirán mejor control sobre la producción en el depósito de petróleo. Una aplicación adicional de la invención, durante las operaciones de perforación de pozos de petróleo, es la separación de gases que se pueden mezclar con los fluidos de perforación. La invención también se puede aplicar en la industria fuera del área de la producción de petróleo. En este caso, se eliminan grandemente las restricciones de una naturaleza dimensional.

TÉCNICA ANTERIOR Entre los desarrollos más recientes en esta área, se puede hacer mención al concepto bastante prometedor conocido como VASPS (separación anular vertical y sistema de bombeo), que permite que una unidad separadora/de bombeo, sumergida, integral se instale en un tubo de 0.75 m (30 pulgadas) usado en los sistemas de producción submarina, convencionales. Este sistema permite el uso de equipo estandarizado para forrar pozos, cabezales de pozo y bases guía y usa una bomba sumergida empotrada en el forro del pozo a fin de retirar la fase líquida vía un tubo dedicado a este propósito. El gas se separa y produce vía otro tubo que se mantiene a una presión del cabezal del pozo. Este sistema se describe en detalle en la Patente de los Estados Unidos No. 4900433 del 13/02/90, que corresponde a la Compañía Británica de Petróleo, y también en el trabajo de J. Gregory titulado "VASPS (Vertical Annular Separation and Pumping System) Sends Subsea Separation on Downward Spiral to Success", que se publicó en Offshore Engineering en Agosto de 1989, páginas 35-36. El diseño de VASPS combina la característica operacional de la integración del separador y la bomba sumergida, formando una unidad compacta que también ofrece la posibilidad de medir el flujo de producción. Principalmente hace uso de la fuerza centrífuga a fin de separar el líquido y el gas. Las pruebas de laboratorio que simulan el sistema descrito con anterioridad ha revelado un número de desventajas y aspectos ineficientes que deben ser considerados, específicamente: i) cantidad excesiva de líquido (aceite mezclado con agua) en la línea de gas (LCO o transporte de líquido), que restringe la capacidad de separación de gas/líquido del equipo y limita su alcance operacional. Cualquier interrupción en el flujo de gas/líquido de varias fases en la línea que alimenta el separador provoca que el líquido se arrastre al tubo de gas; ii) el concepto operacional del diseño, que impone un flujo de descenso de líquido y gas en la etapa inicial del equipo (cabezal del separador) . Este flujo de descenso en la mezcla de líquido y gas provoca una pérdida excesiva de presión en el flujo, que conduce a un aumento innecesario en la presión del cabezal del pozo, dando por resultado una producción total menor de hidrocarburos del depós ito . Con una visión a solucionar los problemas mencionados con anterioridad, la invención que es el sujeto de la Solicitud Brasileña PI 9504350 (Separador de Aceite y Gas Mejorado) hace la provisión para la incorporación, en la unidad de la técnica anterior, y mencionada con anterioridad, una parte cilindrica que funciona como un separador primario, reemplazando la porción cónica del cuerpo del separador. Una abertura lateral para la entrada tangencial de los fluidos producidos se localiza en un punto intermedio en esta parte cilindrica. En la parte interna, superior, el separador primario tiene orificios que se comunican con un tubo central longitudinal que conduce los gases al tubo de salida del separador. La separación del gas toma lugar por medio de las fuerzas centrífuga y gravitacional , combinadas . De esta manera, el separador primario actúa como si fueran una cámara de expansión integrada con un separador centrífugo, promoviendo mejor separación de las fases debido al efecto de educción y permitiendo la operación a menores temperaturas cercanas a la presión de la línea de exportación. El separador primario tiene una geometría tubular compacta que es compatible con las tecnologías conocidas de preparación de ultramar, incluyendo aquellas que son adecuadas para. agua profunda. La US 4,481,020 describe un aparato separador en el cual una mezcla de petróleo/gas fluye hacia arriba más allá de una veleta helicoidal que tiene una pendiente constante, aún creciente. Esta pendiente creciente sirve para remover la velocidad tangencial del líquido y gas antes de que se derive el gas . La US 2,865,470 describe una cámara de separación horizontalmente colocada en la cual se inyecta una mezcla de gas-petróleo de manera axial más allá de una veleta guía, helicoidal. El dispositivo de este documento no usa la gravedad para ayudar a la separación y este documento no describe un hidrociclón primario. 1) un separador primario formado por un hidrociclón cilindrico en una cámara de expansión y una entrada tangencial en un punto intermedíe2) un separador secundario formado por una cámara cilindrica que contiene una hélice para dirigir el flujo; y un separador terciario que consiste de un depósito o tanque para la separación gravitacional. Se ha encontrado, durante los experimentos con este separador, que el diseño descrito con anterioridad también tiene un número de deficiencias de operación, principalmente para altas velocidades de flujo, aún dentro de la banda de operación contemplada. Estas deficiencias se manifiestan en la forma de una acumulación de líquido en la parte superior de la superficie helicoidal, y también afecta la parte inferior de la cámara de expansión. Este efecto se atribuye a la desaceleración súbita en la mezcla de líquido/gas conforme pasa a través de la cámara de expansión hacia el separador helicoidal BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere básicamente a un separador mejorado de líquido/gas en el cual la corriente líquida puede consistir de una mezcla de varias fases, por ejemplo petróleo y agua, o de una corriente de fase individual. En la Solicitud Brasileña PI 9504350, se hace la provisión para la incorporación de un separador vertical de dos fases del tipo convencional, que contiene los componentes internos, colocados por arriba del separador primario del equipo de "VASPS". Esa incorporación da por resultado las siguientes mejoras: i) permite que el gas siga su flujo natural, promoviendo la separación más efectiva en el separador secundario y reduciendo el arrastre de líquido; ii) el separador puede operar a menores presiones, que permiten mejor control de la presión en el depósito; iii) el gas se separa al combinar las fuerzas centrífugas y gravitacional. Sin embargo, la manera en la cual el fluido entra a la superficie helicoidal, viniendo desde la cámara de expansión, da por resultado una transición muy súbita, provocando una acumulación de líquido en la región, que puede dar origen a un arrastre de líquido a la línea de gas, particularmente a altas velocidades de flujo. Por consiguiente, la presente invención proporciona un separador helicoidal, colocado de una manera sustancialmente vertical para promover la separación de una mezcla de líquido/gas en dos corrientes distintas de sustancialmente fase individual, que comprende: una cámara de expansión (I), y un separador secundario (III) que consiste de al menos una veleta guía en forma de hélice, (14a) de inclinación constante que tiene, adyacente a su superficie inferior, aberturas (17) que permiten el paso de gas hacia un tubo (5) que se extiende fuera del separador, caracterizado por: una región intermedia (II) que consiste de al menos una veleta guía (14a) en forma de hélice de inclinación variable que está entre la cámara de expansión (I) y el separador secundario (III), la inclinación variable que disminuye en la dirección de flujo del líquido/gas. De manera específica, la presente invención propone la introducción de una región de transición entre la cámara de expansión y el inicio de la superficie helicoidal. Esta porción de transición tiene un efecto ya que provoca una desaceleración ligera de la mezcla de líquido con gas, ya procesada por la cámara de expansión, que va a la superficie helicoidal. Esta porción consiste, en términos generales, de dos hélices de inclinación variable, que empiezan con un ángulo de 90°, paralelas a la dirección de flujo en el extremo de la cámara de expansión. Después de aproximadamente una y media vueltas de la superficie helicoidal de inclinación variable, es decir, aproximadamente 540°, alcanza progresivamente, con una inclinación del orden de 18°, la segunda etapa del separador que consiste básicamente de una superficie helicoidal, adicional, esta que tiene una inclinación constante. Una segunda superficie helicoidal de inclinación variable en esta parte de transición, fuera de fase con respecto a la primera superficie helicoidal por un ángulo de 180°, impide la formación de una cascada en la segunda inclinación de la primera superficie helicoidal. Esta primera superficie, helicoidal, principal, y la segunda superficie helicoidal, auxiliar se extienden a lo largo de un tubo central, longitudinal. Esta segunda superficie helicoidal se puede interrumpir, después de una inclinación completa, desde el punto donde no estaría por más tiempo ninguna caída libre de fluido sobre la segunda inclinación de la superficie helicoidal, principal, o podría continuar hasta la parte inferior del separador, actuando como un divisor de flujo incrementado la separación de gas /líquido . Si la fase líquida se acompaña por sólidos, como ocurre frecuentemente en la industria del petróleo, cuando el líquido se acompaña por una cantidad pequeña de arena o grava, el equipo también se puede usar puesto que se proporcionan salidas para la remoción de sólidos que podrían acumularse en la parte inferior del equipo. Esto también puede ser el caso cuando se usa el separador de la invención en procesos para separar fluidos de perforación y gases, tal como, por ejemplo, en casos de perforación sub-compensadas o en el caso de fluidos ligeros.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra una representación esquemática del separador helicoidal que es el sujeto de la Solicitud Brasileña PI 9504350. La Figura 2 muestra esquemáticamente, un diseño del separador helicoidal, mejorado de esta invención . La Figura 3 muestra, resaltada, una vista de la porción de transición, que consiste básicamente, en este caso, de dos superficies helicoidales, de inclinación variable, que se colocan entre las primeras dos etapas del separador de la invención. La Figura 4 ilustra y representa la nomenclatura de un flujo intermitente, horizontal.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Para ayudar a entender la invención, se describirá con referencia a las Figuras que acompañan esta especificación. Sin embargo, se debe señalar que las Figuras ilustran solo una modalidad preferida de la invención y por lo tanto no son de naturaleza limitante. Si el concepto inventivo, que se va a describir posteriormente, se cumple, será claro para los especialistas en el campo que es posible usar diferentes formatos, arreglos o dispositivos complementarios, un aspecto que se incluirá en el alcance de la invención.

La Figura 1 muestra, esquemáticamente, el concepto usado en el separador de la Solicitud Brasileña PI 9504350, que se puede considerar como un paso antes de la presente invención. La porción superior (I) representa el separador primario, la porción intermedia (II) representa el separador secundario y la porción inferior (III) representa el separador terciario. En el separador primario (I) , la mezcla de líquido y gas producida en el pozo de petróleo se transporta vía un tubo (1) y se inyecta en un hidrocíclón (2) acoplado a una cámara de expansión (3) . En esta etapa, una proporción considerable de gas libre, es decir, de gas que no está en solución en el líquido, se segrega y extrae de la cámara de expansión (3) por medio de orificios (4) en la parte superior de un tubo central longitudinal (5) que pasa a través de la cámara de expansión (3) . El resto del gas libre, mientras tanto, ya sea se separa del líquido y fluye en la región central del hidrociclón (2) y de la cámara de expansión (3), o se dispersa en la película líquida (6) en la forma de burbujas. La película de líquido (6) con burbujas dispersadas de gas fluye hacia abajo en una trayectoria helicoidal impuesta por la acción combinada de la fuerza centrífuga y el campo gravitacional en la dirección del separador secundario (II), o la superficie helicoidal (7) . Sobre esta vuelta, la geometría de sistema de hidrociclón/cámara de expansión (2, 3) satisface un número de papeles significativos, y entre otras cosas : i) una separación del gas de las burbujas dispersadas en la película liquida (6), a través de la acción de la fuerza centrífuga; ii) igual a la película líquida (6), que aún contiene burbujas dispersadas, residuales, en la sección transversal de flujo, a fin de provocar una entrada "suave" sobre la superficie helicoidal (7); y üi) impide el flujo hacia abajo del gas libre . La porción de gas extraída en el hidrociclón (2) y líquido, con burbujas de gas dispersadas, por lo tanto entra en la superficie helicoidal (7) , que se forma en el separador secundario (II) que describe una trayectoria helicoidal hacia abajo, guiada por la hélice. La composición de las fuerzas centrífugas y gravitacional tiende a generar un arreglo de fases del tipo indicado en la Figura 1, es decir, un patrón estratificado. La fase de gas estratificada, que es más ligera, ocupa la porción interior, superior de la sección transversal. Un conjunto de orificios (8) arreglados uniformemente en el tubo central longitudinal (5), a lo largo del eje vertical del separador, alrededor del cual se desarrolla la superficie helicoidal (7), captura el gas separado. Estos orificios (8) se proponen solo para la extracción del gas, que es por lo que se localizan inmediatamente por debajo de la superficie inferior de cada superficie helicoidal. El gas que aún no se ha separado, en la forma de burbujas dispersadas, continua su trayectoria hacia abajo con la película líquida, en la dirección del tanque (9), que se describe posteriormente. Debido a la acción de las fuerzas centrífuga y gravitacional, estas burbujas migran a la entrecara de la mezcla líquida/gas, haciendo al petróleo crecientemente más "pobre" en términos del gas dispersado. Por lo tanto, la superficie helicoidal (7) tiene la función de: i) permitir que el gas libre no extraído en el hidrociclón se remueva; y ii) incrementar el tiempo de residencia de la mezcla, es decir, líquido más burbujas dispersadas, que forman la película líquida, para permitir la migración de las burbujas hacia la entrecara y la separación consecuente de las fases. En el extremo inferior de la superficie helicoidal 7, la película líquida alcanza el separador terciario (III), es decir, un tanque de separación gravitacional (9). En la región de entrada del tanque, cualquier volumen de gas no separado en las etapas previas, en la forma de burbujas dispersadas en el líquido, se incorpora en un volumen de gas, que se adiciona al líquido, por el impacto de la película líquida en el tanque (9), este proceso que se conoce como "re-mezclado". Por lo tanto el separador terciario (III) consiste de un depósito (9) del líquido que forma el último obstáculo al paso de las burbujas a la acción de la bomba (10), instalada corriente abajo de este flujo u otra forma de remoción del líquido. Ese separador terciario (III) actúa como un separador gravitacional, convencional para las burbujas dispersadas en el líquido que aún no se han separado del -flujo corriente arriba y para burbujas incorporadas en el líquido por el impacto de la película líquida (6) en el tanque (9) . La segregación del líquido y el gas tomará lugar, en este separador terciario (III), solo a través de la fuerza gravitacional. Después de esta trayectoria a través de los varios separadores, primario (I), secundario (II) y terciario (III) , los flujos de líquido y gas fluyen vía los tubos centrales respectivos; el tubo más interior, central (11) transporta el líquido con la ayuda de una bomba sumergible (10) encajada en el tanque (9) o a través de la acción de la presión que existe en el separador. El flujo de gas separado a través del espacio anular (12) entre los dos tubos centrales, concéntricos (5, 11) . Como se menciona ya previamente, en el separador descrito con anterioridad, la forma de inyección del fluido en la superficie helicoidal, que viene desde la unidad de hidrociclón/cámara de expansión (2, 3), experimenta una transición muy súbita, provocando una acumulación de líquido en la parte inferior de la cámara de expansión (3) . Para superar esta desventaja, la presente invención propone una modificación de los componentes internos de este separador. De acuerdo con el presente diseño, se introduce una zona de transición entre las regiones I y II de la Figura 1 y esto tiene una superficie helicoidal segmentada con una sección inicial que tiene un ángulo de hélice variable, que inicia desde un ángulo de ataque de 90°, que disminuye progresivamente al valor seleccionado para la sección final de la inclinación constante de la superficie helicoidal . La Figura 2 muestra una representación esquemática de una modalidad preferida de la invención y la Figura 3 muestra, resaltada, la porción de transición (II) del inicio de la superficie helicoidal y la superficie helicoidal (III), que se extiende a lo largo de un tubo centralizado, longitudinal (5), que a su vez, encierra un tubo central (11) propuesto para la descarga de la fase líquida. Como se puede ver en la figura 2, la fase de gas fluye a través del espacio anular (12) entre los dos tubos (5, 11) mencionados con anterioridad. El separador helicoidal, mejorado consiste básicamente de las siguientes partes principales: cámara de expansión (I), región de transición (II), superficie helicoidal (III) y tanque (IV) . El separador tiene corriendo a través de su longitud completa dos tubos longitudinales, centralizados (5, 11) , el tubo (5) que es de mayor diámetro y que encierra el tubo (11) de menor diámetro que se usa para colectar y descargar el gas. La parte inferior del separador contiene una bomba centrífuga (18) . El tubo central, longitudinal (11), de diámetro más pequeño, se usa para la descarga forzada de la fase líquida, separada. La cámara de expansión (1)/ o separador primario, contiene, en un punto intermedio, la boquilla de inyección (13) para la mezcla y, en la parte superior hay, orificios (15) para el paso de gas separado al espacio anular (12) entre los dos tubos centralizados (5, 11) . En la misma Figura 2, es posible ver que el gas continúa en su curso a través del espacio anular pasando a través de la parte superior (16) del separador. La región de transición (II) está por abajo de la cámara de expansión (I) . Esta región consiste básicamente de dos hélices de inclinación variable, la hélice principal (14a), y la hélice secundaria (14b), están fuera de fase por 180°. La hélice auxiliar (14b), que es más corta, forma la copla en la sección vertical inicial y debido a su desplazamiento de fase, impide la formación de una cascada en el espacio vacío, correspondiendo a la primera inclinación de la hélice, que actúa como un amortiguador para prevenir la inundación de la cámara. Esta segunda superficie helicoidal se podría interrumpir en la segunda inclinación, en el punto donde no haya por más tiempo ninguna caída libre de fluido sobre la segunda inclinación de la hélice principal, o podría continuar hasta la parte inferior del separador, actuando como un divisor de flujo e incrementando la separación de gas/líquido. La región de transición (II) se sigue por una superficie helicoidal (III) de inclinación constante, que se forma en el separador llamado secundario. Bajo la superficie helicoidal, hay aberturas (17) en el tubo central, longitudinal (5) de mayor diámetro para la descarga del gas separado. Esta superficie helicoidal (III) se extiende hasta la parte inferior del separador. La parte inferior del separador se forma básicamente por el "tanque" y se forma en el separador terciario (IV) . Un volumen de la mezcla se acumula en el tanque y, en esta etapa del proceso, contiene solo un pequeño porcentaje del gas residual que se separará bajo gravedad. En la parte inferior del tanque hay aberturas (19), en el tubo central, para el paso de la fase líquida hacia en interior del tubo centralizado, longitudinal (5) de mayor diámetro, donde la bomba centrífuga (18) se localiza.

La fase líquida alcanza una altura adecuada, determinada por las condiciones de operación, para cubrir completamente la bomba (18) . La idea básica del diseño de la hélice con una sección inicial de inclinación variable es a fin de obtener una transición, que sea tan "suave" como sea posible, desde el flujo en la cámara de expansión (I) al flujo en la superficie helicoidal (III) . De acuerdo con el diseño previo, la corriente de dos fases, al dejar la boquilla, tiene una velocidad en la cual predomina el componente tangencial, pero se está acelerando simultáneamente y de manera axial por la gravedad. Al fluir, como una película, vía la pared de la cámara de expansión, se extiende en una dirección en declive y desacelera progresivamente, en la dirección tangencial, a través de la acción de la viscosidad. La dirección del flujo, cuando alcanza la superficie helicoidal, dada las condiciones operacionales , la geometría de la cámara de expansión y las características de los fluidos, también se determinará por la distancia axial, medida desde la boquilla de inyección, en la dirección de la superficie helicoidal. Evidentemente, la situación más favorable cuando se intenta reducir al mínimo los "disturbios" del flujo en la entrada de la superficie helicoidal, se obtendrán si la dirección del flujo coincide con la inclinación de la hélice. Un criterio similar aplica el diseño de las máquinas de flujo, en las cuales se desea minimizar "las pérdidas de impacto" que se presentan a la entrada del rotor del equipo. El ángulo de flujo de la película, en posiciones axiales por abajo de la boquilla, depende de las condiciones operacionales del separador. Si esta distancia axial es pequeña y la cámara de expansión corta, el ángulo de flujo y el ángulo de la hélice corresponderán solo para una condición operacional, específica. Sin embargo, la distancia puede ser tal que, para una banda operacional del separador, en términos de la velocidad del flujo del gas y del líquido, el flujo de la película tendrá solo el componente axial, después de la desaceleración total de su componente tangencial. El ángulo de ataque de la hélice, al inicio de la superficie helicoidal, debe por lo tanto en este caso ser de 90°. Brevemente, entonces, para un ángulo de ataque de la hélice de 90° al inicio de la superficie helicoidal, la longitud de la parte inferior de la cámara de expansión (posteriormente la boquilla) debe ser tal que la película líquida, que fluye contra la pared, no tiene por más tiempo ningún componente de velocidad tangencial. Además, como el flujo se puede moldear y existe la posibilidad de probar este modelo y ajusfarlo usando datos experimentales, la longitud de la parte inferior de la cámara de expansión, desde la boquilla hasta el inicio de la hélice, se puede calcular usando modelos rotacionales y criterios. Por lo tanto, al ajustar el ángulo de ataque de la hélice a 90°, otra variable de diseño del separador helicoidal entonces establecerá en base a un criterio rotacional, específicamente la longitud de la cámara de expansión, desde la abertura para la inyección de la mezcla hasta la hélice. La Figura 3 muestra la configuración de una superficie helicoidal con dos hélices, con ángulos variables de inclinación, desde 90° hasta aproximadamente 18°, que resultan de un estudio llevado a cabo para una situación particular. El canal más corto, en este caso particular, se extiende hasta una porción angular de 360°, cuando su inclinación (ángulo de ataque) es de aproximadamente 32.6°. El canal más largo, en la posición angular de aproximadamente 540°, desde su inicio, alcanza la inclinación de 18° aplicada a la siguiente sección, que consiste de la superficie helicoidal de inclinación constante. La superficie helicoidal de doble entrada produce menos "disturbios" en el flujo en comparación con una superficie helicoidal con una entrada individual. Por medio de pruebas, se encontró que la combinación de la hélice de doble entrada, con inclinación variable en la sección de desarrollo (región intermedia del equipo, entre la cámara de expansión (I) y el separador helicoidal de inclinación fija (III)) y la mayor inclinación del canal helicoidal (inclinación mayor en la sección de inclinación constante de la superficie helicoidal) da por resultado un equipo cuyo limite operacional sobrepasa significativamente aquel del equipo que es el sujeto de la Solicitud Brasileña PI 9504350-0 mencionada con anterioridad. En los experimentos, se observó que, las velocidades de flujo de aproximadamente 30% mayores que aquellas que provocaron el llenado en la región de transición y la obstrucción del canal en el modelo previo, en este modelo mejorado de esta versión del equipo, el flujo se procesó sin que se presente obstrucción en ninguna sección del canal. El separador de la invención se puede usar en casos donde el régimen de flujo de la mezcla de varias fases, cuando entra, es intermitente (flujo lento) . En este caso, este flujo tiene que ser caracterizado de modo que obtenga la velocidad de flujo instantánea máxima en la mezcla del líquido/gas a la entrada al separador, que constituye una de las condiciones de diseño. La Figura 4, muestra esquemáticamente, un flujo intermitente horizontal y la nomenclatura usada: longitud de la unidad (20), pistón líquido (21), película líquida (22) y burbuja de gas (23). La ocurrencia de un flujo intermitente ocasiona una fluctuación en la velocidad de flujo entre un valor máximo y un valor mínimo asociado, respectivamente, con la velocidad de flujo de líquido producido por el pistón y aquel producido por la película líquida que sigue la burbuja de gas. Para el dimensionamiento exacto de la capacidad del separador, por lo tanto, es necesario usar el flujo máximo de líquido como una condición de diseño. El dimensionamiento de la hélice para el caso de una velocidad de flujo que es menor que la velocidad de flujo máximo y la ocurrencia consecuente de una altura excesiva del líquido en la cámara de expansión, que resulta del "llenado" del líquido en la región de transición a la hélice, puede dar origen al arrastre del líquido a la línea de gas. Este fenómeno se relaciona cercanamente a las características de flujo lento, que, con ciertas condiciones operacionales, surgen en la entrada al separador . Aunque la presente especificación describe una región helicoidal, intermedia de inclinación variable equipada con dos inicios de hélice, esta región se puede equipar con un gran número de inicios de hélice uniformemente separadas. De manera similar, aunque la presente especificación describe una hélice auxiliar que se extiende únicamente hasta el inicio del separador secundario, puede continuar más allá de este punto y alcanzar la parte inferior del equipo. Esto puede ocurrir en el caso de haber más de una hélice auxiliar. En este caso, el equipo opera como si hubiera un número de separadores que operan en paralelo. Aunque se ha dado una descripción de una modalidad de la invención que es particularmente aplicable dentro de pozos, es aplicable a la industria en general, en situaciones donde se disminuyan considerablemente las restricciones dimensionales.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES 1. Un separador helicoidal, colocado de una manera sustancialmente vertical para promover la separación de una mezcla de líquido/gas en dos corrientes distintas de sustancialmente fase individual, que comprenden: una cámara de expansión, y un separador secundario que consiste de al menos una veleta guía en forma de hélice de inclinación constante que tiene, adyacente a su superficie inferior aberturas que permiten el paso de gas hacia un tubo que se extiende fuera del separador, caracterizado por: una región intermedia que consiste de al menos una veleta guía de forma de hélice de inclinación variable que está entre la cámara de expansión y el separador secundario, la inclinación variable que disminuye la dirección de flujo del líquido/gas .
2. 2. Un separador helicoidal según la reivindicación 1, en donde la hélice de inclinación constante del separador secundario es una continuación de la hélice de inclinación variable de la región intermedia.
3. 3. Un separador helicoidal según la reivindicación 1, en donde la región intermedia contiene dos o más veletas guías en forma de hélice de inclinación variable, las veletas que tienen una hélice principal que se extiende hasta, y que es una continuación de, la hélice de inclinación constante del separador secundario y al menos una hélice auxiliar interrumpida en el extremo de la región intermedia, y en donde cada hélice se separa alrededor de la circunferencia del equipo.
4. 4. El separador helicoidal según la reivindicación 1, en donde hay una hélice auxiliar y está fuera de fase con la hélice principal por 180°.
5. 5. El separador helicoidal según la reivindicación 2, en donde la región intermedia tiene una pluralidad de hélices, separadas alrededor de la circunferencia del equipo, y en donde algo o todo se extiende hasta la región inferior del equipo.
6. 6. El separador helicoidal según la reivindicación 2, que comprende además dos tubos centrales, concéntricos, longitudinales en donde las aberturas permiten el paso de gas desde el separador secundario desde el espacio anular entre los dos tubos concéntricos, longitudinales.
7. 7. El separador helicoidal según la reivindicación 6, que comprende además un separador terciario que consiste de un depósito de líquido formado por la parte inferior del equipo, el depósito que tiene una altura variable de acuerdo con las condiciones operacionales y en donde el tubo longitudinal de mayor diámetro hace contacto con la base inferior del equipo y tiene, en su porción inferior, orificios transversales que permiten la entrada de líquido dentro hasta que el líquido alcanza una bomba, colocada dentro del tubo longitudinal de diámetro mayor, este tubo central longitudinal de diámetro menor que es capaz de usarse para dirigir el flujo de la fase líquida impulsada.
8. 8. El separador helicoidal según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el separador se monta en un recipiente cilindrico alargado que se puede ajustar dentro de un pozo.
9. 9. El separador helicoidal según la reivindicación 8, en donde la cámara de expansión ocupa una región anular entre la superficie interior de la posición superior del recipiente cilindrico en el equipo y la superficie cilindrica, exterior del tubo longitudinal y tiene localizado en la porción intermedia en su superficie exterior una entrada en la cual la mezcla de líquido/gas entra como una corriente tangencial.
10. 10 El separador helicoidal según la reivindicación 9, que comprende además aberturas en el tubo longitudinal para el paso de gas separado en la cámara de expansión desde la cámara de expansión al espacio anular entre los dos tubos longitudinales, concéntricos .
11. 11. El separador helicoidal según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la mezcla de líquido/gas comprende petróleo que incluye mezclas de aceite/agua de dos fases y gas.
12. 12. El separador helicoidal según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la segregación del líquido y gas se logra por medio de una combinación de fuerzas centrífugas y operacionales.
13. 13. El separador helicoidal según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el separador se forma para la separación de gases sean fluidos de perforación, en procesos de perforación sub-compensados o con fluidos ligeros, en pozos de petróleo, y por lo cual se proporcionan medios para drenar los elementos sólidos que se acumulan en la parte inferior del equipo.
14. 14. El separador helicoidal según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la mezcla de líquido/gas comprende petróleo que incluye mezclas de aceite/agua de dos fases y gas en donde el separador se monta en un recipiente cilindrico, alargado que se puede ajustar dentro de un pozo.