1Instituto Mexicano del Petrleo, Coordinacin del Programa de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico, Aseguramiento de la Produccin de Hidrocarburos. Mxico DF. Email:mgodoy@imp.mx2Instituto Mexicano del Petrleo, Coordinacin del Programa de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico, Aseguramiento de la Produccin de Hidrocarburos. Mxico DF.3Instituto Mexicano del Petrleo, Coordinacin del Programa de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico, Aseguramiento de la Produccin de Hidrocarburos, Departamento de Tecnologas Avanzadas UPIITAIPN. Mxico DF.4Instituto Mexicano del Petrleo, Coordinacin del Programa de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico, Aseguramiento de la Produccin de Hidrocarburos. Mxico DF.5Instituto Mexicano del Petrleo, Coordinacin del Programa de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico, Aseguramiento de la Produccin de Hidrocarburos. Mxico DF.Recibido: agosto de 2006Aceptado: diciembre de 2007ResumenEn el presente trabajo se muestra el desarrollo de un sistema porttil para la medicin de flujo multifsico, basado en la tecnologa de separacin ciclnica GLCC1y su utilizacin en el aforo de pozos petroleros. El desarrollo del sistema se compone de tres fases, la primera se orienta hacia el diseo geomtrico de un separador tipo ciclnico por medio del simulador GLCC V 7.8, as como el dimensionamiento y la seleccin de los instrumentos de medicin y vlvulas de control de flujo. En la segunda fase, se lleva a cabo la etapa de diseo del control automtico del sistema, el cual se fundamenta en el desarrollo e implantacin de cuatro estrategias de control basadas en el comportamiento dinmico de las variables de produccin del pozo; la tercera fase, la constituye el desarrollo de una interfaz para la integracin y operacin conjunta de los componentes de medicin y control del sistema, as como de visualizacin, procesamiento y almacenamiento de la informacin. Se muestran los resultados experimentales de una prueba de medicin realizada en campo, las mediciones obtenidas muestran la eficiencia, confiabilidad y funcionalidad del sistema.Descriptores:Medicin de flujo multifsico, separador ciclnico, estrategias de control automtico.AbstractThis paper shows the development of a portable multiphase flow measurement system based in cyclonic separation technology GLCC@1. This system is aimed for oil well measurement and was developed in three phases; the first devoted to the geometric design of a cyclonic separator by means of design software GLCC V7.8 and the selection of measurement instrumentation and flux control valves. In the second phase, the automatic control system was designed for the implementation of four control strategies each one related with a possible scenario of the well behavior. The third constitutes the integration of the measurement and control devices through a user interface aimed for visualization, information processing and system's operation and control. Experimental results in oil well measurements show the efficiency and workability of the integrated system.Keywords:Multiphase flow measurement, cyclonic separator, automatic control strategies.IntroduccinLa medicin del flujo volumtrico a boca de pozo (prueba de aforo) es de gran inters para los ingenieros de produccin y de yacimientos, pues provee de informacin necesaria para evaluar y optimizar el desempeo de pozos de produccin de hidrocarburos. La cuantificacin fiable del flujo de cada una de las fases de una corriente de produccin, permite a los operadores tomar mejores decisiones acerca del desempeo de los pozos, con esta informacin los ingenieros pueden identificar, comprender y remediar los problemas asociados con el flujo de pozos mltiples, optimizar las operaciones de levantamiento artificial y construir mejores modelos dinmicos de los yacimientos.Tradicionalmente, la medicin del flujo multifsico se lleva a cabo mediante la cuantificacin individual de los flujos volumtricos de las fases, separadas previamente mediante grandes separadores de prueba. En los ltimos aos, se ha venido desarrollando una nueva tecnologa para la separacin de fases de una mezcla multifsica, la cual se fundamenta en la separacin de las fases mediante un efecto ciclnico, esta tecnologa puede orientarse hacia la medicin de flujo multifsico de pozos productores, especialmente en aplicaciones de aforo. El xito de la medicin de los flujos volumtricos de las fases, radica en la eficiencia de su separacin, este hecho se relaciona estrechamente con la precisin de los medidores de flujo colocados en las lneas de gas y lquido, como los de tipo coriolis o de corte de agua, los cuales estn diseados para medir una sola fase.El desarrollo de un sistema de medicin de flujo actuando bajo el principio de separacin de fases mediante el efecto ciclnico se orienta hacia alternativas ms econmicas y eficientes de medicin en comparacin con los sistemas de medicin que incorporan separadores de prueba. Los separadores ciclnicos conocidos como GLCC por las siglas en ingls de GasLiquid Cylindrical Cyclone (Shohamet al.,1998), tienen ventajas significativas en comparacin con los separadores de prueba entre las que resaltan la simplicidad en la construccin, el tamao compacto, el bajo peso y los bajos costos de capital y de operacin, por esta razn el desarrollo de un sistema de medicin empleando separadores ciclnicos representa grandes ventajas en cuanto a costo, eficiencia y tamao.Habitualmente, los separadores de prueba son recipientes cilndricos desplegados en forma horizontal, estos recipientes poseen una longitud que oscila entre 4.6 y 9.1 my una altura que flucta entre 2.4 y 4 m, con pesos hasta de 10 toneladas. Los separadores reciben el fluente producido de los pozos individuales y segregan las diferentes fases de fluidos a travs de un proceso basado en las fuerzas de cuerpo de los mismos. Otra desventaja de estos separadores aparte de su tamao radica en que no se pueden adaptar en lnea al proceso, pues el tiempo de residencia necesario para lograr la separacin no es un parmetro controlable dentro del mismo proceso.Por otra parte, los separadores basados en tecnologa ciclnica pueden ser controlados de forma automtica y operados en lnea a las condiciones operacionales del proceso para alcanzar los estndares de separacin requeridos por la medicin. Sin embargo, a la fecha, los separadores del tipo ciclnico no han tenido el impacto que se esperaba, debido a la complejidad de su manejo en lnea para condiciones variables del proceso, pues existe una gran cantidad de variantes que se relacionan con su operacin, las cuales dependen de tres aspectos bsicos: la parametrizacin del dimensionamiento del sistema, el modelado de la mezcla bajo condiciones de estado transitorio y el desarrollo de adecuadas estrategias de control automtico del sistema.El esquema de un sistema de medicin de flujo multifsico GLCC se muestra en lafigura 1. El GLCC es un tubo instalado de forma vertical sin partes mviles o dispositivos internos, lo que constituye una gran ventaja de este tipo de sistemas. El GLCC es alimentado por una tubera ligeramente inclinada para promover la estratificacin de las fases de la mezcla y obligar a una preseparacin, esta tubera es acoplada en un costado del cuerpo del separador, una vez que la mezcla se encuentra en el interior del separador es expuesta a una combinacin de fuerzas gravitacionales, centrfugas y de flotacin, de esta forma, cuando el fluido rota, es expuesto a un campo de fuerzas centrfugas, la porcin ms densa de la mezcla (lquido) es forzada radialmente hacia la pared del cilindro, mientras que la porcin ms liviana (gas) permanece en el centro del remolino, posteriormente las fases son expuestas a fuerzas gravitacionales y de cuerpo, provocando que el lquido se recoja en el fondo del separador y el gas se extraiga por la parte superior. Para los propsitos de medicin presentados en el trabajo, el GLCC tiene una configuracin de lazo cerrado donde los flujos vuelven a combinarse para formar nuevamente la mezcla, como se muestra en lafigura 1.

El correcto dimensionamiento del GLCC propiciar un campo de fuerzas centrfugas y gravitacionales que actan sobre el campo de flujo en el interior del cilindro, suficiente para lograr la separacin de las fases de una manera eficiente, manteniendo estables ciertos parmetros de proceso como el nivel de lquido en el separador para una condicin dada; sin embargo, el dimensionamiento se establece con base en un rango limitado de condiciones de proceso como los flujos volumtricos y viscosidades de las fases, adems de la presin de la mezcla. A medida que las condiciones de operacin del proceso se alejan de las condiciones de diseo, el nivel en la eficiencia de la separacin disminuye, este hecho obliga a mantener ciertos parmetros del proceso, como el nivel de lquido y la presin en el separador, dentro de ciertos valores para promover una separacin exitosa. La parte medular en el funcionamiento adecuado de estos sistemas, radica en el desarrollo de una metodologa de control automtico, orientada a mantener la estabilidad de los parmetros antes citados.La integracin de un buen dimensionamiento en el separador para un rango de condiciones de flujo, el desarrollo de estrategias de control automtico apropiadas, as como el desarrollo de una interfaz de operacin y control del sistema, son elementos indispensables para alcanzar los estndares de separacin requeridos por el proceso de medicin en lnea.Diseo del separador ciclnicoActualmente, la Universidad de Tulsa, ha desarrollado un simulador para aplicaciones de diseo y caracterizacin en separadores de campo tipo GLCC, conocido como GLCC V 7.8 (Gomez, 1998), basado en el modelado mecnistico del flujo y algunos aspectos de simulacin numrica mediante dinmica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en ingls), desarrollado en ambiente Windows.Los modelos mecansticos o la simulacin numrica mediante CFD, ofrecen una base prctica para el diseo del separador y una confiable prediccin del comportamiento del flujo.Los modelos mecnisticos pueden capturar la fsica fundamental del problema y permitir la extrapolacin a diferentes condiciones de flujo, mientras que la simulacin numrica mediante CFD ofrece un estudio mucho ms detallado del comportamiento hidrodinmico del flujo, incluyendo refinamientos como la distribucin del campo de flujo y de algunos parmetros como el Holdup y las trayectorias de las partculas.El simulador GLCC V 7.8, se compone bsicamente de dos mdulos especficos, el mdulo Design Wizard Code y el mdulo Performance Code. El primero de los cuales lleva a cabo el dimensionamiento geomtrico del GLCC basndose en el comportamiento hidrodinmico del flujo en el vrtice y en las salidas de gas y lquido, donde tiene lugar el arrastre de fases.Por su parte, el segundo mdulo incorpora submdulos del desarrollo de los modelos mecnisticos de Arpandi, Gomez, Chirinos, y Mantilla (Chirinoset al.,1999), estos mdulos permiten simular el comportamiento hidrodinmico del flujo en el GLCC, como resultado se puede evaluar el desempeo de un diseo especfico del separador bajo diferentes condiciones de proceso, este mdulo cuenta con una interfaz grfica.Los criterios tomados para llevar a cabo el diseo geomtrico del GLCC, se basan en los resultados obtenidos del simulador GLCC V 7.8, en las experiencias de campo y en las limitaciones de las aplicaciones en campo. Cada elemento del GLCC es diseado a diversos parmetros, en busca del comportamiento ptimo del sistema.En la figura 1, se muestra el esquema del diseo conceptual del separador, el separador se compone bsicamente de 4 elementos: ducto de entrada de la mezcla y ductos de descarga de las fases (lquido y gas) y cuerpo del separador, el cual relaciona el proceso de separacin con la longitud caracterstica del separador como se conoce al cociente longitud del separador entre el dimetro. A continuacin, se describen algunos lineamientos en el diseo de cada uno de estos elementos.Ducto de entradaEste ducto conduce la mezcla multifsica al interior del separador y a la vez acta como un preseparador de la mezcla, este elemento es crucial para la distribucin del flujo y las velocidades tangenciales del flujo en el interior del GLCC. Una ligera inclinacin del ducto promueve la separacin de la mezcla multifsica dando lugar a una estratificacin de la misma. El ngulo de inclinacin con respecto a la horizontal juega un papel importante en la preseparacin de la mezcla, considerando que la estratificacin de la misma depende de dos parmetros: el parmetro de inclinacin, el cual a su vez es funcin del ngulo de inclinacin y el parmetro de cada de presin de LockhartMartinelli. Por otro lado, este ducto termina en una tobera, la cual se acopla al cuerpo del separador, el objetivo de dicha tobera es la aceleracin de la mezcla para alcanzar los valores de velocidades requeridos por la separacin en el interior del separador (10 a 20 ft/s). Si las velocidades tangenciales exceden el rango recomendado pueden llegar a desarrollar un vrtice con demasiada longitud provocando prematuramente el arrastre de las fases, por otro lado, la velocidad tangencial no debe sobrepasar la velocidad de erosin recomendada por la norma API RP14E (Shiraziet al.,1994).Cuerpo del separadorLa relacin de longituddimetro del GLCC, tiene una gran influencia sobre el nivel de eficiencia en la separacin y el costo del mismo. Para un dimetro dado, la longitud del GLCC por arriba del ducto de entrada debe proveer la capacidad para manejar la fase gaseosa y evitar su arrastre por la fase continua de lquido, mientras que la longitud por abajo de la entrada determina el tiempo de residencia para separar las burbujas de gas del lquido. Durante el recorrido del flujo, las fuerzas de flotacin, arrastre y centrfugas, actan sobre cada partcula de fluido para lograr la separacin de las fases, las fuerzas centrfugas son inversamente proporcionales al dimetro"d",mientras que disminucin en la velocidad tangencial del fluido es directamente proporcional a la longitud"L".Dimetro del GLCCDos parmetros han sido establecidos para la determinacin adecuada del dimetro del GLCC, las velocidades crticas del gas y el lquido. La velocidad crtica del gas es funcin de la presin y las propiedades del fluido, por lo que es definida como la velocidad mnima requerida para que las gotas de lquido puedan ser arrastradas hacia la lnea de salida de gas, por otra parte, la velocidad crtica del lquido es la velocidad mnima requerida para mantener una relacin de la velocidad tangencial a la velocidad axial en un orden de 20 y mantener una alta eficiencia en la separacin (Gomez, 1998). El dimetro mnimo del GLCC debe ser mayor que los dimetros calculados para las velocidades crticas del gas y el lquido.Longitud del GLCCUna longitud del GLCC por arriba del ducto de entrada, menor a la requerida, provocara un exceso de lquido en la parte superior del separador como resultado de la formacin del vrtice de flujo en las inmediaciones de la salida de gas, esta situacin dara lugar al arrastre de lquido en la lnea de gas.El valor mnimo recomendado de esta longitud, a partir de experimentacin y experiencias de campo es de 4 a 5 pies, para separadores con dimetros de 3 a 6 pulgadas (Gomez, 1998). La longitud por abajo de la entrada del GLCC debe mantener una columna constante de lquido por abajo del vrtice de flujo para diferentes condiciones del proceso, de esta forma, se proporciona el tiempo necesario para la separacin de las fases y evitar el arrastre de burbujas en la columna de lquido, el valor recomendado de esta longitud es de 4 a 5 pies, para el mismo rango de dimetros sealado anteriormente.Nivel de lquidoDebido a las altas velocidades tangenciales de la mezcla, algunas burbujas de gas penetran en el vrtice de lquido por abajo de la interfase gaslquido, este fenmeno conlleva al acarreo de burbujas de gas en la lnea de lquido, lo cual tiene lugar para bajos flujos de lquido cuando el vrtice se forma en la parte baja del GLCC. Bajo condiciones de altos flujos de gas y lquido puede presentarse el fenmeno contrario, es decir, que partculas de lquido puedan ser arrastradas en la fase de gas, fenmeno conocido como arrastre de lquido. El nivel de lquido en el GLCC es determinado por la cada de presin entre las salidas de gas y lquido y constituye un parmetro fundamental para el funcionamiento ptimo del GLCC.Sistema de medicin de mezcla multifsicaEl sistema de medicin de flujo multifsico de hidrocarburos fue desarrollado para el manejo de una ampla gama de condiciones de operacin del Activo Integral Poza RicaAltamira, con la finalidad de utilizarlo en la medicin de flujo de diferentes pozos propios del activo. Las condiciones de proceso son diferentes para cada pozo, entre los parmetros ms significativos se encuentran: los flujos volumtricos, presiones y viscosidades. Bajo esta consideracin el dimensionamiento del separador se llev a acabo para las condiciones mximas y mnimas de operacin del conjunto de pozos del Activo Integral Poza RicaAltamira. El separador fue fabricado en acero al carbn cdula 40, las dimensiones y las especificaciones de diseo se muestran en lastablas 1y2, respectivamente.

El mdulo Performance Code del simulador GLCC V 7.8, permite simular las condiciones de operacin de cada uno de los pozos del activo, la simulacin del proceso evala los escenarios de operacin donde tendr lugar el arrastre de alguna de las fases y alerta sobre la necesidad de implementar un modulo de control automtico al sistema de medicin.Diseo de sistemaEl sistema se encuentra contenido en una estructura metlica con dimensiones de 2 x 2.5 x 4.5 m, la alimentacin de la mezcla hacia el sistema se lleva a cabo mediante dos ductos de entrada de 4", inclinados 27, respecto a la horizontal. Las vlvulas de control de flujo y los medidores de flujo de cada una de las fases, son elementos esenciales para el buen funcionamiento del sistema de medicin, para este propsito, las vlvulas de control de flujo seleccionadas para ambas fases, fueron del tipo Vee Ball de igual porcentaje, las cuales permiten un balance proporcional entre la apertura de la vlvula y el flujo volumtrico regulado, que da como resultado una regulacin adecuada del flujo para las condiciones especificas de este proceso en particular. Por otra parte, los medidores de flujo de tipo coriolis tienen caractersticas deseables para el proceso de medicin que se lleva a cabo, entre las que destacan, una cada mnima de presin y la capacidad para adecuarse a las condiciones de variabilidad del proceso y acoplarse a sistemas de monitoreo en lnea y control distribuido. Dado que el rango de medicin de gas es muy amplio (0.02 a 1 MMPCD) se determin colocar dos medidores haciendo dos salidas de gas. As un medidor de flujo tipo coriolis mide en bajo rango de flujo de gas y otro mide en el caso de alto rango de gas. El sistema de medicin tambin cuenta con un medidor de corte de agua para estimar el porcentaje de agua mezclado en la fase lquida, con la estimacin de la fraccin de agua contenida en la mezcla es posible cuantificar el flujo volumtrico de aceite.Los instrumentos de medicin y la nomenclatura utilizada en la siguiente descripcin hacen referencia a lafigura 2y latabla 3. Una vez que se lleva a cabo el proceso de separacin, la fase lquida es transportada a la parte inferior del separador y conducida hacia un medidor de corte de agua (WCM) por medio de una lnea de2"de dimetro, la lnea tiene un acoplamiento para reducir el dimetro de2"a 11/2" y conectarla a un medidor de flujo msico tipo coriolis (CML); el flujo volumtrico de lquido es controlado por una vlvula de control de flujo (LV102) colocada en esta lnea. Por su parte, el gas separado de la mezcla, asciende hacia la parte superior del separador y es descargado a travs de una lnea de 2" de dimetro, la cual acopla con dos lneas de 11/2" de dimetro para altos rangos de gas y de 1" de dimetro para bajos rangos de gas, dependiendo de los flujos volumtricos de gas a manejar, cada lnea posee un medidor de flujo tipo coriolis (CMG1 y CMG2) y una vlvula de control del flujo (PV202 y PV203). El gas y el lquido son mezclados corriente abajo en una lnea de 2", e incorporados a la lnea de produccin.

El sistema incorpora dos transmisores de presin (PT201) y un medidor de nivel de lquido, por medio de un transmisor de presin diferencial (DPT101). El sistema cuenta adems con una vlvula de seguridad, de alivio de presin, calibrada a 300 psig.Los medidores tipo Coriolis son dispositivos que determinan el gasto msico del fluido a travs de las deformaciones elsticas que sufre un tubo sensor que se mantiene vibrando en su frecuencia natural. La energa necesaria para mantener esta vibracin, es proporcionada por el campo magntico de una pequea bobina. La energa disponible para proporcionar este efecto est relacionada con la variable "Drive Gain" (Ganancia de la bobina) que representa valores entre 0 y 100%. La presencia de 2 fases en el fluido de inters, exige una mayor energa para mantener vibrando de forma adecuada al tubo sensor. Esta es la razn por la cual esta variable podra indicar un valor de saturacin (100%) en la presencia de 2 fases en la corriente de inters. An cuando estos valores no indican el porcentaje de una segunda fase, si indican su presencia.Control automtico y monitoreo del sistemaEl sistema de control y monitoreo, se compone de una interfaz usuariomquina y una base de datos almacenadas en una computadora industrial que toma lecturas de todos los instrumentos de medicin del sistema con una frecuencia de 0.2 Hz y los almacena para su posterior explotacin, la apariencia de la pantalla principal se muestra en lafigura 3. En la interfaz de operacin se pueden monitorear en lnea las mediciones de los instrumentos de medicin e informacin adicional relevante para la operacin del sistema. La interfaz de operacin constituye el elemento de control por parte del operador para realizar el suministro de datos propios del pozo, datos de los fluidos del pozo, control, visualizacin y registro de la medicin en la base de datos, as como la manipulacin en forma manual o automtica de las vlvulas de control, con base a una estrategia de control automtico seleccionada. Esta interfaz de operacin funge de enlace entre el operador y el PLC Allen Bradley que es el elemento final que monitorea los instrumentos y controla las variables del sistema.

Filosofa del control del sistemaEl control automtico del sistema de medicin juega un papel crtico para obtener una separacin adecuada de las fases y lograr la medicin del flujo volumtrico de las mismas de manera confiable, para este objetivo se requiere que algunos parmetros del proceso como el nivel de lquido y la presin del separador se mantengan estables en ciertos niveles de referencia bajo condiciones transitorias de operacin, mediante el control automtico de la apertura y cierre de las vlvulas de control de flujo. Para este propsito, un sensor de nivel de lquido compuesto de un transductor de presin diferencial es utilizado para determinar el nivel dinmico del lquido en el GLCC, con este valor de referencia, el operador puede accionar por medio de un control automtico centralizado, la apertura y cierre de las vlvulas en busca del nivel de lquido adecuado para la separacin, mediante la incorporacin de diversos esquemas automticos que actan en base a la seal enviada por el sensor de nivel, esta seal es comparada con el valor requerido del nivel de lquido para lograr una separacin exitosa, la desviacin entre estas lecturas es corregida mediante el accionamiento de un controlador tipo PID, el cual en turno, controla la apertura y cierre de las vlvulas de control de flujo a la salida del separador.La figura 2muestra las vlvulas de control del flujo del sistema. Por medio de un control retroalimentado se accionan las vlvulas reguladoras de flujo de las lneas de gas y lquido para mantener los valores ptimos del nivel de lquido y de la presin, que garanticen la separacin deseada, como se mencion anteriormente. Para condiciones donde existe un sobre flujo, como pudiera ser el caso de un gran tapn de lquido tpico de flujo slug, el nivel de lquido en el separador sobrepasara el valor recomendando an con la vlvula de la fase lquida totalmente abierta, bajo esta circunstancia tendra lugar el arrastre de lquido por el ducto de salida de la fase gaseosa, en contraposicin, un flujo anular o burbujeante dara como consecuencia un sobre flujo de gas en el separador, provocando el arrastre del mismo por la salida de lquido. Ante estas circunstancias, diversas estrategias de control pueden ser aplicadas para el control automtico de las vlvulas.Estrategias de control automticoEl manejo de las vlvulas de control de flujo se lleva a cabo por medio de diversos esquemas o estrategias de control, de esta forma cada vlvula de control de flujo es actuada con base a una de cuatro posibles estrategias de control. Estas estrategias dependen de las condiciones de operacin del pozo a medir y de los flujos volumtricos de las fases.A continuacin se detallan las estrategias de control:1. Estrategia para condicin de operacin dominada por la fase gaseosaEsta estrategia de control se utiliza cuando se presenta un flujo alto de gas, de tal forma que el accionamiento de la vlvula de flujo de gas PV202 cause demasiada variacin en la variable de control que es el nivel de lquido en el separador (Wang,et al.,1998). El objetivo principal es el aseguramiento de un nivel de lquido que garantice la separacin adecuada. El control de este parmetro se logra tomando como referencia la lectura del sensor de nivel de lquido comparndolo con el nivel deseado y manipulando la apertura y cierre de la vlvula de flujo de lquido LV102 por medio de un controlador PID para corregir esta desviacin. En esta estrategia se mantiene la vlvula de flujo PV202 para altos rangos de flujo de gas o PV203 para bajos rangos de flujo de gas, segn sea la condicin del proceso a una apertura constante.En la figura 4se muestra el diagrama de bloques de la operacin del sistema de control de la estrategia dominada por gas (Wang,et al.,1998).2. Estrategia para condicin de operaci dominada por la fase lquidaEsta estrategia de control tiene lugar cuando el sistema presenta un flujo alto de la fase lquida, tal que la apertura de la vlvula de flujo de lquido LV102 est muy cercana a la apertura total y el margen de maniobra para el control de esta vlvula se encuentra muy reducido (Wang,et al.,1998). El objetivo nuevamente es mantener el nivel de lquido en un valor estable que garantice la separacin adecuada, el control de este parmetro se logra mediante la referencia de la lectura del sensor de nivel de lquido, pero ahora manipulando la apertura y cierre de las vlvulas de flujo de gas para alto y bajo flujo (PV202 y PV203), respectivamente, y manteniendo la vlvula de flujo de lquido LV102 a una apertura constante.En la figura 5se muestra el diagrama de bloques de la estrategia dominada por lquido, en esta figura se ilustra la operacin del sistema de control del nivel de lquido del GLCC, el cual se retroalimenta de una seal de error del nivel. El sistema opera por un control PID, el cual, con base a un error enva la seal para realizar la correccin de la desviacin del nivel de lquido a travs de la vlvula de la fase gaseosa PV202 o PV203, segn sea el caso.3. Estrategia integradaEsta estrategia se utiliza cuando el sistema no est dominado por ninguna de las fases y el flujo se comporta de forma aleatoria, el objetivo de esta estrategia es mantener un control sobre el nivel del lquido y tambin un control de la presin del gas en el separador (Wang,et al.,.1998), (Wang,etal.,2000a), (Wang,etal.,2000b). El control de la presin se logra mediante la referencia de la lectura de un sensor de presin absoluta y el control de la apertura y cierre de las vlvulas de flujo de gas PV202 y PV203, dependiendo del rango de flujo de gas a manejar. El control del nivel de lquido se logra tomando como referencia la lectura de la presin diferencial, la cual determina el nivel del lquido en el separador y el control del cierre y apertura de la vlvula de la fase lquida LV102, mediante su respectivo controlador.Los estudios sealan que el comportamiento del sistema de control del nivel de lquido por medio de la vlvula LV102 y de presin por medio de las vlvulas PV202 y PV203, mediante la estrategia de control integrada, es altamente deseable para condiciones de flujo slug. Esta estrategia hace operar al medidor GLCC a presin constante, de modo que el flujo del pozo no se restringe y simultneamente contribuye a evitar el arrastre de lquido y de gas.En la figura 6, se muestra el diagrama de bloques que ilustra la operacin de la estrategia de control integrada. Se observa en el esquema que las dos vlvulas contribuyen al mantenimiento del nivel de lquido y de la presin en el separador.4. Estrategia ptimaEsta estrategia al igual que la integrada se utiliza cuando el sistema no est dominado por ninguna de las fases. Los objetivos de la estrategia son el control del nivel de lquido en el separador por medio del control de la apertura de la vlvula de flujo de lquido LV102 y de flujo de gas PV202 o PV203, segn el rango de flujo (Wangetal.,2000c).El control del nivel de lquido se realiza del mismo modo que en la estrategia integrada, por lo que no se repetir la discusin. Un lazo de control adicional para el control de nivel de lquido se compone del sensor de la apertura de la vlvula de flujo de lquido LV102 y el controlador PID de las vlvulas de flujo de gas PV202 o PV203, cuyo objetivo es mantener la apertura de la vlvula LV102 a un valor predeterminado. Este lazo de control tiene por objetivo actuar en apoyo al control del nivel de lquido realizado por LV102, por medio de su apertura como variable de control. La desviacin en la apertura de la vlvula LV102 se alimenta a un controlador PID que acciona PV102 o PV202 para corregir dicha desviacin. As, si el pozo aporta menos cantidad de lquido y se tiene una apertura dada de LV102, por lo que el nivel en el separador bajar y el control de nivel actuar cerrando proporcionalmente LV102 de su posicin original. El control de posicin de la vlvula de la fase lquida detectar la diferencia de la posicin actual a la posicin deseada y mandar abrir la vlvula PV102 (PV202) proporcionalmente a esta desviacin para desalojar ms gas, lo que producir una disminucin de la presin y de esta forma facilitar el incremento de nivel de lquido que una vez corregido har regresar a LV102 a su posicin original. La situacin contraria ocurre cuando el sistema de medicin requiere bajar el nivel de lquido en el separador.En la figura 7, se ilustra la operacin de la estrategia de control ptima.Dependiendo de las condiciones de operacin del proceso, puede una estrategia de control ofrecer mayores ventajas que otra para lograr la mejor condicin de separacin y evitar el arrastre de las fases. En el diagrama de lafigura 8, se muestra la recomendacin de las vlvulas de control de flujo que se sugiere manipular con base en el patrn de flujo multifsico que tenga lugar en el sistema. Los patrones de flujo se pueden identificar por medio del valor de las velocidades superficiales del lquido y del gas, VSly VSg, respectivamente.

Diseo de control automtico del GLCCModelo linealizadoPara el diseo de los controladores de cada una de las estrategias de control, se recurri a una descripcin del comportamiento dinmico del fluido, por medio de las ecuaciones de balance (Wanget al.,1998).Razn de cambio del volumen de lquidoLa razn de cambio del volumen de lquido en el separador est dada por el principio de conservacin de masa y es la diferencia entre los flujos volumtricos de entrada(QL,in), y salida(QL,out), del sistema, como la muestra la ecuacin (1).

La variacin en el flujo volumtrico de la mezcla est relacionada con el cambio en el nivel del lquido en el separador, denominado con la letraH,la variacin en estado transitorio del nivel de lquido se puede expresar para la geometra del separador conforme a la ecuacin (2).

dondedes el dimetro interno del GLCC.Razn de cambio de la presinLa razn de cambio en la presinPdel separador est dada por las variaciones de presin de las fases de la mezcla, considerando que el gas tiene un comportamiento muy cercano al ideal y el lquido se considera incompresible, la variacin temporal de la presin puede asociarse con la ecuacin de estado del gas, como se muestra en la ecuacin (3):

Donde:Z,R,T, G,MGson constantes que dependen de la composicin del gas; QG,in,QG, out,son los gastos de gas de entrada y salida y QG,in,y QG,outson los gastos de lquido de entrada y salida, respectivamente.Ecuaciones del controladorPara llevar a cabo el control del nivel del lquido como de la presin se consider que el controlador era del tipo PID. La ecuacin del controlador PID en el dominio de la frecuencia se muestra en la ecuacin (4).

dondeKP,TIyTDson los parmetros del controlador que corresponden a la ganancia proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente.Ecuaciones de transmisin de la seal de la red de comunicacinEn el modelo linealizado se considera a la lnea de transmisin de informacin como un sistema de primer orden, dado por la funcin de transferencia (en el dominio de la transformada de Laplace), expresada en la ecuacin (5).

Ecuaciones de la vlvula de control de flujoLas vlvulas de control de flujo son del tipo de aire para cerrar o conocidas como "a falla abren". Para propsitos del diseo del control, su comportamiento se model por medio de la siguiente ecuacin (6).

dondeXes la apertura de la vlvula,Pves la presin recibida de la lnea de aire comprimido,Coes un parmetro de velocidad de respuesta de la vlvula. Se considera que las tres vlvulas de control son del mismo tipo.La representacin del sistema del separador GLCC en funciones de transferencia se obtiene mediante una linealizacin alrededor de un punto de equilibrio de las ecuaciones de nivel y presin Ec. (2) y Ec. (3), respectivamente, en el dominio de la transformada de Laplace. Adems de la representacin de los dispositivos de medicin y control tambin en el dominio de la frecuencia.A partir del modelo linealizado se aplic la metodologa del "lugar de las races" para disear el control PID en cada lazo de control de cada una de las estrategias descritas arriba, considerando la velocidad de respuesta y la estabilidad del sistema en lazo cerrado. La herramienta de diseo fue el mdulo del lugar de las races de MATLAB con SIMULINK. Los lazos de control considerados en cada una de las estrategias y los elementos del modelo del GLCC que intervienen en el diseo de cada uno de los lazos de control se muestran en lasfiguras 4a7(figuras 4,5,6y7). Los lazos de control fueron implementados en un PLC Allen Bradley que monitorea las variables del sistema de medicin y acciona las vlvulas de control.Anlisis e interpretacin de resultadosEl sistema de medicin de flujo multifsico fue puesto en operacin para evaluar su desempeo en pruebas de aforo en diversos pozos del Activo Integral PozaRica Altamira de la regin norte. A continuacin, se muestra un caso de estudio de la prueba de medicin realizada en un pozo, perteneciente al activo, la prueba se llev a cabo en el intervalo de tiempo de las 10:20:03 a las 15:08:48 horas.La figura 9, muestra la variacin en porcentaje de la apertura de la vlvula de control de flujo de gas para mantener el nivel de equilibrio del separador que garantice la separacin de las fases, manteniendo la vlvula de flujo de lquido abierta en su totalidad. En este caso, la estrategia de control se aplica a un sistema dominado por la fase lquida como corresponde al pozo bajo estudio, con el objetivo de mantener un nivel de equilibrio de lquido en el separador en un valor de 70 pulgadas mediante la apertura de la vlvula de flujo de gas.

La figura 10, muestra las variaciones de presin que tienen lugar en el sistema durante el periodo de equilibrio del nivel de lquido en busca del valor de 70 pulgadas. Un requerimiento del sistema de medicin es que la cada de presin a travs del mismo no exceda de 14.7 psi, con la finalidad de evitar represionamiento al pozo y en consecuencia baja en la produccin. Se observa en la figura que la diferencia entre la presin del separador y la presin de salida es muy inferior al valor lmite de 14.7 psi, razn por la cual el sistema de medicin cumple con este requerimiento.La figura 11, muestra la variacin de la densidad de la fase lquida y el porcentaje de corte de agua contenido en la fase lquida. Estos dos parmetros junto con la determinacin del gasto msico a travs del medidor tipo Coriolis, permiten calcular el gasto volumtrico instantneo para cada una de las fases lquidas a condiciones de operacin tal como se muestra en las ecuaciones (7) a (9):

Donde:WCes el corte de agua de la fase lquida, Qves el flujo volumtrico, Qmes el flujo msico y p la densidad.Con base en el valor de la temperatura medida, se calculan los gastos instantneos a condiciones estndar de acuerdo a los estndares API y los valores de los volmenes acumulados se determinan a travs de la integracin en el tiempo de estas funciones.La figura 12, muestra las variaciones en la densidad, el nivel del lquido y la ganancia del medidor del flujo volumtrico del lquido. En la grfica se observa que la ganancia del medidor del flujo volumtrico del lquido mantuvo un valor de entre 20% y 60%, lo cual indica que no existi saturacin de la seal y que la medicin se llev a cabo con xito, sin arrastre significativo de gas por parte de la fase lquida.

La figura 13muestra el flujo volumtrico de gas, el nivel de lquido y la ganancia del medidor de gas. Se observa que esta ltima variable presenta en la mayor parte del tiempo valores entre el 10% y el 50% indicando que no existe saturacin de la seal, a excepcin del inicio de la medicin donde tiene lugar la saturacin de la ganancia por parte del medidor de lquido, debido al tiempo transcurrido para la regulacin del nivel de lquido.La figura 14, muestra la variacin del flujo volumtrico del lquido, el nivel de lquido en el separador y la ganancia del medidor de lquido. Para una produccin aproximada de 200 BPD, la ganancia oscila entre el 10 y el 60%, muestra que la medicin es confiable.

En lastablas 4y5, se muestran los resultados de la prueba de medicin de flujo volumtrico de las fases para el pozo seleccionado, para el intervalo de tiempo de las 10:20:03 a las 15:08:48 horas.La tabla 4, muestra los resultados de la medicin en perodos de tiempo de una hora como se seala en la primera columna. En la segunda columna se muestra el volumen acumulado total (bruto) de la fase lquida, en la tercera columna se muestra el volumen acumulado de aceite y en la cuarta columna el volumen acumulado de agua. En la quinta columna, se muestra la medicin de corte de agua de la fase lquida para el mismo intervalo de tiempo. En las columnas sexta, sptima y octava se muestran los volmenes en BPD de la fase lquida total, aceite y agua, respectivamente, determinados a partir de los volmenes acumulados y con una proyeccin a 24 horas.En la tabla 5, se muestran resultados de la medicin del flujo volumtrico de la fase gaseosa del pozo. Los resultados de la medicin se muestran en perodos de tiempo de una hora como se observa en la primera columna. En la segunda columna se muestra el volumen acumulado de la fase gaseosa a condiciones estndar, en la tercer columna se muestra el flujo volumtrico del gas en MMSPCD, determinado a partir del volumen acumulado y proyectado a 24 horas.En las tablas 4y5se muestra que la produccin de lquido del pozo es de 272.37 BPD con 72.71 BPD de aceite, 199.66 BPD de agua y 0.02255 MMPCD de gas, para el tiempo de duracin mostrado del aforo. El flujo volumtrico medido de la fase lquida fue comparado directamente con una prueba de medicin llevada a cabo en el tanque de medicin de la batera, la cual dio como resultado un flujo volumtrico de 276 BPD, lo que dara en trminos porcentuales una diferencia de 1.31%, con respecto al medido. Por lo que respecta a la medicin de gas no fue posible realizar una comparacin con una referencia en batera; sin embargo, se llev a cabo una fase de pruebas experimentales de medicin en laboratorio, con la finalidad de establecer una comparacin entre las mediciones realizadas por el sistema de medicin desarrollado y un loop de medicin propio del laboratorio, el cual incluye elementos de medicin tipo Vcone para la medicin de la fase gaseosa con exactitudes del 0.5% y medidores de tipo coriolis para la fase lquida con exactitudes del 0.1%. Las desviaciones entre las mediciones fueron de alrededor del 0.55% para la fase lquida y alrededor de 4% para la fase gaseosa.En las figuras 13y14se muestra que la ganancia de los medidores de coriolis no llega a la saturacin, indicando que la separacin es exitosa para llevar a cabo una medicin confiable, en este sentido, es importante enfatizar que la precisin en las mediciones de los aforos de pozos est supeditada a la precisin de los instrumentos de medicin utilizados en el sistema, en este caso de 0.35% para la fase gaseosa y 1% para la fase lquida por parte de los medidores de coriolis y 1% para el medidor de corte de agua. Por esta razn, el desarrollo y aplicacin de adecuadas estrategias de control para el sistema juegan un papel fundamental en la separacin de las fases y por consecuencia la medicin del flujo.ConclusionesEn el presente trabajo se llev a cabo el diseo, construccin y operacin de un sistema porttil de medicin de flujo multifsico, el cual est basado en la tecnologa de separacin ciclnica (GLCC) y se implementa para llevar a cabo el aforo de pozos petroleros. El xito en la medicin de los flujos volumtricos de las fases de la mezcla multifsica depende de un adecuado proceso de separacin, el cual debe garantizar el mnimo arrastre de las fases, en este sentido, es importante mencionar que los medidores del flujo volumtrico tipo coriolis estn diseados para cuantificar una sola fase, por esta razn, la separacin de las fases juega un papel determinante en el proceso de medicin. El incremento en la eficiencia del proceso de separacin proporcionado por la tecnologa ciclnica permite la reduccin significativa de las dimensiones del separador, esta reduccin de dimensiones contribuye a que la dinmica del proceso de separacin sea rpida y requiera de un apropiado sistema de control automtico, el cual tiene como objetivo conservar dentro de cierto rango, parmetros del proceso como el nivel de lquido y la presin en el separador en busca de una adecuada separacin de las fases. El esquema de operacin del sistema tiene la versatilidad para llevar a cabo mediciones en lnea con las consecuentes ventajas de la reduccin de costos de medicin y la adecuacin para diferentes pozos, en este sentido, el sistema opera bajo cuatro esquemas o estrategias de control automtico, las cuales se enfocan a diferentes condiciones del proceso y caractersticas del pozo a medir. Bajo esta filosofa, se tiene una estrategia para sistemas dominados por lquido, otra para sistemas dominados por gas y una tercera y cuarta para sistemas no dominados por alguna de las fases.En los sistemas dominados por la fase lquida el control de nivel de lquido en el separador se realiza por medio de la vlvula de control de flujo de gas, ya que la necesidad de desalojar una gran cantidad de lquido requiere de una gran apertura por parte de la vlvula de control de flujo de lquido, situacin que reduce el margen de maniobra y la imposibilidad para a justar con la suficiente rapidez el nivel del lquido. El manejo del nivel de lquido mediante la vlvula de flujo de gas permite hacer ajustes ms finos para el control de nivel de lquido. Para el caso de la estrategia de control para los sistemas dominados por la fase de gas, se utiliza preferentemente la vlvula de control de flujo de lquido como elemento de control para estabilizar el nivel de lquido en el separador, debido al requerimiento de grandes cantidades de gas que exigirn una gran apertura por parte de la vlvula de flujo de gas, reduciendo con esto el margen de maniobra de la vlvula. En este caso, la vlvula de control de lquido permite llevar a cabo un ajuste ms fino para mantener el nivel de lquido en el punto adecuado.En el caso de sistemas no dominados, tanto la vlvula de flujo de lquido como la de flujo de gas estn dentro de los mrgenes de maniobra que permiten hacer ajustes finos para el control del sistema de medicin, de esta forma, se puede controlar el nivel de lquido en el separador mediante la vlvula de flujo de lquido, tanto para la estrategia integrada como para la estrategia ptima y utilizar la vlvula de control de flujo de gas como un grado de libertad adicional, para establecer control sobre la presin del separador en la estrategia integrada y el control complementario del nivel de lquido en el separador en la estrategia ptima.El xito del sistema de medicin de flujo multifsico radica en un correcto dimensionamiento y en un adecuado diseo del control automtico, que proporcione la flexibilidad para manejar la dinmica del proceso y su adecuacin a diferentes condiciones de operacin. Los resultados experimentales obtenidos con el sistema de medicin muestran la eficiencia y confiabilidad de ste para separar las fases y medirlas de forma individual.AgradecimientosEl desarrollo del sistema de medicin de flujo multifsico fue patrocinado por el Activo Integral Poza Rica Altamira de PEMEX, la Subdireccin de la Coordinacin Tcnica de Explotacin de PEMEX y el Instituto Mexicano del Petrleo.ReferenciasChirinos W., Gomez L., Wang S., Mohan R. and Shoham O. Liquid Carryover in GasLiquid Cylindrical Cyclone Compact Separators. SPE 56582. In: SPE 74th Annual Meeting (1999, Houston). October, 1999, pp. 36.[Links]Gomez L.E. A StateoftheArt Simulator for Field Applications of GasLiquid Cylindrical Cyclone Separators. SPE 56581. In: Annual Technical Conference and Exhibition held in Houston, (1998, Texas). October, 1999, pp.36.[Links]Shirazi S., McLaury B., ShadleyJ. and Rybicki E. Generalization of the API RP 14E for Erosive Services. SPE 28518. In: SPE Conference (1994, New Orleans).[Links]Shoham O. and Kouba G. The StateoftheArt of GasLiquid Cylindrical Cyclone Separators Technology.Journal of Petroleum Technology,50(7):5865. July 1998.[Links]Wang S., Mohan R., Shoham O. and Kouba G.E. Dynamic Simulation and Control System Design of GasLiquid Cylindrical Cyclone Separators. SPE 49175. In: 73rd Annual Meeting (1998, New Orleans, LA). September, pp. 2730.[Links]Wang S., Mohan R., Shoham O., Marrelli J. and Kouba G.E. Control System Simulators for GasLiquid Cylindrical Cyclone Separators (ASME ETCE/OMAE Conference, 2000a, New Orleans, LA). February, pp. 1417.[Links]Wang S., Mohan R., Shoham O., Marrelli J. and Kouba G.E. Performance Improvement of GasLiquid Cylindrical Cyclone Separators Using Integrated Level and Pressure Control Systems (ASME ETCE/ OMAE Conference, 200b, New Orleans, LA). February, pp. 1417.[Links]Wang S., Mohan R., Shoham O., Marrelli J. and Kouba G.E. Optimal Control Strategy and Experimental Investigation of GasLiquid Compact Separators. SPE 63120. In: 75th Annual Meeting (2000c, Dallas, TX). October, pp. 14.[Links]Nota1 Gas Liquid Cylindrical Cyclone, Copyright The University of TulsaSemblanza de los autoresJ. Martn GodoyAlcntar.Obtuvo el grado de maestra en control automtico por la Universidad Nacional Autnoma de Mxico y el de doctor en ciencias en control automtico por el Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados. Es investigador en el Instituto Mexicano del Petrleo en proyectos de investigacin y desarrollo tecnolgico en las reas de medicin en sistemas de produccin de hidrocarburos, la optimizacin de procesos de produccin y la optimizacin del uso de agua y minimizacin de efluentes en procesos de refinacin. Es Miembro del Sistema Nacional de Investigadores.Guillermo CervantesMartnez.Obtuvo el grado de licenciatura en fsica en la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico en 1990. El grado de maestra en la especialidad de Ciencias de la Computacin en el Instituto Politcnico Nacional en 2000. Se ha desarrollado como especialista en Medicin de Flujo de Hidrocarburos en el Instituto Mexicano del Petrleo desde 1990, donde ha participado en numerosos proyectos. Sus intereses son la investigacin e implantacin en campo de nuevas tecnologas para la medicin de fluidos petroleros.Juan Antonio CruzMaya.Obtuvo su maestra y el doctorado en ciencias de ingeniera mecnica en la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica del IPN. Sus reas de especializacin son: Simulacin y transporte mezclas multifsicas, modelado y optimizacin de los procesos de produccin de hidrocarburos. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.Miguel ngel HernndezBuenfil.Es ingeniero mecnico y maestro en ciencias de ingeniera mecnica por la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica del IPN. Especialista en el transporte de gas.Israel RamrezAntonio.Es ingeniero electromecnico del Instituto Tecnolgico de Cerro Azul, Veracruz. Obtuvo su maestra en ciencias de ingeniera mecnica en la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica del IPN. Se especializa en sistemas artificiales de produccin en la Facultad de Ingeniera de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Especialista en fenmenos de transporte.