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Simulador de reventón de un pozo de petróleo

Laboratorio
Simulador de reventón de un pozo de petróleo

GusherAntecedentes

Preparé este experimento para la clase de mi hija en la escuela primaria cuando fui invitado para animar un día completo de actividades sobre el Mundo del Petróleo. El experimento tenía por objeto poner "La Física en Acción" en medio de mapas, videos y descripciones geológicas. ¡La actividad tuvo tanto éxito que tuve que repetirla varias veces!

 

Drillbit

El lodo de perforación se bombea hacia el fondo del pozo por el centro de la tubería de perforación
y regresa a la superficie por el espacio existente entre la tubería y la pared del pozo.

Esta experiencia ilustra uno de los mayores riesgos en la perforación de un pozo de petróleo, un reventón, que ocurre cuando la presión del gas dentro del pozo repentinamente expulsa el petróleo hacia afuera con gran fuerza. Esta demostración, y la animación correspondiente, ilustra cómo ocurre un reventón y cómo se puede prevenir.

El experimento también destaca factores que deben considerarse al perforar un pozo petrolífero: lodo de perforación, prevención de reventones, presión hidrostática, equilibrio de presión, compresibilidad del gas y densidad.

Herramientas y materiales

  • Tubo de vinilo transparente con un diámetro interno de 6 mm (0,2 pulgadas)
  • Tubo de vinilo transparente con un diámetro externo de 6 mm (0,2 pulgadas)
  • Globos
  • Tabla de madera de 1 m (3,3 pies) × 20 cm (8 pulg.)
  • Grapas de cables
  • Cinta métrica de carpintería
  • Tubo de rollo de película o un recipiente pequeño de plástico
  • Relleno de espuma
  • Conexión en cruz de bronce de 6 mm (0,2 pulgadas)
  • Válvula de aguja
  • Inflador de bicicleta
  • Cinta para ductos
  • Agua
  • Sal
  • Balanza de cocina
  • Embudo pequeño

Procedimiento

El modelo se construye con materiales comúnmente disponibles, que se pueden encontrar en ferreterías o tiendas similares. El diagrama muestra cómo armarlo. El tubo de vinilo transparente de 6 mm de diámetro interno simula ser un pozo petrolífero. El globo es el yacimiento petrolífero. Usé los tubos transparentes más grandes (de 6 mm de diámetro externo) de la bomba de aire de un acuario para el manómetro, o indicador de presión, aunque origina un pequeño error capilar. Pueden utilizarse tubos más grandes, pero no demasiado, ya que la preparación no será práctica.

Fijé los tubos al panel con grapas redondas. SimulatorLas cintas métricas de carpintería sirvieron como escalas graduadas para medir el nivel del agua en el pozo y en el indicador de presión. El pozo y el indicador de presión deben estar cuidadosamente alineados al mismo punto de referencia horizontal. Usé un tubo de rollo de película o pequeño recipiente de plástico como tanque de agua para el manómetro. Puse una capa de relleno grueso de espuma en la tapa e introduje los tubos del pozo y del indicador de presión a través de la tapa y el relleno grueso de espuma para evitar la entrada de aire. Luego, uní el tubo del pozo y el globo del yacimiento a la conexión en cruz de 6 mm y la válvula de aguja.

Se necesitará un poco de creatividad para que las conexiones sean herméticas con algunos ajustes improvisados. La cinta para ductos o las bandas elásticas puede utilizarse para estas uniones. Si se hará este proyecto en un aula, se recomienda ensayarlo antes para familiarizarse con los posibles errores de una preparación tan simple.

Experimento N.º 1

  1. Cierra la válvula de aguja. Llena el tubo simulando el pozo con agua dulce hasta el borde superior. También llena el tanque del indicador de presión con agua dulce.
  2. Usa el inflador para que el nivel de agua en el indicador de presión llegue justo por debajo del nivel de agua en el tubo del pozo. Si el globo se infla demasiado, coloca dos globos, uno dentro del otro.
  3. Detén el bombeo y asegúrate de que no haya fugas. Abre la válvula de aguja suavemente. El nivel del agua en el pozo descenderá levemente hasta la misma altura del nivel del indicador de presión. En este momento estamos en equilibrio. La presión hidrostática de la columna de agua en el pozo coincide exactamente con la presión del yacimiento y mantiene los fluidos (en este caso, el aire) en su lugar.

    Marca el nivel exacto en la cinta del indicadorde presión para futura referencia. Si el nivel desciende muy por debajo del borde del tubo del pozo, cierra la válvula de aguja, rellena el pozo y aplica una presión levemente más alta antes de volver a abrir la válvula de aguja.

  4. Ahora simulemos un desequilibrio. Presiona suavemente el globo (aumentando así levemente la presión del yacimiento) y observa la primera burbuja de aire que ingresa al tubo. Observa cómo aumenta su tamaño a medida que sube por el tubo, mientras que disminuye la presión hidrostática.

  5. El aumento de volumen de la burbuja de aire desplaza el agua, la cual se derrama fuera del tubo del pozo. Debido a que la cantidad de agua en el pozo disminuye, también baja la presión hidrostática y entra más aire en el tubo. De esta forma, más agua es desplazada y muy rápidamente, ¡toda el agua se habrá derramado salpicando a todos los que estén alrededor!

Esta situación bien podría suceder mientras se está perforando un pozo de petróleo, y provocar un reventón con consecuencias catastróficas. En realidad, las perforaciones primitivas consistían en martillar una estaca en la tierra hasta dar con el yacimiento y hacer brotar el fluido. Además de ser peligrosa, poco económica y contaminante, esta técnica, o mejor dicho esta falta de técnica, sólo podía usarse en pozos de escasa profundidad. En la técnica de perforación rotatoria moderna, se usa un lodo especialmente formulado para mantener los fluidos del yacimiento en su lugar. El lodo también tiene otras funciones. El lodo de perforación se hace circular constantemente dentro el pozo a través de la tubería de perforación y fuera del pozo a través del espacio anular entre la tubería de perforación y el pozo. El fluido de perforación que vuelve se controla continuamente para poder detectar la presencia de gas.

Si se detecta gas, el perforador inmediatamente baja la tubería de perforación tan profundo como sea posible y la sujeta con el preventor de reventones, y detiene así la pérdida del fluido del pozo. Luego, se inyecta lodo de más alta densidad a través de la tubería de perforación y se obstruye el fluido anular para sacar el gas y el lodo más liviano a la vez que se mantiene la presión. El lodo más pesado baja por la tubería de perforación y sube a través del espacio anular. A medida que la columna de lodo se vuelve más pesada, se detectan menos cantidades de gas en la superficie. Una vez que el lodo más pesado está en su sitio y los fluidos del yacimiento están contenidos, se abren los obturadores y se reanuda la perforación. También podemos mostrar esto en nuestro simulador.

Experimento N.º 2

  1. Coloca un recipiente de suficiente capacidad para el líquido requerido para llenar el tubo del pozo en la balanza de la cocina y colócala en cero. Llénalo con agua y pésalo.
  2. Agrégale sal hasta que su peso aumente en un 5 % ó 10 %. Revuelve para disolver completamente la sal.
  3. Cierra la válvula de aguja y llena el tubo del pozo con el agua salada.
  4. Haz funcionar la bomba hasta que el nivel del tubo del indicador de presión sea un 5 % ó 10 % más alto que en el Experimento 1, de acuerdo con la cantidad de sal agregada en el paso 2.
  5. Abre la válvula de aguja lentamente y observa cómo una columna más corta de un fluido más pesado o más denso en el pozo equilibra una columna más alta de un fluido más liviano en el tubo indicador de presión.
  6. Si las burbujas de aire entran en el pozo, esto significa que la presión es muy alta; has bombeado demasiado y el nivel del indicador de presión está demasiado elevado. Por el contrario, si el fluido del tubo del pozo se pierde, esto significa que el yacimiento está sobrecompensado; la presión en el pozo es demasiado alta. (Ten en cuenta que es inevitable que se dé una pequeña pérdida debido a la precisión relativamente baja de nuestras mediciones).
  7. Estamos nuevamente en equilibrio y una pequeña presión sobre el globo producirá el mismo resultado que en el Experimento 1.

Información adicional

Simulador de reventón de un pozo de petróleo
Blowout simulator  

 

 

 

Haz clic en la imagen para probar este simulador de reventón virtual.

Es fácil inferir que, para perforar sin riesgos, la presión hidrostática ejercida por la columna del lodo de perforación debe sobrecompensar levemente la presión del yacimiento. Pero esta presión sólo puede predecirse con certeza antes de perforar; por lo tanto, necesitamos desarrollar un margen de seguridad. También hemos visto que la sobrecompensación en la columna del pozo provoca la pérdida de fluido en el yacimiento. Esto también es peligroso porque producirá un equilibrio, que es el paso previo al reventón. Para evitar esta situación, se formulan lodos de perforación para tapar los poros del yacimiento. Partes de los elementos más fluidos, conocidos como filtrados, se filtran en los poros del yacimiento. Las partículas sólidas en suspensión más grandes bloquean los poros y forman lo que se conoce como costra de lodo, que evita el ingreso de más fluidos al yacimiento. La pérdida de fluidos de perforación también es un parámetro que se controla atentamente durante la perforación del pozo de petróleo.


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