Innovación tecnológica en industria petrolera
Por Armando Bonilla
Ciudad de México. 25 de junio de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- La identificación de yacimientos de petróleo en aguas profundas, así como su perforación y explotación, son los principales retos que enfrentan las naciones petroleras de todo el mundo.
En ese contexto, el Centro de Tecnología para Aguas Profundas (CTAP), a cargo del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), es una de las principales apuestas del gobierno federal para poner a México en los primeros planos de la carrera por la extracción del crudo del fondo de los océanos y lo hará a través de tareas de investigación científica, de ofertar sus servicios a Petróleos Mexicanos y a los jugadores de la iniciativa privada ya presentes en el sector de hidrocarburos en territorio nacional.
Se trata de un centro de investigación que cuenta con tecnología de punta en cinco áreas de interés y que busca ampliar su campo de acción hasta 12 áreas que abarcarían los procesos de exploración, perforación, producción y transporte del crudo que se encuentra en los yacimientos bajo el fondo marino.
De acuerdo con información de Petróleos Mexicanos, la producción petrolera mexicana comenzó a caer a partir de 2004 a una tasa de cinco por ciento anual sin que esa tendencia se revierta hasta la fecha.
“El problema para México radica en que entre 40 y 70 por ciento de sus campos terrestres y en aguas someras son pozos maduros, es decir, los yacimientos pierden presión, se reduce la producción de aceite y gas, por lo que se requiere incrementar la inversión en sistemas de recuperación secundaria y mejorada para seguir sustrayendo el hidrocarburo”, dijo el doctor Edgar Nakamura Labastida, gerente de Herramientas y Sistemas para Pozos e Instalaciones del CTAP.
El investigador detalló que cuando la producción del pozo decae, puede incrementarse la presencia de agua y sólidos como arena, lo que implica mayores retos tecnológicos para sustraer el hidrocarburo de los yacimientos y, en consecuencia, aumentan los costos operativos.
“Esa situación y la necesidad de incrementar las reservas de petróleo motivó a Petróleos Mexicanos y demás operadoras a buscar y explotar campos en aguas profundas a través de sistemas flotantes y submarinos de producción. En México, el IMP se ha involucrado directamente en las tecnologías para la planeación del desarrollo de los campos, el diseño, la conceptualización y materialización de estos sistemas de producción”.
El potencial petrolero del golfo de México profundo
De acuerdo con resultados de exploraciones sísmicas y la perforación de pozos exploratorios, se han identificado en la parte mexicana del golfo de México profundo, yacimientos de aceite ligero, aceite pesado y gas; estos yacimientos se encuentran en tirantes de agua que van desde 500 hasta tres mil metros. En ese contexto, la Comisión Nacional de Hidrocarburos estima que 25 por ciento de los recursos prospectivos de petróleo y gas, es decir, 28 mil millones de barriles de crudo equivalente, se encuentra en aguas profundas del país.
De las plataformas fijas a las plataformas flotantes
El investigador explicó a la Agencia Informativa Conacyt que la extracción de hidrocarburos en aguas someras de México inició en la década de los 70 con el uso de plataformas fijas, instaladas en profundidades menores a los 100 metros.
No obstante, cuando se trata de aguas profundas, esas plataformas fijas ya no son viables técnicamente debido a que los tirantes de agua superan los 500 metros, por lo que se debe recurrir a plataformas flotantes ancladas al fondo marino y diseñadas para soportar los embates de tormentas, como los huracanes que generan olas, vientos y corrientes marinas extremas.
“México incursionó en el tema de aguas profundas perforando pozos en tirantes de agua superiores a los 500 metros y actualmente alcanza un récord de dos mil 933 metros con el pozo Maximino. Sin embargo, los retos tecnológicos siguen siendo muchos y es ahí donde cobra relevancia la labor del CTAP”.
En busca del ADN del hidrocarburo mexicano
Bajo la dirección del doctor Edgar Ramírez Jaramillo, en el Laboratorio de Aseguramiento de Flujo se aplican diferentes metodologías experimentales para la caracterización fisicoquímica, termodinámica e hidrodinámica de los hidrocarburos.
“Imaginemos cuando un paciente llega a un laboratorio clínico y se hace pruebas para definir su tipo sanguíneo, se analizan los elementos presentes en ella y la información es utilizada para determinar estados bioquímicos e identificar una enfermedad. En el caso de un hidrocarburo, se determinan los componentes que lo conforman y qué cantidades contiene, con esta información se determina cuáles podrían ser sus problemas durante la producción y transporte, por ejemplo, la formación y depósito de sólidos orgánicos e inorgánicos”.
De acuerdo con el investigador, los experimentos que ahí se realizan responden a la pregunta, entre otras, de cómo interactúan los componentes presentes en el hidrocarburo y así plantear estrategias para evitar problemas durante la extracción y transportación.
Entre los principales equipos con que cuenta este laboratorio para atender las necesidades de la industria, se encuentra un equipo para el estudio del desplazamiento de fluidos en medios porosos. “Básicamente tomamos muestras de núcleos que provienen directamente de los yacimientos y las analizamos en las mismas condiciones que son recuperadas, es decir, reproducimos con ese equipo el flujo del hidrocarburo a través de las rocas del yacimiento, a condiciones de alta presión y temperatura”.
Según el investigador, en este equipo es posible realizar diferentes pruebas experimentales. Por ejemplo, permite identificar las concentraciones óptimas de inyección de algún producto químico para mejorar el desplazamiento del hidrocarburo desde el yacimiento hasta la superficie.
Las matemáticas al servicio de la extracción de petróleo
El Laboratorio de Simulación Numérica de Fenómenos Metoceánicos e Hidrodinámicos es el lugar donde las matemáticas y la simulación computacional confluyen para sumar a las condiciones de seguridad durante la búsqueda, perforación y extracción de petróleo.
“Los objetivos de este laboratorio básicamente son dos: caracterizar los fenómenos meteorológicos oceanográficos que impactan en el diseño, operación y funcionamiento de todos los sistemas de producción que se instalen en el mar para la extracción de hidrocarburos”, explicó a la Agencia Informativa Conacyt, la maestra en ciencias Virginia Rebeca Mora Perdomo, responsable del laboratorio.
El segundo objetivo del laboratorio es diseñar u optimizar los sistemas de producción, líneas de amarre y risers, tomando en cuenta las condiciones ambientales del sitio en que se instalarán los equipos de producción.
“Para validar las simulaciones del comportamiento de los sistemas de producción, realizamos pruebas en tanque oceánico, utilizando modelos a escala de la infraestructura que se desee evaluar, mientras que para validar las simulaciones de los fenómenos metoceánicos, utilizamos datos de la red de observaciones meteorológicas y oceanográficas del país y de las campañas especiales que ha financiado Pemex”.
Este laboratorio cuenta con un clúster HPC y software para el análisis y diseño de sistemas flotantes de producción a lo largo de todo su ciclo de vida, así como para el desarrollo de aplicaciones de realidad virtual enfocadas en la capacitación de personal de la industria petrolera.
Un equipo de centrífuga al servicio de los retos geológicos y geotécnicos
A cargo del doctor Celestino Valle Molina se encuentra el Laboratorio de Geotecnia e Interacción Suelo-Estructura, cuyos objetivos son mitigar los geopeligros a los que se puede enfrentar la infraestructura para explotación de hidrocarburos en aguas profundas, por ejemplo, deslizamientos de taludes que pudieran causar la falla de la cimentación de los sistemas flotantes y submarinos de producción.
“Nuestro principal objetivo radica en la caracterización de los suelos marinos para determinar sus propiedades mecánicas, tales como su resistencia y su compresibilidad. Y nuestro segundo gran objetivo es garantizar la estabilidad de las cimentaciones de sistemas flotantes y submarinos, así como de nuestros ductos submarinos para evitar accidentes”.
Para cumplir el objetivo de lograr la estabilidad de cimentaciones y ductos, previo a su construcción, en el laboratorio se diseña un modelo físico a escala que es sometido a diversas pruebas en el laboratorio, simulando las condiciones de campo y cargas a que estarán sometidos. “Contamos con un equipo de centrífuga que representa el estado del arte en geotecnia marina; es el primer equipo de centrífuga en México y solo hay alrededor de 120 en el mundo de este tipo”.
Ese equipo al girar aumenta artificialmente los niveles de aceleración de la gravedad de la Tierra y tiene la capacidad de acelerarla hasta 130 veces. “Estamos sustituyendo una prueba de campo por pruebas en laboratorio bajo las mismas condiciones de esfuerzo y lo hacemos previo a la construcción; esto nos permite ofrecer como servicios a la industria la evaluación y mitigación de geopeligros, diseño de ductos marinos y cimentaciones marinas, así como el modelado físico de cualquier infraestructura, no solo las relacionadas con la industria petrolera”.
Investigación enfocada en la construcción
y productividad del pozo
Aun cuando todo el proceso es importante, uno de los momentos clave para extraer el hidrocarburo de aguas profundas es la perforación y en ello radica la relevancia de este laboratorio que se encuentra a cargo del maestro en ciencias Ignacio Ramón Cortés Monroy, quien explicó a la Agencia Informativa Conacyt que la planeación y diseño del pozo son un proceso crítico.
“De una buena planeación depende hasta 80 por ciento del éxito de la construcción y operación del pozo. En ese contexto, el objetivo de este laboratorio es evaluar y desarrollar tecnologías integrales que contribuyan a la perforación de un pozo con calidad de agujero, sea exploratorio o de desarrollo, es decir, que aseguren las condiciones productivas al terminar el pozo”.
Para tales fines, el laboratorio fue dotado de equipos de diseño único en el mundo y que están pensados para atender problemas específicos identificados por personal de Pemex y el IMP durante los primeros pozos exploratorios y de desarrollo en aguas profundas mexicanas. Retos como amplios gradientes de temperaturas a altas presiones, geopresiones con ventanas operativas estrechas y georriesgos someros e intermedios son solo algunos temas tratados por el laboratorio.
Entre los principales equipos de este laboratorio del CTAP se encuentran: uno para determinar el punto de cristalización de salmueras a altas presiones y bajas temperaturas, un equipo de desplazamiento en medios porosos con recirculación tangencial y un microtomógrafo 3D, que permiten modelar y evaluar a detalle la estructura interna de muestras de roca obtenidas de los lugares donde se perforarán los pozos, así como los efectos de la interacción específica del fluido de perforación con el yacimiento.
Evaluando y perfeccionando la tecnología existente
El Laboratorio de Calificación de Tecnologías, a cargo del ingeniero Arturo Reyes, investigador con 20 años de experiencia en el IMP, tiene como objetivo evaluar el desempeño de las tecnologías utilizadas en los campos de exploración.
“Las condiciones de operación de los yacimientos cambian con el tiempo. Los equipos se diseñan para la producción con base en determinadas densidades de hidrocarburos, pero con el tiempo esas condiciones cambian y los equipos utilizados ya no son capaces de manejarlos”, explicó Arturo Reyes.
Ese es el principal servicio que oferta el laboratorio, cuyos objetivos son diseñar y mejorar las tecnologías asociadas a los procesos de hidrocarburos. “Al explorar en aguas profundas se debe ser muy preciso con los equipos ya que resulta muy costoso llevarlos a esas profundidades para que después resulte que no son tan eficientes como se pensaba”.
La metodología de calificación de tecnología se divide en tres fases: modelado computacional; pruebas de modelos físicos a escala pequeña y mediana en el loop de baja presión, en donde se validan los resultados de los modelos o simulaciones de los procesos; y pruebas de la tecnología sujeta en condiciones reales de operación en el loop de alta presión.
El loop de alta presión para pruebas a escala real es una instalación muy similar a la existente en las plataformas petroleras para realizar pruebas de separación de hidrocarburos, que opera con fluidos reales (aceite crudo, agua y gas).
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