Dispositivo separador resistente al desgaste para la separación de partículas de arena y de roca.

Dispositivo separador para la separación de partículas de arena y de roca,

que forme parte integral de un equipo de extracción y que sea idóneo para aplicaciones en la extracción de líquidos o gases procedentes de pozos a gran profundidad, comprendiendo dicho dispositivo separador por lo menos un módulo cerámico de filtrado (1), y comprendiendo dicho módulo de filtrado (1)

(a) una pila anular (6) de discos anulares frágiles-duros (7), cuya lado superior (16) presente por lo menos tres protuberancias (8) distribuidas homogéneamente en el perímetro de los discos, estando apilados y fijados dichos discos (7) de modo que entre cada uno de los discos (7) exista una ranura para laseparación

(9) de partículas de arena y de roca,

(b) un elemento de acoplamiento (10) en el extremo superior y un elemento de acoplamiento (11) en el extremo inferior de la pila anular (6),

(c) un dispositivo de fijación (14, 15) para la sujeción axial de la pila anular (6),

(d) una cámara exterior (5) para la protección mecánica del módulo de filtrado (1),

(e) un elemento de unión (12) en el extremo superior y un elemento de unión (13) en el extremo inferior del módulo de filtrado (1) para la unión de dicho módulo de filtrado (1) con componentes adicionales del equipo de extracción.

Dispositivo separador resistente al desgaste para la separación de partículas de arena y de roca

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo separador novedoso que presenta más resistencia frente a la erosión y la abrasión, que forma parte integral de un equipo de extracción y que es idóneo para aplicaciones en la extracción de mezclas de petróleo, agua y gases o de sus componentes individuales, procedentes de pozos a gran profundidad, con cuya ayuda las partículas sólidas, por ejemplo las partículas de arena y de roca, se pueden separar de los líquidos y gases que se deben extraer. Dicho dispositivo separador sirve en particular para prevenir la degradación erosiva y abrasiva del equipo de extracción debido a las partículas de arena y de roca. Al mismo tiempo, el dispositivo separador es resistente a la corrosión debido a la manipulación con ciertos líquidos de tratamiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la extracción de ciertos líquidos y gases, por ejemplo de crudo o de gas natural, procedentes de pozos a gran profundidad, existe a menudo el problema de que la afluencia de arena procedente de los yacimientos de petróleo y gases dificulta el proceso. Ello es en particular el caso si se produce dióxido de carbono procedente de formaciones no consolidadas de yacimientos de petróleo y gases, o bien si al aumentar la vida útil de los yacimientos, el caudal y con ello la dilución de la producción de dióxido de carbono, se desencadena la afluencia de arena, de modo que se incrementa la masa arrastrada de partículas del yacimiento.

A fin de luchar contra la afluencia de arena procedente de los yacimientos, se emplean equipos de filtrado especiales, por ejemplo filtros ranurados o filtros con devanados metálico de alambre, que están realizados generalmente en un material de acero y adolecen del inconveniente que debido a las elevadas fuerzas del caudal, no son susceptibles de realizar su tarea de separación de la arena durante un tiempo prolongado, puesto que se erosionan rápidamente. Como remedio, se puede sustituir periódicamente el dispositivo de filtrado de arena, tarea que se ejecuta en el denominado proceso “Workover” (trabajos de complemento) en una operación de reparación del pozo.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Normalmente, se emplean para dicha tarea telas metálicas, rejillas metálicas de alambre o devanados de alambre. En la patente US n.º 5.624.560 se describe una solución con una tela metálica. Dichas soluciones, en las que se emplean telas metálicas o rejillas de alambre, se apoyan en una estructura metálica de soporte, como un tubo perforado, a fin de mantener su estabilidad mecánica.

En la patente US n.º 5.890.533 se describe una solución con un devanado de alambre, en la que diversas unidades de filtrado con devanado se alambre se pueden unir entre sí mediante elementos de conexión con roscas de tornillo.

En la patente US n.º 5.515.915 se describe una solución con un devanado de alambre en un tubo perforado, en el que se disponen unas barras de soporte y separación para el soporten del devanado de alambre entre el tubo perforado interior y dicho devanado. Entre el tubo perforado y el devanado de alambre se introduce asimismo adicionalmente un filtro de grava (gravel pack) . Dicho filtro de grava se utiliza como filtro secundario.

Un inconveniente fundamental del que adolece dicho tipo de construcciones con telas metálicas, rejillas de alambre o devanados de alambre, constituye su reducida resistencia al desgaste. Debido a la acción abrasiva o erosiva de las partículas de arena y de roca que fluyen con una elevada velocidad de caudal, los filtros quedan destruidos y los tubos de extracción dañados. Simultáneamente, la productividad del proceso de extracción disminuye, puesto que a partir de dicho momento la arena deja de filtrarse de modo eficaz y se transporta con el medio de extracción. Un problema adicional constituye el empleo de ciertos líquidos de tratamiento que ocasionan un desgaste corrosivo de los filtros y de los tubos de extracción. Dicho desgaste corrosivo intensifica a su vez el desgaste abrasivo. Ciertos líquidos de tratamiento, por ejemplo, ácidos, lejía, agua o vapor recalentado, se emplean para la limpieza del dispositivo separador y para la estimulación del pozo.

Es necesario mejorar la resistencia de los equipos de extracción frente al desgaste abrasivo o erosivo, así como garantizar que no se vean afectados por la corrosión.

En los documentos US2004/0050217 A1 y WO2008/080402 A1 se describen soluciones, en las que se emplean dispositivos separadores que comprenden sustancias permeables porosas, en lugar de cribas metálicas de agujeros oblongos. Las sustancias porosas de filtrado del documento US2004/0050217 A1 pueden ser metálicas, cerámicas o bien orgánicas, mientras que en el documento WO2008/080402 A1 se emplean sustancias porosas cerámicas.

Un problema de dichas soluciones descritas en los documentos constituye el hecho de que los filtros de sustancias cerámicas porosas tienden a su rotura por un esfuerzo de flexión, debido a su reducido valor de tenacidad a la rotura. El valor de carga de rotura por flexión es normalmente mucho menor al 30% del valor de las correspondientes sustancias compactas, y por este motivo no resulta suficiente para cargas mecánicas en aplicaciones de perforación de roca.

Un problema adicional es el hecho de que la resistencia a la abrasión de las sustancias cerámicas porosas es notablemente inferior a la de las sustancias cerámicas compactas.

En el documento WO2004/099560 A1 se describe una solución adicional con un dispositivo separador de sustancias porosas, que asimismo adolece de los inconvenientes descritos anteriormente. En una forma de realización adicional (página 7, línea 24 - página 8, línea 2 y reivindicación 20) , en el documento WO2004/099560 A1 se prevé proteger asimismo exteriormente un filtro de arena convencional con un manguito de anillos compactos resistentes a la erosión, que presentan adicionalmente en sus superficies superior e inferior unos nervios u hoyuelos. En los anillos apilados uno encima del otro se diseña un canal de líquido sinuoso, en cuyas paredes la energía del medio que circula disminuye por los impactos, de modo que el desgaste del filtro de arena convencional que se encuentra por debajo se reduce. Preferentemente, los anillos comprenden carburos o nitruros, por ejemplo carburo de silicio o carburo de wolframio. El inconveniente de dicha solución reside en el hecho de que la mayor protección contra el desgaste viene acompañada de una disipación energética del medio circulante; el manguito exterior no actúa como filtro, sino como resistencia al caudal, lo que de empeora la capacidad de extracción. No se da a conocer el modo de fijación del manguito sobre el tubo de extracción.

En la patente US n.º 5.249.626 se presenta un tamiz cilíndrico de filtrado, que comprende múltiples segmentos anulares de filtro apilados. La pila de anillos queda cohesionada con diversas barras roscadas con tuercas de tornillo o incluso tuercas dobles de acero inoxidable, respectivamente en el extremo superior e inferior. La separación de las partículas se produce en el intersticio anular variable, que se forma entre segmentos de filtros opuestos. Los anillos están realizados en un material plástico, preferentemente en polipropileno reforzado con fibra de vidrio (columna 4, líneas 50-54) . Las barras roscadas se guían en los anillos por las aberturas previstas para ello (columna 4, líneas 31-33) . Está solución no se puede poner en práctica utilizando cerámica. Las transiciones de la sección transversal son angulosas; los segmentos de filtro presentan un diseño típico de material plástico. Los orificios de paso centrales para las barras roscadas debilitarían los elementos cerámicos y la capacidad de carga quedaría disminuida. Los distanciadores se diseñan planos, de este modo la tensión producida por la flexión no puede compensarse. Unos inconvenientes adicionales del tamiz de filtrado descrito en la patente US n.º 5.249.626 realizado en polipropileno reforzado con fibra de vidrio constituyen su exigua resistencia a la erosión / abrasión, así como su insuficiente resistencia a la corrosión.

En el documento WO99/06669 se describe una solución adicional con un devanado metálico de alambre con arrollamiento espiral. Asimismo, para una segunda forma de realización (página 3, líneas 8-14 y página 10, líneas 819) se forman mediante soldadura unos anillos a partir del alambre en forma de V. Entonces, dichos anillos quedan unidos entre sí mediante distanciadores por sus superficies superior e inferior, realizándose una soldadura de la superficie... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo separador para la separación de partículas de arena y de roca, que forme parte integral de un equipo de extracción y que sea idóneo para aplicaciones en la extracción de líquidos o gases procedentes de pozos a gran profundidad, comprendiendo dicho dispositivo separador por lo menos un módulo cerámico de filtrado (1) , y comprendiendo dicho módulo de filtrado (1)

(a) una pila anular (6) de discos anulares frágiles-duros (7) , cuya lado superior (16) presente por lo menos tres protuberancias (8) distribuidas homogéneamente en el perímetro de los discos, estando apilados y fijados dichos discos (7) de modo que entre cada uno de los discos (7) exista una ranura para laseparación

(9) de partículas de arena y de roca,

(b) un elemento de acoplamiento (10) en el extremo superior y un elemento de acoplamiento (11) en el extremo inferior de la pila anular (6) ,

(c) un dispositivo de fijación (14, 15) para la sujeción axial de la pila anular (6) ,

(d) una cámara exterior (5) para la protección mecánica del módulo de filtrado (1) ,

(e) un elemento de unión (12) en el extremo superior y un elemento de unión (13) en el extremo inferior del módulo de filtrado (1) para la unión de dicho módulo de filtrado (1) con componentes adicionales del equipo de extracción.

2. Dispositivo separador según la reivindicación 1, en el que los discos anulares (7) están apilados y fijados en la pila anular (6) de modo que en las direcciones radial y tangencial, los anillos pueden moverse unos contra los otros en un cierto grado.

3. Dispositivo separador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, comprendiendo el dispositivo de fijación unas barras de pretensado (14) dispuestas en el interior de la pila anular (6) .

4. Dispositivo separador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, comprendiendo el dispositivo de fijación un tubo de fijación (15) dispuesto en el interior de la pila anular (6) .

5. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo asimismo una

o más capas de revestimiento de protección (4) .

6. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo asimismo en el extremo inferior una punta del módulo de filtrado (2) con protección aumentada contra la abrasión.

7. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que las protuberancias (8) de la cara superior (16) de los discos (7) se diseñen en forma de segmentos esféricos.

8. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones 1 a 3 y 5 a 7, de modo que en el perímetro interior de los discos en forma de anillo (7) existan por lo menos tres entalladuras (20) , cuya función sea la recepción de las barras de pretensado (14) .

9. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que en la cara inferior (18) de los discos en forma de anillo (7) existan por lo menos tres cavidades (21) , en las que se puedan posicionar las protuberancias (8) .

10. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que la cara superior

(16) de los discos en forma de anillo (7) se diseñe presentando un ángulo recto con respecto al eje del disco.

11. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que la cara inferior

(18) de los discos en forma de anillo (7) esté inclinada hacia el interior o hacia el exterior, preferentemente inclinada hacia al interior, y más preferentemente cóncava.

12. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que el espesor de pared radial de los discos en forma de anillo (7) comprenda por lo menos 2 mm, preferentemente por lo menos 5 mm.

13. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que el grosor de los discos en forma de anillo (7) esté comprendido entre 1 y 20 mm, preferentemente entre 1 y 10 mm.

14. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que la anchura de la ranura de separación (9) entre los distintos discos (7) presente un valor comprendido entre 0, 05 y 1 mm, preferentemente comprendido entre 0, 05 y 0, 5 mm.

15. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, en el que las sustancias frágiles-duras de los discos en forma de anillo (7) se seleccionen entre una de las siguientes: sustancias cerámicas oxídicas y no oxídicas, materiales metalocerámicos procedentes de dichas sustancias, sustancias cerámicas con adición de fases secundarias, sustancias mezcladas con parte de materiales duros cerámicos y con período de enlace metálico, materiales de fundición endurecidos por precipitación, sustancias pulvimetalúrgicas con fase de material duro formada in situ y sustancias cerámicas reforzadas con fibras cortas y/o largas.

16. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que las sustancias frágiles-duras de los discos en forma de anillo (7) posean valores de dureza HV iguales o superiores a los 15 GPa, preferentemente iguales o superiores a los 23 GPa.

17. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que las sustancias frágiles-duras de los discos en forma de anillo (7) posean valores del módulo de elasticidad iguales o superiores a los 200 GPa, preferentemente iguales o superiores a los 350 GPa.

18. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que se empleen sustancias frágiles-duras con una densidad por lo menos del 90%, preferentemente por lo menos del 95%, de la densidad teórica.

19. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que como sustancia frágil-dura se emplee carburo de silicio sinterizado (SSiC) o carburo de boro.

20. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que en el perímetro exterior de los elementos de acoplamiento (10, 11) se disponga por lo menos una ranura periférica (22) para la recepción de un anillo de estanqueidad (23) .

21. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que el diámetro exterior de los elementos de acoplamiento (10, 11) sea preferentemente igual o superior al de los discos en forma de anillo (7) .

22. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que los elementos de acoplamiento (10, 11) estén fabricados con el mismo material frágil-duro que los discos en forma de anillo (7) .

23. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que el dispositivo de fijación (14, 15) comprenda asimismo un juego de fijación, compuesto de un manguito de fijación (26) , muelles de compresión (27) y tuercas de regulación (28) para las barras de pretensado (14) o anillos de fijación (29) para el tubo de fijación (15) .

24. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que las barras de pretensado (14) o el tubo de fijación (15) estén realizados en acero, preferentemente en acero resistente a la corrosión.

25. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que los elementos de unión estén realizados en acero, preferentemente en acero resistente a la corrosión.

26. Dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, de modo que la cámara exterior se diseñe como una criba de mallas gruesas o como una chapa perforada y preferentemente el material empleado se acero, más preferentemente acero resistente a la corrosión.

27. Utilización de un dispositivo separador según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, para la separación de partículas de arena y de roca en un procedimiento para la extracción de líquidos o gases procedentes de pozos o perforaciones de roca a gran profundidad.

Figura 1

Figura 6

Figura 7

REFERENCIAS CITADAS EN LA MEMORIA DESCRIPTIVA

La lista siguiente de los documentos mencionados por parte del solicitante ha sido realizada exclusivamente a fin de informar al lector y no forma parte del documento de patente europeo. Ha sido elaborada con mucho esmero; sin embargo, la Oficina Europea de Patentes no asume ninguna responsabilidad en el caso de errores u omisiones eventuales.

Documentos citados en la memoria descriptiva

• US 5624560 A • WO 2008080402 A1

• US 5890533 A • WO 2004099560 A1

• US 5515915 A • US 5249626 A

• US 20040050217 A1 • WO 9906669 A