A medida que la exploración y producción de petróleo en alta mar requiere nuevas formas de mejorar la eficiencia operativa y mejorar la recuperación de los yacimientos de petróleo, se está analizando más de cerca la fibra óptica. La fibra óptica es conocida por transportar velocidades de datos más altas a distancias más largas que los cables de cobre. A medida que la perforación marina continúa migrando hacia aguas y pozos más profundos, los operadores buscan información y análisis en tiempo real tanto del pozo individual como de toda la cadena de producción, desde el pozo hasta la entrega a la superficie superior o plataforma terrestre.
El procesamiento submarino y una mayor monitorización de todo el sistema significan que se generan más datos, lo que hace más atractivos el gran ancho de banda y las distancias de transmisión más largas de las fibras ópticas. Cuanta más información se pueda recopilar en todo el sistema, más sofisticado será el análisis. Los datos no sólo permiten obtener una imagen clara y en tiempo real de las condiciones actuales, sino que también constituyen la base para modelos predictivos sofisticados.
Más allá de hacer que las operaciones sean más eficientes, este seguimiento y análisis ayudan a las empresas a aumentar el retorno de la inversión. Por lo general, un sistema de fibra óptica puede ser más costoso de instalar que su contraparte eléctrica, pero los altos costos iniciales se ven compensados por los ahorros provenientes de eficiencias de producción a largo plazo.
Las empresas están descubriendo que una mayor eficiencia operativa, una mayor y mejor recuperación de petróleo y gas y una gestión superior de los yacimientos petrolíferos generan una rápida recuperación de la inversión. Cualquier análisis del costo/beneficio de la fibra versus el cobre dependerá de la aplicación específica y del campo petrolero. La retroalimentación económica de los operadores es información bienvenida, pero rara vez se brinda para proteger la confidencialidad de las operaciones.
Detección pasiva basada en fibra
Las fibras ópticas también son cada vez más atractivas para el monitoreo permanente y la adquisición de temperaturas, presiones y otros datos.
Las fibras ópticas destacan en la creación de sistemas de detección distribuidos. En este caso, la propia fibra es el sensor. Los cambios de presión o temperatura cambiarán el perfil de retrodispersión, lo que permitirá mediciones muy precisas al monitorear la luz retrodispersada. Debido a que la velocidad de la luz en una fibra se comprende bien, la luz retrodispersada revela información tanto sobre la magnitud de la medición como sobre su ubicación a lo largo de la fibra.
La detección distribuida basada en fibra ahora se usa comúnmente en la industria del petróleo y el gas marino para varias aplicaciones:
• Monitorear los yacimientos y recuperar datos del pozo para una mejor comprensión de lo que está ocurriendo en el pozo.
• Para detectar fugas en tuberías
• Para medir la temperatura y prevenir la formación de hidratos en tuberías calentadas eléctricamente
• Para monitorear tensiones estructurales mecánicas y temperaturas en líneas de flujo/ascendentes flexibles
El sistema de detección submarino se vuelve completamente pasivo, eliminando la necesidad de proporcionar energía a los sensores eléctricos. Las fibras también se pueden utilizar como sensores acústicos en la exploración sísmica.
La fibra óptica no es necesariamente la respuesta universal. En aplicaciones de vigilancia de yacimientos, por ejemplo, los sistemas de fibra no reemplazan los sistemas de comunicaciones eléctricas estándar, excepto para necesidades de temperaturas extremas de 150°C o más, donde los sensores basados en cobre no pueden sobrevivir. Aun así, los sistemas de fibra proporcionan capacidades de detección adicionales y complementarias.
A pesar de las ventajas de la tecnología de fibra óptica en cuanto a capacidad de transporte de información y detección, su adopción no ha sido tan rápida en la producción submarina de petróleo como en otras industrias. Las fibras ópticas se consideran frágiles, pero en realidad son muy robustas. Cuando se aplican las prácticas de instalación recomendadas, el sistema de fibra óptica puede cumplir con el requisito común de la industria de una vida útil mínima de 30 años sin necesidad de mantenimiento. Por lo tanto, la confiabilidad es equivalente, incluso cuando el equipo debe soportar condiciones ambientales submarinas en aguas profundas y dentro del pozo. En los niveles de aguas profundas, las temperaturas suelen estar entre 0 y 3°C, mientras que las temperaturas en el fondo del pozo pueden alcanzar los 200°C.
Los objetivos de diseño para sistemas de aguas profundas implementados hasta 15,000 pies pueden soportar presiones hidrostáticas de agua de mar de 6,600 psi y presiones en boca de pozo de 20,000 psi. Sistemas submarinos y de fondo de pozo de fibra óptica
Tener una solución de fibra de extremo a extremo desde el fondo del pozo hasta la superficie es una solución viable. La Figura 1 muestra un sistema típico. El sistema situado encima de un pozo se conoce como “árbol de Navidad” debido al parecido de muchos de estos sistemas con un árbol de Navidad. Los árboles de Navidad se pueden configurar verticalmente (lado izquierdo de la figura) u horizontalmente (lado derecho de la figura). Con cualquiera de las configuraciones, las necesidades de conectividad siguen siendo las mismas: lo que se llama en el lado derecho es lo mismo para el lado izquierdo.
Debido a limitaciones de tamaño y peso, el despliegue de sistemas submarinos en alta mar se realiza en múltiples etapas. Es por eso que los sistemas submarinos inteligentes utilizan sensores de fibra óptica, cables y soluciones de conectividad (cajas de conexiones, conectores secos y húmedos).La función principal de esta combinación de sistemas es proporcionar continuidad óptica entre los sensores de fibra óptica instalados en el pozo o en el lecho marino y los sistemas de adquisición de datos en la superficie. Una función secundaria pero más crítica es la contención de presión para garantizar la integridad del sistema frente a entornos externos hostiles. Para facilitar la instalación, se requieren conectores de fibra óptica para proporcionar enlaces ópticos entre los módulos submarinos. Los sistemas a menudo se implementan como módulos separados que se integran en el fondo del mar. Los conectores de acoplamiento en seco se utilizan dentro de un módulo o entre módulos que se han ensamblado en la parte superior. No están diseñados para aparearse sumergidos, aunque resisten el agua y las presiones submarinas mientras están apareados. Como se ve en la Figura 2, los conectores de conexión seca resultarán familiares para los usuarios de conectores circulares militares/aeroespaciales por el uso de casquillos cerámicos de precisión.
Los conectores acoplables en húmedo se pueden acoplar en la parte superior, pero su propósito principal es conectarse bajo el agua después de su despliegue mediante un vehículo operado remotamente (ROV), un buzo o sistemas de actuación. Permiten interconectar módulos in situ. Los conectores húmedos tienen un diseño más complejo que los conectores secos. Se debe mantener una interfaz sellada tanto para los conectores acoplados como para los no acoplados, lo cual es un desafío dadas las presiones en aguas profundas.
Para mantener el aislamiento durante las operaciones y durante la vida útil del diseño, el conector está lleno de aceite y tiene presión equilibrada. Un mecanismo de vejiga o pistón iguala la presión interna del conector con la presión del agua exterior. Esto no permite ninguna presión diferencial entre los sellos y los limpiadores.
Relacionados con los conectores ópticos están los penetradores de fibra óptica, que se han desarrollado para lograr la integridad del sellado desde un entorno externo o para separar diferentes cámaras al mismo tiempo que brindan capacidades de paso óptico. Los penetradores están clasificados para soportar presiones diferenciales (5000 psi, 10 000 psi y 15 000 psi) cuando se vinculan a la presión del yacimiento.
Cuando es posible, los módulos submarinos tienen presión equilibrada, es decir, están llenos de fluido y el fluido se ajusta a la misma presión del mar que fuera del módulo. Esto permite paredes más delgadas, peso reducido y mayor confiabilidad, ya que no es necesario que los sellos resistan presiones diferenciales. Algunos módulos, como los que contienen dispositivos electrónicos u otros dispositivos, no pueden soportar una presión superior a la atmosférica.
Por lo tanto, se utiliza un penetrador de fibra óptica para evitar que los módulos se inunden con agua. En otros dispositivos, como bombas submarinas y cabezales de pozo, que están potencialmente expuestos a las presiones de cierre del yacimiento, los índices de presión pueden subir hasta 15.000 psi cuando se combinan con altas temperaturas.
El penetrador cumple una función ambientalmente importante. Una falla óptica significaría una pérdida de la capacidad de detección, pero una falla mecánica liberaría fluidos del pozo al medio ambiente.
Los cables fuertes protegen las fibras
Si bien las fibras tienen una alta resistencia a la tracción para resistir la tracción longitudinal, pueden romperse o dañarse fácilmente si no se protegen correctamente. Como resultado, los cables de fibra óptica suelen tener su propio blindaje. Si bien normalmente se utiliza hilo de aramida, los diseños más robustos requieren una armadura metálica. Las altas presiones de aplicación hidrostática pueden aumentar la atenuación en una fibra. Se pueden utilizar los tres enfoques siguientes:
Fibra en tubo de acero (FIST): coloca la fibra en un tubo sólido de acero inoxidable para protegerla contra presiones hidrostáticas, altas temperaturas y ambientes corrosivos. El empaque FIST tiene un diseño de tubo holgado, que puede acomodar varias fibras sujetas de manera suelta dentro del tubo y encapsuladas en gel. Debido a que las fibras “flotan” dentro del tubo, la longitud de la fibra es ligeramente más larga que la del tubo para garantizar una tensión baja. La tecnología FIST es el enfoque más simple y de menor costo y mantiene una tensión baja en la fibra al desacoplar la tensión en el tubo. Si el cable se estira durante la instalación o el uso, el exceso de fibra puede adaptarse al estiramiento sin forzarlo. Los diseños de tubo holgado también toleran mucho las variaciones de temperatura extremas, pero son menos adecuados para las aplicaciones más exigentes, como profundidades y longitudes de cables extremas. FIST también ofrece embalaje de alta densidad de múltiples fibras en el tubo y, de las tres opciones, es la más fácil de terminar.
Armadura STEEL-LIGHT: esta opción utiliza hebras de acero de arado de tamaño preciso dispuestas concéntricamente alrededor del amortiguador de fibra para proteger la fibra contra roturas.
Armadura ELECTRO-LIGHT: Es similar a la armadura STEEL-LIGHT pero utiliza cobre en lugar de acero. El cobre también se puede utilizar para energía para permitir diseñar cables compuestos con un diámetro exterior más pequeño.
Los elementos de fibra STEEL-LIGHT y ELECTRO-LIGHT son enfoques de embalaje con protección estricta. La amortiguación ajustada, si bien requiere una fabricación más cuidadosa, proporciona un mejor rendimiento en aplicaciones altamente dinámicas y es la opción más resistente. El blindaje STEEL-LIGHT es el más resistente y está diseñado para soportar presiones hidrostáticas de 10 000 psi.
Un futuro brillante para la fibra
Las recientes incertidumbres en el mercado petrolero resaltan la necesidad de aumentar la eficiencia de la producción. Las tecnologías en evolución no sólo mejoran la producción de petróleo y gas, sino que también brindan acceso a nuevos recursos para gestionar y extender la vida útil de un yacimiento petrolífero marino. La información proporcionada por los sensores brinda a los operadores una visión sin precedentes de las condiciones y permite el ajuste en tiempo real de las operaciones y el modelado predictivo a largo plazo.
En la última década se han implementado con éxito sistemas piloto de fibra óptica que proporcionan datos valiosos y ofrecen un rendimiento óptico estable a altas presiones y temperaturas. La adopción generalizada es imperativa, ya que la fibra óptica es una excelente herramienta para enfrentar los desafíos actuales y futuros de exploración y recuperación.
Hora de publicación: 24-sep-2019