Ingeniería de detalle de la automatización de un banco de pruebas de transporte de fluidos y cortes de perforación de Ecopetrol-ICP

El Banco de Pruebas de Transporte de Fluidos y Cortes de Perforación del ICP (Instituto Colombiano del Petróleo) está compuesto por diferentes sistemas, en los cuales se llevan a cabo ensayos que simulan el comportamiento del transporte de los fluidos y cortes de perforación en diferentes etapas del...

Full description

Autores:
Santiago Álvarez, Julio Cesar
Jerez Pérez, Samuel David
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/19164
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/19164
Palabra clave:
Mechatronic
Detailed engineering
Automation
Eductor
Drill cuttings
Multiphase fluid
Automatic control
Control of automatic processes
Drilling mud
Oil drilling
Oil wells (Equipment and accessories)
Mecatrónica
Control automático
Control de procesos automáticos
Lodos de perforación
Perforación de pozos petroleros
Pozos petroleros (Equipos y accesorios)
Ingeniería de detalle
Automatización
HMI
Eductor
PLC
Cortes de perforación
Fluido multifásico
CFD
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description El Banco de Pruebas de Transporte de Fluidos y Cortes de Perforación del ICP (Instituto Colombiano del Petróleo) está compuesto por diferentes sistemas, en los cuales se llevan a cabo ensayos que simulan el comportamiento del transporte de los fluidos y cortes de perforación en diferentes etapas del proceso de creación de un pozo para extracción de petróleo. Esto con el fin de estudiar las variables que permitan optimizar la calidad, reducir tiempos y disminuir pérdidas económicas y materiales durante las perforaciones. Este banco carece de la automatización que permita el seguimiento y control de las variables involucradas en el proceso. Debido a esto, el ICP ha considerado iniciar el desarrollo de un proyecto para automatizar el banco de pruebas de fluidos de perforación, con el fin de realizar ensayos con las cualidades previamente mencionadas permitiendo la realización de muchas pruebas de manera autónoma, con posibilidad de control y monitoreo remoto del funcionamiento del banco, además de mayor eficiencia y trazabilidad en la toma de datos descartando el error por factores humanos y disminuyendo la tasa de accidentes laborales. Para desarrollar el proyecto de automatización del banco de pruebas de fluidos y cortes de perforación del ICP, la Universidad Autónoma de Bucaramanga toma parte en un acuerdo importante en el cual uno de sus ítems es la realización de este proyecto. En este trabajo se llevará a cabo una etapa temprana que involucra la ingeniería de detalle de la automatización y el rediseño del sistema existente de incorporación de cortes de roca al circuito hidráulico el cual presenta fallas de funcionamiento.
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Esto con el fin de estudiar las variables que permitan optimizar la calidad, reducir tiempos y disminuir pérdidas económicas y materiales durante las perforaciones. Este banco carece de la automatización que permita el seguimiento y control de las variables involucradas en el proceso. Debido a esto, el ICP ha considerado iniciar el desarrollo de un proyecto para automatizar el banco de pruebas de fluidos de perforación, con el fin de realizar ensayos con las cualidades previamente mencionadas permitiendo la realización de muchas pruebas de manera autónoma, con posibilidad de control y monitoreo remoto del funcionamiento del banco, además de mayor eficiencia y trazabilidad en la toma de datos descartando el error por factores humanos y disminuyendo la tasa de accidentes laborales. Para desarrollar el proyecto de automatización del banco de pruebas de fluidos y cortes de perforación del ICP, la Universidad Autónoma de Bucaramanga toma parte en un acuerdo importante en el cual uno de sus ítems es la realización de este proyecto. En este trabajo se llevará a cabo una etapa temprana que involucra la ingeniería de detalle de la automatización y el rediseño del sistema existente de incorporación de cortes de roca al circuito hidráulico el cual presenta fallas de funcionamiento.EcopetrolEcopetrol. Instituto Colombiano del Petróleo ICP1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 14 1.1 SISTEMA ANULAR ............................................................................................... 15 1.2 SISTEMA DE SEPARACIÓN DE CORTES (SHAKER) ......................................... 16 1.3 SISTEMA DE MEZCLA DE FLUIDOS ................................................................... 17 1.4 SISTEMA DE BOMBEO Y CIRCULACIÓN ........................................................... 18 1.5 SISTEMA DE INCORPORACIÓN DE CORTES .................................................... 18 1.6 PANEL DE CONTROL........................................................................................... 19 2. OBJETIVOS ................................................................................................................ 21 2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 21 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................. 21 3. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................... 22 3.1 FLUIDOS DE PERFORACIÓN .............................................................................. 22 3.2 COMPORTAMIENTO DEL PROCESO SEGÚN DIVERSOS FACTORES ............. 24 3.3 SISTEMA DE INCORPORACIÓN DE CORTES .................................................... 27 4. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 29 4.1 PERFORACIÓN DE POZOS DE PETRÓLEO ....................................................... 29 4.2 SISTEMAS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL. ...................................................... 31 4.2.1 CONTROL DE LAZO ABIERTO...................................................................... 32 4.2.2 CONTROL DE LAZO CERRADO.................................................................... 32 4.2.3 INTERFAZ HUMANO-MÁQUINA .................................................................... 33 4.3 SISTEMAS Y DISPOSITIVOS DE BOMBEO DE LODOS ..................................... 33 4.3.1 BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO .................................................. 33 4.3.2 BOMBEO DE LODOS Y CORTES DE PERFORACIÓN ................................. 34 4.3.3 TIPOS DE FLUJO ........................................................................................... 35 5. METODOLOGÍA.......................................................................................................... 38 6. DESARROLLO Y DISEÑOS ....................................................................................... 41 6.1 REDISEÑO DEL SISTEMA DE INCORPORACIÓN DE CORTES ......................... 41 6.1.1 SELECCIÓN DE SOLUCIÓN PARA EL REDISEÑO DEL SISTEMA DE INCORPORACIÓN DE CORTES ............................................................................. 41 6.1.2 PARÁMETROS DE OPERACIÓN DEL SISTEMA DE INCORPORACIÓN DE CORTES Y SELECCIÓN DEL EDUCTOR ............................................................... 44 6.2 VALIDACIÓN DEL REDISEÑO DEL SISTEMA DE INCORPORACIÓN DE CORTES POR SIMULACIÓN CFD ................................................................................................. 46 6.3 DISEÑO DE PLANOS PARA EL REDISEÑO DEL SISTEMA DE INCORPORACIÓN DE CORTES.................................................................................................................... 51 6.4 SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN NECESARIA PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL BANCO ................................................................................................................... 52 6.4.1 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES A CONTROLAR ......................................... 52 6.4.2 REFERENCIAS DE ACTUADORES, SENSORES Y DISPOSITIVOS DE CONTROL EN EL MERCADO..................................................................................... 55 6.4.3 SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN MEDIANTE MATRIZ QFD .................... 55 6.4.4 DESARROLLO DE P&ID .................................................................................... 60 6.4.5 GUÍA GEMMA..................................................................................................... 62 6.4.6 SELECCIÓN DE CONTROLADOR..................................................................... 64 6.5 DISEÑO Y PROGRAMACIÓN DE ESTRATEGIAS DE CONTROL .......................... 67 6.5.1 ESTRATEGIA DE CONTROL PARA EL SISTEMA ANULAR ............................ 68 6.5.2 ESTRATEGIA DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE CIRCULACIÓN Y BOMBEO ..................................................................................................................... 70 6.5.3 ESTRATEGIA DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE MEZCLA DE FLUIDOS 72 6.5.4 ESTRATEGIA DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE SEPARACIÓN DE CORTES: ..................................................................................................................... 73 6.5.5 PROGRAMACIÓN DE ESTRATEGIAS DE CONTROL EN EL PLC .................. 75 6.5.6 PROGRAMACIÓN DE LA INTERFAZ HUMANO-MÁQUINA (HMI) ................... 79 6.6 SIMULACIÓN Y PRUEBAS ...................................................................................... 82 6.7 DISEÑO DE PLANOS PARA CONEXIÓN DE INSTRUMENTACIÓN ....................... 89 6.8 PRESUPUESTO .................................................................................................... 94 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 96 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 97 ANEXOS ....................................................................................................................... 103PregradoThe Fluid Transport and Drilling Cuttings Test Bench of the ICP (Instituto Colombiano del Petróleo) is composed of different systems, in which tests are carried out to simulate the behavior of fluid transport and drilling cuttings in different stages of the process of creating a well for oil extraction. This in order to study the variables that allow optimizing quality, reducing time and reducing economic and material losses during drilling. This bench lacks the automation that allows the follow-up and control of the variables involved in the process. Due to this, ICP has considered initiating the development of a project to automate the drilling fluids test bench, in order to perform tests with the previously mentioned qualities allowing the performance of many tests in an autonomous way, with the possibility of remote control and monitoring of the bench operation, in addition to greater efficiency and traceability in the data collection, discarding the error due to human factors and reducing the rate of work accidents. To develop the automation project of the ICP's fluid and drill cuttings test bench, the Universidad Autónoma de Bucaramanga is part of an important agreement in which one of its items is the realization of this project. In this work will be carried out an early stage that involves the detailed engineering of the automation and the redesign of the existing system of incorporation of rock cuttings to the hydraulic circuit which has malfunctions.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Ingeniería de detalle de la automatización de un banco de pruebas de transporte de fluidos y cortes de perforación de Ecopetrol-ICPDetailed engineering of the automation of an Ecopetrol-ICP test bench for fluid transport and drilling cutsIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicDetailed engineeringAutomationEductorDrill cuttingsMultiphase fluidAutomatic controlControl of automatic processesDrilling mudOil drillingOil wells (Equipment and accessories)MecatrónicaControl automáticoControl de procesos automáticosLodos de perforaciónPerforación de pozos petrolerosPozos petroleros (Equipos y accesorios)Ingeniería de detalleAutomatizaciónHMIEductorPLCCortes de perforaciónFluido multifásicoCFDCALDERÓN RINCÓN, Ferney Mauricio. Informe final de documentación de las evidencias de las pruebas de funcionamiento del prototipo de flujo de cavings en el ICP y creación del manual de operación del equipo. Piedecuesta, 2020. Informe de Documentación. Instituto Colombiano de Petróleos. Documento restringido.Sayindla, S., Lund, B., Ytrehus, J., & Saasen, A. (2017). Hole-cleaning performance comparison of oil-based and water-based drilling fluids. Journal Of Petroleum Science And Engineering, 159, 49-57. doi: 10.1016/j.petrol.2017.08.069Rodriguez Corredor, F., Bizhani, M., & Kuru, E. (2016). Experimental investigation of cuttings bed erosion in horizontal wells using water and drag reducing fluids. Journal Of Petroleum Science And Engineering, 147, 129-142. doi: 10.1016/j.petrol.2016.05.013Kamyab, M., Rasouli, V., Cavanough, G., & Mandal, S. Design of a slurry loop for cuttings transport studies in hard rock drilling applications. Department of Petroleum Engineering, Curtin University. 2012. En línea. 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