SEPARADOR DE GAS
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un separador de gas y en particular a un separador de gas para utilizarse como una herramienta dentro de la tubería en el fondo de la perforación para la perforación y mantenimiento de pozos de petróleo y gas. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN EXPOSICIÓN DE LA TÉCNICA ANTERIOR Como se describe en la patente estadounidense de Latos et al No. 6,138,757, existen ocasiones en la industria del petróleo y del gas en las que se bombea un gas al interior de un pozo con un líquido. Los servicios de limpieza con chorro a presión desplegados en serpentines comúnmente se efectúan en pozos agotados utilizando fluidos energizados típicamente nitrógeno y agua. La operación sub-balanceada con fluidos energizados reduce el potencial de daño al pozo y ayuda a transportar los fluidos y detritos de sondeo a la superficie. Cuando el nitrógeno y el agua se inyectan como un fluido de dos fases, el chorro se expande conforme sale del surtidor, reduciendo la presión del impacto del chorro. El flujo de dos fases en el surtidor de chorro también se puede regular sónicamente limitando la velocidad y la efectividad de la descarga a chorro. Además, los chorros
de fluido se disipan rápidamente en el fluido que rodea la perforación de pozo. Todos estos factores se combinan para reducir la efectividad de un chorro de dos fases. El retiro del gas de la corriente de fluido mejoraría el desempeño de la limpieza por descarga a chorro a presión para el mantenimiento del pozo. Un chorro de agua de una sola fase tiene mayor densidad y presión de estancamiento que un chorro de fase mixta y sería más efectivo que un chorro de dos fases. Bajo las condiciones encontradas en las operaciones de mantenimiento a pozos de petróleo y gas, las fracciones de gas en la descarga de fluido provenientes del separador deben ser menores a 1 vol% para asegurar la efectiva limpieza por descarga a chorro a presión. Recubrir los chorros con el gas separado reduciría la disipación del chorro' e incrementaría el rango efectivo del chorro. Muchas operaciones de mantenimiento a pozos requieren que las herramientas de chorro a presión pasen a través de tuberías y obstrucciones de diámetro pequeño antes de limpiar la tubería de diámetro más grande, el equipo para el fondo de la perforación en los mandriles de cavidad lateral o en las perforaciones del pozo de pozos no entubados, el rango de limpieza a chorro incrementado incrementará la efectividad de las herramientas de limpieza por descarga de chorro a presión comparativamente con la limpieza por descarga de chorro a presión de fluidos de una
sola fase para estas aplicaciones. El uso de fluido energizado con un separador de gas también aumentará la presión diferencial y la energía hidráulica de limpieza por descarga de chorro a presión al reducir la presión circulante del fondo de la perforación. El incremento en la presión y la energía permitirá la erosión del material más duro tal como incrustaciones minerales, cemento y roca, mientras que el incremento en la energía mejorará las tasas de erosión. Un separador efectivo de gas mantendría una alta eficiencia durante un rango relativamente alto de fracciones de gas de entrada. En una aplicación común, se agrega suficiente nitrógeno para reducir la presión del fondo de la perforación a 50% de la hidrostática. Bajo estas condiciones el gas comprimido representa del 20 al 60% de la fracción del volumen del flujo dentro del serpentín. La fracción de volumen de gas que entra al separador puede variar sustancialmente durante una sola corrida debido a los cambios en la presión y temperatura conforme se incrementa la profundidad de la operación de la herramienta. La patente de Latos et al (supra) describe un separador de fase del fondo del pozo para tubería de serpentines utilizando un diseño de separador ciclónico. Esta herramienta proporciona menos del 5% de fracciones de gas para un fluido de suministro con de 30% a 40% de
contenido de gas. Los separadores ciclónicos se utilizan para turbulenciar el flujo de fluido a través de un conjunto de aspas. Este procedimiento genera aceleraciones radiales muy altas, las cuales proporcionan las fuerzas de separación. En herramientas de diámetro pequeño, la alta tasa de flujo genera altas fuerzas de mezclado turbulento que superan las fuerzas de separación y limitan el desempeño de la separación. Los separadores de gas giratorios se utilizan comúnmente en la producción de dos fases para evitar que el gas entre a las bombas eléctricas sumergibles. El separador giratorio de gas se acciona por el eje de la bomba y gira a 3500 o 1750 rpm dependiendo del motor eléctrico y del suministro de energía. El sistema incluye un inductor para presurizar el flujo de dos fases que entra al separador. El flujo entra a una sección de aspas con cubierta en donde el flujo gira y el agua o petróleo se mueven hacia el exterior debido a las fuerzas centrífugas. La cubierta gira con las aspas reduciendo la turbulencia en el separador. Un tubo de distribución de entrecruzamiento en la parte superior dirige el flujo de fluido hacia la bomba y el flujo de gas de regreso al anillo del pozo. Las fracciones de gas reclamadas son menores al 0% para un amplio rango de tasas de flujo y de proporciones de flujo de gas/liquido. Los separadores de gas giratorios en línea también
se utilizan en tuberías para retirar pequeños volúmenes de condensado proveniente del flujo de gas. Este estilo de separador utiliza un estator para inducir para inducir el flujo turbulento dentro de un tambor que incluye aspas de rotor en el flujo de gas. El rotor proporciona energía para girar el tambor. Este tipo de separador está diseñado para retirar todo el fluido de la corriente de gas en oposición a proporcionar unas bajas fracciones de gas en el fluido. Yahiro et al en la patente E.U. No. 4,047,580 expone un método para cubrir un surtidor sumergido al introducir aire comprimido a través de un anillo externo de un tobera de chorro concéntrica. La cubierta de aire incrementó el rango de descarga a chorro a presión por un factor de cuatro. La construcción de toberas anulares de gas es compleja, particularmente para limpieza por descarga a chorro de fluidos a alta presión. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN Existe aún una necesidad de un separador dentro de la tubería para separar eficientemente un gas de un líquido. Un objetivo de la presente invención es cumplir esta necesidad al proporcionar un separador compacto, relativamente simple para retirar gas de una mezcla de gas/liquido. Otro objeto de la invención es proporcionar un aparato que combine un separador para separar un gas de un
líquido y una herramienta de limpieza a chorro a presión para operaciones dentro de la tubería, en el fondo de la perforación. Consecuentemente, la invención se refiere a un aparato para separar un gas de un líquido bajo presión que comprende: un alojamiento tubular que tiene un extremo de entrada y un extremo de salida; un estator en el extremo de entrada del alojamiento para causar la turbulencia del líquido que contiene gas introducido en el extremo de entrada; un tambor instalado de manera giratoria en el alojamiento corriente debajo de el estator en la dirección del flujo de líquido entre los extremos de entrada y salida del alojamiento; un rotor en un extremo de entrada de el tambor para hacer que el tambor gire en el alojamiento; una pared final en un extremo corriente abajo de el tambor en la dirección del flujo de fluido a través del alojamiento; puertos de salida de líquido en la periferia de la pared final para descargar el líquido desde el tambor; un puerto de salida de gas en el centro de la pared final para descargar el gas desde el tambor; un pasaje de salida de líquido en el alojamiento
para recibir el líquido desde el puerto de salida de líquido y descargar el líquido desde el alojamiento; un pasaje de salida de gas en el alojamiento para recibir el gas desde el puerto de salida de gas y descargar el gas desde el alojamiento; una primera restricción de flujo en la salida de líquido para restringir el flujo de líquido durante la descarga desde el aparato; y una segunda restricción de flujo en la salida de gas para restringir el flujo de gas durante la descarga desde el aparato. En otra modalidad, la invención se refiere a un método de limpieza con chorro a presión que comprende las etapas de pasar una corriente de fluido de dos fases a través de una herramienta de limpieza con chorro a presión, retirando el gas de la corriente de fluido de dos fases produciendo así una fase rica en gas y una fase líquida que contiene menos de lvol% de gas. En una modalidad adicional, la fase rica en gas y la fase líquida se descargan desde la herramienta y la fase rica en gas cubre la descarga de la fase líquida. Aún en otra modalidad, la invención se refiere a un método para bombear un fluido de dos fases que contiene un gas y un líquido en una perforación de pozo y separar la fase de gas de la fase de líquido por medio de lo cual la fase de
líquido resultante contiene menos de lvol% de gas. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La invención se describe a continuación en mayor detalle con referencia a los dibujos acompañantes, en donde: La^Figura 1 es una vista seccional longitudinal esquemática, de una combinación de separador y aparato de limpieza con chorro a presión de acuerdo con la presente invención; La Figura 2 es una vista seccional longitudinal esquemática, de una segunda modalidad de una combinación de separador y herramienta de limpieza con chorro a presión de acuerdo con la presente invención; La Figura 3 es una vista seccional longitudinal esquemática de una combinación de separador y herramienta giratoria de limpieza con chorro a presión de acuerdo con la invención; La Figura 4 es una vista seccional longitudinal esquemática de una segunda modalidad de una combinación de separador y herramienta giratoria de limpieza con chorro a presión de acuerdo con la invención; La Figura 5 es una vista seccional longitudinal esquemática de una tercera modalidad de una combinación de separador y herramienta giratoria de limpieza con chorro a presión de acuerdo con la invención; La Figura 6 es una vista seccional longitudinal
esquemática de una cuarta modalidad de la combinación de separador y herramienta giratoria de limpieza con chorro a presión de acuerdo con la presente invención; La Figura 7 es una vista seccional longitudinal esquemática de una quinta modalidad de una combinación de separador y herramienta giratoria cortante de acuerdo con la presente invención; La Figura 8 es una vista de frente del separador y de la herramienta cortante de la Figura 7; La Figura 9 es una vista isométrica de un estator utilizado en la herramienta de la Figura 7; y La Figura 10 es una vista isométrica de un rotor utilizado en la herramienta de la Figura 7; DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Refiriéndose a la Figura 1, un separador de acuerdo con la invención incluye un alojamiento tubular alargado que contiene un tambor giratorio 2. Un líquido que contiene gas se introduce en el extremo de entrada 3 del alojamiento 1 a través de un orificio de diámetro estrecho 4. El líquido pasa alrededor del extremo cónico 5 de un estator 6, el cual se instala en el alojamiento. El estator 6 incluye aspas 7 conectadas al alojamiento 1 para hacer que el fluido que entra al alojamiento 1 dé vueltas. El flujo dando vueltas ocasiona que un rotor 9 gire. El rotor 9, que se conecta al tambor 2, incluye aspas rectas 10 que se extienden paralelas
hacia el eje longitudinal del tambor para asegurar que el flujo tangencial de fluido en el tambor 2 sea pequeño. El rotor 9 se soporta de manera giratoria en el estator 6 por un balero 12. El flujo de fluido a través del rotor 9 produce la rotación tanto del rotor como del tambor 2. Una pared final 25 del tambor 2 se conecta giratoriamente a un extremo de descarga del alojamiento 1 mediante un balero 14 que tiene una restricción. Los baleros 12 y 14 se forman de materiales de baja fricción y tienen un diámetro pequeño para limitar el torque del balero. El balero 14 es una combinación de balero de cojinete liso y de empuje, mientras que el balero 12 es un balero de cojinete liso simple. Se proporciona un sello de huelgo 15 entre el extremo posterior del tambor 2 y el extremo posterior 16 del alojamiento 1. El gas en el líquido que entra al tambor 1 por medio del estator 6 y el rotor 9 se separa de la mezcla que fluye más allá del extremo posterior cónico 18 del rotor
9 mediante aceleración centrípeta, la cual fuerza al líquido 19 hacia el exterior y el gas 20 hacia el centro del tambor 2. Debido a que el componente tangencial de la velocidad del fluido es pequeño, la velocidad total del flujo se minimiza
cual minimiza las fuerzas turbulentas de mezclado que se oponen a la separación. Preferentemente se proporciona un puerto de presión ' de balance 21 en el rotor 9 para ventilar una cámara de
presión de balance 22, entre el estator y el rotor. La presión reducida en la cámara 22 reduce la carga de empuje impartida por tambor giratorio 2 sobre el balero de empuje 12. Los puertos 23 también se pueden proporcionar en el tambor 2 cerca del extremo posterior de éste. Los puertos 23 se localizan en una región de flujo de líquido de baja velocidad, que se encuentra a una presión mayor que la región de alta velocidad entre el estator 6 y el rotor 9. Los puertos 23 dan como resultado la circulación inversa del fluido, la cual contrarresta la filtración de gas a través del espacio entre el alojamiento 1 y el tambor 2. El líquido 19 se descarga del tambor 2 a través de los puertos 24 en la periferia de la pared final 25 del tambor 2. Los puertos 24 definen las secciones de un anillo. El líquido fluye a través del pasaje 26 en el extremo posterior 16 del alojamiento 1 a una restricción en la forma de una tobera 28. El gas se descarga a través de un tubo de sifón central que se extiende axialmente 30 conectado a la pared final posterior 25 del tambor 2 y un pasaje 31 y un orificio 32 en el extremo posterior 16 del alojamiento 1. Se pueden proporcionar salidas múltiples de gas. El orificio de gas en el extremo de entrada del pasaje 31 se dimensiona preferiblemente como una tobera sónica que pasará la tasa de flujo volumétrico máximo de gas prevista en una operación dada. Las ecuaciones dinámicas de
gas para dímensionar un orificio de gas para una presión, temperatura y tasa de flujo dadas son bien conocidas por los expertos en la materia. Las toberas de líquido 28 se dimensionan para proporcionar la máxima energía de limpieza hidráulica con chorro a presión tomando en cuenta las pérdidas de presión friccional en el serpentín. Si la tasa de flujo de líquido se incrementa y se minimizan las fracciones de gas, la presión diferencial y la tasa de flujo a través de las toberas de chorro de líquidos y el orificio de gas se incrementan. El líquido que entra al orificio de gas hace que se regule, lo cual reduce la capacidad de flujo de gas. El orificio por lo tanto, de gas proporciona un medio simple y robusto de limitar la pérdida de líquido del separador de gas mientras mantiene la presión y la energía hidráulica del surtidor de líquido conforme disminuyen las tasas de flujo de gas. El extremo posterior del alojamiento 1 en la dirección del flujo de fluido se cierra por una instalación de limpieza con chorro a presión 34, que contiene partes de los pasajes 26 y 31, la tobera 28 y los orificios 32. La instalación de limpieza con chorro a presión 34 es representativa de una variedad de herramientas más complejas que incluyen las herramientas de limpieza con chorro a presión giratorias, los motores de perforación y otras herramientas que dependen de una restricción al flujo de
fluido. En una modalidad preferida de la invención, el orificio de gas 32 se dimensiona para ser ligeramente mayor que el requerido para la tasa máxima de flujo de gas prevista en una operación dada. Las ecuaciones dinámicas de gas para dimensionar un orificio de gas para una presión, temperatura y tasa de flujo dadas son muy conocidas por los expertos en la materia. Las toberas de líquido 28 se dimensionan para la tasa de flujo de fluido bombeado a la presión de limpieza con chorro a presión deseada, tomando en cuenta la pérdida de presión friccional en el serpentín. Si la fracción de gas disminuye, el fluido comenzará a entrar al tubo de sifón 30 y al orificio 32. La capacidad de flujo de dos fases del orificio de gas 32 es mucho más pequeña que la capacidad de flujo de gas. El orificio de gas por lo tanto, 32, proporciona un medio simple y robusto para limitar la pérdida de líquido del separador de gas debido a variaciones en la fracción del gas de entrada que pueden ocurrir durante la operación. Las pruebas patrón del separador de gas muestran que la pérdida de líquido es 0.6% o menor mientras que la fracción de gas de entrada varía de 29% a 52%. La modalidad de la invención mostrada en la Figura 2 es similar a la de la Figura 1 excepto que el rotor 9 es cilindrico sin extremo posterior cónico, y el extremo corriente arriba 36 de la pared final 25 del tambor es cónico
para acelerar el flujo de líquido en los puertos de salida 24 sin introducir cambios repentinos en la dirección del flujo que pudieran detonar el re-mezclado turbulento de gas y líquido. El eje de la tobera 28 y el orificio 32 se intersectan fuera de la instalación de limpieza con chorro a presión 34 de manera que se forme una cubierta de gas alrededor del surtidor de líquido. En la modalidad de la Figura 2, el orificio 32 se restringe en lugar del balero 14 como en la modalidad de la Figura 1. La figura 3 muestra un aparato para aplicaciones que requieren limpieza giratoria con chorro a presión del líquido que sale del aparato. El aparato de conformidad con la Figura 3 es similar al de la Figura 1 excepto que el líquido descargado del tambor 2 mediante el tubo de sifón 30 pasa a través de los pasajes 38 en el extremo posterior del alojamiento 1, y los pasajes axiales centrales 39 y 40 a través de una instalación de freno 42 y un cabezal 43, respectivamente. La instalación de freno 42, que incluye un tubo 46 que lleva el cabezal 43, se instala de manera giratoria sobre los baleros 47 en el alojamiento 1. El pasaje del líquido a través de las tobera 44, que se desplazan del eje longitudinal del cabezal 43, i.e., se inclinan con respecto a los radios del cabezal 43, causa que el ensamblaje de freno 42 y el cabezal 43 giren en el alojamiento. Las toberas 44 se localizan más allá del
extremo posterior del alojamiento 1, de manera que cuando se despliegan en un tubo de producción de petróleo o gas 49, los surtidores de fluido retirarán los depósitos incrustados 50. Se apreciará que cualquier motor giratorio con un pasaje de flujo axial suficientemente grande para acomodar el tubo de sifón 30 se puede utilizar en combinación con el separador. Por ejemplo, la Solicitud de Patente E.U. de Marvin et al 2005/0109541 describe un rotor de motor de chorro de turbina de reacción con un pasaje de flujo axial no obstruido, de gran diámetro. El tubo de sifón 30 transporta gas desde el tambor 2 hacia un orificio central de salida 51 en el cabezal 43. El extremo de entrada del tubo de sifón 30 se gira libremente en la pared final 25 del tambor 2. El extremo de salida del tubo 30 se fija en el cabezal giratorio 43, que gira a una velocidad diferente de la del tambor 2. Así, se forma una burbuja de gas en el extremo de salida del cabezal 51 y el extremo de salida del alojamiento 1, de manera que el líquido se lanza desde las toberas 44 hacia el gas. El aparato de conformidad con la Figura 4 es similar al de la Figura 3 excepto que el gas descargado a través del tubo de sifón 30 pasa a través del pasaje 54 y se descarga a través de un pasaje cilindrico 55 entre el alojamiento 1 y el extremo de descarga 56 del cabezal 43. El líquido descargado a través de los puertos 24 en la pared
final 25 del tambor 2 pasa a través del pasaje 57 en el extremo posterior del alojamiento 1 hacia los pasajes 39 y 40 y a través de la instalación de freno 42 y el cabezal 42 para salir a través de la tobera 44. Refiriéndose a la Figura 5, otra modalidad del aparato giratorio de limpieza con chorro a presión incluye todos los elementos del aparato de la Figura 3, excepto que se han omitido el extremo cónico posterior 18 del rotor 9 y la instalación de freno 42 y la pared final cilindrica 25 del tambor se ha remplazado con una pared final que tiene una entrada cónica o extremo corriente arriba 36. Además, en el aparato de la Figura 5, el cabezal 43 por si mismo se instala de manera giratoria en el extremo posterior del alojamiento 1. El líquido se descarga a través de los pasajes 38 y 40 y de una pluralidad de toberas inclinadas 44 en el extremo posterior del cabezal 43. El gas se descarga a través de la pared final 25 del tambor 2 a través del tubo de sifón 30, un pasaje 58 en el extremo posterior del cabezal 43 y las toberas inclinados 59. El extremo posterior del tubo de sifón 30 incluye una restricción 60. Los ejes de las toberas 44 y 59 se intersecan fuera del cabezal 43 de manera que los chorros de líquido se cubren de gas. El aparato de la Figura 6 se utiliza para cortar a través de una formación 60. El aparato es similar al de la
Figura 4, excepto que el rotor 9 es cilindrico sin extremo posterior cónico, la pared final posterior 25 del tambor 2 tiene un extremo delantero cónico 36 y se omite la instalación de freno 42. El líquido se descarga por medio de los puertos 24 en la pared final 25 del tambor, un pasaje 57 en el extremo posterior del alojamiento 1, un pasaje central 40 en el cabezal 43 y los orificios 44. El pasaje de gas 54 que define un tubo de sifón contiene una restricción 62. Con referencia a la Figura 7, otra modalidad del aparato combinado de separador y de limpieza con chorro a presión incluye un separador que incluye el alojamiento 1 con extremos de entrada y salida internamente roscados 64 y 65, respectivamente para recibir las conexiones 67 y 68. Un estator 70 se instala de manera fija en el extremo de entrada 64 del alojamiento 1. Como se muestra mejor en la Figura 9, el estator 70 incluye un cuerpo cilindrico 71 con un extremo delantero generalmente hemisférico 72. Las aspas arqueadas 74 que se extienden hacia el exterior del cuerpo 71 conectan el estator a una funda 75, que conecta el estator al alojamiento 1. Un rotor cilindrico 77 se instala de manera giratoria sobre un balero 78 en el extremo posterior del estator. El rotor 77 (Figura 10) incluye un cuerpo cilindrico 80 con aspas que se extienden radialmente 81. La pared final 25 del tambor 2 se instala de manera
giratoria sobre un balero 14 en el extremo de entrada de una funda 83 en el tubo de sifón 30. El balero 14 se conecta al extremo de entrada de la conexión 68 mediante una funda 84. El extremo corriente abajo de la conexión 68 se conecta a un segundo alojamiento 85 que contiene un regulador de velocidad 87. El regulador de velocidad 87 incluye un eje central tubular 88, que se instala de manera giratoria sobre los baleros 89 en el acoplador 68 y los baleros 91 en un acoplador 92. Los centralízadores 93 en el eje 88 centran el tubo de sifón 30 en el regulador de velocidad. Los pesos segmentados 94 alrededor del eje 88 regulan la velocidad de rotación del eje al deslizarse exteriormente contra el alojamiento 85. La instalación de limpieza con chorro a presión indicada en general en 96 se soporta de manera giratoria sobre el extremo de la conexión 92 mediante los baleros 97, 98, 99, 100 y 101. La instalación 96 incluye un alojamiento 102 que lleva un cabezal giratorio 43. El balero 97 incluye un respiradero de medio frente 104, el cual ventila hacia el cabezal giratorio 43 y forma un sello mecánico frontal con el balero 98. El balero 100 se fija al cabezal giratorio 43. El balero 100 forma un sello mecánico frontal con el balero 101. Los diámetros de las superficies de contacto del balero se dimensionan para minimizar la carga mecánica de contacto sobre los sellos frontales mecánicos mientras se mantienen un
sellado efectivo bajo altas presiones. El líquido descargado del tambor 2 a través de los puertos 24 en la pared final 25 fluye a través de tres toberas de chorro 106 (se muestra una) en una tapa 107 sobre el cabezal giratorio 43. El gas descargado del tambor 2 pasa a través del tubo de sifón 30 y se descarga a través de un orificio de gas 109 en el extremo del tubo de sifón 30 y a través de tres puertos de descarga 110 (se muestra uno) en la tapa 107 para formar cubiertas alrededor de los chorros de líquido.