Respuesta a los desafíos de la producción de gas y petróleo

A medida que la exploración y producción de petróleo en alta mar busca nuevas formas de mejorar la eficiencia operativa y mejorar la recuperación de los depósitos de petróleo, la fibra óptica se está analizando más de cerca. La fibra óptica es bien conocida por ser capaz de transportar velocidades de datos más altas a distancias más largas que los cables de cobre, mientras que la actividad de perforación en alta mar continúa migrando a aguas y pozos más profundos. Al mismo tiempo, 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 plataforma superior o terrestre. El procesamiento submarino y el aumento de la supervisión de todo el sistema significan que se generan más datos, lo que hace que el alto ancho de banda y las distancias de transmisión más largas de las fibras ópticas sean más atractivas. Cuanta más información se pueda recopilar en todo el sistema, más sofisticado se vuelve el análisis. Los datos no solo permiten una imagen clara en tiempo real de las condiciones actuales, sino que también forman la base para un modelado predictivo sofisticado.

Más allá de hacer que las operaciones sean más eficientes, dicho monitoreo y análisis ayudan a las empresas a aumentar el retorno de la inversión. Un sistema de fibra óptica generalmente puede ser más costoso de instalar que su contraparte eléctrica. Los mayores costos iniciales de instalar un sistema de fibra óptica se compensan con los ahorros de costos de las eficiencias de producción a largo plazo. Las empresas están descubriendo que el aumento de la eficiencia operativa, una mayor y mejor recuperación de petróleo y gas y una gestión superior de los campos petroleros brindan una rápida recuperación. Cualquier análisis del costo/ventajas de la fibra frente al cobre dependerá de la aplicación específica y del campo petrolero. La retroalimentación económica de los operadores es una información bien recibida, pero rara vez se da para proteger la confidencialidad de las operaciones.

Las fibras ópticas también se están volviendo más atractivas para el monitoreo permanente y la adquisición de temperaturas, presiones y otros datos. Las fibras ópticas sobresalen en la creación de sistemas de detección distribuidos. En este caso la propia fibra es el sensor. Los cambios en la presión o la temperatura modificarán el perfil de retrodispersión, lo que permite mediciones altamente precisas mediante el monitoreo de la luz retrodispersada. Debido a que la velocidad de la luz en una fibra se entiende bien, la luz retrodispersada revela información tanto sobre la magnitud de la medición como sobre su ubicación a lo largo de la longitud de la fibra. La detección distribuida basada en fibra ahora se usa comúnmente en la industria del petróleo y gas en alta mar para varias aplicaciones:

El sistema de detección submarina se vuelve completamente pasivo, lo que elimina 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 las aplicaciones de vigilancia de yacimientos, por ejemplo, los sistemas de fibra no están reemplazando los sistemas de comunicaciones eléctricas estándar, excepto para necesidades extremas de temperatura de 150 °C o más, donde los sensores a base de 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 la capacidad de transporte de información y detección, la adopción no ha sido tan rápida en la producción de petróleo submarino como en otras industrias. Las fibras ópticas son vistas como frágiles, pero en realidad son muy resistentes. Cuando se aplican las prácticas de instalación recomendadas, el sistema de fibra óptica puede cumplir con el requisito común de la industria de 30 años de vida útil mínima sin necesidad de mantenimiento. Por lo tanto, la confiabilidad es primordial, incluso cuando el equipo debe soportar las condiciones ambientales submarinas y de fondo de pozo en aguas profundas. A niveles de aguas profundas, las temperaturas suelen estar entre 0 °C y 3 °C, mientras que las temperaturas de fondo de pozo pueden alcanzar los 200 °C. Los objetivos de diseño para sistemas de aguas profundas desplegados a una profundidad de hasta 15,000 pies incluyen la capacidad de soportar presiones hidrostáticas de agua de mar de 6600 psi y presiones de boca de pozo de 20,000 psi.

Tener una solución de fibra de extremo a extremo desde el fondo del pozo hasta la parte superior es una solución viable. La siguiente imagen muestra un sistema típico. El sistema en la cima de un pozo se conoce como un árbol de navidad por la semejanza de muchos sistemas con un árbol de navidad. Los árboles de navidad se pueden configurar verticalmente (lado izquierdo de la figura) u horizontalmente (lado derecho). Con cualquiera de las dos 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 en alta mar de los sistemas submarinos se realizará en múltiples etapas. Esta es la razón por la que los sistemas inteligentes submarinos utilizan sensores de fibra óptica, cables y soluciones de conectividad (cajas de unión, conectores de mate seco y de mate húmedo).

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 fondo marino y los sistemas de adquisición de datos de la parte superior. Una función secundaria, pero más crítica, es la contención de presión para garantizar la integridad del sistema contra entornos hostiles externos. Para facilitar la instalación, se requieren conectores de fibra óptica para proporcionar enlaces ópticos entre módulos submarinos. Los sistemas a menudo se despliegan como módulos separados que se integran en el fondo marino. Los conectores acoplables en seco se utilizan dentro de un módulo o entre módulos que se han ensamblado en la parte superior. No están diseñados para el apareamiento sumergido, aunque soportan el agua submarina y las presiones mientras están apareados. Como se muestra a continuación, los conectores de mate seco serán familiares para los usuarios de conectores circulares militares/aeroespaciales en su uso de ferrules cerámicos de precisión.

El conector acoplable en húmedo (ver más abajo) se puede acoplar en la parte superior, pero su propósito principal es conectarse bajo el mar después del despliegue mediante vehículos operados a distancia (ROV), buzos o sistemas de actuación. Permiten interconectar los módulos in situ. Los conectores de mate húmedo son más complejos en diseño que los conectores de mate seco. Existe la necesidad de mantener una interfaz sellada para conectores acoplados y no acoplados, lo cual es un desafío dadas las presiones de aguas profundas. Con el fin de mantener el aislamiento durante todas las operaciones y durante la vida útil del diseño, el conector está lleno de aceite y equilibrado a presión. Un mecanismo de vejiga o pistón iguala la presión interna del conector con la presión de agua exterior. Esto no permite ninguna presión diferencial a través de los sellos y limpiaparabrisas.

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 tiempo que proporcionan capacidad de alimentación óptica. 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 tiempo que proporcionan capacidad de alimentación óptica. Los penetradores están clasificados para soportar presiones diferenciales (5000 psi, 10,000 psi y 15,000 psi) cuando están vinculados a la presión del reservorio. Cuando es posible, los módulos submarinos se equilibran a presión, es decir, se llenan 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 se requieren sellos para soportar presiones diferenciales. Algunos módulos, como los que contienen electrónica 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 de agua. En otros dispositivos, como bombas submarinas y cabezas de pozo, que están potencialmente expuestas a las presiones de cierre del depósito, las clasificaciones de presión pueden obtener hasta 15,000 psi combinadas con altas temperaturas. El penetrador cumple una función ambientalmente importante: una falla óptica significaría una pérdida de capacidad de detección, pero una falla mecánica liberaría fluidos del pozo al medio ambiente.

Si bien las fibras tienen una gran resistencia a la tracción para soportar el tirón longitudinal, pueden romperse o dañarse fácilmente si no se protegen correctamente. Como resultado, los cables de fibra óptica suelen tener su propio blindaje. Aunque se usan hilos de aramida, los mismos miembros de resistencia comunes a otros cables de fibra óptica, los diseños más resistentes también usan blindaje metálico. Las altas presiones de aplicación hidrostáticas pueden aumentar la atenuación en una fibra. TE ofrece tres enfoques diferentes:

Los elementos de fibra STEEL-LIGHT y ELECTRO-LIGHT son enfoques de embalaje con tampón hermético. El almacenamiento en búfer ajustado, aunque 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, diseñado para soportar presiones hidrostáticas de 10,000 psi. Tanto las fibras STEEL-LIGHT como ELECTRO-LIGHT tienen diámetros muy pequeños, lo que les permite encajar en intersticios en el diseño del cable. Con algunos de los cables umbilicales de diámetro pequeño más nuevos que utilizan conductores de cobre de pared delgada, es posible que dichos espacios no estén disponibles. FIST puede ser una mejor opción para minimizar el diámetro del cable en tales casos.