THETA ENTERPRISE, INC. Software Avanzado de Optimizacin para Bombeo por Cabillas Consultara y Entrenamiento John G. Svinos, Presidente.
OFICINA CENTRAL CORPORATIVA Ventas, Soporte Tcnico para RODSTAR, RODDIAG, XDIAG, CBALANCE y DYNOSTAR, T1 Dyno, Entrenamiento, y servicios de consultara. John G. Svinos Presidente Numero de telfono: (714) 526-8878 Nmero de Fax: (714) 526-8875 Numero efax: (714) 908-7287 Email: [email protected] Rudy Nesmith Programador Senior. Nmero de Telfono: (714) 526-8878 Email: [email protected] Theta Enterprise, Inc. 1211 West Imperial Hwy., Suite 105 Brea, CA. 92821-3733 USA
OFICINAS, DIVISION BAKERSFIELD XSPOC. Desarrollo y soporte Tcnico. Terry Treiberg Gerente de Divisin y Jefe de desarrollo de XSPOC Email: [email protected] Nmero de Telfono: (661) 633-2792 Numero efax: (240) 371-8016 Theta Enterprise, Inc. 1701 Westwind Drive Suite 226 Bakersfield, CA. 93301 USA.
Optimizacin De Bombeo Mecnico
Theta Enterprise, Inc. 1989-2005
Por:
JohnG. Svinos, Presidente Theta Enterprise, Inc.
1211 West Imperial Hwy., Suite 105 Bera, CA 92821-USA
Telfonos: (714) 526-8878, Fax: (714) 526-8875 http://www.gotheta.com
Traduccin al Espaol Ing. Herdly Escalaste Tsu. Cherry Cardona
Revision: Ing. Julian Sanchez
Maracaibo, Venezuela 2005
Direcciones de E_mail: John G. Svinos-Presidente: [email protected] Ferry Treiberg Gerente de desarrollo de XSPOC: [email protected] Orders: Sandy B. Rodrguez Gerente de Oficina: [email protected] Soporte Tcnico del Software: Rudy Nesmith: [email protected]
TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCION Fuentes de reduccin de rentabilidad Herramientas modernas de Optimizacin de bombeo mecnico Que esperar de este curso Tecnologas modernas Ventajas y desventajas del bombeo mecnico 1. REVISION DE FUNDAMENTOS 1.1 Tensin y Presin 1.2 Trabajo 1.3 Potencia 1.4 Energa 1.5 Torque y momento 2. EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS 2.1 UNIDAD MOTRIZ 2.1.1 Motores elctricos 2.1.2 Motores ultra de alto deslizamiento 2.1.3 Motores a gas 2.2 UNIDADES DE BOMBEO 2.2.1 Diseo de la Unidad 2.2.2 Geometra de la Unidad de bombeo 2.2.3 Nomenclatura de la Unidad de bombeo 2.2.4 Anlisis Kinematico de la unidad de bombeo 2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS 2.3.1 Contrapesos 2.4 BARRA PULIDA, ESTOPERAS Y LINEAS DE FLUJO. 2.4.1 Vlvulas de contrapresion 2.5 SARTA DE CABILLAS 2.6 TUBERIA DE PRODUCCION 2.7 BOMBA DE SUBSUELO 2.7.1 Accin de las vlvulas 2.7.2 Accin de las vlvulas y cargas de fluido 2.8 ANCLAS DE GAS 2.9 EQUIPO ADICIONAL DE FONDO DE POZO 3. EQUIPO DE FONDO 3.1 BOMBAS DE FONDO 3.1.1 Designacin API de las bombas 3.1.2 Bombas de tubera 3.1.2.1 Instalacin de la bomba 3.1.2.2 Cuando usar bombas de tubera 3.1.2.3 Cuando no usar bombas de tuberas 3.1.3 Bombas de cabillas insertables 3.1.3.1 Instalacin de la bomba 3.1.3.2 Cuando usar 3.1.3.3 Cuando no usar 3.2 BOLAS Y ASIENTOS 3.3 PISTONES
3.3.1 Pistones de empaque suave 3.3.2 Pistones metal-metal 3.4 BOMBAS ESPECIALES 3.4.1 Bomba insertable de tres tubos 3.4.2 Bombas de dos etapas 3.4.3 Vlvula de Carga 3.4.4 Bombas de vlvula upper ring 3.5 DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA Y ESCURRIMIENTO 3.5.1 Desplazamiento de la bomba y eficiencia volumtrica 3.5.2 Escurriento de fluido a travs del pistn 3.6 ANCLAS DE GAS 3.6.1 Tipos de anclas de gas. 3.6.2 Gua para el diseo de anclas de gas. 3.6.3 Diseo paso a paso para anclas de gas modificadas poor boy 3.6.4 ejemplo del diseo de ancla de gas modificada poor boy 4. MEDICIONES DE CAMPO 4.1 EL SISTEMA DEL DINAMOMETRO 4.2 USO DEL DINAMOMETRO COMO UNA HERRAMIENTO DE DIAGNOSTICO 4.2.1 Instalacin y remocin de los transductores de carga y posicin. 4.2.2 Chequeo de vlvulas en la vlvula fija y viajera. 4.2.3 Clculos del escurrimiento en la bomba desde la vlvula viajera. 4.2.4 Chequeo de la Vlvula fija. 4.2.5 Efecto en la medida del contrabalanceo. 4.2.6 Grafico de amperaje. 4.2.7 Longitud de la carrera y emboladas por minuto por minuto. 4.2.8 Data de la unidad de bombeo y Unidad motriz. 5. ANALISIS DE TORQUE 5.1 FACTOR TORQUE 5.2 CALCULO DEL TORQUE NETO EN LA CAJA DE ENGRANAJE 5.3 CAGAS EN LA BARRA PULIDA 5.4 MAXIMO MOMENTO DE CONTRABALANCEO 5.5 EJEMPLO DEL ANALISIS DE TORQUE 5.6 CALCULOS DEL FACTOR DE TORQUE 5.7 DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES 5.7.1 Tendencia del diagrama de cargas permisibles. 6. BALANCEO DE LA UNIDAD DE BOMBEO 6.1 BALANCEANDO LA UNIDAD CON AMPERAJE 6.1.1 Ventajas y desventajas de balancear la unidad con ampermetro 6.2 BALANCEANDO LA UNIDAD CON TABLAS Y GRAFICOS DE CONTRABALANCEO. 6.3 BALANCEANDO LA UNIDAD A TRAVES EL SOFWARE 6.3.1 CBALANCE contra el balanceo de la unidad a travs del ampermetro. 6.4 EFECTO DEL BALANCEO EN EL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA. 6.4.1 Factor de cargas cclicas.
7. SARTA DE CABILLAS DE SUCCION 7.1 GRADOS DE CABILLAS API 7.1.1 Tamaos de cabillas limitados por tubera 7.2 CARGAS EN LAS CABILLAS 7.3 CABILLAS DE ACERO NO API 7.4 CABILLAS DE FIBRA DE VIDRIO 7.4.1 Ventajas de las cabillas de fibra de vidrio 7.4.2 Desventajas de las cabillas de fibra de vidrio 7.5 ANALISIS DE TENSION EN LAS SARTAS DE CABILLAS 7.5.1 Diagrama de Goddman modificado 7.5.2 Factores de servicio
7.5.3 Ecuacin del diagrama modificado de Goodman para anlisis de tensin.
7.5.4 Anlisis de tensin en cabillas Electra 7.5.5 Anlisis de tensin en cabillas Norris 97, LTV HS, y UPCO 50K.
7.5.6 Anlisis de tensin en cabillas de fibra de vidrio 7.5.7 Anlisis de tensin con el mtodo MGS 7.6 BARRAS DE PESO 7.6.1 Por que usar barras de peso? 7.7 FALLAS EN CABILLAS DE SUCCION 8. DISEO DEL SISTEMA 8.1 DESARROLLO DEL METODO API RP11L 8.2 DESARROLLO DEL METODO DE LA ECUACION DE ONDA
8.3 CONSIDERACIONES EN EL DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS
8.3.1 Gua para el diseo de sistema de bombeo por cabillas 8.4 CALCULO DE LA TASA OBJETIVO DE PRODUCCION 8.4.1 Mtodo del IP constante 8.4.2 Usando el ndice de productividad 8.4.3 Mtodo de Vogels
8.4.4 Productividad del pozo por encima de la presin de burbujeo.
8.5 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS USANDO EL API RP11L
8.6 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS. 8.6.1 El programa RODSTAR 8.7 OTROS CALCULOS EN EL DISEO DEL SISTEMA 8.7.1 Fuerza para desasentar la bomba 8.7.2 Tamao de la barra pulida 8.7.3 Tamao de la polea del motor y longitud de las correas 8.7.4 Velocidades de bombeo mnimas y mximas. 9. ANALISIS DIAGNOSTICO
9.1 FUNDAMENTOS EN EL ANALISIS DIAGNOSTICO EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS
9.1.1 caractersticas de los pozos grupo 1 9.1.2 Caractersticas de los pozos grupo 2
9.1.3 Beneficios adicionales del anlisis diagnostico por computadora
9.2 ANALISIS DINAMOMETRICO DE FONDO PARA POZOS DEL GRUPO 1.
9.2.1 Accin de las vlvulas como una funcin de la presin del barril 9.2.2 Calculo de la presin de entrada de la bomba y el nivel de fluido
9.2.3 Calculo de las cargas de fluido y la carrera neta de la bomba 9.2.4 Lneas de ajuste para separar friccin de las verdaderas cargas de fluido
9.3 EXPLICACION DETALLADA DE LA FORMA DE LAS CARTAS DINAGRAFICAS DE FONDO 9.3.1 Interferencia por gas 9.3.2 Golpe de fluido 9.3.3 Fuga en la vlvula viajera o el pistn 9.3.4 Fuga en la vlvula fija 9.3.5 Tubera desanclada 9.3.6 Mal funcin del ancla de tubera 9.3.7 Golpe de bomba en la carrera descendente 9.3.8 Barril de la bomba colapsado (Abollado)-pistn atascado 9.3.9 Barril de la bomba desgastado o rajado 9.3.10 Altas aceleraciones de fluido (Inercia de fluido) 9.4 COMBINACION DE DOS O MAAS PROBLEMAS DE BOMBAS 9.5 ANALISIS DIAGNOSTICO CON EL SOFTWARE RODDIAG 9.5.1 Check List RODDIAG 9.5.2 Explicacin de los resultados del RODDIAG Picos y cargas mnimas de la barra pulida Potencia en la barra pulida Eficiencia del sistema Eficiencia volumtrica de la bomba Costo elctrico por barril Potencia mnima requerida por el motor Pesio de las cabillas en el fluido Cargas en la estructura de la Unidad Informacin de la tubera de produccin Informacin sobre bombas Clculos a partir de la carta dinagrafica de fondo Anlisis tensional de la sarta de cabillas Data de la unidad de bombeo Anlisis de torque
Tamao requerido por el motor para las condiciones existentes
Consumo de energa Grficos dinamometricos. 10. CONTROLADORES DE BOMBEO 10.1 Problemas con golpe de fluido 10.2 Temporizadores vs controladores de bombeo 10.3 Operacin de los controladores de bombeo 10.4 Mtodos para la deteccin del golpe de fluido
10.4.1 Mtodo de cargas en un punto 10.4.2 Mtodo del cuadrante. 10.4.3 Mtodo del rea. 10.4.4 Mtodo de la velocidad del motor.
10.5 Estado del arte en el monitoreo y control de sistemas con bombeo mecnico.
10.5.1 Sistemas stand-alone. 10.5.2 Sistemas de supervisin de controladores de bombeo
10.6 Sistema experto para diagnostico remoto de problemas. 10.6.1 Programa de computadora Xdiag. 10.6.2 Resumen de las caractersticas de Xdiag.
LISTA DE FIGURAS
Figura I-1. Efecto de la Eficiencia del sistema en los costos de electricidad. Figura I-2. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 90%. Figura I-3. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 95%. Figura I-4. Capacidad del bombeo Mecnico. Figura 1.1. Ejemplo de clculo de Torque. Figura 2.1. Sistema de bombeo Mecnico. Figura 2.2. Curvas de Torque-Velocidad. NEMA D vs Alto deslizamiento. Figura 2.3. Nomenclatura de Unidades de bombeo convencional. Figura 2.4. Nomenclatura de Unidades de bombeo Mark II. Figura 2.5. Nomenclatura de Unidades de bombeo balanceadas por aire. Figura 2.6. Definicin de desbalance Estructural. Figura 2.7. Definicin de ngulo de compensacin de la manivela. Figura 2.8. Operacin de las vlvulas de bomba de cabilla. Figura 2.9. Cargas de fondo sobre el pistn vs posicin para bomba llena. Figura 2.10. Operacin del ancla de gas (Poor boy). Figura 2.11. Equipo de fondo del sistema de bombeo. Figura 3.1. Designacin de bombas API. Figura 3.2. Bombas API. Figura 3.3. Operacin de la vlvula Charger. Figura 3.4. Operacin de la vlvula de anillos. Figura 3.5. Ancla de gas Natural. Figura 3.6. Operacin del ancla de gas tipo empacadura. Figura 4.1. Ejemplo de carta dinagrafica. Figura 4.2. Sistema Dinamometrico. Figura 4.3. Ejemplo del chequeo de vlvulas. Figura 4.4. Identificacin de manivelas Mark II (Por dentro de la manivela). Figura 5.1. Calculo del torque neto sobre la caja de engranaje. Figura 5.2. Definicin del factor de torque. Figura 5.3. Determinacin del torque neto sobre la caja de engranaje. Figura 5.4. Determinacin de cargas sobre la barra pulida para anlisis de torque. Figura 5.5. Medicin del Efecto de contrabalance. Figura 5.6. Carta dinagrafica para ejemplos de anlisis de torque. Figura 5.7. Grafico de torque para ejemplo de anlisis de torque. Figura 5.8. Ejemplo de carta dinagrafica con diagrama de cargas permisibles. Figura 5.9. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos para unidades Mark II con cabillas de acero. Figura 5.10. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos para unidades convencionales con cabillas de fibra de vidrio. Figura 5.11. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos para unidades Mark II con cabillas de fibra de vidrio. Figura 6.1. Grficos de amperaje para unidades en condiciones fuera de balance y balanceadas. Figura 6.2. Cuadros ejemplo de contrabalanceo para unidades Lufkin. Figura 6.3. Ejemplo de tablas de contrabalanceo para Unidades American. Figura 6.4. Ejemplo de reporte del software CBALANCE. Figura 6.5. Terminologa de la posicin de las contrapesas utilizada por CBALANCE.
Figura 7.1. Construccin del Diagrama API de Goodman modificado. Figura 7.2. Uso del diagrama API de Goodman modificado. Figura 7.3. Diagrama de tensin (Norris 97, LTV HS y UPCO 50K) Figura 7.4. Aumento de la tensin por causa de corrosin. Figura 8.1. ndice de productividad constante para curvas IPR. Figura 8.2. Curva IPR de Vogel. Figura 8.3. Diseo tradicional de ensayo y error. Figura 8.4. Sistema experto de diseo RODSTAR: Figura 9.1. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.2. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.3. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.4. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.5. Calculo de la presin de entrada en la bomba y nivel de fluido. Figura 9.6. Calculo de las cargas de fluido y embolada neta con modelo exacto de friccin. Figura 9.7. Determinacin de las cargas de fluido, embolada bruta y neta a partir de la carta de fondo calculada. Figura 9.8. Interferencia de gas con bomba espaciada demasiado arriba. Figura 9.9. Golpe de fluido. Figura 9.10. Fuga en la vlvula viajera o en el pistn. Figura 9.11. Fuga en la vlvula fija o estacionaria. Figura 9.12. Tubera desanclada o ancla de tubera no sujeta. Figura 9.13. Malfuncionamiento del ancla de tubera. Figura 9.14. Pistn golpeando en el fondo (Bomba llena). Figura 9.15. Baril de la bomba doblado o pistn atascado. Figura 9.16. Barril de la bomba rajado o gastado. Figura 9.17. Aceleracin alta de fluido (Bomba llena) Figura 9.18. Efecto de la profundidad de la bomba en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 1). Figura 9.19. Efecto de las emboladas por minuto en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 2). Figura 9.20. Efecto del tamao del pistn en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 3). Figura 9.21. Superposicin de cartas dinagraficas. Figura 9.22. Ejemplo de hoja de datos del RODDIAG. Figura 9.23.Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 1) Figura 9.24. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 2) Figura 9.25. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 3) Figura 10.1 Eventos que preceden el golpe de fluido como una condicin de estado estable. Figura 10.2. Operacin de controladores de bombeo. Figura 10.3. Mtodo de punto de carga para controladores de bombeo. Figura 10.4. Mtodo del cuadrante para controladores de bombeo. Figura 10.5. Mtodo del rea para controladores de bombeo. Figura 10.6. Limites mnimos y mximos para cargas en la barra pulida. Figura 10.7. Sistema centralizado de control.
INTRODUCCION El Bombeo mecnico es el ms comn de los mtodos de levantamiento
artificial. Aproximadamente el 95% de todos los pozos en los Estados Unidos
estn bajo levantamiento artificial. El Bombeo mecnico abarca cerca del 90%
de todos los pozos haciendo de este el mtodo primario de levantamiento
domestico. Beam Pumping (otra forma de llamar al bombeo por cabillas cuando
una unidad con viga viajera es usada) es el mas antiguo y apliamente usado
mtodo de levantamiento artificial costa adentro. Es usualmente el ms
econmico y el sistema ms fcil de mantener cuando es diseado y operado
apropiadamente.
Incrementar la eficiencia del sistema de bombeo mecnico ha sido
siempre importante. La figura I-1 muestra como la eficiencia del sistema y el
corte de agua afecta el costo de electricidad por barril de fluido producido. Si
bien este ejemplo grafico es para una bomba a una profundidad de 5000 pies y
costos de electricidad de 0.07 Kwh, las conclusiones sacadas de esto pueden
aplicarse a todos los sistemas de levantamiento artificial a pesar de la
profundidad y costos de energa.
La eficiencia del sistema es la relacin de la mnima energa requerida
para la produccin actual dividida entre la energa real consumida por el motor.
Un 50% de eficiencia del sistema es excelente y es la eficiencia mas alta que
puede esperarse tenga un sistema de bombeo mecnico convencional. Sin
embargo, pocos sistemas por bombeo mecnico realmente operan en un 50%
de eficiencia. Problemas comunes tales como golpe de fluido, pistn de la
bomba desgastado, fugas en la vlvula viajera o fija, y una unidad severamente
fuera de balance, pueden reducir la eficiencia del sistema hasta menos de un
30%. Una bomba severamente daada o una fuga en la tubera pueden
resultar en una eficiencia del sistema menor al 30%.
Como se muestra en la Figura I.1, a cada vez ms bajos cortes de agua,
los costos por electricidad pueden ser bajados lo suficiente para que el pozo
sea rentable. Sin embargo, a medida que aumenta el corte de agua, incluso
una pequea cada en la eficiencia tiene un gran impacto en los costos de
levantamiento. Como altos cortes de agua son muy comunes en la mayora de
los campos petroleros de hoy, permanecer cercanos a la lnea del 50% de
eficiencia es vital para la sobre vivencia econmica. Esto es obvio si se mira la
Figura I-2 y I-3. Estas figuras son derivadas a partir de la Figura I-1 para cortes
de agua desde 90% y 95% respectivamente. Como se muestra en la Figura I-2,
a medida que la eficiencia del sistema va bajando, el costo por barril de
petrleo se incrementa muy rpido de 0.92 $/bbl para eficiencias del 50% hasta
4.62 $/bbl para eficiencia del sistema igual a 10%. Como se muestra en la
Figura I-3 la tendencia se mantiene cierta para cortes de agua del 95%. Sin
embargo, los costos por barril son dos veces tan altos como para cortes de
agua del 90%.
Fuentes de Reduccin de Rentabilidad: Para optimizar el comportamiento de sistemas por bombeo mecnico es
importante identificar y entender los problemas que reducen la rentabilidad. Las
dos principales fuentes de reduccin de rentabilidad son baja eficiencia del
sistema y fallas en el equipo. Nosotros podemos subdividir este de la siguiente
manera:
Eficiencia baja del sistema:
Bomba desgastada. Golpe de fluido. Unidad desbalanceada. Mal diseo del tamao del motor.
Fallas del equipo:
Cabillas partidas. Fuga en tubera. Fallas en la bomba. Fallas en la caja de engranaje.
Este curso ensea las habilidades que se necesitan para encontrar,
corregir, prevenir y minimizar los problemas mencionados. La clave para
mejorar la rentabilidad es tenar el conocimiento y las herramientas para
incrementar la eficiencia y reducir las fallas del equipo. El entrenamiento
apropiado en los fundamentos del bombeo mecnico es necesario para
entender como trabaja el sistema, que puede salir mal, y que hacer sobre los
problemas comunes y los no tan comunes.
Herramientas Modernas en la Optimizacin de Bombeo Mecnico. Una buena comprensin de los fundamentos del bombeo mecnico y el
uso inteligente de las actuales tecnologas avanzadas de computadoras para
bombeo mecnico pueden cambiar el punto de vista en problemas de campo.
En vez de aceptar baja eficiencia, altos costos de energa, y fallas en el equipo
como un hecho cotidiano, podras entender y ser capaz de minimizar el impacto
de estos problemas. Grandes ahorros e incrementos en los ingresos son
posibles si puedes optimizar el comportamiento del sistema por bombeo
mecnico usando tecnologa moderna. Las principales herramientas para
optimizar el sistema son:
Software de Anlisis Diagnostico: Ayuda a detectar problemas con el sistema existente de bombeo. RODDIAG es un programa de computadora
desarrollado por Theta enterprise para este propsito. El capitulo del
Anlisis diagnostico describir el uso de tales programas de computadora.
Software Predictivo (diseo): Permite predecir el efecto de los cambios en el sistema existente, o predecir el comportamiento o las cargas del
nuevo sistema. El programa de computadora RODSTAR discutido en
Diseo del Sistema es la herramienta mas avanzada disponible para este
propsito.
Software para Balancear la Unidad de Bombeo: El nico comercialmente disponible programa de computadora ha sido desarrollado
por Theta Enterprise y es llamado CBALANCE. Este programa permite:1)
Encontrar el momento de contrabalanceo existente sin necesidad de medir
en el campo el efecto del contrabalanceo. 2) Determinar hacia donde
mover las pesas para balancear la unidad. 3) Determinar si las pesas
existentes son suficientes para balancear la unidad. 4) Decidir que tipo y
cuantas pesas ordenar al momento de comprar una unidad de bombeo
nueva.
Controladores de Bombeo: Incrementan la eficiencia del sistema y minimizan las fallas por fatiga. Los Controladores de bombeo minimizan
los efectos adversos del golpe de fluido, que es la ms comn de las
condiciones de operacin en pozos por bombeo mecnico. El capitulo de
controladores de pozos discute como estos controladores trabajan y como
estos pueden afectar el comportamiento del sistema.
Que debe esperar de este curso: Este curso esta diseado para ayudarte a entender los principios bsicos
del bombeo mecnico y para familiarizarte con la tecnologa moderna en
diagnostico. Te enseara como identificar problemas en las cabillas y como
mejorar su diseo. Este curso cubre los fundamentes y te brinda bases slidas
para incrementar tus conocimientos. Despus de completar este curso habrs
aprendido lo siguiente:
Como cada componente del sistema de bombeo trabaja y los efectos en el resto del sistema.
Como calcular el torque en la caja de engranaje, construir un diagrama de cargas permisibles, y balancear la unidad de bombeo.
Como grabar y usar cartas dinagraficas para detectar pozos y calcular las cargas tensinales de las cabillas API y no API de acero o fibra de
vidrio.
Como trabaja las bombas de cabillas, que tipo de bombas estn disponibles y cuando usarlas.
Como hacer clculos de productividad de pozos para ver si tu pozo puede producir mas fluido.
Las ventajas y desventajas de los mtodos de diseo API RP 11L, y el de la ecuacin de onda, sus limitaciones, y los rangos de aplicacin.
Como mejorar el diseo del sistema usando mtodos modernos basados en la ecuacin de onda y sistemas de tecnologa experta.
Como interpretar la forma de las cartas dinagraficas de fondo y entender la razn de la misma.
Diferenciar entre pozos profundos y someros y las herramientas que necesitas para disear y analizarlos apropiadamente. Tambin, cual es
el efecto de la inercia del fluido en pozos someros con altas tasas de
produccin.
Los problemas causados por el golpe de fluido, como funcionan los controladores de bombeo y como usarlos apropiadamente.
Los beneficios de usar programas de computadores Inteligentes y otras tcnicas modernas para optimizar el comportamiento del sistema.
Tecnologa moderna: En los aos recientes, la tecnologa de la computadora ha revolucionado
cada aspecto del bombeo mecnico. Ahora puedes usar computadoras para
disear, identificar, balancear, y monitorear sistemas de bombeo. Los
desarrollos ms recientes en tecnologa de computadora para bombeo
mecnicos incluyen simuladores muy precisos del sistema de bombeo y
programas de computadoras Inteligentes. Estos paquetes de herramientas
son el estado del arte de la tecnologa en una forma fcil de usar. Si bien esta
tecnologa es nueva, esta avanzando rpidamente. La necesidad de producir
los pozos de la forma ms rentable posible podra resultar en un incremento en
el uso de computadoras en los aos por venir. Todava la habilidad de los
poderosos programas de computadoras no ha podido eliminar la necesidad de
entender las bases del bombeo mecnico. Se ha simplemente cambiado el
nfasis en hacer manualmente clculos tediosos, a aplicar resultados. Este es
un paso en la direccin correcta debido a que mayor esfuerzo puede
dedicrsele a la optimizacin del comportamiento de pozos.
Sin el conocimiento de los principios bsicos del bombeo mecnico el
Ingeniero podra sentirte inseguro acerca de las tecnologas de punta de los
programas de computadoras, controladores de bombeo, monitoreo remoto, etc.
Estos podran parecer misteriosos y difciles de entender. Estos sentimientos
son comprensibles. Todava, estos representan solo falta de conocimiento o
entendimiento incompleto de los fundamentos del bombeo mecnico.
Este curso provee el conocimiento necesario para entender las
herramientas modernas de optimizacin del bombeo mecnico. Si se entienden
los fundamentos ac cubiertos entonces podrs racionalmente evaluar
cualquier nueva tecnologa que aparezca. As, Podrs confiar en tu propio juicio
en ves de creer en el de alguien ms o sentirte inseguro acerca de cosas que
no entiendes.
Bombeo Mecnico, Ventajas y Desventajas: Como cualquier otro mtodo de levantamiento artificial, el bombeo
mecnico tiene sus pros y contras que son importantes cuando se determina
que mtodo de levantamiento usar para una aplicacin particular. Uno de los
factores ms importantes a considerar es la mxima tasa de produccin que
deseas de tus pozos. La Figura I-4 muestra el rango de aplicacin del bombeo
mecnico. Como puede verse, dependiendo de la profundidad de la bomba, el
bombeo mecnico puede no cumplir con la capacidad de produccin deseada.
Como muestra la Figura I-4, la capacidad de produccin del bombeo mecnico
cae rpidamente con profundidad. Sin embargo, en el rango en el que puede
usarse el Bombeo Mecnico, es difcil superar su eficiencia, versatilidad y
facilidad de servicio.
Usualmente la decisin de que mtodo de levantamiento utilizar
depende de muchos factores que incluyen: Localizacin geogrfica,
disponibilidad de electricidad o gas, produccin de arena u otros slidos,
desviacin del pozo, acumulacin de escamas y parafinas, costos del equipo,
etc. Para ayudarte en tales dediciones, lo que sigue es un resumen de las
principales ventajas y desventajas del bombeo mecnico:
Ventajas Desventajas Fcil de operar y servicios Puede cambiarse fcilmente la tasa de
produccin cambiando la velocidad de
bombeo o la longitud de la carrera
Puedes disminuir la presin de entrada de la bomba para maximizar la
produccin.
Usualmente es el mtodo de levantamiento artificial ms eficiente.
Pueden intercambiarse fcilmente las unidades de superficie.
Pueden utilizarse motores a gas si no hay disponibilidad elctrica
Puedes usar controladores de bombeo para minimizar golpe de fluido, costos de
electricidad y fallas de cabillas.
Puede ser monitoreado de manera
Es problemtico en pozos desviados. No puede usarse costa afuera por el
tamao del equipo de superficie y la
limitacin en la capacidad de produccin
comparado con otros mtodos.
No puede manejar produccin excesiva de arena.
La eficiencia volumtrica cae drsticamente cuando se maneja gas
libre
Las tasas de produccin caen rpido con profundidad comparada con otros
mtodos de levantamiento artificial.
No es oportuno en reas urbanas.
remota con un sistema controlador de
bombeo.
Puedes usar modernos anlisis dinamometricos de computadora para
optimizar el sistema.
CAPITULO 1 REVISION DE FUNDAMENTOS Todos los temas, incluyendo el bombeo mecnico, estn basados en
principios y fundamentos. Estas ideas bsicas son necesarias para entender el
tema como las bases lo son para un edificio. Esto es porque, incluso si tu estas
familiarizado con los tpicos a seguir, es una buena idea darles un vistazo a
cualquier concepto que podras necesitar revisar para continuar con el resto de
los captulos. Tambin, mantn en mente que El diccionario de levantamiento
Artificial (Apndice B) al final de este manual contienen definiciones tiles de
trminos con los que podras no estar familiarizado.
1.1 TENSION Y PRESION: La tensin es definida como fuerza por unidad de rea, Por ejemplo, si
jalas una cabilla con un rea seccional de 1 plg2 con una fuerza de 1000 lbs,
entonces la tensin en la cabilla ser:
lpcoplbsp
lbsTension 1000lg/1000lg1
1000 22 ==
La tensin se refiere a slidos y es diferente a la presin (ver discusin
abajo). El concepto de tensin y cargas tensinales son importantes para
entender como disear y analizar las cabillas de succin.
Presin: Es tambin definida como fuerza por unidad de rea. Sin embargo, la presin se refiere al resultado de las fuerzas en las superficies de
un fluido. Por ejemplo, el gradiente de presin del
agua es de 0.433 lpc/pie. Si un tanque contiene
agua a una altura de 100 pies la presin en el fondo
el tanque ser de 43.3 lpc (100*0.433). Si el rea
del fondo del tanque es de 100 plg2 entonces la
fuerza aplicada en el fondo del tanque ser:
lbspplbsAPF 330.4lg100lg/3.43 22 ===
El flujo de fluidos es de una regin de alta presin a una de abaja presin. El
fluido del yacimiento fluye hacia el fondo del pozo debido a que esta es la zona
de baja presin. Una bomba de cabillas disminuye la presin en el fondo del
pozo al disminuir al mnimo el nivel de fluidlo por encima de si. Mientras mas
baja es la presin en el fondo del pozo, mayor ser la cantidad de fluido que
aportara la formacin al pozo y por supuesto a la bomba. La cantidad de fluido
en el pozo determinara el flujo de fluidos desde la formacin. Un alto nivel de
fluido sobre la bomba reduce la tasa de produccin debido a las grandes
presiones aplicadas sobre la formacin. Si se detiene la unidad de bombeo, el
nivel de fluido aumentara hasta que la presin del fondo del pozo sea igual a la
de la formacin. A este punto el flujo de fluidos desde la formacin se detendr. La presin de fondo de pozo a la cual el flujo de fluidos se detiene se denomina
presin esttica.
1.2 TRABAJO: El trabajo es la fuerza que se aplica contra un cuerpo durante una cierta
distancia. Por ejemplo, si se aplica una fuerza de 1000 lbs a un bloque para
moverlo 10 pies, entonces el trabajo hecho ser:
lbspiespieslbsDFW === 000.10101000 El trabajo es independiente del tiempo. Solo depende de la magnitud de
la fuerza y la distancia a travs de la cual la fuerza acta. En el ejemplo de
arriba el trabajo hecho fue de 10.000 pies-lbs, sin importar cuanto tiempo tomo
mover el bloque.
1.3 POTENCIA: La potencia muestra que tan rpido puede realizarse el trabajo. Cuanto
mas rpido se realice el trabajo, mayor ser la potencia requerida. En el
ejemplo de arriba, si te toma 10 segundos mover el bloque 10 pies, entonces la
potencia ser:
seglbspiesseg
lbspiestWPotencia /)(000.1
10000.10 ===
Comnmente se expresa la potencia en unidades de caballos fuerza (hp)
o watts (w). Como 1 hp es igual a 550 pies-lbs/seg., la potencia requerida en el
ejemplo anterior ser:
hpseglbspies
hpseg
lbspies 82.1/)(550
1)(000.1 =
Tambin, como 1 hp=747.7 W, la potencia en vatios para este ejemplo
ser:
W357.182.17.745 =
Si se quisiera mover el mismo bloque la misma distancia de 10 pies en
5 segundos, entonces se necesitara el doble de la potencia calculada
(1.82*2=3.64 hp). Por lo tanto, si se necesita una maquina para mover el
bloque, esta necesitara un motor con mas de 3.64 hp.
1.4 ENERGIA: Energa es la capacidad, o potencial para realizar un trabajo. Una batera
elctrica tiene energa debido a que puede hacer un trabajo cuando la conectas
a una maquina como un ventilador elctrico. El gas natural contiene energa
que puede ser convertida en trabajo cuando se quema en un motor a gas. Las
maquinas convierten la energa en trabajo til. Por ejemplo, un motor elctrico
convierte energa elctrica en el trabajo necesario para bombear crudo. La
eficiencia de una maquina es la relacin entre la energa necesaria para
realizar el trabajo y la cantidad de energa real consumida durante el trabajo.
El sistema de cabillas de succin es uno de los mtodos de
levantamiento artificial ms eficientes cuando es diseado y operado con
propiedad. La eficiencia mxima del sistema (Desde el motor hasta la bomba)
es usualmente un 45% o 55% dependiendo de la profundidad de la bomba,
condicin de la bomba, etc. Cerca de la mitad de la energa dentro del sistema
se pierde en calor, friccin y fuga de fluidos. Si la bomba esta defectuosa, si la
unidad esta severamente fuera de balance, o si la tubera tiene una fuga, las
prdidas de energa aumentan y la eficiencia del sistema disminuye.
1.5 TORQUE Y MOMENTO: Torque es una fuerza de torsin. La Figura 1.1 muestra la conexin de la
manivela al eje. Si se aplica una fuerza F de 1000 lbs a una distancia de 10 plg
desde el centro del eje, el eje podra experimentar un torque igual a:
xlbspplbsXFT lg000.10lg101000 ===
El momento es definido como la tendencia a causar rotacin alrededor
de un punto. En otras palabras es bsicamente lo mismo que el torque. En
bombeo por cabillas, el momento se refiere al torque en la caja de engranaje
producido por las contrapesas y la manivela de la unidad de bombeo. Para
calcular el torque en el eje debido a una aplicacin de una fuerza F, se debe multiplicar la fuerza por la distancia horizontal desde el centro del eje hasta el
punto donde se aplica la fuerza. Si la manivela en la Figura 1.1 rotara alrededor
del eje entonces el torque en el eje a cualquier posicin seria:
)( XsenDsenFDFT === Donde D es la distancia horizontal desde el centro del eje a la fuerza F.
La distancia X es la longitud de la manivela. Theta es el ngulo de la manivela tomando como punto de referencia las 12 en punto de las agujas del reloj. El
mximo torque o momento ocurre cuando theta es igual a 90 o 270 debido a
que en esta posicin el seno es igual a 1. Para cualquier otro ngulo es menor.
Por ejemplo, a 45 en torque en el eje es:
[ ] lbspsenT === lg070.707.71000)45(101000 Este es menor que el mximo momento calculado de 10.000 lbs-plg
calculado arriba cuando el crack esta horizontal (=90). Cuando el ngulo de la
manivela es 0 o 180 el torque en el eje es cero debido a que la distancia D va hasta cero.
Posicin de Mximo Torque
Figura 1.1. Ejemplo de Calculo de Torque
DIVISION DEL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO:
CAPITULO 2 EL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO La funcin del sistema de bombeo mecnico por cabillas es transmitir la
potencia hasta la bomba de fondo para levantar los fluidos del yacimiento hasta
la superficie. La bomba de cabillas, bombeando el fluido que fluye desde la
formacin hasta el fondo del pozo, disminuye la presin en el fondo el pozo. Un
diferencial de presin grande entre la formacin y el fondo el pozo incrementa
la tasa de produccin.
Como muestra la Figura 2.1, el sistema de bombeo por cabillas consiste
en equipo de superficie y de fondo. El equipo de superficie incluye la unidad
motriz (motor elctrico o motor a gas), unidad de bombeo, barra pulida, prensa
estopa, cabezal, y lneas de flujo. El equipo de fondo incluye el revestidor,
tubera de produccin, sarta de cabillas, bomba de fondo, ancla de gas
(opcional), niple de asentamiento, niple perforado y ancla de lodo (tubo de
barro). En este capitulo se examinara cada componente del sistema para
entender como trabaja y como afecta el resto del sistema.
2.1 UNIDAD MOTRIZ: La unidad motriz es tpicamente un motor elctrico o a gas. La mayora
de las unidades motrices son motores elctricos. Motores a gas son usados en
locaciones sin electricidad. La funcin de la unidad motriz es suministrar la
potencia que el sistema de bombeo necesita. La unidad motriz afecta el
consumo de energa y las cargas de la caja de engranaje. Los hp del motor
dependen de la profundidad, nivel de fluido, velocidad de bombeo y balanceo
de la unidad. El tamao de la unidad motriz se cubrir en el Capitulo de Diseo
del Sistema. Sin embargo, es importante entender que el tamao de la unidad
motriz puede tener un impacto significativo en la eficiencia del sistema. En la
mayora de los campos petroleros las unidades motrices estn usualmente
sobre dimensionadas. Esto garantiza que estarn disponible suficientes
caballos de fuerza en el sistema pero al precio de bajar la eficiencia. Motores
elctricos alcanzan sus eficiencias ms altas cuando las cargas estn cercas a
la potencia de la etiqueta (Placa del motor). Cuando un motor esta poco
cargado la eficiencia es menor.
Los motores elctricos y a gas son componentes de bajo torque y altos
rpm. La variacin de velocidad de la unidad motriz afecta la caja de engranaje,
las cargas en las cabillas y tambin la velocidad de bombeo. Variaciones de
velocidad altas de la unidad motriz reduce el torque neto en la caja de
engranaje. Por ejemplo, en la carrera ascendente donde la barra pulida soporta
las mayores cargas, el motor desacelera. Debido a esta reduccin de
velocidad, la inercia de los contrapesos (resistencia al cambio en velocidad)
ayuda a reducir el torque de la caja de engranaje liberando energa kinetica
almacenada. Esto tambin reduce las cargas picos en la barra pulida
reduciendo la aceleracin de la barra pulida. En la carrera descendente la
unidad acelera resultando en cargas mnimas sobre la barra pulida. Por lo
tanto, variaciones de velocidad altas en la unidad motriz "aplana las cartas
dinamograficas al compararse con unidades motrices de baja variacin de
velocidad. Esto resulta en rangos bajos de tensin y por ende en disminucin
de la fatiga en las cabillas.
La siguiente figura es un ejemplo de diferencias en las forma de las
cartas dinagraficas entre un motor NEMA D con una variacin de velocidad del
8% y un motor de alto deslizamiento con una variacin de velocidad del 35%.
Esto es para un pozo de 9000 pies con una unidad de bombeo Mark II.
2.1.1 Motores Elctricos: Los motores elctricos para bombas de cabillas son principalmente
motores de induccin de tres fases. NEMA D (Nacional Electrical
Manufacturers Association) clasifica los motores segn el deslizamiento y las
caractersticas de torque durante el arranque. El porcentaje de deslizamiento
es definido como:
)1.2(100)(
EcuacionSSS
Sg
flg =
Donde Sg es la velocidad sincrona del motor (usualmente 1200 rpm) y
Sn es la velocidad para cargas completas.
La variacin de velocidad es diferente del deslizamiento. Se define
como:
)2.2(100)(
max
minmaxvar EcuacionS
SSS =
NEMA D es el motor de unidad de bombeo mas ampliamente
reconocido. Su rango de deslizamiento va desde 5% hasta 13%. Otros motores
en el campo petrolero incluyen NEMA C con un mximo deslizamiento de 5% y
NEMA B con un mximo deslizamiento de 3%.
2.1.2 Motores de Ultra Alto Deslizamiento: Motores elctricos especiales con deslizamiento mayor al 13% son
denominados motores de ultra alto deslizamiento. Estos son diseados para
variaciones altas de velocidad y pueden ayudar a reducir los torques picos en
la caja de engranaje y las cargas de las cabillas. Puedes calibrar los motores
ultra de alto deslizamiento en diferentes modos dependiendo del deslizamiento
y torque en el arranque deseado. El modo en bajo torque ofrece los ms bajos
torque en la arrancada y las variaciones de velocidad ms grandes. El modo de
alto torque ofrece los mayores torque en la arrancada y las variaciones de
velocidad mas bajas. Motores de Ultra alto deslizamiento usualmente tienen un
modo medio o bajo-medio con caractersticas entre los modos de bajo y alto
torque.
Un dimencionamiento correcto del motor de ultra alto deslizamiento
podra tener una variacin de velocidad de hasta un 50%. Usualmente esto
resulta en torques ms bajos en la caja de engranaje y cargas en las cabillas
comparado a sistemas con unidades motrices de bajo deslizamiento. Un motor
ultra de alto deslizamiento debe ser correctamente dimensionado y aplicado
para las condiciones correctas del pozo para reducir el torque a travs de las
variaciones altas de velocidad. Un motor sobre diseado puede no cargarse lo
suficiente para variar la velocidad y podra realmente comportarse como un
motor NEMA D.
2.1.3 Motores a Gas: Existen dos tipos de motores a gas. Motores de baja velocidad con uno o
dos cilindros, y motores multicilindros de alta velocidad. Motores de baja
velocidad tienen velocidades de 700 rpm o menores y alto torque. Motores
multicilindros pueden tener altas variaciones de velocidad (hasta un 35%) mas
que motores de baja velocidad.
Motores de gas tpicamente queman gas rentado y son generalmente
ms baratos que operar motores elctricos. Sin embargo, costos de capital y
mantenimiento son usualmente ms altos que para motores elctricos. Motores
a gas son primordialmente utilizados en locaciones remotas sin disponibilidad
de electricidad.
2.2 UNIDADES DE BOMBEO: La funcin de la unidad de bombeo es convertir el movimiento rotacional
de la unidad motriz al movimiento ascendente descendente de la barra pulida.
Una unidad de bombeo apropiadamente diseada tiene el tamao exacto de
caja de engranaje y estructura. Tambin tiene suficiente capacidad de carrera
para producir el fluido que deseas.
Si bien todas las unidades de bombeo tienen caractersticas comunes,
estas tambin tienen diferencias que podran influenciar significativamente el
comportamiento del sistema. Para maximizar la eficiencia del sistema necesitas
entender las ventajas y las desventajas de las diferentes geometras de las
unidades de bombeo para las condiciones de los pozos. Esto puede hacerse
simulando el sistema de bombeo con un moderno programa de diseo como el
RODSTAR que puede asertivamente modelar toda la geometra de las
unidades de bombeo. Con tales programas de computadora puede predecirse
la produccin, cargas, tensin, torque y consumo de energa para diferentes
geometras de unidades de bombeo para la aplicacin. Este es la manera mas
precisa de comparar unidades.
2.1.1.-Diseo de la Unidad. La API ha desarrollado un mtodo estndar para describir las unidades
de bombeo. Es como sigue:
La letra C significa unidad convencional, tal como la unidad mostrada en la Figura 2.1. La letra M significa una unidad Mark II y la letra A una unidad balanceada por aire. Tambin pueden verse otras combinaciones de letras
simples o dobles para nuevos tipos de unidades de bombeo tales como RM para unidades Lufkin Mark Reversas. El primer nmero es la designacin de la
capacidad de carga de la caja de engranaje en Miles libras-plg (torque), En el
ejemplo, la capacidad de la caja de engranaje es hasta 320.000 lbs-plg. El
segundo nmero es la capacidad de la estructura en cientos de libras. En el
ejemplo este rango significa que para evitar sobre cargas en la estructura de la
unidad, la barra pulida no debe exceder de 25.600 lbs. El ultimo numero
muestra el longitud mxima de la carrera de la unidad en pulgadas (100 plg en
el caso ejemplo). Las unidades de bombeo usualmente tiene desde 2 hasta 5
longitudes de carrera. Los catlogos de las unidades muestran todas las
longitudes de carrera disponibles.
2.2.2 Geometra de las Unidades de Bombeo: Las siguientes tres paginas muestran los tipos de unidades de bombeo
mas populares. Estas son:
1. Tipo convencional
2. Mark II
3. Balanceadas por Aire
Unidades de Bombeo Convencional Ventajas:
1. Costos de Mantenimiento bajos.
2. Cuesta menos que otras Unidades.
3. Usualmente es mejor que el Mark II con sarta de cabillas de fibra de vidrio.
4. Puede rotar en sentido horario y antihorario.
5. Puede bombear ms rpido que las Unidades Mark II sin problemas.
6. Requiere menos contrabalanceo que las Mark II.
Desventajas: 1. En varias aplicaciones no es tan eficiente como el Mark II u otros tipos de unidades. 2. Podra requerir cajas de engranaje ms grandes que otros tipos de unidad
(especialmente con cabillas de acero).
Unidades de Bombeo Mark II Ventajas:
1. Tiene menor torque en la mayora de los casos.
2. Podra costar menos (-5%, -10%) comparada con el siguiente tamao en una unidad convencional.
3. Es ms eficiente que las unidades convencionales en la mayora de los casos.
Desventajas: 1. En varias aplicaciones, no puede bombear tan rpido como una unidad convencional
debido a su velocidad en la carrera descendente. 2. Solo puede rotar en sentido antihorario. 3. En caso de existir golpe de fluido podra causar mas dao a la sarta de cabillas y la
bomba. 4. Puede colocar la base de la sarta de de cabillas en severa compresin causando fallas
por pandeo. 5. Puede experimentar torques mas altos que las unidades convencionales cuando se
usan cabillas de fibra de vidrio, adems, de la posibilidad de colocarlas en compresin.
Unidades de Bombeo Balanceadas por Aire Ventajas:
1. Es ms compacta y fcil de balancear que las otras unidades.
2. Los costos de transporte son mas bajos que otras unidades (debido a que pesa menos)
3. Vienen en tamaos ms grandes que cualquier otro tipo de unidad.
4. Puede rotar tanto en sentido horario como antihorario.
Desventajas:
1. Son ms complicadas y requieren mayor mantenimiento (compresor de aire, cilindro de aire).
2. La condensacin del aire en el cilindro puede constituir un serio problema.
3. La caja de engranaje podra daarse si el cilindro pierde la presin de aire. Otras caractersticas interesantes de las unidades balanceadas por aire son:
1. Perfecto contrabalanceo con el toque del dedo. 2. Longitudes de carrera de hasta 20 pies para pozos con alto potencial. 3. Fcil de Instalar.
Existen tambin otros varios tipos de unidad tales como las de bajo
perfil, hidrulicas, de carreras largas (tales como Rotaflex), y otras unidades de
geometra inusual. Sin embargo, la mayora de los pozos son bombeados con
los tres principales tipos de unidades mencionados. La razn principal de la
duracin de la popularidad de estas unidades de bombeo es por que estas han
sido usadas por ms tiempo que las otras y han probado ser confiables,
durables, y fciles de mantener. Dependiendo de la aplicacin, hay ventajas y
desventajas para cada tipo de unidad. Ninguna unidad puede reclamar para si
el mejor comportamiento en todas las aplicaciones. Por ejemplo, si el espacio
es limitado entonces una unidad balanceada por aire es la mejor opcin por lo
compacto de su diseo. Si se usan cabillas de fibra de vidrio entonces una
unidad convencional ser mejor que un Mark II como ser explicado luego. En
pozos profundos con cabillas de acero, una unidad Mark II puede tener el ms
bajo torque neto en la caja de engranaje, etc.
La manera mas precisa de encontrar la mejor geometra de unidad para
una aplicacin dada es usar programas predictivos de computadora tales
como el RODSTAR. Con estos programas se puede modelar la unidad de
bombeo usando kinematica (caractersticas de movimiento) de manera muy
precisa, de la misma forma te permite comparar el comportamiento de
diferentes unidades de bombeo para aplicaciones especificadas. Tambin
permite evaluar que sentido de rotacin es mejor aplicarle a la manivela (En
sentido de las agujas el reloj o en contra del sentido de las agujas).
2.2.3 Nomenclatura de las Unidades de Bombeo. Las Figuras 2.3, 2.4 y 2.5 muestran los nombres de los componentes de
las unidades de bombeo convencionales, Mark II y balanceadas por aire. Las
siguientes son definiciones de algunos trminos adicionales de las unidades de
bombeo:
Desbalance estructural: Es la fuerza que se necesita para que la barra pulida mantenga la viga viajera en una posicin horizontal con los brazos
pitman desconectados de los pins de la manivela. Esta fuerza es positiva
cuando acta hacia abajo y negativa cuando acta hacia arriba. Ver la Figura
2.6 para una explicacin visual del desbalance estructural. El desbalance
estructural para unidades convencionales puede ser o positivo o negativo. Para
unidades Mark II es siempre negativo.
Angulo de compensacin de la manivela: Este es el ngulo entre el
pin de la manivela y los brazos de las contrapesas. La Figura 2.7 muestra como
se puede medir el ngulo de fase de la manivela. Para unidades Mark II el
ngulo de fase es positivo. Para manivelas del tipo Torqmaster este es
negativo. Para la mayora de las unidades de bombeo convencionales el
ngulo de fase de la manivela es cero.
El propsito del ngulo de fase de la manivela es ayudar a reducir el
torque en la caja de engranaje mejorando la fase entre las cargas en la barra
pulida y el momento de las contrapesas.
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2.2.4 Anlisis Kinematico de las Unidades de Bombeo:
Para evaluar el comportamiento de los diferentes tipos de Unidades de
bombeo, es importante simular con precisin sus caractersticas kinematicas.
El informe de la SPE al final de este capitulo titulado Un anlisis Kinematico
exacto de las Unidades de bombeo describe un mtodo para calcular la posicin
de la barra pulida, velocidad, y aceleracin para cualquier ngulo de la
manivela. Este modelo kinematico puede usarse para calcular la posicin
angular, velocidad y aceleracin de cualquier parte de la unidad de bombeo.
Usando este mtodo kinematico se pueden comparar la velocidad de la
barra pulida y la aceleracin de diferentes unidades, Sin embargo, debe
mantenerse en mente que el comportamiento del sistema de las unidades de
bombeo depende en la interaccin de todos los componentes del sistema. La
geometra de las unidades de bombeo es un factor muy importante pero no es
el nico. Otros elementos incluyen la profundidad del pozo, tamao de la
bomba, diseo de la sarta de cabillas, material de las cabillas, y tipo de unidad
motriz. Por lo tanto, el modelo kinematico de la unidad de bombeo debe
combinarse con el mtodo predicativo de la ecuacin de onda para comparar
con exactitud unidades de bombeo para condiciones de pozo dadas.
La unidad de bombeo tiene una gran influencia en el comportamiento del
sistema. Afecta las cargas en la barra pulida, carrera en la bomba, tamao del
unidad motriz, torques picos, y consumo de energa. Un anlisis matemtico
detallado de la geometra de la unidad de bombeo esta ms all del alcance de
este curso. El mtodo del anlisis kinematico descrito en el informe # 12201 de
la SPE provee una explicacin detallada de cmo modelar unidades de
bombeo, calcular factores de torque, y cualquier otro valor relacionado con el
movimiento de la unidad.
2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS La funcin de la caja de engranaje es convertir torque bajos y altas rpm
de la unidad motriz en altos torque y bajas rpm necesarias para operar la
unidad de bombeo. Una reduccin tpica de una caja de engranaje es 30:1.
Esto significa que la caja de engranaje reduce los rpm a la entrada 30 veces
mientras intensifica el torque de entrada 30 veces.
2.3.1 Contrapesos Si la caja de engranaje tuviera que suplir todo el torque que la unidad de
bombeo necesita para operar, su tamao debera ser demasiado grande.
Afortunadamente, al usar contrapesos, el tamao de la caja de engranaje
puede ser minimizado.
Los contrapesos ayudan a reducir el torque que la caja debe suministrar.
Estos ayudan a la caja durante la carrera ascendente cuando las cargas en la
barra pulida son las ms grandes. En la carrera descendente, la caja de
engranaje levanta los contrapesos con la ayuda de las cargas de las cabillas,
quedando listos para ayudar nuevamente en la carrera ascendente. En otras
palabras, en la carrera ascendente, las contrapesas proporcionan energa a la
caja de engranaje (Al caer). En la carrera descendente estos almacenan
energa (subiendo). La condicin operacional ideal es igualar el torque en la
carrera ascendente y descendente usando la cantidad correcta del momento
de contrabalanceo. Cuando esto ocurre la unidad esta Balanceada.
Una unidad fuera de balance puede sobrecargar el motor y la caja de engranaje. Esto puede resultar en fallas costosas y perdidas de produccin si
no se corrige a tiempo. Para determinar si la unidad esta balanceada, debe
hacerse un anlisis de torque o registrar un grafico de amperaje del motor en la
carrera ascendente y descendente.
2.4 BARRA PULIDA, PRENSA ESTOPA Y LINEA DE FLUJO: La barra pulida conecta la unidad de bombeo a la sarta de cabillas y es
la nica parte de la sarta que es visible en la superficie. Como su nombre lo
dice, la barra pulida tiene una superficie lisa y brillante. La superficie de la barra
pulida previene el desgaste de las empacaduras del prensaestopa. Las
empacaduras del prensa estopa estn diseadas para prevenir fugas de fluido.
Si el pozo no produce suficiente petrleo para mantener lubricada la barra
pulida entonces un lubricador es usualmente instalado encima del prensa
estopa. Este lubricador prevendr daos en la prensa estopa y la barra pulida
con la constante lubricacin.
Las empacaduras del prensa estopa son apretadas para prevenir fugas
en el cabezal. Pero, si se aprietan demasiado, podran incrementarse las
perdidas de potencia en la barra pulida resultando en una mala interpretacin
de la carta dinagrafica por la distorsin de las cargas sobre la barra pulida. La
funcin principal de la barra pulida es soportar el peso de la sarta de cabillas,
bomba y fluido. Por lo tanto, la barra pulida experimenta cargas ms altas que
cualquier otra parte de la sarta.
Las lneas de flujo conectan el cabezal del pozo con el separador.
Aunque este curso no cubre los equipos ms all del cabezal, es importante
entender el efecto de la presin de la lnea de flujo en el sistema de bombeo
por cabillas. Como si discuti arriba, la barra pulida soporta el peso de la sarta
de cabillas y el fluido. Tambin, debe sobreponerse a la presin en la lnea.
Altas presiones en la lnea pueden resultar en altas cargas en la barra pulida y
una baja en la eficiencia. Estas cargas adicionales en la barra pulida
dependern del dimetro del pistn. Mientras ms grande sea el tamao del
pistn, ms grande ser el efecto de la presin de la lnea de flujo en el
sistema.
2.4.1 Vlvula de Contrapresin: En pozos con exceso de gas tendr que instalarse un orificio o pressure
back en la lnea de flujo. Esto es necesario para evitar cabeceo o interrupcin
de la produccin. Esto ocurre cuando:
Cuando el fluido producido se acerca a la superficie del pozo la presin
va en descenso. Esto causa expansin del gas dentro de la tubera de
produccin desalojando el lquido hacia la superficie. A medida que el gas
fuerza la salida del lquido hacia las lneas de flujo, la presin en la tubera
disminuye, y ms y ms gas podr expandirse.
Cabeceos causan ciclos de alta produccin seguidos por periodos de
baja produccin o ninguna produccin. Al comienzo del cabeceo, el gas en
expansin empuja el liquido dentro de las lneas de flujo y aumento la
produccin momentneamente. Sin embargo, el lquido que deja la tubera es
reemplazado por ms y ms gas libre. Eventualmente, la tubera queda seca, y
la produccin se detiene hasta que la tubera se llene con fluido nuevamente.
En un pozo de bombeo, el cabeceo es indeseable y debe ser controlado. La
forma mas comn de detener el cabeceo es usando un orificio o una vlvula de
desahogo de presin. Este dispositivo incrementa la presin en la lnea de flujo
para evitar el gas se expanda y cause cabeceo. Incrementar la presin en la
tubera 50-60 lpc es frecuentemente suficiente para detener el cabeceo. La
vlvula de presin de desahogo es diseada para cerrar cuando la presin de
tubera es baja y para abrir cuando la presin de la tubera aumenta. La bola en
este tipo de vlvula es mantenida cerrada con un resorte enrollado. Cuando la
presionen la tubera excede la tensin del resorte la vlvula se abre.
Si bien esto mantiene libre de cabeceo al pozo, debido a la presin
agregada al pistn, el sistema deber realizar un trabajo mayor. Esto sin duda
disminuye la eficiencia del sistema. Por lo tanto, vlvulas de presin de retorno
y orificios deben usarse solo cuando el pozo presenta cabeceo.
2.5 SARTA DE CABILLAS: La sarta de cabillas conecta la bomba de fondo con la barra pulida. La
funcin principal es transmitir el movimiento oscilatorio de la barra pulida a la
bomba. Esto proporciona la potencia necesaria por la bomba para producir
hidrocarburos. La resistencia, vida til y fuerzas friccinales de la sarta de
cabillas tiene un impacto significativo en la economa de un pozo.
Las cabillas de succin son hechas de acero o fibra de vidrio. La
mayora de las cabillas son fabricadas 100% en acero. Sartas parcialmente
acero y fibra de vidrio son tambin comunes en muchos campos petroleros.
Estas son principalmente utilizadas en localizaciones con problemas de
corrosin, para reducir cargas en la unidad de bombeo, para evitar la compra
de unidades excesivamente grandes o para incrementar la tasa de produccin.
Cabillas de acero son fabricadas en longitudes de 25 o 30 pies. Cabillas de
fibra de vidrio son construidas en longitudes de 25, 30 o 37,5 pies. El tamao
de cabillas de fibra de vidrio mas comn es 37.5 pies. Esto reduce el numero
de acoples haciendo la sarta tan ligera como sea posible. El rango del dimetro
de cabillas de acero va de 0.5 plg hasta 1.25 plg, para las de fibra de vidrio se
encuentran rangos desde 0.75 plg hasta 1.5 plg.
Cada cabilla de la sarta debe soportar las cargas de fluido y el peso de
las cabillas por debajo de ellas. Para minimizar los costos y las cargas
tensinales, la sarta de cabillas se disea usualmente de forma ahusada
(adelgazamiento en forma cilndrica-Ver Figura 2.1). Dimetros mayores de
cabillas son colocados en el tope y ms pequeos en la base. Dependiendo de
la profundidad, la sarta de cabillas va desde una (1) hasta cinco (5) secciones
ahusadas. Las secciones tpicas son 1-7/8-3/4 o 7/8-3/4. Barras de peso
(Cabillas de dimetro mayor para el fondo de la sarta) son comnmente usadas
para sobreponerse a las fuerzas de flotacin y minimizar la compresin en las
cabillas en la base de la sarta. En el diseo de las sartas de cabillas, un ensayo
para determinar el porcentaje en cada seccin debera resultar en las mismas
cargas tensinales al tope de cada seccin de cabillas. El diseo de sarta de
cabillas se discutir con ms detalle luego.
La sarta de cabillas tiene un impacto mayor en el comportamiento del
sistema. Afecta las cargas en la barra pulida y la caja de engranaje, consumo
de energa, torque en la caja de engranaje, carrera de fondo, y frecuencia de
fallas de las cabillas.
2.6 TUBERIA DE PRODUCCIN: El fluido se produce a travs del anular tubera-cabillas hasta la superficie. Cuando la tubera esta anclada al anular, esta tiene un efecto menor
en el comportamiento del sistema en la mayora de los casos. Si la tubera no
esta anclada entonces podra afectar las cargas sobre las cabillas y el
desplazamiento de la bomba debido a su estiramiento. El estiramiento de la
tuberia ser cubierto con ms detalle luego. Algunos problemas que pueden
afectar el comportamiento del sistema incluyen:
1. Restricciones de flujo debido a parafinas y escamas.
2. Cuellos de botella pueden ocurrir cuando la bomba tiene dimetros
mayores que el dimetro interno de la tubera.
3. Hoyos desviados que incrementan la friccin entre cabillas y tubera.
4. Tubera que es demasiado pequea para la tasa de produccin.
Todos estos problemas resultan en cargas ms altas en todos los
componentes del sistema. Tambin, fugas en tubera pueden disminuir
significativamente la eficiencia del sistema si no es detectada y corregida a
tiempo.
2.7 BOMBAS DE SUBSUELO: La tpica bomba por cabillas de succin es un arreglo embolo-cilindro. En la terminologa de campos petroleros el embolo es llamado pistn y el cilindro se le
conoce como barril de la bomba. El pistn tiene una vlvula de bola y asiento
llamado vlvula viajera debido a que viaja hacia arriba y hacia abajo con el
pistn. A la entrada del barril de la bomba existe otra vlvula llamada vlvula
fija debido a que esta fijada a la tubera y no se mueve. La Figura 2.8 muestra
un diagrama simplificado de las bombas de cabillas. Entender la operacin de
la bomba es esencial para la comprensin total del sistema incluyendo la
interpretacin de la forma de las cartas dinagraficas.
La operacin de la bomba afecta todos los componentes del sistema.
Esta influye en las cargas sobre la sarta de cabillas, unidad de bombeo, caja de
engranaje y motor. Sistemas con bombas de calibres grandes son muy
sensibles a la presin en la lnea de flujo, incluso pequeos aumentos en la
presin de la lnea podran incrementar significativamente las cargas en la
barra pulida.
2.7.1 Accin de las Vlvulas: Para entender como trabaja la bomba hay que darle un vistazo a la accin de las valvulas, asumiendo que la bomba esta llena con liquido
incompresible tal como petrleo muerto o agua. La Figura 2.8 muestra como se
comportan las vlvulas viajeras y fijas durante el ciclo de bombeo.
Carrera Ascendente: En la carrera ascendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia
arriba, la vlvula viajera cierra y levanta las cargas el fluido. Esto genera un
vaci en el barril de la bomba que causa la apertura de la vlvula fija
permitiendo que el fluido proveniente del yacimiento llene la bomba.
Carrera Descendente: En la carrera descendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia abajo, la vlvula fija se cierra y el fluido en el barril de la bomba empuja la
vlvula viajera abriendo esta. El pistn viaja a travs del fluido que se ha
desplazado hacia la bomba durante la carrera ascendente. Luego el ciclo se
repite.
Para un caso ideal de bomba llena y fluido incompresible, en la carrera
ascendente la vlvula viajera cierra, la fija abre y el fluido comienza a ser
bombeado a travs de la tubera hasta la superficie. En la carrera descendente,
la vlvula viajera abre y la fija cierra. Sin la accin de las vlvulas, la produccin
no seria posible. Si la vlvula fija no abre, el fluido no entrara a la bomba. Si la
vlvula viajera no abre entonces el fluido no entrara a la tubera.
2.7.2 Accin de las Vlvulas y Cargas de Fluido: La accin de las vlvulas es tambin importante para entender como las cargas de fluido son aplicadas al pistn de la bomba y la sarta de cabillas. Esto
es necesario para entender la caga sobre las cabillas, forma de la carta
dinagrafica y comportamiento de las cabillas de succin. Una carta dinagrafica
es un grafico de carga versus posicin. Si pudiera colocarse un instrumento
para medir las cargas justo arriba del pistn de la bomba, se terminara con una
carta dinagrafica de fondo. Para entender como seria la carta dinagrafica de la
bomba para bomba llena y porque veamos la Figura 2.9. Para este ejemplo la
tubera esta anclada (Se examinara el efecto del movimiento de la tubera en la
forma de la carta dinagrafica mas adelante).
Carrera ascendente: Al comienzo de la carrera ascendente, la vlvula viajera cierra (punto A de la Figura 2.9). A este punto la vlvula viajera levanta las cargas del fluido.
Estas cargas permanecen constantes durante el recorrido ascendente (del
punto A hasta B).
Carrera descendente: En la carera descendente, cuando el pistn comienza el movimiento hacia abajo, la vlvula viajera abre (punto C). En este punto la vlvula viajera se
libera de la carga de fluido y la presin el mismo se transfiere a la tubera a
travs de la vlvula fija. Por lo tanto, la vlvula viajera no lleva la carga de fluido
durante la carrera descendente (desde el punto C al D).
Las diferencias de carga entre los puntos A y D (o B y C) son las cargas
del fluido en el pistn. De acuerdo a la Figura 2.9 las cargas de fluido son
transferidas instantneamente desde D hasta A y desde B hasta C. Esto es
verdad solo al sumir incompresibilidad del fluido y bomba llena. Algunas veces
tal como cuando pozos con alta produccin de gas son bombeados, la
transferencia de cargas de fluido no son instantneas. La tasa de
levantamiento de carga depende de la integridad de la bomba, el tipo de fluido
bombeado, espaciamiento de la bomba, y si la tuberas esta o no anclada.
2.8 ANCLA DE GAS: La bomba de cabillas de succin esta diseada para bombear liquido. La presencia de gas en el lquido producido reduce la eficiencia de la bomba. En la
carrera descendente, la bomba comprime el gas hasta que la presin dentro
del barril es lo suficientemente alta para abrir la vlvula viajera. Dependiendo
de la cantidad de gas libre, una gran parte de la carrera ascendente puede
desperdiciarse en la compresin del gas antes que algn lquido sea producido.
Debido a esto, eficiencias volumtricas menores al 50% son comunes cuando
el gas entra a la bomba. En la carrera ascendente, como el gas entra a la
bomba, este ocupa una gran parte del volumen de la bomba. Esto reduce la
cantidad de lquido que puede entrar a la bomba. Las anclas de gas ayudan a
reducir la cantidad de gas libre que entra en la bomba. Esto ocurre al permitir la
separacin del gas y su flujo hacia la superficie a travs del anular revestidor-
tubera antes de su entrada a la bomba.
La Figura 2.10 muestra un diagrama simplificado de cmo trabaja el
ancla de gas. Forzando el fluido a moverse hacia abajo antes de entrar a la
bomba, la mayor parte del gas se separa y fluye hacia arriba entre el anular
revestidor-tubera. En pozos con problemas de interferencia de gas la entrada
de la bomba debe moverse por debajo de las perforaciones. Esto permitir la
separacin del gas que fluir hacia arriba antes que entrar entro de la bomba.
2.9 EQUIPO ADICIONAL DE BOMBEO: La Figura 2.11 muestra el equipo de subsuelo ms comnmente usado
en pozos con bombeo por cabillas. El sistema de separacin de gas incluye el
niple perforado, el ancla de gas y tubo de barro, y el tapn al final el tubo de
barro (bull plug). El bull plug y el niple perforado aseguran que ninguna basura
(sucio, swab rubber, etc) entren en la bomba. El tubo de barro esta conectado
al niple perforado y es la cmara que permite que el gas se separe desde el
liquido antes de entrar a la bomba. El niple perforado es donde el fluido entra a
la bomba.
El niple de asentamiento (o zapata) es un acople de tubera
especialmente diseado que es internamente ahusado (estrechamiento) y
permite asentar la bomba con un fuerte sello. Los niples de asentamiento
tienen por igual cierre mecnico o por copas de friccin. Cuando una bomba de
tubera es usada, la vlvula fija se fija en la base del pistn. Luego que la
vlvula fija se fija en el niple de asentamiento, la sarta de cabillas se gira en
contra de las agujas del reloj para liberar el pistn. Para bombas insertadas, el
ensamblaje completo de la bomba se fija a la sarta de cabillas. Luego es
bajada dentro de la tubera hasta que se fija en el niple de asentamiento. El
fondo de la bomba tiene un
ensamblaje que se acopla al
niple. Luego que la bomba se
asienta el pistn es espaciado
dentro del barril para evitar
golpear el tope o base del baril de
la bomba.
CAPITULO 3 EQUIPO DE FONDO. 3.1 Bombas de Fondo: Las bombas de subsuelos son uno de los componentes claves del
sistema de bombeo mecnico. El tamao del pistn de la bomba determina la
tasa de produccin, cargas en las cabillas, y cargas en todos los componentes
del sistema. En adicin a las cargas en las cabillas y la unidad de bombeo, la
vida de la bomba afecta la rentabilidad del pozo. Si los componentes de la
bomba se desgastan, la eficiencia de todo el sistema se reduce. La seleccin
de la bomba adecuada incrementa la eficiencia del sistema y extiende la vida
del equipo. Usualmente, una bomba grande y velocidades de bombeo bajas
pueden incrementar la eficiencia del sistema.
Este capitulo describe las bombas comnmente utilizadas y explica sus
ventajas y desventajas. Tambin describe varias bombas especiales y como
pueden ellas ser utilizadas en pozos problemas.
Existen bsicamente tres tipos de bombas. Estas son:
1. De tubera
2. Insertables
3. Bombas de revestidor (Large bore)
Indiferentemente del tipo, las bombas de subsuelo tienen los siguientes
componentes principales:
1. El pistn
2. El barril
3. La vlvula viajera
4. Vlvula fija
Las bombas son tanto de pared gruesa como de pared delgada. Las de
pared delgada son utilizadas en pozos poco profundos debido a su capacidad
limitada de las paredes a los esfuerzos. Barriles de pared gruesa son utilizados
en pozos ms profundos o bombas de dimetro grande que necesitan soportar
grandes cargas de fluido. La profundidad mxima de asentamiento depende de cual tipo de bomba es:
Tabla 3.1 Anclada en el Fondo, Bomba de Pared gruesa
Pistn (plg) Espesor de la pared Profundidad mxima
1.00 0.125 11.540
1.06 0.125 11.000
1.25 0.188 13.350
1.50 0.188 11.570
1.75 0.250 11.970
2.00 0.156 7.785
2.25 0.25 10.485
Anclado en el fondo, Barril de Pared delgada
2.00 0.125 6.400
2.50 0.125 5.240
Bombas de Tubera
1.75 0.25 9.600
2.25 0.25 7.870
2.75 0.25 6.660
Bombas de Revestiros
2.75 0.25 6.660
3.25 0.25 5.770
3.75 0.25 5.090
4.75 0.25 4.120
DESIGNACION API PARA LAS BOMBAS El Instituto Americano del Petrleo (API) ha desarrollado un mtodo para
designar las bombas de subsuelo. La designacin API proporciona una manera
concisa para describir las bombas. La Figura 3.1 muestra como el cdigo de la
bomba es definido usando un ejemplo. En este ejemplo el cdigo de la bomba
representa una bomba de 1-1/2 y tubera de 2-7/8. Es una bomba de cabillas
insertable con barril viajero, pared gruesa, y un ensamblaje de asentamiento
mecnico. El barril es de 30 pies de longitud, tiene un pistn de cinco pies, y
una extensin de cuatro pies de longitud.
La Figura 3.2 muestra los tipos ms comunes de bombas API. Luego de
mirar el sistema de cdigos de la Figura 3.1, las bombas de las Figuras 3.2
son:
Figura 3.1 Designacin API de las Bombas de Subsuelo RHA: Cabillas, Barril estacionario de pared gruesa, anclada en el tope. RLA: Cabillas, Barril estacionario, anclada en el tope. RWA: Cabillas, Barril estacionario de pared delgada, anclada en el tope. RSA: Cabillas, Barril estacionario de pared delgada, anclada en el tope, pistn de la bomba tipoo empacadura suave.
RHB: Cabillas, barril estacionario de pared gruesa, anclada en el fondo. RLB: Cabillas, barril estacionario, anclada en el fondo. RWB: Cabillas, barril estacionario de pared delgada, anclada en el fondo. RSB: Cabillas, barril estacionario de pared delgada, anclada en el fondo, empacadura suave.
RHT: Cabillas, Barril viajero de pared gruesa, anclada en el fondo.
RLT: Cabillas, Barril viajero, anclada en el fondo. RWT: Cabillas, barril viajero de pared delgada, anclada en el fondo. RST: Cabillas, barril viajero de pared delgada, anclada en el fondo, empacadura suave.
TH: De tubera, barril de pared gruesa. TL: De tubera, liner barrel puma. TP: De tubera, barril de pared gruesa, empacadura suave.
3.1.2 BOMBAS DE TUBERIA: Las bombas de tubera son principalmente utilizadas para altas tasas de
produccin en pozos poco profundos comparados con las bombas insertables.
Por lo tanto, pueden utilizarse dimetros de pistn mayores a los usados con
bombas insertables.
Instalacin de la bomba: El pistn de la bomba de tubera esta conectado en la base de la sarta
de cabillas. Las bombas de tubera pueden por igual tener vlvulas fijas
removibles o fijas. Para las vlvulas removibles, cuando la bomba es corrida
dentro del pozo, tiene la vlvula fija conectada en la base con un recuperador
de vlvula fija. Cuando la bomba golpea el fondo la vlvula fija cierra dentro del
sello del niple. Dependiendo del tipo de mecanismo del niple de asentamiento
el sello es igual mecnico o por copas de friccin. Luego que el niple de
asentamiento es colocado en sitio, es liberado girando la sarta de cabillas en
sentido antihorario. El barril para las bombas comunes de tubera es de plg
mas pequeo que el dimetro interno de la sarta de tuberas para permitir
espacio suficiente para bajar el pistn en la tubera. La bomba es espaciada
levantando el pistn una distancia suficiente desde el fondo para prevenir que
la bomba golpee en la carrera descendente. La vlvula fija no removible es
instalada en el fondo de la tubera cuando es inicialmente bajada en el pozo.
Esta vlvula es mucho ms grande que las de tipo insertable.
Cuando usar Bombas de tubera: Bombas de tubera son las bombas ms fuertes y grandes fabricadas.
selas para altas tasas de produccin en pozos someros. Estas bombas
permiten usar pistones ms grandes que las bombas insertables. La sarta de
cabillas puede ser conectada directamente al pistn sin requerir una cabilla de
recuperacin. Cuando se usa una vlvula fija no removible, la bomba puede ser
muy efectiva en pozos con crudo pesado y bajos niveles de fluido. Esto es
posible debido a la baja cada de presin a travs de las vlvulas fijas ms
grandes.
Cuando no usar bombas de tubera: La gran desventaja de las bombas de tubera es que se tiene que sacar
tanto las cabillas como la tubera en los servicios a la bomba. Debido a los
costos de estos trabajos, vlvulas de tubera son usadas en pocos pozos. Se
recomienda usar bombas de tubera solo si una bomba insertable no es lo
suficientemente grande para alcanzar la tasa de produccin deseada.
Bombas de tubera tampoco son una buena eleccin para pozos con
interferencia con gas debido a que requieren espaciamientos mayores entre el
pistn y la vlvula fija. Esto es para evitar daar el recuperador de la vlvula
fija. Cuando el gas llena este vaci reduce la eficiencia de la bomba debido a
que debe ser comprimido durante la carrera descendente y expandido durante
la carrera ascendente antes que la vlvula viajera pueda abrirse.
3.1.3 BOMBAS DE CABILLAS (INSERTABLES) Bombas de cabillas o insertables son populares debido a que ellas son
fciles de instalar y reparar. Existen varios tipos de bombas insertables
dependiendo de las condiciones el pozo, tasa de produccin, y profundidad del
pozo. La Figura 3.2 muestra las bombas de cabillas ms comunes que
incluyen:
1. Bombas de barril estacionario anclado en el fondo.
2. Bombas de barril viajero anclado en el fondo.
3. Bombas de barril estacionario anclado en el tope.
Un tipo especial de bomba insertable es la bomba de revestidor. Esta es
principalmente usada en pozos someros con altas tasas de produccin.
Instalacin de la Bomba: Bombas insertables se corren dentro del hoyo conectadas a la sarta de
cabillas. La base o tope de la bomba (dependiendo del tipo de bomba) tiene un
anclaje que cierra dentro de un niple de asentamiento en la base de la tubera.
El anclaje de la bomba esta compuesto por copas u o-rings. Estn diseados
para ajustar fuerte en el niple de asentamiento para prevenir fuga de fluido
desde la tubera hacia el anular. El anclaje puede tambin ser mecnico tal
como u resorte clips que cierra en sitio. Luego que la bomba es asentada es
espaciada levantando las cabillas.
Bombas de revestidor son instaladas en pozos sin tuberas. Estas se
conectan en la base de las cabillas cuando se instala. Una empacadura es
utilizada para anclar la bomba al revestidor y proporciona un pack-off entre el
barril de la bomba y el revestidor.
Cuando usar: Las bombas insertables son las mas fciles de reparar debido a que todo
el ensamblaje puede sacarse jalando la sarta de cabillas. A continuacin
algunas lneas guas para su uso:
Bombas de barril estacionario anclado en el fondo: selas en pozos con bajo nivel de fluido, pozos con gas (con ancla de gas), o pozos con bajo
nivel esttico. Esta bomba es tambin recomendada para pozos profundos.
Esta bomba con un pistn movil y carrera metal-metal es tambin
recomendada cuando el pozo produce yeso o bario. Esta es la ms comn de
las bombas.
Bomba de Barril viajero anclado en el fondo: Use este tipo de bombas en pozos con problemas de arena, pozos que utilizan temporizadores
o controladores de bombeo, y en pozos que presenta una frecuencia alta de
fallas del barril. Esta bomba es tambin recomendada en pozos con problemas
de corrosin. Esto es debido a que el movimiento del barril mantiene el fluido
en movimiento por lo que la arena no se aloja o deposita en la bomba
atascndola. Tambin, en pozos con problemas de corrosin el barril viajero
circula inhibidores de corrosin que de otra manera permanecera en el
espacio muerto entre la bomba y la tubera. Esto ayuda a proteger la parte de
debajo de la tubera y la parte exterior del barril de la bomba. Esta bomba es
ventajosa en pozos temporizados o con controladores de bombeo debido a que
la vlvula viajera en el tope del asiento del pistn no permite la entrada de
arena al barril cuando el pozo es parado.
Bomba de Barril estacionario anclada en el tope: selas en pozos con problemas de arena o bajo nivel de fluido, pozos con gas. Debido a que el
pozo esta anclado en el tope, solo una pequea cantidad de arena podra
acumularse alrededor de la bomba. Debido a esta caracterstica, esta bomba
es recomendada por encima de la de barril viajero cuando la produccin de
arena es un gran problema.
Bombas de Revestidor: Utilcelas en pozos someros que producen altas tasas de produccin, baja corte de gas y no estn desviados.
Cuando no Utilizar: Bombas de Barril estacionario anclado en el fondo: No use en pozos
con problemas de arena o pozos que tiene temporizadores o controladores de
bombeo. Esto es debido a que la arena acumulada entre la bomba y la tubera
puede atascar la bomba. Tampoco utilice en pozos con problemas de corrosin
que deben ser tratados con inhibidores qumicos. Esto es debido a que los
inhibidores de corrosin no alcanzan el espacio muerto entre las paredes
externas de la bomba y la parte baja de la tubera. Esta regin desprotegida
experimenta fallas frecuentes por corrosin.
Bombas de Barril viajero anclado en el fondo: No utilice en pozos profundos o pozos con bajo nivel de fluido esttico. Estas bombas requieren
una cada de presin mayor entre el pozo y el barril de la bomba y el tubo de
produccin puede explotar bajo las pesadas cargas de fluido en pozos
profundos.
Bombas de Barril estacionario ancladas en el tope: No utilice en pozos con golpe de fluido o que son muy profundos. Esto es debido a que
estas bombas son ms susceptibles a reventarse o partirse que otras.
Bombas de revestidor: No las utilice en pozos desviados debido a que la friccin entre las cabillas y el revestidor causa fallas frecuentes de cabillas.
Tampoco utilice en pozos que producen mucho gas. Debido a que todo el gas
tiene que ir a travs de la bomba su eficiencia volumtrica podra ser
sustancialmente reducida.
3.2 BOLAS Y ASIENTOS: Ambas vlvulas, la viajera y la fija de las bombas de subsuelo son
combinaciones bolas y asiento. El ensamblaje bola y asiento esta en una jaula
que permite el flujo de fluidos mientras mantiene la bola en posicin de asentar
apropiadamente. Algunas veces desgaste en los anillos de la jaula causa que
la bola golpee el asiento fuera del centro. Esto acelera el desgaste de la
bomba. Para combatir este problema puede usarse anillos extra resistentes
que soporten deformacin del metal.
Dependiendo de las condiciones del pozo podra ser necesario usar
materiales diferentes para alargar la vida til de las bolas y asientos. En pozos
con ambientes poco agresivos, sin produccin de arena, bolas y asientos de
acero inoxidable son una buena eleccin considerando los bajos costos de
estas. Cuando se esta en presencia de produccin de fluidos abrasivos,
podran necesitarse bolas y asientos de carbono o cermica para extender la
vida de la bomba.
En pozos con problemas severos de abrasin, tales como produccin
excesiva de arena, operadores de campo han encontrado que la bolas de
cermica en asientos de carbono incrementan la vida de la bomba. Sin
embargo, estas son considerablemente ms costosas que las convencionales.
Para prolongar la vida de la bomba, pueden usarse ensamblajes de doble bolas
y asientos para las vlvulas fijas y viajeras para reducir la erosin por corte del
fluido. Sin embargo, debido a los costos adicionales de vlvulas dobles estas
son recomendadas solo en pozos con severos problemas de corte por fluidos.
3.3 PISTONES: Existen dos tipos de pistones: metal-metal y empaque suave. Empaque
suave son menos costosos al momento de comprar o repararlos. Sin embargo,
estos no son tan eficientes como los de metal-metal y no pueden bombear en
pozos profundos. La longitud del pistn varia entre 6 y 12 plg por cada 1000
pies de profundidad de la bomba. Esta longitud varia tambin dependiendo de
la viscosidad del fluido, temperatura de fondo, dimetro del pistn y espacio
libre entre el pistn y el barril. Por ejemplo, si se utiliza un pistn de 8 plg por
cada 1000 pies entonces a un pozo de 6000 pies necesitara un pistn de 4
pies.
3.3.1 Pistones de empaque suave:
Los pistones de empaque suave pueden ser por igual de tipo copa o tipo anillo,
o una combinacin de ambos. Pistones tipo anillos tiene cualquier composicin
o anillos de flexite. Debido al gran espacio libre entre el pistn y el barril,
bombas con empaques suaves presentan mayores perdidas por escurrimiento
y por lo tanto menores eficiencias volumtricas que los de metal-metal.
Pistones tipo copas: Pistones tipo copa usan la presin del fluido para expandirse en la
carrera ascendente y proveer el sello entre el pistn y el barril. Las copas son
fabricadas con diferentes tipos de materiales sintticos para diferentes
aplicaciones. Estos son tpicamente usados en pozos de menos de 3000 pies.
Las ventajas de estos pistones incluyen la habilidad de compensar el desgate
del barril y tener bajos costos de reparacin.
Pistones tipo anillo: Pueden usarse pistones tipo anillo para lograr fits pequeos entre el
pistn y el barril de la bomba. Estos pistones son ms comunes que los de tipo
copa debido a que son los apropiados para profundidades de hasta 7000 pies.
Pistones tipo anillo de flexite tiene anillos impregnados de grafito que son
autolubricantes. Estos pistones son excelentes para pozos con altos cortes de
agua y con problemas de corrosin.
3.3.2 Pistones metal-metal: Los pistones metal-metal son por igual lisos o ranurados (Figura b).
Estos son usados en pozos profundos o en pozos
que producen sin slidos. Debido al pequeo
espacio entre el pistn y el barril (desde 0.001 hasta
0.005), los pistones de metal permiten eficiencias de
la bomba ms altas que los de empaque suave. Sin
embargo, cuando el pozo produce slidos, estos
pistones pueden no ser los indicados para el trabajo
debido a que el desgaste seria ms rpido que con
pistones de empaque suave.
3.4 BOMBAS ESPECIALES: Debido a la variedad de la condiciones de pozo que podran encontrarse,
una bomba API no siempre producira de manera eficiente. En esta situacin
podra considerarse usar bombas especiales diseadas para problemas
especficos de fondo. Problemas de pozo para los cuales hay bombas
especiales disponibles incluyen: golpe de fluido, interferencia de gas, erosin
por slidos, y crudo pesado.
Se necesita estar conciente de las ventajas y desventajas de las bombas
especiales. Bombas que son muy complicadas podran crear ms problemas
de los que resuelven. Pruebas de campo en algunos pocos pozos se
recomiendan para determinar si una bomba especial podra trabajar bien bajo
sus condiciones particulares de produccin.
3.4.1 Bomba insertable de tres tubos: Pozos que producen arena en cantidad u otros materiales abrasivos es
causa de atascamiento y fallas frecuentes en las bombas. La bomba de tres
tubos evita muchos de estos problemas que tienen las bombas convencionales
con la arena. Estas bombas utilizan tres tubos telescopicos sueltos que se
ajustan en lugar del barril y el pistn de las bombas convencionales. Mayores
espacios entre la tubera mejora la vida de las bombas reduciendo el desgaste
por arena. El incremento en la vida de la bomba es debido a que ms
partculas de arena circulan a travs del rea sellada. El movimiento del fluido
afuera del tubo viajero impide que la bomba se arene.
Esta bomba es recomendada para pozos que producen grandes
volmenes de arena. Sin embargo, esta bomba requiere velocidades mayores
a los 10 spm y debe estar completamente sumergida en fluido. Por lo tanto, no
es recomendada para pozos con bajo nivel de fluido.
3.4.2 Bombas de dos e
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