ANTEPROYECTO DE LABORATORIO DE FISICA MECANICA

BALANCIN PETROLERO CON BOMBEO MECANICO

PRESENTADO POR: BLANCO PINTO LAURA

DE LEON JEINER

PADILLA VILLA CAROL

SOLANO ARIZA KATHERIN

PROFESOR: GONZALEZ DAVID

GRUPO: OD2

UNIVERSIDAD DE LA COSTA

BARRANQUILLA 20-04-2012

TABLA DE CONTENIDO

Antecedentes del problema Planteamiento del problema Solución al problema Justificación Objetivos Metodología Marco teórico Pre diseño y montaje del balancín petrolero Recursos físicos y humanos Presupuesto financiero Cronograma de actividades Bibliografía Cibergrafia

ANTECEDENTES DEL PROBLEMA:

El petróleo, es una mezcla homogénea de compuestos orgánicos, principalmente hidrocarburos insolubles en agua, formados por átomos de carbono e hidrógeno y, por otras, pequeñas proporciones de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Se presenta de forma natural en depósitos de roca sedimentaria y sólo en lugares en los que hubo mar y es de origen fósil.

En los últimos cien años el mundo se ha transformado con gran rapidez. El principio de ese gran cambio fue debido al uso de la energía eléctrica. Calles y casas se iluminaron con lámparas eléctricas (antes se habían iluminado con otras que se alimentaban con gas). Los tranvías se movieron también gracias a esa energía y ya no jalados por caballos. Se inventaron el telégrafo, el teléfono, la radio y muchos otros aparatos que funcionan con electricidad. En 1859 se perforó el primer pozo de petróleo y por esa época se inventó el automóvil, cuyo motor funciona con gasolina. Y así, muchas otras cosas que cambiaron la forma de vida.

Actualmente, el petróleo se extrae del subsuelo debido a la poca presión que existe, pero, en la antigüedad se encontraba en la superficie del suelo, y por esto era más fácil el proceso de extracción, hoy en día se deben hacer excavaciones muy profundas y emplear diferentes mecanismos lo cual constituye un proceso mucho más complejo.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA:

El recurso energético más importante a nivel mundial es el petróleo por toda la variedad de derivados que se pueden obtener a través de él mediante procesos deRefinamiento, obteniendo materia prima para la elaboración de productos que luego de su comercialización mueven las economías del mundo, pero cada vez es más difícil localizar esta fuente de energía y en algunos casos extraer para la industria petrolera; las personas en la antigüedad utilizaban algunos mecanismos sencillos para extraer el petróleo pues este no se encontraba tan profundo como lo está hoy en día.

Debido al incremento en las necesidades que tiene el país y el mundo con respecto al petróleo nos vemos en la obligación de innovar en dicho proceso, puesto que con los mecanismos de la antigüedad no se podría alcanzar el petróleo que está en el subsuelo, por lo tanto las empresas encargadas de esto se ven obligadas a la adquisición de nuevos métodos de extracción del petróleo.

PROBLEMA:

En busca de solucionar dicha problemática se ha presentado un sistema llamado balancín petrolero con bombeo mecánico, el cual es un maquina de succión y transferencia casi continua del petróleo hasta la superficie, considerando que el yacimiento posee una determinada presión, la cual es suficiente para que el petróleo alcance un determinado nivel en el pozo. Se taladra un agujero pequeño y se bombea, o bien se deja que la presión natural, si existe, lo eleve hasta la superficie. En fin, cuando la perforación ha alcanzado la zona petrolífera, se procede a la puesta en servicio del pozo, e instalar el balancín para extraer el petróleo.

JUSTIFICACION:

El petróleo está formado principalmente por hidrocarburos, que son compuestos de hidrógeno y carbono, en su mayoría parafinas, naftenos y aromáticos. Junto con cantidades variables de derivados saturados homólogos del metano (CH4). Su fórmula general es CnH2n+2.

Cicloalcanos o cicloparafinas-naftenos: hidrocarburos cíclicos saturados, derivados del ciclopropano (C3H6) y del ciclohexano (C6H12). Muchos de estos hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con cadenas parafínicas ramificadas. Su fórmula general es CnH2n.

Hidrocarburos aromáticos: hidrocarburos cíclicos insaturados constituidos por el benceno (C6H6) y sus homólogos. Su fórmula general es CnHn.

Alquenos u olefinas: moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace doble de carbono (-C=C-). Su fórmula general es CnH2n. Tienen terminación -"eno".

Dienos: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen dos enlaces

dobles de carbono. Su fórmula general es CnH2n-2.

Alquinos: moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace triple de carbono. Su fórmula general es: CnH2n-2. Tienen terminación -"ino".

Además de hidrocarburos, el petróleo contiene otros compuestos que se encuentran dentro del grupo de orgánicos, entre los que destacan sulfuros orgánicos, compuestos de nitrógeno y de oxígeno. También hay trazas de compuestos metálicos, tales como sodio (Na), hierro (Fe),níquel (Ni), vanadio (V) o plomo (Pb). Asimismo, se pueden encontrar trazas de porfirinas.

Una vez que ya se está sacando el petróleo, se lleva a las refinerías o a barcos cisterna por medio de tubos unidos; esto es lo que se llama oleoducto y a veces mide cientos de kilómetros. En los barcos se lleva a países que lo compran al que lo produce: porque no tienen o porque necesitan más. En las refinerías se separa el petróleo del agua y de otros sedimentos, en las torres de fraccionamiento se lleva a cabo el proceso de destilación fraccionada donde es separado en porciones de hidrocarburos, asi se van obteniendo sus derivados como gasolina, gasóleo, aceites lubricantes, etc. el petróleo tiene muchos usos: como combustible, en el asfalto, productos farmacéuticos, solventes, fibras textiles, nailon, refrigerantes, polímeros como pvc, explosivos y muchos otros. Por esto es tan importante la extracción del petróleo, pues es necesario para la industria y la vida del ser humano.

OBJETIVOS

METODOLOGIA:

El tipo de estudio a utilizar es descriptivo, ya que en este proyecto lo que se busca es analizar como es el mecanismo del balancín petrolero al extraer este poderoso compuesto, y dar a conocer todas sus partes y saber qué función desempeñan en la realización de este proceso; además, se va a detallar minuciosamente la importancia del petróleo en nuestra sociedad actual describiendo sus compuestos y las necesidades que suplen cada uno de ellos.

Para llegar al análisis de este estudio fue necesario buscar información de fuentes secundarias a través de las diferentes páginas de internet que brindan una amplia gama de información.

MARCO TEORICO:

Teoría de mecanismos: Los mecanismos de cuatro barras, se pueden clasificar en dos categorías:

CLASE I: Al menos una de las barras del mecanismo puede realizar una rotación completa (mecanismos de manivela).

CLASE II: Ninguna de las barras del mecanismo puede realizar una rotación completa (mecanismos de balancín).

El teorema de Grashof proporciona un medio para averiguar la clase a la que pertenece un mecanismo articulado de cuatro barras, con sólo conocer sus dimensiones y disposición. Si un cuadrilátero no cumple dicho teorema pertenece a la clase II.

Teorema de Grashof: En un cuadrilátero articulado, al menos una de sus barras actuará como manivela, en alguna de las disposiciones posibles, si se verifica que la suma de las longitudes de las barras mayor y menor es igual o inferior a la suma de las longitudes de las otras dos.

En un cuadrilátero articulado que cumple el teorema de Grashof, además:

A) Si el soporte del mecanismo es la barra menor, las dos barras contiguas a él, actúan de manivelas (mecanismos de doble-manivela). Clase I.

B) Si el soporte del mecanismo es una de las barras contiguas a la menor, la barra menor actúa de manivela y su opuesta de balancín (mecanismos de manivela-balancín). Clase I.

C) Cuando un mecanismo no cumple una de las condiciones anteriores (A o B), las dos barras que giran respecto al soporte, se comportan como balancines (mecanismos de doble-balancín). Clase II.

D) Paralelogramo articulado: Mecanismo donde cada barra es igual a su opuesta (la barra soporte es igual a la biela y la barra conductora es igual a la barra conducida). En este tipo de mecanismos las dos barras contiguas al soporte son manivelas (mecanismos de doble-manivela).

Teoría de Euler-Bernoulli

La teoría de Euler-Bernoulli para el cálculo de vigas es la que se deriva de la hipótesis cinemática de Euler-Bernouilli, y puede emplearse para calcular tensiones y desplazamientos sobre una viga o arco de longitud de eje grande comparada con el canto máximo o altura de la sección transversal.

Para escribir las fórmulas de la teoría de Euler-Bernouilli conviene tomar un sistema de coordenadas adecuado para describir la geometría, una viga es de hecho un prisma mecánico sobre el que se pueden considerar las coordenadas (s, y, z) con s la distancia a lo largo del eje de la viga e (y, z) las coordenadas sobre la sección transversal. Para el caso de arcos este sistema de coordenas es curvilíneo, aunque para vigas de eje recto puede tomarse como cartesiano (y en ese caso s se nombra como x). Para una viga de sección recta la tensión el caso de flexión compuesta esviada la tensión viene dada por la fórmula de Navier:

:

Teoría de Timoshenko

La diferencia fundamental entre la teoría de Euler-Bernouilli y la teoría de Timoshenko es que en la primera el giro relativo de la sección se aproxima mediante la derivada del desplazamiento vertical, esto constituye una aproximación válida sólo para piezas largas en relación a las dimensiones de la sección transversal, y entonces sucede que las deformaciones debidas al esfuerzo cortante son despreciables frente a las deformaciones ocasionadas por el momento flector. En la teoría de Timoshenko, donde no se desprecian las deformaciones debidas al cortante y por tanto es válida también para vigas cortas, la ecuación de la curva elástica viene dada por el sistema de ecuaciones más complejo:

Derivando la primera de las dos ecuaciones anteriores y substituyendo en ella la segunda llegamos a la ecuación de la curva elástica incluyendo el efecto del esfuerzo cortante:

Teorías de falla

Se conocen como teorías de fallo/a o criterios de fallo/a a los criterios usados para determinar los esfuerzos estáticos permisibles en estructuras o componentes de máquinas.  Se utilizan diversas formulaciones, dependiendo del tipo de material que se utiliza.

Materiales dúctiles

Comparación de las superficies de fluencia para los criterios de Von Mises y Tresca en usando las tensiones principales como coordenadas.

Se considera materiales dúctiles a aquellos que pueden deformarse considerablemente antes de llegar a rotura. Para este tipo de materiales existen dos teorías, la teoría de la máxima tensión cortante y la teoría de la máxima energía de distorsión.

Teoría de la tensión tangencial máxima (Criterio de Tresca)

Esta teoría fue propuesta por Henri Tresca, bajo este criterio una pieza resistente o elemento estructural falla cuando en alguno de sus puntos sucede que:

Siendo:

, la tensión de límite elástico del material de la pieza.

, la tensión cortante máxima del punto considerado.

, la mayor y la menor tensión principal en el punto considerado.

Teoría de la máxima energía de distorsión (Criterio de Von Mises)

Este criterio puede considerarse un refinamiento del criterio de Tresca. El criterio de la máxima energía de distorsión fue formulado primeramente por Maxwell en 1865 1  y más tarde también mencionado por Huber2 (1904). Sin embargo, fue con el trabajo de Richard Edler von Mises (1913) que el criterio alcanzó notoriedad, a veces se conoce a esta teoría de fallo elástico basada en la tensión de Von Misescomo teoría de Maxwell-Huber-Hencky-von Mises. La expresión propuesta por Von Mises y Hencky, de acuerdo con este criterio una pieza resistente o elemento estructural falla cuando en alguno de sus puntos la energía de distorsión por unidad de volumen rebasa un cierto umbral:

En términos de tensiones este criterio puede escribirse sencillamente en términos de la llamada tensión de von Mises como:

Donde:

, son las tensiones principales en el punto considerado.

Materiales frágiles

Se dice que un material es frágil cuando es muy poca la deformación que presentan antes de romperse. Para este tipo de materiales existen dos teorías, la teoría del máximo esfuerzo normal y el criterio de falla de Mohr.

Teoría del máximo esfuerzo normal

Propuesta por Rankine, bajo este criterio un material frágil fallará si en alguno de sus puntos sucede que:

Criterio de falla de Mohr

En laboratorio una muestra del material se conforma como una viga en rotación a la cual se aplica un momento flector puro, de forma que el esfuerzo varía de tensión máxima a compresión máxima.

Uso en ingeniería civil

En ingeniería civil se utilizan diversos métodos, también denominados de fallo, consistentes en calcular qué cargas producen el fallo de la estructura, determinando la carga admisible mediante un coeficiente de seguridad. Nótese que estas teorías corresponden a la hipótesis de cargas exteriores estáticas, han de aplicarse otros criterios en el caso de que la situación sea cuasiestática o dinámica.

Teoría del círculo de Mohr para dos dimensiones

Considere un cuerpo sobre el cuál actúa un estado plano de cargas. Consideremos al plano de carga para nuestro sistema al plano xy (ver figura 1), de modo de que no existan esfuerzos en el sentido perpendicular a este (esfuerzos

en z nulos). Adoptamos un elemento triangular donde se supone que los ejes x e y son principales, o sea las tensiones de corte en esos planos son nulas. Esta suposición se hace con el fin de no complicar por demás la matemática siendo el objeto de este desarrollo conocer el desarrollo matemático a fin de ser asociado con el modelo físico:

Fatiga de materiales

En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad, este comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a mediados del siglo XIX comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático; y a desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.

Denominado ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga.

Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia.

La amplitud de la tensión varía alrededor de un valor medio, el promedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo:

El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima y mínima

La amplitud de tensión es la mitad del intervalo de tensiones

El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudes mínima y máxima

Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los de compresión son negativos. Para el caso de un ciclo con inversión completa de carga, el valor de R es igual a -1.

La principal característica del balancín petrolero con bombeo mecánico es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecánico esta compuesto básicamente por las siguientes partes: unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas, bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo). Un equipo de bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático. Un motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de una eje de metal. El otro extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de metal que se mueve hacia arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. El balancín de producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento se asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción o de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.

La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo hacia la superficie. Como en el bombeo mecánico hay que balancear el ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede ubicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la manivela. Otra modalidad es el balanceo neumático, cuya construcción y funcionamiento de la recámara se asemeja a un amortiguador neumático; generalmente va ubicado en la parte delantera del balancín. Este tipo de balanceo se utiliza para bombeo profundo.

 

Equipo de Subsuelo. El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de producción y bomba de subsuelo.

Tubería de Producción. La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se está bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la resistencia, generalmente la tubería de producción es menos crítica

debido a que las presiones del pozo se han reducido considerablemente para el momento en que el pozo es condicionado para bombear.

Cabillas o Varillas de Succión. La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de las mismas en el sistema de bombeo mecánico son: transferir energía, soportar las cargas y accionar la bomba de subsuelo.

Anclas de Tubería. Este tipo esta diseñado para ser utilizados en pozos con el propósito de eliminar el estiramiento y compresión de la tubería de producción, lo cual roza la sarta de cabillas y ocasiona el desgaste de ambos. Normalmente se utiliza en pozos de alta profundidad. Se instala en la tubería de producción, siendo éste el que absorbe la carga de la tubería. Las guías de cabillas son acopladas sobre las cabillas a diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores de un elevado desgaste de tubería.

Bomba de Subsuelo. Es un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual es accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los componentes básicos de la bomba de subsuelo son simples, pero construidos con gran precisión para asegurar el intercambio de presión y volumen a través de sus válvulas. Los principales componentes son: el barril o camisa, pistón o émbolo, 2 o 3 válvulas con sus asientos y jaulas o retenedores de válvulas.

Pintón. Su función en el sistema es bombear de manera indefinida. Esta compuesto básicamente por anillos sellos especiales y un lubricante especial. El rango de operación se encuentra en los 10K lpc y una temperatura no mayor a los 500°F.

Equipos de Superficie. La unidad de superficie de un equipo de bombeo mecánico tiene por objeto transmitir la energía desde la superficie hasta la profundidad de asentamiento de la bomba de subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el fondo hasta la superficie. Estas unidades pueden ser de tipo balancín o hidráulicas. Los equipos que forman los equipos de superficie se explican a continuación:

Unidad de Bombeo (Balancín). Es una máquina integrada, cuyo objetivo es de convertir el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad apropiada con la finalidad de accionar la sarta de cabillas y la bomba de subsuelo. Algunas de las características de la unidad de balancín son:

PREDISEÑO Y MONTAJE:

Partes:

· Motor.· Manivela.· Contrapeso.· Balancín.· Cabezote.· Rienda.· Vástago pulido.· Prensa estopa.· Cabezal.· Tubería de educción.· Varilla de succión.· Revestidor.· Válvula viajera.· Bomba.· Válvula fija.· Yacimiento.

MONTAJE:

RECURSOS

Físicos: madera, goma, puntillas, hilo nailon, hoja de lija, tazón, agua, energía, tubos plásticos, pintura aerosol negra, cadena, motor de máquina de coser, bomba.

Humanos: Laura Blanco, katherine Solano, Carol Padilla, Jeiner De león y el ebanista.

PRESUPUESTO

Presupuesto financiero

Und. Descripción Valor und. total1 Pie de madera 15000 150001 Pote de goma 3000 30001 Caja de puntillas 3500 35001 Rollo de hilo nailon 1000 10003 Hojas de lija 380 1000 30001 Base de madera 15000 150001 Tazón 1000 100016 Pasajes para realizar el trabajo 1600 256001 bomba 5000 50001 Tubo plástico 3000 30001 Pintura en aerosol negra 6000 60001 cadena 20000 200001 Motor de máquina de coser 20000 20000

Total 121.100

Presupuesto de producción

1 Ebanista 50000Total 50.000

CRONOGRAMA

anteproyecto

nombre del proyecto

antecedentes del prolema

planteamiento del prolema

prolema

justificacion

objetivos

metodologia

marco teorico

prediseño

recursos

presupuesto

cronograma

bibliografia

26/03/2012 31/03/2012 05/04/2012 10/04/2012 15/04/2012 20/04/2012

CIBERGRAFIA:

http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/teoria-de-maquinas/practicas-1/p3.pdf http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/colibri/cuentos/arte4/htm/sec_2.htm http://www.muchapasta.com/b/var/Importancia%20petroleo.php http://www.mitecnologico.com/Main/MarcoTeorico http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/

123456789/2232/1/1212_2004_ESIME-ZAC_MAESTRIA_balanza_chavarria_juliocesarj.pdf http://blogpetrolero.blogspot.com/2009/06/bombeo-mecanico-diseno.html