bombeo mecanico El bombeo mecnico es un procedimiento de succin
y transferencia casi continua del petrleo hasta la superficie. La
unidad de superficie imparte el movimiento de sube y baja a lasarta
de varillas de succin que mueve el pistn de la bomba,colocada en la
sarta de produccin, a cierta profundidad del fondo del pozo. Este
mtodo consiste fundamentalmente en una bomba de subsuelo de accin
reciprocante, abastecida con energa suministrada a travs de una
sarta de varillas. La energa proviene de un motor elctrico o de
combustin interna, la cual moviliza una unidad de superficie
mediante un sistema de engranajes y correas. El Bombeo Mecnico
Convencional tiene su principal aplicacin en el mbito mundial en la
produccin de crudos pesados y extra pesados, aunque tambin se usa
en la produccin de crudos medianos y livianos. No se recomienda en
pozos desviados y tampoco es recomendable cuando la produccin de
slidos y/o la relacin gas lquido sea muy alta, ya que afecta
considerablemente la eficiencia de la bomba. Componentes de un
Sistema de Bombeo Mecnico1. 2. 3. 4. 5. El Motor Equipo de bombeo
de superficie: Estructura y balancn; Motor; Caja reductora. Tubera
o tubing Sarta de varillas Bomba de Subsuelo
Motor de la Unidad de Bombeo Mecnico La funcin del motor de la
Unidad de Bombo Mecnico es suministrar a la instalacin energa
mecnica la cual eventualmente es transmitida a la bomba y usada
para levantar el fluido. El motor seleccionado para una instalacin
debe tener suficiente potencia de salida para levantar el fluido a
la tasa deseada desde el nivel de fluido de trabajo en el pozo.
Estructura del Balancn Petrolero Este componente se encarga de
soportar los componentes de superficie del sistema de bombeo
mecnico, tambin se encarga de transfiere energa para el bombeo del
pozo desde el motor hacia la parte superior de las varillas,
haciendo que este deba cambiar el movimiento rotatorio del motor a
un movimiento reciprocante. Caja reductora de velocidad Este
dispositivo permite cambiar por medio de engranajes la alta
velocidad angular entregada por el motor a un mayor torque
suficiente para permitir el movimiento del balancn (como en el
campo de Unipetro ABC). Vastago pulido - Varilln pulido La relacin
directa entre la sarta de varillas y el equipo de superficie es el
varillon pulido o
vstago pulido. Los vstagos pulidos estn disponibles en tres
tamaos, el tamao para cualquier instalacin depende del tamao del
tubing y del dimetro de las varilla de succin en el tope de la
sarta de varillas. Otros componentes de superficie del Bombeo
Mecnico Cerca del final superior del varillon pulido esta una
abrazadera del varillon el cual es soportado por barra cargadora.
La barra cargadora a su vez es soportada por cables flexibles
conocidos como riendas que pasan por encima del cabezal del balancn
(horse head) hasta el final del balancn (walking beam). Balancin
Petrolero El balancn petrolero (walking beam) es soportado cerca
del centro de gravedad por una estructura llamada el poste maestro
(Sampson Post); el movimiento es transmitido al walking bem por la
viela (Pitman) y este a su vez es movido por el crack. La distancia
entre la unin de crack y la viela determina la longitud de la
carrera del varillon. Funcion del Balancin Petrolero La principal
funcin es almacenar energa en al carrera descendente, y entregar
energa en la carrera ascendente. Equipos de subsuelo Sarta de
Varillas Transmite energa desde el equipo de superficie hacia la
bomba de subsuelo. Las varillas soportan el peso del fluido adems
de su propio peso. Bomba de Subsuelo Las funciones de la bomba son:
Recibir el fluido desde la formacin hacia dentro de la sarta de
produccin. Levantar el fluido hacia la superficie .
Componentes principales de la bomba de subsuelo Barril de
trabajo Pistn Stading valve (vlvula estacionaria) Traveling valve
(vlvula viajera)
Funcionamiento de una bomba de subsuelo La vlvula estacionaria
permite que el petroleo entre al cilindro de la bomba. En la
carrera descendente de las varillas, la vlvula fija se cierra y se
abre la vlvula viajera para que el petrleo pase de la bomba a la
tubera. En la carrera ascendente, la vlvula viajera se cierra para
mover hacia la superficie el petrleo que est en la tubera y la
vlvula viajera permite que entre petrleo a la bomba. La repeticin
continua del movimiento ascendente y descendente mantiene el
flujo.
Carrera efectiva del pistn El volumen de petrleo manejado
durante cada stroke del pistn de la bomba no depende de la longitud
de la carrera del vstago pulido si o del movimiento relativo del
pistn en el working barrel. Las carreras del pistn y del vstago
pulido difieren debido a que las varillas y el tubing se estiran,
por el sobreviaje del pistn debido a la aceleracin. La carga del
fluido es transmitida alternadamente puesto que la vlvula
estacionaria y la viajera se abren y cierran durante el ciclo de
bombeo originando deformaciones en las varillas y tubing. En la
carrera descendente la vlvula estacionaria est cerrada y la viajera
abierta. En la carrera ascendente la vlvula viajera se cierra y la
estacionaria se abre. Cargas del vstago pulido Cinco factores
contribuyen a la carga neta del vstago pulido: Carga del fluido.
Peso muerto de las varillas de succin. Aceleracin de la carga de
las varilla de succin. Fuerzas de flotacin sobre las varillas de
succin sumergidas en el fluido. Fuerzas de friccin.
Desplazamiento de la Bomba y Tasa de Produccin del Sistema de
Bombeo Mecnico Pozos con condiciones gaseosas o liquidas espumosas
frecuentemente tendran un 25 % a 50% de eficiencia. Pozos gaseosos
con clara separacin de gas de formacin en el hueco tendran de 50% a
70%. Para pozos con buena separacin en el hueco y amplia
sumergencia de la bomba, las eficiencias serian de 70 % a 80 % .
Para pozos con nivel alto de fluido y con no interferencia de gas,
la eficiencia volumtrica puede alcanzar hasta 100%.
Ventajas y desventajas del Sistema de Bombeo Mecnico de Petrleo
Ventajas del Sistema de Bombeo Mecnico de Petrleo Fcil de operar y
de hacer mantenimiento Se puede cambiar fcilmente de rate de
produccin por cambio en la velocidad de bombeo o stroke. Puede
bombear el pozo a una muy baja presin de entrada para obtener la
mxima produccin. Usualmente es la ms eficiente forma de
levantamiento artificial. Se puede fcilmente intercambiar de
unidades de superficie. Se puede usar motores a gas como movedores
primarios si la electricidad no esta disponible. Se puede usar la
bomba con el control apagado para minimizar la carga del fluido,
costos de electricidad y las fallas de varilla. Puede ser
monitoreada remotamente con un sistema de control de supervisin de
bomba. Se puede usar computadoras modernas de anlisis dinamomtrico
para la optimizacin del sistema.
Desventajas del Sistema de Bombeo Mecnico de Petrleo Es
problemtico en pozos con alta desviacin. No puede ser usada en
pozos off shore por los grandes equipos de superficie y la limitada
capacidad de produccin es comparada con otros mtodos.
No puede funcionar con excesiva produccin de arena. La
eficiencia volumtrica cae drsticamente cuando se tiene gas libre.
El rate de produccin cae con la profundidad comparado con otros
mtodos de levantamiento artificial Es obstrusivo en reas
urbanas.
bombeo mecanico Es uno de los mtodos de produccin ms utilizados
(80-90%), el cual su principal caracterstica es la de utilizar una
unidad de bombeo para transmitir movimiento a la bomba de subsuelo
a travs de una sarta de cabillas y mediante la energa suministrada
por un motor. Los componentes del bombeo mecnico esta compuesto
bsicamente por las siguientes partes: unidad de bombeo, motor
(superficie), cabillas, bomba de subsuelo, anclas de tubera, tubera
de produccin (subsuelo). Un equipo de bombeo mecnico (tambin
conocido como balancn o cigea) produce un movimiento de arriba
hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una
perforacin. Las bombas sumergibles bombean el petrleo de manera
parecida a una bomba que bombea aire a un neumtico. Un motor,
usualmente elctrico, gira un par de manivelas que, por su accin,
suben y bajan un extremo de una eje de metal. El otro extremo del
eje, que a menudo tiene una punta curva, est 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, est unida a una bomba de
profundidad en un pozo de petrleo. El balancn de produccin, que en
apariencia y principio bsico de funcionamiento se asemeja al
balancn de perforacin a percusin, imparte el movimiento de sube y
baja a la sarta de varillas de succin que mueve el pistn de la
bomba, colocada en la sarta de produccin o de educcin, a cierta
profundidad del fondo del pozo. La vlvula fija permite que el
petrleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de
las varillas, la vlvula fija se cierra y se abre la vlvula viajera
para que el petrleo pase de la bomba a la tubera de educcin. En la
carrera ascendente, la vlvula viajera se cierra para mover hacia la
superficie el petrleo que est en la tubera y la vlvula fija permite
que entre petrleo a la bomba. La repeticin continua del movimiento
ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo hacia la
superficie. Como en el bombeo mecnico hay que balancear el ascenso
y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede ubicarse en
la parte trasera del mismo balancn o en la manivela. Otra modalidad
es el balanceo neumtico, cuya construccin y funcionamiento de la
recmara se asemeja a un amortiguador neumtico; generalmente va
ubicado en la parte delantera del balancn. 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 tuberas
de produccin y bomba de subsuelo.
Tubera de Produccin. La tubera de produccin tiene por objeto
conducir el fluido que se esta bombeando desde el fondo del pozo
hasta la superficie. En cuanto a la resistencia, generalmente la
tubera de produccin es menos crtica 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 Succin.
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 mecnico son:
transferir energa, soportar las cargas y accionar la bomba de
subsuelo. Las principales caractersticas de las cabillas son: a) Se
fabrican en longitudes de 25 pies, aunque tambin pueden
manufacturarse de 30 pies. b) Se dispone de longitudes de 1, 2, 3,
4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general niples de cabilla
que se utilizan para complementar una longitud determinada y para
mover la localizacin de los cuellos de cabillas, a fin de
distribuir el desgaste de la tubera de produccin. c) Se fabrican en
dimetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas. De acuerdo a las
especificaciones de la API, las cabillas de acero slido es del tipo
de cabillas ms utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus
extremos son forjados para acomodar las roscas, un diseo que desde
1926 no ha cambiado hasta la fecha. Todos los efectos negativos
inciden en la vida til de las uniones de las cabillas de succin, y
hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la
cabilla, lo cual es ocasionado por un incorrecto enrosque de la
misma. Entre las principales fallas podemos encontrar: tensin,
fatiga y pandeo. En la produccin de crudos pesados por bombeo
mecnico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se
presenta este tipo de problema (pandeo), la corta duracin de los
cuellos y la tubera debido al movimiento reciproco-vertical o
reciprocante (exclusivo en el bombeo mecnico) del cuello en
contacto con la tubera causando un desgaste o ruptura de ambas.
Para el pandeo (Buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2
centralizadores por cabilla segn sea la severidad. Hay cabillas que
tienen centralizadores permanentes. Entre los tipos de cabillas que
existen en el mercado estn: Electra, Corod (continua) y fibra de
vidrio. Las cabillas continuas (Corod) fueron diseadas sin uniones
para eliminar totalmente las fallas en el PIN (macho) y la hembra
para incrementar la vida de la sarta. La forma elptica permite que
una gran sarta de cabillas sea enrollada sobre rieles especiales de
transporte sin daarlas de manera permanente. Otra ventaja de este
tipo de varilla es su peso promedio ms liviano en comparacin a las
API.
Ventajas a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la
posibilidad de fallas por desconexin. b) La falta de uniones y
protuberancias elimina la concentracin de esfuerzos en un solo
punto y consiguiente desgaste de la unin y de la tubera de
produccin. c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los
efectos de flotabilidad de cabillas. Desventajas a) Presentan
mayores costos por pies que las cabillas convencionales. b) En
pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubera, la
reparacin de la misma requiere de la entrada de una cabria
convencional. Anclas de Tubera. Este tipo esta diseado para ser
utilizados en pozos con el propsito de eliminar el estiramiento y
compresin de la tubera de produccin, 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 tubera de produccin,
siendo ste el que absorbe la carga de la tubera. Las guas de
cabillas son acopladas sobre las cabillas a diferentes
profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias
anteriores de un elevado desgaste de tubera. Bomba de Subsuelo. Es
un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual es
accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los
componentes bsicos de la bomba de subsuelo son simples, pero
construidos con gran precisin para asegurar el intercambio de
presin y volumen a travs de sus vlvulas. Los principales
componentes son: el barril o camisa, pistn o mbolo, 2 o 3 vlvulas
con sus asientos y jaulas o retenedores de vlvulas. Pintn. Su
funcin en el sistema es bombear de manera indefinida. Esta
compuesto bsicamente por anillos sellos especiales y un lubricante
especial. El rango de operacin se encuentra en los 10K lpc y una
temperatura no mayor a los 500F. Funciones de la Vlvula a)
Secuencia de operacin de la vlvula viajera: permite la entrada de
flujo hacia el pistn en su descenso y posteriormente hacer un sello
hermtico en la carrera ascendente permitiendo la salida del crudo
hacia superficie. b) Secuencia de operacin de la vlvula fija:
permite el flujo de petrleo hacia la bomba, al iniciar el pistn su
carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del sistema
bombatubera, cuando se inicia la carrera descendente del pistn.
Equipos de Superficie La unidad de superficie de un equipo de
bombeo mecnico tiene por objeto transmitir la energa 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 balancn o
hidrulicas. Los equipos que forman los equipos de superficie se
explican a continuacin: Unidad de Bombeo (Balancn). Es una mquina
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 caractersticas de la unidad de balancn
son:
a) La variacin de la velocidad del balancn con respecto a las
revoluciones por minuto de la mquina motriz. b) La variacin de la
longitud de carrera. c) La variacin del contrapeso que acta frente
a las cargas de cabillas y fluidos del pozo. Para la seleccin de un
balancn, se debe tener los siguientes criterios de acuerdo a la
productividad y profundidad que puede tener un pozo: Productividad
a) Los equipos deben ser capaces de manejar la produccin
disponible. b) Los equipos de superficie deben soportar las cargas
originadas por los fluidos y equipos de bombeo de pozo. c)
Factibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie
adecuada. Profundidad a) La profundidad del pozo es un factor
determinante de los esfuerzos de tensin, de elongacin y del peso.
b) Afecta las cargas originadas por los equipos de produccin del
pozo. c) Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de
subsuelo de largos recorridos. La disponibilidad de los balancines
va a depender fundamentalmente sobre el diseo de los mismos. Los
balancines sub-diseados, limitan las condiciones del equipo de
produccin y en consecuencia la tasa de produccin del pozo. Los
balancines sobrediseados, poseen capacidad, carga, torque y carrera
estn muy por encima de lo requerido y pueden resultar muchas veces
antieconmicos. Clasificacin de los Balancines Balancines
convencionales. Estos poseen un reductor de velocidad (engranaje)
localizado en su parte posterior y un punto de apoyo situado en la
mitad de la viga. Balancines de geometra avanzada. Estos poseen un
reductor de velocidad en su parte delantera y un punto de apoyo
localizado en la parte posterior del balancn. Esta clase de
unidades se clasifican en balancines mecnicamente balanceados
mediante contrapesos y por balancines balanceados por aire
comprimido. Los balancines de aire comprimido son 35% ms pequeas y
40% mas livianas que las que usan manivelas. Se utilizan
frecuentemente como unidades porttiles o como unidades de prueba de
pozo (costafuera).
9HUOEXPFRPSOHWR Caractersticas de las Unidad de Bombeo
Convencional
Balanceada por aire
Mark II
1. Muy eficiente 2. Muy confiable debido a su diseo simple 3. La
ms econmica
1. La de menor eficiencia 2. La ms compleja de las unidades 3.
La ms costosa
1. Muy eficiente 2. Igual que la convencional 3. Moderadamente
costosa
Diseo de Equipos de Bombeo Mecnico Es un procedimiento analtico
mediante clculos, grficos y/o sistemas computarizados para
determinar el conjunto de elementos necesarios en el levantamiento
artificial de pozos accionados por cabilla. La funcin de este
procedimiento es seleccionar adecuadamente los equipos que
conforman el sistema de bombeo mecnico a fin de obtener una
operacin eficiente y segura con mximo rendimiento al menor costo
posible. Paso 1: se debe seleccionar el tamao de la bomba, el
dimetro ptimo del pistn, bajo condiciones normales. Esto va a
depender de la profundidad de asentamiento de la bomba y el caudal
de produccin (Ver Tabla 1). Nota: Todas las tablas y grficas los
colocar al final de este post para que puedan ser descargados. Paso
2: La combinacin de la velocidad de bombeo (N) y la longitud de la
carrera o embolada (S), se selecciona de acuerdo a las
especificaciones del pistn. Se asume una eficiencia volumtrica del
80%. (Ver grfico 1). Paso 3: Se debe considerar una sarta de
cabillas (se debe determinar el porcentaje de distribucin si se usa
ms de dos dimetros de cabilla) y el dimetro de pistn, se determina
un aproximado de la carga mxima para el sistema en estudio. (Ver
grfico 2). Paso 4: Chequear el valor de factor de impulso para la
combinacin velocidad de bombeo (N) y longitud de carrera (S)
establecidos en el Paso 2 (Ver Tabla 2). Paso 5: Clculo de la carga
mxima en la barra pulida. Para este propsito ser necesario obtener
cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los
pasos previos. Primero se determinar el peso de las cabillas por
pie y la carga del fluido por pie. (Ver Tabla 3). Ahora se calcula
el peso de las cabillas en el aire (Wr), la carga dinmica en las
cabillas (CD) y la carga del fluido (CF) a la profundidad objetivo.
Wr = peso cabillas (lb/ft) x Prof. (ft) CD = F.I. x Wr (lb)
-----> Donde F.I. (Factor de Impulso) CF = peso fluido (lb/ft) x
Prof. (ft) Carga mxima barra pulida = CD + CF Paso 6: Clculo de la
carga mnima de operacin (CM), el contrabalanceo ideal y torque
mximo. CM = Disminucin de la carga debido a la aceleracin (DC)
fuerza de flotacin (FF) DC = Wr x (1-C) -----> Donde C = (N^2 x
S)/70500 FF = Wr x (62,5/490) -----> Valor constante Para el
contrabalanceo ideal se debe proporcionar suficiente efecto de
contrabalanceo para darle suficiente valor de carga, el cual va a
ser el promedio entre el mximo (carga mx. barra pulida) y el mnimo
recin calculado. Entonces,
Contrabalanceo ideal = promedio de carga (entre mx. y min) la
carga mnima. Torque mx. = Contrabalanceo ideal x Punto medio de la
longitud de carrera (S/2). Paso 7: Estimacin de poder del motor
elctrico. Conocida la profundidad de operacin, API del crudo y el
caudal requerido de produccin, se obtiene una constante que es
multiplicada por el caudal de produccin (Ver grfico 3). Este valor
obtenido son los HP necesarios justos para levantar el caudal
requerido. Lo que se recomienda es que este valor obtenido se
incremente de 2 a 2,5 veces para tener un factor de seguridad. Paso
8: Clculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de P
sera el valor de caudal de produccin si la bomba trabaja al 100% de
eficiencia. El diseo de la bomba debe tener al menos el 80% de
eficiencia. En crudos pesados debe tener un mximo de 18
strokes/minutos (promedio 15 API). P = C S N P = Desplazamiento de
la bomba C = Constante de la bomba, depende del dimetro del pistn N
= Velocidad de bombeo (SPM) Paso 9: Profundidad de asentamiento de
la bomba (Mtodo Shell, Ver Tabla 3). Esto depender enormemente de
la configuracin mecnica del pozo. Si este mtodo no cumple, por lo
general se asienta a 60 o 90 pies por encima del colgador. Otras
bibliografas hacen referencia que se asienta 300 pies por debajo
del nivel de fluido. Para descargar las tablas y grficas para
realizar el diseo del bombeo mecnico haz clic en el
siguienteenlace.Fragmentos de textos tomados de: Curso de
Conocimientos Avanzados de Produccin. L. Arditi Bombeo Mecnico
Schlumberger Seed.
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