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BOMBEOROD MECÁNICO (SUCKER PUMP)
Capítulo 2
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2.1 INTRODUCCIÓN
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El bombeo mecánico es el método de producción primaria elevación artificial del fluido que se mediante encuentra en el pozo y que por falta de energía no puede surgir a superficie. Es uno de los métodos más utilizados a nivel mundial (80-90%). Consiste en una bomba de subsuelo de acción reciprocante es de abastecida transmitida aque través una sartacon de energía varillas (cabillas). La energía proviene de un motor eléctrico o de combustión interna, la cual moviliza a una unidad de superficie mediante un sistema de engranaje y correas.
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Aplicaciones del Bombeo Mecánico: Pozos de profundidades hasta 8000 pies. Pozos de crudos extrapesados, pesados, medianos y livianos. No es recomendable aplicar en pozos que producen altos volúmenes de gas. Puede realizar levantamientos de crudos a altas temperaturas, así como de fluidos viscosos. http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BOMBEO MECÁNICO VENTAJAS Costos bajos de implementación. Con la ayuda de simuladores, es muy fácil el análisis y diseño de las instalaciones. Puede ser usado prácticamente durante toda la vida productiva del pozo. La capacidad de bombeo puede ser cambiada fácilmente para adaptarse a las variaciones del índice de productividad, IPR. Puede producir intermitentemente mediante el uso de temporizadores (POC`s) o variadores de frecuencia conectados a una red automatizada.
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VENTAJAS (cont.) Los componentes son fácilmente intercambiables. Puede ser utilizado en la producción de pozos con inyección a vapor. Independencia de los componentes de superficie. Instalación simple y rápida. Disponibilidad de bombas sub superficiales en diferentes tamaños y materiales. Relativamente bajo mantenimiento, larga vida y bajos costos para reparación de bombas. http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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DESVENTAJAS Susceptible de presentar bloqueo por excesivo gas libre en la bomba. En pozos desviados la fricción entre las varillas y la tubería puede producir fallas en el material. La unidad de superficie es pesada, necesita mucho espacio para su instalación y no es acorde al medio ambiente. En sitios poblados puede representar un peligro para las personas. Cuando no se usan varillas de fibra de vidrio la profundidad puede ser una limitante.
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2.3 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO
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1. Bomba sub superficial impulsada por varillas (Pump). 2. La sarta de varillas de succión que transmite el movimiento de bombeo superficial y la potencia a la bomba
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superficial (Sucker Rod). 3. El equipo superficial de bombeo que cambia el movimiento rotatorio del motor principal al movimiento oscilatorio lineal.
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4. La unidad de transmisión de potencia o reducción de engranes (Gear Box). 5. El motor principal que proporciona la potencia (Motor).
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2.4 DESCRIPCIÓN GENERAL DE FUNCIONAMIENTO
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El 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.
2. La bomba sumergible bombea el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático. 3. Un motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de un eje de metal.
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4. 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. 5. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. 6. El balancín de producción, 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. http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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7. 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. 8. 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. 9. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo hacia la superficie. http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
Válvula viajera Válvula fija
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10. 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. 11. 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.
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EQUIPO SUPERFICIAL Y EQUIPO SUB SUPERFICIAL Ca pitulo 2 Bombe o Me c a nic o - slide pdf.c om
Equipo Superficial
Equipo Sub superficial
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COMPONENTES: En general el equipo sub superficial está compuesto por: Tubería de Producción. Varillas. Bomba sub superficial. Anclaje de la bomba. Filtro de gas.
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2.5 EQUIPO SUB SUPERFICIAL
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2.5.1 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.
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2.5.2 VARILLAS DE SUCCIÓN (CABILLAS)
La sarta de varillas 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.
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VARILLAS DE SUCCIÓN (cont.) Las principales características de las varillas son: a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también pueden manufacturarse de 30 pies. b) Se de longitudes 2, 3, 4,“niples 6, 8, 10de y 12 dispone pies denominados porde lo 1, general varilla” que se utilizan para complementar una longitud determinada y para mover la localización de los cuellos de varillas, a fin de distribuir el desgaste de la tubería de producción. a) Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1 1/8 de pulgadas.
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VARILLAS DE SUCCIÓN (cont.) De acuerdo a las especificaciones de la API, las varillas de acero sólido es del tipo de varillas más utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados para acomodar las roscas, un diseño que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha. Todos los efectos negativos inciden en la vida útil de las uniones de las varillas de succión, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga mismaen los pines de la varilla se deba a un incorrecto enrosque de la
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VARILLAS DE SUCCIÓN (cont.) Entre las principales fallas podemos encontrar: tensión, fatiga y pandeo. En la producción de crudos pesados por bombeo mecánico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este tipo de problema (pandeo), la corta duración de los cuellos y la tubería debido al movimiento reciproco-vertical o reciprocante (exclusivo en el bombeo mecánico) del cuello en contacto con la tubería causando un desgaste o ruptura de ambas.
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VARILLAS DE SUCCIÓN (cont.) Para el pandeo (Buckling de varillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por varilla según sea la severidad. Hay varillas que tienen centralizadores permanentes. Entre los tipos de varillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y fibra de vidrio. Las varillas continuas (Corod) fueron diseñadas sin uniones para eliminar totalmente las fallas en el PIN (macho) y la hembra para incrementar la vida de la sarta. La forma elíptica permite que una gran sarta de varillas sea enrollada sobre rieles especiales de transporte sin dañarlas de manera permanente. Otra ventaja de este tipo de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API. http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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VARILLAS DE SUCCIÓN (cont.) Ventajas de las varillas continuas COROD a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión. b) La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción. c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de varillas.
Desventajas de las varillas continuas COROD a) Presentan mayores costos por pies que las varillas convencionales.
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VARILLAS DE SUCCIÓN (cont.) Varillas telescópicas
Los diseños de sarta de varillas pueden ser de diámetro uniforme o combinado, siendo este último el más utilizado. La idea de realizar diseños con sartas telescópicas es reducir el peso total de la sarta de varillas y de esa manera disminuir la carga en la unidad de bombeo en superficie. Comúnmente, se usan dos o tres diámetros de varillas, laslascombinaciones típicas de diámetros de varillayen sartas telescópicas son: - varillas de 3/4 y 5/8 plg. - varillas de 7/8 y 3/4 plg. - varillas de 1 y 7/8 plg. - varillas de 7/8, 3/4 y 5/8 plg -
varillas de 1, 7/8 y 3/4 plg
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VARILLAS DE SUCCIÓN (cont.) Varillas telescópicas (cont.)
Para facilitar el diseño de las satas telescópicas se consideran frecuentemente las cargas estáticas en lugar de los esfuerzos dinámicos. Se utiliza generalmente uno de los dos criterios posibles: que el esfuerzo en la varilla superior de cada diámetro de varilla debe ser el mismo a través de toda la sarta, o el esfuerzo en la varilla superior del juego de varillas más pequeñas (más profundas) debe ser el más alto (es decir, 30,000 2
lb/plg ) y losen esfuerzos deben disminuir progresivamente las varillas superiores de los juegos más altos.
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FLOTACIÓN EN LA SARTA DE VARILLAS Ca pitulo 2 Bombe o Me c a nic o - slide pdf.c om
PDP = presión de descarga de la bomba, psi PIP = presión de admisión de la bomba, psi PPRL = carga máxima en la barra pulida, lbs MPRL = carga mínima en la barra pulida, lbs http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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PDP = presión de descarga de la bomba, psi PIP = presión de admisión de la bomba, psi PPRL = carga máxima en la barra pulida, lbs MPRL = carga mínima en la barra pulida, lbs http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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PDP = presión de descarga de la bomba, psi PIP = presión de admisión de la bomba, psi PPRL = carga máxima en la barra pulida, lbs MPRL = carga mínima en la barra pulida, lbs http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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ACCIONES PARA EVITAR LA FLOTACIÓN
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2.5.3 BOMBA SUB SUPERFICIAL Es una bomba de pistón de desplazamiento positivo y reciprocante, desde su profundidad de instalación hasta la superficie, que funciona por diferenciales de presión mediante bolas y asientos (válvulas), para permitir la entrada y sello de fluido en ciclos periódicos sincronizados. Está compuesta por: Barril o cilindro de la bomba (camisa). Embolo o pistón. Válvula viajera. Válvula fija y asiento. Anclaje o zapata. http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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1. BARRIL O CILINDRO DE LA BOMBA
Es una pieza cilíndrica pulida en la cual se almacena el fluido 2. EMBOLO O PISTON Es el elemento movible dentro de la bomba. Su diámetro determina la capacidad de desplazamiento y su resistencia es menor que el que la del cilindro Su función en el sistema es bombear de manera indefinida. Esta compuesto básicamente por anillos y sellos especiales y un lubricante especial. El rango de operación se encuentra en los 10K psi y una temperatura no mayor a los 500°F. 3. VALVULA VIAJERA Esta ubicada en el pistón, el tipo bola y asiento, permite la entrada de flujo del barril hacia el pistón en su descenso y posteriormente hacer un sello hermético en la carrera ascendente permitiendo la salida del crudo hacia superficie http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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4. VALVULA FIJA DE TIPO BOLA Y ASIENTO Permite el flujo de petróleo desde el pozo hasta el barril de la bomba, al iniciar el pistón su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del sistema bomba-tubería, cuando se inicia la carrera descendente del pistón 5. O ZAPATA EsANCLAJE la combinación de las partes reunidas inferiormente para obtener el anclaje de la bomba y efectuar un sello hermético.
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6. FILTRO DE GAS
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Consiste en undetubo ranurado o perforado, colocado bajo la zapata anclaje. Su objetivo es separar gas/liquido antes de la entrada del fluido a la bomba.
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Ciclo de Bombeo dey bajada: - Carrera La bomba el tubing están llenos de fluido - El pistón está en la parte superior; la válvula viajera está cerrada. - El peso de la columna de fluido por encima de la bomba es arrastrada por la sarta de varillas - El peso de la columna de fluido cierra la válvula fija - El barril está total o parcialmente lleno de fluido. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, la válvula viajera se desplaza y el fluido que está en el barril ingresa al tubing (a y b)
Carrera de subida: - La válvula viajera se cierra, simultáneamente se abre la válvula fija (poco) - Cuando la presión interna excede la presión del barril, el fluido de formación ingresa al barril (d) http://slide pdf.c om/re a de r/full/c a pitulo-2-bombe o-me c a nic o
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Clasificación de las bombas Bomba de Tubería: Se instalan en la tubería y el cilindro es parte integral de la misma. Su mayor aplicación está en los pozos de alta productividad, con profundidades menores a 4500 pies y donde las condiciones de producción no son severas, es decir, hay baja producción de gas y pocos fluidos abrasivos y corrosivos.
Bomba de Varilla o insertable: Se instala en los pozos, mediante el uso de la sarta de varillas y sin necesidad de extender tubería. Se aplican en pozos da moderada y baja productividad y profundidades de hasta 7000 pies aproximadamente. Su remoción y reparación es mas económica que la de las bombas de tuberías. Pueden ser ancladas por el fondo, el tope o por ambos extremos de la bomba.
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2.6 EQUIPO SUPERFICIAL
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COMPONENTES: En general el equipo sub superficial está compuesto por: 7
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Motor.
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2. Caja de engrane (transmisión).
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3.
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Manivela
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4. Pesas o contrapeso 5. Prensa estopa
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6. Vástago (varilla) pulido 7. Unidad de bombeo (balancín)
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2.6.1 MOTOR
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Es el encargado de suministra la energía necesaria a la unidad de bombeo para levantar los fluidos de pozo. Los motores ser combustión internapueden o eléctricos.
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de
Los motores de combustión interna pueden ser de baja o alta velocidad; los de baja velocidad operan entre 200 y 600 rpm y poseen un cilindro, los de alta velocidad funcionan entre 800 y 1400 rpm. En la actualidad el tipo de motor mas utilizado en la industria petrolera es el motor eléctrico, este posee también una velocidad constante (baja velocidad ) y una potencia que varia entre 5 y 100 hp. En el motor de velocidad variable (alta velocidad) la potencia varía entre los 10 y 200 hp; este ultimo utilizado para alto desplazamiento.
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2.6.2 CAJA DE ENGRANE Se utiliza para convertir energía del momento de rotación, sometidas a altas velocidades del motor primario, a energía de momento de rotación alto de baja velocidad. La maquina
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motriz se conecta al reductor de velocidad (caja de engranaje) mediante una correa. El reductor de velocidad puede ser: simple, doble o triple. El reductor doble es el más usado.
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2.6.3 MANIVELA Es la responsable de trasmitir el movimiento de la caja de engranaje o transmisión a la biela del balancín, que esta unida a ellos por pines sujetos al eje de baja velocidad de la caja de engranajes. Cada una de
4
3 1
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ellos tiene un número igual una de orificios, los cuales representan determinada carrera del balancín, en ellos se colocan los pines de sujeción de las bielas. El cambio de pines de un hueco a otro se llama cambio de tiro.
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2.6.4 CONTRAPESO Se utiliza para balancear las fuerzas desiguales que se originan sobre el motor durante a las carreras ascendente y descendente del balancín a fin de reducir la potencia
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máxima efectiva y el generalmente, momento de rotación. Estas pesas se colocan en la manivela y en algunas unidades sobre la viga principal, en el extremo opuesto a la cabeza del balancín.
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2.6.5 PRENSA ESTOPA
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Consiste en una cámara cilíndrica que contienen los elementos de empaque que se ajustan a la barra
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pulida permitiendo sellar pulida el espacio existente entre la barra y la tubería de producción, para evitar el derrama de crudo producido.
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2.6.6 BARRA PULIDA
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3
Tubería fabricada de material resistente, generalmente se encuentran de diámetros de 1 1/4 y
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1pies. ½ pulgadas y longitud de 15 y 22 Se encarga de soportar el peso de la sarta de varillas, de la bomba y del fluido dentro de la tubería.
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Unidad de Bombeo
2.6.7 BALANCÍN Su función principal es proporcionar el movimiento reciprocante apropiado, con el propósito de accionar la sarta de varillas y estas, la bomba de subsuelo. Mediante la acción de correas y engranajes se logra reducir las velocidades de rotación.
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El movimiento rotatorio resultante se trasforma en uno reciprocante, a través de la manivela, la biela y el propio balancín. Se puede decir también que el 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 varillas y la bomba de subsuelo
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Unidad de Bombeo
FUNCIONES DEL BALANCÍN
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(Unidad de Bombeo) a) La variación de la velocidad del balancín con respecto a las revoluciones por minuto de la máquina motriz. b) La variación de la longitud de carrera.
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c) La variación del contrapeso que actúa laspozo. cargas de varillas frente y fluidosa del
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CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL BALANCÍN (Unidad de Bombeo) Productividad
Profundidad
a) Los equipos deben ser capaces de manejar la producción disponible.
a) La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensión, de elongación y del peso.
b) Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y equipos de bombeo de pozo.
b) Afecta las cargas originadas por los equipos de producción del pozo.
c) Factibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie adecuada
c) Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos recorridos
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CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL BALANCÍN (Unidad de Bombeo) La disponibilidad de los balancines va a fundamentalmente sobre el diseño de los mismos.
depender
Los balancines sub-diseñados, limitan las condiciones del equipo de producción y en consecuencia la tasa de producción del pozo. Los balancines sobre-diseñados, poseen capacidad, carga, torque y carrera están muy por encima de lo requerido y pueden resultar muchas veces antieconómicos.
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CLASIFICACIÓN DE LOS BALANCINES (Unidades de Bombeo) Los balancines o unidades de bombeo de acuerdo a especificaciones API se pueden clasificar en función a su geometría y contrapeso de las unidades en: a) Convencional b) MARK II o unitorque c) Balanceadas por Aire
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a) Unidad de Bombeo Convencional Es la unidad más los conocida popular de todos camposy petroleros, por ventajas económicas, fácil operación y mantenimiento. El del motor es movimiento trasmitido rotatorio por medios de correas, a la caja de trasmisión la cual reduce la velocidad a través de un sistema de engranajes. Este movimiento más lento es comunicado a la viga viajera mediante conexión biela /manivela y convertidor alternativo vertical que se refleja en la barra pulida.
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Geometría del Bombeo Convencional
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b) Unidad de Bombeo MARK II (unitorque) La unidadque unitorque es un diseño parte (Mark del II), modelo convencional, se caracteriza por ser capaz de soportar más fluido sin necesidad de sobre cargar el equipo. Se logra un torque más uniforme, de esta manera se reduce la carga de torsión en la caja de engranajes. Tiene la ventaja de soportar mayores cargas que otras unidades de igual dimensión. Las desventajas son los costos de fabricación y el uso de un contra balance muy pesado.
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Geometría del Bombeo MARK II
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c) Unidad de Bombeo balanceada por aire Se caracteriza por utilizar un cilindro con aire comprimido en lugar de usar pesas de hierro. Tiene un costo más económico por trasporte e instalación que las convencionales por lo cual puede ser usada costa afuera o cuando es necesario mover con frecuencia la unidad. Sin embargo, el mantenimiento del cilindro de aire, pistón, compresor y controles de neumáticos, es más costoso, pero son mas resistentes a cargas que las convencionales.
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Geometría del Bombeo balanceado por aire
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Características de las Unidades de Bombeo Convencional 1. Muy eficiente
Balanceada por aire Mark II 1. La de menor 1. Muy eficiente eficiencia
2. Muy confiable
2. La más compleja
2. Igual que la
debido a su diseño simple
de las unidades
convencional
3. La más económica
3. La más costosa
3. Moderadamente costosa
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Diámetros de Tuberías – Norma API 5/10/2018
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Diámetro
Peso
Peso
Área
Área
Nominal (plg)
Lb/pie (1)
Lb/pie (2)
Externa (plg2)
Interna (plg2)
3/4
1.20
0.730
0.866
0.533
0.066
1
1.049
0.955
1.358
0.864
0.107
1.660
1.380
1.286
2.16
1.50
0.19
2.75 4.60
1.900 2.375
1.610 1.995
1.516 1.901
2.84 4.43
2.04 3.13
0.25 0.39
6.50
6.40
2.875
2.441
2.347
6.49
4.68
0.58
3
9.30
9.20
3.500
2.992
2.867
9.62
7.03
0.87
3½ 4
11.00 12.75
9.50 12.60
4.000 4.500
3.476 3.958
3.351 3.833
12.57 15.90
9.49 12.30
1.17 1.52
OD (Plg)
ID (plg)
Espesor (plg)
1.14
1.050
0.824
1.80
1.70
1.315
1¼
2.40
2.30
1½ 2
2.90 4.70
2½
Capacidad bbl/100 pies
(1) Tubería con refuerzo exterior (API tubing – upset) (2) Tubería sin refuerzo exterior (API tubing – non-upset)
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