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Unidad 3 Bombeo Mecánico
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PAG. INDICE…………………………………………………………………………..2 INTRODUCCION……………………………………………………………....3
UNIDAD 3 BOMBEO MECANICO 3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO………………………………........4 3.2 EQUIPO SUPERFICIAL………………………...………… SUPERFICIAL………………………...……………………... …………........6
3.3 EQUIPO SUBSUPERFICIAL………………………………………...…...12 3.4 DISEÑO DE APAREJOS DE BOMBEO MECANICO…………………21 3.5 COMPORTAMIENTODEL SISTEMA MEDIANTE CARTAS DINAMOMETRICAS………………………………………………………….24
3.6 IDENTIFICACION Y CORRECCION DE FALLAS …………………...25 3.7APLICACIONES PRACTICAS CON SOFTWARE COMERCIAL ………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………..... ………………………..... 33
CONCLUSION………………………...……………………...............................40 LISTA DE REFERENCIAS………………………...……………………..........41
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PAG. INDICE…………………………………………………………………………..2 INTRODUCCION……………………………………………………………....3
UNIDAD 3 BOMBEO MECANICO 3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO………………………………........4 3.2 EQUIPO SUPERFICIAL………………………...………… SUPERFICIAL………………………...……………………... …………........6
3.3 EQUIPO SUBSUPERFICIAL………………………………………...…...12 3.4 DISEÑO DE APAREJOS DE BOMBEO MECANICO…………………21 3.5 COMPORTAMIENTODEL SISTEMA MEDIANTE CARTAS DINAMOMETRICAS………………………………………………………….24
3.6 IDENTIFICACION Y CORRECCION DE FALLAS …………………...25 3.7APLICACIONES PRACTICAS CON SOFTWARE COMERCIAL ………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………..... ………………………..... 33
CONCLUSION………………………...……………………...............................40 LISTA DE REFERENCIAS………………………...……………………..........41
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INTRODUCCION El bombeo mecánico es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal característica 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 este 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. 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. El balancín de producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento se asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento movimiento de sube y baja a la sarta 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 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.. 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.
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UNIDAD 3 BOMBEO MECANICO 3.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN Es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal característica 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 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 bombe an el petróleo de manera parecida a una bomba que qu e bombea aire a un neumático. Un motor, usualmente eléctrico, gira gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo ex tremo de una eje de metal. El otro extremo del eje, qu e a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de metal qu e 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 d e 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
5 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 u bicado en la parte delantera del balancín. Este tipo de balanceo se utiliza para bombeo profundo.
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3.2 EQUIPO SUPERFICIAL Unidad de Bombeo La unidad de bombeo de carrera larga, mostrada en la Figura 2.21, tiene la finalidad de transformar el movimiento de rotación del motor en un movimiento ascendente-descendente requerido para impulsar la bomba de fondo. La unidad está conformada como una torre vertical, observada en la Figura 2.22, que se coloca próxima a la cabeza del pozo. Está integrada principalmente por una correa de carga, el tambor de la correa de carga, la caja de contrapesos, y el mecanismo de reversa, mientras que en la base se ubica el reductor de engranes y el motor.
Las unidades de bombeo mecánico se identifican de acuerdo a especificaciones API que se han desarrollado. A manera de ejemplo, en la Figura 2.22 se muestra la identificación de una unidad.
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Tambor En la parte superior de la torre se encuentra la capota de la corona (Figura 2.23), desde donde se tiene acceso al tambor, a la correa o banda de carga y a los dos cojinetes guías que soportan el tambor. El tambor es el que soporta el peso combinado de la caja de contrapesos y de la carga del pozo, por lo que es importante verificar periódicamente el estado del mismo.
Cable de la Brida Cable de acero trenzado que sirve de eslabón entre la correa de carga y la varilla pulida, transmitiendo el movimiento alternativo a la sarta de varillas de succión.
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Correa de Carga Banda flexible de alta resistencia con capacidad de hasta 40,000 lbs, que absorbe los esfuerzos de tensión y compresión.
Varilla Pulida Es una varilla tipo espejo, como se muestra en la Figura 2.24, que sirve de unión directa entre la sarta de varillas de succión del fondo y el equipo de superficie. Su función principal es soportar el peso total de la sarta de varillas, junto con la bomba y los fluidos. Su superficie es pulida para lograr un perfecto sellamiento con el estopero y evitar el desgaste constante de los sellos de éste. Como la varilla pulida soporta las cargas más altas, sobre todo en la carrera ascendente, necesita ser una varilla grande y sólida. Pruebas de laboratorio (de 10 millones de contra-esfuerzos a una velocidad de 15 spm) han demostrado que no deben permitirse esfuerzos sobre la varilla pulida que excedan de 30,000 lb/pg2. Entre las cargas a las que esta expuesta se encuentran:
1. Peso de la sarta de varillas 2. Peso del fluido 3. Carga de aceleración 4. Carga de vibración 5. Fuerza de flotación 6. Fuerza de fricción
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Caja de Contrapeso Como el peso de la sarta de varillas, la bomba y la columna de fluidos desequilibran la fuerza necesaria para realizar el movimiento reciprocante, es necesario equilibrar el peso del aparejo con masas de acero (contrapeso) que permitan reducir el consumo de energía. La caja de contrapesas posee tres guías en cada esquina para mantenerla apropiadamente posicionada dentro de la torre. Una guía tiene la función de alinear la caja de lado a lado. Las otras dos (en cada esquina) alinean la caja de atrás hacia delante19.
Válvula de Control La válvula de control es aquella que se utiliza para controlar los fluidos (Figura 2.25). Entre las mayormente usadas, se encuentran15: a) Válvula de compuerta con sello de metal en hule b) Válvula de compuerta con sello de metal con metal c) Válvula de aguja (para de presionar las conexiones superficiales)
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Válvula de Retención Es aquella que permite únicamente el paso de fluidos en una sola dirección, impidiendo que los fluidos se regresen cuando se presenten contrapresiones (Figura 2.26). Los tipos de válvulas de retención son: a) Pistón b) Charnela
a) Válvula de Pistón Son diseñadas con los cuerpos de las válvulas de globo, proporcionando un cierre más hermético que cualquier otro tipo. Tienen excelente resistencia a la fatiga, a la corrosión y a la erosión.
b) Válvula de Charnela Constan de un disco en su interior que oscila para permitir el paso total de los fluidos, reduciendo la turbulencia y minimizando la fuerza de caída de presión. Su construcción permite una tolerancia mínima entre las superficies de mayor desgaste, asegurando mayor duración en las partes del movimiento.
Preventor La Figura 2.27 muestra el Preventor, un mecanismo de seguridad diseñado para impedir el paso de los fluidos al exterior cuando la unidad de bom beo no está operando. En su interior tienen unos
11 sellos de hule que aprietan la varilla pulida y evita el paso de los fluidos15. Esta herramienta es indispensable cuando se requiera hacer algún cambio de hules al esto pero, cuando se presente rotura en la sarta de varillas, etc.
Estopero Es una herramienta de seguridad que se coloca en el árbol de válvulas, por encima de la tee de bombeo. Su función es evitar la fuga de fluidos a la superficie, por medio de unos sellos que actúan sobre la varilla pulida (Figura 2.28)3,15. Los anillos de estos sellos usualmente están hechos de goma o teflón para tener una baja fricción durante la acción de sellamiento.
Caja de Engranaje La función de la caja de engranaje es convertir la elevada velocidad rotacional del motor en una velocidad adecuada de bombeo.
12 Los reductores de velocidad utilizan un engranaje doble o triple, como muestra la Figura 2.30 (con tres ejes), donde el eje de entrada es de alta velo cidad, un eje intermedio y el eje de baja velocidad. El eje de alta es impulsado por el motor a través de una correa y el eje de baja impulsa una cadena, a través de una corona de 18 pulgadas de diámetro que acciona el mecanismo de reversa del sistema. Al tenerse un brazo impulsor corto, se requiere menos esfuerzo y se puede obtener una caja reductora más pequeña y con lo mismo mejorar la eficiencia total del sistema.
3.3 EQUIPO SUBSUPERFICIAL El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombe o. 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
13 sistema de bombeo mecánico son: transferir energía, soportar las cargas y accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas son: a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también 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 localización de los cuellos de cabillas, a fin de distribuir el desgaste de la tubería de prod ucción. c) Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas. De acuerdo a las especificaciones de la API, la cabilla de acero sólido es del tipo de cabillas 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 cabillas de succión, 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: 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. Para el pandeo (Buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por cabilla según sea la severidad. Hay cabillas que tienen centralizadores permanentes. Entre los tipos de cabillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y fibra de vidrio. Las cabillas 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 cabillas sea enrollada sobre rieles especiales de transporte sin dañarlas de
14 manera permanente. Otra ventaja de este tipo de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API.
VENTAJAS 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 cabillas.
DESVENTAJAS a) Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales. b) En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la misma requiere de la entrada de una cabria convencional.
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
15 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.
Barril de trabajo Es un tramo de tubería metálica con una pared interna pulida que permite que el émbolo se mueva a través de ella. Dependiendo de las roscas aplicadas en los extremos, existe barril con extremo de pin o de caja.
Pistón Es el elemento que se mueve dentro del barril de trabajo de una bomba y pueden ser de empaque flexible o metálico. Los primeros tipos de pistones utilizados en el bombeo mecánico fueron los de empaque flexible, utilizando copas para sellar sobre la pared del barril. Entre los tipos de pistones que se utilizan en una bomba subsuperficial, se encuentran13:
a) Pistón de empaque flexible:
Consiste de un mandril interno sobre el cual se instalan
elementos de empaque, con anillos metálicos de d esgaste. Pueden utilizarse ya sea sobre la tubería de producción o sobre las bombas de varillas y ofrecen una alta resistencia contra la corrosión
16 producida por los fluidos del pozo. Los empaques pueden ser tipo anillo o tipo copa (Figura 2.6) y están fabricados de material sintético y de alta dureza para reducir el desgaste.
Los pistones tipo copa usan la presión del fluido para expandirse en la carrera ascendente y formar un sello entre el pistón y el barril, y se contraen en la carrera descendente para mover libremente los fluidos del pozo. Son adecuados para crudos con bajo contenido de arena. Sin embargo, la resistencia de las copas limita la aplicación de dichos pistones a los pozos con profundidad moderada.
Los pistones tipo anillo son apropiados para profundidades de hasta 7000 pies (2134 m) y pozos con altos cortes de agua. Son menos efectivos que el tipo copa, pero su desgaste es más lento, lo que los hacen más comunes.
b) Pistón metálico: Son fabricados en diferentes versiones; ya sea de anillos, para pozos que producen arena, o plano. Son usados en pozos profundos, pues debido al espacio pequeño que existe entre el pistón y el barril, tienen eficiencias más altas que los de empaque flexible. Los materiales más utilizados son aleaciones de bronce y acero inoxidable; y de la misma manera que el barril de trabajo, el pistón puede tener el extremo tipo pin o tipo caja.
Válvulas
17 La válvula viajera y la válvula de pie son válvulas tipo check que operan sobre el principio de una bola y un asiento (Figura 2.7). La válvula viajera sigue el movimiento de la sarta de varillas de succión, mientras que la válvula de pie, colocada en el extremo inferior del barril de trabajo de la bomba, no se mueve16. La bola es de una superficie pulida y los asientos son maquinados, esmerilados y acabados de manera que sean protegidos contra la corrosión. Pueden ser de acero aleado, aleaciones de níquel, cobre y aluminio.
PARTES DE LA VALVULA Tipos de Bombas: Los principales tipos de bombas son: a) Bomba de tubería de producción, b) Bomba de tubería de revestimiento y c) Bomba de inserción. Sus diferencias radican en la forma en cómo está instalada en el pozo el barril de trabajo.
a) Bomba de Tubería de Producción En una bomba de tubería de producción, como la mostrada en la Figura 2.8, el barril forma parte de la sarta de producción, al estar conectado al fondo de la tubería. Esta construcción permite utilizar un barril con un diámetro ligeramente inferior al diámetro de la tubería de producción. Debajo del barril de la bomba de la tubería está montado un niple de as entamiento, dentro del cual se puede asegurar la válvula de pie. Después de que el barril y la sarta de la tubería d e producción
18 están en el pozo, el émbolo con la válvula viajera se coloca sobre la sarta de varillas. La válvula de pie es asegurada al fondo del émbolo por su extractor durante la instalación. La ventaja principal que tienen sobre otros tipos de bombas, es una mayor capacidad de bombeo al tener un barril más grande; y al ser parte integral de la tubería, puede soportar grandes cargas. Su principal desventaja está en que si la bomba falla, se debe retirar la sarta completa de producción. No son recomendables para pozos de gas, debido a que se requieren espaciamientos mayores entre el pistón y la válvula fija.
b) Bomba de Inserción La bomba de inserción o de varillas, mostrada en la Figura 2.9, es un ensamble dentro de un paquete que va dentro del pozo, sobre la sarta de varillas. El ensamble contiene el barril de trabajo; el émbolo dentro del barril y las dos válvulas, la viajera y la de pie. Dicho paquete cuenta con un dispositivo de anclaje, que cierra dentro de un niple de asentamiento en la base de la tubería. Sólo
19 el niple va con la sarta de la tubería de producción a la profundidad deseada. Estas bombas pueden ser de barril estacionario o movible, y tener anclaje inferior o superior.
Bomba de Inserción con Ancla Superior y Barril Estacionario La Figura 2.10 muestra la bomba de inserción con ancla superior y barril estacionario, en donde el barril de trabajo se mantiene en la parte superior del conjunto de la bomba. Es recomendada en pozos con problemas de arena, ya que las partículas no se pueden asentar sobre el niple de asentamiento debido a la acción continua de los fluidos bombeados. Trabaja bien en pozos con bajos niveles de fluido, porque la válvula de pie se sumerge mucho más profunda en los fluidos del pozo, que en las bombas ancladas en la parte inferior.
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Bomba de Inserción con Ancla Inferior y Barril Estacionario Esta bomba debe considerarse para pozos profundos, ya que el barril de trabajo está insertado a la tubería en la parte inferior del conjunto de la bomba; tal como se muestra en la Figura 2.11. Por otro lado, puede utilizarse en pozos de bajo nivel de fluido porque funcionan muy cerca del fondo del pozo, y la válvula de pie usualmente es más grande que la válvula viajera, asegurando una entrada regular de fluidos a la bomba. Sin embargo, el espacio entre la tubería y el barril se puede llenar con arena u otros sólidos ocasionando que la bomba se atasque.
Bomba de Inserción con Barril Viajero En una bomba de inserción con barril viajero, el pistón se mantiene en su lugar mientras el barril es movido por la sarta de varillas. La posición del ancla es en el fondo del ensamble de la bomba, tal y como se muestra en la Figura 2.12, y el émbolo viene agarrado al ancla de fondo por un pequeño tubo de arrastre hueco, a través del cual los fluidos del pozo entran a la bomba. La válvula de pie, situada en la parte superior, es más pequeña que la válvula viajera.
21 Esta bomba es recomendada para pozos arenosos, ya que el barril mantiene el fluido en movimiento alrededor del ancla, evitando que la arena y otros sólidos se asienten entre el niple y el ancla.
3.4 DISEÑO DE APAREJOS DE BOMBEO MECANICO Es un procedimiento analítico mediante cálculos, gráficos y/o sistemas computarizados para determinar el conjunto de elementos necesarios en el levantamiento artificial de pozos accionados por cabilla. La función de este procedimiento es seleccionar adecuadamente los equipos que conforman el sistema de bombeo mecánico a fin de obtener una operación eficiente y segura con máximo rendimiento al menor costo posible.
Paso 1: se
debe seleccionar el tamaño de la bomba, el diámetro óptimo del pistón, bajo
condiciones normales. Esto va a depender de la profundidad de asentamiento de la bomba y el caudal de producción.
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Paso 2: La combinación de la velocidad de bombeo (N) y la longitud de la carrera o embolada (S), se selecciona de acuerdo a las especificaciones del pistón. Se asume una eficiencia volumétrica del 80%.
Paso 3: Se debe considerar una sarta de cabillas (se deb e determinar el porcentaje de distribución si se usa más de dos diámetros de cabilla) y el diámetro de pistón, se determina un aproximado de la carga máxima para el sistema en estudio.
Paso 4: Chequear el valor de factor de impulso para la combinación velocidad de bombeo (N) y longitud de carrera (S) establecidos en el Paso 2
Paso 5: Cálculo de la carga máxima en la barra pulida. Para este propósito será necesario obtener cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los pasos previos. Primero se determinará el peso de las cabillas por pie y la carga del fluido por pie. Ahora se calcula el peso de las cabillas en el aire (Wr), la carga dinámica 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 máxima barra pulida = CD + CF
Paso 6: Cálculo de la carga mínima de operación (CM), el contrabalanceo ideal y torque máximo. CM = Disminución de la carga debido a la aceleración (DC) – fuerza de flotación (FF) DC = Wr x (1-C) -----> Donde C = (N^2 x S)/70500 FF = Wr x (62,5/490) -----> Valor constante
23 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 máximo (carga máx. barra pulida) y el mínimo recién calculado. Entonces, Contrabalanceo ideal = promedio de carga (entre máx. y min) – la carga mínima. Torque máx. = Contrabalanceo ideal x Punto medio de la longitud de carrera (S/2).
Paso 7: Estimación de poder del motor eléctrico. Conocida la profundidad de operación, °API del crudo y el caudal requerido de producción, se obtiene una constante que es multiplicada por el caudal de producción. 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: Cálculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de P sería el valor de caudal de producción si la bomba trabaja al 100% de eficiencia. El diseño de la bomba debe tener al menos el 80% de eficiencia. En crudos pesados debe tener un máximo de 18 strokes/minutos (promedio 15° API). P=CSN P = Desplazamiento de la bomba C = Constante de la bomba, depende del diámetro del pistón N = Velocidad de bombeo (SPM)
Paso 9: Profundidad de asentamiento de la bomba (Método Shell, Ver Tabla 3). Esto dependerá enormemente de la configuración mecánica del pozo. Si este método no cumple, por lo general se asienta a 60 o 90 pies por encima del colgador. Otras bibliografías hacen referencia que se asienta 300 pies por debajo del nivel de fluido.
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3.5 COMPORTAMIENTO
DEL
SISTEMA
MEDIANTE
CARTAS
DINAMOMETRICAS Los registros de dinagramas o cartas dinamometricas. Son pruebas que se realizan para saber el funcionamiento de la bo mba y de sus válvulas, esto nos ayuda a determinar si es necesaria cambiar la bomba o realizar un ajuste para tener un mejor desempeño, así como para saber si se tiene un problema con la sarta de varillas, el ancla mecánica o la tubería de producción.
Well Analyzer. Se muestra en la figura 2.18 y es una unidad electrónica compacta, esta unidad adquiere y digitaliza las señales del micrófono y transductor de presión. Estos datos se envían a la computadora para procesarlos. El Well Analyzer es un instrumento de canal dual, el cual posee un microprocesador amplificador/ registrador, el cual permite una mejor interpretación de las anomalías que se presentan en el anular ya que posee dos filtros que son usados para mejorar la señal de interpretación. La información que se toma de los distintos sensores se digitaliza a través de un convertidor análogo a digital, siendo estos datos procesados en la computadora y con esto poder medir la presión del espacio anular, la presión de fondo, el balanceo de la unidad y la medición de carga sobre la varilla pulida. Este equipo permite una interpretación inmediata de la información obtenida en él ya que a medida que emite señal, registra.
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Transductor de carga. Los dinagramas (o cartas dinamométricas) son registros de cargas, sobre la barra pulida o barra lisa para determinar la carta en superficie del comportamiento de la bomba durante cada ciclo de bombeo y por medio de la ecuación de onda determinar la carta de fondo de la bomba y la carga sobre los tramos de varillas. Los datos del dinamómetro se obtienen mediante el transductor de cargas, mostrados en la figura 2.19. Un transductor de carga es un aparato que transforma la potencia eléctrica en acústica a mecánica. El transductor de carga puede ser de dos tipos:
Tipo herradura. Consiste en una celda con un sensor de carga muy preciso. Esta completado con un sensor, para medir la aceleración en la varilla pulida y calcular así las emboladas y la posición. Este tipo de transductor de carga es m uy preciso pero también requiere mayor tiempo y trabajo en su instalación.
Tipo C o PRT. Este transductor es muy fácil y rápido de instalar, pero no es tan preciso como el de tipo herradura en cuanto a los valores de carga se refiere, ya que consta de una serie de sensores muy sensibles que miden las variaciones en el diámetro de la varilla pulida, también tiene el sensor de aceleración, para calcular la posición y las emboladas.
El gran problema que presenta es que durante la prueba se puede descalibrar y se tiene que volver a instalar.
3.6 IDENTIFICACION Y CORRECCION DE FALLAS El momento para controlar las fallas en los equipos de subsuelo empieza an tes de que estas ocurran, primero en las acerías, continua a través del fabricante, luego con el operador y el equipo de la empresa de reacondicionamiento, quienes deben darle el cuidado el cuidado y manipulación adecuado con la finalidad de maximizar su uso y disminuir fallas.
26 Un tipo de falla que se presenta en los equipos de subsuelo en general es la falla debido a la corrosión que es el resultado destructivo de una reacción electroquímica en tre el acero usado en la herramienta y el ambiente operativo al que está sometida. Aunque es imposible eliminar completamente la corrosión, si es posible controlarla y retardar su efecto destructivo, luego es conveniente determinar el tipo de corrosión que se puede presentar en determinados pozos. Un aspecto importante para el análisis es el desgaste del componente. El desgaste de las superficies de tubería de producción, la varilla, la bomba y el pistón, es provocado por la fricción que se genera entre los fluidos y la superficie del componente, o por la fricción entre los mismos componentes reduciendo la vida útil de la herramienta y generando costos por reacondicionamiento. Para el personal de producción es muy importante entender los efectos de daños que parezcan ser de poca envergadura y saber cómo ese daño puede ocasionar fallas que paren la producción del pozo.
FALLAS EN LA SARTA DE PRODUCCION. La prevención de fallas en la sarta de producción comienza con el diseño, es posible que las sartas mal diseñadas contribuyan o ocasionen el bajo rendimiento o lo que es más grave la falla de otros componentes del sistema de levantamiento artificial. Un diseño correcto significa distintas cosas, análisis de pozos, análisis económico, condiciones del pozo o preferencias personales. Años atrás el resultado del diseño partía de la experiencia o habito, luego paso a un diseño basado en la profundidad, así como en el caudal del fluido a manejar, hoy en día, los programas de computadora permiten que se optimice los equipos y los diseños. Una vez que se haya diseñado la sarta de producción y que la misma se haya instalado, es necesario contar con ensayos dinamométricos periódicos a fin de observar el comportamiento de las cargas. En muchos pozos el reemplazo frecuente de varillas y de tuberia de producción constituye serios problemas económicos, en realidad, se dice que el desempeño de las varillas se considera un directo indicador de la eficiencia
27 del pozo del cual se esta bombeando. Por otra parte es esencial mencionar algunas causas de falla de las varillas y tuberia. Asumiendo que el diseño de la unidad de bombeo es el adecuado. El primero y tal ves mas importante factor de precaución es el manejo adecuado de las varillas durante su transporte, almacenamiento e instalación. Mientras que muchos investigadores han demostrado que la corrosión y otros factores pueden reducir sustancialmente mediante la aplicación de ciertas prácticas de manejo de las varillas. Por ejemplo la presencia de picaduras o imperfectos (ya sean de carácter microscópico) permite que agentes corrosivos entren en contacto con el metal y aceleran su proceso destructivo. Para propósito de este análisis asumiremos que para un elemento elástico la ley de Hook ya no es aplicable. El esfuerzo al cual el material falla se llama límite de proporcionalidad elástica, y este límite no puede ser utilizado para establecer el maximo esfuerzo permisible en condiciones de trabajo para las varillas. Ya que las varillas están sometidas a cargas cíclicas se verán sometidas a fallas por fatiga, las cuales ocurren por debajo del límite de proporcionalidad. Por lo cual se debe hallar un limite maximo sin que se presente falla. Pero en la práctica ningún tipo de material podría sostener un número infinito de ciclos, para el acero por ejemplo se ha encontrado que su maximo límite puede ser hallado para un número de 10´000.000 de ciclos sin falla alguna. El l imite maximo en una sarta de varillas depende de los componentes asociados en la aleación (carbon, silicio, niquel, cromo y molibdeno), los agentes corrosivos presentes en el fluido (
s,
y
), y el
rango de carga a la cual se encuentran sometidas, por ejemplo a una velocidad de de bombeo de 20 spm. 345 días serán necesarios para alcanzar los 10´000.000 de ciclos. Cuando agentes corrosivos están presentes en el pozo dos aproximaciones pueden darse hacia la solución del problema, la sarta de varillas puede construirse de aleaciones mas resistentes a la corrosión, o el
28 fluido puede ser tratado químicamente en el pozo reduciendo de manera substancial su efecto corrosivo. El segundo es el más utilizado y para este propósito se utilizan inhibidores, el uso de aleaciones mas costosas se deja esencialmente para pozos profundos, donde las cargas impuestas son el factor predominante. Otro posible factor de falla prematura es el Sincronismo, esta idea fue presentada originalmente por Slonneger , sucede cuando la sarta de varillas entra en resonancia con su frecuencia natural y las ondas en lugar de anularse se suman originando vibración en las varillas. En algunos pozos con excesivas fallas en las varillas o daños en la tubería de producción son el resultado ocasionado por el rozamiento entre la sarta de varillas y la tubería de producción, ocasionando una reducción del metal en la parte que entra en rozamiento y posterior falla en ese lugar, para la solución de esto se recomienda el uso de anclas en la tubería a tensión para las varillas Un ancla de tensión es aquella que le permite a la tubería alargarse, pero no contraerse. Este mecanismo por consiguiente previene el pandeo en la tubería, que solo ocurre en la carrera ascendente. Otro método es colocar un ancla y entonces tensionar la tubería desde superficie, para esto existen cartas especialmente diseñadas para conocer la tensión recomendable para cada situación. También cabe mencionar que el flujo dentro de la tubería es intermitente haciendo que el régimen de flujo para cada pozo en particular no sea continuo, así cuando se encuentre que el flujo es de tipo turbulento esta premisa ayudara a comprender la razón del porque la abrasión debida a este tipo de circunstancias dentro de la tubería de producción se ve disminuida.
Fallas por Tensión. Las fallas por tensión ocurren cuando la carga aplicada excede la resistencia a la tensión del material, así la carga se concentrara en ese punto y creara la apariencia de cuello de botella al reducirse el área transversal del mismo en ese punto, cuando la sección transversal del material no
29 es lo suficientemente fuerte para sostener la carga impuesta, este fallara seguramente en ese lugar. Esto puede ocurrir cuando se trata de sacar una bomba que se encuentra atascada o cuando se esta anclando la tubería. Para evitar este tipo de fallas se recomienda que el indicador de peso maximo ´´ Martin Decker´´ nunca exceda el 85% de la resistencia cedente para el tamaño y grado conocidos del momento menos resistente en la sarta; para condiciones en las cuales no son conocidos estos datos de un factor de seguridad debe aplicarse el peso halado.
Fallas por Fatiga. La fatiga se define como la falla del material por la acción de cargas cíclicas en el tiempo y la cual se inicia con pequeñas grietas que crecen cada vez más. Los esfuerzos asociados a esta falla tienen un valor máximo que es menor que la resistencia a la tensión del material; puesto que la carga aplicada está distribuida casi igualmente sobre la superficie transversal de la sarta, todo daño que reduce el área transversal, aumentara la carga o esfuerzos. A medida que la grieta avanza , las superficies de fractura adyacentes opuestas tratan de separarse bajo las caras de estas y se vuelven lisas y pulidas , así mismo se reduce la zona transversal efectiva de la varilla hasta que no queda suficiente metal para sostener la carga y el material simplemente se fractura en dos pedazos. Las fallas por fatiga son inducidas por una multiplicidad de elevadores de esfuerzo; los elevadores de esfuerzo son discontinuidades visibles o microscópicas que ocasionan un aumento en el esfuerzo local durante la carga.
Fallas Mecánicas. Las fallas mecánicas representan un porcentaje alto en el número total de las fallas, tanto en las varillas, tubería de producción y bombas, las fallas mecánicas incluyen todo tipo de desperfecto por fabricación y fatiga por esfuerzo. El tiempo a la falla será influenciado por muchas variables,
30 entre las más importantes serán el esfuerzo máximo, ambiente operativo, orientación del daño, química del material, tipo de tratamiento térmico, gama de esfuerzos. El daño mecánico puede ser causado por diseño inadecuado, procedimientos incorrectos de preservación y manejo, procedimientos inadecuados de enrosque y desenrosque o cualquier combinación de estos.
Fallas por daños superficiales. Se debe hacer todo lo posible para impedir daños mecánicos superficiales a los elementos constituyentes de la sarta de producción, los daños superficiales aumentan los esfuerzos durante las cargas aplicadas. El tipo de daño y su orientación contribuyen a esfuerzos mayores sobre aquellos asociados al daño longitudinal .Una picadura ayudara a crear una mayor concentración de esfuerzo y seria más perjudicial, para impedir un posible daño por la acción de los martillos, llaves hidráulicas, elevadores y otras herramientas.
Fallas por corrosión. La corrosión es el resultado destructivo de una reacción electroquímica del ambiente operativo a los que es sometido el equipo de subsuelo. La corrosión es la manera como la naturaleza convierte un material hecho por el hombre de un estado de mayor energía (acero) de vuelta a su estado elemental (mineral nativo) como se encuentra en la naturaleza. El hierro elemental en el acero se combina con la humedad o ácidos para formar otros compuestos como sulfuros, carbonatos, oxido de hierro, etc. Todos los ambientes pozo abajo son corrosivos hasta cierto punto, como regla general cuando el porcentaje de agua sea mayor al 20% estando el fluido producido en la fase acuosa con gotas de petróleo, podrá ocurrir el ´´picado´´ con pérdida de metal. Otras condiciones que también producirán daños en el pozo incluyen: Cuando el sulfuro de hidrogeno en el agua que se encuentre a una presión parcial mayor 0.05 psi, cuando el
en el agua es mayor a 200 ppm,
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Fallas por conexión. Se origina al momento de apretar la rosca macho de la varilla con el acople o la rosca macho de la tubería de producción con la caja de rosca hembra, las recomendaciones a seguir son las que el fabricante entrega para el desplazamiento circunferencial y el torque adecuado para aplicarlo dependiendo si es una varilla o tubería nueva o usada.
Fallas del cuerpo de las varillas Prácticamente todas las fallas del cuerpo de las varillas son fallas por fatiga debido al desarrollo de un elevador de esfuerzos sobre la superficie de la varilla, hay una excepción a esta regla, esta es cuando la varilla falla mientras está siendo halada excesivamente con un equipo de servicio de pozo, como cuando se hala una bomba pegada en la tubería de producción. Las apariencias de las caras rotas de las partes falladas de cada una de estas dos causas de falla difieren grandemente y son fácilmente identificables. Otra causa de falla del cuerpo de la varilla es la curvatura, cuando la suma de dobleces en la varilla es insignificante, la determinación de la causa de la falta puede algunas veces ser difícil, un simple chequeo de comparación puede ser hecho en el campo, usualmente revelará esta causa de falla, un método es colocar un borde bien recto a lo largo del cuerpo de la varilla sobre la línea con el punto de origen de la cara de ruptura, algún desalineamiento en la varilla producirá una abertura entre la superficie de la varilla y el borde del recto, si la varilla es retorcida solamente en la cara de la ruptura, la observación en el borde del recto podría no dar resultados convincentes, las inspecciones visuales pueden mostrar una observación positiva por doblamiento sin algún d año a la superficie de la varilla siendo visible por la inspección de campo. Esta es porque la fractura por fatiga puede empezar sin evidencia de un hoyo de corrosión o una muesca afilada en la superficie de la varilla, el incremento de esfuerzos para esta falla es una diminuta fractura de tensión en la superficie de la varilla, las diminutas
32 fracturas se abren en el área cóncava de una varilla doblada, y son usualmente también pequeñas para la observación en el campo, la acción de halado de la varilla recta después del doblamiento permanente produce fracturas en un campo localizado por dentro de un semicírculo de la superficie de la varilla. Nunca someta al acople a golpes de martillo, si la llave de tuerca de varilla no desajusta un acople de la varilla, usar policía para una mayor palanca de brazo en potencia, en pozos donde la cera o parafina está presente, es mejor correr las varillas lentamente porque si de repente paran, no doblen o refuerzan la varilla en el elevador, una herramienta de interruptor en la sarta permitirá soltar la bomba si está pegada.
Fallas en la tubería de producción La sarta de tubería final usualmente usada dentro de un pozo productor es la tubería de producción en un pozo fluyendo, el menor diámetro de la tubería de producción permitirá mayor eficiencia en el levantamiento que la tubería de recubrimiento por la utilización de la expansión del gas producido con el aceite, hará una terminación más segura para permitir la circulación, produciendo o matando el pozo y constituye una sarta de tubería de trabajo que puede ser removida si esta llega a estar taponada o dañada, la tubería de producción, en conjunción con un empaque, mantiene alejado los fluidos corrosivos del pozo de la tubería de recubrimiento, y la consecuente posibilidad de una ruptura, que puede causar un reventón, la tubería de producción es siempre usada con el equipo de levantamiento artificial y es particularmente adaptada para el bo mbeo de varilla. Varios tipos de uniones enhebradas o ensartadas son usados en la tubería de produc ción, la más común es el elevador externo API, los tamaños usuales son 2 3/8, 27/8, y 31/2 de pulgada, varios pesos y grados. La tubería de producción debe estar en buenas con diciones y proporcionar un sello ajustado sobre su longitud entera en orden a contener la presión interna y prevenir el escape de gas o líquido por
33 el espacio anular entre la tubería de producción y la de recubrimiento, la tubería de producción y deberá ser fuerte, lo suficiente para resistir la presión interna de varios miles de libras por pulgada cuadradas -Psi- sin colapsarse, igualmente, la tubería de producción deberá ser capaz de resistir la considerable presión externa , las grietas pueden desarrollarse en el medio de una junta debido a un defecto de fabricación o a un hoyo causado por la abrasión o la corrosión, pero más frecuentemente se encuentra ocurriendo en las conexiones enhebradas a cada extremo, aunque la presión de la formación en el pozo puede ser solamente unos pocos cientos de libras, la columna de fluido que es elevado dentro de la tubería de producción se extenderá a la superficie, entonces la presión hidrostática de una columna de agua usada como referencia es alrededor de un o y media libra por pulgada cuadrada por pie. Los pozos profundos con niveles bajos de fluido en el anular pueden tener presiones internas de varios miles de libras, presionando la bomba y reventando la tubería de producción, una tubería agrietada manifestará como si la bomba no trabaja, y la pequeña grieta puede desarrollar una gran pérdida de fluido en un muy corto tiempo. Cuando los cloruros en el fluido total son mayores a 5000 miligramos por litro, cuando hay oxigeno presente en cualquier cantidad, cuando el pH del fluido es menor que 7, cuando los sólidos son abrasivos y mayores a 100 ppm. Y la velocidad del fluido es alta.
3.7 APLICACIONES PRACTICAS CON SOFTWARE COMERCIAL DISEÑO CON RODSTAR RODSTAR es un programa de computadora desarrollado por Theta Enterprise que puede simular cualquier geometría de bombeo mecánico y predecir su comportamiento con exactitud14. Utiliza la ecuación de onda para simular el comportamiento de la sarta de varillas y el análisis del esfuerzo
34 de la sarta de varillas y la predicción de las tensiones en el tope de cada sección de varillas, lo realiza a partir del método de goodman modificado (MG). Es una herramienta que puede usarse para comparar unidades, velocidades de bombeo, tamaños de pistón, varillas, tipos de motor, etc. y para evaluar los efectos de bomba llena, nivel de fluido, etc. También predice las cartas dinamométricas de superficie y de fondo, y el diagrama de cargas permisibles. Calcula los picos de torque y las cargas en el reductor de engranaje, las cargas estructurales, cargas en las varillas, velocidad de bombeo, mínima longitud requerida por la bomba, longitud del pistón, espaciamiento de la bomba, gasto esperado, contrabalanceo necesario, etc. Por otro lado, dicho programa no considera flujo multifásico y algunos de sus cálculos se basan en aceites ligeros, como es el cálculo del coeficiente de fricción. Po r tal motivo, para realizar el diseño de un pozo vertical de aceite pesado (o con problemas de parafinas), se recomienda aumentar de 2 a 3 veces el valor calculado por el programa y para pozos desviados, aumentar de 4 a 6 veces el valor de manera que se aproxime más a valores reales.
RODSTAR Utiliza las siguientes variables adimensionales como una relación de la eficiencia del sistema; sin embargo, no se considera como una relación lineal.
= Relación del alargamiento de las varillas causada por la aplicación estática de la carga del
fluido, como una fracción de la carrera de la varilla pulida.
= Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas.
´
Entre mayor sea la relación de será mejor.
más corta será la carrera del pistón y la eficiencia del sistema
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Entre mayor sea la relación de
más larga será la carrera del pistón y la eficiencia del sistema
´
será menor.
1.- Se selecciona la configuración del pozo en el último icono de la ventana, es decir, vertical o desviado.
2.- Se introducen los datos del pozo (nombre, profundidad de asentamiento de la bomba, y tiempo de operación) y se selecciona la condición de bombeo. Como son pozos nuevos, el diseño se realiza para condiciones máximas, en donde la bomba está completamente llena. Aquí mismo se introducen las presiones (TP, TR), el corte de agua y la gravedad del fluido. Para evitar sobrediseñar severamente la capacidad de desplazamiento del sistema de bombeo, se recomienda diseñar para una eficiencia de bomba de entre 75% y 85%.
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3.- En los datos de producción, debido a la falta de información, se selecciona realizar el cálculo por nivel de fluido, considerando una sumergencia de la bomba de 100 m. De igual forma se introduce el gasto esperado.
4.- Se selecciona el diámetro de la tubería de producción, el diámetro del pistón y el tipo de bomba a utilizar (insertable o de tubería). Así mismo se pide al programa que calcule los coeficientes de
fricción entre la TP y la varilla, para posteriormente hacer la corrección por aceite viscoso. Por experiencia operativa se considera una fricción de 200 lbs para la bomba.
5.- Para el diseño de la sarta de varillas se especifica el tipo de varilla (acero o fibra de vidrio), el grado y el diámetro máximo y mínimo a utilizar. Como se utilizarán barras de peso, se especifican las características de estas (grado, diámetro y longitud).
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6.-Para el caso del pozo desviado, se necesita la información de la trayectoria de desviación del pozo, proporcionada en el giroscópico. Se introduce la profundidad medida (MD), la inclinación y el azimuth. Una vez introducida dicha información, el programa automáticamente calculará la severidad de la desviación (dog-leg) y la profundidad vertical verdadera (TVD).
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7.- A partir de esto, el programa generará una gráfica en 3D de la desviación del pozo.
8- El siguiente paso es seleccionar el tipo de unidad de bombeo, especificando que se desconoce el peso de los contrabalanceo.
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9.- Debido que el software diseña con información de motores eléctricos, p or default se selecciona el tipo de motor Nema D y la opción de que el programa recomiende el tamaño del motor (que aplicaría al utilizar uno de combustión interna).
10.- Finalmente, con los datos introducidos correctamente, el programa podrá ser corrido para obtener el diseño correspondiente. El siguiente capítulo muestra las características de la aplicación de la unidad de carrera larga, explicando a detalle los resultados obtenidos del diseño de la instalación del equipo para ambos pozos.
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CONCLUSION La implementación de un sistema artificial de producción tiene como objetivo principal incrementar o mantener la producción de los poz os petroleros, además de alargar la vida productiva de los mismos, cuya energía ha disminuido. El bombeo mecánico es un sistema artificial de producción que tiene la función de extraer fluidos mediante un movimiento ascendente-descendente, que se transmite por medio de una sarta de varillas a la bomba de fondo. Comúnmente es usado para pozos someros a intermedios (desde 30 a 4,000 m.), de baja productividad (desde 5 hasta máximo 5000 bpd), y de aceite pesado (>8 °API). El sistema de bombeo mecánico es el sistema más accesible ya que no requiere de mucha infraestructura, cuenta con una gran variedad de herramientas y accesorios que nos permiten manejar tanto las condiciones superficiales como las subsuperficiales, prácticamente puede ser utilizado en cualquier pozo. Al diseñar se debe de procurar colocar la bomba por debajo de la zona disparada para evitar el trabajar con gas en la bomba o que la unidad se tenga que parar por falta de nivel dinámico. Si no se puede colocar por debajo de los disparos esto por el aporte de arena ya que al decantarse esta termina por taponar la tubería de producción. Algunas de las acciones preventivas es colocar la bomba por arriba de los intervalos productores, operar con mayor número de emboladas y que el recorrido de la bomba sea el máximo con esto tratando de impedir que la arena se deposite en la TP y que se pueda engasar la bomba.
