02-II-DINAMOMETROS2

5/12/2018 02-II-DINAMOMETROS2 - slidepdf.com

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Manual de Producción – PAE - Argentina 1-II

II - DINAMÓMETROS

INTRODUCCIÓN

Optimizar el funcionamiento de un sistema de extracción es lograr un funcionamiento queasegure extraer del pozo la máxima cantidad de fluido que los reservorios puedanaportar, con el mínimo consumo energético y costo operativo; mantener el régimen deoperación equilibrado, ni sobredimensionado ni subdimensionado; tener en cuenta lasdificultades de la extracción, la presencia de gas, de arena, de parafinas, agresividad delfluido, etc. El sistema debe consumir el mínimo de energía, eléctrica o calórica,compatible con la máxima extracción. Y a su vez, esta máxima extracción debe ser compatible con el potencial productivo de los reservorios.Por lo tanto, para conocer el rendimiento de un sistema de extracción artificial por

bombeo mecánico alternativo, no es suficiente con conocer la cantidad de fluido queproduce un pozo. Es necesario relacionar el caudal con la cantidad de intervenciones alos pozos por correctivos o por mantenimiento; con el consumo de energía; con laatención y servicios que requiere; con los recursos materiales y humanos volcados a sumantenimiento y control; con la duración de los equipos y elementos en uso; etc. yobtener el rendimiento total del mismo comparándolo con la producción máxima teóricaestimada para ese pozo. Asimismo, como la producción de fluidos no es constante en ellargo plazo, el régimen deberá siempre ser revisado periódicamente y corregido paramantenerlo en un valor óptimo respecto al rendimiento volumétrico.

Es necesario contar con una base de datos y estadísticas que tendrán que ver lasiguiente información:

1. Realización e interpretación de mediciones físicas (nivel y dinamómetro) a fin deobservar la forma en que está funcionando el sistema y si conviene producir algúncambio en sus condiciones.

2. Obtención de los parámetros de operación del sistema bajo estudio, a fin de conocer la situación operativa real y a tiempo actual, con los informes correspondientes sobreconsumos, rendimientos, etc.

Los parámetros más representativos del funcionamiento del sistema son:• Cargas máximas y mínimas sobre el vástago y varillas.• Estiramientos de las varillas y tubing y recorridos efectivos del pistón de la bomba.• Nivel dinámico y presión de admisión a la bomba de profundidad.• Llenado de la bomba de profundidad.• Existencias de pérdidas a través de las válvulas fija y móvil.• Caudal efectivamente desplazado por la bomba de profundidad.• Esfuerzos en las varillas y en vástago de bombeo.• Balanceo del equipo de bombeo.• Valor del torque aplicado al reductor del AIB.• Potencia consumida para el trabajo.• Rendimientos del sistema.



Manual de Producción – PAE – Argentina 2-II

Información previa:• Caudales del pozo medidos en campo.• Porcentaje de agua contenida.• Características de los fluidos producidos, viscosidad, densidad.• Relación gas - petróleo• Nivel dinámico medido en campo.• Especificaciones tamaño y tipo del equipamiento, motor, AIB, vástago y varillas,

bomba de profundidad, tubing, ancla, entubación etc. • Profundidad de la bomba, ubicación de punzados, profundidad de tubing y de anclaje. • Velocidad de bombeo y longitud de la carrera actual.

La base de estos estudios tendientes a realizar un diagnóstico, es la obtención en campode mediciones dinamométricas y registros de niveles, lo que se conoce bajo el nombre

de mediciones físicas.

MEDICIONES FÍSICAS

En el caso de pozos equipados con bombeo mecánico como sistema de extracción, seentiende por “Mediciones Físicas” al registro de dinamómetros (de superficie y de fondo)y de ecómetros con el fin de observar el funcionamiento del AIB, de la bomba deprofundidad, esfuerzos a las varillas etc.; las posiciones de los niveles estáticos y/odinámicos del pozo y evaluar el comportamiento del sistema.

El registro de ecómetro con el fin de conocer la posición del nivel (estático y/o dinámico)es aplicable no solo a pozos de bombeo mecánico sino también a otros sistemas, talescomo el bombeo con bombas de cavidad progresiva (P.C.P)

EQUIPO DINAMÓMETRO

El dinamómetro tal como lo expresa su nombre, es un equipo medidor de fuerzas (o delpeso de determinado elemento) y se lo utiliza en el sistema de bombeo mecánico pararegistrar la carga aplicada en el vástago de bombeo y a la columna de barras a lo largodel recorrido de la misma.La carga instantánea aplicada al vástago será registrada en una carta o gráfico en formacontinua en diferentes posiciones a lo largo de todo el desarrollo del ciclo de bombeo,dibujando una curva dinamométrica de la carga en función del recorrido. Las lecturasmencionadas, tomadas todas en superficie, permiten deducir el comportamiento físicode todos los restantes elementos que integran el sistema.

Gracias al continuo avance de la computación es posible contar hoy con una herramienta

de fundamental importancia en la evaluación del sistema de bombeo mecánicoalternativo. Por muchos años, analizar cualitativamente el funcionamiento de la bombade profundidad por una interpretación visual de un diagrama de fuerzas ydesplazamientos, obtenido en superficie, fue una tarea dificultosa aún para los expertos.Con el nuevo método se pueden valorizar y verificar esfuerzos en cualquier punto de lasarta de varillas, torques en la caja reductora, contrapeso óptimo, potencia requerida,desplazamiento de fluido en la bomba, etc. El manejo de esta información se basa en un




modelo compuesto por un transmisor (bomba de profundidad), una línea de transmisión(varillas de bombeo) y un receptor (el dinamómetro).En su rol, las varillas transmiten continuamente información desde la bomba deprofundidad a la superficie, pero esta información recibida en el vástago está codificada y

es necesario decodificarla.

El registro de fuerzas y desplazamientos vs. tiempo se obtiene actualmente por medio deun sensor de cargas instalado entre la grampa y la cruceta, y un registro de carrera quese desplaza solidario a la cruceta. La información de los sensores es recibida por unacomputadora que realiza el dinamómetro de superficie y lo archiva en un disquete.Posteriormente con esta información y todos los datos de entrada necesarios se obtiene,mediante el programa del prestador del servicio (SEPECO), un completo análisis delcomportamiento del sistema de bombeo.

Es posible obtener un análisis cuantitativo en cualquier profundidad de la sarta de barrasde bombeo, teniendo en cuenta las cargas estáticas y dinámicas. Las varillas transmiteninformación en forma permanente desde la bomba de profundidad a la superficie, demodo que interpretando esta información, se conoce qué sucede en el fondo del pozocon la bomba. La interpretación es un problema de tipo matemático, y consiste en unmodelo matemático que resuelve la ECUACIÓN DE LA ONDA ELÁSTICA, tal es elcomportamiento de la sarta de barras de bombeo durante el movimiento alternativo. Losinstrumentos interpretan la información en base a las señales recibida en el vástago(fuerza vs tiempo y desplazamiento vs tiempo), calculan valores de los esfuerzos en

cualquier punto de la columna de barras y obtienen gráficos representativos delfuncionamiento de la bomba de profundidad en el fondo del pozo, además de los gráficostradicionales de superficie.

DINAMÓMETRO CONVENCIONAL DE SUPERFICIE:

Para comprender el origen del gráfico dinamométrico es conveniente analizarlo desde elpunto de vista del registro convencional, tomado en superficie por un dinamómetro tipoLeuter, a fin de entender primero un gráfico básico para luego observar los de fondo yestudiar distintas interpretaciones de los mismos.

Cualquiera sea el sensor, se debe colocar en superficie a fin de cargar sobre él todo elpeso que actúa sobre el vástago. En las figuras siguientes se pueden observar dóndevan colocados dichos sensores.




Para comenzar el análisis de un gráfico dinamométrico tipo, se debe tener presente elfuncionamiento de una bomba mecánica de profundidad, y considerar por ahora que sedesprecian los efectos de todas las cargas dinámicas.Sobre el eje horizontal (abscisa) se representa el desplazamiento del vástago, en función

de la carrera del aparato, y sobre el eje vertical (ordenada) se representan las cargassobre el vástago, obteniendo así en un gráfico cerrado, una curva teórica ideal.

Observar la siguiente figura

A

B C

D

O

Luego de instalado el sensor, al iniciar el movimiento, el punto “A” representa la posiciónde la cabeza de mula en el punto muerto inferior, que es el inicio de la carrera.En esa posición el vástago soporta únicamente el peso estático de las varillassumergidas en el líquido dentro del tubing, por lo que la ordenada OA representa el pesode las varillas sumergidas.Inmediatamente de iniciado el movimiento ascendente, en la bomba de profundidad secierra la válvula móvil, (se asume por el momento que el cierre de la válvula y latransferencia de la carga es instantánea, dado que se despreciaron los efectos dinámicos

y de rozamiento) por lo que la carga sobre el vástago aumentará inmediatamente, dadoque además de las varillas hay que levantar el fluido. Por lo tanto, el punto “B” indicará elcierre de la válvula móvil y la ordenada OB, el peso de las varillas sumergidas más elpeso del fluido, constituyendo en este caso la carga máxima que el vástago soportarádurante todo el recorrido. (por lo tanto, si al valor OB se le resta el valor OA, el resultadoserá AB, que representa el peso del fluido.A partir de “B” continúa el desplazamiento del vástago de bombeo en su carreraascendente hasta completarla en el punto “C”. Por lo tanto, el desplazamiento “ABC” representará el total de la carrera ascendente del equipo de bombeo, y su valor podrá ser

leído con su proyección sobre el eje horizontal, en la escala de longitud adoptada .En el momento de iniciar el movimiento descendente, se abrirá la válvula móvil y el pesodel fluido será transferido inmediatamente a la válvula fija de la bomba (que se cierra) yserá soportado por el tubing, por lo que la carga sobre el vástago disminuirá en un ciertovalor igual al peso del fluido. Por lo tanto se representa el punto “D” y la ordenada ODrepresentará también el peso de las varillas sumergidas en el fluido.




Continuando con el movimiento del vástago, éste completará el ciclo de bombeo cuandonuevamente llegue al punto “A” , siendo CDA el desarrollo completo de la carrera descendente, cuyo valor podrá ser leído en su proyección sobre el eje horizontal, en la escala de longitud adoptada .

Habiendo interpretado el movimiento ideal y la relación en cada punto con elfuncionamiento de la bomba de profundidad, se analiza a continuación el mismo gráficopero con los efectos de considerar a las varillas como un elemento elástico y no rígido.

Usando los mismos puntos de cambio de las carreras, se incorpora el estiramiento de lasvarillas, cuyo efecto se observa en ambas carreras, ascendente y descendente.

Observar la siguiente figura

A

B C

D

Desde que comienza la carrera ascendente en “A” hasta que se llega a la situación decarga máxima en “B” y por efecto del estiramiento de las varillas, el punto “B” no estásobre la vertical de “A” sino corrido hacia la derecha un cierto espacio, que es el recorridorepresentativo de la deformación de las varillas por el estiramiento, y que se registrahasta que la carga llega al valor máximo. Recién cuando se alcanza este valor “B”, secierra efectivamente la válvula móvil y comienza en realidad a moverse hacia arriba el

pistón de la bomba de profundidad en el fondo del pozo. Como dijimos, la carreraascendente completa se cumple en el trayecto ABC.Un efecto similar, pero en sentido inverso, por acortamiento, se produce al comenzar lacarrera descendente, dado que el efecto de transferencia de carga a la válvula fija no esinstantáneo, por lo que el punto “D” no está sobre la vertical de “C” sino corrido hacia laizquierda representando el efecto de contracción de las varillas hasta su longitud original.De acuerdo a lo mencionado anteriormente, el desarrollo de la carrera descendente, seráCDA.

Un gráfico como el anterior sigue siendo teórico ideal, pues no se da generalmente ensituaciones reales, salvo que el pozo esté bombeando a un régimen muy bajo develocidad, y entonces los efectos dinámicos se minimizan, configurando figuras que sepueden parecer a las teóricas.Considerando los efectos de rendimientos volumétricos y llenado en la bomba, tiemposde demora para las transferencias de las cargas y la presencia de fuerzas dinámicas, esdecir debidas a las aceleraciones de las masas consideradas, masa de las varillas y




masa de los fluidos, es que se producen gráficos con ciertas deformaciones, del tipo delque se adjunta a continuación.

En la siguiente figura se puede observar un gráfico típico de un registro dinamométrico.

A

AA

B

C

D

Iniciando el análisis en el punto “A”, se observa que comienza el incremento de cargas encoincidencia con el comienzo de la carrera ascendente (Punto “A”), pero casiinmediatamente se nota una disminución de la misma hasta el punto “AA”. Este efecto seproduce porque las varillas, que traen una cierta velocidad en el final de la carreradescendente, al invertir el movimiento devuelven parte de la energía de deformaciónabsorbida en la carrera anterior tendiendo a contraerse, (como un resorte) por lo que lacarga sobre el vástago disminuye en cierta medida (Punto “AA”).

En el punto “AA” se produce efectivamente el cierre de la válvula móvil del pistón de labomba de profundidad, incrementando las cargas y produciendo una curva ascendentehasta el punto “B”, punto de máxima. Durante el tramo “AA” - “B” no es constante la

carga porque la velocidad del vástago va aumentando y se produce una combinación dealta aceleración con máxima masa (masa de varillas + masa de fluido) lo que genera laposición de carga máxima en “B”.A partir de este punto comienza a disminuir las cargas debido a la disminución de lavelocidad del vástago hasta el punto donde se completa la carrera ascendente (Punto“C”).

Al comenzar el descenso del vástago, la carga sobre éste disminuye pues al abrirse laválvula móvil se transfiere a la válvula fija y al tubing el peso del fluido.

Así se llega al punto “D” donde el vástago lleva el máximo de velocidad descendiendo,iniciando a partir de ese punto una disminución de la misma. Por lo tanto, “D” representael punto de carga mínima a partir del cual se incrementan nuevamente las cargas, lasque van aumentando hasta llegar al extremo de la carrera descendente con un valor equivalente al punto “A”, que representa el punto muerto inferior donde termina la carreradescendente y comienza la ascendente.Son varios los factores que conforman la carga del pozo. Se encuentran cargas de tipoestático, (que actúan o inciden aún con el equipo detenido) y cargas dinámicas, que




aparecen por efecto del movimiento, es decir actúan solamente cuando el equipo está enmovimiento.

PESO DE LAS BARRAS:El peso (carga estática) del conjunto de las barras en el aire es fácil conocerlo ocalcularlo, a partir del peso unitario de los diferentes tipos y diámetros de varillas quecomponen la columna de barras en un pozo. Existen tablas o gráficos que dan estosvalores, de donde se los puede obtener y calcular el peso total de la columna.Hay que diferenciar entre el peso de las barras cuando se encuentran suspendidas en elaire y el que tienen estando dentro del tubing sumergidas en una columna de líquido. Sesabe, por el principio de Arquímides, que todo cuerpo sumergido en un líquido recibe unempuje hacia arriba por parte del fluido donde se encuentra. El valor del empuje es igual

al peso del volumen del fluido que ha sido desplazado por efecto de sumergir el cuerposólido.Por lo tanto el peso de las barras sumergidas en un fluido dentro del tubing será menor que el peso de las mismas suspendidas en el aire.Es de fundamental importancia definir el peso de las barras sumergidas, cosa que puedevalorizarse a partir de la lectura en el dinamómetro, que representa la situación real yparticular del pozo en cuestión. Para esta determinación es necesario, al registrar eldinamómetro, realizar lo que se denomina “prueba de la válvula fija” deteniendo el equipoa unos ¾ del recorrido de la carrera descendente para registrar la carga.

PRUEBA DE LA VÁLVULA FIJA:En la siguiente figura, se puede observar lo siguiente:

Registro deválvula fija La carga aumenta

en caso de érdida

Carreradescendente

FIGURA: PRUEBA VÁLVULA FIJA

Si se detiene el equipo cuando se ha recorrido ¾ de la carrera descendente y se registrala carga del vástago en esa posición, la misma representa el PESO DE LAS BARRAS




SUMERGIDAS, ya que el peso del fluido contenido en el tubing no se manifiesta en elvástago, porque está soportado en esa posición por la válvula fija, cerrada durante lacarrera descendente.Por lo tanto, ese registro se podrá chequear con el valor calculado en forma teórica del

peso de las barras sumergidas y constatar si existe cierta correlación entre ambos, quedependerá de la magnitud del peso específico asumido para el cálculo. (Si por ejemplo elvalor del dinamómetro es mucho más bajo que el calculado, también se podrá pensar enla existencia de altas fricciones en el tubing)Además, si la válvula fija pierde, que es la que en ese momento está soportando el pesodel fluido, la circulación del líquido hacia abajo cerrará la válvula móvil, lo que provocaráun aumento de la carga sobre el vástago y se registrará en el dinamómetro como unalínea hacia arriba. Es una manera indirecta de observar el comportamiento de la válvulafija.

Otro parámetro de valor fundamental que también puede obtenerse del dinamómetro esel peso del fluido, en relación a conocer el peso específico del mismo y el nivel dinámicodentro del pozo. Para esta determinación, se realiza lo que se denomina como “pruebade la válvula móvil”.

PRUEBA DE LA VÁLVULA MÓVIL:

En la siguiente figura se puede observar lo siguiente

Registro deválvula móvil

La carga disminuye encaso de pérdida.

Carreraascendente

FIGURA: PRUEBA VÁLVULA MÓVIL

Deteniendo el equipo cuando el vástago ha recorrido un ¾de la carrera ascendente y

registrando en ese momento el valor de la carga, la misma representa el PESO DE LASVARILLAS SUMERGIDAS MÁS EL PESO DEL FLUIDO y es la válvula viajera o válvulamóvil la que soporta todo el fluido en ese momento. Observando la evolución de esacarga, si la misma disminuye (provocando un trazado de la línea hacia abajo, como seobserva en la figura) significa que parte de la carga del fluido se está escurriendo através de la válvula móvil. Pero cuando el fluido contiene un alto porcentaje de agua esposible que se registre una disminución de la carga por efecto del escurrimiento del fluido




entre el pistón y la camisa de la bomba, que dependerá de la luz entre pistón y camisa yde la presión diferencial, entre otras cosas. Este escurrimiento se lo puede confundir como una pérdida en válvula móvil, por lo que hay que tener cuidado al realizar undiagnóstico.

Al registrar la válvula móvil es conveniente que, una vez que se ha detenido el equipo, nose produzca demora en tomar el registro, ya que inmediatamente que el pozo estáparado el nivel dinámico comienza a disminuir y aumentar la sumergencia, lo queprovoca menor carga sobre el vástago, (ya que el peso del fluido soportado por la válvulamóvil es el peso de la columna líquida entre la superficie y el nivel en el entrecaño).

PESO DEL FLUIDO:

Una vez obtenido el valor de registro correspondiente a la válvula móvil, y restándole a

este valor el que se registró como válvula fija, obtendremos de esa diferencia, el PESODEL FLUIDO.

Peso del fluido = valor válvula móvil - valor válvula fija

Peso del fluido = (peso varillas sumergidas + peso fluido) - peso varillas sumergidas

Obtenido el peso del fluido desde el dinamómetro y conociendo el nivel dinámico a partir de un registro con ecómetro, es de extrema utilidad para definir un valor más aproximado

del peso específico promedio de la columna, ya que:Peso del fluido / nivel dinámico * área transversal = Peso específico de la columna

La prueba de las válvulas se puede utilizar también para tener una idea comparativa de laubicación del nivel dinámico en el pozo, ya que la magnitud del peso, y por lo tanto de laaltura, será proporcional a la diferencia entre las válvulas. De esta manera cuanto mayor sea la diferencia en el dinamómetro, mayor será el peso de esta columna, mayor será laaltura de la columna, y consecuentemente menor la sumergencia de la bomba.Por lo tanto, cuanto más separadas están las líneas de ambas válvulas en el registro

dinamométrico, se deduce que más bajo es el nivel dinámico y viceversa, cuando estadistancia disminuye, indica que el nivel dinámico está subiendo y que el pozo no estáproduciendo a toda su capacidad.

EFECTO DE CONTRAPESADO:

Otra carga estática a registrar es la que se conoce como “efecto de los contrapesossobre el vástago” o “efecto de contrapesado”, es decir la carga que sobre el vástago seproduce por colocar determinado tipo de placas de contrapesado en las manivelas. Estevalor también se puede calcular teóricamente y obtener de tablas de acuerdo a loscontrapesos utilizados, el que se podrá contrastar contra el registrado en el dinamómetroa fin de verificar el cálculo.

Para determinar el efecto de contrapesado a partir del dinamómetro, es necesario trazar la línea de contrapeso, la que se debe registrar parando la unidad de bombeo enaproximadamente la mitad de la carrera, cuando la manivela está a 90° de rotación. En




esa posición, si en el vástago aislamos, mediante una grapa, el efecto de la carga delpozo (fluido y varillas), la única carga que se registrará en el gráfico (será una lineahorizontal ya que no hay movimiento), será el efecto de los contrapesos.

La distancia entre la línea de cero y la línea horizontal registrada, en la escalacorrespondiente, es el valor del denominado “efecto de contrapesado”, que también seutiliza para el cálculo del torque neto sobre el reductor.Además, la ubicación de la línea horizontal da idea del balanceo del equipo ya que lasdos áreas en que queda dividida el gráfico deben ser iguales, considerando que se debeejecutar un mismo trabajo tanto en la carrera ascendente como en la descendente.

Hasta este punto se ha explicado la forma de obtener del dinamómetro los valores decargas consideradas estáticas, tales como el peso de varillas, el peso del fluido, el efectode contrapeso. Estas cargas, por supuesto presentes durante todo el ciclo de bombeo,se incrementan durante el movimiento, provocando esfuerzos mayores sobre las varillasy el vástago de bombeo bajo los efectos de las cargas dinámicas.

El movimiento alternativo del vástago es ejercido directamente sobre la sarta de varillas,la que por su esbeltez se comporta como un elemento elástico que va trasmitiendo atodo su largo este movimiento como una onda de tipo longitudinal amortiguada. La ondatransmitida, al mismo tiempo que impone un movimiento a la bomba, refleja sobre ésta yvuelve hacia arriba, encontrándose con el frente de onda descendente, con la que secompone en una resultante. La onda ascendente llega a superficie, donde puede producir

un incremento o una disminución de la carga sobre el vástago y a su vez se vuelve areflejar y se propaga nuevamente hacia la bomba, y así sucesivamente. La composiciónde estas series de ondas que se suman o restan produce tensiones adicionales en lasvarillas.Además de los efectos debido al movimiento de las masas, a las fricciones con el fluido yen la bomba, la sarta de varillas sufre también todos los efectos dinámicos propios de uncuerpo delgado sometido a vibraciones. Toda sarta de varillas vibra en una determinadafrecuencia natural, pues se la considera como una varilla delgada sujeta en uno de susextremos y libre en el otro y si se aplica una fuerza repentina en el extremo fijo, la misma

se transmite a la velocidad del sonido como una onda longitudinal hacia el extremo libre,reflejándose. Estas fuerzas de vibración tienen efectos pronunciados en la forma delregistro dinamométrico.

En un AIB cumpliendo el ciclo de bombeo, las masas que debe levantar el vástagodurante la carrera ascendente, son las de las varillas y la del fluido; por lo que el pesoestático resultará de la suma de las mismas. Pero cuando se registra la carga máxima enel vástago se observa que la misma es mayor, en una determinada proporción, al pesoestático correspondiente. La masa en movimiento, con sus variaciones de velocidad y deaceleración debidas al diseño y a la geometría de los aparatos de bombeo, modifica la

forma de la carta dinamométrica y los valores de las cargas resultantes.Por lo tanto, la aparición de los esfuerzos dinámicos está fundamentalmenterelacionados a la velocidad de rotación de la manivela, es decir, la velocidad de bombeodel equipo, expresada en “golpes por minuto” o “carreras por minuto” que producirásobre el vástago una determinada variación en la velocidad de desplazamiento de lamasa suspendida del mismo. Además de la velocidad de bombeo, otro parámetro que




incide de manera fundamental en la magnitud de los esfuerzos dinámicos es la longitudde la carrera a la que está trabajando el equipo.Para quien debe realizar una predicción de los esfuerzos y de las condiciones de trabajodel sistema, es sumamente importante conocer el tipo de movimiento que se produce en

la columna de barras, dado que la ingeniería debe realizar cálculos previos en base a loscuales se deberán diseñar los sistemas de extracción y determinar las condiciones defuncionamiento.

A partir entonces de un diagrama dinamométrico de superficie se pueden obtener variosde los parámetros necesarios para realizar un diagnóstico del funcionamiento delsistema.En la siguiente figura se observan distintas determinaciones en un dinamómetro desuperficie.

Cargamáxima

Efecto de

contrapeso

Carga mínima

Rango de cargas

Pesode

varillas

Peso de varillasmás peso defluido

Carrera del vástagoen superficie

DINAMÓMETRO ELECTRÓNICO:

Se basa en el desarrollo de un modelo matemático que represente la instalación de lasvarillas de bombeo. Registrando la magnitud de las cargas sobre el vástago y midiendolos desplazamientos en la superficie del mismo, el programa calcula valores de carga ydesplazamientos en distintos puntos a lo largo de la sarta de varillas y en la bomba desubsuelo dibujando diagramas de carga-desplazamiento en la superficie y en puntosdeseados a lo largo de la sarta de varillas y un diagrama de la bomba de subsuelo. Estose efectúa asumiendo que la columna de barras es un sistema de comunicación quetransmite, desde el fondo hasta la superficie, impulsos instantáneos de fuerza a lavelocidad de propagación del sonido en el acero.

En el fondo de las varillas actúan una serie de esfuerzos originados por las variacionesde la carga del fluido impulsado por la bomba, durante la carrera ascendente ydescendente, además de otras fuerzas que aparecen en la misma bomba y a lo largo delas varillas como resultado de aceleraciones, vibraciones de la columna, fricciones, etc.




De esta interpretación surgen entonces representaciones gráficas de los esfuerzos ydesplazamientos producidos en el pistón de la bomba, constituyendo los “dinamómetrosde fondo”, del tipo de los que se observan en la siguiente figura.

A

B C

D

Pf

E

Línea deceroFIGURA “A”

A

B C

D

Pf

E

FIGURA “B”

En la figura “A” se representa un ciclo teórico perfecto del pistón de la bomba, sinmovimiento de la tubería de producción y cuando solamente se bombea líquido, donde laúnica carga existente es el peso del fluido. Por lo tanto, la distancia entre BC y DA es laordenada correspondiente a Pf, o peso del fluido levantado por el pistón.La parte negativa, por debajo de la línea de cero, representa el empuje E, es decir lafuerza de flotación hacia arriba, que actuarán como compresión sobre las varillascercanas a la bomba.La distancia B-C representa la carrera ascendente y la D-A la carrera descendente,considerando los desplazamientos del pistón dentro de la bomba de profundidad.1) Punto “A”. Al comenzar la carrera ascendente la válvula móvil se cierra.2) De “A” hasta “B”, el peso del fluido se transfiere a las varillas.3) Punto “B”. La válvula fija se abre dejando entrar fluido a la bomba.4) De “B” a “C” el peso del fluido es soportado por las varillas mientras ingresa más

fluido a la bomba.5) Punto “C”. La válvula fija se cierra; la válvula móvil permanece cerrada.6) De “C” a ”D” el peso del fluido se transfiere de las varillas al tubing.7) Punto “D”. La válvula móvil se abre.

8)De “D” a “A” el peso del fluido es soportado por el tubing mientras el pistón realiza lacarrera descendente.

En la figura “B” se observa un gráfico teórico representativo de cuando se produce unmovimiento en la tubería. El movimiento del tubing en el mismo sentido en que se mueveel pistón de la bomba, modifica la forma y la rapidez con que se transfiere el peso delfluido de la sarta al tubing y viceversa. La forma del paralelogramo mostrado en la figuraestá causada por el estiramiento y contracción de la tubería no anclada, lo que produceun desfasaje en el tiempo de transferencia de la carga entre la válvula móvil y la fija.




El peso del fluido elevado por la bomba, es uno de los parámetros más importantes atener en cuenta en el diseño y en el seguimiento del sistema de bombeo, por lo que seadjunta a continuación el análisis de algunas cartas de fondo para la obtención delmismo.

REGLAS GENERALES PARA OBTENCIÓN DEL PESO DE FLUIDO

Llenado completo de bomba, tubings anclados línea superior del peso de fluido

Para ubicar la línea superior del peso de fluido la práctica aceptada es buscar en la partesuperior derecha del gráfico de la bomba (no perturbada por efectos inerciales debido aque es el punto muerto superior) el cambio de dirección en el trazo (punto de inflexión).

0

Peso de fluido

Flotabilidad Línea inferior

Línea superior

Carrera neta

Golpe de fluido o interferencia de gas, tubings anclados, línea superior

La existencia de alguna de estas condiciones (golpe de fluido o interferencia de gas)implica una carta de fondo con una forma de nariz en la parte superior derecha. En elcomienzo de la carrera descendente solo actúan las fuerzas debidas a rozamiento (por ausencia de fluido) y podemos asumir que esta fuerza es idéntica en ambas carreras; por esta razón podemos ubicar el límite superior del peso de fluido en una línea horizontalque divida en dos áreas iguales la mencionada nariz.

Nariz

Carrera neta

Carrera bruta

Peso de fluido

0

Llenado completo de bomba, tubings anclados, línea inferior de peso de fluido

En estas cartas es posible colocar el límite inferior del peso de fluido haciendo uso delprincipio de flotabilidad. Esta fuerza que actúa en sentido ascendente tiende a comprimir a la sarta de varillas por lo tanto se ubica por debajo de cero (fuerzas de tracción son




positivas) con una magnitud igual al 10% del peso de varillas en aire (valor que seobtiene del reporte del dinamómetro).

0

Peso de fluido

Flotabilidad Línea inferior

Línea superior

Carrera neta

Llenado incompleto de la bomba, movimiento de tubings

El límite superior de la línea de peso de fluido lo ubicamos, como vimos, por la línea quedivide en áreas iguales la parte superior derecha del diagrama.Para el límite inferior debemos ubicarnos en el extremo inferior izquierdo dado que eneste punto (punto muerto inferior) las fuerzas debidas a la fricción de las varillas tienden acero y esto origina un giro en el trazo del diagrama. La línea inferior estará en esta zona(punto de inflexión) y con la magnitud sugerida por el principio de flotabilidad.

Carrera neta

Carrera bruta

Peso de fluido

0

Movimientode

tubing

Punto de inflexión




INFORMES DE DINAMOMETRÍA

Diagnosticar un pozo en bombeo mecánico significa conocer el estado de funcionamientode todo el sistema a partir del registro de superficie: la carta dinamométrica.

Diagnosticar con exactitud es de fundamental importancia ya que permite saber quéparámetros es necesario modificar para su optimización.Para realizar algunos cálculos previos de los parámetros que intervienen durante elbombeo de un sistema mecánico de extracción y poder obtener otros de los registrosdinamométricos, es necesario contar con datos e información del tipo de la descripta acontinuación:• Tipo de petróleo, gravedad o peso específico, viscosidad, porcentaje de agua,

salinidad y gravedad específica del agua, relación gas - petróleo, valores deproducción real, curvas de producción, curvas IP.

• Tipo y tamaño, luz, tipo de válvulas, accesorios, de la bomba de profundidad,profundidad de asentamiento de la misma.

• Varillas, clase, largo y longitudes de diferentes tramos, diámetros.• Tubería, diámetro, largo, profundidad de asentamiento.• Ancla, tipo y profundidad.• Existencia o no de separadores de gas de fondo.• Presencia o no de packer.• Profundidad de los punzados.• Nivel estático y dinámico.•

Longitud de la carrera del AIB y velocidad de bombeo.• Tipo, especificaciones y modelo del AIB.• Motor de accionamiento. Consumos de corriente.

Los parámetros más importantes para conocer cómo está funcionando un sistema debombeo mecánico, pueden dividirse en tres grupos principales:• Relacionados a la bomba de profundidad: carrera bruta del pistón y carrera aparente,

velocidad del pistón, caudal bruto desplazado, rendimiento volumétrico de la bomba,nivel dinámico, sumergencia, presión de fondo de admisión, peso del fluido,escurrimiento, pérdidas en válvulas, porcentaje de llenado.

• Relacionados a las varillas de bombeo y tubería: cargas máximas y mínimas,tensiones máximas y mínimas, tensiones en Goodman, esfuerzos de compresión por flotación, estiramientos, sobre - recorrido, estiramientos del tubing, anclaje correcto ono.

• Relacionados al AIB, motor e instalación de superficie. Cargas máximas, torquemáximo y curva de torque, balanceo del equipo, consumos y potencias del motor,rendimientos generales.

En su mayoría pueden ser obtenidos a partir de la interpretación de una carta

dinamométrica.A continuación se adjunta un informe dinamométrico.




INFORME DE MEDICIONES FÍSICAS (EL PRESENTE ES UN EJEMPLO DE UNINFORME TIPO, PUEDE VARIAR SEGÚN EL OPERADOR)

Datos de la instalacion

Unidad de bombeo: MARCA Y DESIGNACIÓN API

LUFKIN M-456D-305-168

De acuerdo al código API, M = MARK II; 456 = 456000 lbs-plg máxima capacidad de torque; 303 = 30.500 lb de máxima capacidad de carga en la viga y 168 = 168 plg. la mayor carrera disponible.

SENTIDO DE ROTACIÓN: ANTIHORARIOCARRERA: 168.04 PULG (4,27 M)corresponde al valor medido al momento del dinamómetro

G.P.M. 9,58idem anterior

CONTRAPESOS (colocados en el equipo): TIPO CANTIDAD DISTANCIA CANT.AUX.

OARO 4 0.00 0Nº O 0.00 0

NOTA: La distancia es un valor promedio de las distancias de cada contrapeso medidasen pulgadas desde el extremo de la manivela.

Motor

TIPO ELECTR

POTENCIA 75. 00 HP

SARTA (Datos entregados por el cliente): GRADO Y DESIGNACION API = 87

La identificación API de las varillas, utiliza la cantidad de octavos que contiene cada medida del diámetro. Para 1”, que son 8 octavos, corresponde el Nº8; para 7/8 ", que son 7 octavos, corresponde al Nº7; para 3/4”, que son 6 octavos, corresponde el Nº 6; para 5/8”, que son 5 octavos, corresponde el Nº5; para1/2”, que son 4 octavos,corresponde el Nº4. Por ejemplo, una sarta 86 es una combinación de 1”, 7/8” y 3/4" y una sarta 87 es una combinación de 1” y 7/8”.-

DIAM PORCENTAJE LONGITUD PESO MATERIAL(PULG) (%) (MTS) (LB/PIE)1.000 38.2 617.22 2.904 ACERO0.875 (7/8”) 61.8 998.22 2.224 ACERO

LONGITUD TOTAL DE LA SARTA 1615.44 MTS




PESO DE LA SARTA EN AIRE (WRA) 13164 LBS. (5971 KG)PESO DE LA SARTA EN FLUIDO (WRF): 11496 LBS.(5214 KG)El peso de la sarta en el aire se calcula conociendo el peso unitario (Kg/m o Lb/m) y la longitud de cada tramo.' El peso de la sarta en el fluido se obtiene afectando al anterior

por un coeficiente de flotación ( generalmente 0.88)

Bomba de profundidad (datos entregados por el cliente)

DIAMETRO 1.75 PULG.PROFUNDIDAD 1623.99 MTS

Datos de producción (entregados por el cliente)

PRODUCCION BRUTA: 62.00 M3/DPORCENTAJE DE AGUA: 90.00 %GRAVEDAD ESPECIFICA PROMEDIO: 0.990PRESION DE CASING (medida en el pozo): 6.00 KG/CM2PRESION EN BOCA DE POZO: 6.00 KG/CM2PROFUNDIDAD DEL ANCLA/PKR 1656.00 MTS.DIAMETR0 DE TUBING 2,875 PULGValores medidos y calculados

Estos valores se calculan a partir del dinamómetro registrado

Valvulas

VÁLVULA MOVIL (TV) 16.144 LBS.(7323kg) PIERDE 29 LBS (13kg) EN 3 SEG.VÁLVULA FIJA (SV) 11.659 LBS (5289kg) PIERDE 71 LBS (33kg) EN 3 SEG

Unidad de bombeo

CARGA MAXIMA (PPRL) 22870.54 LBS. (10374,08 KG)

CARGA MÍNIMA (MPRL) 7262.33 LBS. 3294,20 KG)valores medidos del dinarnómetro, segun escala.

PORCENTAJE DE CARGA ESTRUCTURAL 74.99%corresponde a la relación entre la carga máxima medida y la máxima disponible, en %.

EXISTENTE EN BALANCETORQUE MAXIMO REDUCTOR (LBS-PULG) 773.660 496.508Aplicando un programa, se obtiene el diagrama de torque punto a punto, a partir del dinamómetro y aplicando los factores de torque. De dicha curva se obtienen los valores.

PORCENTAJE DE TORQUE (%) 169.66 % 108.88%Relación entre torque real y la máxima capacidad de torque del reductor

EFECTO DE CONTRAPESO (LBS.) 12.471 17.626Está en función de los contrapesos utilizados, el efecto de carga que originan sobre el vástago.




TORQUE MAXIMO CPESOS (LBS-PULG) 1.303.898 1.691.792Representa el máximo torque que producen los contrapesos en uso, para equilibrar el torque producido por la carga del pozo.

EXISTENTE EN BALANCEDISTANCIA DE CONTRAPESOS (cm) 0.00 -91.21 (excedelos limites)medida desde el extremo de la manivela hasta la placa.

EFICIENCIA TORSIONAL 0.29 0.43Relación entre el torque promedio y el torque máximo. Da idea de los picos de torque.Conviene que sea mayor a 0. 3.

FACTOR DE CARGA CÍCLICA 1.61 1.37Indicador que da idea de la eficiencia en el uso del equipo, si está bien aprovechado o no. Según el tipo de AIB, debe ser menor de 1, 5 para convencional y menor de 1,3 para MII

POTENCIASLas potencias son calculadas con diferentes formularios y a partir del dinamómetro

HiDRAULICA S/VOLUMEN EN TANQUE 13.61 HP

TOTAL EN EL VASTAGO (PRHP) 32.63 HPESTIMADA EN EL MOTOR 58.52 HPPOTENCIA PICO DEL MOTOR EN REGIMEN 60.17 HP

DIAGRAMA DE GOODMAN

DIAM. CARGAS DIAGRAMA DE GOODMAN(PULG) (LIBRAS) FACTOR 1.0 0.8 0.6

MAX. MIN. LIMITE % LIMITE % LIMITE %1000 22871 7262 26665 80 21332 111 15999 1790.875 16248 2170 18508 86 14807 111 11105 158

El diagrama de Goodman permite conocer la relación optima entre la tención máxima y minima para una varilla de bombeo, según el grado de acero y el factor de seguridad que se tome. Comparando estas tensiones con las calculadas, se obtiene el % de solicitación.El factor de uso hace referencia a si las varillas son nuevas (factor 1) o usadas.

TABLA DE PRESIONES DE FONDO Y NIVELES

GRAVEDAD PRESION DE FONDO SUMERGENCIA NIVELESPECIFICA (KG/CM2) (Mt) (Mt)

1.00 21.55 216 14080.90 5.31 59 15650.80 0.00 0 16240.70 0.00 0 16240.99 19.92 201 1423




Estos valores son obtenidos a partir de la interpretación del dinamómetro de fondo.Obteniendo el nivel dinámico por cálculo, se llega a una determinación de gravedad específica que sea compatible con dicho nivel.

NIVEL DINAMICO DE FLUIDO (ACUSTICO) 1150.00 MTS.Corresponde a un valor obtenido con el sonolog

NIVEL CORREGIDO POR McCOY 1414.86 MTS.El valor del nivel dinámico obtenido del sonolog, se corrige por cálculo, aplicando factores que están en función de la presión de casing y de la estimación de la velocidad de recuperaci ón de la misma.

DINAMÓMETRO DE FONDO CARRERA BRUTA 155.20 Pulg (3.94 m)

CARRERA APARENTE 116.77 Pulg (2.97 m)

DESPLAZAMIENTO BRUTO 84.42 m3/d

DESPLAZAMIENTO APARENTE 63.51 m3/d

Los desplazamientos son calculados aplicando las carreras y en función de las

características de la bomba y funcionamiento.(diámetro y GPM).

EFICIENCIA (VOL. TANQUE/BOMBA) 97.62 %Comparación entre control del pozo y el desplazamiento aparente calculado.

LLENADO DE BOMBA 75.24 %Relación entre la carrera aparente y la carrera bruta.

CARGA MAXIMA 6173.24 Lbs. (2800.18Kg)

CARGA MINIMA -4679.03 Lbs. (2122.41 Kg)

PESO DE FLUIDO (Wf) 4818.49 Lbs. (2185.67Kg)Calculados a partir del dinamómetro del fondo.

SOBRE RECORRIDO 7.71 Pulg (19.58 cm)

ESTIRAMIENTO 20.89 Pulg (53.06 cm)

MOVIMIENTO DE TUBING 0.00 Pulg (0. 00 cm)

ESTADO DEL TUBING: ANCLADO




EJEMPLO DE INFORME DE DINAMÓMETRO DEL POZO PCG-228




NIVEL DE FLUIDO.

DESCRIPCIÓN

El nivel de fluido en un pozo puede ser determinado acústicamente por la generaciónde un pulso de presión realizado en superficie y registrando los ecos de las cuplas,obstrucciones y el nivel de fluido; mediante el uso de instrumentos denominadosdetectores acústicos de nivel.

Un cartucho de fogueo ha sido la fuente tradicional de este pulso hasta el modernodesarrollo de la pistola de gas. En los pozos cuyo espacio anular tiene menos de 100 pside presión, la cámara de volumen del instrumento es presurizada con 100 psi por encimade la presión del casing, mediante el uso de anhídrido carbónico o nitrógeno.El gas es expandido instantáneamente en el espacio anular y esto genera el pulso depresión. En aquellos pozos cuya presión de espacio anular es mayor a 100 psi se reduce

la presión de la cámara del instrumento hasta un valor de presión menor a 100 psi.Seguidamente se produce la comunicación instantánea entre espacio anular y cámaraque genera la onda de presión buscada.

Un micrófono convierte los pulsos de presión reflejados en las cuplas, líquido u otrasobstrucciones, en señales eléctricas que son filtradas, amplificadas y graficadas en unacarta.

El equipo utilizado consta de: la cámara de disparo o expansión que va conectada alespacio anular con el pequeño cilindro de gas, sostenido por el operador, de dióxido decarbono o nitrógeno que provee la energía necesaria para producir la onda de presión.

Conectado eléctricamente a aquella se observa el receptor provisto del circuitoelectrónico que recibe, traduce y amplifica los ecos de las obstrucciones del espacioanular y el mecanismo registrador de señal

INTERPRETACIÓN DE LOS REGISTROS

En general es posible obtener datos ajustados de niveles de fluido con estosinstrumentos. Las dificultades en la determinación de niveles se presentan cuando estápresente alguna de estas condiciones: (1) Espacio anular conteniendo fluido con gas, (2)Espacio anular con espuma y (3) Enmascaramiento de las cartas .

COLUMNA DE FLUIDO GASEOSO.

Esto se da en aquellos pozos que ventean gas por el espacio anular . Al migrar el gasde la fase líquida al espacio anular superior genera disturbios y ruidos que puedengenerar confusión en la interpretación de la carta. En ocasiones se puede verificar laprocedencia del disturbio cerrando la válvula del casing y observando la agujaregistradora del instrumento; si esta cesa su movimiento comprobaremos que laprocedencia del disturbio tiene el origen antes mencionado.

ESPACIO ANULAR CON ESPUMA.

Cuando el fluido pasa de la formación al pozo se produce una caída de presión. Laespuma está presente en algunos pozos cuando esa pérdida de presión es relativamentemenuda y se forman pequeñas burbujas muy estables, que no permiten que se produzca




el reflejo de la onda acústica generada en superficie por lo que se torna imposibledetectar el nivel de fluidos.

RUIDOS Y ENMASCARAMIENTO.

Los ruidos inherentes al pozo pueden distorsionar las reflexiones por lo tanto sedeberá detener la unidad de bombeo. En ciertos pozos se verifica un alto nivel de ruidoque puede durar hasta 10 o 15 minutos después de cerrar la tubería colectora de gas yparar la unidad. Esto se debe al continuo desprendimiento de gas del fluido en el pozo oen la formación .

La parafina, corrosión, incrustaciones, etc. suelen enmascarar los reflejos de la ondade presión. En estos casos un incremento de la presión del casing logra, en ocasiones,incrementar significativamente la respuesta. Otro recurso usado es aumentar el rangodel pulso de presión inicial.

Finalmente mencionaremos que en la actualidad se corrige el nivel de fluido obtenidoen aquellos pozos con presencia de gas. Para ello se toma el incremento de presión enel casing en un determinado tiempo y de acuerdo a este valor se halla el nivel de fluidocorregido que es mayor al obtenido primariamente por el disparo.

02-II-DINAMOMETROS2

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