BOMBEO MECANICO

INTRODUCCION Está muy generalizado en el mundo entero por su versatilidad, cubriendo una amplia gama de necesidades, (el 85 % de los pozos producen por éste método). El mercado ofrece todos los elementos necesarios para producir desde unos litros hasta grandes volúmenes diarios.Consiste en una bomba con pistón que se baja por dentro de la tubería de producción y se asienta, con un elemento especial, en la profundidad elegida.La bomba es accionada desde la superficie con una columna de varillas por la que se trasmite un movimiento alternativo. Este movimiento alternativo lo genera un equipo, en combinación de biela manivela, denomina Aparato Individual de Bombeo.

Es el “WORK HORSE" mas fiable, Universalmente adaptado a la unidad “Línea Lufkin”. Es simple de operar y requiere un mantenimiento mínimo. Aquí vemos dos diseños de su instalación vista de atrás y de frente.

Unidad Convencional con Caja Balanceada LUFKIN

debido a su única geometría y rasgo de contrapeso reducido, bajando al máximo su torque y su Potencia. Su geometría es rara del Mark II. Su movimiento es lento y su balanceo es mas rápido con aceleración reducida dónde la carga es mayor, mientras su producción es lenta.

UNIDAD MARK II

Diseño compacto en la instalación de campos irrigado, tiene un sistemas de rociador. En áreas urbanas dónde el perfil es bajo el rasgo puede ser deseable. Hay de varios tamaños, capacidad.

LUFKIN LA UNIDAD DE PERFIL MAS BAJA

Se usa el aire comprimido para el movimiento de contrapesos esto nos permite un movimiento mas exacto. La presión de la unidad es muy reducida, lo que afecta el transporte, instalación y costos. Las unidades de aire son equilibradas. Tienen ventaja por el tamaño, golpes, contrapesos, cigüeñal convencional y sus unidades son macizas.

UNIDAD CON AIRE BALANCEADO

La Viga LUFKIN tiene mejor equilibró y confiabilidad como unidad convencional. Esta unidad es económica y es aplicada en pozos poco profundos.

BALANCEO CON VIGA - CHURCHILL LUFKIN

UNIDAD LUFKIN RM Unidad de Bombeo mejorada a la geometría del tipo convencional. Aunque similar en su apariencia al Lufkin de bombeo Convencional, la unidad RM por su geometría puede reducir el torque y tener otras aplicaciones.

BOMBEO MECANICO

OBJETIVOS

El objetivo principal es la de aplicar el bombeo mecánico para poder realizar un programa que nos ayude a una mejor solución y rapidez cuando se apliquen los cálculos que se realizan durante el proceso de perforación y así nos ahorre tiempo, y mas que todo nos de las garantías que es bastante confiable todos los cálculos realizados mediante el programa que realicemos.

Este método utiliza medios mecánicos para transmitir la energía desde superficie a través de la sarta de varillas a la bomba de profundidad.

SISTEMA DE BOMBEO MECANICO

El sistema de bombeo mecánico por medio de varillas consiste esencialmente de cinco partes:

1.- La bomba en profundidad o de superficie.

2.- La sarta de varillas de bombeo que transmite el movimiento y la energía a la bomba de profundidad.

3.- El equipo de bombeo en superficie que cambia el movimiento de la rotación del motor en movimiento de bombeo lineal oscilante.

4.- La unidad de transmisión de energía o reductor de velocidad.

5.- El motor o unidad motriz que suministra la energía y potencia necesaria al sistema.

TRAMPA DE GAS

Es una instalación ubicada en la profundidad que permite una separación primaria de líquido y gas en profundidad, mediante una trayectoria liberándose el gas hacia la entre columna (espacio anular) y el líquido ingresa a la bomba de profundidad. El diseño de estas trampas de gas es muy variado de acuerdo a la calidad de fluido a bombear.

La mayor partes de las trampas de gas llevan un niple en su parte inferior donde se recuperan sólidos que han podido ingresar dentro de la rampa.

BOMBA DE PROFUNDIDAD

Es el principal elemento dentro de la instalación de bombeo mecánico esta conformado por un cilindro llamado “funda”, camisa o barril de trabajo, en cuyo extremo inferior se encuentra instalada una válvula llamada válvula de pie, dentro de la funda se mueve el émbolo o pistón que posee otra válvula viajera.

La energía del movimiento oscilante que se proporciona al émbolo es mediante la sarta de varillas.

CICLO DE UNA BOMBA

Existen diferentes ciclos aplicados a todo tipo de bombas, un ciclo podemos definir como el recorrido que realiza el flujo desde que ingresa al pozo hasta que sale a los tanques de lodo.

TIPOS DE BOMBAS

BOMBAS TUBULARES (T)

Su nombre deriva del hecho que la camisa es una parte integrante de la sarta de tubería “armado conjuntamente con la camisa”, después de haber sido bajada se lanza la válvula de pie que queda anclada del niple asiento esto permite la extracción de la válvula de pie sin necesidad de sacar la tubería.

BOMBAS INSERTABLES (R)

Su nombre proviene del hecho de que la bomba es alejada mediante las varillas de bombeo y anclada en el niple asiento que se baja conjuntamente con la tubería. La ventaja de esta bomba es que puede ser sacada sin necesidad de extraer la tubería.

BOMBAS DE CAÑERÍA

Este grupo de bombas incluye todas las bombas en las cual se usa la cañería en vez de la tubería por medio de una bomba de cañería es bajada dentro del pozo en una sarta de varillas, la tubería no es usada en este tipo de instalación.

Generalmente la bomba de cañería es una versión en grande de una bomba insertable y es colocada y operada de la misma manera se utiliza para grandes volúmenes.

SARTA DE VARILLAS DE BOMBEO

Es un conjunto de barras elásticas, macizas conectadas una con las otras a través de roscas especiales, las juntas pueden conectarse con cuplas o varillas integrables “hembra y macho”.

Son encargadas de transmitir el movimiento del equipo de bombeo a la bomba de profundidad.

VASTAGO PULIDO

Es una varilla maciza pulida al Ni, Cr y tiene rosca fina es el nexo entre las conexiones superficiales y está sometida a las fuerzas de tensión. Durante el trabajo de la unidad de bombeo mecánico este vástago pulido se esta moviendo dentro de la estopa.

FUNCIONES DEL VASTAGO PULIDO

1.- Resistir todo el peso de la sarta de varillas y fluido.

2.- No permitir el flujo de los fluidos por la prensa estopa pese a estar en movimiento.

CLASIFICACION DE LAS BOMBAS

T = Bomba tubular.W = Camisa entera o funda entera.G = Mas niple de extensión.L = Seccionada o al liner.R = Bombas insertadas.

1.- TW Bomba tubular con camisa entera.2.- TWE Bomba tubular con camisa entera + Niple de extensión.3.- TL Bomba tubular seccionada.4.- TLE Bomba tubular seccionada +Niple de extensión.5.- RW Bomba insertable con camisa entera.6.- RWE Bomba insertable con camisa + Niple de extensión.7.- RL Bomba insertable seccionada o al liner.8.- RLE Bomba insertable seccionada + Niple de extensión.

LA “T” DE FLUJO

Conecta tres elementos que poseen tres diferentes roscas hembras, la de la prensa estopa que es rosca fina, la de la tubería del poza que es una rosca de alta resistencia y la de la tubería que tiene una rosca común.

PRENSA ESTOPA

Es un conjunto de anillos metálicos, anillos de goma y anillos antifricción que presionan al vástago fluido sin permitir el flujo de fluido en superficie, cuando el vástago pulido esta deslizándose dentro de los anillos durante el bombeo.

La presión que tiene en la instalación superficial es encima de la “T” de flujo.

Los anillos de goma son aprisionados por los anillos metálicos y antifricción, mediante un movimiento de torsión impreso a las asas de la prensa estopa adherida que los anillos de goma se vayan desgastando. Los anillos de goma y el vástago fluido son los únicos que se tocan.

CABEZAL

Es un implemento que ensambla el colgador mediante las riendas con el balancín.

-COLGADOR.- Es un bloque que está conectado mediante la rienda al cabezal, sobre el colgador asienta la grampa que aprisiona al vástago pulido.

- RIENDAS.- Son cables y unen al cabezal con el colgador.

BALANCÍN

Es una viga de perfil en “I” que conecta el cabezal con el contrapeso y el sistema biela - manivela, descansa mediante una articulación en el poste maestro.

MANIVELA, CIGÜEÑAL Es una estructura sólida esta constituida por una serie de agujeros para el pasador de la biela, a través de estos agujeros se pueden ajustar, las carreras mas largas o mas cortas del vástago pulido. Algunos tipos de unidades de bombeo mecánico llevan el contrapeso en la manivela y otras en el extremo o parte de atrás del balancín.

BIELA

Por medio los pesadores de la manivela los miembros laterales de la biela están asegurados a la manivela. El extremo de la biela que está asegurada a la manivela tiene un movimiento rotatorio con un radio igual a la manivela, mientras que el otro extremo que esta juntado al balancín tiene un movimiento lineal oscilante proporcionando la fuerza para operar el balancín.

SISTEMA BIELA - MANIVELA

Es el que cambia el movimiento circular por movimiento oscilante. La longitud de la carrera varía en tres o mas longitudes. Para conseguir carreras diferentes se varía la posición de la biela en la conexión con el cigüeñal.

ENGRANAJE REDUCTOR O CAJA REDUCTORA

La función que cumple es la de reducir la velocidad del motor a un valor menor que apropiado para operar la unidad. El engranaje reductor es acoplado al motor por medio de cadenas o correas en “V”, el engranaje reductor es de simple, doble o triple reducción.

Simple de 1 a 12 o 15 vueltasDoble de 1 a 30 vueltasTriple de 1 a 45 o 50 vueltas

CONTRAPESO

Constituye la carga equivalente del peso la sarta de varilla y del fluido actuante sobre la superficie transversal del embolo.

La ubicación de los contrapesos en la estructura de superficie esta superditado al diseño de los fabricantes unos lo ubican en forma de placas en el extremo del balancín y otros en la manivela.

MOTOR

El motor en superficie es el que suministra la potencia al sistema. Existen dos tipos de motor que son comúnmente utilizados.

1.- Motores de combustión interna

2.- Motores eléctricos

TIPOS DE UNIDADES DE BOMBEO MECANICO

C - 228D - 200 - 74

C = tipo de unidad convencionalA = tipo de unidad balanceada a aire

MARK II 228 = Significa el torque máximo multiplicado por mil (lbs-pulg)200 = Carga máxima del vástago pulido por 100 lbs. Peak Polished Rod Load (PPRL) = 20000 lbsD = Doble reducción74 = Longitud de la carrera del vástago pulido en superficie (pulg) se lo representa por la letra “S”

INSTRUMENTOS DE MEDICION

En el bombeo mecánico tenemos dos instrumentos auxiliares para determinar el funcionamiento de la bomba.

1.- DINAMÓMETRO

Es un registro continuo de todas las fuerzas actuantes a lo largo del vástago pulido para cualquier instante del ciclo de bombeo.

2.- ECONOMETRO

Se utiliza para determinar el nivel del fluido en un pozo haciendo una carga en superficie.

DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA

Es la cantidad de fluido que desplaza la bomba o la cantidad de fluido que produce la bomba.

PD = A * Sp* N

PD = Desplazamiento de la Bomba (BPD) A = Área de la bomba (puld2)Sp = Longitud de la embolada efectiva (Pulg/carrera)

N = Velocidad de Bombeo (carrera/min)

PD = 0.1484 * A * Sp* N

PD = Desplazamiento de la Bomba (BPD)A = Área de la Bomba (Pulg2)Sp =(pulg/carreraN =(carrera/min)

Llamemos : K = 0.1484*AK = constante de bomba (de tabla)

PD = K * Sp * N

El caudal de producción actual en superficie “Q” debe ser menor que el total teórico del desplazamiento de la bomba a causa de la eficiencia volumétrica.

Entonces la eficiencia volumétrica será:

Ef = Q/PD * 100Donde :

Q = Caudal de producción en superficie (BPD)PD = Desplazamiento de la Bomba (BPD)Ef = Eficiencia Volumétrica

La eficiencia volumétrica puede variar sobre un amplio rango, pero más comúnmente esta entre el 70 y 80 %.

La eficiencia volumétrica es debido al resbalamiento del fluido y gas contenido en el fluido.

CONCLUSIONES

Podemos concluir diciendo que aplicando un programa al bombeo mecánico nos ahorrará tiempo y también nos ayudará a ser mas precisos en los resultados obtenidos.

000,56

Dqbhp

000,45

Dqbhp

Para motores de baja velocidad y motor NEMA de alto deslizamiento.

DONDE :

bhp = Potencia del Motor, (hp)q = Caudal del Flujo de Fluido (bbls/dia)D = Profundidad (Elevación), (pies)Para motores de alta velocidad y motor NEMA C normal deslizamiento.

6024000,33

WDq

bhph

735,135

Dqbhph

La formula de la potencia hidráulica que necesitamos para la elevación del fluido es una pequeña porción de la potencia requerida por el sistema de bombeo.DONDE

bhph = Potencia Hidráulica, (hp)q = Caudal del Flujo de Fluido, (bbls/dia)W = Peso de Barril de Fluido, (lbm)33,000 Factor de conversión (pie-lbf/min)Para una gravedad especifica 1 grs/cm3

DONDE:

42 = Factor de conversión, (gal/bbls)8,3356 = Factor de conversión (lbm/gal)

La potencia fraccional es para flujo pesado de 10 ºAPI DONDE:

000,33

281 NSW

bhp rf

bhpf = Potencia para superar la fricción de subsuperficie, (hp)Wr = Peso de la Varilla, (lbm)S = Embolada Del vastago pulido, (pie)N = emb/minEficiencia depende del tipo de engranajes de la unidad de bombeo = 75% a 93%

EJEMPLO # 1

Un pozo de 6000 pies de profundidad, produce 200 BPD con una gravedad especifica 1 grs/cm3, usando una embolada de 64”, una bomba con una 1-1/2” bore, ¾” de varilla (1,64 lbm/pie, 14,4 emb/min) y asumimos que la tubería ha sido fijada), esta puede tener una potencia hidráulica y fraccional.

735,135

Dqbhph

735,135

000,6200hbhp

000,33

281 NSW

bhp rf

bhph = 8,84 hp

000,33

281 NSW

bhp rf

000,33

4.14)1264(2)000,664.1(8

1 fbhp

bhpf = 5.72 hp

La potencia requerida para el vástago pulido, Ppr

Ppr = bhph + bhpf

Ppr = 8.84 + 5.72

Ppr = 14,56 hp

La potencia requerida al primer movimiento, ppm asumimos

una unidad de bombeo con una eficiencia de 85%.

%85pr

pm

pp

85.0

56.14pmp

Ppm = 17.13 hp

El Control Principal de la Varilla de Bombeo

La bomba mientras hay fluido suficiente para llenar la misma, se cierra en el fondo por un periodo pre-determinado de tiempo para permitir al fluido que haiga una restitución de flujo en el pozo, entonces se continua bombeando.

La capacidad del desplazamiento del sistema debe diseñarse.

Debe exceder el fluido en el flujo del reservorio.

TEORIA OPERACIONAL

El resultado deseado: la producción máxima sin el efecto de daño por la presión de flujo.

PRESION DE FLUJO

como experiencia en un pozo de petróleo de bombeo mecánico, La causa por el no llenado de la bomba completamente en una carrera ascendente

Cuando disminuye las emboladas el fluido empieza llenarse y la sarta de varilla realiza movimientos hacia abajo a través de un pistón nulo hasta el nivel fluido que esta en el barril de la bomba.

La válvula viajera se abre, mientras va transfiriendo la carga a la tubería, mientras causa una disminución en la carga, qué transmite una ondulación a través del sistema de la bomba el. Esta ondulación daña las partes del sistema de bombeo.

VARIABLES QUE AFECTAN A LA SARTA DE VARILLAS Y CARGA DE LA UNIDAD DE BOMBEO

Carga del vástago PulidoVelocidad de la Bomba Asentamiento de la bomba Características físicas de la sarta de varillas Características Dinámicas de la Sarta de Varillas Diámetro del Pistón de la Bomba Gravedad EspecificaPresión de Succión de la Bomba

Modelo de Aceleración del Vástago pulidoFricción MecánicaFricción del FluidoBomba SumergidaInterferencia del GasUnidad Bombeo InerciaUnidad de Bombeo GeométricaContrapesoCaracterísticas del Torque del Primer Movimiento Presión de la Línea de Flujo.

PRESION DEL FLUIDO

Fo = Carga Fluida en el Área llena del PistónSKR = La Carga Requerida para jalar la Sarta de Varilla a una cantidad igual a la Longitud de la EmboladaFo/SKR = % de la Longitud en Embolada a la cual el fluido cargara la Sarta en la VarillaN/No =N/No`= BPD =WRF =TA =PPRL =MPRL =CBL =PT= Wr =G =

PARA UNIDAD MIXTA

DATOS:

Profundidad de la Bomba: 8650 PiesGravedad del Fluido: 1.0Longitud de la Embolada: 168 Pulg.Diámetro del Pistón: 1-3/4 Pulg.Numero de la Varilla: 86Velocidad de la Bomba: 7.6 SPMCarga del Fluido: 1.041 Lbs/Pies (Tabla : 1-3/4”)Constante Elástica: 0.0007Factor de Frecuencia: 1.164

Fo = Prof. x SGo x Carga Fluido = 8.650 x 1.0 x 1.041 = 9005 Lbs

SKR = 1000 x Stroke/ [Er x Depth] = 1000 x 168 /( 0.0007 x 8.650 = 27746 Lbs

Fo/SKR = 9005/27746 = 0.325

N/N0 = SPM x Prof./24500 = 7.6 x 8650 x 245000 = 0.268

N/No` = (N/No)/Fe = 0.268/1.164 = 0.230

BPD (100% eff.) = Const. Bomba x SPM x Stroke x SP = 0.357 x 7.6 x 168 x 0.771 = 351

WRF = Peso de la Varilla x Prof. x [1 - (0.128 x SGo)] = 2.185 x 8650 x [1-(0.185 x 1.0)] = 16481

WRF/SKR = 16481/27746 = 0 .594

TA = 1+[% Ajuste Torque x ((WRF/SKR) - 0.3) x 10] = 1+ [( - 0.0075 )( 0.594 - 0.3) x 10] = 0.978

UNIDAD CONVENSIONAL

PPRL= WRF+[F1x SKR]= 16481 + (0 .497 x 27746) = 30270 Lbs

MPRL = WRF- [F2 x SKR] = 16481 - [(0.177 x 27746)] = 11570

CBL = 1.06 x [(WRF + (Fo/2)] = 1.06 x [(16481+ (9005/2)] = 22243

PT = T x SKR x (Stroke/2) x TA = 0.348 x 27746 x (168/2) x 0.978 = 793.200

Rod Stress = PPRL/Área = (30270/ 0.785) = 38561

UNIDAD CON AIRE BALANCEADO

PPRL = WRF+ Fo + 0.85 x [F1 x SKR -Fo] = 16481 + 9005 + 0.95 x ( 0.497 x 27746 - 9005 ) = 29553 Lbs

MPRL = PPRL - [F1 + F2] x SKR = 29553 - [(0.497 + 0.177)] x 27746 = 10852 Lbs

CBL = 1.06 x (PPRL + (MPRL/2)) = 1.06 x [(29553 + (10852))/2] = 21415

PT = T x SKR x (Stroke/2) x TA x 0.96 = 0.348 x 27746 x (168/2) x 0.978 x 0.96 = 761500 Lbs

Rod Stress = PPRL/Área = 29553/0.785 = 37647 Lbs

UNIDAD MARK II

PPRL = WRF+ Fo + 0.75 x [(F1 x SKR - Fo)] = 16481 + 9005 + 0.75 x [(0.497 x 27746 - 9005)] = 29075

MPRL= PPRL - [(F1 + F2)] x SKR = 29075 - (0.497 + 0.177) x 27746 = 10374

CBL = 1.04 x (PPRL+ 1.25 x MPRL )/2 = 1.04 x (29075 + 1.25 x 10374)/2 = 21062

PT = [PPRL x 0.93 - MPRL x 1.2) x Stroke /4= (29075 x 0.93 - 10374 x1. 2) x (168)/4 = 612800

Rod Stress = (PPRL/Área) = (29075 /0.785) = 37030

POTENCIA REQUERIDA BASADO AL 100% DE LA EFICIENCIA VOLUMETRICA

UNIDAD CONVENCIONAL Y BOMBEO CON AIREPara Motores con Baja Velocidad & Motores Eléctricos con Alto Deslizamiento

BHP = 8650 Pies x 352 BPD/56000 = 54 hp

Para Motores Multi-Cilindros & Motores Eléctricos con Deslizamiento Normal

BHP = 8650 Pies x 351 BPD/45000 = 68 hp

UNIDAD MARK II

Para Motores con Baja Velocidad & Motores Eléctricos con Alto Deslizamiento

BHP = 8650 Pies x 351 BPD x 0,8/ 56000 = 44hp

Para Motores Multi-Cilindros & Motores Eléctricos con Deslizamiento Normal

BHP = 8650 Pies x 351 BPD x 0,8 = 54 hp

DATOS VARILLAS Y BOMBAS