SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. Versin 1.0 AUTORES DIEGO ALBERTO TORRADO SOTO FERNANDO DAZ GMEZ JEFFERSON GIOVANNI VILLAMIZAR LPEZ JORGE HUMBERTO BUITRAGOROZO LUIS ANDRS AGUILAR GMEZ Director: MSc. JORGE ENRIQUE MENESES FLREZ Bucaramanga Colombia Abril 2011 PRLOGO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. PRLOGO Este libro es la sntesis de la investigacin y de los aportes realizados por los integrantes, los asistentes y el director durante el desarrollo del Seminario de Investigacin:ESTUDIO DELASVARIABLESINVOLUCRADASENLOSSISTEMASDEBOMBEOMECNICOPARAEL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO.Elprogresodelainvestigacinsellevoacaboconeldesarrollodeforosacadmicos, expuestosenuntotalde16sesiones,enlascualessepresentaronlosproductosdela investigacin,conelfinquelosintegrantes,eldirectorylosasistentesafianzaranlos conocimientos en un tema especfico.Eldocumentoestdivididoenonce(11)captulosyesunarecopilacindelostemasy subtemasexpuestosencadaunadelassesiones,siguiendoelmismoordenparatener continuidad y conexin entre ellos. Elcontenidodeestelibropresentalosconceptosterico-prcticosdelprincipiode funcionamiento de los Sistemas de Bombeo Mecnico, con el objetivo de proporcionar las herramientas bsicas para el diseo, control, optimizacin y operacin de estos sistemas.De manera anexa se incluye el audiovisual de cada una de las 16 sesiones, las cuales estn disponibles en un disco compacto, de tal forma que permita una mayor comprensindel funcionamiento de los Sistemas de Bombeo Mecnico. GLOSARIO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. GLOSARIO Aceitecrudo.Elaceitequeprovienedeunyacimiento,despusdesepararlecualquiergas asociado y procesado en una refinera; a menudo se le conoce como crudo. Anclas de gas. Las anclas de gas son diseadas para separar el gas libre del lquido producido antes que este entre en la bomba. Estas operan con el principio de separacin por densidad. rbol de Navidad. El arreglo de tuberas y vlvulas en la cabeza del pozo que controlan el flujo de aceite y gas. API. Sigla de American Petroleum Institute,que esuna asociacin estadounidensedela industria petrolera,quepatrocinaunadivisindelaproduccinpetroleraenlaciudaddeDallas, Texas.El instituto fue fundado en 1920 y se constituy en la organizacin de mayor autoridad normativa de los equipos deperforacin y deproduccin petrolera. Publica cdigos queseaplican en distintas reaspetrolerasyelaboraindicadores,comoelpesoespecficodeloscrudosquesedenomina "grados API". Barril. Una medida estndar para el aceite y para los productos del aceite. Un barril = 35 galones imperiales, 42 galones US, 159 litros. Barriles por da. En trminos de produccin, el nmero de barriles de aceite que produce un pozo enunperodode24horas,normalmentesetomaunacifrapromediodeunperododetiempo largo. (En trminos de refinacin, el nmero de barriles recibidos o la produccin de una refinera duranteunao,divididosportrescientossesentaycincodasmenoseltiempomuertoutilizado para mantenimiento). Bomba de fondo. Es la encargada de permitir la entrada de fluido de la formacin a la tubera de produccin y le proporciona la energa necesaria para levantarlo hasta superficie. Las bombas de subsuelo usadas en el bombeo mecnico trabajan sobre el principio del desplazamiento positivo y son del tipo cilindro-pistn. Sus partes bsicas son el barril de trabajo, el pistn y las dos vlvulas de bola. Bombeoneumtico.Unodevariosmtodosdeelevacinartificial.Unprocesomecnicoque utilizalainyeccincontinuaointermitentedeungasdentrodelatuberadeproduccinpara aligerarodesplazarlosfluidosproducidos.Estocreaunareduccindepresinenelfondodel pozo, incrementando o sustentando el flujo del pozo. Cabezadepozo.Equipodecontrolinstaladoenlapartesuperiordelpozo.Consistedesalidas, vlvulas, preventores, etc. Cargapico.Lacargamximaproducidaoconsumidaporunaunidadduranteundeterminado perodo. GLOSARIO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. Casquete de gas. En un campo quecontienegas y aceite, parte del gas se almacenar a menudo en la parte superior del yacimiento en un depsito nico conocido como casquete de gas. Desbalanceestructural.Eslafuerzaquesenecesitaparaquelabarrapulidamantengalaviga viajera en una posicin horizontal con los brazos pitman desconectados de los pins de la manivela. Desplazamientodelabomba.Eslaratatericaalacualsebombeafluidoycorrespondeal volumendeaceitedesplazadoporelpistnenuncicloenelcasodequeelfluidollenara completamentelabombaenlacarreraascendenteyfueseincompresible.Setratadeuncaudal geomtrico. Dinagrama de fondo. Para entender la forma de un Dinagrama de fondo es necesario comprender lascondicionesfsicasenlasqueestoperandoelbarril,elpistnylasvlvulasenelciclode bombeo. Dinagrama de superficie. El Dinagrama de superficie es un registro de cargas, sobre la barra pulida para determinar en superficie el comportamiento de la bomba durante cada ciclo de bombeo. Dinammetro.Sedefinecomouninstrumentoparamedirfuerza.Eldinammetroregistralas cargasdelpozoimpuestassobrelabarrapulida(fuerzas)comounafuncindelaposicindela barra pulida. Este registro de carga vs posicin es llamado "carta dinagrfica". Efecto Contrabalance. El efecto contrabalance es la carga grabada en la barra pulida con la unidad de bombeo detenida, el freno sacado, y las manivelas tan cerca de la horizontal como sea posible. Cuando se graba el efecto de contrabalance, el torque causado por las cargas en la barra pulida es igual y opuesto al torque de las contrapesas. Equipo de superficie. Su funcin es transmitir energa del motor principal a la sarta de varillas de succin. Para hacer esto, el equipo debe cambiar el movimiento rotatorio del motor principal, a un movimiento reciprocante con las varillas de succin y debe reducir la velocidad del motor principal a una velocidad adecuada de bombeo. Espacioanular.Eselespacioquequedaentrealaparejodeproduccinylatuberade revestimiento o casing, dentro de un pozo. Factor de cargas cclicas. El factor de cargas cclicas es un nmero que muestra que tan uniforme es el torque en la caja de engranaje. Factordetorque.Esunnmeroquecuandosemultiplicaporlascargasenlabarrapulidadael torque causado por las cargas en la barra pulida. GravedadAPI.LaescalautilizadaporelInstitutoAmericanodelPetrleoparaexpresarla gravedad especfica de los aceites. Gravedad especfica. La relacin de la densidad de una sustancia a determinada temperatura con la densidad de agua a 4C. Golpedefluido.Sielniveldelpozohadisminuidoconsiderablemente,labombaquedara parcialmentellenadelquidoydegasabajapresin.Cuandoelpistnrealizasucarrera descendente, la presin dentro del barril de la bomba no es suficientemente grande para abrir la vlvulaviajera,estasloabrircuandochocabruscamenteconellquido.Elimpactodelpistn con el lquido es causa de mltiplesproblemas en el sistema GLOSARIO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. Hidrocarburo.Cualquiercompuestoomezcladecompuestos,slido,lquidoogasquecontiene carbono e hidrgeno (p. ej.: carbn, aceite crudo y gas natural). InflowPerformanceRelationship,IPR(relacindecomportamientodeflujo).Esel comportamiento que presenta el flujo del yacimiento al pozo. Interferenciadegas.Elgasqueafectaelrendimientodelabombapuedesergaslibreenel petrleo en la entrada de la bomba o gas disuelto que se libera por la cada de presin dentro de labomba.Estegasocupaunespacioenelbarrildelabombareduciendoelespaciodisponible para el petrleo y tambin causa un retardo en el cierre y apertura de las vlvulas, disminuyendo el llenado de la bomba con lquido. ndice de productividad, IP (productivity index). Es la razn de la tasa de produccin por cada de presin. Mmpcd. Unidad de flujo volumtrico normalmente utilizada en la industria petrolera para el gas y que indica millones de pies cbicos por da de gas a condiciones estndar de 1 atm y 60F. NiveldeFluido.Profundidadalaqueseencuentraellquidoenelanularmedidodesdela superficie Permeabilidad.Capacidaddelasrocasdepermitirelflujodelquidosogasesatravsdesus espacios vacos. Petrleo.Mezclaenproporcionesvariablesdehidrocarburosslidos,lquidosogaseososquese encuentranenlosyacimientosbajopresionesytemperaturasmsomenoselevadas.Los petrleos crudos pueden ser de base parafnica, asfltica o mixta. Los crudos de petrleo, segn la densidad, se clasifican en: a) Pesados (10 a 23,3 API). b) Medios (22,3 a 31,1 API). c) Livianos (superiores a los 31,3 API). El grado API se fija mediante una escala adoptada por el American Petroleum Institute para medir ladensidaddelospetrleosbrutos.Laescalavarageneralmenteentre10(equivalenteauna densidad de 1,0000) y 100 (equivalente a una densidad de 0,6112) con relacin al agua a 4 C de temperatura. PotenciaHidrulica.EslaPotenciaencargadadeentregarlelaenergaalfluidoparaqueeste pueda ser llevado desde la bomba de fondo hasta la superficie Pozo.Agujeroperforadoenlarocadesdelasuperficiedeunyacimientoaefectodeexploraro para extraer aceite o gas. Pozo desviado. Un pozo perforado en ngulo con la vertical (perforacin desviada), para cubrir el reamximadeunyacimientodeaceiteodegas,oparalibrarelequipoabandonadoenel agujero original. Presin.Elesfuerzoejercidoporuncuerposobreotrocuerpo,yaseaporpeso(gravedad)o mediante el uso de fuerza. Se le mide como fuerza entre rea, tal como newtons/metro2. Presin absoluta. Esta es la presin manomtrica ms la presin atmosfrica. GLOSARIO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. Presin Atmosfrica. El peso de la atmsfera sobre la superficie de la tierra. A nivel del mar, sta es aproximadamente 1.013 bares, 101,300 Newton/m2, 14.7 lbs/pulg2 30 pulgadas de mercurio. Presin crtica. La presin mnima requerida para licuar un gas a su temperatura crtica. Presin de Burbujeo. Es la presin de un sistema en el punto de burbujeo. Presin de fondo esttica (SBHP). Es la presin de un yacimiento a condiciones estticas, es decir, cuandonoexistemovimientodefluidosdentrodelmismoytodaslasfasesseencuentranen equilibrio.Presin de fondo fluyente (PBHP). Es la presin que se mide en el fondo de un pozo a nivel de la zona de disparos, a condiciones de flujo gobernadas por un estrangulador. Presinhidrosttica.Presinejercidaporunacolumnadefluido.Esigualalaalturadelacola, multiplicada por la densidad del lquido, multiplicada por la aceleracin gravedad. Presinmanomtrica.Lapresinqueregistraundispositivodemedicinnormal.Dicho dispositivo mide la presin en exceso de la atmosfrica. Porosidad.Volumendelasrocasocupadoporespaciosvacosentrelosgranosminerales,Esen estos espacios donde se acumula petrleo, gas y/o agua. Punto de Burbujeo. Es el estado en equilibrio de un sistemacompuesto de petrleo crudo y gas, en la cual el petrleoocupa prcticamente todo el sistema, exceptoen una cantidadinfinitesimal degas.Parapropsitosprcticospuedeconsiderarse100%lquidoeslamismaquela composicin del sistema. Registroacstico.Unregistrodeltiempoquetomaunaondaacsticasonido)paraviajarcierta distancia a travs de formaciones geolgicas. Tambin es llamado registro snico. Sartadevarillas.Lasartadevarillasconectalabombadefondoconlabarrapulida.Lafuncin principal es transmitir el movimiento oscilatorio de la barra pulida a la bomba. SPM. Carreras por minuto que realiza la Unidad de Bombeo. Temperatura crtica. La temperatura arriba de la cual un gas no puede ser licuado cualquiera que sea su presin. Tubera de revestimiento (Casing). Es el conjunto de tuberas deacero que se colocan dentro de unpozodefrentealasformacionesrocosasquehansidoperforadas,conobjetodeevitar derrumbes de las mismas y/o para aislar zonas con presiones anormales, es decir, diferentes a las del gradiente normal de presin esperado. TuberadeProduccin(Tubing).Eselmedioparatransportarelfluidoalasuperficieypara soportarlo mientras la bomba baja a recoger otra carga. Pistolas. Es la herramienta formada por cargas explosivas y proyectiles metlicos que se introduce enunpozo,conobjetodedetonarlafrentealaformacindeinters(zonadedisparos)para provocarquelosproyectilesperforenlatuberaderevestimientoypenetrenlosuficienteenla roca,ydeestamaneragenerarcanalesdecomunicacinentreelyacimientoyelpozoparala produccin de hidrocarburos. GLOSARIO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. Varillas de bombeo. La sarta de varillas es usada para transmitir el movimiento y la potencia de la unidad de bombeo a la bomba de subsuelo. Son fabricadas en acero y fibra de vidrio. La industria clasifica las varillas de acero en grados C, D, E y K dependiendo de la resistencia a la carga. Venteo del gas. Consiste en el no aprovechamiento del gas surgente de un pozo de produccin de petrleo, que se quema (tipo antorcha) por motivos de seguridad. Viscosidad.Esunadelascaractersticasmsimportantesdeloshidrocarburosenlosaspectos operacionalesdeproduccin,transporte,refinacinypetroqumica.Laviscosidad,queindicala resistencia que opone el crudo al flujo interno, se obtiene por varios mtodos y se le designa por varios valores de medicin. El poise o centipoise (0,01 poise) se define como la fuerza requerida en dinasparamoverunplanodeuncentmetrocuadradoderea,sobreotrodeigualreay separado un centmetro de distancia entre s y con el espacio relleno del lquido investigado, para obtenerundesplazamientodeuncentmetroenunsegundo.Laviscosidaddeloscrudosenel yacimiento puede tener 0,2 hasta ms de 1.000 centipoise Yacimiento.Acumulacindeaceitey/ogasenrocaporosatalcomoarenisca.Unyacimiento petroleronormalmentecontienetresfluidos(aceite,gasyagua)queseseparanensecciones distintas debido a sus gravedades variantes. El gas siendo el ms ligero ocupa la parte superior del yacimiento, el aceite la parte intermedia y el agua la parte inferior. TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIN ...................................................................................................................................1 1.INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO .......................................................5 1.1.MECANISMOS DE PRODUCCIN NATURAL ........................................................................6 1.1.1.Casquete o empuje de gas. .........................................................................................6 1.1.2.Empuje por gas disuelto. .............................................................................................7 1.1.3.Empuje por agua o hidrulico. ....................................................................................8 1.2.SISTEMAS DE EXTRACCIN ARTIFICIAL............................................................................ 10 1.2.1Bombeo neumtico: ................................................................................................. 10 1.2.2Bombeo electrosumergible. ..................................................................................... 11 1.2.3Cavidades progresivas. ............................................................................................. 12 1.2.4Bombeo mecnico. ................................................................................................... 13 1.2.5Factores a considerar ............................................................................................... 15 1.2.6Costos de la energa y eficiencia del sistema. ......................................................... 17 1.3.EL BOMBEO MECNICO Y SUS PARTES ............................................................................ 17 1.3.1Equipo de superficie. ................................................................................................ 18 1.3.2Unidad de bombeo. .................................................................................................. 19 1.3.3 Equipo de fondo. ..................................................................................................... 31 1.4.DISTRIBUCIN DE FLUJO Y TRANSFERENCIA DE ENERGA .............................................. 33 1.4.1 Distribucin de flujo en el sistema. ........................................................................ 33 1.4.2Transferencia de energa .......................................................................................... 34 1.4.3Eficiencia del sistema de bombeo............................................................................ 35 2.EQUIPO DE FONDO ................................................................................................................... 39 2.1.COMPONENTES DE UNA BOMBA DE PROFUNDIDAD. .................................................... 39 2.1.2.Bombas de fondo ..................................................................................................... 40 2.2.CLASIFICACIN API 11AX ................................................................................................. 42 2.3.BOMBAS DE TUBERA Y BOMBAS INSERTABLES ............................................................. 43 TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 2.3.2.Bomba de Tubera. .................................................................................................... 43 2.3.3.Bombas de Varillas con ancla superior y barril estacionario. ................................. 44 2.3.4.Bombas con Ancla Inferior y Barril Estacionario...................................................... 46 2.3.5.Bombas de Varillas con Barril Viajero. ..................................................................... 47 2.4.PISTONES ........................................................................................................................... 49 2.4.1.Pistones metal-metal. ............................................................................................... 49 2.4.2.Pistones de empaque suave. .................................................................................... 50 2.4.3.Pistones tipo copas. .................................................................................................. 50 2.4.4.Pistones tipo anillo. .................................................................................................. 51 2.4.5.Tolerancia entre el pistn y el barril (fit). ................................................................ 51 2.4.6.Prdidas por escurrimiento entre pistn y barril. ................................................... 52 2.5.VLVULAS .......................................................................................................................... 53 2.6.FUNCIONAMIENTO ........................................................................................................... 54 2.6.1.Ciclo de bombeo. ...................................................................................................... 56 2.6.2.Cada de presin a travs de las vlvulas. ................................................................ 58 2.6.3.Llenado parcial de la bomba..................................................................................... 59 2.6.4.Problemas de bomba. ............................................................................................... 61 2.6.5.Desplazamiento y eficiencias de la bomba. ............................................................. 61 2.6.6.Flujo de energa en la bomba de fondo. .................................................................. 62 2.7.DISEOS Y DISPOSITIVOS ESPECIALES PARA MANEJO DE SLIDOS, GAS. ..................... 63 2.7.1.Anclas de gas. ............................................................................................................ 63 3.SARTA DE VARILLAS .................................................................................................................. 69 3.1MATERIALES Y DIMENSIONES DE LA SARTA DE VARILLAS .............................................. 71 3.1.1Las aleaciones del acero ........................................................................................... 71 3.1.2Varillas de Fibra de Vidrio. ........................................................................................ 72 3.1.3Dimetros y longitudes de la sarta de varillas ......................................................... 73 3.2VARILLAS API Y VARILLAS NO API .................................................................................... 75 3.2.1Varillas grado API. ..................................................................................................... 75 3.2.3Accesorios de la Sarta de Varillas ............................................................................. 76 TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 3.3FUERZAS APLICADAS A LA SARTA DE VARILLAS. ............................................................. 79 3.3.1Cargas Estticas. ....................................................................................................... 79 3.3.2Cargas por Friccin. .................................................................................................. 80 3.3.3Cargas Dinmicas. ..................................................................................................... 80 3.3.4Fuerza de flotacin en las varillas (Principio de Arqumedes)............................... 82 3.4ESFUERZOS EN LAS VARILLAS DE BOMBEO ..................................................................... 86 3.4.1Esfuerzo. ................................................................................................................... 86 3.4.2Comportamiento Elstico. ....................................................................................... 89 3.4.3Fatiga. ....................................................................................................................... 90 3.5FALLAS DE LAS VARILLAS DE BOMBEO ............................................................................ 91 4.SISTEMA DINAMOMTRICO ..................................................................................................... 99 4.1 INTRODUCCIN AL REGISTRO DE CARGAS A PARTIR DE LA DINAMOMETRA DE SUPERFICIE. ................................................................................................................................... 99 4.1.1 Dinammetro .......................................................................................................... 99 4.1.2 Clases de dinammetros. ...................................................................................... 101 4.2 TIPO DE INSTALACIONES Y USOS EN EL CAMPO ........................................................... 103 4.2.1Componentes del dinammetro ............................................................................ 103 4.2.2 Tipos de dinammetros ......................................................................................... 111 4.3 CARGAS ACTUANTES EN EL SISTEMA DE BOMBEO MECNICO.................................... 119 4.3.1 Tipos de dinagrama. ............................................................................................... 122 5.DINMICA DEL BOMBEO MECNICO .................................................................................... 129 5.1.ANLISIS CINEMTICO DE LA UNIDAD DE BOMBEO MECNICO. ................................ 129 5.1.1.Introduccin. .......................................................................................................... 129 5.1.2Ley de Grashof: ....................................................................................................... 130 5.1.3.Cinemtica de la unidad de bombeo mecnico. ................................................... 132 5.1.4Dinmica de la barra pulida. .................................................................................. 140 5.2INTRODUCCIN AL CLCULO DEL TORQUE. .................................................................. 141 5.2.1Torque y momento. ................................................................................................ 141 5.2.2Desbalance estructural. .......................................................................................... 143 5.2.3Angulo de fase de la manivela. .............................................................................. 143 TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 5.2.4Datos de campo para anlisis de torque. ............................................................... 144 5.2.5Anlisis de torque. .................................................................................................. 144 5.3FACTOR TORQUE ............................................................................................................. 145 5.4CLCULO PRCTICO DEL TORQUE .................................................................................. 148 5.4.1Torque de las contrapesas y la manivela. .............................................................. 148 5.4.2Cargas en la barra pulida. ....................................................................................... 149 5.4.3Mximo momento de contrabalance. .................................................................... 150 5.4.4Balanceando con grficos y tablas de contrabalanceo. ......................................... 152 5.4.5Balanceando con un ampermetro. ........................................................................ 153 5.4.6Efecto de balancear la unidad en el comportamiento el sistema. ........................ 154 5.4.7Factor de cargas cclicas. ......................................................................................... 154 5.5DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES ............................................................................ 156 5.6REQUERIMIENTOS DE POTENCIA Y EFICIENCIA ............................................................. 158 5.6.1Eficiencia del sistema. ............................................................................................. 158 5.6.2Potencia hidrulica. ................................................................................................ 159 5.6.3Flujo de energa. ...................................................................................................... 160 5.6.4Eficiencia total del sistema. .................................................................................... 161 5.6.5Maximizando la eficiencia del sistema. .................................................................. 164 6.DISEO DEL SISTEMA .............................................................................................................. 169 6.1ECUACIN DE LA ONDA. ...................................................................................................... 169 6.1.1Cartas de superficie y de fondo. ............................................................................. 171 6.1.2Simulacin del comportamiento de una sarta de varillas. .................................... 173 6.1.3Sarta de varillas. ...................................................................................................... 173 6.2MODELAMIENTO MATEMTICO DEL COMPORTAMIENTO DE LA SARTA. ................... 175 6.2.1 Movimiento de un tramo simple de varillas. ......................................................... 175 6.2.2 Comportamiento visco-elstico de la varilla de acuerdo a KELVIN-VOIGT: Expresin para k(xk, t).......................................................................................................... 179 6.2.3 Diagrama de flujo del mtodo propuesto. ............................................................. 204 6.3MTODO API RP11L. Recommended Practice for Design Calculations for Sucker-Rod Pumping Systems (Conventional Units). .................................................................................... 206 TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 6.3.1Nomenclatura del mtodo API RP11L ................................................................... 209 6.3.2Procedimiento de clculo ....................................................................................... 210 6.3.3Procedimiento del diseo. ..................................................................................... 212 6.3.4Ejemplo del Clculo de Diseo. Unidad de Bombeo Mecnico Convencional ..... 214 ANEXOS (TABLAS Y FIGURAS DEL MTODO API RP11L)............................................................ 226 6.4RELACIN DE COMPORTAMIENTO DE FLUJO. CURVAS IPR (INFLOW PERFORMANCE RELATIONSHIP) ........................................................................................................................... 237 6.4.1Consideraciones de diseo del sistema de bombeo mecnico ............................ 237 6.4.2Clculo de la tasa de produccin ........................................................................... 239 6.4.3Mtodo del ndice de productividad (IP). .............................................................. 239 6.4.4 Mtodo de vogel. ................................................................................................... 244 6.4.5 Presin de fondo fluyente pbhp pwf: ................................................................. 247 6.4.4 Presin esttica sbhp pe. .................................................................................... 248 7.ANLISIS DINAMOMTRICO .................................................................................................. 253 7.1INTRODUCCIN AL REGISTRO DE CARGAS A PARTIR DE LA DINAMOMETRA DE SUPERFICIE. ................................................................................................................................. 253 7.1.1Interpretacin de una carta dinamomtrica de superficie. .................................. 253 7.1.2.Tipo de interpretacin............................................................................................ 257 7.1.3.Construccin de una carta dinamomtrica tpica. ................................................ 258 7.1.4.Modificaciones de la carta dinamomtrica. .......................................................... 260 7.2.INTRODUCCIN A LA DINAMOMETRA DE FONDO. ..................................................... 265 7.3.ANLISIS DE LA DINAMOMETRA DE FONDO ................................................................ 268 7.3.1.Dinmica del bombeo. ........................................................................................... 269 7.3.2Cambios de presin en la cmara de compresin ................................................. 276 7.3.3Cambios de presin en la cmara de compresin................................................ 279 7.3.4Eficiencia de la bomba. .......................................................................................... 283 7.4DIAGNSTICO DE PROBLEMAS DE FONDO A PARTIR DE CARTAS DINAMOMTRICAS. ..... ........................................................................................................................................ 288 7.4.1Generacin de una carta dinamomtrica de fondo. ............................................. 288 7.4.2Definicin de los trminos de una carta de fondo. ............................................... 289 TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 7.4.3Carta de ideal de fondo. ......................................................................................... 290 7.4.4Interferencia de gas. ............................................................................................... 292 7.4.5Golpe de fluido. ....................................................................................................... 294 7.4.6Fuga en la vlvula viajera o pistn. ........................................................................ 296 7.4.7Fuga en la vlvula fija. ............................................................................................ 297 7.4.8Tubera no anclada. ................................................................................................ 298 7.4.9Ancla de tubera con mal funcionamiento. ............................................................ 299 7.4.10Pistn golpeando abajo. ......................................................................................... 300 7.4.11Barril de la bomba doblado o pegndose. ............................................................. 301 7.4.12Barril de la bomba gastado o partido..................................................................... 302 7.4.13Combinacin de dos o ms problemas. ................................................................. 303 8.MEDICIONES ACSTICAS DE NIVEL ......................................................................................... 307 8.1.INTRODUCCIN A LAS MEDICIONES ACSTICAS DE NIVEL. .......................................... 307 8.1.1.Generalidades de las Aplicaciones del Analizador de Pozo................................... 307 8.1.2Principio de Operacin de los Sistemas Existentes. .............................................. 310 8.1.3Pistola De Disparo Remoto a Explosin. ................................................................ 312 8.1.4Instrucciones de Operacin de la Pistola a Gas disparada Remotamente. .......... 315 8.1.5Analizador de Pozos (Software Total Well Management). ................................... 316 8.1.6Velocidad Acstica de los gases. ............................................................................ 322 8.2PRESIN ESTTICA DE FONDO. ...................................................................................... 325 8.2.1Seccin de Presiones de Fondo. ............................................................................. 325 8.2.2 Informacin de Campo: .......................................................................................... 325 8.2.3 Clculo de la SBHP (Presin de Fondo Esttica): .................................................... 326 8.2.4 Ejemplo Clculo SBHP (Presin Esttica de Fondo): .............................................. 327 8.3PRESIN DE FONDO FLUYENDO. .................................................................................... 337 8.3.1Clculo de la PBHP (Presin de Fondo Fluyendo). ................................................. 337 8.3.2Ejemplo Clculo PBHP (Presin de fondo fluyendo): ............................................. 339 9.OPTIMIZACIN DEL SISTEMA A PARTIR DEL ANLISIS DINAMOMTRICO Y MEDICIONES ACSTICAS DE NIVEL. ...................................................................................................................... 347 9.1 OPTIMIZACIN DE LA PRODUCCIN A PARTIR DE ANLISIS DINAMOMTRICO. ........ 347 TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 9.1.1 Eficiencia volumtrica. ........................................................................................... 347 9.2 DIAGNSTICO DE FALLAS O PRDIDAS DE PRODUCCIN. ........................................... 349 9.2.1 Interferencia de gas ................................................................................................ 349 9.2.2 Equipos para el manejo del problema de interferencia de gas. ........................... 350 9.2.3 Separadores estticos o anclas de gas ................................................................... 351 9.2.4Pautas para el diseo de anclas de gas: ................................................................ 361 9.2.5 Vlvula de arena. .................................................................................................... 365 9.2.6 Changer. .................................................................................................................. 366 9.3.DIAGNSTICO Y OPTIMIZACIN DE FALLAS POR FUGAS EN EL SISTEMA. ................... 367 9.3.1 Procedimientos bsicos para realizar pruebas en las vlvulas. ............................ 367 9.3.2 Carga en vlvula viajera correcta, pero sin carga en vlvula fija: ......................... 371 9.4 CLCULO DE ESCURRIMIENTO EN LA VLVULA VIAJERA. ............................................ 376 9.4.1 Clculo de escurrimiento del pozo C-38 de Campo Colorado. .............................. 377 9.5.INTERPRETACIN DE DATOS PARA LA TOMA DE DECISIONES. .................................... 380 9.5.1.Efectos de la interferencia de gas en la eficiencia el bombeo. ............................. 380 9.5.2.Efectos del golpe de fluido en la eficiencia del sistema. ....................................... 383 9.5.3.Otros problemas comunes. .................................................................................... 383 10.SISTEMAS DE CONTROL Y MONITOREO DE BOMBEO. ...................................................... 387 10.1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE CONTROL. ........................................................... 387 10.2GOLPE DE FLUIDO.......................................................................................................... 392 10.3TEMPORIZADORES ......................................................................................................... 394 10.4CONTROLADORES AUTOMTICOS DE BOMBEO (RPC, rod pumping control)............ 406 10.4.1 Controladores automticos de bombeo usando dinamometra ............................... 408 10.4.2 Mtodos y uso de la carta dinagrfica de fondo para detectar el golpe de fluido ... 412 11.ANLISIS E INTERPRETACIN DE SOFTWARE COMERCIALES ............................................ 433 11.1TOTAL WELL MANAGEMENT (EMPRESA ECHOMETER.CO)........................................... 433 11.1.1Pantallas de Inicio de Programa ............................................................................ 434 11.1.2Seccin del Sensor Acstico. .................................................................................. 434 11.1.3Seccin del Sensor Dinamomtrico. ...................................................................... 436 TABLA DE CONTENIDO SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 11.1.4Seccin de Chequeo del Equipo. ............................................................................ 437 11.1.5Archivos Base del Pozo. .......................................................................................... 437 11.1.6Estudios con el Dinammetro. ............................................................................... 452 11.2.GOTHETA ENTERPRISE ................................................................................................ 469 11.2.1.RODSTAR. ................................................................................................................ 470 11.2.2.RODDIAG ................................................................................................................. 479 11.2.3.XDIAG ...................................................................................................................... 491 LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................... 497 LISTA DE TABLAS ............................................................................................................................. 507 BIBLIOGRAFA .................................................................................................................................. 508 INTRODUCCIN SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 1 INTRODUCCIN El bombeo mecnico es el mtodo de levantamiento artificial ms comnmente usado en la produccin de petrleo. Ms de las dos terceras partes de los pozosproductores en el mundo son explotados con este mecanismo.El bombeo mecnico, al igual que losdems sistemas artificiales de produccin, presenta ventajas y desventajas. Ente las ventajas, se considera que son verstiles, de fcil diseo, intercambiableconotrospozos,entreotros.Peroelhechodequeseaelsistemams antiguo y popular no significa que sea el ms sencilloy eficiente. Al contrario, su relativa complejidad mecnica hace obligatoria una supervisin permanente a su operacin. El uso ineficiente de la energa es uno de los problemas operacionales ms comunes que tienen los sistemas de levantamiento artificial por bombeo mecnico. Una operacin ineficiente del sistema de bombeo trae consigo un incremento de las fallas delatubera,bombayvarillas,locualdejacomosecuelaunaumentoenloscostosde mantenimiento,siendonecesarioestablecerunaaccinpreventiva,rpidayefectivade identificacindelascausasqueoriginanlasfallasylaimplementacindelosmtodos adecuados para controlarlas minimizarlas. Debido a los altos costos de mantenimiento, se requiere mantener todos los sistemas de bombeo a su mxima eficiencia y con tiempo prolongados entre fallas.Los anlisis de los sistemas de bombeo dependen de las mediciones de carga, posicin, y aceleracin de la barra pulida, potencia del motor, presiones en el revestimiento, y el nivel de fluido en el anular. INTRODUCCIN SEMINARIO DE INVESTIGACIN: ESTUDIO DE LAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO PARA EL DISEO, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE POZOS EN CAMPO COLORADO. 2 Estas medidas son usadas para caracterizar la operacin de los elementos del sistema de bombeoconelusodemodelostericosquedescribenladinmicadelosfluidosyel conjunto mecnico. Todava existe poco entendimiento del comportamiento de la bomba bajo las condiciones singularesdelpozo,particularmentelarelacinentrelapresindelfluidoquepasaa travs de la bomba y las fuerzas desarrolladas tanto en el subsuelo como en la superficie. Elobjetivodelpresentetrabajoescontribuiralestadodelartedelossistemasde levantamientoartificialporbombeomecnico,comounaherramientaparalatomade decisionesquepermitanalaumentodelaproduccin,ladisminucindeloscostosde mantenimiento y el uso racional y eficiente de la energa en campo colorado. CAPTULO 1 INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO 4 CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 5 1. INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO Lossistemasdelevantamientoartificial,seusancuandolapresinnaturaldel yacimiento no es lo suficientemente grande para desplazar el crudo desde el fondo hastalasuperficie.Cuandounpozoempiezaaproducir,laprimeraetapade extraccinesconocidacomoproduccinnatural,(esdecir,elyacimientotienela capacidaddeaportarlaenergasuficientealfluidoparaempujarlodesdeuna profundidad particular hasta la superficie). Figura 1. Flujo del crudo desde el yacimiento hasta la superficie. Fuente. Autores Unyacimientopetrolferoesunaacumulacindehidrocarburosenelsubsuelo, contenidos en rocas porosas o fracturadas. El pozo es una perforacin que se hace desdelasuperficiehastaunaprofundidadparticular,allelpetrleoseacumula paraserextrado;cuandoserealizalaperforacindelpozo,ladiferenciade presiones empuja el petrole desde el yacimiento hasta el pozo y dependiendo de qutangrandeseaestediferencialdepresin,elpetrolepodrllegarhastala CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 6 superficieporsisloo porunmtododelevantamientoartificial.Acontinuacin seexplica,comoelfluidosedesplazagraciasalaenergaaportadaporel yacimiento. 1.1.MECANISMOS DE PRODUCCIN NATURAL1 Elempujedelpetrleohacialasuperficie,seefectaporlapresinnaturalque tieneelyacimiento.Enlaprcticasehaconstatadoqueesteempujesepuede derivar de la presencia de un casquete de gas libre que yace encima del petrleo; deunvolumendegasdisueltoenelpetrleo;deunvolumendeaguadinmica subyacente o de empuje por gravedad. Generalmente,sedaelcasodequeunodeestosmecanismosespreponderante enempujarelpetrleohacialasuperficieylaposiblepresenciadeotropodra actuar en forma conjunta con este mecanismo.1.1.1.Casquete o empuje de gas. Enestetipodeyacimiento,bajolascondicionesoriginalesdepresiny temperatura,existeunequilibrioentreelgaslibreyelpetrleopresente.La presinylatemperatura,bajocondicionesnormales,estnrelacionadasconla profundidad.Alponerelpozoaproducircontroladamente,ladiferenciaentrelapresindel yacimientoylapresinenelcabezaldelpozo(presindeflujo)hacequeel petrleo y el gas disuelto en ste lleguen a la superficie.Porsumecanismoycaractersticasdefuncionamiento,elcasqueteoempujede gas ofrece la posibilidad de una extraccin primaria de petrleo de 15 a 25 %. Por tanto, al terminar la efectividad primaria del mecanismo, debido al abatimiento de la presin y produccin del gas, queda todava por extraerse 75 a 85 % del petrleo descubierto.Paralograrlaextraccinadicionaldecrudoporflujonaturalse recurreentoncesalavigorizacindelmecanismomediantelainyeccindegaso de gas y agua para restaurar la presin. En este tipo de mecanismo es fundamental elgaslibre,elgasdisueltoenelpetrleo,ylapresinytemperaturadel yacimiento.

1 PETRLEOS DE VENEZUELA, S.A. (PDVSA). Mecanismos naturales de produccin del yacimiento .En: El pozo ilustrado, p.169.CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 7 Figura 2. Yacimiento que produce por un casquete de gas. Fuente:http://industria-petrolera.blogspot.com/2009_03_01_archive.html.Modificado por los autores. 1.1.2.Empuje por gas disuelto.Figura 3. Yacimiento que produce por gas disuelto en el petrleo. Fuente:http://industria-petrolera.blogspot.com/2009_03_01_archive.html.Modificado por los autores.Enestetipodemecanismosnoexistecapaocasquetedegas(Figura3).Todoel gasdisueltoenelpetrleoyelpetrleomismoformanunasolafase,apresiny temperatura originalmente altas en el yacimiento. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 8 Alcomenzarlaetapadeproduccin,eldiferencialdepresincreadohacequeel gas comience a expandirse y arrastre el petrleo del yacimiento hacia la superficiedurante cierta parte de la vida productiva del yacimiento.Eventualmente,amedidaqueseextraepetrleo,semanifiestalapresinde burbujeo en el yacimiento y comienza a desarrollarse el casquete o capa de gas en elyacimiento,inducidaporlamecnicadeflujo.Estetipodeextraccinesms eficiente que el casquete de gas, en una extraccin primaria puede extraer un 20 a 40% del petrleo en sitio. 1.1.3.Empuje por agua o hidrulico. Elempujeporaguaesconsideradoelmecanismonaturalmseficienteparala extraccindelpetrleo.Supresenciayactuacinefectivapuedelograrquese produzca hasta 60 % y quizs ms del petrleo en sitio. Figura 4. Yacimiento que produce por empuje hidrulico. Fuente:http://industria-petrolera.blogspot.com/2009_03_01_archive.html.Modificado por los autores.Elaguaalsermsdensaqueelpetrleoseubicadebajodeeste.Porlotantola diferenciadepresinentreelfondoylasuperficiehacequeelaguaempujeel petrleo desde el yacimiento hasta la superficie como se ve en la figura 4. Sin embargo, este tipo de mecanismo requiere que se mantenga una relacin muy ajustadaentreelrgimendeproduccindepetrleoqueseestablezcaparael yacimiento y el volumen de agua que debe moverse en el yacimiento.CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 9 El frente o contacto agua-petrleo debe mantenerse unido para que el espacio que vadejandoelpetrleoproducidovayasiendoocupadouniformementeporel agua. Por otro lado, se debe mantener la presin en el yacimiento a un cierto nivel para evitar el desprendimiento de gas e induccin de un casquete de gas. La tubera de revestimiento de los pozos se perfora a bala o se caonea por encima delcontactoagua-petrleoparaevitarlaproduccindeaguamuy tempranamente.Sinembargo,llegarunmomentoenquealgunospozos empezarnamostrarunincrementopaulatinodeproduccindeaguayquede repentepuedeaumentardrsticamente.Laverificacindeesteacontecimiento puedeindicarqueenrealidadelfrenteocontactoyaestaniveldelas perforaciones o en ciertos pozos se est produciendo un cono de agua que impide el flujo del petrleo hacia el pozo. Algunasvecespuedeserquelapresenciadeaguaenelfondodelyacimiento constituyaunmecanismolatentedeexpulsin.Estudiossobreestaposibilidad pueden indicar que en determinado tiempo se har sentir su contribucin, la cual podraserimportanteparaaumentarelporcentajedeextraccindelpetrleoen sitio. Figura 5. Yacimiento cuya produccin es por una inyeccin de gas, agua o de ambos. Fuente: http://ingyaci2.blogspot.com/2009/10/mi-tercera-entrada.html Tambinpuedeserque elacuferoexistenteofrezcaoportunidad paraconsiderar lainyeccindeagua,queconjuntamenteconlainyeccindegasenlaparte superiordelyacimiento,hagaqueambosmecanismos,actuando CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 10 simultneamente,contribuyanmsefectivamentealaextraccinvigorizadadel petrleoensitioy,porende,seaumentesignificativamenteelporcentajede produccin de petrleo (ver figura 5). 1.2.SISTEMAS DE EXTRACCIN ARTIFICIAL Para producir pozos que ya han muerto en flujo natural, es decir, que la presin de fondo (BHP) es menor que las prdidas de presin en el pozo, o para incrementar laratadeproduccinenpozosconflujonatural,serequiereunsistemade levantamiento artificial. Si la presin del yacimiento es mayor que la presin hidrosttica en el agujero en la superficie el pozo fluir naturalmente. Si la presin es menor se requiere de algn mtodo se extraccin artificial. Los principales sistemas artificiales de produccin son:1.2.1Bombeo neumtico: Esunmtododelevantamientodefluidosdondeseinyectagasaunapresin relativamente alta. El gas inyectado mueve el fluido hasta la superficie por uno de las siguientes causas o combinaciones: -Reduccin de la presin ejercida por el fluido. -Expansin del gas inyectado. -Desplazamiento del fluido. 1.2.1.1 Ventajas del bombeo neumtico: -Alto grado de flexibilidad y de diseo de gastos. -Manejo de arena en el pozo. -Se requiere poco espacio para instalaciones superficiales. -Produccin de pozos mltiples con un slo compresor. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 11 Figura 6. Bombeo neumtico. Fuente: http://cmtoti.blogspot.com/2010/09/curso-completo-de-diseno-de-bombeo.html 1.2.2Bombeo electrosumergible. Tabla 1.Ventajas y desventajas del bombeo electrosumergible. VentajasDesventajas Puede levantar altos volmenes de fluido. Se requiere controlar el equipo en cada pozo. Maneja altos cortes de agua. Susceptible a la produccin de agua, gas y arena. Puede operar a velocidades de bombeo mecnico. El cable elctrico es susceptible a la temperatura y manejo, es costoso. El equipo de superficie requiere poco espacio. Necesita disponibilidad de corriente elctrica La inversin es baja en pozos poco profundos y con altas tasas de produccin. Su diseo es complejo. Fuente: http://industria-petrolera.blogspot.com/2008/01/mtodos-de-levantamiento-artificial_12.html CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 12 Elbombeoelectrosumergibleesunmtododelevantamientoartificialqueutiliza unabombacentrfugaubicadaenelsubsueloparalevantarlosfluidosaportados por el yacimiento desde el fondo del pozo hasta la estacin de flujo. La tcnica para disear las instalaciones de bombeo electrosumergible consiste en: seleccionarunabomba quecumplalosrequerimientosdela produccindeseada, de asegurar el incremento de presin para levantar los fluidos, desde el pozo hasta la estacin, y escoger un motor capaz de mantener la capacidad de levantamiento y la eficiencia del bombeo. Figura 7. Bombeo electrosumergible. Fuente: http://www.pftsys.com/images/PFT-EPS.gif 1.2.3Cavidades progresivas. Elsistemadelevantamientoartificialporbombeodecavidadprogresivausauna bombadedesplazamientorotativopositivo.Esabombaesaccionadadesdela superficiepormediodevarillasquetransmitenlaenergaatravsdeunmotor elctricoubicadoenlasuperficie.Estesistemaseadaptaenparticularafluidos viscosos, pesados an si estos transportan partculas slidas, y/o flujos bifsicos de gas y petrleo. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 13 Tabla 2. Ventajas y desventajas del bombeo por cavidades progresivas. VentajasDesventajas -Bajo costo de instalacin. -Puede bombear flujos viscosos. -Capaz de manejar gas y arena. -Bajo costo de mantenimiento. -Nivel de ruido muy bajo. -Profundidadmximadeoperacin 6000ft. -Requiere energa elctrica. Fuente: http://industria-petrolera.blogspot.com/2008/01/mtodos-de-levantamiento-artificial_12.html Labombaconstadedoshlices,unadentrodelaotra:elestatorconunahlice internadobleyelrotorconunahliceexternasimple.Cuandoelrotorseinserta dentrodelestator,seformandoscadenasdecavidadesprogresivasbien delimitadas y aisladas. A medida que el rotor gira, estas cavidades se desplazan a lo largodelejedelabomba,desdelaadmisinenelextremoinferiorhastala descargaenelextremosuperior,transportando,deestemodoelfluidodelpozo hasta la tubera de produccin. Figura 8. Bombeo por cavidades progresivas. Fuente: http://ingenieria-de-petroleo.blogspot.com/2009/01/bombeo-de-cavidad-progresiva-pcp.html 1.2.4Bombeo mecnico. Elbombeomecnicoeselmtodomsusadoenelmundo.Consisteunabomba desubsuelodeaccinreciprocante.Laenergaessuminstradaalabombapor mediodeunmotorelctricoodecombustininternayestaestransmitidaala bombamediantelasartadevarillas.Tienesumayoraplicacinmundialenla CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 14 produccindecrudospesadosyextrapesados,aunquetambinseutilizaenla produccin de crudos medianos y livianos. Tabla 3. Ventajas y desventajas del bombeo mecnico.VentajasDesventajas -El diseo es poco complejo. -Puede bombear flujos viscosos y a altas temperaturas. -Puede usar gas o electricidad como fuente de energa. -El sistema es eficiente, simple y fcil de operar. -Esta limitado a un profundidad de 16000ft. -El equipo de superficie es pesado y voluminoso. -Susceptible a bloqueo por excesivo gas en la bomba. Fuente: http://industria-petrolera.blogspot.com/2008/01/mtodos-de-levantamiento-artificial_12.html Figura 9. El bombeo mecnico. Fuente: www.bluebrain.ca CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 15 1.2.5Factores a considerar2 1.2.5.1 Anlisis de seleccin de un equipo de produccin artificial desde el punto de vistaeconmico. Elanlisiseconmicosoportaeldiseodeunsistemadelevantamientoartificial, yaqueevalaloscostosdelainversinconrespectoalaproduccindelpozoy aseguraunflujopositivodecajaenlaoperacin.Comoejemplo,lafigura10 comparaloscostos deinversindetrestiposdelevantamientoartificial(bombeo mecnico, bombeo hidrulico y bombeo electrosumergible) con respecto a la tasa deflujomanejadayaunaprofundidadcomnde5000pies.Deestagrficase puededecirqueelBombeoMecnicoseencuentraenventaja.Desdepuntode vistaeconmico,yteniendoencuentalosotrosmtodosdelevantamiento,para una produccin mayor a 300 barriles por da, es preferible utilizar otro sistema de levantamiento,enestecasobombeohidrulico.Paraelmanejodecaudalespor encima de 800 barriles por da, la mejor opcin es el bombeo electrosumergible. Figura 10. Regiones de mnimas inversin de diferentes mtodos de levantamiento. Fuente: Here are Guidelines for Picking an Artificial Lift Method escrito por L. D. Johnson.

2 PETRLEOS DE VENEZUELA, S.A. (PDVSA). Consideraciones de diseo. En: Diseo de instalaciones de levantamiento artificial por bombeo mecnico. CIED, 2002, p.4. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 16 1.2.5.2 Profundidad y sarta de varillas Figura 11. Costo de inversin en funcin del caudal y la profundidad Fuente: Here are Guidelines for Picking an Artificial Lift Method escrito por L. D. Johnson. Enlafigura11sedaunejemplo decmoinfluyelaprofundidadenloscostosde inversin,asuvezconlatasadeflujomanejado.Enlagrficaseobservaquea medidaqueaumentala profundidadloscostosseincrementan,esodebidoaque setieneunasartamslargayasuvezserequierendeunidadesdebombeode mayorcapacidadparapodermanejarunasartademayorpeso,longitudymayor demandahidrulica.Porconsiguienteamedidaquesetieneunaprofundidad mayorlacarreraefectivadelabombadesubsuelosereduce,debidoala elongacindelasartadevarillasydelatubera(sistanoestanclada),porlo tanto pierde parte del movimiento efectivo de la unidad de bombeo al convertirse este en elongacin a lo largo de la sarta. 1.2.6Costos de la energa y eficiencia del sistema.Cuandoserealizaundiseoenlevantamientoartificialesimportantetomaren cuentacualdebeserlaprioridaddediseo,esdecir,siserequiereuna configuracinparalamximaproduccindefluidos,osisenecesitauna configuracin con el ptimo consumo de energa. Esto es vlido cuando los costos de energa afectan de manera sensible la rentabilidad del proyecto.Porejemplo,silaprioridadesminimizarloscostosdeenerga,sepuedeutilizar bombas ms grandes y velocidades de bombeo menor, pero a su vez, bombas ms CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 17 grandes incrementan las cargas en las varillas y los torques en la caja de engranaje, por lo tanto se requiere de unidades de bombeo ms grande, por supuesto incide enloscostosdeinversin.Porotraparte,sisequiereutilizarbombasdemenor dimensin,peroconigualproduccin,esnecesarioaumentarlavelocidadyla carrera de bombeo, esto incrementa el consumo de energa pero podra reducir el requerimientodeltamaodelaunidaddebombeo.Bsicamentesetieneun compromisoentreeficiencia,cargaenlavarillayeltamaodelaunidadde bombeo. 1.3.EL BOMBEO MECNICO Y SUS PARTESElmtododelevantamientoartificialmscomnyantiguodelmundoesel bombeo mecnico. Debido a su simplicidad y robustez, es posible su aplicacin en casi todos los tipos de pozos que requieren levantamiento.Sinembargo,existenlmitesfsicosparalaaplicacinencuantoaprofundidady caudalesalevantar.Elobjetivodeunbuendiseoenlevantamientoartificiales lograrunsistemaeconmicamenterentable,quelogreelmayorValorPresente Neto (VPN) considerando los costos asociados y la produccin del pozo. Elyacimientoquehadeproducirporbombeomecnicotieneciertapresin, suficienteparaqueelpetrleoalcanceunciertonivelenelpozo.Portanto,el bombeo mecnico no es ms que un procedimiento de succin y transferencia casi continadelpetrleohastalasuperficie.Lafuncindelsistemadebombeo mecnicoporvarillasestransmitirlapotenciahastalabombadefondopara levantar los fluidos del yacimiento hasta la superficie. Loscomponentesdelbombeomecnicosepuedendividirbsicamenteendos grupos: a)Equipo de superficie b)Equipo de sub-suelo. 1.3.1Equipo de superficie.Su funcin es transmitir energa del motor a la sarta de varillas. Para hacer esto, el equipodebecambiarelmovimientorotatoriodelmotor,aunmovimiento reciprocanteenlasvarillas.Lavelocidaddelmotordebeserreducidaauna velocidad de bombeo adecuada como se ve en la figura 12b.CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 18 Lareduccindevelocidadselograenelreductordeengranajes,yalrestodel equipo le concierne el cambio de movimiento rotatorio en reciprocante. Figura 12.Equipo de superficie y cambio de movimiento. a)Equipo de superficie. Fuente: http://www.boschrexroth.com/country_units/europe/spain/es/index.jsp b)Cambio de movimiento rotatorio a reciprocante. Fuente. TruTV. Modificado por los autores. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 19 1.3.2Unidad de bombeo.La funcin de la unidad de bombeo es convertir el movimiento rotatorio del motor en movimiento ascendente y descendente de la sarta de varillas.Este movimiento es denominado recorrido. Losbalancinessonestructurasmuyfuertesyqueaguantanmuybienlasduras condicionesdetrabajo.Todalaestructuradebesercolocadasobreunabasede acero o concreto que asegure su estabilidad y alineamiento. Eneldiseoapropiadodelaunidaddebombeo,sedebedetenerencuentaun tamaoapropiadodelacajareductoraydelaestructura,tambinsedebede tener una longitud de recorrido acorde con la produccin de fluido que se desee. 1.3.2.1 Descripcin de los componentes en la unidad de bombeo. 3 LaTorreeselcomponentemsfuerteyaquedebesoportarlasmayorescargas. Puede tener tres o cuatro patas.En el tope de la Torre est la Silla o pivote de la viga viajera (balancn). La viga debe soportar los esfuerzos de flexin que se generan en sus extremos por la carga del pozo y el empuje en los brazos.Lavigaeselpuntodereferenciaparalaalineacinlongitudinaldelaunidadyla barrapulida.Sinohayunabuenaalineacinlongitudinal,laguaya(queesel elementoflexiblequeseencargademantenerverticallabarrapulida,cuandoel balancn realiza su movimiento), se puede ir rompiendo poco a poco con el roce de lapestaadelCabezoteyocasionarunaccidenteyqueelpozosepare.Sila desalineacinesmuysevera,elprensa-estopasylabarrapulidasedaarny ocasionarnderrames.Lamejorformadechequearlaalineacinlongitudinales colocndose a unos 20 metros detrs del balancn y observar si el centro de la viga estcentralizadoconlabarrapulida.Enelextremodelavigadelladodelpozo estelCabezotequeatravsdelaGuayayBridamuevenlabarrapulida.El Cabezote escurvadoen supartedelantera para asegurar quesolamentetoquela barrapulidacuandoesthorizontal.Aligualquelaviga,elCabezoteesla referenciaparalaalineacinverticaldelaunidaddebombeo.Estaalineacin controla la distancia entre el balancn y el cabezal del pozo. Se debe poner especial

3 PDVSA. Diseo de instalaciones de levantamiento artificial por bombeo mecnico. 2001, Centro internacional de educacin y desarrollo (CEID). CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 20 atencin a este punto porque si no hay una buena alineacin vertical, el Cabezote puede inducir un doblamiento en la barra pulida.Los brazos conectan la manivela con la viga mediante los pines que transforman el movimientorotatoriodelamanivelaenoscilatorioenlaviga.Lamanivela,asu vez,estconectadaalejedebajadelacaja deengranajeslacualrecibe,atravs deunjuegodecorreasypoleas(EngranajeyMotor)conectadasalejedealtala energa suministrada por el motor. Al otro extremo del eje de alta se ha colocado eltambordelfrenoqueseconectaatravsdeuncableflexiblealapalanca situada generalmente cerca del motor. En la manivela estn las pesas o contrapesas las cuales van montadas sobre rieles parafacilitarsudesplazamientoparaefectosdelbalanceodelaunidad.Lascajas de engranajes pueden ser de simple o doble reduccin, siendo estas ltimas las de mayor uso. La lubricacin es por salpicadura y cuando la velocidad es menor de 5 SPMesrecomendableinstalarunsetdelubricacinforzada.Elbalancnesun mecanismoquerequierepocomantenimientoparaeltrabajoquerealizaycomo todoaparatodegrandesdimensiones,hayquemoversealrededordelcon mucho cuidado y no confiar en los frenos ni en el switch (interruptor) del panel. 1.3.2.2 Tipos de unidades de bombeo.Enlaindustriapetroleraexistenvariostiposdeunidadesdebombeomecnico, pero las ms importantes son las siguientes: a)Tipo convencional: Este tipo de unidades tiene el reductor de engranajes colocado en la parte trasera con el apoyo en la mitad del balancn, esta representa la unidad convencional. En la figura 13, se observa el apoyo cerca del centro, el esfuerzo del motor aplicado en el extremo del balancn y la resistencia de la carga del pozo esta aplicada en el extremo opuesto del balancn. Launidaddebombeoconvencional,yaseaconcontrapesosrotativoso contrapesosalextremodelbalancn,hasidoelmsusadoenloscampos petroleros.Larotacindeloscontrapesoshacequeelbalancnpivoteeeneleje delrodamientocentral,moviendolabarrapulidahaciaarribayhaciaabajoa travsdesusdiferentesconexiones.Loscontrapesoslocalizadosenlamanivela, sonbloquespesadosdehierrofundido.Estoscontrapesospuedenmoversealo largo de la manivela para producir mayor o menor efecto de contrapesos.CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 21 Figura 13. Geometra unidad convencional Fuente: http://spanish.alibaba.com/product-gs/conventional-walk-beam-pumping-unit-358562540.html Tabla 4. Ventajas y desventajas unidad de bombeo tipo convencional. VentajasDesventajas -Bajos costos de mantenimiento -Puede rotar en sentido horario y anti-horario -Requiere menor contrapesos que el Mark II. -Velocidad de bombeo ms rpida que las unidades Mark II -Envariasaplicacionesnoestan eficientecomolaMarkIIyotras unidades -Podrarequerircajasdeengranajes msgrandes,especialmentecon varillas de acero. Fuente: Theta enterprises. Entrenamiento levantamiento artificialLosmodelosdegeometraavanzadatienendosvariantes:eldebalanceo neumtico y el Un-torque. Este tipo de unidad tiene el reductor de engranajes ubicado al frente, en las figuras siguientespuedeobservarsequeparaambasunidades elesfuerzoylaresistencia seaplicanenelmismoextremodelbalancnconrelacinalapoyo,quese encuentra en el otro extremo. b)Balanceadaporaire:usalapresindentrodeuncilindroparagenerarel contrapesorequeridoporlacargaelpozo.Songeneralmentemslivianosqueel CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 22 restoperotienenlagrandesventajadequeloscompresoresdesaparecenmuy fcilmente lo cual ha limitado su uso a reas vigiladas. Figura 14. Unidad de bombeo balanceada por aire Fuente: http://cmtoti.blogspot.com/2010/04/imagenes-petroleras.html Requieren un mayor mantenimiento pero eliminan el peligro de manipular piezas muy pesadas al balancearlos. Apartedelasventajasdeldiseoyeficienciaquetieneestetipodeunidad, tambintieneotrasaplicaciones,principalmenteparaelbombeoprofundo,en bombeo de altos volmenes con carreras largas, en bombeo de crudos pesados. Tabla 5. Ventajas y desventajas de una unidad balanceada por aire. VentajasDesventajas Ms compacta y fcil de balancear que otras unidades. Son ms complicadas y requieren mayor mantenimiento (compresor, cilindro etc.). Costos de transporte ms bajos debido a su bajo peso. La condensacin del aire en el cilindro puede ser un problema grave. Vienen en tamaos ms grandes que otras unidades. La caja de engranajes puede fallar si el cilindro pierde presin. Pueden rotar en ambos sentidos. Fuente: Theta enterprises. Entrenamiento levantamiento artificialc)UnidadMARKII:seintrodujoaprincipiodelosaos60consurevolucionario diseo querequeramenosenergaqueunoconvencionalparalevantarlamisma CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 23 cargadefluidos.Estaeslallamadaunidaddemontajefrontalenlacualse distinguen las siguientes caractersticas de diseo: -Elcompensadorestcolocadodirectamenteencimadelreductorysedesplaza haciaadelantecercadelacabezadelbalancn.Estoproduceunacarrera ascendenteydescendentede195y165delnguloderotacindelamanivela respectivamente.Asmismolacarreraascendentede195reducelaaceleracin cuandolacargaesmximayporlotantosereducelacargamximaenlabarra pulida.Otraventajadecolocarelcompensadorhaciaadelanteesqueseobtiene una ventaja mecnica al levantar la carga y se reduce la ventaja mecnica durante lacarreradescendente,esdecir,elfactormximodetorqueenlacarrera ascendente se disminuye y en la carrera descendente se incrementa. -Lascontrapesasestncolocadasenunamaniveladedosbrazosseparadosy opuestos a la manivela de los pines con un ngulo de desfase que oscila entre 19 y 28, este desfasamiento hace que el torque de las pesas se atrase respecto al de la cargadefluidosalcomienzodelacarreraascendenteyqueseadelanteal comienzo de la descendente. Figura 15. Unidad de bombeo MARK II Fuente:http://cmtoti.blogspot.com/2010/04/imagenes-petroleras.html,modificadopor los autores CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 24 Tabla 6. Ventajas y desventajas de una unidad MARK II. VentajasDesventajas Tiene menor torque en la mayora de los casos. En la mayora de los casos no puede bombear tan rpido como una unidad convencional debido a su velocidad de carrera descendente. Es ms eficiente en la mayora de los casos que la unidad convencional. Slo puede rotar en sentido anti-horario. Podra costar menos (5-10%) comparada con el siguiente tamao de la unidad convencional. En el caso de existir golpe de fluido puede causar ms dao a la bomba Fuente: Theta enterprises. Entrenamiento levantamiento artificial 1.3.2.3 Designacin de las unidades de bombeo TheAmericanpetroleuminstitute(API)hadesarrolladounmtodoestndarpara describir las unidades de bombeo: Figura 16. Cdigo de identificacin de las unidades API Fuente: American Petroleum Institute (API).1.3.2.4 MotorLaunidadmotrizestpicamenteunmotorelctricoounmotordecombustin interna. La mayora de las unidades motrices son motores elctricos. Los motores a gas son utilizados en locaciones sin electricidad.CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 25 La funcin de la unidad motriz es suministrar la potencia que el sistema de bombeo necesita. La unidad motriz afecta el consumo de energa y las cargas en la caja de engranajes.Laseleccindeltipodemotordependedelosrecursoslocales,del suministroycostodelcombustible(gasnatural,energaelctricaodiesel),dela capacidad para el mantenimiento y de la existencia de personal experimentado. El uso de motores elctricos facilita el anlisis del comportamiento de la unidad de bombeo en dos aspectos: a)Lacapacidadparamedirexactamentelaenergaelctricaproporcionadaala unidad, puede lograrse sin inferir con la operacin del pozo, usando un tacmetro para medir la variacin de la velocidad del motor en un ciclo completo de bombeo. b)Tienenunbajocostoinicial,menorcostodemantenimientoysonmsfcilesde ajustar a un sistema automtico. Figura 17. Motor principal de la unidad de bombeo Fuente: www.shutterstock.com Porotrapartelasmaquinasdegastienenlaventajadeuncontroldevelocidad ms flexible y pueden operar en un rango ms amplio de condiciones de carga. El costo del combustible puede ser inferior al de la energa elctrica. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 26 Clasificacin de los motores de combustin interna -Baja velocidad con rangos entre 200 y 800 rpm -Alta velocidad con rangos entre 750 y 2000 rpmLos motores de baja velocidad pueden ser de 2 o 3 ciclos con uno o ms cilindros siendo el de 2 ciclos mono-cilndrico el ms usado.Los motores de alta velocidad son generalmente de 4 ciclos y usan diesel en lugar de gas.Debido a la mayor velocidad, los torques son menores que los desarrollados por los de baja velocidad. Motores elctricos Lamayoradelasinstalacionesdebombeomecnicohoydasonmovidaspor motores elctricos debido a su bajo costo relativo, facilidad para cambiarlos y para automatizarlos.Losmotoressongeneralmentetrifsicosyoperana60Hzdefrecuenciacon velocidades promedios entre 835 y 1200 RPM.Los motores elctricos estn diseados para trabajar bajo cargas constantes lo cual nosucedeenunainstalacindebombeomecnicodebidoalasfluctuacionesen lascargasduranteelciclo.Assetienequedurantelacarreraascendentesele imponealmotorunacargamxima,mientrasqueenladescendenteelmotor puede actuar prcticamente como un generador. Clasificacin NEMA de los motores elctricos. -NEMA B: deslizamiento < 3% y torque de arranque mx. 175% -NEMA C: deslizamiento < 5% y torque de arranque mx. 250% -NEMA D: deslizamiento entre 5-8% y torque de arranque mximo de 275%.El NEMA D es el motor ms utilizado en la industria. 1.3.2.5 Reductor de velocidad La funcin de la caja de engranajes bsicamente en convertir las altas velocidades y losbajostorquesprovenientesdelmotorprincipal,enaltostorquesybajas velocidades necesarias para operar la unidad de bombeo. Una reduccin tpica de CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 27 la caja de engranajes es de 30:1. Esto significa que la caja de engranajes reduce las rpm a la entrada 30 veces mientras que intensifica el torque de entrada 30 veces. Lapoleadelreductordeengranajeseselmiembroquerecibelapotenciadel motorprincipalatravsdelasbandas.Larelacindeldimetrodelapoleadel reductordeengranajesaldimetrodelapoleadelmotor,ylareduccinde velocidadenelreductordeengranajes,determinanlareduccintotalde velocidades del motor principal hasta la barra pulida. Figura 18. Reductor de velocidad para un sistema de bombeo mecnico Fuente: LUFKIN OILFIELD PRODUCTS GROUP. General catalog 2006/2007.modificado por los autores 1.3.2.6 Contrapesos.Si la caja de engranajes tuviera que suplir todo el torque que la unidad de bombeo necesita para operar, su tamao debera ser demasiado grande. Afortunadamente, al usar contrapesos, el tamao de la caja de engranajes puede ser minimizado. Figura 19. Contrapesos de una unidad MARK II Fuente: http://cmtoti.blogspot.com/2010/04/imagenes-petroleras.html CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 28 Los contrapesos ayudan a reducir el torque que la caja suministra. Estos ayudan a lacajaenlacarreraascendentecuandolascargasenlabarrapulidasonlasms grandes.Enlacarreradescendente,lacajadeengranajeslevantaloscontrapesos conlaayudadelascargasdelasvarillas,quedandolistosparaayudaralevantar nuevamenteenlacarreraascendente.Enotraspalabrasloscontrapesos,enla carreraascendenteproporcionanenergaalacajadeengranajes(alcaer),enla carrera descendente estos almacenan energa (subiendo).1.3.2.7 Barra pulida y prensaestopas.Labarrapulidaconecta launidaddebombeoconlasartadevarillasyeslanica partedelasartaqueesvisibleenlasuperficie.Labarrapulidasoportalamayor cargadelsistemadeallquesucorrectaseleccinesmuyimportanteparael Optimizador.Susuperficieespulidaparalograrunperfectoselloconlasgomasdelprensa-estopas y cuando se deteriora debe ser cambiada o usar una camisa especial para ella. Figura 20.Barra pulida y prensaestopas. a)Ensamble prensa estopa-barra pulida. Fuente.http://cmtoti.blogspot.com/2010/04/imagenes-petroleras.html.Modificadapor los autores. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 29 b)Corte longitudinal del prensaestopas. Fuente: http://korvet-jsc.com/profile/index.html. Modificada por los autores.Cerca del extremo superior de la barra pulida hay una mordaza que esta soportada por una placa. Esta a su vez, esta soportada por cables flexibles que pasan sobre la cabezadelbalancn.Eldiseoapropiadodeestoscomponentesasegurael recorridoverticaldelabarraatravsdelprensaestopas,reduciendoeldesgaste de ste. Adems mantiene un buen sello para evitar fugas de fluido a la superficie.La misin del Prensa-estopas es impedir que los fluidos del pozo se derramen en la superficie por el movimiento de la barra pulida. El sellado entre el Prensa-estopas y la barra pulida se realiza apretando la parte superior lo que hace que los empaques aumenten su fuerza de contacto. La tendencia es siempre apretar lo ms que se pueda para evitar los derrames pero esto trae como consecuencia que, en muchos casos, los empaques se queman por laaltafriccinysegeneraunafuerzadeagarrequeincideenlascargasdel sistema. ltimamente se han diseado Prensa-estopas especiales para recoger el crudo que puedasaliryalmacenarloenunenvase.Otrosdiseos,comoelAuto-Paxse ajustan automticamente lo cual ayuda a prevenir los derrames.CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 30 LaVlvulaPreventoraparalaBarraPulida,tambinllamadaRatigan(eslamarca msutilizada)sirve,comosunombreloindica,paraprevenircualquiersituacin fuera de control en caso de partidura de la barra pulida. Comosunombreloindicalavlvulapreventora,encasodeinundacionesode otrosdesastresnaturales,excluyelaposibilidaddecontaminacindelmedio ambiente. 1.3.3 Equipo de fondo. 1.3.3.1Sarta de varillas.Figura 21. Sarta de varillas (vista frontal y transversal) Fuente: FALK, K, et al. Artificial Lift Solutions Using Coiled tubing. Copyright 2002, Society of Petroleum Engineers Inc. Modificado por los autores.La sarta de varillas conecta la bomba de subsuelo con labarra pulida, su principal funcinestransmitirelmovimientoreciprocantedelabarrapulidaalabomba. Aunque se ha incluido en el equipo de fondo, realmente forma parte de ambos. De manera sencilla podemos representar la sarta de varillas como un elemento de alta esbeltez, siendo la esbeltez la relacin que existe entre la longitud del elemento y elanchodesuseccintransversal,esdecir,lalongituddelasartadevarillaes muchomayorquesudimetro,porejemplolosrdenesdemagnitudestnenel ordende2000piesparalalongituddelasartacomparadocon1pulgada(0.083 CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 31 pies)paraeldimetro.Estohacequelasartadevarillassecomportecomoun cuerpoflexibleysumovimientoesteinfluenciadoporlainerciaquesegeneraa partir delmovimiento transmitidodesdelaunidadde bombeo.Eneste sentidoel sistemadebombeomecnicoessensiblealaprofundidad,ysedebetomaren cuenta al momento de disear.El comportamiento de la sarta de varillas tiene un impacto directo en la eficiencia delsistemaysusfallasocasionanlatotalparalizacindelsistemadebombeo.La sartaseconstruyeconectandolasvarillasindividualesunaporunahastala profundidad deseada de la bomba.1.3.3.2Tubera de produccin.El fluido se produce a travs del anular tubera-varilla hasta la superficie. Cuando la tuberaestancladaalatuberaderevestimiento,esdecir,latuberade produccinnotieneunmovimientorelativoconrespectoalpistndelabomba (como se ver en el captulo 7), esto tiene un efecto menor en el comportamiento del sistema en la mayora de los casos.Silatuberanoestanclada(latuberatienemovimientorelativoconrelacinal pistndelabomba,comoseverenelcaptulo7),entoncespodraafectarlas cargas sobre las varillas y el desplazamiento de la bomba debido a su estiramiento.Figura 22. Tubera de produccin Fuente: FALK, K, et al. Artificial Lift Solutions Using Coiled tubing. Copyright 2002, Society of Petroleum Engineers Inc. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 32 Algunos problemas que pueden afectar el comportamiento del sistema incluyen: 1.Restricciones de flujo debido a parafinas y escamas. 2.Cuellosdebotellapuedenocurrircuandolabombatienedimetrosmayoresque el dimetro interno de la tubera. 3.Hoyos desviados que incrementa la friccin entre varillas y tubera. 4.Tubera que es demasiado pequea para la tasa de produccin. Todos estos problemas resultan en cargas ms altas en todos los componentes del sistema.Tambinlasfugasenlatuberadeproduccinpuedendisminuir significativamente la eficiencia del sistema si no es detectada y corregida a tiempo. 1.3.3.3Bomba de fondo.Susfuncionesson:admitirfluidodelaformacinalinteriordelatuberade produccin y elevarlo hasta la superficie. Figura 23. Bomba de fondo Fuente: GARCA, FABIN, et al.Criterios de seleccin de bombas mecnicas de profundidad no convencionales.Pan American Energy. Modificado por los autores. 1.4.DISTRIBUCIN DE FLUJO Y TRANSFERENCIA DE ENERGA Dos aspectos importantes que ayudarn a entender el principio de funcionamiento de los sistemas de bombeo mecnico son: 1) el recorrido que hace el fluido desde CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 33 elyacimientohastalasuperficie,2)comoelfluidoobtienelaenergaparalograr desplazarse por todo el sistema hasta la superficie.1.4.1 Distribucin de flujo en el sistema.Lafigura24muestraqueinicialmentelapresindelyacimientoempujaelfluido hastaelpozo(1),dondeseencuentraalojadalabombadefondo,luegoenla carrera ascendente de la bomba, la presin de la cmara de compresin disminuye a tal punto que permite la admisin de lquido del pozo al interior de la bomba (2). Durantelacarreradescendentesedescargaelfluidodesdeelbarrildelabomba hacialatuberadeproduccin(3);encadacarreraascendente,mientraselbarril de la bomba recibe fluido desde el pozo, los fluidos que se encuentran ocupando la tubera de produccin, son levantados a la superficie (4). Figura 24. Distribucin de flujo en el sistema Fuente: THETA ENTERPRISES. Bombeo mecnico optimizacin. Modificado por los autores. 1.4.2Transferencia de energaa)Fuentedeenerga:lafuentedeenergaproporcionadaporelmotoralimentala unidad de bombeo. El motor suministra un movimiento rotacional. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 34 b)Conversor deenerga:launidaddebombeoconvierte elmovimientorotativodel motorenmovimientoreciprocante,elcualaccionalabombadefondo.La velocidaddelmotorsereducemientrasaumentaeltorqueenelreductorde engranajes,lamanivelarecibeelmovimientodelmotor,asqueestastienenun movimiento rotacional puro, mediante los brazos el movimiento pasa al balancn y este lo convierte en un movimiento oscilante o de vaivn.c)Conductordeenerga:lasartadevarillasconduceelmovimientoreciprocante desde la unidad de bombeo hasta el pistn de la bomba. El cabezote del balancn juntoconlaguaya,conviertenelmovimientooscilanteenunmovimiento ascendente y descendente con el que se mueve la sarta de varillas. d)Transferencia de energa: la bomba de fondo se encarga de transferir la energa al lquido que se encuentra en el fondo el pozo para levantarlo hasta la superficie. La bomba recibe el movimiento ascendente y descendente de la sarta de varillas. Figura 25. Transferencia de energa desde el motor principal a la bomba de fondo Fuente: THETA ENTERPRISES. Bombeo mecnico optimizacin. Modificado por los autores. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 35 1.4.3Eficiencia del sistema de bombeoLaenergaqueentraalmotorsedisminuyealolargodelsistemadebidoalas perdidas: a)Perdidas en el motor: por friccin entre los mecanismos internos del motor. b)Perdidas en el reductor: por friccin entre los engranajes internos del reductor.c)Perdidasenla unidad debombeo: por friccin entreelbalancnysuapoyo,enla manivela y la friccin de la guaya con el cabezote de la unidad de bombeo. d)Perdidas en la sarta de varillas: por friccin entre la barra pulida y el prensa estopa, entre el bao lquido y la sarta, entre la sarta y posible contacto conla tubera de produccin (tubing). e)Perdidasenlabombadefondo:lacadadepresinenlabombaesdebidaala friccin del lquido con los elementos de esta. f)Perdidas de friccin en la tubera: debidas a los posibles roses de la sarta de varillas coneltubingyalafriccindelfluidoquesemueveconlatuberadeproduccin (tubing). g)Perdidasdepresinenlasuperficie:estasprdidasdepresinsondebidasala friccindelfluidoconlatuberaqueloconduce,yalpasodeesteporlos accesorios en la superficie. Figura 26. Perdidas de potencia en el sistema de bombeo Fuente: THETA ENTERPRISES. Bombeo mecnico optimizacin. Modificado por los autores. CAPTULO 1INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE BOMBEO MECNICO. 36 37 CAPTULO 2 EQUIPO DE FONDO. 38 CAPTULO 2EQUIPO DE FONDO. 39 2. EQUIPO DE FONDO 2.1.COMPONENTES DE UNA BOMBA DE PROFUNDIDAD. Elequipodefondoconformalaparteesencialdelsistema,transmitelaenerga necesaria para levantar fluido del pozo, sirviendo como elemento conector entre el pozoylaunidaddesuperficie.Sinesteequiposeraimposiblelaextraccindel fluidodeunyacimiento,cuyaenerganoeslasuficienteparaproducirporflujo natural. El equipo de fondo consta de las siguientes partes: Figura 27. Componentes del sistema de bombeo mecnico y flujo de aceite a la superficie. Fuente: THETA ENTERPRISES. Bombeo mecnico optimizacin. And FALK, K, et al. Artificial LiftSolutionsUsingCoiledtubing.Copyright2002,SocietyofPetroleumEngineersInc. Modificado por los autores. -Sartadevarillas:Lasartadevarillasesusadaparatransmitirelmovimientoyla potencia de la unidad de bombeo a la bomba de fondo. Son fabricadas en acero y fibradevidrio.LaindustriaclasificalasvarillasdeaceroengradosC,D,EyK dependiendo de la resistencia a la carga. -TuberadeProduccin: Eselmediopara transportarel fluido desdeelfondo ala superficie y para soportarlo mientras La bomba descarga paquetes de fluido en sus recorridos descendentes.CAPTULO 2EQUIPO DE FONDO. 40 En la mayora de las instalaciones de bombeo, cuando la profundidad de la bomba no excede los 5000 pies, la tubera es suspendida desdela superficie por el cabezal de la tubera. A profundidades mayores, la tubera debe anclarse. -Bomba de fondo: Es la encargada de permitir la entrada de fluido de la formacin alatuberadeproduccinademsdeproporcionarlelaenerganecesariapara levantarlohastasuperficie.Lasbombasdefondousadasenelbombeomecnico trabajansobreelprincipiodeldesplazamientopositivoysondeltipocilindro-pistn.Suspartesbsicassonelbarrildetrabajo,elpistnylasdosvlvulasde bola. 2.1.2.Bombas de fondo Labombadefondodebeconsiderarsecomoelelementomsimportantedeuna instalacindebombeo,porquesinunabombaquefuncionecorrectamente,se puede obtener muy poca o ninguna produccin. Figura 28. Componentes de la bomba de fondo Fuente: GARCA, FABIN, et al.Criterios de seleccin de bombas mecnicas de profundidad no convencionales.Pan American Energy La funcin de la bomba de fondo es levantar fluido desde el nivel del pozo hasta la superficie e impulsarlo por la tubera de produccin hasta el punto de recoleccin, como ya se haba sealado anteriormente.CAPTULO 2EQUIPO DE FONDO. 41 Estas bombas trabajan sobre el principio del desplazamiento positivo tipo cilindro pistn.Lasbombasquefuncionanbajoelprincipiodedesplazamientopositivo, hacenvariarelvolumendeunacmaradetalmaneraqueparaadmitirfluido dentrodelacmara,elvolumendelamismaaumenta,ocasionandouna disminucindesupresinypermitiendoelflujodeunafuenteconunapresin mayor.Pararealizarladescargadefluido,sehacedisminuirelvolumendela cmarademodo queseproduceunaumento depresin,lacualesmayorquela presin del lugar donde se piensa evacuar. En este tipo de bombas, en cada ciclo el rganopropulsor(pistn)generademanerapositivaunvolumendadoo cilindrada, por lo que tambin se denominan bombas volumtricas. Componentes de una bomba de fondo: -Barril de Trabajo (cilindro) -mbolo (pistn) -Dos Vlvulas de bola (la vlvula viajera y la vlvula fija ) LavlvulaquevieneagarradaalBarrildeTrabajoactacomounavlvulade Succin y se denomina vlvula Fija. La otra vlvula, contenida en el mbolo, acta comounavlvuladedescargaysellamavlvulaViajera.Dichasvlvulasoperan comovlvulaschequeysusmovimientossondeaperturaycierre,duranteel movimiento alterno del mbolo. Barril: El barril es la cmara de la bomba donde se aloja el fluido durante la accin debombeo.Debidoalavariacindesuvolumen,comoconsecuenciadel movimiento alternativo del pistn, se produce la admisin y la descarga del fluido Existendiferentestiposdebarrilesparabombasdesubsuelo,estospuedenser estacionarios o mviles, de paredes delgadas para pozos someros a medianamente profundos o paredes gruesas para mayores profundidades, con anclaje de fondo o anclaje superficial, barriles tipo cmara (tubing) o tipo camisa (liner). Pistn:Elpistneselelementomvildelabomba.Launidaddebombeoenla superficieletransmiteelmovimientoalternativoalpistnatravsdelasartade varillas,paraqueelpuedadescargarelaceitealmacenadoenlacmaradela bomba y posteriormente levantarlo hastala superficie. Los pistones para bombas de fondo pueden ser de acuerdo a su configuracin lisos, de copa, de sucesin de anillos, estriados, etc. Y de acuerdo al material se clasifican en metlicos y no metlicos. CAPTULO 2EQUIPO DE FONDO. 42 Vlvulas: Las vlvulas en una bomba de fondo son elementos crticos; cada vlvula debeoperarconcadacarreradelabomba,alternadamente,aslavlvulafija permite el llenado del barril y la vlvula viajera la descarga del fluido, abriendo con larestriccinmnimadefluidoycerrandoparanopermitirprdidas.Fallasenlas vlvulas son la causa ms comn de fallas en las bombas. La clasificacin 11AX del API para vlvulas de bola y asiento no especifica los materiales de manufactura, sin embargo,slola bolay elasientosonhechoscomoun par,yla bolayasientode una vlvula no debe ser intercambiada con la bola y asiento de otra vlvula. Anclaje de fondo: Otro elemento que puede considerarse como parte constitutiva adicional de las bombas de subsuelo esel anclaje de fondo. Su funcin es anclar y sellarlabombaalatuberadeproduccinypuedeserdeltipocopasydeltipo mecnico. 2.2.CLASIFICACIN API 11AX NOMENCLATURA API PARA LAS BOMBAS DE SUBSUELO.Conelfindeespecificarcompletamenteelconjuntodepiezasdelbombeo mecnico,elAmericanPetroleumInstitute(API)propusoelempleodeuna designacin de 12 caracteres en laEspecificacin API 11 AR. Esta especificacin se utiliza ampliamente en todo el mundo para caracterizar las bombas de fondo. Figura 29. Clasificacin API 11AX Fuente: American Petroleum Institute (API).CAPTULO 2EQUIPO DE FONDO. 43 LostamaosdelasbombastambinestnestandarizadosporelAPI.Eltamao bsico de una bomba se refiere al dimetro interno del barril. 2.3.BOMBAS DE TUBERA Y BOMBAS INSERTABLES TiposdeBombas:Lasdosprincipalescategorasdebombasdesubsuelosontipo tubera(tubingpumps)ydetipoinsertosvarillas(insertpumps)quese especificanenlanormaAPI11AX,sudiferenciaradicaenlaformacmoest instaladoelbarrildetrabajoenelpozo.Existenotrostiposdebombas desarrollados posteriormente y conocidos como diseos especiales. 2.3.2.Bomba de Tubera.Lasbombasdetuberarepresentaneltipomsantiguodebombasdesucciny tienen una construccin muy simple. Su ventaja inherente sobre los otros tipos de bombas, es su relativamente mayor capacidad de bombeo ya que tienen un barril ms grande. Una representacin esquemtica de una Bomba de tubera se aprecia en la figura 30. La figura presenta una bomba con un pistn metlico diseado por elAPIconelCdigoTH:lamismabomba,peroconunpistnflexibleest codificado con TP. Figura 30. Bomba de tubera Fuente.AmericanPetroleumInstitute,Recommendedpracticeforcareanduseof subsurface pumps. Modificado por los autores CAPTULO 2EQUIPO DE FONDO. 44 Ventajas: -Bombas mucho ms grande en una tubera dada, con dimetros internos de barril dedepulgadamspequeosqueeldimetrointernodelatubera.Estos barriles permiten un mayor volumen de fluido que cualquier otro tipo de bomba. -Tieneunaconstruccinmuchomsfuerte.Elbarrilesunaparteintegraldela tubera y as, puede soportar grandes cargas. La sarta de varillas esta directamente conectadaalpistn,haciendoquelaconexinseamsconfiablequeenlas bombas insertables. -Lasbombasdetuberadeproduccinusualmentesonmenoscostosasquelas bombas de varillas ya que tienen menos partes. -Losmayorestamaosdelasvlvulaspermitenmenosprdidasdepr