El bombeo mecánico es un procedimiento de succión y transferencia casi continua del petróleo hasta la superficie.

La unidad de superficie imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción, a cierta profundidad del fondo del pozo.

Este método consiste fundamentalmente en una bomba de subsuelo de acción reciprocante, abastecida con energía suministrada a través de una sarta de varillas. La energía proviene de un motor eléctrico o de combustión interna, la cual moviliza una unidad de superficie mediante un sistema de engranajes y correas.

El Bombeo Mecánico Convencional tiene su principal aplicación en el ámbito mundial en la producción de crudos pesados y extra pesados, aunque también se usa en la producción de crudos medianos y livianos.

No se recomienda en pozos desviados y tampoco es recomendable cuando la producción de

sólidos y/o la relación gas – líquido sea muy alta, ya que afecta considerablemente la eficiencia de la bomba.

Componentes de un Sistema de Bombeo Mecánico1. El Motor

2. Equipo de bombeo de superficie: Estructura y balancín; Motor; Caja reductora.

3. Tubería o tubing

4. Sarta de varillas

5. Bomba de Subsuelo

Motor de la Unidad de Bombeo MecánicoLa función del motor de la Unidad de Bombo Mecánico es suministrar a la instalación energía mecánica la cual eventualmente es transmitida a la bomba y usada para levantar el fluido. El motor seleccionado para una instalación debe tener suficiente potencia de salida para levantar el fluido a la tasa deseada desde el nivel de fluido de trabajo en el pozo.

Estructura del Balancín PetroleroEste componente se encarga de soportar los componentes de superficie del sistema de bombeo mecánico, también se encarga de transfiere energía para el bombeo del pozo desde el motor hacia la parte superior de las varillas, haciendo que este deba cambiar el movimiento rotatorio del motor a un movimiento reciprocante.

Caja reductora de velocidadEste dispositivo permite cambiar por medio de engranajes la alta velocidad angular entregada por el motor a un mayor torque suficiente para permitir el movimiento del balancín (como en el campo de Unipetro ABC).

Vastago pulido - Varillón pulidoLa relación directa entre la sarta de varillas y el equipo de superficie es el varillon pulido o vástago pulido. Los vástagos pulidos están disponibles en tres tamaños, el tamaño para cualquier instalación depende del tamaño del tubing y del diámetro de las varilla de succión en el tope de la sarta de varillas.

Otros componentes de superficie del Bombeo Mecánico

Cerca del final superior del varillon pulido esta una abrazadera del varillon el cual es soportado por barra cargadora. La barra cargadora a su vez es soportada por cables flexibles conocidos como riendas que pasan por encima del cabezal del balancín (horse head) hasta el final del balancín (walking beam).

Balancin PetroleroEl balancín petrolero (walking beam) es soportado cerca del centro de gravedad por una estructura llamada el poste maestro (Sampson Post); el movimiento es transmitido al walking bem por la viela (Pitman) y este a su vez es movido por el crack.

La distancia entre la unión de crack y la viela determina la longitud de la carrera del varillon.

Funcion del Balancin Petrolero

La principal función es almacenar energía en al carrera descendente, y entregar energía en la carrera ascendente.

Equipos de subsuelo

Sarta de VarillasTransmite energía desde el equipo de superficie hacia la bomba de subsuelo. Las varillas soportan el peso del fluido además de su propio peso.

Bomba de SubsueloLas funciones de la bomba son:

Recibir el fluido desde la formación hacia dentro de la sarta de producción.

Levantar el fluido hacia la superficie .

Componentes principales de la bomba de subsuelo Barril de trabajo

Pistón

Stading valve (válvula estacionaria)

Traveling valve (válvula viajera)

Funcionamiento de una bomba de subsueloLa válvula estacionaria permite que el petroleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería. En la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula viajera permite que entre petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente mantiene el flujo.

Carrera efectiva del pistónEl volumen de petróleo manejado durante cada stroke del pistón de la bomba no depende de la longitud de la carrera del vástago pulido si o del movimiento relativo del pistón en el working barrel.

Las carreras del pistón y del vástago pulido difieren debido a que las varillas y el tubing se estiran, por el sobreviaje del pistón debido a la aceleración. La carga del fluido es transmitida alternadamente puesto que la válvula estacionaria y la viajera se abren y cierran durante el ciclo de bombeo originando deformaciones en las varillas y tubing.

En la carrera descendente la válvula estacionaria está cerrada y la viajera abierta. En la carrera ascendente la válvula viajera se cierra y la estacionaria se abre.

Cargas del vástago pulidoCinco factores contribuyen a la carga neta del vástago pulido:

Carga del fluido.

Peso muerto de las varillas de succión.

Aceleración de la carga de las varilla de succión.

Fuerzas de flotación sobre las varillas de succión sumergidas en el fluido.

Fuerzas de fricción.

Desplazamiento de la Bomba y Tasa de Producción del Sistema de Bombeo Mecánico

Pozos con condiciones gaseosas o liquidas espumosas frecuentemente tendrían un

25 % a 50% de eficiencia.

Pozos gaseosos con clara separación de gas de formación en el hueco tendrían de

50% a 70%.

Para pozos con buena separación en el hueco y amplia sumergencia de la bomba, las

eficiencias serian de 70 % a 80 % .

Para pozos con nivel alto de fluido y con no interferencia de gas, la eficiencia

volumétrica puede alcanzar hasta 100%.

Ventajas y desventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de Petróleo

Ventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de Petróleo Fácil de operar y de hacer mantenimiento

Se puede cambiar fácilmente de rate de producción por cambio en la velocidad de

bombeo o stroke.

Puede bombear el pozo a una muy baja presión de entrada para obtener la máxima

producción.

Usualmente es la más eficiente forma de levantamiento artificial.

Se puede fácilmente intercambiar de unidades de superficie.

Se puede usar motores a gas como movedores primarios si la electricidad no esta

disponible.

Se puede usar la bomba con el control apagado para minimizar la carga del fluido,

costos de electricidad y las fallas de varilla.

Puede ser monitoreada remotamente con un sistema de control de supervisión de

bomba.

Se puede usar computadoras modernas de análisis dinamométrico para la

optimización del sistema.

Desventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de Petróleo Es problemático en pozos con alta desviación.

No puede ser usada en pozos off shore por los grandes equipos de superficie y la

limitada capacidad de producción es comparada con otros métodos.

No puede funcionar con excesiva producción de arena.

La eficiencia volumétrica cae drásticamente cuando se tiene gas libre.

El rate de producción cae con la profundidad comparado con otros métodos de

levantamiento artificial

Es obstrusivo en áreas urbanas.

Es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal

característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la

bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y mediante la energía

suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecánico esta compuesto

básicamente por las siguientes partes: unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas,

bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo). Un equipo de

bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un

movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una

perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una

bomba que bombea aire a un neumático. Un motor, usualmente eléctrico, gira un par

de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de una eje de metal. El otro

extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de metal

que se mueve hacia arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener una longitud de

cientos de metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. El

balancín de producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento se

asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a

la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de

producción o de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.

La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera

descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que

el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la carrera ascendente, la

válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el

petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre

petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento

ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo hacia la

superficie. Como en el bombeo mecánico hay que balancear el

ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede

ubicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la manivela.

Otra modalidad es el balanceo neumático, cuya construcción y

funcionamiento de la recámara se asemeja a un amortiguador

neumático; generalmente va ubicado en la parte delantera del

balancín. Este tipo de balanceo se utiliza para bombeo profundo.

 

Equipo de Subsuelo

El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental

de todo el sistema de bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de

producción y bomba de subsuelo.

Tubería de Producción. La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido

que se esta bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la

resistencia, generalmente la tubería de producción es menos crítica debido a que las

presiones del pozo se han reducido considerablemente para el momento en que el pozo

es condicionado para bombear.

Cabillas o Varillas de Succión. La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de

bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de

las mismas en el sistema de bombeo mecánico son: transferir energía, soportar las

cargas y accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas

son:

a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también pueden manufacturarse de 30

pies.

b) Se dispone de longitudes de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general

“niples de cabilla” que se utilizan para complementar una longitud determinada y para

mover la localización de los cuellos de cabillas, a fin de distribuir el desgaste de la

tubería de producción.

c) Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas.

De acuerdo a las especificaciones de la API, las cabillas de acero sólido es del tipo de

cabillas más utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados

para acomodar las roscas, un diseño que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha.

Todos los efectos negativos inciden en la vida útil de las uniones de las cabillas de

succión, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la cabilla, lo

cual es ocasionado por un incorrecto enrosque de la misma. Entre las principales fallas

podemos encontrar: tensión, fatiga y pandeo. En la producción de crudos pesados por

bombeo mecánico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este

tipo de problema (pandeo), la corta duración de los cuellos y la tubería debido al

movimiento reciproco-vertical o reciprocante (exclusivo en el bombeo mecánico) del

cuello en contacto con la tubería causando un desgaste o ruptura de ambas. Para el

pandeo (Buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por cabilla

según sea la severidad. Hay cabillas que tienen centralizadores permanentes.

Entre los tipos de cabillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y

fibra de vidrio. Las cabillas continuas (Corod) fueron diseñadas sin uniones para

eliminar totalmente las fallas en el PIN (macho) y la hembra para incrementar la vida

de la sarta. La forma elíptica permite que una gran sarta de cabillas sea enrollada

sobre rieles especiales de transporte sin dañarlas de manera permanente. Otra ventaja

de este tipo de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API.

Ventajas

a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión.

b) La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un

solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción.

c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de

cabillas.

Desventajas

a) Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales.

b) En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la

misma requiere de la entrada de una cabria convencional.

Anclas de Tubería. Este tipo esta diseñado para ser utilizados en pozos con el

propósito de eliminar el estiramiento y compresión de la tubería de producción, lo cual

roza la sarta de cabillas y ocasiona el desgaste de ambos. Normalmente se utiliza en

pozos de alta profundidad. Se instala en la tubería de producción, siendo éste el que

absorbe la carga de la tubería. Las guías de cabillas son acopladas sobre las cabillas a

diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores

de un elevado desgaste de tubería.

Bomba de Subsuelo. Es un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual

es accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los componentes básicos de la

bomba de subsuelo son simples, pero construidos con gran precisión para asegurar el

intercambio de presión y volumen a través de sus válvulas. Los principales

componentes son: el barril o camisa, pistón o émbolo, 2 o 3 válvulas con sus asientos y

jaulas o retenedores de válvulas.

Pintón. Su función en el sistema es bombear de manera indefinida. Esta compuesto

básicamente por anillos sellos especiales y un lubricante especial. El rango de

operación se encuentra en los 10K lpc y una temperatura no mayor a los 500°F.

Funciones de la Válvula

a) Secuencia de operación de la válvula viajera: permite la entrada de flujo hacia el

pistón en su descenso y posteriormente hacer un sello hermético en la carrera

ascendente permitiendo la salida del crudo hacia superficie.

b) Secuencia de operación de la válvula fija: permite el flujo de petróleo hacia la

bomba, al iniciar el pistón su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del

sistema bomba-tubería, cuando se inicia la carrera descendente del pistón.

Equipos de Superficie

La unidad de superficie de un equipo de bombeo mecánico tiene por objeto transmitir

la energía desde la superficie hasta la profundidad de asentamiento de la bomba de

subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el fondo hasta la superficie. Estas

unidades pueden ser de tipo balancín o hidráulicas. Los equipos que forman los equipos

de superficie se explican a continuación:

Unidad de Bombeo (Balancín). Es una máquina integrada, cuyo objetivo es de convertir

el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad

apropiada con la finalidad de accionar la sarta de cabillas y la bomba de subsuelo.

Algunas de las características de la unidad de balancín son:

a) La variación de la velocidad del balancín con respecto a las revoluciones por minuto

de la máquina motriz.

b) La variación de la longitud de carrera.

c) La variación del contrapeso que actúa frente a las cargas de cabillas y fluidos del

pozo.

Para la selección de un balancín, se debe tener los siguientes criterios de acuerdo a la

productividad y profundidad que puede tener un pozo:

Productividad

a) Los equipos deben ser capaces de manejar la producción disponible.

b) Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y

equipos de bombeo de pozo.

c) Factibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie adecuada.

Profundidad

a) La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensión, de

elongación y del peso.

b) Afecta las cargas originadas por los equipos de producción del pozo.

c) Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos

recorridos.

La disponibilidad de los balancines va a depender fundamentalmente sobre el diseño de

los mismos. Los balancines sub-diseñados, limitan las condiciones del equipo de

producción y en consecuencia la tasa de producción del pozo. Los balancines sobre-

diseñados, poseen capacidad, carga, torque y carrera están muy por encima de lo

requerido y pueden resultar muchas veces antieconómicos.

Clasificación de los Balancines

Balancines convencionales. Estos poseen un reductor de velocidad (engranaje)

localizado en su parte posterior y un punto de apoyo situado en la mitad de la viga.

Balancines de geometría avanzada. Estos poseen un reductor de velocidad en su

parte delantera y un punto de apoyo localizado en la parte posterior del balancín. Esta

clase de unidades se clasifican en balancines mecánicamente balanceados mediante

contrapesos y por balancines balanceados por aire comprimido. Los balancines de aire

comprimido son 35% más pequeñas y 40% mas livianas que las que usan manivelas. Se

utilizan frecuentemente como unidades portátiles o como unidades de prueba de pozo

(costafuera).

http://www.youtube.com/watch?v=1CpeXhpaYcM