SISTEMAS ARTIFICIALES DE PRODUCCIÓN
Bombeo Mecánico
Bombeo Mecánico
FACTORES PARA ELEGIR UN SAP
Propiedades de los fluidos
Estado mecánico del pozo
Pruebas de producción
Aforos y/o condiciones de operación
Registros de presión/temperatura presión/temperatura
Disponibilidad de la fuente de energía
Bombeo Mecánico Reciprocante UBM Cabeza l Varill Varillas as de succión
Bomba subsuperficial
Existen diferentes sistemas artificiales entre ellos el bombeo mecánico reciprocante. Su función es extraer fluidos mediante un movimiento ascendentedescendente, que se transmite por medio de la sarta de varillas a la bomba colocada dentro de la TP en el fondo, cerca del yacimiento. Los fluidos que se acumulan en la TR llegan a la superficie a través de la TP.
Componentes Principales Unidad de Bombeo Mecánico. Cabezal y Conexiones Superficiales. Sarta de Varillas. Bomba Reciprocante. UBM Cabezal
Varillas de succión
Bomba subsuperficial
APLICACIÓN
Un bajo índice de productividad.
Que no haya producción de arena, si la hay que sea muy baja.
Que exista una presión de fondo fluyendo suficiente para que los fluidos alcancen un nivel estático en el pozo.
Que no haya depósito de parafinas.
Que la Pwf > Pb a la profundidad de colocación de la bomba.
EQUIPO SUPERFICIAL Motor Reductor de engranes Unidad de bombeo
SUBSUPERFICIAL Bomba Sarta de varillas
Tipo de Motores MOTOR ELÉCTRICO Bajo costo inicial. Menor costo de mantenimiento Facilidad para ajuste en un sistema de automatización
MOTOR DE COMBUSTIÓN Control de velocidad más flexible. Menor costo de combustible.
Reductor de Engranes
Función: Reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de bombeo adecuada.
Sujeto a una torsión máxima.
La polea de la unidad recibe la potencia del motor principal a través de bandas.
Unidad Superficial FUNCIONES:
Transfiere la energía del motor principal a la sarta de varillas. Convierte el movimiento rotatorio del motor a uno oscilatorio Reduce la velocidad del motor a una velocidad adecuada de bombeo Mantiene la verticalidad de la varilla pulida.
Unidades de Bombeo Mecánico • Para mover la bomba de fondo se utilizan las UBM’s, su función es convertir el movimiento rotativo de un motor en un movimiento reciprocante. • Existen diferentes tipos de unidades, entre otras : Rotaflex, Hidroneumáticas, de balancín (bimba) En una Bimba el motor mediante el reductor de engranes hace girar las manivelas y que a su vez mueven el balancín. En una UBH el motor mueve una bomba hidráulica para que mediante el sistema hidráulico se muevan en forma reciprocante unos cilindros (gatos hidráulicos)
Unidades de Bombeo Mecánico • El peso de la sarta de succión, la bomba y de la columna de fluidos desequilibran la fuerza necesaria para el movimiento reciprocante, es decir, se requiere mucha fuerza para levantar el aparejo, y solo la gravedad para bajar. • Para disminuir este esfuerzo, el peso del aparejo se equilibra o balancea con masas de acero (contrapesos), en el caso de la bimba y en el caso de la UBH con la fuerza que proporciona el nitrógeno a presión. • Una vez balanceado, solo es necesaria poca fuerza para subir y bajar la bomba en el fondo, esto reduce por mucho el consumo de energía necesaria, de ahí la importancia de un buen balanceo.
Cabezal y Conexiones Superficiales En el cabezal del pozo se utilizan válvulas para el control y manejo de los fluidos, así como accesorios para la operación del equipo de bombeo mecánico y el aparejo de producción.
Geometría de las Unidades
- CLASE I Unidad Convencional - CLASE III Aerobalanceada y MARK II
Unidad Convencional VENTAJAS bajo costo de Tiene mantenimiento Costos menores que otro tipo de unidades. usualmente mejor con Es varillas de fibra de vidrio. Puede girar en el sentido de las manecillas del reloj y contrario. Puede bombear más rápido que la Mark II sin problemas. Requiere menos contrabalanceo que la Mark II.
DESVENTAJAS En muchas aplicaciones, no es tan eficiente como la Mark II. Puede requerir una caja de velocidades mayor que otro tipo de unidades (especialmente con varillas de acero).
Unidad Mark II VENTAJAS Tiene bajo torque en muchos casos (con varillas de acero). Puede bajar costo (5 a 10 %) comparada con el siguiente tamaño de la unidad convencional.
DESVENTAJAS En muchas aplicaciones, no puede bombear tan rápido como la Convencional, porque puede causar problemas de fallas en las varillas. girar solamente en Puede sentido contrario a las manecillas del reloj. Puede causar más daño a las varillas y bomba en caso de fluido pesado. Puede someter a la sarta de varillas en el fondo del pozo a severa compresión que puede causar fallas por pandeo.
Unidad Aerobalanceada VENTAJAS Es más compacta y más fácil para balancear que otras unidades. Los costos de transportación son menores que otras unidades. Puede girar en el sentido de las manecillas del reloj o sentido contrario.
DESVENTAJAS Es más complicada y requiere mayor mantenimiento (compresor de aire, cilindro de aire). La condensación de agua en el cilindro puede causar problemas. La caja de velocidades puede ser dañada si el cilindro pierde presión de aire.
Designación de Unidades
El API ha desarrollado un método estándar para identificar y describir las unidades de bombeo. Por ejemplo, para la unidad C - 320D-256- 100 TIPO DE UNIDAD: C CONVENCIONAL M A AEROBALANCEADA
MARK II
TORSIÓN MÁXIMA QUE PUEDE TOLERAR LA FLECHA DEL REDUCTOR DE ENGRANES EXPRESADA EN 10³ (pg.lb)
LA LETRA D INDICA QUE TIENE UN DOBLE REDUCTOR DE ENGRANES.
CARGA MÁXIMA QUE SOPORTA LA VARILLA PULIDA EXPRESADA EN 10² (lb).
MÁXIMA LONGITUD DE CARRERA DE LA VARILLA PULIDA EXPRESADA (pg)
Varilla Pulida Es el eslabón entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial. En un momento del ciclo las cargas que soporta son: Peso del fluido Peso de las varillas Cargas de aceleración Carga por vibración Fuerza de flotación Fuerzas de fricción
Contrabalanceos de la Unidad Función
Reducir los requerimientos de torsión en el reductor de engranes. Reducir el tamaño del motor principal (hp´s). El efecto de contrabalanceo puede obtenerse colocando contrapesos en el balancín, biela o manivela. El contrapeso tiene un peso aproximadamente igual al peso de las varillas más la mitad del peso del fluido.
Ejemplo Unidad de bombeo con y sin contrabalanceo. Se desprecian las fuerzas de flotación, inercia y dinámicas. Wr = 10,000 lbs. Y Wf = 4,000 lbs. UNIDAD SIN CONTRABALANCEO
Carrera ascendente (Wr+Wf) – 0 = 14000 lbs. Carrera descendente (-Wr+ 0 ) = -10000 lbs.
UNIDAD CON CONTRABALANCEO
Carrera ascendente (Wr+Wf) – 12000 = 2000 lbs. Carrera descendente (-Wr+ 12000 ) = 2000 lbs.
Bomba Subsuperficial Función Desplazar los fluidos del yacimiento desde el fondo del pozo hasta la superficie por el interior de la tubería de producción. Componentes 1) Barril de trabajo 2) Émbolo 3) Válvula viajera 4) Válvula de pie
Partes de la Bomba Subsuperficial Cilindro de trabajo y camisa
Válvula viajera Émbolo
Válvula estacionaria
Clasificación de las Bombas A) Bomba de inserción. Se puede conectar a la sarta de varillas sin sacar la T.P. a la superficie, sólo se saca la sarta de varillas. B) Bomba de tubería de revestimiento. Es una versión de la anterior sólo que esta se ancla en la T.R. Manejan grandes volúmenes en pozos someros y de bajo IPR. C) Bomba de tubería de producción. La diferencia con la de inserción es la forma en como se coloca el barril. Este va conectado en el extremo inferior de la T.P. y se introduce al pozo como parte de la sarta de producción. El barril en la de inserción se ensambla a la bomba subsuperficial y se introduce por el interior de la T.P. como una unidad en la sarta de varillas.
Materiales usados
Barril
Acero aleación Bronce Hi-brin Nitreline Hi-hard Krom-i-dee Silverine
Pistón
Acero aleación Bronce Co-hard Superhard Cromado
Válvulas
Stellita C.T.
Varillas
Acero aleaciones Mg, si, ni, vn, cu, br, cr, mo Fibra de vidrio
Nomenclatura API
Tipos de Bomba Bomba de Inserción: En la TP se coloca la zapata candado. La bomba completa (barril y pistón) se bajan dentro de la TP con las varillas.
Bombas de tubería: El barril y la zapata candado se baja con la TP. La válvula de pie puede bajarse con en la zapata o con el émbolo. El émbolo se baja después con las varillas.
La Bomba Reciprocante •
Está compuesta de dos partes principales: el émbolo y el barril cada uno con una válvula
•
Ciclo de bombeo: – Émbolo hacia abajo cerca del final de la carrera, el fluido pasa a través del la válvula viajera , el peso de la columna es soportado en la válvula de pie. – Émbolo hacia arriba arrastrando los fluidos arriba de la válvula viajera, la válvula de pie admite fluidos del yacimiento. – Émbolo hacia arriba cerca del fin de la carrera, válvula de pie abierta y viajera cerrada. – Émbolo hacia abajo, válvula de pie cerrada por la compresión, la válvula viajera se abre por el mismo efecto.
Sarta de Varillas
La sarta de varillas de succión es un sistema vibratorio complejo mediante el cual el equipo superficial transmite energía o movimiento a la bomba subsuperficial. La selección de la sarta de varillas depende de la profundidad del pozo y las condiciones de operación de este. Su diseño consiste en seleccionar la sarta más ligera y por lo tanto más económica, sin exceder el esfuerzo de trabajo de las propias varillas. El esfuerzo de trabajo depende de la composición química de las varillas, propiedades mecánicas y fluido bombeado. Se utiliza sarta de varillas telescopiadas.
Número de Varilla API Ejemplo: Varilla API No. 86
8/8 (1”)
86
7/8” 6/8” (3/4”)
Clases de varilla
Clase K
Resistente a corrosión, Ni-Mo 82ksi
Clase C
Resistente a corrosión, trabajo pesado, C-Mn 90ksi
Clase D
Trabajo extra pesado no H2S, Ni-Cr-Mo 115ksi
Clase T66 y EL (no API)
Resistente a corrosión, Aleación Especial 140-160ksi
Materiales usados • Barril • • • • • • •
Acero aleación Bronce Hi-brin Nitreline Hi-hard Krom-i-dee Silverine
• Pistón • • • • •
Acero aleación Bronce Co-hard Superhard Cromado
• Válvulas • •
Stellita C.T.
• Varillas • • •
Acero aleaciones Mg, si, ni, vn, cu, br, cr, mo Fibra de vidrio
Ciclo de Bombeo Mecánico (b)
(a)
Cilindro de trabajo y camisa
Varillas de succión
Válvula viajera Émbolo
Válvula estacionaria
Tubería de producción
(c)
(d)
Ciclo de Bombeo Mecánico (a) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del fondo de la carrera. (b) El émbolo sube, cerca del fondo de la carrera. (c) El émbolo sube cerca de la parte superior de la carrera. (d) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del tope de la carrera.
Ventajas Buena eficiencia. Optimización y Controles. Bajo costo de mantenimiento. Desplazamiento Positivo. Materiales para disminuir problemas de Corrosión. Flexibilidad - Ajustar Producción a través de carrera y EPM. UBM Cabezal Varillas de succión
Bomba subsuperficial
Limitaciones
UBM Cabezal Varillas de succión
Bomba subsuperficial
Desgaste de varillas y TP en pozos desviados.
Altas Relaciones Gas-Aceite. Limitación de la varillas para manejar las cargas-volumen.
Decrece con la profundidad.
Cuestiones estéticas y ambientales.
Rango de Aplicación Rango Tipico Profundidad 100 - 11,000’ TVD Volumen 5 - 1500 BPD
UBM Cabezal
Temperatura
Varillas de succión
Desviación
100°- 350°F 0 - 20°
Máximo*
16,000’ TVD 5000 BPD 550°F 0 - 90° <15°/100’
Bomba subsuperficial
Corrosión
Bueno a Excelente con materiales especiales
*Se requiere analisis especial
Manejo de Gas Manejo de Solidos Densidad Fluido Servicio Tipo de motor Aplicaciones Marinas Eficiencia Sistema
Aceptable a Bueno Aceptable a Bueno >8°API ERTP Gas o Electrico Limitada 45%-60%
UBH VS BIMBA •UBH (ventajas) Cambios de carrera pulg a pulg. No necesita preparación especial de terreno. Pueden instalarse en pozos con cabezal desviado. Se transporta fácilmente. Pueden realizarse pruebas de carga. Baja inversión inicial. Mayor versatilidad en pozos de diferente profundidad. Mayor seguridad en la instalación en zonas pobladas.
• UBH (desventajas) Supervisión diaria. Menor vida útil de las partes componentes. Poco conocimiento por ser un sistema artificial relativamente nuevo (paradigma).
UBH VS. BIMBA • Bimba Movimiento más parejo en carreras. Menor supervisión. Cuenta con solo tres partes móviles. Mayor vida útil de las partes. En algunas aplicaciones puede ser más eficiente (MARK II, Equipos no sobredimensionados).
Patrón típico de cargas
• Zona 1 Máxima carga, inicia carrera ascendente varillas y fluido con aceleración máxima, la inercia se suma a la carga estática. Desde el fondo hasta media carrera ascendente.
a=max,v=0
• Zona 2 parte de la carrera ascendente hasta el tope, máxima mase de varillas y fluido, en desaceleración, la inercia se resta a la carga estática. a=0,v=max
• Zona 3
de media carrera descendente hacia el fondo de la carrera, el peso de la varilla flotando se desacelera, la inercia se suma al peso de las varillas
Wv Wl
Wv
Inicia la carrera descendente desde el tope, hasta media carrera descendente, solo se tiene le peso de la sarta flotando menos la inercia, máxima aceleración descendente.
• Zona 4
Wv
Wl
a=max,v=0
2
3
1
4 Wv
Selección del tamaño bomba
• Desplazamiento teórico de la bomba PD = 0.1484 x Ap x Sp x N Donde Ap = área pistón Sp = Carrera pistón N = velocidad de bombeo •
La Eficiencia Volumétrica se conoce hasta que se define el gasto deseado. Ev = q / PD La eficiencia normalmente se estima mediante la experiencia local • De aquí dp2 = .1166 (Ev)PD / Sp N Donde dp = diámetro del pistón
Diseño de sarta de varillas •
Esfuerzo Máximo: Pude seleccionarse asignado a cada sección un esfuerzo máximo si se pasa de este valor, se selecciona una de mayor tamaño.
•
Esfuerzos Iguales: es mas utilizado y consiste en considerar esfuerzos iguales en la parte superior de cada sección, dependiendo de la longitud de la sarta y el émbolo usado.
•
Los factores que intervienen que forman la carga total del la sarta: 1. 2. 3. 4. 5.
El peso muerto de la sarta La carga por aceleración La fuerza de flotación La carga de fluido Las fuerzas de fricción
Diseño de sarta de varillas •
El peso muerto esta dado por la suma de todas las varillas y accesorios de la sarta
•
La carga por aceleración puede calcularse mediante la ecuación de Mills: α = S N2 / 70,500
•
Fuerza de Flotación está dada por el empuje del líquido desplazado por la sarta sumergida en un fluido dado: Ff = -0.127 Wr dens
•
Carga de fluido esta dada por el peso del fluido soportado por el área del émbolo Wf = 0.433 γ(long Ap –0.294 Wr)
Diseño de sarta de varillas •
La Fricción es difícil determinar sin un análisis de la geometría y materiales del pozo, por lo que normalmente se desprecia
•
La elongación es un factor para determinar factores como el espaciamiento, sobre viaje del émbolo etc.
•
er = Er Wf L Donde: Er es la elasticidad del material L la longitud de la sarta
Contrabalanceo •
A fin de reducir las dimensiones de la unidad se colocan contrapesos en el sistema con un peso aproximadamente igual al peso de las varillas mas la mitad del peso del fluido:
•
Idealmente el contrabalanceo es:
Ci= 0.5 Wf + Wr (1 - 0.127 γ)
