SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL METODOS DE PRODUCCION II-2015 ESCUELA DE INGENIERIA DE PETROLEOS
BOMBEO MECANICO
BOMBEO MECANICO
BOMBEO MECANICO • INTRODUCCIÓN • GENERALIDADES
• FUNDAMENTACIÓN FÍSICA • FUNDAMENTACIÓN MATEMÁTICA • EJEMPLO DE APLICACIÓN • PROBLEMAS Y SOLUCIONE SOLUCIONESS • APUNTES CLAVE
INTRODUCCION Sistema de Levantamiento Artificial Bombeo Mecánico Cuando el pozo deja de producir por flujo natural, se requiere el uso de una fuente externa para conciliar la oferta con la demanda de energía. En estos casos se requiere del uso de un sistema de levantamiento artificial que tenga las siguientes características: • Producir petróleo de cualquier gravedad. • Alta eficiencia total del orden del 45%60%. • Producir sólidos y GOR relativamente altos. • Bajos costos operativos. • Bajo riesgo de derrames por ser una operación a bajas tasas y presión.
INTRODUCCION El Bombeo Electrosumergible se ha constituido en los últimos años como una interesante opción para las empresas operadoras. En países como Colombia, su uso se ha masificado. VENTAJAS
DESVENTAJAS
Resistente a la corrosión
Necesita equipo de reacondicionamiento para solucionar problemas en el subsuelo
Usa diferentes fuentes de energía: Eléctrica o Gas
Susceptible a bloqueos en el equipo de subsuelo
Produce fluidos de cualquier viscosidad
Limitado para altas profundidades
Uso continúo durante la vida productiva del pozo
Equipo en superficie pesado y de difícil mantenimiento
INTRODUCCION
PRINCIPIO FISICO La bomba de subsuelo esta constituida por un barril, un pistón y dos válvulas (fija y viajera) que reciben un movimiento reciprocante de las varillas que hace que se tome fluido del fondo del pozo y se conduzca al interior de la tubería de producción.
La sarta de varillas transmite el movimiento reciprocante de la unidad de bombeo, el cual es generado por la rotación de un motor eléctrico.
PRINCIPIO FISICO CICLO DE BOMBEO Se pude dividir en 4 etapas:
Movimiento descendente del embolo, cerca del fondo de la carrera
a)
d)
b)
Movimiento ascendente del embolo, cerca del fondo de la carrera
c)
Movimiento ascendente del embolo, cerca de la parte superior de la carrera
Movimiento descendente del embolo, cerca de la parte superior de la carrera
PRINCIPIO FISICO CICLO DE BOMBEO
PRINCIPIO FISICO CICLO DE BOMBEO
COMPONENTES Componentes de Superficie Bombeo Mecánico
Unidad Motor Caja reductora Contra-Pesas Barra lisa Stuffing box
Te de bombeo
Componentes de Subsuelo
Sarta de varillas Tubería de producción Barril Pistón Válvulas Otros
COMPONENTES
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE MOTOR
Puede ser eléctrico o de combustión interna, su función es imprimir movimiento a la unidad de bombeo. Su requerimiento de potencia dependerá de la profundidad y de otras características propias del pozo.
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE CAJA REDUCTORA
Su función es reducir la alta velocidad y bajo torque del motor a las revoluciones de trabajo y alto torque de la Unidad de Bombeo.
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE TIPO DE UNIDAD
CLASE
PUNTO DE APOYO
MECANIMOS DE CONTRABALANCE
Convencional
Sistema de palancas, Clase I
Punto medio del balancín
Por contrapeso
Unidades Neumáticas
Sistema de palancas Clase II
Extremo delantero del balancín
Por Aire
Unidades Mark II
Sistemas de palancas Clase II
Extremo trasero del balancín
Por contrapeso
UNIDAD DE BOMBEO
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE UNIDADES DE BOMBEO UNIDAD DE BOMBEO CONVENCIONAL
MARK II
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE UNIDADES DE BOMBEO ROTAFLEX
UNIDAD BALANCEADA POR AIRE
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE UNIDADES DE BOMBEO UNIDAD DE BOMBEO HIDRAULICA
UNIDAD DE BOMBEO DE BAJO PERFIL
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE UNIDADES DE BOMBEO
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE BARRA LISA
Se conecta siempre con la parte superior de sarta de varillas y consiste en una barra pulida, la cual hace sello con los empaques de la caja de empaques para que no ocurran escapes de cr cru udo.
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE PRENSA-ESTOPA
GRAPA PARA BARRA LISA
COMPONENTES EQUIPOS DE SUPERFICIE ARBOL DE NAVIDAD
COMPONENTES EQUIPOS DE SUBSUELO BOMBA DE SUBSUELO
COMPONENTES EQUIPOS DE SUBSUELO
Bomba de Varilla (R)
BOMBA DE SUBSUELO
Ensamble completo de bombeo dentro del Pozo
Bomba de Tubería (T) El barril forma parte integral de la Tubería Corre con la sarta de la tubería
COMPONENTES EQUIPOS DE SUBSUELO BOMBA DE SUBSUELO
COMPONENTES EQUIPOS DE SUBSUELO BOMBA DE SUBSUELO
COMPONENTES EQUIPOS DE SUBSUELO BOMBA DE SUBSUELO
COMPONENTES EQUIPOS DE SUBSUELO BOMBA DE SUBSUELO
COMPONENTES Sarta de Varillas Sostiene peso del fluido y su propio peso
Tipos de sartas Telescópicas
VARILLAS
Varillas de un solo Diámetro
Grado de Varilla
Composición
K
Tensión Mínima
Máxima
AISI 46
85000
115000
C
AISI 1536
90000
115000
D
Carbono o Aleaciones
115000
140000
COMPONENTES VARILLAS
La longitud normal de las varillas es de 25ft. Cada grado de varilla posee unas propiedades específicas, conferidas por su metalurgia. Se destacan la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. Grado C
Grado K
Grado D
• Bajas cargas • No resisten
• Bajas cargas • Resistentes
• Altas cargas • Diversos
a la corrosión
ambientes
la corrosión
#
Diámetro (in)
4
1/2
5
5/8
6
3/4
7
7/8
8
1
9
1-1/8 /
PRINCIPIO MATEMATICO CAPACIDAD DE BOMBEO
0,1166 Donde: Q : Caudal desplazado por la bomba (Bls/día)
L : Longitud de la carrera (pulgadas) N : Velocidad de bombeo (golpes/minuto) dP: Diámetro del pistón (pulgadas) ƞ: Llenado de la bomba (fracción)
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA)
Peso Esfuerzos cortantes
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA) La sarta de varilla satisface el criterio físico de una barra idealmente esbelta
Propagación de ondas en una dimensión
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA)
∗ = − (1) − +∆ −
Tomando +∆ como esfuerzos mecánicos presentes en la sección en las distancias axiales.
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA) REEMPLAZANDO EN (1)
− +∆ ∗ − ∗
(2)
Debido a que las varillas sufren una deformación elástica se aplica la ley de Hooke
() ∗
= Coeficiente (Young)
REEMPLAZANDO EN (2)
l +∆ l − ∗
∗ ∗
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA)
ó ∗ ∆144∗ ∗ ∗ ∗
(A)
∗∗ L= longitud total del trayecto
REEMPLAZANDO (A) Y (B) EN (3)
∗ ∗ − ∗ 144 ∗ ∗ 144 ∗ ∗ (4) Ecuación de onda unidimensional de ∗ − Propagación de fuerzas
(B)
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA)
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA) SOLUCIONES DE LA ECUACIÓN DE ONDA
Los métodos de solución más frecuentemente usados para este propósito son: La solución analítica: Por ecuaciones diferenciales ordinarias (Separación de Variables) .
Soluciones numéricas: Por diferencias finitas ( Aprox. Series de Taylor).
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA) Tipos de Modelamiento
API RP-11L
Método de Gibbs
Se basa en las cartas dinagráficas de fondo y superficie
Modela el movimiento de la sarta de varillas
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA)
METODOLOGÍA NORMA API –RP -11L
Elementos asumidos:
Geometría convencional de la unidad de bombeo.
La bomba se asume completamente llena de líquido en cada ciclo.
La unidad de bombeo perfectamente balanceada.
Tubería de producción anclada a la bomba.
Varillas de acero.
Poco deslizamiento del motor .
Fricción de pozo normal en el fondo de pozo asumida.
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA) Variables independientes:
NN velocidad de bombeo adimensional NN ´ velocidadde bombeo adimensional / / = forzado de la varilla debido a la carga del fluido / / = forzado de la varilla debido al peso boyante de la carga Constante del resorte:
1 ∗ =
;
Carga del fluido sobre el pistón:
0,34 ∗ ∗ ∗
H= nivel dinámico del fluido d = diámetro del pistón
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA) Peso boyante de la sarta:
∗ 1 − 0,128 ∗
= peso total de la varilla en el aire (lb)
Longitud del stroke del pistón:
Desplazamiento del pistón:
0,1166 ∗ ∗ ∗ Cargas de la barra pulida:
= longitud del stroke del pistón largo abajo = longitud del stroke varilla pulida = longitud del stroke (in) N= velocidad del bombeo (stpm) d= tamaño del pistón
Mínima:
PRINCIPIO MATEMATICO SOLUCION DE LA ECUACION DE ONDA (MOVIMIENTO RECIPROCANTE DE LA SARTA) METODOLOGÍA DE GIBBS: Se utiliza software especializado con el fin de facilitar el trabajo matemático: Q-ROD
PARÁMETROS A INTRODUCIR EN Q-ROD Tipo de unidad Profundidad de la bomba Longitud del stroke en superficie Diámetro de la bomba Tamaño del tubing Grado y número API de las varillas Eficiencia de la bomba Presión intake de la bomba
EJEMPLO
POZO COLORADO 36
EJEMPLO CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA BOMBEO MECÁNICO COL-36 PARÁMETROS OPERACIONALES
RANGO NORMAL
RANGO MÁXIMO COLORADO 36
PROFUNDIDAD DE OPERACIÓN.
100-5000 TVD(ft)
9000 TVD(ft)
2214 ft
VOLUMEN DE OPERACIÓN.
5-1000 BPD
2000 BPD
18 BPD
TEMPERATURA DE OPERACIÓN.
100-350 F
550 F
145 F
DESVIACIÓN DEL POZO.
Poco
0°(vertical)
MANEJO DE CAUDAL DE GAS.
Aceptable
30 Mscfd
MANEJO DE ARENAS.
Malo
-
GRAVEDAD DEL FLUIDO.
API mayor a 8°
40° API
SERVICIOS DE LIMPIEZA.
Workover
-
TIPO DE MOTOR.
Gas o eléctrico
Eléctrico
APLICACIÓN.
Limitada en costa afuera
Continental
EFICIENCIA DEL SISTEMA.
40% al 60%
85%
EJEMPLO CALCULO DEL IPR Método de SUKAMO, Pudjo y TOBING, Edward: Es un método que permite el calculo de la curva IPR en yacimientos de gas en solución teniendo en cuenta la técnica de cañoneo utilizada.
1 2
Donde: • a0,a1 y a2 son constantes que dependen del radio de perforación y la técnica de perforación.
>0.3 >0.3 >0.3 >0.3 >0.3 <=0.3 <=0.3 <=0.3 <=0.3 <=0.3
2 4 8 12 16 2 4 8 12 16
0.61710 0.77503 0.87333 0.90482 0.91995 0.33247 0.57857 0.73507 0.79505 0.83925
0.26632 0.12529 0.10715 0.08881 0.08072 0.20784 0.09956 0.11547 0.14935 0.12038
-0.86983 -0.87781 -0.98364 -0.96534 -0.97117 -0.52487 -0.65332 -0.82687 -0.91988 -0.93283
<=0.3 <=0.3 >=0.19 >=0.19 >=0.19
2 4 8 12 16
0.64374 0.79507 0.92006 0.93806 0.95146
0.22082 0.15189 0.05473 0.05464 0.06546
-0.83782 -0.91899 -0.94102 -0.95875 -0.98175
EJEMPLO ) I S P 1400 ( E R 1200 U S S E 1000 R P E L 800 O H 600 M O 400 T T O B 200 G N I 0 W 0 O L F
COLORADO - 36 PARÁMETROS USADOS SPE 29312
AoF= 18,32 BPD 2
4
6
8
10
12
14
16
OIL PRODUCTION RATE (STB/DAY)
18
20
POZO
Colorado 36
Pr [PSI]
1200
Pwf [PSI]
212
Qo [BPD]
18
SPF
2
Rp [In]
0,5
PERFORACIÓN
Underbalance
EJEMPLO DISEÑO CON SIMULADOR CON C-36
PARÁMETROS A INTRODUCIR EN Q-ROD Tipo de unidad Profundidad de la bomba Longitud del stroke en superficie Diámetro de la bomba Tamaño del tubing Grado y número API de las varillas Eficiencia de la bomba Presión intake de la bomba Caudal
EJEMPLO
EJEMPLO UNIDAD DE BOMBEO
C-57D-95-48 Longitud de Carrera máxima en Pulgadas
Tipo de Unidad de Bombeo A – Balance por Aire C – Convencional M – Mark II Unitorque Clasificación de Torque Pico en Miles
Clasificación de carga de varilla pulida en cientos de libras. D – Reductor de Engranaje de doble
EJEMPLO UNIDAD DE BOMBEO
Seleccionamos un modelo del catálogo Lufkin que cumpla los parametros de diseño La función de la unidad de bombeo es convertir el movimiento rotatorio del motor en movimiento ascendente y descendente de la sarta de varillas
EJEMPLO UNIDAD DE BOMBEO
EJEMPLO BOMBAS DE SUBSUELO 25 -125 - RHBC - 14 - 2 - 4 Diámetro de la tubería 15 = 1.9” OD 20 = 2-3/8” OD 25 = 2-7/8” OD 30 = 3-1/2” OD
Longitud total de las extensiones [Ft] Longitud nominal del pistón [pies]
Diámetro ID de la bomba 125 = 1-1/4” 150 = 1-1/2” 175 = 1-3/4” 200 = 2” 225 = 2-1/4” 250 = 2-1/2” 275 = 2-3/4” Tipo de bomba R = Varilla T = Tubería
Longitud del barril [fT]
Tipo de anclaje C = Copas M = Metálico
Tipo de barril para pistón metálico H = de pared gruesa W = de pared delgada
Localización del anclaje A = en el tope B = en el fondo
EJEMPLO SARTA DE VARILLAS
EJEMPLO SARTA DE VARILLAS
EJEMPLO MOTOR ELECTRICO
Se selecciona del manual de motores eléctricos SIEMENS nema, que son motores trifásicos, apropiados para el movimiento de un balancín
EJEMPLO OPTIMIZACION A partir de los parámetros que permite sensibilizar los simuladores y programas usados se puede analizar los diferentes caudales incrementales, a fin de elegir cuál será mejor opción de optimización: OPCIÓN Aumentar la potencia de la bomba. Instalar ancla de gas. Cañoneo (Aumento de TPP) Cambio en el tamaño de diámetro de
INCREMENTO DE CAUDAL Sobredimensionado 1,1 BPD No aporta caudal 0,16 BPD
tubing (3”)
Aumento de profundidad de la bomba. Aumento de la velocidad de bombeo
0,008 BPD Sobredimensionado
EJEMPLO ANCLA DE GAS Varios tipos de anclas de gas han sido desarrollados con el propósito de minimizar la interferencia por gas.
EJEMPLO ANCLA DE GAS Con el software “SEPARATOR CALCULATOR” de Echometer se puede seleccionar el tipo de ancla de gas.
CONDICIONES Máxima producción del liquido Máxima producción del gas Presión a la entrada de la bomba
19 BPD 30 Mscf/dia 69,321 psi
Tamaño del tubing
2,875 in
Tamaño del casing
6,625 in
Eficiencia
90%
Por tanto, en cuanto a la simulación del análisis nodal en Pipesim, se simula con separador de gas con eficiencia del 90%.
EJEMPLO RESUMEN DE EQUIPOS Teniendo en cuenta que la mejor optimización se obtiene cuando se instala un ancla de gas, incrementando el caudal en 1.1 BPD, y en el pozo Colorado 36 se encuentra un sistema de levantamiento artificial de Bombeo Mecánico, no se requiere cambiar equipo, ya que este se encuentra sobredimensionado (para levantar ese caudal), se resume así (Usando simulador de Q-ROD, Separator Calculator Echometer):
EQUIPO
DISEÑO
UNIDAD DE BOMBEO
C-57D-95-48
SARTA DE VARILLAS
CLASE D 52% - 48%
BOMBA DE SUBSUELO
25-125-RHBC-14-2-4
ANCLA DE GAS
EQ-1935
PROBLEMAS Y SOLUCIONES GOLPE DE FLUIDO
PROBLEMA Nivel del pozo disminuye y la bomba queda parcialmente llena de líquido y gas a baja presión. No hay suficiente presión para abrir la válvula viajera. Sólo se abrirá en choque brusco con el fluido.
SOLUCIÓN
PROBLEMAS Y SOLUCIONES CANDADO DE GAS
PROBLEMA Presencia de gas en la bomba no permite abrir la válvula viajera .
SOLUCIÓN Instalación de válvulas y/o mecanismos para prevenir la entrada de gas y/o la liberación del
PROBLEMAS Y SOLUCIONES GOLPE DE PISTÓN
PROBLEMA Pistón golpea con el fondo del barril.
SOLUCIÓN Espaciar adecuadamente el pistón de la bomba con respecto al fondo
PROBLEMAS Y SOLUCIONES FUGA EN LAS VALVULAS
PROBLEMA Válvulas no están bien asentadas, en el upstroke se escapa fluido.
SOLUCIÓN Cambiar las partes dañadas como las bolas de las válvulas que no
PROBLEMAS Y SOLUCIONES BARRIL DOBLADO O SUELTO
PROBLEMA La carga en la sarta aumenta debido a la fricción entre el barril y el pistón. Cargas constantes al salir de la sección doblada.
SOLUCIÓN Sacar la bomba para evitar que la
PROBLEMAS Y SOLUCIONES BARRIL GASTADO
PROBLEMA Pérdida de presión en el upstroke, al pasar la sección desgastada.
SOLUCIÓN Añadir agentes anticorrosivos y cambiar la bomba.
PROBLEMAS Y SOLUCIONES PROBLEMA
BOMBA DESANCLADA.
BOMBA ENGASADA.
GOLPE DE FLUIDO DE LA BOMBA.
UNIDAD DE BOMBEO DESBALANCEADA.
CAUSA
SOLUCIÓN
Para esta anomalía el equipo de Este problema se puede presentar terminación y reparación de pozos debido a un mal manejo del equipo o a (T.R.P.) deberá efectuar una prueba de la extracción de la sarta de varillas. re-anclaje. es necesario separar el gas y El gas que entra a la bomba junto con direccionarlo a la tubería de el aceite, causa serias pérdidas de revestimiento antes de que entre en la eficiencia bomba. Se presenta principalmente por que el Una solución es aumentar la pozo no está produciendo de manera profundidad de la bomba, hasta que óptima o por la presencia de gas. se tenga una buena sumergencia. El desbalance se puede percibir con el sonido que produce el motor en la carrera ascendente y descendente, así como la velocidad de la manivela en
Se debe realizar una corrección (estabilizar) del equipo pues de no hacerlo se reduciría la eficiencia del sistema.
PROBLEMAS Y SOLUCIONES DEFICIENCIA EN EL MECANISMO DE ANCLAJE.
Se presenta como resultado de un mal funcionamiento en el equipo de anclaje, Se debe llamar al equipo de R.T.P. Para cuya función principal es la de sujetar la que realice una prueba de re-anclaje. bomba con la tubería de producción.
FALTA DE NIVEL DINÁMICO.
Una de las causas que origina esta falla Esto se corrige ajustando la velocidad es demasiadas emboladas en la unidad para obtener las emboladas correctas. de bombeo mecánico.
PROBLEMAS EN EL MOTOR
Se presenta cuando hay una pérdida de fase en las líneas de energía que alimentan al motor.
la principal consecuencia es que el motor se puede quemar, y lo único que se puede hacer es el cambio de motor.
FUGA EN LAS VÁLVULAS (DE PIEY VIAJERA).
Se origina principalmente por un desgaste excesivo del émbolo o barril.
La solución para esta anomalía es mediante la extracción de la bomba para reponer las piezas dañadas.
BIBLIOGRAFIA
CAMPOS MONTAÑO, Orlando, PANCHI ZAPATA, Cristian. Tesis: “Estudio para el cambio de sistema de levantamiento artificial a bombeo mecánico en el campo lago agrio. Escuela Politécnica Nacional.
API. “Design Calculations
for Sucker Rod Pumping Systems (Conventional
Units)”, API Technical Report 11L Fifth Edition, API , June 2008. TAKÁCKS,
PARKO
Gabor. “Sucker Rod Pumping Manual “. 2003.
SERVICES. “Manual de Bombeo Mecánico”.
ECHOMETER.
Software Qrod 3.0.
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