apuntes de Bombeo Hidraulico

Título: bombeo hidráulico Autor: Fe Ferrufino, Fe Fernández, Ji Jimenez, Paco, Vidal

Título Título:: Bombeo Bombeo Hidrá Hidrául ulico ico Auto Autor: r: Ferr Ferruf ufin ino o Vill Villeg egas as Luis Andrez Fernandez Quispe miguel Angel Jimenez Daniel Paco rojas Joaquín Vidal escobar José

avid

Fecha:08/04/2016

Código de estudiante:

01304033

01108657 01107601 01106919 01108348

Asignatura: producción I Carrera: Ingeniería en Gas y petr óleo


Carrera: Ingeniería en Gas

Petróleo

Asignatura Asignatura:: Producció Producción nI Grup Gr upo: o: A Docente: Docente: Ing. Carlos Carlos Cesar Cesar Rojas Periodo Académico: 2016/01

Subsede: Santa Cruz



Índice

Pág.

1. DEF DEFINIC INICIÓ IÓN N .... ...................................................................................................... ....................1 2. TIPOS DE INSTALAC ÓN DE LA BOMBA SUB-SUPERFIC SUB-SUPERFICIAL.. IAL.. ....................3 1.2. Instala Instalacio ciones nes con con bomb bomb fija. ................................................................ .. ....................4 1.3. Instala Instalacio ciones nes con bomb bomba libre. ................................................................ ....................5 1.4 . Instalaciones libres par lelas.................................................................. ....................8 3. CIRCULACIÓN IÓN INV INVE SA.................................................................... ....................9 4. OTRAS INSTALACIO ES.................................................................... ..................10 5. FLUID LUIDO O DE POTEN TENC A........................................................................ ..................11 5.1. Existen dos tipos de sist mas para el manejo del fluido de potencia. potencia. .. ..................13 5.1.1. Sistema Sistema cerrado cerrado ......... ......... ............................................................................ ..................13 5.1.2. 5.1.2. Sistem Sistemaa Abierto Abierto...... ......... ... ............................................................................ ..................15 6. EQU EQUIPO IPO SUPERFIC RFICII L........................................................................ ..................17 6.1. 6.1.

Bomb Bombas as supe superf rfic iciiales ales ............................................................................ ..................17

6.2. 6.2.

Cabez abezal ales es de dist distrribu ibu ión. ......................................................... ................................................................... .......... ..................18

6.3. Cabeza Cabeza de pozo ............. ............. ............................................................................ ..................20 6.3 6.3.

Tanq nque ue de flfluido de p otencia..................................................................................21

7. SIST SISTE EMA PARA UN S LO POZO. ............. ................... ............. .............. .............. ............. ............. ....... ..................23 7.1.

Sistema de levantami nto bombeo hidráulico hidráulico ............. ................... ............. .............. ........... ..................26

7.2 7.2.

Bomba hid hidráuli ulica ..... ............................................................................ ..................28

7.3. 7.3.

Leva Levant ntam amie ient ntoo art artif ific ic ial....................................................................... ..................28

7.4 7.4.

Bomba emb embolo .......... ............................................................................ ..................28

7.5. 7.5.

Varil arilla la de bomb bombeo eo.......... ............................................................................ ..................29


Título: bombeo hidráulico Autor: Ferrufino, Fernández, Jim enez, Paco, Vidal

7.6.

Bomba de balancín ............................................................................... ..................29

7.7.

Petróleo motriz.......... ............................................................................ ..................29

8. SISTEMA DE LEVAN AMIENTO DE BOMBEO MECANICO..... ..................29 9. BOMBEO HIDRÁULI O TIPO PISTÓN............................................ ..................31 9.1.ciclo del bombeo………

………………………………………………

…………35

9.2.

Presiones y fuerzas e las bombas reciprocantes. ................................................38

9.3.

Nivel de fluido ........... ............................................................................ ..................39

10.

LEMVANTACION IDRAULICO TIPO JET................................ ..................39

10.1. Bombas hidráulicas .. ............................................................................ ..................41 10.2. Sistema artificial por bombeo hidráulico ........................................... ..................42 10.3. Capacidades de Func onamiento......................................................... ..................43 10.4. Mecanismo de operaci

nes……………………………………………

……........ 45

11.SISTEMAS COMBINA OS QUE EMPLEAN AL BOMBEO HIDR ULICO...46 11.1.principios básicos del b mbeo Neumático (BN……………………… 12.MODELOS DE ANALIS IS DEL BOMBEO HIDRAULICO TIPO JE 12.1.modelo estándar …… 13.

………………………………………………

…………46 (BHJ)…. 55 ………….57

TIPOS DE SISTEM S DE OPERACIÓN ........................................ ..................58

13.1. SISTEMA ABIERTO E FLUIDO MOTRIZ .................................... ..................58 13.2. SISTEMA CERRAD DE FLUIDO MOTRIZ ................................ ..................61 13.3. SISTEMAS PARA A ONDICIONAR EL FLUIDO MOTRIZ EN LA SUPERFICIE....................... ........................................................................... ..................61 13.4. SISTEMA CENTRA IZADO DE ACONDICIONAMIENTO....... ..................63 13.5. TANQUE DE DECA TACIÓN DE PETRÓLEO MOTRIZ.......... ..................63 13.6. CONSTRUCCIÓN D TANQUE....................................................... ..................64 Asignatura: producción I Carrera: Ingeniería en Gas y petr óleo


13.7. APLICACIONES ..... ............................................................................ ..................64 14.

TIPOS DE SISTEM S DE SUBSUELO ........................................... ..................64

14.1. SISTEMAS DE BOM A LIBRE.......................................................... ..................65 14.2. INSTALACIONES C ASING-LIBRE................................................. ..................66 14.3. EQUIPOS DE SUPE FICIE ............................................................... ..................67 15.

OPERACIÓN............ ............................................................................ ..................68

15.1. LLENADO DEL SIST MA ................................................................ .. ..................68 15.2. POSICIONES DE L S VÁLVULAS ................................................. ..................69 15.3. MOTOR Y BOMBA E FLUIDO MOTRIZ.................................... ..................69 15.4. REGULACIÓN DE LUJO................................................................ ..................69 15.5. REGULACIÓN DEL CONTROL QUE APAGA EL EQUIPO ...... ..................69 15.6. FILTRO CICLÓNICO DE ARENA .................................................. ..................69 16.

ELIMINACIÓN DE ÓLIDOS EN SUSPENSIÓN.......................... ..................70

17. PROBLEMA PROPUE TO……………………………………………


…………71


BOMBEO HIDRÁULICO 1. DEFINICIÓN Un sistema de bombeo hidr ulico, como los que actualmente se ofrecen en el mercado, toma su líquido de un reserv rio de fluido motriz en la superficie, lo pasa a través de una bomba reciprocante múltiplex a pistón en superficie para incrementar la pres ón de líquido, e inyecta el líquido a presión dentro de pozo a través de una sarta de tubería a la bomba de subsuelo que permite llevar la producción junto con el fluido motriz a superfi ie. El Bombeo Hidráulico (BH) es un Sistema Artificial de Producción cuyo fun ionamiento se basa en la inyección de un luido de potencia a alta presión dentro de una bomba subsuperficial en la que se produce la transmisión de energía externa al hidrocarburo proveniente del yacimiento on el fin de obtener producción en superficie. La bomba hidráulica se encarga de con ertir la energía del fluido de potencia en ener ía potencial o presión. La bomba sub-superficial pu de ser de dos tipos principalmente: el primero de ellos es la bomba reciprocante que cons a de dos pistones acoplados, el pistón superior es controlado por el fluido de potencia y el inferior es el encargado de bombear el fluido a producir. El segundo tipo es la bomba jet, la cual convierte el fluido inyectado a alta presión, en un jet a alta velocidad que se mezcla con los hidrocarburos del yacimiento dándole la energía necesaria para llegar a la superficie. Las presiones de operación presentes en este sistema varían entre 2000 lb/pg2 y 4000 lb/pg2, las cuales son ge eradas por medio de bombas triplex o

uintuplex de

desplazamiento positivo cuy fuerza motriz está constituida por un moto eléctrico, de diesel o de gas. Al existir la posibilidad de mezcla entre el fluido de poten ia y el fluido producido, dentro de los ele entos del Bombeo Hidráulico se encuentra u separador en superficie, el cual también se ara el gas libre presente en los fluidos proveni ntes del pozo. El sistema de tratamiento se encarga de regresarle al fluido de potencia las propiedades adecuadas para las condiciones a las que fue diseñado. 1 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


El sistema está complementa o por tanques de almacenamiento de fluido de potencia, de crudo producido y por una serie de ductos que conectan los elementos antes ombrados. En la Fig. 1.1 se puede observar un diagrama con los elementos más important s del Bombeo Hidráulico. El Bombeo Hidráulico funcio a bajo un amplio rango de condiciones: • Profundidad: 300 – 5 000 m. • Producción: <100 bpd – 10

00 bpd.

• El gasto de la bomba de fon o puede ser controlado desde la superficie. • Admite la in yección

de uímicos para el control de corrosión, de parafinas y de

emulsiones, así como la inyec ión de agua para controlar los depósitos de sal. • Se puede utilizar para la pr ducción de crudos pesados, ya sea utilizando crudos ligeros

como fluido de potencia o calentando dicho fluido de potencia para reduci la viscosidad del hidrocarburo que se requi re • Permite ser instalado en pozos desviados ya que no tiene varillas que puedan verse

afectadas por la inclinación d l pozo. • Los equipos de superficie

anejan bajo perfil y se puede instalar un siste a central para

varios pozos, lo cual es bené ico para instalaciones dentro de ciudades o que cuenten con poco espacio.

2 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


A. Tanque de fluido de poten ia. B. Bomba superficial. C. Manifolds de control. D. Válvula de control.

Fig. 1.1 Instalación completa de Bombeo Hidráulico. 2. TIPOS DE INSTAL CIÓN DE LA BOMBA SUB-SUPERFICIA . El elemento principal del equipo subsuperficial en una instalación de BH es precisamente la bomba hidráulica. Es en la bomba donde ocurre el intercambio de energía en re el fluido de potencia y el fluido de producción, con el fin de permitir que el último pu da llegar a la superficie. La bomba subsup rficial del BH puede ser instalada en diferentes arreglos de acuerdo con las características del pozo y con las características del fluido a producir. A continuación se presentan los principales tipos de instalación que se utilizan en pozos con BH. 3 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero

Título: bombeo hidráulico Autor: Ferrufino, Fernández, Jim enez, Paco, Vidal 1.2. Instalaciones con bomba fija.

En la instalación con bomba ija insertada, la bomba subsuperficial se aloja en una zapata de asiento puesta dentro de la tubería de producción. En la Fig. 1.2 se puede bservar cómo el fluido de potencia es dirigi o hacia la bomba a través de una tubería de diámetro menor al de la tubería producción y la mezcla entre los fluidos de potencia y producido, sale a través del espacio anular qu se forma entre la bomba subsuperficial con su respectiva tubería y la tubería de produ ción. El gas es venteado a través del espacio nular entre la tubería de producción y la tubería de revestimiento. La bomba fija en la tubería e revestimiento se sujeta ésta por medio de na cámara de fondo3. Como se observa en la Fig. 1.3, el fluido de potencia entra a través e una tubería hacia la bomba subsuperficial en donde se mezcla con los hidrocarburos del yacimiento y la mezcla se dirige hacia la superficie a través del espacio anular. En este caso, a bomba debe manejar el gas libre que llega con los hidrocarburos, aunque a veces se u a una tubería paralela para ventear el gas, como se puede ver en la Fig. 1.4, y así tener una mayor eficiencia de la bomba. Los rreglos con tubería para bombeo se utilizan para pozos que producen por debajo del punt de burbuja con altas Relaciones Gas – Líquido (RGL).



Fig. 1.2 Arreglo fijo insertado

Fig. 1.3 Arreglo fijo

Fig. 1.4 Arreg o en tubería defijo en TR con revestimient . venteo de ga .

1.3. Instalaciones con bomb libre. La posibilidad de tener instalaciones con bombas libres corresponde

una de las

características más distintiva del Bombeo Hidráulico, ya que permite circ lar la bomba hacia el fondo del pozo, prod cirlo y recuperar la bomba por medio de circulación inversa para reparaciones o para cam ios. Este tipo de instalación cuenta con arreglo especial en el pozo que consta de una zapat de asiento y unos sellos resistentes a la corrosión que actúan como receptáculo para la bomba y permiten alargar la vida del equipo.



En la Fig. 1.5 se muestra el ciclo de una bomba libre, en el que con línea de cero baja una válvula de pie hasta la zapat de asiento. Posteriormente se baja la bomba a través de la tubería del fluido de potencia, haciendo circular éste en su dirección normal, s decir, desde la superficie hacia el pozo. uando la bomba llega al fondo entra a los s llos, inicia su funcionamiento y abre la vál ula de pie, para comenzar con el bombeo, y así la mantiene mientras que haya fluidos del yacimiento llegando a la succión de la bom a. Cuando se quiere sacar la bomba se debe hacer el direccionamiento correcto de válvulas, de tal manera que se invierte el flujo nor al de los fluidos y se aplica presión al pas del flujo de descarga de la bomba, haciendo que se cierre la válvula de pie y que la bo ba pueda ser recirculada hacia la superficie.

Fig. 1.5 Ciclo de bomba libre La instalación con bomba lib e ofrece la ventaja de sacar la bomba sin necesidad de sacar todo el aparejo de producción, por lo que no es necesario un equipo de eparaciones y 6 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


mantenimiento. También permite el monitoreo del pozo por medio de la instalación de sensores en la bomba para realizar diferentes pruebas. Ofrece la posibilidad de realizar acidificaciones u otros tratamientos químicos tan sólo con recircular la bom a y sacar con línea de acero la válvula de pi . La Fig. 1.6 muestra una instalación con bomba libre que tiene un component económico a su favor ya que únicamente tiene una tubería. A diferencia del diseño de bomba fija en la tubería de revestimiento, no se tiene una tubería de diámetro menor par el fluido de potencia, sino que éste viaja a través de la tubería de producción en donde se va a encontrar con la entrada de la bomba. xisten otros arreglos dentro de las instalaciones con bomba libre, que se observan en las Fig. 1.7 – 1.9, que difieren en las tuberías para manejo de gas y para el regreso del fluido de potencia y el fluido producido.



Fig. 1.6 Arreglo con bomba libre.

Fig. 1.7 Arreglo con omba libre.

Fig. 1.8 Arreglo con bomba libre.

Fig. 1. Arreglo con bo ba libre.

1.4. Instalaciones libres par lelas Se utilizan cuando se quiere antener aislada la tubería de revestimiento o se le da especial importancia al venteo de gas. Cuenta con dos sartas de tubería y normalmente no requiere empacador. La Fig. 1.10 mu stra una instalación libre paralela en la que e ve cómo el arreglo de fondo está suspendido en la línea del fluido de potencia y la tra línea está roscada al arreglo de fondo. El espacio anular entre la tubería de produ ción y la de revestimiento sirve para ventear el gas libre proveniente del yacimiento. 8 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Fig. 1.10 Arreglo paralelo

Fig. 1.11 Arreglo con circulación inversa

3. CIRCULACIÓN IN ERSA. Cuando se quiere mantener la tubería de revestimiento aislada del fluid producido y minimizar las pérdidas por fri ción, esta instalación toma en cuenta dichas co nsideraciones. Como se muestra en la Fig. 1.11, el espacio anular es utilizado para llev r el fluido de potencia desde la superficie hasta la bomba y la producción mezclada co el fluido de potencia llegan a superficie

través de la tubería de producción, permitie do así que el 9

Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


gasto de producción sea may r. Una de las consideraciones más importante que se deben hacer a la hora de diseñar u a instalación con circulación inversa, es la re istencia de la tubería de revestimiento, y

menos que se tenga un arreglo paralelo c n circulación

inversa, el fluido de potencia a alta presión que viajará en el espacio anula puede causar problemas de no hacer un buen diseño. Para mantener la bomba en el fondo del pozo durante el bombeo se de e instalar un dispositivo de sujeción, al igual que una herramienta que la libere para cuando sea necesario llevarla a superficie.

4. Otras instalaciones. Cuando un pozo se encuent a produciendo en dos intervalos, rara vez tienen la misma presión, por lo que deben ser producidos de manera separada con el objetiv de evitar que la zona de alta presión afecte la zona de baja presión. Las instalaciones uales constan generalmente de dos bombas subsuperficiales, una para cada intervalo prod ctor, y por lo tanto de dos líneas para fluid de potencia, ya que al tener diferentes presio es se requiere también diferentes fluidos de potencia. En la Fig. 1.12 se muestra una instala ión en la cual el fluido de potencia de la b mba superior entra a través de la tubería de roducción del pozo, mientras que el fluido de potencia de la bomba inferior entra a través de una línea de menor diámetro. Las bombas tándem, como s observa en la Fig. 1.13, consisten en la inst lación de dos bombas en serie (Tándem) p ra doblar la capacidad del equipo, en caso de que una sola bomba no sea suficiente. Las bombas están conectadas físicamente, pero c da uno puede funcionar de manera independiente. Este arreglo no es muy común porque generalmente una bomba alcanza a satisfacer la capacidad del pozo. En pozos costa afuera o dentr de alguna zona urbana se acostumbra a poner na válvula de seguridad entre el empacador y la bomba hidráulica. Dicha válvula se abre con la presión del fluido de potencia, por lo que en caso de algún accidente, se detiene el suministro del fluido de potencia, la válvula se cerrará e impedirá el paso de fluido a través de la tubería de producción y del espacio a ular. 10 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Fig. 1.12 Instalación Dual

Fig. 1.13 Instalación T ndem

5. FLUIDO DE POTE CIA Uno de los puntos clave para el éxito tanto económico como operacional, consiste en tener un fluido de potencia adecuado. La baja calidad, que se refleja primordialmente en alto contenido de sólidos y de gas, contribuye al rápido desgaste de la bomba y por lo tanto al acortamiento de su vida útil. Gracias a lo anterior se requiere un siste a efectivo de



tratamiento para el fluido de potencia y así poder alargar la vida útil de l bomba y del equipo subsuperficial en gene al. El contenido de sólidos permitido para un fluido de potencia depende de m chos factores como el tipo de fluido de pot ncia, su densidad y la concepción que se tenga de la vida útil de una bomba, entre otros. o que se puede definir cualitativamente es q e, en general, entre más pesado sea un aceite usado como fluido de potencia puede s portar mayor desgaste y por lo tanto mayor contenido de sólidos. Monitorear constanteme te el fluido de potencia permite tomar decisi nes para realizar las acciones pertinentes. La elección del tipo de fluido de potencia debe se realiza con base factores como: a. El agua se utiliza más en z nas costa afuera, ciudades y locaciones donde la seguridad y protección ambiental son cla e. Sin embargo, el agua necesita la adición d lubricantes e inhibidores de corrosión, raz n por la cual se usa el sistema cerrado y así se minimiza el tratamiento del agua. b. El uso de agua en sistemas abiertos implica mayor tratamiento, haciendo que aumenten los costos de separación de la mezcla. c. El aceite rara vez representa un gran costo, debido a que es poco comú que necesite aditivos para lubricar. Cuando se usa aceite de alta densidad en pozos co temperaturas muy altas, se puede necesitar de la adición de un lubricante para alargar la vida de la bomba. d. Las bombas subsuperfici les están afectadas por la viscosidad y la capacidad de lubricación del fluido de p tencia. El agua, al no tener esa capacidad, contribuye al acortamiento de la vida útil de la bomba. Las fugas de fluido de potencia en la bomba son función de la viscosidad y son mayores con el agua que con la mayoría de aceites. e. Las pruebas de pozos presentan problemas cuando se utilizar aceite c mo fluido de potencia. El aceite de potencia debe ser medido cuando se inyecta y se pueden producir errores cuando la relación entre el aceite de potencia producido y el aceite producido es grande, al igual que si el pozo produce un gran porcentaje de agua. 12 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


f. Usualmente, la presión requerida por las bombas de superficie es menor cuando se utiliza agua. g. Aunque las bombas hidráulicas trabajan muy bien con crudos viscosos, s han utilizado aceites de mayor densidad A I como fluido de potencia en sistemas abiert s. Lo anterior permite que haya mezcla de dos crudos para diluir el crudo pesado del ya imiento y así facilitar su transporte hacia la superficie. h. En sistemas de alta fricción, como lo es una bomba jet dentro de una tubería de diámetro pequeño, el agua puede incre entar la eficiencia sin importar su baja capaci ad lubricante, ya que la bomba jet no tiene partes móviles.

5.1. Existen dos tipos de sist mas para el manejo del fluido de potencia. 1. El sistema cerrado es aq el en el cual el fluido de potencia no se

ezcla con los

hidrocarburos a producir. 2. El circuito abierto es aquel en el que el fluido de potencia se mezcla con l producción y dicha mezcla regresa a superficie para ser separada.

5.1.1. Sistema cerrado En un sistema cerrado, el fluido de potencia es inyectado al pozo, pone en f ncionamiento la bomba subsuperficial y re resa a la superficie sin mezclarse con la producción, por lo tanto, es exclusivo para instalaciones con BH tipo Pistón (En el BH tipo J t es necesario que los fluidos se mezclen para que haya producción de hidrocarburos). Los sistemas cerrados necesitan de una tubería extra en el pozo para que el fluido de potencia pueda ser circulado hacia la bomba subsuperficial y recirculado hacia la superficie para su tratamiento. Debido a lo ant rior, el sistema cerrado es más caro, motivo por el cual es menos utilizado. En la Fig. 1.14 se muestran las instalaciones superficiales ara el sistema cerrado y se puede ver que el tanque del fluido de potencia es relativamente pequeño, haciendo que este sistema sea preferido en instalaciones costa afuera y en ciu ades donde el espacio es un factor determin nte.



El fluido de potencia más u ilizado en el sistema cerrado es el agua por ue representa menores riesgos para la seg ridad de los trabajadores y menor impacto mbiental. Sin embargo, se debe agregar lubricantes, inhibir contra la corrosión y remover todo el oxígeno, aumentando los costos operativos. En la mayoría de los casos, l bomba es lubricada con el fluido de potencia una pequeña parte de éste gotea premedita amente hacia la producción. Dicha pérdida de luido debe ser subsanada con fluido limpi en la superficie. El tanque de fluido de otencia es el encargado de remover todas las partículas abrasivas del fluido de potenci que va a ser circulado hacia el pozo.

Fig. 1 .14 Inst lación superficial para un Sistema Cerrado Se podría pensar que el fluid de potencia debe permanecer completamente limpio durante el ciclo de bombeo porque ser un sistema cerrado, en el que no debe haber inguna fuente de contaminación. Sin embar o, los siguientes factores ayudan a entender la ontaminación que sufre el fluido de potencia: 14 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


a. El tanque de fluido de po encia no remueve en un 100% las partículas el fluido que llegan a él. b. El fluido de potencia es un poco corrosivo y los productos de la corrosión son abrasivos. c. Cuando un fluido que contiene sólidos, aunque sea un pequeño porcentaje de sólidos, se filtra por un espacio muy pe ueño pero largo, como en una bomba de fon o, los sólidos tienden a ser retenidos. Esto significa que el fluido que sale de la ranura c ntiene menos sólidos que el que trata de entrar. Entonces, la tendencia es perder fluido li pio y retener partículas en el circuito del fl ido de potencia. Es de gran importancia hacer un diseño adecuado del sistema, en el que al menos parte del fluido de potencia recircul do sea limpiado de manera continua en el tanque de asentamiento del fluido de po encia.

5.1.2. Sistema Abierto. En el sistema abierto, los fluidos de potencia y de producción se mez lan, haciendo necesario la instalación de instalaciones de separación y limpieza en superficie. A diferencia del sistema cerrado, el sistema abierto únicamente necesita de la tubería de producción a través de la cual se hará pasar el fluido de potencia y del espacio anular entre ésta y la tubería de revestimiento para que la mezcla entre la producción y el fluido de potencia salga a superficie.

na vez en superficie, el sistema abierto es

uy similar al

sistema cerrado, como se puede observar en la Fig. 1.15. Cuando se utili a agua como fluido de potencia, se debe a regar constantemente lubricantes, inhibidores e corrosión y eliminadores de oxígeno por ue al mezclarse con la producción, los aditivos de pierden haciendo que el costo se eleve.



Fig. 1.15 Inst lación superficial para un Sistema Abierto La simpleza de este sistema

el menor costo que implica, en comparación on el sistema

cerrado, hace que sea el más utilizado en instalaciones con BH. En pozos c n altos cortes de agua, que tienden a sufrir de corrosión, se acostumbra utilizar aceite c mo fluido de potencia con el fin de reducir el corte de agua y por ende la corrosión en el pozo. Otra ventaja que se tiene en instalaciones abiertas es el uso de aditivos que pue a necesitar el pozo como lo son los inhibi ores de corrosión. Además, el uso de aceites ligeros como fluido de potencia en este sist ma permite la producción de aceites con baja densidad API y alta viscosidad, ya que cuand se mezclan los fluidos, dicha mezcla adquiere características de densidad y de viscosidad q e le permiten llegar a la superficie4. Una desventaja del sistema abierto respecto al sistema cerrado es el inc emento en el volumen del fluido a tratar e superficie. La mezcla de fluidos que regresa a la superficie debe ser separada de tal m nera que la producción sea dirigida hacia l s tanques de almacenamiento y el fluido e potencia sea enviado a su respectivo tanqu en donde es 16 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


tratado y adecuado de acuer o con las características propias de diseño de la operación. También es necesario contar con sistemas de control para enviar la cantida adecuada de fluido producido hacia tanqu s de almacenamiento y la cantidad adecuada hacia el tanque de fluido de potencia. El fluido de potencia se debe limpiar de manera óptima con el fin de prolongar la vida de todo el equipo con el que está en contacto al máximo. Sin embargo, cuando se tienen arreglos con bomba subsupe ficial libre, se le puede dar menor tratamiento al fluido de potencia (lo cual recae en la instalación de menor cantidad de equipos superficiales para tratamiento y por lo tanto en enor inversión), para simplificar la limpieza d este fluido, a cambio de la disminución e la vida útil de la bomba, que puede se reemplazada fácilmente en dicho arreglo c n bomba libre.

6. EQUIPO SUPERFI IAL 6.1. Bombas superficial s Las bombas superficiales se iseñan para el uso de alta presión y bajos gast s para reducir la fricción e incrementar la capacidad de bombeo y la eficiencia del sistema. Las presiones en superficie oscilan entre 2000 lb/pg2 y 4000 lb/pg2, teniendo las may res en pozos profundos4 y los gastos del fluido de potencia van desde unos cientos de barriles por día hasta más de 3000 bpd. Ge eralmente, las bombas usadas en instalacion s de Bombeo Hidráulico presentan proble as cuando manejan presiones por debajo del rango indicado anteriormente, lo que puede uceder en instalaciones para un solo pozo. Las bombas más utilizadas enla industria son bombas tríplex o quíntuplex de desplazamiento ositivo, como la que se muestra en la Fig. 1. 17. Las bombas son diseñadas de acuerdo con las características del fluid de potencia seleccionado. Para alta presi n y uso de aceite, estas bombas utilizan tubería y pistones metal – metal y válvulas de tipo bola, componentes que requieren poco

antenimiento.

Cuando se utiliza agua, las b mbas cuentan con pistones y tubería con empacamiento. Los elementos extras que utiliza son una válvula de alivio, manómetros e interruptores de



seguridad. La mayoría de bo bas superficiales son montadas en un patín y usan motores eléctricos o de gas.

Fi . 1.17 Bomba superficial Triplex 6.2. Cabezales de distri ución. Estos dispositivos se usan cuando varios pozos utilizan Bombeo Hi ráulico y la alimentación del fluido de p tencia se hace desde una batería central. Lo cabezales se encargan de distribuir el fluido de potencia hacia cada pozo y la producción de cada pozo hacia el tanque correspondiente. Los cabezales se disponen en secciones modulares, como se puede ver en la Fig. 1.18 d tal manera que se pueden agregar o quitar fácilmente.



F g. 1 .18 Cabezal de distribución Los cabezales cuentan con v lvulas de control que regulan la presión en la zona común a todos los pozos, dicha presión es un poco mayor a la presión más grande requerida por cualquier pozo con el fin de antener el funcionamiento de las válvulas de control de cada pozo. Para el Bombeo Hidrá lico tipo Pistón se utilizan válvulas de flujo onstante para regular la cantidad de fluido de potencia para cada pozo, mientras que en el tipo Jet, se utilizan válvulas de presión c nstante. Se adicionan también manómetros par cada pozo. Las funciones principales de los cabezales se pueden resumir en las siguiente : a. Distribuir el fluido de potencia para cada pozo. b. Regular el gasto de fluido de potencia para cada pozo. c. Proveer un medio para la medición de flujo hacia cada pozo. d. Proveer un medio para la medición de la presión en cada pozo. e. Proveer un medio para corr r tapones solubles en las tuberías de superficie. f. Proveer una válvula manual o automática para controlar la presión y desvi r el exceso de fluido de potencia. 19 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


6.3. Cabeza de pozo Las características particulares de la cabeza de los pozos con BH se definen con base en el tipo de bomba subsuperficia que tenga la instalación. Cuando el pozo c enta con una bomba fija, el árbol de válvulas cuenta con una tubería asilada para el transporte del fluido de potencia y para evitar que ste se mezcle con el fluido producido4. Los sistemas abiertos utilizan válvulas de 4 vías o de control de cabeza de pozo, como se observa en la Fig. 1.19. Esta válvula se ubica en la cabeza de pozo y su función es proveer difere tes modos de operación. Para circular la bo ba subsuperficial, se dirige el fluido de poten ia a través de la tubería de producción. El fluido de potencia inicia su misión ya que la bomba se encuentra en el fondo del pozo y asentada en la válvula de pie. Para saca la bomba, el fluido de potencia se dirige a través del espacio anular para desanclar la bo ba y llevarla hacia la superficie. Cuando la bomba está en la cabeza del pozo, la bom a se pone en posición de “bypass” permitiendo que la bomba pueda ser removida y ree plazada. Las

funciones anteriores se logran simplemente al cambiar la posición de la válvula.

Fig. 1 .19 Válvula de 4 vías

Fig. 1 .20 Válvula de control de flujo constante 20



La mayoría de sistemas inclu en una válvula de presión constante que manti ne la carga en la presión de descarga en la bomba superficial a través del desvío del exceso de fluido. Estas válvulas funcionan bajo el principio de una fuerza de resorte ajustable en un arreglo pistón – válvula compensado or presión. Si la presión aumenta en el lado de alta presión, el cual está controlado por los ca bios de carga en el sistema, las fuerzas de presión en las diferentes áreas dentro de la válv la provocarán la apertura de la válvula y la esviación de más fluido, restaurando la presión definida. En los sistemas para Bombeo Hidráulico tipo Jet las válvulas de presión constante comúnmente son las únicas v lvulas de control en superficie. Para sistemas de Bombeo Hidráulico tipo Pistón se utilizan válvulas de c ntrol de flujo constante, como la que se

uestra en la Fig. 1.20. La bomba subsuperficial se puede

mantener a una carrera const nte si el gasto del fluido de potencia se mantiene constante. La válvula se diseña para pro eer la cantidad de fluido de potencia adecuada a pesar de las fluctuaciones que pueda hab r en la bomba subsuperficial debido a algún ambio en las condiciones del pozo. Debid a que esta válvula no desvía el flujo, se d be utilizar en conjunto con un controlador de presión constante en el lado de mayor presión.

6.3. Tanque de fluido d potencia El tanque de almacenamiento de fluido de potencia es un elemento de suma importancia en una instalación con Bombeo idráulico. Debido a que el fluido de potencia se encarga de hacer que la bomba subsup rficial funcione, ya sea tipo Pisto o tipo Jet, es necesario asegurarse que en todo mo ento se cuenta con el volumen suficiente y on la calidad requerida de fluido. Según sea el sistema de fluido de potencia, es decir, abierto o cerrado, el ta que de fluido de potencia tendrá mayor o

enor tamaño, respectivamente, y los sistemas de limpieza y

separación de fluidos se adec arán a las necesidades del fluido. 21 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Uno de los diseños más utilizados para el tanque del fluido de potencia del sistema abierto se muestra en la Fig. 1.21. El aceite proveniente del pozo entra al separador de gas con el objetivo de que sea removid el gas que quedó después de pasar por los s paradores. La sección superior del separado de gas debe ser de 36’’ para que sea lo más e ectivo posible y evitar que el aceite pase a la línea de gas. Una vez el aceite está libre de gas entra al fondo del tanque. El tanque utiliza un esparcidor con el propósito de reducir la velocidad del fluido entrante distribuyéndol en toda el área, lo que permite además que el anque se llene de manera más uniforme. En el punto medio vertical del tanque, la producción se extrae a través de una línea que mantiene el tanque lleno. Desde el punto medio hacia la parte superior, el asentamiento del fluido de potencia se lleva a cabo. Los s lidos livianos asentados se llevan junto con la producción a los tanques de almacenamient mientras que las partículas pesadas se asientan en el fondo del tanque y se remueven perió icamente.

Fig. 1.21 Tanque de fluido de potencia para un Sistema Abierto En el caso del sistema cerrad , el tanque de fluido de potencia es un poco más simple, por lo tanto, sus costos de insta ación y de mantenimiento son menores. Cuando se tienen problemas por espacio en la instalación, el tanque del sistema abierto que es más pequeño, 22 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


representa una solución4. Así mismo, se puede decir que en un siste a cerrado, la medición de fluidos en el tan ue es más controlada y en consecuencia es más exacta ya que el fluido de potencia y el de p oducción no se mezclan4. Cuando se usa agua como fluido de potencia, se pueden utilizar filtros para la limpieza de ésta que remueven partículas hasta de 10 μm, además de que el tamaño del tanque de almacenamiento de fluido de otencia se reduce considerablemente. Cuando e usa aceite el método más efectivo para la limpieza del aceite, requiere que el tanque de as ntamiento sea lo suficientemente grande para mantener la velocidad del aceite por debajo d 1 pie/hr para densidades menores a 30 °AP y por debajo de 2 pie/hr para densidades mayores a 30 °API.

7. SISTEMA PARA U SOLO POZO. Una planta de poder para un pozo está compuesta por todos los componen es necesarios, instalados cerca o en el pozo, para cumplir con todas las funciones que se ll van a cabo en un sistema de batería central para varios pozos. El sistema para un s lo pozo está compuesto por un separador as-líquido, separadores centrífugos para quitar los sólidos del fluido de potencia, una bom a superficial y por supuesto, un tanque de al acenamiento para la producción o, en su d fecto, tuberías que lleven la producción hacia una central de almacenamiento para que así se permita la operación continua del sistema. Los sistemas para un pozo son utilizados, comúnmente, en pozos aislados o en peras en las que el espaciamiento es muy amplio. Los componentes de estas u idades se montan en uno o dos patines, haci ndo que sean portables, que requieran poc trabajo en su instalación y eliminando la necesidad de una larga planeación como la qu se hace en una central para varios pozos. Generalmente, el mayor trabajo que exige la in talación de uno de estos sistemas es la instalación de la línea del fluido de potencia a la ca eza de pozo y la conexión de la tubería de salida del tanque de almacenamiento hacia la tubería perteneciente a la red de transporte. Generalmente estos sistemas funcionan con arreglos abiertos, es decir, existiendo mezcla entre el fluido de potencia y los hidrocarburos producidos. Sin embargo, e isten algunos diseños que trabajan con arreglos cerrados, permitiendo que la producción neta vaya 23 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


directamente a la red de tran porte y que el fluido de potencia sea recirculado. El arreglo cerrado facilita la realización de pruebas de pozo y evita el incremento en la carga en el sistema de tratamiento en la b tería. En la Fig. 1.22 se observan un modelo de unidad de potencia para un pozo. Los diferentes diseños que existen para estos sistemas comparten ciertas características bá icas, y tienen ciertas variaciones entre sí de endiendo del fabricante. Estas unidades deben proveer fluido libre de gas a la bomba supe ficial, proveer medio para la elección de aceit o agua como fluido de potencia, remover l s sólidos del fluido de potencia y ofrecer cap cidad en caso de un incremento de nivel par circular la bomba subsuperficial después de alguna falla

Fi . 1 .22 Sistema para un solo pozo Cuando se produce con est tipo de unidades, la mezcla del fluido de potencia y la producción proveniente del p zo entran al tanque donde sufren un proceso de separación de aceite, gas y agua. El gas libr se libera a presión del tanque hace la línea con un sistema de venteo que asegura una capa e gas dentro del tanque en todo momento. El agua y el aceite se separan en el tanque y de endiendo del diseño, se dirige cierta cantidad de fluido para que sirva como fluido de po encia. El fluido de potencia pasa a través del al menos un desarenador ciclónico para que sean removidos la mayor cantidad de sólidos posibles y así 24 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


pueda entrar a la bomba su erficial donde es represionado para ser inye tado al pozo. Cualquier exceso en la salida de la bomba es direccionado hacia el tanque de almacenamiento. El flujo inferior de los dasarenadores contiene una gran co centración de sólidos que es descargada hacia la red de transporte o hacia el tanque. Cuand el sistema se estabiliza en el fluido de pote cia seleccionado, el aceite, agua y gas produci os se mandan a través de la tubería que sale del tanque, el cual se mantiene a una presión por encima de la presión de la tubería. La elección del fluido de pot ncia afecta directamente en los puntos a parti de los cuales salen las diferentes líneas del tanque de almacenamiento, con el fin de que la producción salga hacia la red de transpor e y el fluido de potencia sea redireccionado ha ia el pozo. Si la succión de la bomba superficial se encuentra en la parte bajar del tanque y la salida hacia la red de transporte en la part alta, el agua tenderá a acumularse en la parte aja del tanque y será el fluido de potencia. En el caso contrario, el aceite se acumulará en la parte baja del tanque de almacenamiento y será el fluido de potencia. La limpieza del fluido de p tencia se hace por medio de desarenadores iclónicos que requieren una diferencial de presión a través de ellos. El camino que sigue el fluido dentro del desarenador se muestra n la Fig. 1.23, entrando por la boquilla de alimentación y dirigiéndose hacia la parte baja del cono con un flujo en forma de espiral. L conservación del momento angular dicta q e la velocidad rotacional del fluido incremente a medida que el radio de curvatura disminuye. Cuando el fluido cuenta con alta velocidad rotacional, es limpiado por medio de fuerza centrífuga. El fluido limpio asciende a través del núcleo del vórtice hacia la salida del d sarenador, mientras que el fluido sucio sale a través de la boquilla de la parte inferior. xisten diferentes tamaños de desarenadores, siendo los más pequeños aquellos que tienen menores gastos pero mayores eficiencias de limpieza.



ig. 1 .23 Desarenador ciclónico 7.1. Sistema de levanta iento bombeo hidráulico Una bomba hidráulica es un dispositivo tal, que recibiendo energía mecánica de una fuente exterior, la transforma en una energía de presión transmisible de un lugar a otro de un sistema hidráulico a través d un líquido cuyas moléculas estén sometidas recisamente a esa presión.Los sistemas de b mbeo hidráulico proporcionan una flexibilidad extraordinaria en la instalación y capacid d de funcionamiento para cumplir una amplia gama de requerimientos de extracción rtificial. La instalación de la potenci superficial puede ponerse en un lugar centra para servir a pozos múltiples, o como una nidad conveniente montada sobre patín localiz da en el lugar del pozo individual.



El requerimiento de equipo mínimo en el cabezal del pozo acomoda de cerca el pedestal de perforación espaciado de cerca, o las terminaciones de plataforma,

sí como los

requerimientos superficiales de perfil bajo. El bombeo hidráulico se basa en un principio sencillo: “La presión eje cida sobre la

superficie

de

un

fluido se

transmite

con

igual

intensidad

e

todas

las

direcciones”.Aplicando este p incipio es posible inyectar desde la superficie n fluido a alta

presión que va a operar el pi tón motor de la unidad de subsuelo en el fondo del pozo. El pistón motor esta mecánicam nte ligado a otro pistón que se encarga de bo bear elaceite producido por la formación. Los fluidos de potencia más utilizados son gua y crudos livianos que pueden provenir el mismo pozo.

Ventajas -Pueden ser usados en pozos rofundos (+/- 18000 pies). -No requieren taladro para re over el equipo de subsuelo. -Puede ser utilizado en pozos desviados, direccionales y sitios inaccesibles. -Varios pozos pueden ser con rolados y operados desde una instalación centraldecontrol. -Puede manejar bajas concentraciones de arena.

Desventajas -Costo inicial alto -Las instalaciones de superficie presentan mayor riesgo, por la presencia de altas presiones. -Altos costos en la reparación del equipo. -No es recomendable en pozo de alto RGP. -Problemas de corrosión. -El diseño es complejo. 27 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Teóricamente el bombeo hidráulico aparece como la solución a todo tipo deproducción artificial de pozos petroleros. Sin embargo, factores prácticos, comoconta inantes en el aceite, arena, agua y sólidos en suspensión, depositación deparafinas en las tuberías y en general el excesivo costo de tratamiento particularmentecuando la producción posee alto corte de agua hacen que su atractivo sea menor.

7.2. Bomba hidráulica Sistema de levantamiento artificial que funciona con una bomba de fondo de pozo. Una bomba hidráulica de superficie presuriza el petróleo crudo llamado petról o motriz, que hace funcionar la bomba in erior. Cuando se utiliza una sola sarta de roducción, el petróleo motriz se bombea acia abajo por la tubería de producción y s produce una mezcla del petróleo crudo de la formación y el petróleo motriz, a través del spacio anular comprendido entre la tubería e revestimiento y la tubería de producción. Si se utilizan dos sartas de tuberías de produc ión, el petróleo motriz se bombea a través e una de las tuberías y la mezcla de petróleo crudo de la formación y petróleo motriz se produce en la otra tubería paralela.

7.3. Levantamiento artificial Cualquier sistema que agrega energía a la columna de fluido de un pozo con el objetivo de iniciar y mejorar la producci n del pozo. Los sistemas de levantamiento artificial utilizan una diversidad de principios e operación, incluidos el bombeo mecánico, el levantamiento artificial por gas y las bombas eléctricas sumergibles.

7.4. Bomba embolo Un sistema de bombeo para operaciones de levantamiento artificial que utiliza una fuente de energía de superficie para ccionar un arreglo de bomba de fondo de pozo. Un arreglo de balancín y manivela genera un movimiento alternativo en una sarta de varillas de bombeo que se conecta al arreglo de bomba de fondo de pozo. La bomba contiene un arreglo de pistón y válvulas para conve tir el movimiento alternativo en movimiento ertical de los fluidos. 28 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


7.5. Varilla de bombeo Una varilla de acero que se utiliza para enroscar el arreglo mecánico entre lo componentes de superficie y los componen es de fondo de pozo de un sistema de bombeo mecánico. Las varillas de bombeo tienen una longitud comprendida entre 7 y 9 m [ 25 y 0 pies] y son roscadas en ambos extremos ara permitir correr y recuperar con facilidad lo componentes de fondo de pozo.

7.6. Bomba de balancín Un sistema de bombeo para peraciones de levantamiento artificial que utiliza una fuente de energía de superficie para ccionar un arreglo de bomba de fondo de pozo. Un arreglo de balancín y manivela genera un movimiento alternativo en una sarta de varillas de bombeo que se conecta al arreglo de bomba de fondo de pozo. La bomba contiene un arreglo de pistón y válvulas para conve tir el movimiento alternativo en movimiento vertical de los fluidos.

7.7. Petróleo motriz En bombeo hidráulico, petróleo crudo que se presuriza en superficie para d r energía a la bomba de fondo.

8. SISTEMA DE LEV NTAMIENTO DE BOMBEO MECANICO El bombeo mecánico conven ional, es el método artificial de levantamiento más común y antiguo del mundo, el cual c nsiste principalmente en una bomba des subs elo de acción reciprocante abastecida por e ergía, la cual proviene de un motor eléctrico o e combustión interna. El método de bombeo mecáni o convencional, es una herramienta muy simpl y efectiva en las condiciones apropiadas para su funcionamiento y ha sido un fiel aliado del ser humano en su búsqueda y extracción por el muy preciado petróleo. 29 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Sin embargo, los retos que s presentan en la industria con yacimientos m s profundos o con características diferentes, nos obligan a utilizar otros métodos de leva tamiento para poder obtener el mayor beneficio del yacimiento encontrado. Este tipo de levantamiento gr cias a su simplicidad es posible usarlo en casi cualquier tipo de pozo que requiera de l vantamiento, sin embargo tiene límites físicos como la profundidad y volumen a levantar. El bombeo mecánico es un procedimiento simple de succión y transferencia casi continua del petróleo hasta la superficie, el cual tiene su principal aplicación en la extracción de crudos pesados y extra pesad s, pero también se llega a utilizar en la produc ión de crudos medianos y livianos. Este como cualquier otro mét do de levantamiento tiene sus ventajas y desve tajas.

Ventajas: El diseño es poco complejo. El sistema es eficiente, simple y fácil de operar por el personal de campo. Es aplicado en crudo pesado altamente viscoso. Puede utilizar combustible o electricidad como fuente de energía. El equipo puede ser operar a t mperatura elevadas. Permite variar la velocidad d embolada y longitud de carrera para el control de la taza de producción.

Desventajas: La efectividad del sistema pu de verse afectada severamente por la presencia del gas. La presencia de arenas ocasio an el desgaste severo del equipo. 30 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Requiere altos costos y mantenimiento. Posee profundidades limitada . El equipo es pesado y ocupa ucho espacio. La taza de producción declinan rápidamente. El método de bombeo mecáni o convencional, es una herramienta muy simpl y efectiva en las condiciones apropiadas para su funcionamiento y ha sido un fiel aliado del ser humano en su búsqueda y extracción por el muy preciado petróleo. Sin embargo, los retos que s presentan en la industria con yacimientos m s profundos o con características diferentes, nos obligan a utilizar otros métodos de leva tamiento para poder obtener el mayor beneficio del yacimiento encontrado.

9. BOMBEO HIDRÁU ICO TIPO PISTÓN La producción de petróleo requiere el consumo de energía para levant r el fluido a superficie; esta energía puede ser suministrada inicialmente por el mismo ya imiento (flujo natural), pero a medida que la presión declina, se hace necesario sumi istrar energía externa (métodos de levanta iento Artificial). En cuanto al bombeo hidráulico, su misión, es la de transformar la energía mecánica suministrada por el motor de arrastre (eléctrico o de combustión Interna) en en rgía oleo hidráulica. Dicho de otra manera, una bomba debe suministrar un caudal de aceite a una determinada presión. En el bombeo hidráulico la energía se transmite por un fl ido a alta presión.Bombeo Hidráulico Tipo Pistón El bombeo hidráulico, como ualquier otro sistema artificial de producción es introducido al pozo cuando la energía natural de éste no es suficiente para que pueda fluir de man ra Económicamente óptima o rentable a un gasto de producción deseado, or lo que es necesario



Restaurar una presión adec ada proporcionando energía adicional por

edio de este

sistema para poder elevar los fluidos asta la superficie manteniéndoles una determin da presión. El bombeo hidráulico tipo pistón consiste de un sistema integrado de equipo superficial (motor y bombareciprocante) acoplad a una tubería conectada al pozo; este eq ipo transmite potencia a una unidad instalada a una determinada profundidad (pudiendo ser ésta el f ndo del pozo) mediante acción hidráulica. El flujo de fluido motriz iny ctado acciona este equipo subsuperficial, consistente de una bomba y un motor como elemento principales que impulsan el fluido de la f rmación a la superficie, manteniéndoles una presión a ecuada. Las características más impor antes de este sistema artificial de producción son: 1. Puede alcanzar mayores p ofundidades que otros sistemas. Debido a la lexibilidad de este sistema ha permitido la explotación de pozos a profundidades hasta de 18000 pie. 2. La bomba subsuperficial se puede recuperar fácilmente. Una de las ventaja del bombeo hidráulico es la facilidad con que se instalan y recuperan las bombas s bsuperficiales (Bomba tipo libre).



Para recuperar una bomba, la irculación se invierte en la sarta de producción, a fin de desanclarla de su asiento. A continuación se circula por la sarta del retorno del fluido motriz (o por el espacio anular) para llevarla a la superficie, donde cae en un receptá ulo para su correspondiente cambio. Para introducir una bomba la operación se efectúa a la inversa. 3. Buena flexibilidad de gastos de producción. La instalación de este tipo de bombeo es ideal cuando se tienen a gran profu didad, a baja presión y bajas relaciones gas-ac ite, grandes volúmenes de fluido por prod cir (hasta 5000 bl/día). 4. Puede operar en pozos dire cionales. Es el sistema artificial de producción mas indicado para operar en pozos direc ionales, a diferencia del bombeo mecánico convencional, bombeo neumático o electrocentrífugo, los cuales presentan ciertas desventajas. 5. Control del sistema de varios pozos desde un punto único. Desde ese pun o, el operador puede: a) Cerrar o abrir uno, cualquiera o todos los pozos, o la combinación deseada de pozos. b) Graduar la velocidad de la omba en cada pozo. c) Medir la velocidad de la bomba en cualquier pozo. 6. Fácil adición de inhibid res. Debido al estricto control del fluido

otriz, pueden

agregársele a éste, toda clase de inhibidores que sea necesarios en la superficie. 7. Manejo de crudos pesados. Esto estará en función de la capacidad de la bo ba 33 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


subsuperficial y de su eficiencia. Pero dado el amplio rango de bombas subsu erficiales existentes, el manejo de flui os de alto peso específico puede ser factible sin disminuir losritmos de producción preestablecidos. Uno de los principales elem ntos del Bombeo Hidráulico en general es el fluido motriz (aceite o agua). Dicho fluido tiene como función la de proporcionar la energía necesaria para accionar el motor de la unidad de producción y además lubricar todas las part s del sistema.

Las características más imp rtantes que deberá poseer el fluido motriz s n: a) Fluido limpio. Debido a qu el fluido motriz estará en contacto con las partes del equipo superficial y subsuper icial, es recomendable que este no contenga impurezas que puedan, provo ar problemas subsecuentes, tales como: corrosión, y/o abrasión de la tubería de i yección, obstrucción de las tuberías o mal funcionamiento del motor. b) Contenido de sólidos míni o. Es necesario que el tipo de fluido que se elija o Seleccione como fluido motri , no contenga más de 20 p.p.m. de sólidos, el t maño de las partículas sólidas no de erá exceder a 15 micrones y el contenido de sal no ser mayor de 12 lb/1000 bl. d aceite. c) Baja Viscosidad. Esta cara terística será uno de los factores para poder ele ir el tipo bomba superficial, ya que si el fluido motriz es sumamente viscoso, la presió de descarga requerida para la bo ba deberá ser sumamente alta para moverlo, p r lo que se necesita que la viscosi ad sea la más baja posible. 34 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


d) Alto poder de lubricación. sta característica es debida a que el fluido mot iz estará en contacto directo con todas as partes mecánicas del motor superficial y por lo tanto tendrá como función la e lubricar cada una de las partes ue constituyen dichomotor.

El bombeo hidráulico se basa en un principio sencillo: Ley de Pascal, la cual xpone que La presión ejercida sobre la superficie de un fluido se transmite con igual intensidad en todas 35 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


las direcciones´. Así se trasmite presión desde un equipo de bombeo entralizado o individual en la superficie a través de una tubería llena de líquido, hasta cualquier número de pozos petroleros. Aplicando este principio es posible inyectar desde la superficie un fluido a alta presión que va a operar el pistón motor e la unidad de subsuelo en el fondo del pozo. Este fluido conocido como fluido de pot ncia o fluido motor, es utilizado por una bomba deBombeo Hidráulico subsuelo que actúa como un transformador para convertir la en rgía de dicho fluido a energía Tipo Pistón potencial • Apropiado para pozos profu dos. Hasta 18000’. • Excelente en pozos desviados. • Buena flexibilidad a los cau ales de producción. • Aplicable a procesos automatizados. • Fácil remoción de la bomba para efectuar limpieza. • Facilita la inyección de quí icos. • Requiere gran cantidad de a

eite en el sistema de energía.

• Los costos de instalación y quipos son muy altos. • No es fácil localizar daños n el equipo. Bombeo Hidráulico Tipo Pistón

9.1. Ciclo de bombeo. El fluido de potencia inyect do a alta presión es dirigido hacia la parte alta del pistón, mientras que el fluido agotad es dirigido hacia la válvula del motor a través de la cual es descargado. Cuando el pistón alcanza el final de la carrera descendent , el diámetro reducido en la parte alta de la varilla de la válvula permite que el fluido a alt presión entre por debajo de la válvula, como se observa en la Fig. 1.25. Debido a que la v lvula tiene un diámetro mayor en la parte ba a, ésta se moverá hacia arriba. 36 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Una vez que la válvula del m tor se encuentra en la parte superior, como en a Fig. 1.26, el flujo hacia el pistón se invier e iniciado la carrera ascendente. Cuando el pi tón finaliza la carrera ascendente, como se e en la Fig. 1.27, el diámetro reducido cerca de la parte baja de la varilla de válvula, cone ta el área bajo la válvula a la descarga zona de baja presión del motor. Teniendo alta pre ión en la parte alta de la válvula y baja presión en la parte baja, la válvula se moverá a s posición inferior y el ciclo inicia de nuevo.

Fig. 1 .25 Fin de carrera descendente del motor

Fig. 1 .26 Carrera asce dente del motor

En la Fig. 1.28 se observa la arrera descendente de la bomba. Este tipo de bomba bombea fluido tanto en la carrera descendente como en la carrera ascendente. Las fle has en la Fig. 1.28 indican la entrada de los hidrocarburos en el lado izquierdo de la bom a, llenando la parte superior del cilindro,

ientras que el fluido que se encuentra deba o de éste, es

descargado a través de la válvula check que se encuentra en el lado derecho d la bomba. Gracias a que el motor y la b mba se encuentran unidos, la longitud de la ca rera puede ser controlada de una manera pr cisa. Poder controlar con precisión la longitu de la carrera 37 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


permite que el volumen que queda sin bombear dentro de la bomba sea muy pequeño, obteniendo así altas relacio es de compresión. Las altas relaciones de ompresión se traducen en alta eficiencia v lumétrica aun cuando hay presencia de gas y evitan que se genere candado de gas. Las válvulas del motor y s mecanismo de apertura incluyen controles que permiten cambios suaves y limitan la velocidad del pistón cuando la bomba no se llena completamente, ayudando a

inimizar el golpe de fluido. De esta manera, lo golpes de

carga en la bomba y los golpes de ariete en las tubería son suavizados, reduciendo los esfuerzos y aumentando la vi a útil de los equipos.

Fig. 1 .27 Fin de carrera as cendente del motor

Fig. 1 .28 Carrera descendente de la bomba

9.2. Presiones y fuerzas en las bombas reciprocantes. El funcionamiento de una bo ba reciprocante depende de una presión que ac úa sobre el las caras del pistón generar fu rzas, y de velocidades de fluido lo suficientem nte bajas 38 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


como para que los efectos dinámicos puedan ser considerados despreciables. n fluido a alta presión ejerce una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente que l contiene y sobre éstas. Si el contenedor presurizado consiste de un cilindro cerrado de u o de sus extremos y en el otro equipad con un pistón móvil, como el que se muestra en la Fig. 1.29, una fuerza se aplicará al pistó para resistir la fuerza aplicada por el fluido a resión. Se necesita una fuerza de 1000 l f contener un pistón con una sección transversal de área 1 pg2 si la presión en el cilindro es 1000 lb/pg2. =

… (1.1)

Donde : Fuerza, lbf : Presión, lb/pg2 : Área, pg2 La condición anterior permite el equilibrio estático para el pistón cuando todas las fuerzas están balanceadas y no existe ningún movimiento. Cuando se supone una tub ría conectada en el extremo del cilindro que estaba cerrado, como en la Fig. 1.30, y una bo ba que provee fluido a un gasto de 1 g2/s, mientras se mantiene la presión a 1000 lb/pg2, el pistón se moverá a una rapidez constante de 1 pg/s contra la fuerza de 1000 lbf. En l condición de equilibrio dinámico expuesta nteriormente, el sistema ejerce trabajo ya que éste se defina como fuerza por distancia (Ec. 1.2). =

… (1.2)

Donde : Trabajo, pg-lbf. : Distancia, pg



Fig. 1 .29 Presión y fuerza n un arreglo estático pistón – cilindro

Fig. 1 .30 Presión, fuerza y flujo en un arreglo dinámico pistón cilindro

9.3. Nivel de fluido Una bomba hidráulica de pr ducción consta de un acople entre el motor y la bomba. La unidad es instalada debajo del nivel del fluido a extraer. MOTOR BOMBABombeo Hidráulico

10. LEMVANTACION IDRAULICO TIPO JET El bombeo hidráulico tipo je es un sistema artificial de producción especial, a diferencia del tipo pistón, no ocupa partes móviles y su acción de bombeo se realiza por medio de transferencia de energía entr el fluido motriz y los fluidos producidos. Las bombas jet operan bajo el principio de

enturi. Fig. 7.1. El fluido motriz a alta presi n entra en la

tobera de la bomba, la presió se reduce debido a la alta velocidad del fluido motriz. Esta reducción de la presión hace ue el fluido producido se introduzca en la cámara y se mezcla con el fluido motriz. En el difusor, la energía en forma de alta velocidad es convertida en una alta presión, suficiente p ra bombear el gasto de fluido motriz y fluido roducido a la superficie.



Por lo anterior, en el sistema e bombeo hidráulico tipo jet únicamente se te drá el sistema abierto de fluido motriz En este sistema artificial de p oducción se requiere de una presión de succión relativamente alta para evitar la cavitación, además de que la eficiencia mecánica es baja; sin embargo presenta ventajas sobre el bo beo hidráulico tipo pistón como son: ƒ •

Permite manejar cualquier tipo de fluidos (aún contaminados)

•

La bomba sub-superfi ial es de fácil instalación

•

Se adapta a cualquier rofundidad en el pozo. ƒ

•

Permite obtener gastos mayores

Al igual que el bombeo hidrá lico tipo pistón, el tipo jet utiliza agua o aceite como fluido n este capítulo se tratan proble as relacionados a los cálculos de eficiencia de las abe aclarar que en dichos problemas para calcular la presión de descargas de la bom a motriz. Las bombas jet generalmente req ieren más potencia superficial que las bombas tipo pistón ya que son menos eficientes. E bombas jet, así como los correspondientes a los parámetros de diseño (gasto de inyección el fluido motriz, presión de inyección del fl ido motriz y potencias de las bombas su -superficial y superficial) de las instalacion s de bombeo hidráulico tipo jet. C sub-su erficial, P2, se utilizaron curvas de gradiente de presión en tubería vertical (para el caso donde el gas pasa a través de la bomba)



El bombeo tipo jet es una variante del bombeo hidráulico, el cual ha in rementado su aplicación debido a su flexibilidad y durabilidad. El principio básico de est sistema d El bombeo tipo jet es una variante del bombeo hidráulico, el cual ha incrementado su aplicación debido a su flexibilidad y durabilidad. El principio básico de e te sistema de levantamiento artificial, es in ectar un fluido a alta presión hacia el fondo d l pozo (fluido motriz), para transferir energ a a la bomba de fondo y de esta manera pod r operarla. El bombeo hidráulico tipo jet ti ne la ventaja de que se puede aplicar en pozos profundos y desviados e levantamiento artificial, es inyectar un fluido a alta presión hacia el fondo del pozo (fluido motriz), para transferir energía a la bomba de fondo y de esta manera poder operarla. El bombeo hidráuli o tipo jet tiene la ventaja de que se puede aplicar en pozos profundos y desviados En las bombas de desplazamiento positivo, como en el caso del bombeo idráulico tipo pistón y del bombeo mecánico, se reduce su vida útil cuando se tienen sólidos presentes, este efecto también se prod ce en el bombeo electrosumergible. Sin em argo, esto no sucede cuando se utiliza el bombeo hidráulico tipo jet, ya que no ti ne partes en movimiento. Además es posible operarlo durante más tiempo en medios corrosivos y fluidos que contienen arena

10.1. Bombas hidráulica Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible pued ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de frag ar o la pasta de papel. Al incrementar la energí del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según l principio de Bernoulli. En general, una omba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema idráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.



Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que generalmente es utilizado para referirse a las áquinas de fluido que transfieren energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad de su fluido de trabajo, diferencia de otras máquinas como lo son los compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica. Pero también es común encontrar el término bomba p ra referirse a máquinas que bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas e vacío o las bombas de aire.

10.2. Sistema artificial p r bombeo hidráulico Una bomba hidráulica es un dispositivo tal, que recibiendo energía mecánica de una fuente exterior, la transforma en una energía de presión transmisible de un lugar a otro de un sistema hidráulico a través d un líquido cuyas moléculas estén sometidas recisamente a esa presión. Los sistemas de bombeo hidráulico proporcionan un

flexibilidad

extraordinaria en la instalaci n y capacidad de funcionamiento para cump ir una amplia gama de requerimientos de extracción artificial. La instalación de la poten ia superficial puede ponerse en un lugar central para servir a pozos múltiples, o como una unidad conveniente montada sobre patín localizada en el lugar del pozo individual. El requerimiento de equipo mínimo en el cabezal del pozo acomoda de cerca el pedestal de perforación espaciado de cerca, o las terminaciones de plataforma,

sí como los

requerimientos superficiales de perfil bajo.



El bombeo hidráulico se basa en un principio sencillo: “La presión eje cida sobre la

superficie de un fluido se transmite con igual intensidad en todas las direcciones”. Aplicando este principio es p sible inyectar desde la superficie un fluido a alta presión que va a operar el pistón motor d la unidad de subsuelo en el fondo del pozo. El pistón motor esta mecánicamente ligado a tro pistón que se encarga de bombear el aceite producido por la formación. Los fluidos de potencia más utilizados son agua y crudos livianos que pueden provenir del mismo pozo. En cuanto a su función, p demos considerar dos posibilidades extremas de bombas: un gran caudal a pequeña presión. La misión evidentemente llenar rápidamente las conducciones y cavidad s del circuito (como ocurre al hacer salir un cilindro que trabaje en vacío). Un pequeño caudal a altapr sión.Servirán para hacer subir y mantener la presión en el circuito. Claro que en la mayoría de los casos no se van a usar dos bombas y hay ue buscar un compromiso entre estos extremos.Otras consideraciones llevan a la necesidad de construir bombas que tengancaracterísticas determinadas.Así, para obtener una velocidad constante en un cilindro, nos hará falta na bomba de caudal constante. Las bombas se fabrican en m chos tamaños y formas - mecánicas y manuales - con muchos mecanismos diferentes de bo beo y para aplicaciones muy distintas.

10.3. Capacidades de Fu cionamiento Las capacidades de funci namiento significativas de este sistema

e hidráulico

deextracción incluyen: •Caudales de

producción desde 100 hasta 15.000 BPD - ajustables en la superficie, del 20 a

100% de capacidad •Profundidades de operación

ayores de 15.000 pies



•Selección de bombas de chorro de pistón de desplazamiento positivo para

que funcionen

en tubos de 2" a 4 pulgadas •Las bombas de desplazamiento positivo pueden lograr máximo volumen

de desagüe

remanente •Las bombas de chorro manej n altas relaciones de gas/petróleo, y fluidos

del pozo que son

arenosos, corrosivos o de alta temperatura •Uso del agua o crudo producido como fluido de potencia •Sistemas de fluido de poten ia cerrados para que las instalaciones de

la bomba de pistón

aíslen el fluido de potencia de la producción •Las bombas de chorro y de p stón pueden encajar intercambiadas en el mismo

conjunto del

fondo del pozo de "bomba lib e

Ventajas -Pueden ser usados en pozos rofundos (+/- 18000 pies). -No requieren taladro para re over el equipo de subsuelo. -Puede ser utilizado en pozos desviados, direccionales y sitios inaccesibles. -Varios pozos pueden ser con rolados y operados desde una instalación centraldecontrol. -Puede manejar bajas concentraciones de arena.

Desventajas -Costoinicial alto -Las instalaciones de superficie presentan mayor riesgo,por la presencia dealt s presiones. -Altoscostosen la reparación el equipo. -No es recomendable en pozo de alto RGP. 45 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


-Problemasdecorrosión. -Eldi eñoes complejo

10.4. Mecanismo de ope ación Al fondo de la sarta de tub ría de inyección, el líquido a presión se int oduce en una sección motriz hidráulica, col cada por debajo del nivel de fluido a producir. El fluido motriz a presión alta acciona la sección motriz en el fondo del ozo en forma reciprocante al exponer alternadamente diferentes áreas de un pistón, impulsando al fluido presurizado.3 La alternación de esta exposición a la presión se controla mediante una vál ula de control que invierte su dirección, esta válvula es parte de la sección motriz hidráulica de la bomba en el fondo del pozo. El movimiento reciprocante el pistón impulsor se transfiere, a través de un acoplamiento mecánico, a una bomba a pist n (similar a una bomba de varilla). En la carre a descendente de la sección motriz, el pistón de la parte que bombea se mueve hacia abajo, llenando el interior de la sección que bombea con fluido del interior del pozo. En la carrera ascendente, l pistón de la sección que bombea despla a los fluidos producidos a un conducto de retomo, por donde se alza hasta la superficie, junto con el fluido motriz que ya cumplió su papel en este ciclo.



11. SISTEMAS COMBINA OS QUE EMPLEAN AL BOMBEO HIDR ULICO TIPO J 11.1Principios básicos del B mbeo Neumático (BN) El BN es uno de los Sistemas Artificiales de Producción (SAP) más comunes dentro de la industria petroler en México y en el mundo. En la Fig. 3.1 se ob erva el sistema completo de BN: c nsiste en la inyección de gas a alta presión con el fin de aligerar la columna de líquidos que se tiene dentro del pozo para dismi uir la presión de fondo y que, de esta manera, se puedan producir los hidrocarburos aportados por la formación. L s factores más importantes a considerar dentro del diseño de un sistema de BN s n: la posibilidad de tener una fuente confiable e gas y el costo que representa la compresión de dicho gas para poder ser inyectado dentro del pozo a alta presión. La inyección del gas se realiz por medio de una línea de gas, a través de la c al viaja el gas proveniente de un estación de compresión y llega al árbol de vál ulas para ser inyectado dentro del ozo a través de la TR. Una vez que el gas está dentro del pozo, pasa a la TP través de una válvula operante que se aloja de tro de un mandril que puede estar dentro o fuera de la tubería, dependiendo si la válvula es permanente o recu erable.

Instalación de BN El BN se puede implementar e dos maneras: 1. De manera continua, deno inado Bombeo Neumático Continuo (BNC), en el cual se inyecta el gas de manera ininterrumpida, de tal forma que el pozo produce constantemente mediante el principio explicado anteriormente. 47 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Este método es adecuado para pozos con alto Índice de Productividad y Presiones de fondo altas.

2. De manera intermitente, de ominado Bombeo Neumático Intermitente (BNI), utiliza la inyección ins antánea de un cierto volumen de gas para desplazar un bache de líquido a través de la TP hacia la superficie. Se aplica principalmente a pozos con bajo índice de Productividad, baja RGL de yacimiento, bajas presione de fondo y bajos gastos. El uso del BN incrementó a p rtir del final de la II Guerra Mundial debido a los avances que hubo en el equip y en las técnicas de diseño del sistema. Las primeras aplicaciones de BN tilizaron aire como gas de inyección, pero debi o a los problemas de corrosión y l riesgo de una explosión, se inició el uso de gas natural. El gas natural sigue siendo el gas más utilizado para la implementaci n de este SAP, aunque en algunas plicaciones se utiliza nitrógeno.

Ventajas y limitantes El BN es uno de los SAP más utilizados ya que, incluso una instalación con un mal diseño puede llegar a entregar producción. Los pozos altamente desviados co producción arena y tiene una lta RGA de formación son excelentes candidat s para BN cuando se necesita u SAP o se requiere un incremento de la produc ión de una pozo fluyente. Las válvulas recuperables se ueden sacar del pozo por medio de una operaci n con línea de acero. Las válvulas del BN son un dispositivo simple con pocas partes móviles. El equipo para un solo pozo no es muy caro. El equipo de superficie para controlar la in ección de gas es simple y requiere de poco mantenimiento y poco espaci para su instalación. Las primeras limitantes para l s operaciones con BN son la falta de gas de 48 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


formación o proveniente de u a fuente externa y de espacio disponible para l s compresores dentro de una pl taforma. Generalmente, no se aplica BN para un solo pozo o pozos con un esp ciamiento amplio que no permitan la instalació de una planta central de energí . El BN puede intensificar los problemas asociadoscon la producción de crudo viscoso. Otros factores que pueden afe tar de manera negativo a un equipo de BN s n una TR vieja, gas amargo y tuberías largas d diámetro pequeño. El uso de as húmedo sin deshidratación reducirá la confiabilidad del BN. Adicionalmente, se pueden nombrar las siguientes ventajas y desventajas del N:

Ventajas: • Pocos problemas al manejar grandes volúmenes de sólidos. • Manejo de grandes volúmenes en pozos con alto IP. • Flexibilidad de cambio entre BNC y BNI. • Discreto en localizaciones

u banas.

• Fuente de poder ubicable, al jada de la localización. • Opera en pozos con alta RG sin dificultad. • Opera en pozos con termina iones desviadas. • La corrosión usualmente no es adversa. • Aplicable costa afuera.

Desventajas: • Disponibilidad del gas de in

ección.

• Dificultad para manejar emu lsiones. • Formación de hidratos y congelamiento del gas. • Problemas con líneas de superficie obstruidas. • Experiencia mínima del personal. • La tubería de revestimiento ebe de resistir presiones

elevadas. 49



Tipos de instalación de BN Tanto el tipo de instalación como la clase de válvula que se va a usar en una instalación de BN dependen del flujo de gas que se tendrá en el pozo, es decir, si Es una instalación de BNC o e BNI.

Otros de los factores que afectan en la selección del tipo de instalaci n son: las condiciones del pozo, la terminación del pozo, la producción de arena los contactos agua – aceite y gas – aceite. A continuación se presentan alg nos de los tipos de instalación más comunes para BN.

Instalación abierta En este tipo de instalación, que se muestra en la Fig. 3.2, se tiene la TP con lo s mandriles de BN suspendida sin usar empacador, permitiendo la comunicación entre la TR y la TP del pozo. os pozos candidatos para este tipo de instalaci n son aquellos que tienen un nivel alto de fluidos y que ofrecen un sello natural de fluido. Lo anterior hace que e ta instalación esté restringida en la mayoría de casos para pozos con BNC, si embargo se puede instalar en pozos con BNI cuando por algún motivo dife ente a las características del SAP en cuestión n lo permite. Uno de los inconvenientes de esta instalación es la variación del nivel de flui o causada por los cambios en las presiones en la superficie. Cuando el nivel del fluido desciende por debajo d l punto de inyección, las válvulas que se encue tran por debajo de este punto se someten a erosión por culpa del fluido. Otro de los problemas se da cuando la op ración del pozo debe detenerse y al reiniciar la operación, el pozo debe ser descargado y reestabilizado debido al incremento en el nivel del fluido.

Instalación semicerrada 50 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


La diferencia entre esta instal ción y la instalación abierta es el empacador que aísla la TR de la TP, como se observa en la Fig. 3.3. La ventaja principal que ofrece la instalación cerrada es la imposibilidad que tiene todo tipo de fluido ara pasar hacia el espacio anular, incluso cuando se hace la descarga del pozo. El empacador evita además, que la presión del gas actúe sobre la formación. Se Considera que la instalación s micerrada es adecuada para flujo continuo eintermitente.

Instalación cerrada Este tipo de instalación es muy similar a la instalación semicerrada, pero ade ás del empacador se tiene una válvula de pie en la TP, como se tiene en el siste a de la Fig. 3.4. Dicha válvula previene que la presión del gas llegue a actuar sobre la formación cuando ya se encuentra en la TP. La válvula de pie debe ser pue ta en instalaciones de BNI ya que el no hacerlo puede producir una reducción en la Producción diaria.

Bombeo Neumático Continuo (BNC) En el BNC se introduce un volumen continuo de gas a alta presión a la tuberí de producción para aligerar la columna de fluido hasta que la reducción en la presión de fondo permita que el pozo produzca con el gasto deseado, Para lograr lo anterior, se usa una válvula operante que permitirá la inyección lo ás profunda posible del gas disponible en conj nto con una válvula que actuará c mo un orificio variable para regular el gas inyectado desde la superficie dependien o de la presión en la TP. Este método es usado en pozos con alto Índice de Productividad y una presión de fondo alta relativa a la profundidad del pozo. El BNC es considerado como una extensión del flujo natural del pozo, además de ser el único SAP que se ve ampliamente beneficiado por un alto contenido de gas liberado por parte del crudo p oducido. En un pozo fluyente (sin necesidad de SAP 51 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


para tener producción) el líquido asciende a través de la TP y libera gas disue to a lo largo de su ascenso. La energía del gas liberado y el proceso de expansión ue sufre cada molécula de gas ay dan a que el líquido siga su camino hacia la superficie. El efecto que se busca al implementar un BNC es el mismo que se nombró anteriormente, pero a inyectar gas a alta presión continuamente y a l mayor profundidad posible, dicho efecto se maximiza permitiendo obtener Producción de un pozo que ya no es fluyente o del que se quiere aumentar su roducción. En este tipo de pozos, la prod cción se puede encontrar entre 200 y 20 000 b d en tuberías de tamaño normal. Cuando se produce por el espacio anular es posible llegar a producir hasta 80 000 bpd. El diámetro interior de las tuberías marca la pauta para la cantida de fluido que se puede llegar a producir.

Bombeo Neumático Intermi ente (BNI) En el BNI se inyecta un volu en de gas a través de la TR y pasa hacia la TP través de una válvula de puerto amplio. Dicho volumen de gas se inyecta de manera cíclica, permitiendo q e entre cada inyección se forme un bache de hidrocarburos provenientes de la formación y que serán arrastrados por el ascenso y la expansión del ga inyectado, como se observa en la Fig. 3.6. Generalmente se usa en conjunto con un controlador de ciclos de tiempo, y se instala en pozos con volúmen s de fluido bajos, o en pozos que tienen ya sea lto Índice de Productividad con presión de fondo baja o bajo Índice de Productividad con presión de fondo baja. En el BNI el gas es inyectado en intervalos regulares por medio de una válvula motora operada mediante un ispositivo que permite la inyección controlada e gas en el espacio anular. La inyección de gas se regula de tal manera que coincida con la formación de n bache de fluido de la formación con un ciert volumen. 52 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


En ocasiones el BNI puede pr scindir del dispositivo de control de inyección. Este tipo de instalación requiere de una válvula que es más sensible a los fluidos q e las demás válvulas. El uso de stas válvulas puede presentar problemas cuando los pozos tienen una TP larga y están estrangulados o bajo otras condiciones n las cuales la sensibilidad de la válvula se convierte en una desventaja. Sin embargo, en casos como en el de un sistema de compresor rotativo, las válvulas de este tipo son una ventaja. Existen también instalacione de BNI con inyección de gas multipunto o en más deuna válvula. La instalación se debe diseñar de tal manera que las válvulas que se encuentran a mayor profundidad abran justo cuando la parte baja del bache p se cada válvula. Normalmente, este tipo de instalación se usa con válvulas operadas por la presión del fluido, las uales, por diseño, requiere un tamaño de puerto menor para poder asegurar que se cierre l válvula.

Equipo subsuperficial El elemento más importante del equipo subsuperficial del BN son las válvula , las cuales tienen la función de pe mitir el paso de la TR hacia la TP y así llevar a cabo el levantamiento que se ha de crito. Es de gran importancia hacer un espaciamiento y selección adecuados con el fin de mejorar los resultados del N. Otra de las funciones que tien n las válvulas colocadas en la TP en una instalación del BN, es la desc rga del pozo con la presión de gas de inyección disponible hasta una profundi ad máxima de levantamiento que utiliza toda l energía de la expansión del gas de inyección. Las válvulas permiten la variación de la profundidad de inyecció de acuerdo con la presión de fondo fluyendo del pozo, el corte de agua y la producción diaria del pozo. Particularmente, la vál ula operante en una instalación de BNI funciona como un elemento de control pa a que únicamente pase a través e ella, la cantidad necesaria de gas para levant r 53 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


el bache de fluido. Una válvula de BN está compuesta por: el cuerpo de la válvula, un elemento e carga (resorte, gas o una com inación de ambos), un elemento de respuesta a la presión (fuelle de metal, pistón o diafragma de hule), un elemento de transmi ión (diafragma de hule o vástago e metal) y un elemento medidor (orificio o asiento).

La selección del tipo de válvula a utilizar en una instalación de BN depende de las características del pozo por lo que es necesario conocer las características propias de los tipos de válvul que existen en el mercado. A continuación se ace una descripción de algunos de estos tipos: • Válvula operada por la presión en el espacio anular

(llamada válvula

de presión): esta válvula, que se presenta en la Fig. 3.8, es sensible del 50% al 100% a la presión en el espacio anular cuando se encuentra cerrada y es sensible en un 10 % en la posición abierta. Se requiere un incremento en la presión en el espacio anular para abrir la válvula y una reducción para cerrarla. • Válvula reguladora de presi n: esta válvula también es llamada válvula

proporcional o válvula de fluj continuo, está esquematizada en la Fig. 3.9. Funciona de la misma manera que la válvula de presión en su posición cerrada. Sin embargo, cuando está abierta es sensible a la presión en la TP. Requiere un incremento en la presión en el espacio anular para abrir y una reducción en la presión e la TP o en el espacio anular para cerrarla. • Válvula operada por fluidos: es sensible del 50% al 100% a la presión en

la TP en la posición cerrada y sensible en un 100% a la presión en la TP en su posición abierta. Requiere n incremento en la presión en la TP para abrir y una reducción en dicha presión para cerrar, como se observa en la 54 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


• Válvula combinada: requier de un incremento en la presión del fluido

para abrir y una reducción en la presión en la TR o en la TP para cerrar,

Además de las válvulas, también están los mandriles que son dispositivos que se sitúan en la TP con el fin de a ojar las válvulas para que se pueda dar la inyec ión desde la TR hacia la TP. Por ltimo, se encuentran los empacadores (sólo cuando el tipo de instalación lo requiere) que cumplen con la función con aislar el es acio anular de la TP con el fin principal de proteger la TR de fluidos corrosivos.

Equipo superficial Los elementos principales del equipo superficial de una instalación de BN so la estación de compresión, la lín a de inyección de gas y una batería de separación. A continuación se describen cada uno de ellos: • La estación de compresión se encarga de recibir el gas a baja presión

proveniente del pozo, aument r su presión de acuerdo con el diseño del sistema y enviarlo nuevament hacia el pozo. • Los principales factores a considerar para la selección de una estación de

compresión son: El número y la localización de pozos, así como la localización del resto del equipo. El volumen de gas y la presió con la que éste debe ser inyectado. El tamaño de los compresore disponibles. El sistema de distribución de as La disponibilidad de gas dulce. 55 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


• La línea de inyección de gas es la tubería a través de la cual se transporta

el gas del BN en superficie. Además de ser el conducto transportador, la línea de inyección de gas controla, regula y mide todo el gas que se utiliza en una instalación de BN. De ido a lo anterior, la línea cuenta con una serie de válvulas y medidores en to a su longitud, con el fin de cumplir las funciones señaladas. • La batería de separación usada en el BN es, en esencia, la misma que se

puede tener en un pozo fluyente. Sin embargo, en este sistema cobra una gran importancia, ya que es n cesario separar el gas de la mejor manera posible el gas que está mezclado con la producción. Entre mejor separación de gas se logre, mayor será la cantidad de éste que se puede recircular en la operación del BN y por ende, menores serán los gastos para compraraún m s gas.

12. MODELOS DE ANÁLI IS DEL BOMBEO HIDRÁULICO TIPO J T (BHJ) Introducción Las aplicaciones de bombas J t para bombear agua se remontan a mediados del siglo XIX y los primeros modelos desarrollados para este tipo de bombas se l atribuyen a Rankine en la déc da de 1870. Posterior a dicha época, autores como Hesse (1904), Lorenz (1910), Gibson (1924), LeConte (1926) y Bergeron (1928) desarrollaron ecuaciones para representar el comportamiento de las bombas J t, sin embargo, ninguno de estos trabajos fueron comprobados con datos experimentales1 . Fue en 1933 cuando Gosline y O’Brien publican un modelo más

consistente que además de incluir pruebas en laboratorio que comprobaban su modelo, hacía las modificaciones necesarias para implementar una bomba Jet en un pozo de hidrocarburos2 . 56 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Hacia los años 1950, Cunningham inicia la publicación de una serie de artículos basados en el modelo original publicado por Gosline y O’Brien. El modelo de

Cunningham ha sido la base para la gran mayoría de modelos que fueron publicados en años consecuti os, debido a que sus ecuaciones estaban escrito de manera adimensional, haci ndolas aplicables para todos los tamaños de bomba en los cuales el númer de Reynolds en operación fueran lo suficientemente cercanos o lo suficientemente altos para que los efectos de la viscosidad se pudieran despre iar2 .Con el paso de los años, se o servó que los primeros modelos describían adecuadamente el comportamiento en bombas Jet aplicadas en pozos con cantidades de gas libre menor s a 10 pie3/bl3 . Por lo anterior autores como Corteville et al. (1987), Jiao e al. (1990), Hatzlavramidis (1991), entre otros, publicaron diferentes modelos que tenían en cuenta mayores RGA en el fluid proveniente del pozo y en el caso especial de Hatzlavramidis, se consideró in luso Que el fluido de potencia fuera gas y el fluido producción fuera líquido4 Otro de los aspectos a los que se les ha puesto más atención en los últimos añ s en la producción de hidrocarb ros con BHJ es la producción de crudos pesad s. Esta aplicación usa, en la gran mayoría de casos, aceite ligero como fluido de potencia con el fin de reducir la viscosidad del fluido del yacimiento y así permitir el flujo hacia la superficie. Chen et al. han publicado modelos para predecir la cantidad de aceite ligero nece aria para la producción de hidrocarburos pesad s. A continuación se presentan l s modelos de análisis del BHJ que se encontraron en la literatura: producción con baja RGA (modelo estándar), producción con alta RGA, producción de aceite usando gas como fluido de potencia y producción de crudos pesados. También se presenta el modelo de Cunningham como la base delos demás modelos presentados. 57 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


12.1Modelo estándar2 Introducción El modelo más usado para el iseño de bombas Jet es el publicado por Cunnigham con base en los primeros trabajos publicados por Gosline y O’Brien.

La secuencia de cálculos y ec aciones específicas para una instalación de Bombeo Hidráulico tipo Jet f e publicada por Petrie, Wilson y Smart5 . El principio fundamental de f ncionamiento de una bomba Jet es la transfere cia de momento entre dos corrien es de fluido1 . Los primeros desarrollos ma emáticos de estas bombas se hicieron c nsiderando agua, por lo que no se consideraba efecto de compresibilidad o transferencia de calor. Gosline y O’Brien1 prese taron ecuaciones adimensionales que fueron comparadas con resultados de campo. Para su verificación, con la ventaja de poder ser aplicadas a todos los tamaño de bomba siempre y cuando los úmeros de Reynolds de los fluidos fueran cercanos o lo suficientemente altos par poder despreciar los efectos viscosos, condición que en las instalaciones petroleras se alcanza, debido a las altas presiones y velocidades que demandan. Dichas ecuaciones se consideran el modelo están ar para las publicaciones posteri res.

Descripción del modelo El modelo expuesto por Petrie et. al2 es un proceso iterativo que se puede dividir en dos partes: la primera corresponde al flujo del fluido de potencia a través de la tobera, y como su nombre lo ice, en esta etapa se realizan los cálculos que involucran al fluido de potencia y a la tobera, como lo son el gasto en la tobera, la presión en la tobera, además de elegir la combinación de garganta y tobera a utilizar. La segunda parte de l secuencia corresponde al funcionamiento de l 58 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


bomba y al flujo de retorno (que corresponde a la mezcla del fluido de potencia y de producción que se dirige h cia la superficie), en donde se determina el gas o de retorno, su corte de agua, viscosidad así como la relación gas líquido de di ho fluido; también se calcula la presión de descarga, la presión de succión, el gasto máximo para que haya cavita ión y la potencia hidráulica requerida. En necesario contar con los siguientes datos antes de aplicar el modelo: • Profundidad de asentamient de la bomba • Diámetros interno y externo de la TP • Diámetro interno de la TR • Presión en la cabeza de pozo • Densidad relativa del fluido de potencia, del fluido de producció n y del agu

Proveniente del yacimiento. • Viscosidad del aceite producido y del aceite del fluido de potencia cuando

13. TIPOS DE SISTEM S DE OPERACIÓN Hay básicamente dos tipos o erativos en los sistemas de bombeo hidráulico: el sistema de fluido motriz cerrado y el sist ma de fluido motriz abierto.5 En un sistema cerrado (CPF) de fluido motriz, no se permite que los fluidos de producción se mezclen con los fluidos motrices de operación dentro de ninguna parte del sistema. En un sistema abierto (OPF) e fluido motriz, el fluido de operación se mezcla con el fluido producido de pozo y regresa a la superficie.

13.1. SISTEMA ABIERTO E FLUIDO MOTRIZ En un sistema abierto de fluido motriz, sólo se requieren dos conductos de fluido en el pozo: uno para contener el fluido motriz a presión y dirigirlo a la secció motriz de la bomba, y otro conducto, usualmente el espacio anular, para contener el fluido motriz que ya accionó la bomba, más el flui o producido, en su retomo a la superficie.6 Por cuanto el sistema abierto s el más sencillo y económico, es mucho más común. 59 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


A más de la sencillez y la v ntaja económica de sistema abierto OPF, hay otras ventajas inhere inh erent ntes es al mezcl mezclar ar los fluid fluidos motriz y producido. Prim Primer eram amen ente te,, el flui fluido do motriz riz circ irculant lantee es el medio edio ideal para tran rans ortar aditivos químicos al fondo de pozo. os in inhibidores de de co corrosión, in incrustación y p rafina pueden agre agrega gars rsee par paraa ext exten ende derr la la vida útil de los equipos de subsuelo. Además, si los fluidos producidos tienden a formar emulsiones dentro de pozo, puedenañadirse anti-emulsionantes al fluido motriz. En segundo l gar, el fluido motriz, al agregarse, actúa como diluyente. Cuando se levanten fluidos producidos que sean altamente corrosivos, el fluido motriz reduce su concentración a un 0%. Cuan Cuando do se prod produc ucee un un pet petró róll o extremadamente viscoso, el fluido motriz inyectado puede reducir dicha viscosidad, al iluir el fluido de retorno, y lo puede hacer s ficientemente par para qu que se sea má más fa factible ible levantar el crudo pesado. Al producir fluidos con alto onten tenido ido de parafina fina,, el siste istem ma abier ierto OPF p rmite circular flui fluiddos calenta ntados o con agentes disolvente disolventess dentro dentro de las líneas líneas de de fluid fluid motriz, para elimi eliminar nar la acum acumula ulació ciónn de de ce cera que pueda reducir o paralizar la producción.

13.2. SISTEMA CERRADO DE FLUIDO MOTRIZ En un sist sistem emaa cerr cerrad adoo de de flu fluido motriz, se requiere una sarta adicional de tubería, tanto dentro de pozo como en superfi erfici cie. e. Una Una sar sarta ta es para para tran transp spor orta tarr la la pro produ ducción hasta la bate baterí ríaa de de tan tanqu ques es,, y la otra otra para que retorne el fluido motriz que ya cumplió su función en el fond fondoo de de poz pozoo has hasta ta el tan tanqq e respectivo para volverse a presurizar y recircular. Esta exigencia de una sarta a icional de tubería, más la complejidad complejidad asociad del diseño en el fondo fondo de pozo, pozo, hace hace que l sis siste tem ma ce cerra rrado se sea má más co costoso toso que el el ab ab erto. Por esta razó razón, n, el sist sistem emaa CPF CPF es men menos popu popula larr y se util utiliz izaa men menos os que que la conf config igur uraa ión abierta de fluido motriz. Ya que que en en tod todoo mom momen ento to los flui fluidos dos mo motri trizz y prod produci ucido do está estánn sepa separad rad s, el sistema cerrad rado ofrece algunas ventajas en los casos en que los fluidos pr ducidos sean extremadamente abrasivos o corr corrosi osivos vos.. Un Un siste sistema ma cerra cerrado do perm permite ite uti utili lizar materiales 60 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


menos menos sofist sofisticad icados os en la part part mo motr triz iz y podr podráá prol prolon onga garr la vida vida útil útil de la bo ba y también de las in instalaciones re relacion das con el fluido fluido motriz motriz en la superficie, superficie, si no se utilizan inhibidores. Además, puede resultar lige amente amente preferen preferente te un sistema sistema cerrado cerrado para l s plataformas marinas y en algunas inst lacion laciones es indu industr strial iales es o resid residen enci ciale ales, s, cuan cuan o el espacio dispo disponib nible le es es esca escaso so y costo costosso. El tanque de reserva acondicionamiento del fluido motriz necesita tener sólo el tamaño nece necesa sari rioo par paraa pro propo porc rcio iona narr un un vol volum umen en adec adec ado de fluido motriz para alimentar a la bomba bomba múltip múltiplex. lex. El El tamaño tamaño del tanqu tanquee de fluido motriz req requerido ido en en el el ca cabezal zal de del p zo es relat relativa ivame mente nte peque pequeño ño y casi casi todo todo el flu fluido producido podrá podrá intro introdu ducir cirse se direc directam tamen ente en la línea de flujo. En la mayoría de las bombas e subsu subsuelo elo diseñ diseñada adass para para uti utiliz lizar arse se en un siste sistema cerrado de fluid fluidoo motri motriz, z, la la secc sección ión mo motr triz se lubrica con el fluido fluido motriz. Alrededor Alrededor de 10 por ciento del fluido motriz se pierde al mezclarse mezclarse con el fluido producido producido por lo lo qu es necesario aumentar fluido de la línea de producción producción para para completar completar el volumen volumen de fluid motriz. Tambi También én hay que que com compre prend nd r que, que, aun aun en en un sist sistem emaa comp comple leta tame ment ntee cer cer ado, el fluido motriz no seguiría limpio indefi defini nida dame ment ntee aunq aunque ue toda todass las las tube tuberí rías as,, aco acoples, bombas, tanques, etc. estuvieran libres de materiales contaminados. En prim primer er luga lugar, r, ning ningún ún flui fluido mo motr triz iz es abso absolu luta tam mente ente anti antico corr rros osiv ivo, o, In luso el diesel puro puro pued puedee corro corroer er lige ligeram ramen en e los recipientes de acero. En segundo lugar cuando un líqu líquido ido que contien contienee algún algún material material sólido sólido pa a por una luz estr strecha (co (como po por eje ejemp mpllo entre el pistón de la sección motriz de la bomba y su cilindro), se tiende a retener el sólido. El líquido que fuga por la luz estrecha va a ser puramente líquido. Con llaa pérdida continua de flfl ido ido mot motri rizz alr alred eded edor or del del pis pistó tónn de de la la sec secci ción ón motriz, el fluido motriz recirculado se volverá ada vez más sucio.



13.3. 13.3. SISTE SISTEMA MASS PARA PARA ACONDICIONAR EL FLUIDO MOTRIZ N LA SUPERFICIE La funci función ón de un sistem sistemaa qu acondiciona acondiciona el fluido fluido motriz en en la superficie superficie e proporcionar un volumen co constante y adec ado de un fluido motriz idóneo para operar las bombas en el subsuelo. El éxito y la economía en la oper operac ación ión de cua cualqu lquie ierr insta instalac lación ión de flui fluido do p ra el bombeo hidráulico depende, en gran medida, de la eficacia del sistema de acondicionamiento en superficie, al suministrar un fluido motriz limpio para para el sistema de bombeo n superficie y dentro del pozo. La presencia de gas, sólidos

materia materiales les abrasivo abrasivoss en él fluid fluidoo motri motrizz afect afect n gravemente

la operac operación ión y la vida vida útil útil de la bomba bomba en en el subsuelo subsuelo y de la unidad d fuerza en la superfic superficie. ie. Por Por eso, eso, el el objetiv objetivo primordial al acondicionar el petróleo crudo o el agua para utilizarlos como fluido motriz es librarlo, al máximo factible, de gases v sólidos. A más de eliminar gases y

aterial sólido, el tratamiento tratamiento químico de fluid mo motr triz iz en la

superficie superficie prolonga prolonga la vida vida útil de equipo de bombeo. El sistem sistemaa que que acondi acondicion ciona el fluido motriz realmente realmente incluye todo los equipos rel relacion ionados co con el proces ocesaamiento y tratamiento de dicho fluido. Hay dos tipos de sistemas de cond condici iciona onarr el fluido fluido mo motri trizz para para las insta instalac lacio io es de bombeo hidráulico: el sistema de fluido motriz centralizado y el sistema autónomo de acondicionamiento en el cabe al.

13.3.SISTEMA CENTR LIZADO DE ACONDICIONAMIENTO Un sistem sistemaa central centralizad izadoo par acon acondic dicion ionar ar el fluido fluido mo motri trizz trata trata dicho dicho flui flui o para uno o más más pozo pozos, s, para para elimi elimina narr el el g s y sólidos, en un solo lugar.



El fluido acondicionado se presuriza mediante una poderosa bomba a pistó y luego pasa por un múltiple para luego dirigirse hacia el o los pozos del sistema. Es un sistema típico de tratamiento que se ha comprobado durante muchos años de experiencia de diseño. El di eño del sistema de tratamiento supone que l s separadores normales y tratadores térmic s han entregado un petróleo casi libre de gas, de la calidad que sería usual en el tanque d almacenamiento para el sistema de tratamient . El tanque de decantación para el fluido motriz en este sistema usualmente mide 24 pies de alto, un tanque de tal altura g neralmente proporciona una caída suficiente p ra el flujo por gravedad del fluido desde el t nque hasta la succión de la bomba de carga.11 El tamaño del tanque dé fluido motriz se de ermina según el caudal requerido. El tanque d fluido motriz no debería hacer más de tres ciclos completos de rotación al día. El propósito básico del tanqu de decantación es, separar los sólidos del fluido motriz que no hayan sido eliminados del sistema de flujo continuo por el separador e producción, entonces, se lo utiliza como f ente de fluido motriz para la bomba en el fond del pozo. En un tanque de fluido estáti o, todo material extraño que sea más pesado q e el fluido en sí tiene que asentarse en el fondo. Algunas partículas, como por ejemplo la arena muy fina caen más lentamente que los sólidos más pesados. Estos factores más los relacio ados con la resistencia por viscosidad influyen en el ritmo de la separación. Sin embargo, c n el tiempo, todos los sólidos y líquidos más pesados han de asentarse, dejando una capa d fluido limpio. En un sistema real de fluid motriz no es práctico ni tampoco es necesario, contar con suficiente espacio en el tanqu para esta decantación bajo condiciones total ente estáticas. Más bien, el tanque debe per itir el retiro continuo y automático de caudal requerido. Se logra una decantación su iciente bajo estas condiciones cuando el flujo hacia arriba a través del tanque de decantación se mantiene a una velocidad apenas inferior a la velocidad de caída de los materiales con aminantes.



Las pruebas y la experiencia han demostrado que una velocidad ascendente de un pie por hora es suficientemente lenta para la separación por gravedad de las partícul s suspendidas en la mayoría de los petróleos crudos.

13.4. TANQUE DE DEC ANTACIÓN DE PETRÓLEO MOTRIZ Un típico sistema para el tratamiento de petróleo motriz que ha resultado ad cuado para la mayoría de los sistemas abiertos de petróleo motriz, cuando la alimentación es petróleo de una calidad equivalente al tan ue de almacenamiento. Los siguientes párrafos tratan sobre las funciones de los componentes principales y las conexiones de tubería recome dadas para el sistema que trata el petróleo mot iz.

13.5.CONSTRUCCIÓN DE TANQUE El tanque de decantación de petróleo motriz en este sistema usualmente puede utilizarse un solo tanque grande. Hay que determinar cuál solución resulta más económ ca y satisface mejor los requisitos de operación. Puede utilizarse un solo tanque grande. Hay que determinar cuál solución resulta más económica y satisface mejor l s requisitos de operación. El tanque ideal sería lo suficientemente grande para permitir un tiempo de 2 horas para el asentamiento de los sólidos. Esto significa que el petróleo que ingresa al tanq e llegaría a la succión o a la bomba múltiplex después de 24 horas. El tanque debe colocarse ent e el tratador térmico y los tanques de almace amiento, para que toda la producción cruce or el tanque de petróleo motriz, asegurando as que el tanque de petróleo motriz está lleno en todo momento. Debe haber dos conexiones e succión en el tanque, un alta y otra baja. L succión alta, que toma el petróleo más lim io de tanque, es para la operación normal. La succión baja es para las emergencias.



Al momento de la construcción, una línea de alivio debe instalarse directa ente entre el tratador térmico y los tanqu s de almacenamiento, sin pasar por el tanq e de petróleo motriz, esto se utiliza en las e ergencias. Siempre hay que chequear os tamaños y capacidades de los tratadores. Cuando están sobrecargados, no harán un trabajo completo en su separación de petróleo el agua. Esta condición tendrá sus repercusiones en el tanque de petróleo motriz. Además, hay que verificar l operación del desagüe de agua en los tratad res. A veces, estos desagües fallan y man an todo a la fosa, lo que deja el tanque de petróleo motriz vacío.

13.6APLICACIONES Para aplicar el sistema de

ombeo Hidráulico, el fluido así tratado esta listo para ser

inyectado al pozo a alta presi n, para esto es necesario contar con equipo de subsuelo, para esto veremos diferentes tipos e sistemas y sus aplicaciones.

14. TIPOS DE SISTEMAS E SUBSUELO Hay tres tipos básicos de sistemas de subsuelo; el tipo libre, el tipo fijo, y el tipo que depende del cable. El tipo libre no requiere una nidad especial para colocar ni recuperar la bo ba. Más bien, la bomba queda dentro de la arta de fluido motriz, "libre" para circularse h sta el fondo o de vuelta arriba. En un sistema de tipo fijo, la bomba de fondo se conecta con la tubería de fluido motriz, y se coloca en el pozo como una parte integral de dicha sarta. Las bombas tienen que colocarse o retirarse con una nidad de tracción para sacar toda la tubería. En el sistema a base del ca le, la bomba se coloca en una camisa deslizante, se instala sobre una válvula de gas-lift, bien sobre una válvula de inyección de productos químicos. Se coloca la bomba pozo ab jo o se la retira con el cable liso. La bomba podría operarse con el flujo normal o revertid . 65 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


14.1. SISTEMAS DE BOM A LIBRE En un sistema de bomba lib e, la bomba entra dentro de la tubería de flui o motriz y no requiere ninguna unidad espe ial para colocarla ni recuperarla. Para colocar la bomba pozo abajo, se la inserta en la sarta de tubería en la su erficie y se la hace circular hasta el fondo, donde se asienta en un conjunto especial de ondo de pozo (BHA) que a veces se conoce como neplo de asentamiento o cavidad. n cuanto sea suficiente la presión hidráulic , la bomba comienza a accionar. Para recuperar la bomba, se manda el fluido por la línea normal de retorno o espacio anular. Esta circulación inver ida o al revés del fluido desasienta la bomba e su conjunto de fondo de pozo. Entonces, dos copas invertidas de swabeo, montadas sobre la parte superior de la bomba (el co junto de recuperación) atrapan la presión, y mediante esta circulación se hace que la bo ba regrese a la superficie, y se la saca del pozo. Esta característica del sistema tipo libre es una de las varias ventajas que tiene sobre otros métodos de levantamiento artificial que requieren una unidad de reacondicionamiento para colocar y recuperar los equipos de pozo abajo. Por ejemplo: para hacer a comparación con una bomba mecánica que necesita reemplazarse, una bomba hidráulica tipo libre usualmente puede recuperars para instalar una bomba reparada, la que p ede estar en el fondo y operando en menos tiempo de lo que demoraría una unidad de servicio técnico en llegar recién al sitio. Hay dos tipos principales d diseño para la instalación de bombas libres:: el diseño de casing-libre y el diseño paralelo-libre

.



14.2. INSTALACIONES CASING-LIBRE El diseño casing-libre es el menos complicado y menos costoso para las ombas libres. Consiste en una sola sarta de tubería, una cavidad, y una empacadura.16 Durante la operación, se circ la el fluido motriz hacia abajo por la sarta de tubería, donde acciona la bomba hidráulica en el fondo, para luego mezclarse con los lí uidos y gases producidos. Esta mezcla de fluido motriz usado y fluidos producidos retoma hasta la superficie por el espacio anular de la tubería de revestimiento. En este diseño, todo el gas producido debe pasar por la bomba. Esto puede afectar la eficiencia de una bomba a pistón en cuanto a su desplazamiento de líquid s, en relación directa a la cantidad de gas ue se produce. En cambio, las bombas jet pu den ayudarse incluso con el aporte de gas. Por la sencillez y menores costos de sistema abierto de fluido motriz tipo casing-libre, hay más bombas hidráulicas ins aladas según este diseño que con cualquier otro tipo de instalación. El sistema de fluido motriz bierto, una sarta paralela auxiliar se introduce en un pácker doble debajo de la bomba par ventear el gas hasta la superficie. La válvula de seguridad se mantiene abierta por la presión del fluido motriz. Si ocurriera algún esastre en la superficie se aliviara la presión sobre el fluido motriz y el resorte de la válvula de seguridad cerrarla el pozo a nivel de la empaquetadura.



14.3.EQUIPOS DE SUPER ICIE LA UNIDAD.- La unidad d acondicionamiento de fluidos es un paquet unificado de equipos en superficie para las aplicaciones de bombeo hidráulico. Ofrece un acondicionamiento completo e los fluidos, como una bomba en superficie ara presurizar el fluido motriz para la bomba en el subsuelo. La unidad está diseñada para operación continua y funcionar en forma satisf ctoria cuando esté, correctamente instalada, calibrada y mantenida. Se requieren i specciones y reparaciones periódicas

Los componentes principales son: Tanque de acondicionamient Válvula para el drenaje del tanque de acondicionamiento. ƒ Tanque acumulador y protector contra oleajes. ƒ

Manómetro de presión para el recipiente acumulador y protector contra oleaj s. Manómetro de presión para tanque de acondicionamiento. ƒ

Bomba (múltiplex) del fluido motriz. Motor eléctrico, a diesel o a as. Bomba inyectara de Químicos. ƒ

Amortiguador de pulsaciones en descarga de bomba. Válvula de succión en nivel alto para la bomba múltiplex Válvula de succión en nivel bajo para la bomba múltiplex. Válvula de salida en nivel alt p/ el Tk. de acondicionamiento 68 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Válvula de salida en nivel bajo para Tk. de acondicionamiento ƒ Filtro de arena ciclónico. Válvula de alivio para la seg ridad para Tk. de acondicionamiento Válvula de alivio para la seg ridad de la bomba múltiplex. ƒ

Tablero de controles. Válvula de alivio de sobre pr sión por oleajes de pozo Válvula de alivio para la seg ridad del recipiente acumulador y protector contra oleajes. ƒ Válvula de control para desví manual del fluido motriz. ƒ

Válvula manual para la entra a al filtro de arena. Válvula manual para la salida del filtro de arena. Válvula manual para el flujo inferior. Mirilla para control visual de flujo inferior del filtro de arena.

15. OPERACIÓN 15.1. LLENADO DEL SIST MA En el sistema se puede utilizar petróleo o agua como fluido motriz. En cu lquiera de los casos, el fluido debe estar lim io. Normalmente, después de q e comience a trabajar la bomba de subsuelo, el sistema se sostendrá en forma totalmente autónoma.

15.2.POSICIONES DE AS VÁLVULAS Se verifica para asegurar que las válvulas manuales estén en las posiciones a ropiadas para el tipo definido motriz que se va a utilizar. 69 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


15.3.MOTOR Y BOMB DE FLUIDO MOTRIZ Prender el motor y la bomba e fluido motriz.

15.4.REGULACIÓN D FLUJO A medida de que la bomba en el subsuelo comience a dar golpes de pistón, se ven las fluctuaciones de presión en e manómetro de presión del panel Murphy con cada golpe de la bomba. La válvula para c ntrol de flujo (de derivación) podrá atornilla se lentamente cuidando el manómetro de pr sión en el panel Murphy.20 Continué regulando la válvula para control de flujo y contando las fluct aciones en la presión, por los golpes de la bomba, hasta llegar al ritmo deseado de golp s por minuto. Con las bombas jet, la presi n de operación crece lentamente a medida de que se desvíe menos fluido.

15.5.REGULACIÓN D L CONTROL QUE APAGA EL EQUIPO Durante el arranque del sistema, pueden regularse los controles que apagan el sistema por presión demasiado alta o baja, los que se encuentran en el panel Murphy para asegurar que el sistema funcione con seguridad. Después de que el sistema se haya establecido, debe regularse el control de resión alta en aproximadamente 200 Psi so re la presión de operación. El control de pre ión baja debe regularse en aproximadame te 1500 Psi (al menos 500 Psi menos de la presión de operación).

15.6.FILTRO CICLÓN CO DE ARENA El desarenador debe funcionar para garantizar un fluido lo suficientemen e limpio para evitar un desgaste excesivo e la bomba múltiplex en la superficie y en la bo ba hidráulica en el fondo del pozo.

DESVENTAJAS 70 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Las bombas en superficie, las bombas a pistón en el subsuelo y las secciones motrices hidráulicas que impulsan las bombas a pistón son los componentes de n sistema de bombeo hidráulico más sus eptibles del desgaste, ya que contienen pi zas metálicas construidas a unas tolerancias mínimas las que se rozan entre si durante sus m ovimientos. Las bombas jet también sufren desgaste al operarse con fluidos contaminado . La mayoría de las bombas a pistón en el subsuelo y secciones motrices de ichas bombas tienen una luz en el diámetro de sus pistones y cilindros de 0,002 pulgada. tras partes de las bombas tienen sellos de m tal a metal con luces menores a 0,001 pulgada. Los contaminantes sólidos del fluido causan desgaste, lo que produce un luz excesiva entre las piezas continuas. Esto a su vez lleva a una operación ineficiente de los componentes y con el tiempo, su falla y reposición.

16.ELIMINACIÓN DE SÓ IDOS EN SUSPENSIÓN El volumen de sólidos en su pensión (como arena, lodo de perforación, e incrustación) en un barril de fluido producido puede llegar a pesar 100 libras o más cuando se comienza a bombear un pozo por primera vez. Más típico seria un pozo con partículas en el rango de 10 a 500 micras y un ontenido total de 100 libras o menos de sóli os en suspensión por 1000 barriles que ingres n a la entrada de filtro ciclónico. Con una eficiencia razonable de operación, el filtro ciclónico no debe dejar que más de 5 por ciento de total de los sólidos en suspensión pase hasta el reservorio de fluido limpio.

17. PROBLEMAS RESUELTOS 1. En un pozo con una profun idad de 13000 pie se instalará el Bombeo Hidr ulico (B.H.) 71 Asignatura: Producción I Carrera: Ingeniería en Gas y Petr olero


Tipo pistón y se conoce la sig iente información: Presión de fondo estática = 2000 lb/pg2 Presión de fondo fluyendo = 1000 lb/pg2 Presión de saturación = 2000 b/pg2 Gasto de aceite = 100 bl/día a condiciones superficiales. Gasto de agua = 50 bl/día a condiciones superficiales. Relación gas-aceite = 500 pie /bl Densidad del aceite = 40 °AP Calcular la capacidad requeri a de la bomba para producir en la superficie: a) 150 bl/día de aceite y agua b) 180 bl/día de aceite y agua Considerar que el gas pasa po la bomba en ambos casos. Solución:

a) para Pwf = 1000 lb/pg2 , R = 500 pie3/bl y % de agua = 50/150 x 100 =33.3, se obtiene una eficie cia teórica de 65%, entonces: Capacidad requerida de la bo ba = Q4 = 231 bl/día a condiciones de bomba



b) ; Con

; ;

Con Pwf = 660 Ib/pg2 , R= 500 pie3 /bl y % de agua = 50/180 X10 0 = 27.7, de la Fig.3.26 se Obtiene una eficiencia teórica de la bomba de 50%, entonces: Capacidad requerida de la bo ba Q4 = 360 bl/día a condiciones de bomba


apuntes de Bombeo Hidraulico

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