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INTRODUCCIÓN
La mayoría de los pozos son capaces de producir flujo natural en la primera etapa de su vida productiva, no obstante una vez finalizada la producción por flujo natural es necesario seleccionar un método de levantamiento artificial que permita seguir produciendo eficientemente el yacimiento ya que la estrategia de explotación de un yacimiento establece los niveles de producción en distintos pozos. Es por ello que para obtener el mximo beneficio económico del yacimiento es necesario seleccionar el método de producción óptimo para así mantener los niveles de producción de la manera ms rentable posible, teniendo en cuenta que la manera ms conveniente y económica de producir un pozo es por flujo natural. Los métodos de levantamiento artificial se !an empezado a implementar desde el "#$$ !asta el presente con el objetivo de levantar los fluidos desde el fondo del pozo !asta el separador. El propósito de los métodos de levantamiento artificial es minimizar los requerimientos de energía en la cara de la formación productora con el objetivo de maximizar el diferencial de presión a través del yacimiento y provocar, de esta manera la mayor afluencia, sin que se genere problemas de producción entre estos arenamientos. Entre los métodos de levantamiento artificial se tienen el bombeo mecnico, bombeo electrosumergible y bombeo de cavidad progresiva. %aciendo énfasis que para la selección de cada uno de estos métodos se deben considerar los factores como lo son inversión inicial, características del fluido, profundidad del yacimiento presión esttica del yacimiento. &or otra parte en la investigación se profundizaran los métodos antes mencionados.
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BOMBEO MECÁNICO
Es uno de los métodos de producción ms utilizados '($)#$*+, el cual su principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para par a transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta s arta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecnico est compuesto bsicamente por las siguientes partes unidad de bombeo, motor 'superficie+, 'superf icie+, cabillas, bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción 'subsuelo+. -n equipo de bombeo mecnico 'también conocido como balancín/ o cig0e1a/+ produce un movimiento de arriba !acia abajo 'continuo+ que impulsa una bomba sumergible en una perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumtico. -n motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de un eje de metal. El otro extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, est unido a una barra de metal que se mueve !acia arriba y !acia abajo. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, est unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. El balancín de producción, que en apariencia y principio bsico de funcionamiento se asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas var illas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción prod ucción o de educción, a cierta profundidad del d el fondo del pozo. La vlvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la vlvula fija se cierra y se abre la vlvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la carrera ascendente, la vlvula viajera se se cierra para mover !acia la superficie el petróleo que est en la tubería y la vlvula fija permite
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BOMBEO MECÁNICO
Es uno de los métodos de producción ms utilizados '($)#$*+, el cual su principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para par a transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta s arta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecnico est compuesto bsicamente por las siguientes partes unidad de bombeo, motor 'superficie+, 'superf icie+, cabillas, bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción 'subsuelo+. -n equipo de bombeo mecnico 'también conocido como balancín/ o cig0e1a/+ produce un movimiento de arriba !acia abajo 'continuo+ que impulsa una bomba sumergible en una perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumtico. -n motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de un eje de metal. El otro extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, est unido a una barra de metal que se mueve !acia arriba y !acia abajo. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, est unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. El balancín de producción, que en apariencia y principio bsico de funcionamiento se asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas var illas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción prod ucción o de educción, a cierta profundidad del d el fondo del pozo. La vlvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la vlvula fija se cierra y se abre la vlvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la carrera ascendente, la vlvula viajera se se cierra para mover !acia la superficie el petróleo que est en la tubería y la vlvula fija permite
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que entre petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente 'emboladas+ mantiene el flujo !acia la superficie. 2omo en el bombeo mecnico !ay que balancear el ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede ubicarse u bicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la manivela. 3tra modalidad es el balanceo neumtico, cuya construcción y funcionamiento de la recmara se asemeja a un amortiguador neumtico4 generalmente va ubicado en la parte delantera del balancín. Este tipo de balanceo se utiliza para bombeo profundo.
Ventajas
5racias al desarrollo de simuladores, !oy en día es muy fcil el anlisis anlisis y y dise1o de las
instalaciones. &uede ser usado prcticamente durante toda la vida productiva del pozo. La capacidad de bombeo puede ser cambiada fcilmente para adaptarse a las variaciones
del índice de productividad de productividad,, 6&7. &uede producir intermitentemente mediante el uso de temporizadores '&328s+ o
variadores de frecuencia conectados a una red automatizada. red automatizada. &uede manejar la producción de pozos con inyección de vapor.
Desventajas
9usceptible de presentar bloque por excesivo gas libre en la bomba.
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En pozos desviados la fricción entre las cabillas y la tubería puede inducir a fallas de material. La unidad de superficie es pesada, necesita muc!o espacio y es obtrusiva al ambiente ambiente.. En sitios poblados puede ser peligrosa para las personas. 2uando no se usan cabillas de fibra de vidrio vidrio,, la profundidad puede ser una limitación.
Aplicaciones
&ozos de profundidades !asta ($$$ pies 'no mayores a #$$$ pies+. &ozos de crudos extra pesados, pesados, medianos y livianos. :o es recomendable aplicar en pozos que qu e producen altos vol;menes de gas. &uede realizar levantamientos de crudos a altas temperaturas, así como de fluidos viscosos. :o debe existir presencia de arena. 9olo en pozos unidireccionales. 9e puede usar en pozos desviados. Este método de levantamiento se encuentra entre <$ y <$$$ '=&&>+.
Equipo de u!suelo
El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombeo.
Tu!e"#a Tu!e"#a de $"oducci%n& La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se est bombeando desde el fondo del pozo !asta ! asta la superficie. En cuanto a la resistencia, generalmente genera lmente
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la tubería de producción es menos crítica debido a que las presiones del pozo se !an reducido considerablemente para el momento en que el pozo es condicionado para bombear.
Ca!illas o Va"illas de ucci%n& La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de las mismas en el sistema de bombeo mecnico son transferir energía, soportar las cargas y accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas son
9e fabrican en longitudes de
tubería de producción. 9e fabrican en dimetros de ?C(, @CA, DC(, ", ")"C( de pulgadas. >e acuerdo a las especificaciones de la &6, las cabillas de acero sólido son del
tipo de cabillas ms utilizado y !a sido estandarizada por la &6, sus extremos son forjados para acomodar las roscas, un dise1o que desde "#
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pandeo '=ucGling de cabillas+ se deben colocar de " o < centralizadores por cabilla seg;n sea la severidad. %ay cabillas que tienen centralizadores permanentes. Entre los tipos de cabillas que existen en el mercado estn Electra, 2orod 'continua+ y fibra de vidrio. Las cabillas continuas '2orod+ fueron dise1adas sin uniones para eliminar totalmente las fallas en el &6: 'mac!o+ y la !embra para incrementar la vida de la sarta. La forma elíptica permite que una gran sarta de cabillas sea enrollada sobre rieles especiales de transporte sin da1arlas de manera permanente. 3tra ventaja de este tipo de varilla es su peso promedio ms liviano en comparación a las &6.
Ventajas&
La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión. La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción. &or carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de cabillas.
Desventajas&
&resentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales. En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la misma requiere de la entrada de una cabria convencional.
Anclas de Tu!e"#a& Este tipo est dise1ado para ser utilizados en pozos con el propósito de eliminar el estiramiento y compresión de la tubería de producción, lo cual roza la sarta de cabillas y ocasiona el desgaste de ambos. :ormalmente se utiliza en pozos de alta profundidad. 9e instala en la tubería de producción, siendo éste el que absorbe la carga de la tubería. Las guías de cabillas son acopladas sobre las cabillas a diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores de un elevado desgaste de tubería.
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Bo'!a de u!suelo& Es un equipo de desplazamiento positivo 'reciprocante+, la cual es accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los componentes bsicos de la bomba de subsuelo son simples, pero construidos con gran precisión para asegurar el intercambio de presión y volumen a través de sus vlvulas. Los principales componentes son el barril o camisa, pistón o émbolo, < o @ vlvulas con sus asientos y jaulas o retenedores de vlvulas.
$int%n& 9u función en el sistema es bombear de manera indefinida. Est compuesto bsicamente por anillos sellos especiales y un lubricante especial. El rango de operación se encuentra en los "$H lpc y una temperatura no mayor a los ?$$IJ.
(unciones de la V)lvula&
9ecuencia de operación de la vlvula viajera permite la entrada de flujo !acia el pistón en su descenso y posteriormente !acer un sello !ermético en la carrera ascendente
permitiendo la salida del crudo !acia superficie. 9ecuencia de operación de la vlvula fija permite el flujo de petróleo !acia la bomba, al iniciar el pistón su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del sistema bomba) tubería, cuando se inicia la carrera descendente del pistón.
Equipos de upe"*icie
La unidad de superficie de un equipo de bombeo mecnico tiene por objeto transmitir la energía desde la superficie !asta la profundidad de asentamiento de la bomba de subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el fondo !asta la superficie. Estas unidades
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pueden ser de tipo balancín o !idrulicas. Los equipos que forman los equipos de superficie se explican a continuación
Unidad de Bo'!eo +Balanc#n,& Es una mquina integrada, cuyo objetivo es de convertir el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad apropiada con la finalidad de accionar la sarta de cabillas y la bomba de subsuelo. lgunas de las características de la unidad de balancín son
La variación de la velocidad del balancín con respecto a las revoluciones por minuto de la
mquina motriz. La variación de la longitud de carrera. La variación del contrapeso que act;a frente a las cargas de cabillas y fluidos del pozo.
&ara la selección de un balancín, se debe tener los siguientes criterios de acuerdo a la productividad y profundidad que puede tener un pozo &roductividad
Los equipos deben ser capaces de manejar la producción disponible. Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y equipos
de bombeo de pozo. Jactibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie adecuada.
&rofundidad
La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensión, de
elongación y del peso. fecta las cargas originadas por los equipos de producción del pozo. 5randes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos recorridos.
La disponibilidad de los balancines va a depender fundamentalmente sobre el dise1o de los mismos. Los balancines sub)dise1ados, limitan las condiciones del equipo de
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producción y en consecuencia la tasa de producción del pozo. Los balancines sobre)dise1ados, poseen capacidad, carga, torque y carrera estn muy por encima de lo requerido y pueden resultar muc!as veces antieconómicos.
Clasi*icaci%n de los Balancines& a+ Balancines convencionales& Estos poseen un reductor de velocidad 'engranaje+ localizado en su parte posterior y un punto de apoyo situado en la mitad de la viga. b+ Balancines de -eo'et"#a avan.ada& Estos poseen un reductor de velocidad en su parte delantera y un punto de apoyo localizado en la parte posterior del balancín. Esta clase de unidades se clasifican en balancines mecnicamente balanceados mediante contrapesos y por balancines balanceados por aire comprimido. Los balancines de aire comprimido son @?* ms peque1as y A$* ms livianas que las que usan manivelas. 9e utilizan frecuentemente como unidades porttiles o como unidades de prueba de pozo 'costa afuera+.
Ca"acte"#sticas de las Unidad de Bo'!eo
2onvencional
=alanceada por
KarG 66
". Kuy eficiente
aire ". La de menor
". Kuy eficiente
<. Kuy confiable
eficiencia <. Las ms
<. 6gual que la
debido a su dise1o
compleja de las
convencional
simple @. La ms económica
unidades @. La ms costosa
@. Koderadamente
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costosa
Dise/o de Equipos de Bo'!eo Mec)nico
Es un procedimiento analítico mediante clculos, grficos yCo sistemas computarizados para determinar el conjunto de elementos necesarios en el levantamiento artificial de pozos accionados por cabilla. La función de este procedimiento es seleccionar adecuadamente los equipos que conforman el sistema de bombeo mecnico a fin de obtener una operación eficiente y segura con mximo rendimiento al menor costo posible.
$aso 0& 9e debe seleccionar el tama1o de la bomba, el dimetro óptimo del pistón, bajo condiciones normales. Esto va a depender de la profundidad de asentamiento de la bomba y el caudal de producción. :ota Fodas las tablas y grficas los colocaré al final de este
post para que puedan ser descargados. $aso 1& La combinación de la velocidad de bombeo ':+ y la longitud de la carrera o embolada '9+, se selecciona de acuerdo a las especificaciones del pistón. 9e asume una
eficiencia volumétrica del ($*. $aso 2& 9e debe considerar una sarta de cabillas 'se debe determinar el porcentaje de distribución si se usa ms de dos dimetros de cabilla+ y el dimetro de pistón, se
determina un aproximado de la carga mxima para el sistema en estudio. $aso 3& 2!equear el valor de factor de impulso para la combinación velocidad de bombeo
':+ y longitud de carrera '9+ establecidos en el &aso < $aso 4& 2lculo de la carga mxima en la barra pulida. &ara este propósito ser necesario obtener cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los pasos previos. &rimero se determinar el peso de las cabillas por pie y la carga del fluido por pie. !ora
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se calcula el peso de las cabillas en el aire 'r+, la carga dinmica en las cabillas '2>+ y
la carga del fluido '2J+ a la profundidad objetivo. r M peso cabillas 'lbCft+ x &rof. 'ft+ 2> M J.6. x r 'lb+ )))))N >onde J.6. 'Jactor de 6mpulso+ 2J M peso fluido 'lbCft+ x &rof. 'ft+ 2arga mxima barra pulida M 2> O 2J $aso 5& 2lculo de la carga mínima de operación '2K+, el contrabalanceo ideal y torque mximo. 2K M >isminución de la carga debido a la aceleración '>2+ P fuerza de flotación 'JJ+ >2 M r x '")2+ )))))N >onde 2 M ':Q< x 9+CD$?$$ JJ M r x 'B<,?CA#$+ )))))N Ralor constante &ara el contrabalanceo ideal se debe proporcionar suficiente efecto de contrabalanceo para darle suficiente valor de carga, el cual va a ser el promedio entre el mximo 'carga
mx. barra pulida+ y el mínimo recién calculado. Entonces 2ontrabalanceo ideal M promedio de carga 'entre mx. y min+ P la carga mínima. Forque mx. M 2ontrabalanceo ideal x &unto medio de la longitud de carrera '9C<+. $aso 6& Estimación de poder del motor eléctrico. 2onocida la profundidad de operación, I&6 del crudo y el caudal requerido de producción, se obtiene una constante que es multiplicada por el caudal de producción 'Rer grfico @+. Este valor obtenido son los %& necesarios justos para levantar el caudal requerido. Lo que se recomienda es que este
valor obtenido se incremente de < a <,? veces para tener un factor de seguridad. $aso 7& 2lculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de & sería el valor de caudal de producción si la bomba trabaja al "$$* de eficiencia. El dise1o de la bomba debe tener al menos el ($* de eficiencia. En crudos pesados debe tener un mximo de "(
stroGesCminutos 'promedio "?I &6+. &M29: & M >esplazamiento de la bomba 2 M 2onstante de la bomba, depende del dimetro del pistón : M Relocidad de bombeo '9&K+ $aso 8& &rofundidad de asentamiento de la bomba 'Kétodo 9!ell, Rer Fabla @+. Esto depender enormemente de la configuración mecnica del pozo. 9i este método no
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cumple, por lo general se asienta a B$ o #$ pies por encima del colgador. 3tras bibliografías !acen referencia que se asienta @$$ pies por debajo del nivel de fluido.
BOMBEO E9ECTROUMER:IB9E +BE,
El bombeo electrosumergible es un método que se comenzó a utilizar en Renezuela en "#?(, con el pozo silvestre "A. 9e considera un método de levantamiento artificial que utiliza una bomba centrífuga ubicada en el subsuelo para levantar los fluidos aportados por el yacimiento desde el fondo del pozo !asta la estación de flujo. La técnica para dise1ar las instalaciones de bombeo electrosumergible consiste en seleccionar una bomba que cumpla los requerimientos de la producción deseada, de asegurar el incremento de presión para levantar los fluidos, desde el pozo !asta la estación, y escoger un motor capaz de mantener la capacidad de levantamiento y la eficiencia del bombeo.
Aplicaciones
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Este es un método de levantamiento artificial altamente eficiente y aplicables para la producción de crudos livianos y medianos con baja presión de fondo, alta relación agua) petróleo, baja relación gas)petróleo y con alto levantamiento o energía. 9in embargo, es uno de los métodos de extracción de crudo que exige mayor requerimiento de supervisión, anlisis y control, a fin de garantizar el adecuado comportamiento del sistema. Sste !a probado ser un sistema artificial de producción eficiente y económica. En la actualidad !a cobrado mayor importancia debido a la variedad de casos industriales en los que es ampliamente aceptado. En la industria petrolera, comparativamente con otros sistemas artificiales de producción tiene ventajas y desventajas, debido a que por diversas razones no siempre puede resultar el mejor. El sistema de bombeo electrosumergible '=E9+ !a demostrado ser una alternativa altamente eficiente para la producción de crudos livianos y medianos en el mbito mundial, gracias a las ventajas que proporciona en comparación con cualquier otro método de levantamiento artificial. Este sistema posee la capacidad de manejar grandes vol;menes de crudo, desde "?$ !asta "$$.$$$ barriles por día '=&>+, desde profundidades !asta de A.?D< metros. dems de esto, el sistema =E9 permite controlar y programar la producción dentro de los límites del pozo, a través del empleo del variador de frecuencia. 3tro de los beneficios que proporciona este método, es la indicación contin;a de las condiciones de presión y temperatura en el pozo, gracias a las se1ales transmitidas por el censor de presión y temperatura ubicado en el fondo pozo.
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$"incipio de (unciona'iento
Fiene como principio fundamental levantar el fluido del reservorio !asta la superficie, mediante la rotación centrífuga de la bomba electrosumergible. La potencia requerida por dic!a bomba es suministrada por un motor eléctrico que se encuentra ubicado en el fondo del pozo4 la corriente eléctrica, necesaria para el funcionamiento de dic!o motor, es suministrada desde la superficie, y conducida a través del cable de potencia !asta el motor. El 9istema =E9 representa uno de los métodos ms automatizables y fcil de mejorar, y est constituido por equipos complejos y de alto costo, por lo que se requiere, para el buen funcionamiento de los mismos, de la aplicación de !erramientas efectivas para su supervisión, anlisis y control.
Ventajas
&uede levantar altos vol;menes de fluidos.
Kaneja altos cortes de agua 'plicables en costa a fuera+.
&uede usarse para inyectar fluidos a la formación.
9u vida ;til puede ser muy larga.
Frabaja bien en pozos desviados
:o causan destrucciones en ambientes urbanos
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Jcil aplicación de tratamientos contra la corrosión y formaciones de escamas. :o tiene casi instalaciones de superficie a excepción de un control de velocidad del motor.
La motorización es eléctrica exclusivamente y el motor se encuentra en la bomba misma al fondo del pozo.
9u tecnología es la ms complicada y cara pero son preferidas en caso de tener que elevar grandes caudales.
Desventajas
Es imprescindible la corriente eléctrica, se requiere de altos voltajes. Los cables se deterioran al estar expuestos a altas temperaturas. Los cables dificultan el corrido de la tubería de producción. :o es recomendable usar cuando !ay alta producción de sólidos. :o es funcional a altas profundidades debido al costo del cable, a posibles problemas operacionales y a los requerimientos de alta potencia de superficie. 2on la presencia de gas libre en la bomba, no puede funcionar ya que impide el levantamiento. Las bombas estn afectadas por temperatura de fondo y producción de arena.
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9i'itaciones
6nversión inicial muy alta.
lto consumo de potencia.
:o es rentable en pozos de baja producción.
Los cables se deterioran al estar expuestos a temperaturas elevadas.
9usceptible a la producción de gas y arena.
9u dise1o es complejo.
Las bombas y motor son susceptibles a fallas.
Es un sistema difícil de instalar y su energización no siempre es altamente confiable.
En cuanto al costo de instalación, es el ms alto, pero el mantenimiento de superficie es mínimo y limitado a los componentes electrónicos de los variadores de velocidad y protecciones eléctricas.
$a")'et"os pa"a la aplicaci%n
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Femperatura limitado por N @?$TJ para motores y cables especiales.
&resencia de gas saturación de gas libre U "$*
&resencia de arena U <$$ ppm.
Riscosidad limite cercano a los <$$ cps.
&rofundidad B$$$ P ($$$ pies
Fipo de completación Fanto en pozos verticales, como desviados.
Rolumen de fluido !asta A$$$ =&>.
Co'ponentes
-na unidad típica convencional del 9istema de =ombeo Electrosumergible se compone bsicamente de equipos de subsuelo, equipos de superficie y cables. La figura muestra los equipos de superficie y subsuelo. El conjunto de equipos de subsuelo se encuentra constituido por la bomba centrifuga, la sección de entrada estndar o el separador de gas, la sección de sello o protector, el motor eléctrico. Entre los cables tenemos el cable conductor eléctrico, el cable de conexión al motor y el sensor de fondo.
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Los equipos de superficie estn conformados por el cabezal de descarga, el variador de frecuencia o el controlador de arranque directo, la caja de unión o venteo y por el conjunto de transformadores. Entre los componentes de accesorios se pueden listar la vlvula de drenaje, la vlvula de venteo, los soportes en el cabezal, los centralizadores y las bandas de cable.
Co'ponentes supe"*iciales
Banco de t"ans*o"'aci%n el;ct"ica& Es aquel que est constituido por transformadores que cambian el voltaje primario de la línea eléctrica por el voltaje requerido para el motor. Este componente se utiliza para convertir el voltaje de la línea al voltaje requerido en la superficie para alimentar al motor en el fondo del pozo4 algunos estn equipados con interruptores taps/ que les dan mayor flexibilidad de operación. 9e puede utilizar un solo transformador trifsico o un conjunto de tres transformadores monofsicos.
Ta!le"o de cont"ol& Es el componente desde el que se gobierna la operación del aparejo de producción en el fondo del pozo. >ependiendo de la calidad de control que se desea tener, se seleccionan los dispositivos que sean necesarios para integrarlos al tablero. este puede ser sumamente sencillo y contener ;nicamente un botón de arranque y un fusible de protección por sobre carga4 o bien puede contener fusibles de desconexión por sobrecarga y baja carga, mecanismos de relojería para restablecimiento automtico y operación intermitente, protectores de represionamiento de líneas, luces indicadores de la causa de paro, amperímetro, y otros
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dispositivos para control remoto, los tipos de tablero existentes son electromecnicos o bien totalmente transistorizados y compactos.
Va"iado" de *"ecuencia& &ermite arrancar los motores a bajas velocidades, reduciendo los esfuerzos en el eje de la bomba, protege el equipo de variaciones eléctricas.
Caja de Venteo& Est ubicada entre el cabezal del pozo y el tablero de control, conecta el cable de energía del equipo de superficie con el cable de conexión del motor, adems permite ventear a la atmósfera el gas que fluye a través del cable, impidiendo que llegue al tablero de control. 9e instala por razones de seguridad entre el cabezal del pozo y el tablero de control, debido a que el gas puede viajar a lo largo del cable superficial y alcanzar la instalación eléctrica en el tablero. En la caja de viento o de unión, los conductores del cable quedan expuestos a la atmósfera evitando esa posibilidad.
Ca!e.al de desca"-a& El cabezal del pozo debe ser equipado con un cabezal en el tubing tipo !idratante o empaque cerrado. Los cabezales de superficie pueden ser de varios tipos diferentes, de los cuales, los ms com;nmente utilizados son
Fipo %ércules, para baja presión
Fipo 7oscado, para alta presión Los cabezales tipo %ércules, son utilizados en pozos con baja presión en el
espacio anular, y en instalaciones no muy profundas. Estos poseen un colgador de tubería tipo cu1a, y un pasaje para el cable. El cable de potencia cruza a través de ellos !asta la caja de venteo, y es empacado por un juego de gomas prensadas.
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Los cabezales roscados se utilizan en operaciones 2osta fuera/, pozos con alta presión de gas en el espacio anular o para instalaciones a alta profundidad. En ellos la tubería esta roscada al colgador, y este se suspende del cabezal.
Acceso"ios
2on el propósito de asegurar una mejor operación del equipo es necesario contar con algunos accesorios.
V)lvula de cont"a
V)lvula de d"enaje& l utilizar vlvula de retención debe utilizarse una vlvula de drenaje, una junta por encima de est, como factor de seguridad para cuando se requiera circular el pozo del anular a la tubería de producción. 9e coloca de una a tres lingadas por arriba de la vlvula de contra presión. 9u función es establecer comunicación entre el espacio anular y la tubería de producción, con el propósito de que ésta se vacíe cuando se extrae el aparejo del pozo. &ara operarla, se deja caer una barra de acero desde la superficie por la tubería de producción4 la barra rompe un perno y deja abierto un orificio de comunicación con el espacio anular.
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Cont"olado" de velocidad va"ia!le& Este dispositivo puede ser considerado como equipo accesorio u opcional, ;nicamente bajo ciertas circunstancias que impone el mismo pozo. Eventualmente la información disponible para efectuar un dise1o no es del todo confiable y como consecuencia se obtiene una instalación que no opera adecuadamente4 anteriormente la alternativa sería redise1ar e instalar un nuevo aparejo, debido a que el sistema de bombeo eléctrico trabaja a velocidad constante para un mismo ciclaje. En otros casos, algunos pozos son dinmicos en cunto a parmetros de presión de fondo, producción, relación gas)aceite y otros para los cuales no es recomendable la operación de un aparejo con velocidad constante. Lo anteriormente expuesto limita la aplicación del sistema a pozos estables donde el n;mero de etapas de la bomba, sus dimensiones y velocidad podrían ser constantes. El controlador de velocidad variable, permite alterar la frecuencia del voltaje que alimenta al motor y por lo tanto modificar su velocidad. El rango de ajuste de la frecuencia es de @$ a #$ %z, lo que implica su amplio rango de velocidades y por lo tanto de gastos que es posible manejar. -na alta frecuencia incrementa la velocidad y el gasto4 una baja frecuencia, los disminuye.
Cent"ali.ado"es& 2omo su nombre lo indica, se utilizan para centrar el motor, la bomba y el cable durante la instalación. 9e utilizan en pozos ligeramente desviados, para mantener el motor centrado y así permitir un enfriamiento adecuado. Fambién evitan que el cable se da1e por roce con el revestidor, a medida que es bajado en el pozo. l utilizar centralizadores se debe tener cuidado de que estos no giren o muevan !acia arriba o !acia abajo la tubería de producción.
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Bandas de ca!le& Fambién se denominan flejes, se utilizan para fijar el cable de potencia a la tubería de producción durante la instalación, y el cable de extensión del motor al equipo. Las bandas se fabrican de tres materiales distintos
=andas de acero negro, se utilizan en pozos donde no exista corrosión.
=andas de acero inoxidable, se usan en pozos moderadamente corrosivos.
=andas de monel, se usan en ambientes corrosivos. 3tros accesorios pueden ser los sensores de presión y de temperatura de fondo,
cajas protectores para transporte del equipo, etc. La integración de todos los componentes descritos es indispensable, ya que cada uno ejecuta una función esencial en el sistema, para obtener en la superficie el gasto de líquido deseado, manteniendo la presión necesaria en la boca del pozo.
Co'ponentes del su!suelo
9on aquellas piezas o componentes que operan instalados en el subsuelo. Las compa1ías de bombeo electrosumergible se especializan en la fabricación de estos equipos, mientras que los componentes de los otros dos grupos son considerados miscelneos. El conjunto de equipos de subsuelo se encuentra constituido por la bomba centrifuga, la sección de entrada estndar o el separador de gas, la sección de sello o protector, el motor eléctrico.
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enso" de *ondo& Es un equipo que se coloca acoplado en la parte final del motor. Est constituido por circuitos que permitan enviar se1ales a superficie registradas mediante un instrumento instalado en controlador, convirtiendo estas, en se1ales de presión a la profundidad de operación de la bomba. 2uando se utiliza un variador de frecuencia, la información del sensor puede ser alimentada a un controlador, para mantener una presión de fondo determinada, mediante el cambio de la velocidad de la bomba. Este sistema est compuesto por una unidad de lectura de superficie, un dispositivo sensor de presión yCo un instrumento sensor de temperatura colocado en la tubería de producción. El sensor de fondo est conectado a la unidad de lectura de superficie, a través de los bobinados del motor y el cable de potencia. El sensor puede registrar la presión de la parte interna de la tubería de producción, o la presión de entrada a la bomba, llamada presión fluyente en el punto de ubicación de la bomba. El sensor de presión es activado por el nivel del fluido yCo la presión de gas en el pozo. 9e calibra automticamente cuando se dan cambios de temperatura, a intervalos específicos. >urante este tiempo las lecturas de presión y temperatura permanecen inalterables en pantallas, permitiendo la realización de registros manuales. -n equipo de superficie se utiliza para manejar la información proveniente del fondo del pozo, en tiempo real. Esta información puede ser solamente mostrada, o enviada a otro sistema de monitoreo, para poder ser extraída y procesada posteriormente.
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dems, dependiendo de la aplicación, existe un sensor de fondo de acuerdo a la temperatura de trabajo4 funciona en presiones de !asta ?$$$ psi.
Moto" el;ct"ico& Es la fuente de potencia que genera el movimiento a la bomba para mantener la El motor eléctrico colocado en la parte inferior de aparejo, recibe la energía desde una fuente superficial, a través de un cable4 su dise1o compacto es especial, ya que permite introducirlo en la tubería de revestimiento existente en el pozo y satisfacer requerimientos de potencial grandes, también soporta una alta torsión momentnea durante el arranque !asta que alcanza la velocidad de operación, que es aproximadamente constante para una misma frecuencia, por ejemplo @?$$ revoluciones por minuto 'rpm+ a B$ ciclos por segundo '%z+. :ormalmente, consiste de una carcasa de acero al bajo carbón, con lminas de acero y bronce fijas en su interior alineadas con las secciones del rotor y del cojinete respectivamente. En la Jigura se muestra el corte transversal de un motor, como los utilizados en aplicaciones de bombeo eléctrico. 9on bipolares, trifsicos, del tipo jaula de ardilla y de inducción los rotores construidos con longitudes de "< a "( pg estn montados sobre la flec!a y los estatores sobre la carcasa el cojinete de empuje soporta la carga de los rotores. El interior del motor se llena con aceite mineral caracterizado por su alta refinación, resistencia dieléctrica, buena conductividad térmica y capacidad para lubricar a los cojinetes. >ic!o aceite, permite que el calor generado en el motor, sea transferido a la carcasa y de ésta a los fluidos de pozo que pasan por la parte externa de la misma4 razón por la que el aparejo no debe quedar abajo del intervalo disparado.
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$"otecto"& Este componente también llamado 9ección sellante, se localiza entre el motor y la bomba est dise1ado principalmente para igualar la presión del fluido del motor y la presión externa del fluido del pozo a la profundidad de colocación del aparejo. Las funciones bsicas de este equipo son
&roveer al motor de un depósito de aceite para compensar la expansión y contracción del fluido lubricante, durante los arranques y paradas del equipo eléctrico.
Fransmitir el torque desarrollado por el motor !acia la bomba, a través del acoplamiento de los ejes.
&ermitir la igualación de presión entre el motor y el anular.
bsorber la carga axial desarrollada por la bomba a través del cojinete de empuje, impidiendo que estas se reflejen en el motor eléctrico.
&revenir la entrada de fluido del pozo !acia el motor.
ecci%n de succi%n& Esta es la puerta de acceso de los fluidos del pozo !acia la bomba, para que esta pueda desplazarlos !asta la superficie. Existen dos tipos bsicos de succiones o intaGes de bombas
Las succiones estndar
Los separadores de 5as Las succiones estndar solamente cumplen con las funciones de permitir el ingreso
de los fluidos del pozo a la bomba y transmitir el movimiento del eje en el extremo del sello al eje de la bomba.
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epa"ado" de -as& Es un componente opcional del aparejo construido integralmente con la bomba, normalmente se coloca entre ésta y el protector. 9irve como succión o entrada de fluidos a la bomba y desvía el gas libre de la succión !acia el espacio anular. El uso del separador de gas permite una operación de bombeo ms eficiente en pozos gasificados, ya que reduce los efectos de disminución de capacidad de carga en las curvas de comportamiento, evita la cavitación a altos gastos, y evita las fluctuaciones cíclicas de carga en el motor producidas por la severa interferencia de gas. Existen dos tipos de separadores 2onvencional, y 2entrífugo., donde su operación consiste en invertir el sentido del flujo del líquido, lo que permite que el gas libre contin;e su trayectoria ascendente !acia el espacio anular. 9u aplicación es recomendable en pozos donde a la profundidad de colocación del aparejo, las cantidades de gas libre no son muy grandes. El separador centrífugo, que trabaja en la siguiente forma en sus orificios de entrada, recibe la mezcla de líquido y gas libre que pasa a través de una etapa de succión neta positiva, la cual imprime fuerza centrífuga a los fluidos4 por diferencia de densidades el líquido va !acia las paredes internas del separador y el gas permanece en el centro. -na aletas guías convierten la dirección tangencial del flujo, en dirección axial4 entonces el líquido y gas se mueven !acia arriba, pasan a través de un difusor que conduce a los líquidos a la succión de la bomba y desvía al gas !acia los orificios de ventilación, donde el gas libre va al espacio anular por fuera de la turbina de producción.
Bo'!a cent"i*u-a su'e"-i!le& 9u función bsica es imprimir a los fluidos del pozo, el incremento de presión necesario para !acer llegar a la superficie, el gasto requerido con presión suficiente en la cabeza del pozo.
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Es de tipo centrifugo)multicapas, cada etapa consiste en un impulsor rotativo y un difusor fijo. El n;mero de etapas determina la capacidad de levantamiento y la potencia requerida para ello. El movimiento rotativo del impulsor imparte un movimiento tangencial al fluido que pasa a través de la bomba, creando la fuerza centrífuga que impulsa al fluido en forma radial, es decir, el fluido viaja a través del impulsor en la resultante del movimiento radial y tangencial, generando al fluido verdadera dirección y sentido de movimiento. 9u función bsica es imprimir a los fluidos del pozo, el incremento de presión necesario para !acer llegar a la superficie, el gasto requerido con presión suficiente en la cabeza del pozo. Las bombas centrífugas son de m;ltiples etapas, y cada etapa consiste de un impulsor giratorio y un difusor estacionario. El impulsor da al fluido energía cinética. El difusor cambia esta energía cinética en energía potencial 'ltura de elevación o cabeza+. El tama1o de etapa que se use determina el volumen de fluido que va a producirse, la carga o presión que la bomba genera depende, del n;mero de etapas y de este n;mero depende la potencia requerida. En una bomba de impulsores flotantes, éstos se mueven axialmente a lo largo de la flec!a y pueden descansar en empuje ascendente o descendente en cojinetes, cuando estn en operación. Estos empujes a su vez, los absorbe un cojinete en la sección sellante. Las etapas a su vez pueden clasificarse, dependiendo de la geometría del pasaje de fluido, en dos tipos
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3tra clasificación de los diferentes tipos de bombas se realiza seg;n la 9E76E de las mismas. En la bomba de impulsores fijos, estos no pueden moverse y el empuje desarrollado por los impulsores los amortigua un cojinete en la sección sellante. Los empujes desarrollados por los impulsores dependen de su dise1o !idrulico y mecnico, adems del gasto de operación de la bomba. -na bomba operando un gasto superior al de su dise1o produce empuje ascendente excesivo y por el contrario operando a un gasto inferior produce empuje descendente. fin de evitar dic!os empujes la bomba debe de operar dentro de un rango de capacidad recomendado, el cual se indica en las curvas de comportamiento de las bombas y que generalmente es de D? * al #?* del gasto de mayor eficiencia de la bomba. -n impulsor operando a una velocidad dada, genera la misma cantidad de carga independientemente de la densidad relativa del fluido que se bombea, ya que la carga se expresa en términos de altura de columna !idrulica de fluido. >e esta característica se desprende el siguiente concepto La presión desarrollada por una bomba centrífuga sumergible, depende de la velocidad periférica del impulsor y es independiente del peso del líquido bombeado. La presión desarrollada convertida a longitud de columna !idrulica que levanta la bomba, es la misma cuando la bomba maneje agua de densidad relativa ".$, aceite de densidad relativa $.(?, salmuera de densidad relativa ".@?, o cualquier otro fluido de diferente densidad relativa. En estos casos la lectura de la presión en la descarga de la bomba es diferente, ;nicamente permanecen fijos el dimetro y la velocidad del impulsor.
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-na interpretación diferente del concepto anterior, es que cada etapa de la bomba imprime a los fluidos un incremento de presión exactamente igual. En esta forma, si la primera etapa eleva la presión en $.? 'HgCcm<+ y la bomba tiene <$ etapas, el incremento total de presión que se obtiene es de "$ 'HgCcm<+.
Ca"acte"#sticas de la !o'!a& &ara establecer las posibilidades de aplicación de una bomba ya construida, por lo que se refiere al gasto que puede manejar, es necesario determinar mediante pruebas prcticas, sus curvas características o de comportamiento4 las cuales indican para diversos gastos, los valores de eficiencia y longitud de columna !idrulica que es capaz de desarrollar la bomba4 así como, la potencia al freno. Las pruebas prcticas de la bomba se realizan utilizando agua dulce de densidad relativa ".$ y viscosidad ")$ cp !aciéndola trabajar a velocidad constante y estrangulando la descarga. >urante la prueba se miden en varios puntos el gasto, el incremento de presión a través de la bomba y la potencia al freno. El incremento de presión se convierte a carga de columna !idrulica y se calcula la eficiencia total de la bomba. 9in embargo, las bombas en realidad se utilizan para bombear líquidos de diferentes densidades y viscosidades, operando a otras velocidades también constantes. En estos casos es necesario tomar en cuenta el efecto de algunos parmetros a fin de predecir el comportamiento de la bomba bajo condiciones reales de operación
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E*ecto del ca'!io de velocidad El gasto varía en proporción directa a los cambios de velocidad de la bomba. La carga producida es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia es proporcional al cubo de la velocidad. La eficiencia de la bomba permanece constante con los cambios de velocidad.
E*ecto de la densidad "elativa La carga producida por un impulsor no depende de la densidad relativa. Entonces la curva de capacidad de carga no depende de la densidad relativa, la potencia varia directamente con la densidad relativa y la eficiencia de la bomba permanece constante independientemente de la densidad del líquido.
E*ectos de ca'!io del di)'et"o de i'pulso" La capacidad de carga varía directamente con el dimetro de los impulsores y la potencia varía directamente con el cubo del dimetro. La eficiencia de la bomba no cambia. Las grficas de curvas de comportamiento para cada bomba, las publica el fabricante adems de las curvas de eficiencia carga y potencia vs gasto, incluye información respecto al dimetro de tubería de revestimiento en que puede introducirse la bomba, tipo y n;mero de serie de la misma, ciclaje de la corriente para alimentar al motor, velocidad de la flec!a del motor y el n;mero de etapas considerado en la elaboración.
(en%'eno de cavitaci%n& 9i la presión absoluta del líquido en cualquier parte dentro de la bomba cae debajo de la presión de saturación correspondiente a la temperatura de operación, entonces se forman peque1as burbujas de vapor. Estas burbujas son arrastradas por el líquido fluyendo, !acia regiones de ms altas presiones donde se condensan o colapsan. La condensación de las burbujas produce un tremendo incremento en la presión lo que resulta similar a un golpe de martillo o c!oque. Este fenómeno se conoce como 2avitación. >ependiendo de la magnitud de la cavitación, ésta puede resultar en una destrucción mecnica debida a la erosión, corrosión y
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a la intensa vibración. La cavitación también tiene un efecto significativo en el comportamiento de la bomba. 9u capacidad y eficiencia se reducen.
Ca!les& La unión eléctrica entre los equipos descritos, instalados en el subsuelo, y los equipos de control en superficie son los cables. Existen varios tipos de cables en una instalación de bombeo electrosumergible
Extensión de 2able &lano.
2able de &otencia.
2onectores de 9uperficie. La extensión de cable plano, es una cola de cable de características especiales que
en uno de sus extremos posee un conector especial para acoplarlo al motor. En el otro extremo este se empalma al cable de potencia. La diferencia entre ambos es que este posee las mismas propiedades mecnicas y eléctricas que los cables de potencia pero son de un tama1o inferior.
Ca!le Conducto" El;ct"ico '$OT=EAD,& La energía eléctrica necesaria para impulsar el motor, se lleva desde la superficie por medio de un cable conductor, el cual debe elegirse de manera que satisfaga los requisitos de voltaje y amperaje para el motor en el fondo del pozo, y que re;na las propiedades de aislamiento que impone el tipo de fluidos producidos. Existe en el mercado un rango de tama1os de cable, de configuración plana y redonda con conductores de cobre o aluminio, de tama1os < al B. El tama1o queda determinado por el amperaje y voltaje del motor así como por el espacio disponible entre las tuberías de producción y revestimiento.
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Existen muc!os tipos diferentes de cable, y la selección de uno de ellos depende de las condiciones a las que estar sometido en el subsuelo. 2onsiderando la longitud de un conductor para la aplicación de un voltaje dado, los voltios por pie disminuyen conforme el alambre es ms largo, como consecuencia la velocidad del electrón disminuye lo que resulta en una reducción de corriente, en otras palabras, la resistencia es directamente proporcional a la longitud del conductor/. 2uando la sección transversal o dimetro de un alambre es mayor, tiene un efecto contrario sobre la resistencia ya que el n;mero de electrones libres por unidad de longitud se incrementa con el rea. =ajo esta condición la corriente se incrementar para una fuerza electromotriz 'fem+ dada ya que se mueven ms electrones por unidad de tiempo, en otras palabras La resistencia es inversamente proporcional al rea de la sección transversal del conductor/. 2uando se usan cables en sistemas de alto voltaje, cada uno de los conductores est rodeado por un considerable espesor de material aislante y algunas veces con una cubierta de plomo. unque la corriente normal fluye a lo largo del conductor, existe una peque1a corriente que pasa a través del aislamiento 'fuga de corriente+ de un conductor a otro. Esta fuga se considera despreciable. El aislamiento de los cables debe resistir las temperaturas y presiones de operación en el pozo.
BOMBA DE CAVIDAD $RO:REIVA +BC$,
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Las bombas de 2avidad &rogresiva son mquinas rotativas de desplazamiento positivo, compuestas por un rotor metlico, un estator cuyo material es elastómero generalmente, un sistema motor y un sistema de acoples flexibles. El efecto de bombeo se obtiene a través de cavidades sucesivas e independientes que se desplazan desde la succión !asta la descarga de la bomba a medida que el rotor gira dentro del estator. El movimiento es transmitido por medio de una sarta de cabillas desde la superficie !asta la bomba, empleando para ello un motor P reductor acoplado a las cabillas. Este tipo de bombas se caracteriza por operar a baja velocidades y permitir manejar altos vol;menes de gas, sólidos en suspensión y cortes de agua, así como también son ideales para manejar crudos de mediana y baja gravedad &6.
=isto"ia del siste'a BC$
La =omba de 2avidades &rogresivas '=.2.&.+ fue inventada en "#@< por un 6ngeniero eronutico Jrancés llamado 7ené Koineau, quién estableció la empresa llamada &2K &3K&E9 9.. para la fabricación de la misma. En sus inicios, estas bombas fueron ampliamente utilizadas como bombas de superficie especialmente para el bombeo de mezclas viscosas. ctualmente, el mayor n;mero de bombas de cavidades progresivas instaladas para la extracción de petróleo se encuentran en 2anad.
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Las primeras =ombas de 2avidades &rogresivas '=.2.&. de subsuelo+ utilizadas en 2anad fueron instaladas en "#D# en pozos de petróleo con alto contenido de arena y bajas gravedades &6 'crudos pesados+. En la actualidad, se utilizan también en pozos productores de crudos medianos y livianos, especialmente con alto contenido de agua. En Renezuela, las =ombas de 2avidades &rogresivas de subsuelo comenzaron a evaluarse a mediados de los a1os ($. Los resultados no fueron del todo satisfactorios y esto se debió en gran parte a lo relativamente incipiente de la tecnología en el país y al desconocimiento del alcance y limitaciones del sistema. %oy en día, se cuenta con instalaciones exitosas en pozos de crudos viscosos4 bajos y medianos4 y aplicaciones a moderadas profundidades. Las limitaciones del método contin;an siendo la incapacidad de los elastómeros para manejar altas temperaturas, crudos livianos con bajo corte de agua y alto contenido de aromticos, medianos a altos vol;menes de gas libre 'el gas afecta la bomba de dos maneras, atacndolo directamente y por el calor que se genera al ser sustituido los líquidos por la mezcla gaseosa+. >e igual manera, desde el punto de vista mecnico las cabillas representan un elemento con una capacidad limitada al esfuerzo combinado al torque y tensión constituyendo algunas veces a ser el equipo que impone la restricción en el dise1o del sistema. &or ;ltimo, cabe mencionar que estas bombas son muy verstiles excepto en lo referente a su compatibilidad entre modelos y marcas ya que ni los Estatores ni los rotores son intercambiables.
$"incipios de (unciona'iento de la Bo'!a
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grandes rasgos, la =omba de 2avidades &rogresivas '=2&+ est compuesta por el 7otor y el Estator. El 7otor es accionado desde la superficie por un sistema impulsor que transmite el movimiento rotativo a la sarta de 2abillas la cual, a su vez, se encuentra conectada al 7otor. El Estator es el componente esttico de la bomba y contiene un polímero de alto peso molecular con la capacidad de deformación y recuperación elstica llamado Elastómero. 9e cuenta con diversos arreglos de materiales y geometría, sin embargo la utilizada en la 6ndustria &etrolera :acional es la de un 7otor metlico de un lóbulo en un Estator con un material elstico 'Elastómero+ de dos lóbulos.
(unda'entos de la Bo'!a
2onsiste en dos componentes bsicos
El rotor es una pieza de acero de alta resistencia torneada externamente como una !élice
de n/ lóbulos. El estator es de material elastomérico torneado internamente como una !élice de nO"/ lóbulos. 7ango de aplicación
&roducción de petróleos pesados 'U"(T&6+ con cortes de arena !asta un ?$*. &ara viscosidades entre ?$$ y "$$.$$$ cp. Fiene una capacidad de levantamiento de
m de profundidad. &roducción de crudos medios '"()@$T&6+ con cortes de arena U "*.
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&ara viscosidades inferiores a ?$$ cp. Fiene una capacidad de levantamientos de B$$ a
"$$$ m '<$$ a @<($ ft+ de profundidad. &etróleos livianos 'N@$T&6+ con limitaciones de aromticos.
Tipos de instalaci%n B$C
Instalaci%n convencional& En la instalación convencional, primero se baja la tubería de producción se la ancla con un pacGers luego de la fijación se baja el estator y rotor que son instalados de forma separada4 en este tipo de instalación se demora y consume ms tiempo y en consecuencia mayor inversión, las varillas son las que proporcionan el movimiento giratorio, son enroscadas al rotor generando el movimiento giratorio que el sistema exige para ponerse en marc!a. Este tipo de instalación !oy en día ya no es tan usada por el tiempo que consume, mientras que la instalación insertable es el que lo !a suplantado.
Instalaci%n Inse"ta!le& En la configuración de bombas insertables el estator se baja al fondo del pozo conjuntamente con el resto del sistema de subsuelo. En otras palabras, la bomba completa es instalada con la sarta de varillas sin necesidad de remover la columna de tubería de producción, minimizando el tiempo de intervención y, en consecuencia, el costo asociado !a dic!o trabajo. La bomba es la misma que en la configuración convencional con la diferencia de que viene adaptada a un sistema de acople que permite obtener un equipo totalmente ensamblado
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como una sola pieza. l rotor se le conecta una extensión de varilla la cual sirve como apoyo al momento de espaciado de la bomba. Los acoples superior e inferior de esta extensión sirven de guía y soporte para la instalación de este sistema.
:eo'et"#as
La geometría de la bomba est sujeta a la relación de lóbulos entre rotor y estator, y est definida por los siguientes parmetros 2ada ciclo de rotación del rotor produce dos cavidades de fluido. El rea es constante, y la velocidad de rotación constante, el caudal es uniforme4 Esta es una importante característica del sistema que lo diferencia del bombeo alternativo con descarga pulsante. Esta acción de bombeo puede asemejarse a la de un pistón moviéndose a través de un cilindro de longitud infinita. La mínima longitud requerida por la bomba4 para crear un efecto de acción de bombeo es -: &93, ésta es entonces una bomba de una etapa. 2ada longitud adicional de paso da por resultado una etapa ms. El desplazamiento de la bomba, es el volumen producido por cada vuelta del rotor 'es función del rea y de la longitud de la cavidad+. Existen distintas geometrías en sistemas =2&, y las mismas estn relacionadas directamente con el n;mero de lóbulos del estator y rotor. En las siguientes figuras se puede observar un ejemplo donde podremos definir algunas partes importantes.
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Elast%'e"os
9on la base del sistema =2& en el que est moldeado el perfil de doble !élice del estator. >e su correcta determinación y su interferencia con el rotor, depende la vida ;til de una =2&. El elastómero es un elemento que puede ser estirado un mínimo de dos veces de su longitud y recuperar inmediatamente su dimensión original. Es el cauc!o natural que es tratado para producir encruzamiento, forma enlaces covalentes entre las diferentes cadenas poliméricas, uniéndolas en una sola molécula reticulada para dar como resultado el elastómero. 2ondiciones de elastómeros para =2&
7esistencia a la fatiga4 !asta ?$$.$$$.$$$ de ciclos acumulados de deformación
cíclica. Elasticidad4 Juerza necesaria por unidad de superficie para estirar una unidad de
longitud 'resistencia a la presión+. >ureza s!ore4 fuerza requerida para deformar la superficie del elastómero. 7esistencia al desgarramiento. 7esistencia a la abrasión4 pérdida de material por abrasión. 7esilencia velocidad para volver a la forma original, para poder volver a sellar las
cavidades. &ermeabilidad4 para evitar la descompresión explosiva, en paros de producción de
pozos con gas libre en la succión de la bomba.
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En el caso de la industria petrolera los principales elastómeros son de cauc!o de nitrilo butadieno :=7 'nitrile butadiene rubber+, cadenas poliméricas de butadieno y acrilonitrilo '2:+. Este compuesto el que le aporta las propiedades necesarias para afrontar los requerimientos de la explotación de petróleo. El contenido de 2: en los elastómeros para petróleo est comprendido entre "( y ?$ *, produciendo diferentes efectos sobre sus características y propiedades.
$"esi%n en la !o'!a
La presión desarrollada dentro de la bomba depende bsicamente de dos factores
:;mero de líneas de sello 'etapas+ 6nterferencia o compresión entre rotor y estator La mayor o menor interferencia, o compresión entre rotor y estator se puede
lograr en principio variando el dimetro nominal del rotor. su vez, la expansión del elastómero durante el proceso de producción !ace que la interferencia aumente, lo cual se deber tener en cuenta para elegir la mejor combinación entre rotor y estator. La expansión del elastómero se puede dar por
Expansión térmica 'por la temperatura del fondo de pozo o debido a la energía térmica
generada por deformación cíclica)%istéresis+ Expansión química La cantidad de veces que la línea de sellos se repite, define el n;mero de etapas de
la bomba. 2ada etapa est dise1ada para soportar una determinada presión diferencial, por lo
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tanto a mayor :T de etapas, mayor es la capacidad para vencer una diferencial de presión. 9e pueden presentar distintas combinaciones que afectan a la distribución de la presión dentro de la bomba.
6gual 6nterferencia) >istinto n;mero de etapas 6gual n;mero de etapas ) >istinta 6nterferencia
Equipos de upe"*icie
Ca!e.al -i"ato"io& tiene como función principal aguantar el peso de la sarta de cabillas y rotar la misma, est ajustado a una caja de velocidad variable con su respectiva caja de engranajes. El cabezal de rotación debe ser dise1ado4 para manejar las cargas axiales de las varillas, el rango de velocidad a la cual debe funcionar, la capacidad de freno y la potencia necesitara.
Moto"& Es un dispositivo utilizado para transferir la energía desde la fuente de energía primaria !asta el cabezal de rotación, este puede ser eléctrico, de combustión interna. 9e encarga de accionar el cabezal giratorio a través de un conjunto de engranajes, correas flexibles de cauc!o reforzado o cadenas de rodillos.
$"ensa estopa& tiene como función principal sellar el espacio entre la barra pulida y la tubería de producción, evitando con ello la filtración y comunicación del rea donde est ubicado el pozo. El dimetro interno de la prensa estopa varía dependiendo de la barra pulida
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Ba""a pulida > su -"apa& es un tubo sólido de acero inoxidable, se conecta a la sarta de cabillas y es soportada en la parte superior del cabezal giratorio mediante la instalación de una grapa.
iste'a de *"enado& La segunda función importante del cabezal es la de frenado que requiere el sistema una vez y rota en marc!a inversa, llamado =acG)9pin/. 2uando un sistema &2& est en operación, una cantidad significativa de energía se acumula en forma de torsión sobre las varillas. 9i el sistema se para repentinamente, la sarta de varillas de bombeo libera esa energía girando en forma inversa para liberar torsión. dicionalmente, a esta rotación inversa se le suma la producida debido a la igualación de niveles de fluido en la tubería de producción 'Fubing+ y el espacio anular, en el momento de la parada. >urante ese proceso de =acG)9pin, se puede alcanzar velocidades de rotación muy altas. l perder el control del =acG)9pin, las altas velocidades pueden causar severos da1os al equipo de superficie, desenrosque de la sarta de varillas y !asta la rotura violenta de la polea el cabezal, pudiendo ocasionar esta situación da1os severos al operador
Equipos de u!suelo
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El Estato"& es un cilindro de acero 'o Fubo+ revestido internamente con un Elast%'e"o sintético 'polímero de alto peso molecular+ moldeado en forma de dos !élices ad!erido fuertemente a dic!o cilindro mediante un proceso especial. El Estator se baja al pozo con la tubería de producción 'bombas tipo Fubular o de Fubería+ o con la sarta de cabillas 'bombas tipo 6nsertables+.
El Roto"& est fabricado con acero de alta resistencia mecanizado con precisión y recubierto con una capa de material altamente resistente a la abrasión. 9e conecta a la sarta de cabillas 'bombas tipo Fubular+ las cuales le transmiten el movimiento de rotación desde la superficie 'accionamiento o impulsor+. -n 7otor se fabrica a partir de una barra cilíndrica de acero en un torno especial. Luego de ser mecanizado se recubre con una capa de un material duro. 5eneralmente se trata de un recubrimiento con un proceso electro químico de cromado.
Elast%'e"o& Es una goma en forma de espiral y est ad!erida a un tubo de acero el cual forma el estator. El elastómero es un material que puede ser estirado varias veces su longitud original teniendo la capacidad de recobrar rpidamente sus dimensiones una vez que la fuerza es removida.
Tu!e"#a de p"oducci%n& Es una tubería de acero que comunica la bomba de subsuelo con el cabezal y la línea de flujo. En caso de !aber instalado un ancla de torsión, la columna se arma con torsión óptimo &6, correspondiente a su dimetro. 9i existiera arena, a;n con ancla de torsión, se debe ajustar con la torsión mxima &6, de este modo en caso de quedar el ancla atrapada, existen ms posibilidades de librarla, lo que se realiza girando la columna !acia la izquierda. 9i no !ay ancla de torsión, se debe ajustar también con el mximo &6, para prevenir el desenrosque de la tubería de producción.
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a"ta de va"illas& Es un conjunto de varillas unidas entre sí por medio de cuplas formando la mencionada sarta, se introduce en el pozo y de esta forma se !ace parte integral del sistema de bombeo de cavidad progresiva. La sarta est situada desde la bomba !asta la superficie. Los dimetros mximos utilizados estn limitados por el dimetro interior de la tubería de producción, utilizndose dimetros reducidos y en consecuencia cuplas reducidas, de manera, de no raspar con el tubing.
El Niple de $a"o& es un tubo de peque1a longitud 'corto+ el cual se instala bajo el Estator 'bombas tubulares+ y cuya funciones principales son
9ervir de punto tope al rotor cuando se realiza el Espaciamiento del mismo. =rindar un espacio libre al rotor de manera de permitir la libre elongación de la sarta de
cabillas durante la operación del sistema. 6mpedir que el rotor yCo las cabillas lleguen al fondo del pozo en caso de producirse
rotura o desconexión de estas ;ltimas. 9ervir de punto de conexión para accesorios tales como nclas de 5as o nti)torque,
Jiltros de rena, etc.
Niple de Manio!"a 9u utilización es obligatoria. Este niple intermedio o niple de maniobra durante las operaciones 'bajada de la completación al pozo+ las cu1as, mordazas, llaves de apriete, etc.4 se colocaran en él, en lugar del cuerpo del estator, evitando así cualquier da1o a este ;ltimo.
Niple Asiento& Es una peque1a unión sustituta que se corre en la sarta de producción. &ermite fijar la instalación a la profundidad deseada y realizar una prueba de !ermeticidad de ca1ería. En bombas insertables el mecanismo de anclaje es mediante un mandril a copas que permite utilizar el mismo niple de asiento que una bomba mecnica, evitando en un futuro el movimiento de instalación de tubería de producción al momento de cambiar el sistema de extracción.
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E'pacadu"a Es un equipo que se activa mecnica o !idrulicamente y que una vez instalada cierra u obtura completamente el espacio anular entre la tubería de producción y el revestidor.
Ancla de Tu!e"#a Es un dispositivo que fija la tubería de producción al revestidor, limitando el movimiento axial y rotativo de la sarta.
Ancla de To"que l girar la sarta de cabillas !acia la derec!a 'vista desde arriba+ la fricción entre el rotor y el estator !ace que la tubería también tienda a girar !acia la derec!a, en el sentido de su desenrosque. Este efecto puede originar la desconexión de la tubería, la utilización de un ancla de torque evita este riesgo. Este equipo se conecta debajo del niple de paro, se fija al revestidor por medio de cu1as verticales. l arrancar la bomba el torque generado !ace que las cu1as se aferren al revestidor impidiendo el giro del Estator.
Cent"ali.ado"es de Ca!illas& Los centralizadores de cabillas se suelen colocar sólo en aquellos pozos con desviaciones o inclinaciones muy pronunciadas.
Niples de D"enaje& 5eneralmente se utiliza un niple de drenaje para desalojar el crudo de la tubería de producción en aquellos casos cuando no es posible sacar el rotor de la bomba, por ejemplo cuando falla la sarta de cabillas y no se puede pescar/ la misma.
Niples ?@& 2on el fin de detectar agujeros o uniones defectuosas en la sarta de tubería, se acostumbra realizar una prueba de presión durante la operación de bajada de la misma. &ara realizar esta prueba se puede instalar un niple de asiento V, sobre el estator de la bomba, en el cual se asienta una vlvula fija con pescante, la cual es fcil de recuperar luego de la prueba.
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Mand"il A Copas &ermite fijar la instalación en el niple de asiento y produce la !ermeticidad entre la instalación de tubería de producción y el resto del pozo. El término mandril tiene muc!os significados. &uede referirse al cuerpo principal de una !erramienta o un eje. dicionalmente, partes de la !erramienta podrían estar conectadas, arregladas o encajadas adentro. Fambién puede ser varillas de operación en una !erramienta.
apato p"o!ado" de e"'eticidad& En caso de ser instalado 'altamente recomendado+, se debe colocar siempre arriba del niple intermedio. &ara poder probar toda la ca1ería y adems como su dimetro interno es menor que el de la tubería de producción no permite el paso de centralizadores a través de él. &ara algunas medidas de bomba, no se puede utilizar, porque el pasaje interior del mismo es inferior al dimetro del rotor impidiendo su paso en la bajada.
Ca/o (ilt"o& 9e utiliza para evitar, 'en el caso de rotura de estator con desprendimiento de elastómero+, trozos de tama1o regular del mismo, pueden estar dentro del espacio anular. -na vez cambiada la instalación de fondo, estos pedazos de elastómero podrn ser recuperados con equipo especial y no permanecern en el pozo donde se corre el peligro que sean succionados nuevamente por la bomba.
Ventajas
Los sistemas =2& tienen algunas características ;nicas que los !acen ventajosos con respecto a otros métodos de levantamiento artificial, una de sus cualidades ms importantes es su alta eficiencia total. Fípicamente se obtienen eficiencias entre ?$ y B$ *. 3tras ventajas adicionales de los sistemas =2& son
&roducción de fluidos altamente viscosos '<$$$)?$$$$$+ centipoises4
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La inversión de capital es del orden del ?$* al
dimensiones del cabezal de accionamiento4 Los costos operativos son también muc!o ms bajos. 9e se1ala a!orros de energía de !asta B$* al D?* comparado con unidades convencionales de bombeo eficiente. El sistema de accionamiento es también eficiente a causa de que la varillas de bombeo no se
levantan y bajan, solo giran4 Los costos de transporte son también mínimos, la unidad completa puede ser transportada
con una camioneta4 3pera eficientemente con arena debido a la resiliencia del material del estator y al
mecanismo de bombeo4 La presencia de gas no bloquea la bomba, pero el gas libre a la succión resta parte de su
capacidad, como sucede con cualquier bomba, causando una aparente ineficiencia4 mplio rango de producción para cada modelo, rangos de velocidades recomendados desde
rango se puede obtener sin cambio de equipo. La ausencia de pulsaciones en la formación cercana al pozo generar menor producción de arena de yacimientos no consolidados. La producción de flujo constante !acen ms
fcil la instrumentación4 El esfuerzo constante en la sarta con movimientos mínimos disminuye el riesgo de fallas por fatiga y la pesca de varillas de bombeo4 9u peque1o tama1o y limitado uso de espacio en superficies, !acen que la unidad =&2 sea perfectamente adecuada para locaciones con pozos m;ltiples y plataformas de
producción costa fuera4 El bajo nivel de ruido y peque1o impacto visual la !ace ideal para reas urbanas4 usencia de partes reciprocantes evitando bloqueo o desgaste de las partes móviles4 y 9imple instalación y operación.
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Desventajas
Los sistemas =2& también tienen algunas desventajas en comparación con los otros métodos. La ms significativa de estas limitaciones se refiere a las capacidades de desplazamiento y levantamiento de la bomba, así como la compatibilidad de los elastómeros con ciertos fluidos producidos, especialmente con el contenido de componentes aromticos. continuación se presentan varias de las desventajas de los sistemas =2&
7esistencia a la temperatura de !asta <($IJ o "@(I2 'mxima de @?$IJ o "D(I2+4 lta sensibilidad a los fluidos producidos 'elastómeros pueden !inc!arse o deteriorarse
con el contacto de ciertos fluidos por períodos prolongados de tiempo+4 Fendencia del estator a da1o considerable cuando la bomba trabaja en seco por períodos
de tiempo relativamente cortos 'que cuando se obstruye la succión de la bomba, el equipo
comienza a trabajar en seco+4 >esgaste por contacto entre las varillas y la ca1ería de producción en pozos direccionales
y !orizontales. 7equieren la remoción de la tubería de producción para sustituir la bomba 'ya sea por falla, por adecuación o por cambio de sistema+. 9in embargo, estas limitaciones estn siendo superadas cada día con el desarrollo
de nuevos productos y el mejoramiento de los materiales y dise1o de los equipos. En su aplicación correcta, los sistemas de bombeo por cavidades progresivas proveen el ms económico método de levantamiento artificial si se configura y opera apropiadamente.
I'ple'entaci%n del BC$ en Vene.uela
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Este sistema se implementó por primera vez en Renezuela en "#(@. ctualmente son utilizados en los campos de 2osta =olívar 'Lagunillas, Fía Wuana y 2abimas, existen aproximadamente @$$ pozos instalados+ y en todo el país, cerca de A?$ pozos.
ANE@O Bo'!eo Mec)nico
&artes de superficie
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&artes de subsuelo
Bo'!eo Elect"osu'e"-i!le
Esquema de las partes de superficie y subsuelo
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&artes de subsuelo
Bo'!eo de Cavidad $"o-"esiva
7otor y estator
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&artes de subsuelo
CONC9UIÓN
-na de las etapas ms importantes de la rama petrolera es la producción de !idrocarburos ya que permite estudiar y aplicar las distintas !erramientas adecuadas para extraer el !idrocarburo que se encuentra en el subsuelo. &or tal motivo, se requiere de una serie de estudios que permitan conducir a las mejores formas en cómo se puede extraer los fluidos donde estos pueden variar de acuerdo a la naturaleza y a la fuerza que contenga un pozo determinado, el cual, como se manejó anteriormente pueden existir métodos de levantamiento artificial. Es por ello que se llegó a las siguientes finalidades inicialmente el pozo producir por flujo natural, los métodos de levantamiento artificial suplen la energía del pozo. &or otra parte cada tipos de bombeo tiene características propias que ayudan a la producción con
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diferentes características del petróleo y del mismo yacimiento, por ejemplo el bombeo mecnico puede trabajar con cortes de arena y gas, opera a temperaturas elevadas, opera tanto para crudos pesados como viscosos y grandes cantidades de agua. su vez el bombeo electrosumergible tiene una alta tasa de producción, tiene que contarse con una bomba específica, no puede operar con una alta relación de gas)petróleo y cantidad de arena, aunque puede manipular cortes de agua lo que la !ace muy ;til en pozo con acuíferos. &or otra parte al aplicar el bombeo de cavidad progresiva es beneficioso porque se puede operar con petróleos viscosos y parafinados, tasas de agua y gas, tiene bajo costo de instalación y mantenimiento, aunque tiene una limitación con la temperatura y que no opera en pozos desviados. 2abe destacar que todos los métodos son empelados para maximizar el valor económico a largo plazo de las reservas de !idrocarburos con el menor costo posible.
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ngelino!mt, <@ de :oviembre del <$"B, =ombeo electrosumergible. :emoll, !ttpCCes.slides!are.netCangelino!mtCbombeo)electrosumergible)nemoll =2&RE:,
