CARTAS DINAMOMETRICAS INTRODUCCION
El bombeo mecánico de petróleo es el método de extracción de crudo más ampliamente uti utilia liado do en los !acim acimie ient ntos os ar"e ar"ent ntin inos os ! en "ran "ran part partee del del mund mundo# o# Se basa basa$$ %undamentalmente en una bomba de pistón dispuesta en el %ondo de un poo &de 'arios centenares de metros de pro%undidad( )ue recibe el mo'imiento alternati'o "enerado por un aparato indi'idual de bombeo mecánico &AI*M( situado en la super%icie# +a transmisión de mo'imi mo'imient entoo desde la super%i super%icie cie al %ondo del poo se ,ace median mediante te una sucesión sucesión de 'arillas de bombeo unidas entre s-$ conocida usualmente como sarta# Dado )ue la relación entre lon"itud ! diámetro de la sarta es de 'arios órdenes de ma"nitud$ la esbelt elte del sist sisteema ,ac ,ace )ue se compor porte como omo si %ue %uese mu! elás elásttico independientemente del material con )ue esté construido# Además$ dado )ue las 'arillas se desplaan dentro de un tubo )ue transporta el %luido bombeado ,asta la super%icie &tubin"($ parte de la %uera e.ercida por el aparato de bombeo se disipa en el contacto de la sarta con ba/o l-)uido )ue la rodea ! en e'entuales contactos con el tubin"# Todo Todo ello ,ace )ue lo )ue sucede en la boca del poo diste notoriamente notoriamente de lo )ue ocurre en el %ondo del mismo !$ si bien lo ideal para conocer lo )ue sucede en la bomba ser-a contar con dinamómetros de %ondo$ esto está le.os de ser económicamente 'iable# Desdee la década Desd década de 012 0123$ 3$ los los produc producto tore ress ,an pu puest estoo "ran "ran én%as én%asis is en los los méto método doss matemáticos para predecir$ dise/ar ! dia"nosticar sistemas de bombeo mecánico &+iu et al#$ 4335(# En 0126 7ibbs presentó el modelo matemático unidimensional de la dinámica de la sarta$ el cual contempla una ecuación di%erencial de se"undo orden en deri'adas parciales ! sus correspondientes condiciones de borde# Si bien se ,an ,ec,o numerosos desarrollos desde su %ormulación$ la ecuación de 7ibbs contin8a siendo actualmente la base de la ma!or-a de los cálculos dinamométricos en sistemas de bombeo mecánico &Ta9ács$ 0116($ ! es la base del traba.o )ue a)u- se expone# +as condiciones de borde para esta ecuación sur"en de la medición de 'ariables en super%icie &%uera ! desplaamiento(# El resultado de esta medición se denomina carta dinamométrica de super%icie &CDS(# +a predicción de las condiciones ,omólo"as en la bomba se denomina carta dinamométrica de %ondo &CD:(# &CD: (# En los 8ltimos a/os se ,a 'olcado la atención al desarrollo de métodos ! sistemas para optim optimi iar ar el %unci %unciona onami mient entoo de inst instal alaci acion ones es de bombeo bombeo mecá mecáni nico$ co$ basad basados os en el dia" dia"nós nósti tico co de las las misma mismass &Sánc &Sánc,e ,e et al#$ al#$ 43 433;< 3;< =u et al#$ al#$ 43 433;( 3;(## Esto Esto impl implic ica$ a$ independientemente del es)uema de optimiación )ue se emplee$ )ue se necesita conocer el estado del sistema de extracción mediante dinamometr-a antes de e%ectuar las acciones de control$ es decir$ obtener la CDS ! calcular la CD: por al"8n método# OBJETIVOS • •
DETERMINAR +A DE:INICION DE CARTAS CARTAS DINAMOMETRICAS INDICAR +AS C+ASI:ICACION DE +AS CARTAS CARTAS DINAMOMETRICAS
• •
INTER>RETAR +AS CARTAS DINAMOMETRICAS ANA+I?AR +A E@A+ACION DE +AS CARTAS DINAMOMETRICAS EN >O?OS#
DESARROLLO
DINAMOMETROS O CARTAS DINAMOMETRICAS +as cartas dinamométricas re"istradas en super%icie$ en poos producidos con *ombeo mecánico brindan in%ormación esencial para el dise/o ! dia"nóstico del sistema de extracción# El concepto de dinamometr-a lle'a consi"o la interpretación en super%icie de lo )ue está pasando en el %ondo de poo# El uso principal de la carta dinamométrica de la bomba es el de identi%icar ! analiar los problemas de %ondo de poos# B Carta dinamométrica de super%icie Representa la medición de las car"asen las 'arillas de bombeo en distintas posiciones a lo lar"o de un ciclo completo de bombeo# +as car"as "eneralmente son representadas en +ibras ! el desplaamiento en pul"adas# B Carta dinamométrica de la bomba Carta dinamométrica de super%icie representa la medición de las car"as en las 'arillas de bombeo en distintas posiciones a lo lar"o de un ciclo completo de bombeo# +as car"as "eneralmente son representadas en +ibras ! el desplaamiento en pul"adas# Carta dinamométrica de la bomba &%ondo( representa las car"as calculadas en distintas posiciones de la bomba a lo lar"o de un ciclo de bombeo ! representa las car"as )ue la bomba aplica sobre la parte in%erior de la sarta de 'arillas de bombeo# C+ASI:ICACIN DE +OS DINAMMETROS a( Desde el punto de 'ista de su %abricación
Dinamómetros electrónicos
Dinamómetros ,idráulicos
Dinamómetros mecánicos
Dinamómetros electrónicos Consiste en un medidor electrónico de car"as ! de un medidor de desplaamiento$ los cuales están conectados a dos canales de un ampli%icador electrónico )ue re"istra las car"as o desplaamiento en una carta durante todo un ciclo de bombeo# +os datos obtenidos son sometidos a un estudio matemático con computadora electrónica$ )ue permite calcular las 'erdaderas condiciones en el %ondo de poo#
Dinamómetros ,idráulicos Es un aparato )ue mide las car"as sobre el 'ásta"o pulido &'arilla( con presión ,idráulica ! puede ser instalado rápidamente en cada poo sin necesidad de detener su marc,a$ de manera tal )ue la bomba de pro%undidad no pro'o)ue alteraciones en las condiciones de traba.o# Este dinamómetro es un re"istro de car"as ! posiciones# El más conocido es el dinamómetro +euter#
Dinamómetros mecánicos Es un instrumento )ue re"istra la de%lexión de un anillo de acero$ debido a las car"as en la 'arilla pulida# +a de%lexión del anillo es proporcional a la car"a$ la cual se re"istra en un tambor por medio de una plumilla )ue constru!e un "rá%ico sobre papel &dina"rama o carta dinamométrica(# El más com8nmente usado es el dinamómetro Fo,nsonG:a""# Este tipo de dinamómetro$ mide el e%ecto de contrabalance en el 'ásta"o pulido$ indica cuando la 'ál'ula 'ia.era abre durante la carrera descendente$ da una indicación del peso del %luido$ la estabilidad de operación de bombeo re"istrado$ as- como también las car"as innecesarias )ue son las causa de numerosas %allas mecánicas#
El dinamómetro re"istra un dia"rama de car"as &carta dinamométrica o dina"rama( en el 'ásta"o pulido$ as- como de su recorrido$ !a )ue no se trata de un mo'imiento uni%orme# +os caminos recorridos por el 'ásta"o pulido en la unidad de tiempo son distintos$ as-$ en el punto muerto superior e in%erior$ la 'elocidad es i"ual a cero$ siendo la máxima en la mitad de la carrera# El dinamómetro no solo mide las car"as estáticas$ sino también$ los es%ueros dinámicos )ue pueden aparecer en el ciclo de bombeo# INTER>RETACIN DE +AS CARTAS DINAMOMHTRICAS
lbs
B
C
A
D
Car ga,
Desplazamiento, plg Consideraciones para un sistema ideal a( el poo es bombeado lentamente$ b( no existen es%ueros de 'ibraciones ni de %ricción$ c( al comieno de la carrera ascendente$ la 'ál'ula de pie se abre ! la 'ál'ula 'ia.era se cierra instantáneamente d( al comieno de la carrera descendente$ la 'ál'ula de pie se cierra ! la 'ál'ula 'ia.era se abre instantáneamente$ e( la lon"itud de las 'arillas no 'ar-an debido a la trans%erencia de car"a del %luido# E.e 'ertical car"a en el 'ásta"o pulido E.e ,oriontal lon"itud de la carrera A* Carrera ascendente$ la car"a en el 'ásta"o pulido es debida a la car"a del %luido más el peso de las 'arillas en el %luido
*C pie
:inal de la carrera ascendente$ la car"a es trans%erida inmediatamente a la 'ál'ula
CD Carrera descendente$ la car"a en el 'ásta"o pulido se debe solo al peso de las 'arillas en el %luido DA :inal de la carrera descendente$ la car"a es trans%erida inmediatamente a la 'ál'ula 'ia.era ANA+ISIS DE +AS CARTAS DE N CIC+O DE *OM*EO TI>ICO
En el punto 0 el 'ásta"o pulido ,a terminado la carrera ascendente$ en ese momento la 'ál'ula 'ia.era cierra ! el 'ásta"o pulido comiena a ascender$ por lo )ue la car"a aumenta &0G4(# Desde el punto 4 las 'arillas su%ren una elon"ación debido a las car"as del %luido$ re"istrándose un decremento de las car"as &4G6(# Como las 'arillas se desplaan ,acia arriba$ se incrementa la car"a debido a la aceleración$ lle"ando a un punto máximo &5(# El 'ásta"o pulido desacelera$ obteniéndose un decremento de la car"a en el 'ásta"o &5G(# En el punto &( la carrera ascendente ,a %inaliado# Entre los puntos &( ! &2($ las 'arillas comienan a ascender$ por lo )ue ,a! un inmediato descenso de la car"a debido a )ue existe una trans%erencia dela la car"a del %luido a la tuber-a de producción$ lo )ue si"ni%ica )ue la 'ál'ula 'ia.era se abrió al comieno de la carrera descendente# En el punto &2($ la 'ál'ula de pie ,a tomado toda la car"a del %luido ! ,a! un marcado decremento de la car"a en el 'ásta"o pulido# El punto &;( representa la car"a m-nima# Desde el punto &;( ,asta el punto &0($ la aceleración decrece como resultado de un incremento de car"a en el 'ásta"o pulido#
+a l-nea T@ representa la car"a en la 'ál'ula 'ia.era# +a l-nea S@ representa la car"a en la 'ál'ula de pie# +a l-nea C* demuestra )ue la instalación se encuentra correctamente contrabalanceada$ !a )ue dic,a l-nea está a i"ual distancia entre la car"a máxima ! m-nima# +a carta dinamométrica no muestra un traba.o de bomba e%ecti'o$ 8nicamente produce un e%ecto de a"itación en el %ondo# Esto se debe a )ue el poo tiene ener"-a su%iciente como para mantener las 'ál'ulas de la bomba abierta# A medida )ue el poo pierde ener"-a se comiena a acumular l-)uido en el %ondo$ dado )ue el caudal de "as no es su%iciente como para ele'ar la totalidad del l-)uido a la super%icie# Este e%ecto "enera un traba.o de bomba intermitente$ es decir$ sólo durante al"unas pocas emboladas se aprecia traba.o e%ecti'o de bomba# Operati'amente el comportamiento de este tipo de poos "enera numerosos incon'enientes# Al no disponer de un caudal de l-)uido )ue colabore con la lubricación del 'ásta"o pulido$ son %recuentes las roturas de empa)uetaduras$ )ue "eneran derrames ! trastornos operati'os# >ara la operación de este tipo de poo se implementó el uso del modo timer en el controlador$ )ue nos posibilita accionar el AI* después de un tiempo su%iciente de paro$ de manera )ue el poo ,a!a acumulado un cierto ni'el de l-)uido en el %ondo# De este modo$ en el momento del arran)ue del bombeo$ la bomba tiene un ni'el de l-)uido sobre ella )ue le permite realiar un traba.o de bomba# El bombeo de l-)uido ,acia la super%icie produce )ue el 'ásta"o pulido se manten"a lubricado$ eliminando por completo los problemas de des"aste de empa)uetaduras# >ara determinar los tiempos de paro ! marc,a adecuados )ue posibiliten solucionar +os problemas operati'os ! maximiar la producción$ es necesario realiar al"unas pruebas a distintos tiempos de paro$ !a )ue cada poo tiene un tiempo de paro ! marc,a óptimo# +as pruebas tienen como ob.eti'o establecer un tiempo de paro tal )ue nos permita tener un arran)ue de bombeo con un llenado de bomba entre el J3 ! 033K$ ! un tiempo de marc,a su%iciente como para restablecer la condición de ur"encia# En muc,as ocasiones lo"rar un 033K de llenado de bomba en el momento del arran)ue re)uiere de un tiempo de paro mu! prolon"ado$ ! una columna de l-)uido tal$ )ue puede "enerar inter%erencia en los punados productores de "as$ tra!endo como consecuencia pérdida de producción# Debido a las di%erentes caracter-sticas de los poos$ es imposible establecer un tiempo de marc,a ! paro estándar )ue pueda lle"ar a ser aplicado en todos los casos# Cada poo tiene sus tiempos óptimos de operación# En la %i"ura ; de la pá"ina J6 se puede obser'ar )ue el dinamómetro aul es la carta de paro ! el ro.o es la de arran)ue# >ara operar ba.o estas condiciones es importante contar con unidades de bombeo )ue no sean balanceadas a aire &air balanced($ por)ue al tener tiempos de paro normalmente prolon"ados "eneran en muc,as ocasiones la despresuriación del cilindro$ )ue deri'a en un arran)ue %allido de la unidad#
En caso de tener )ue acudir a este tipo de unidades$ es aconse.able utiliar uno )ue se encuentre en per%ecto estado$ a %in de e'itar la despresuriación del cilindro en los momentos del paro#
7R>O DE >O?OS 0 >oos con escasa producción de l-)uidos ! abundante caudal de "as# +a principal caracter-stica es )ue producen con sur"encia o semisur"encia por casin" ! tubin"# na de las %ormas de reconocer este tipo de comportamiento es mediante la carta dinamométrica Caracter-stica de este tipo de poos ! por la imposibilidad de la toma de muestra l-)uida en boca de poo$ !a )ue solo produce "as con l-)uido en %orma de niebla# +a carta dinamométrica no muestra un traba.o de bomba e%ecti'o sino )ue solo produce un e%ecto de a"itación en el %ondo# Esto se debe a )ue el poo tiene ener"-a su%iciente Como para mantener las 'ál'ulas de la bomba abierta# A medida )ue el poo pierde ener"-a se comiena a acumular l-)uido en el %ondo dado )ue el caudal de "as no es su%iciente Como para ele'ar la totalidad del l-)uido a la super%icie# Este e%ecto "enera un traba.o de bomba intermitente$ es decir$ solo durante al"unas pocas emboladas se aprecia traba.o e%ecti'o de bomba# Operati'amente el comportamiento de este tipo de poos "enera numerosos incon'enientes# Al no disponer de un caudal de l-)uido )ue colabore con la lubricación del 'ásta"o pulido$ son %recuentes las roturas de empa)uetaduras "enerando derrames ! trastornos operati'os# >ara la operación de este tipo de poo se implementó el uso del modo TIMER en el controlador$ )ue nos permite accionar el AI* después de un tiempo su%iciente de paro como para )ue el poo ,a!a acumulado un cierto ni'el de l-)uido en el %ondo# De esta manera en el momento del arran)ue del bombeo$ la bomba tiene ni'el de l-)uido sobre ella )ue le permite realiar un traba.o de bomba# El bombeo de l-)uido ,acia la super%icie produce )ue el 'ásta"o pulido se manten"a lubricado$ eliminando por completo los problemas de des"aste de empa)uetaduras# >ara determinar los tiempos de paro ! marc,a adecuados )ue nos permitan solucionar los problemas operati'os ! maximiar la producción$ es necesario realiar al"unas pruebas a distintos tiempos de paro !a )ue cada poo tiene un tiempo de >aro ! marc,a óptimo# +as pruebas tienen como ob.eti'o establecer un tiempo de paro tal )ue nos permita tener un arran)ue de bombeo con un llenado de bomba entre el J3 ! 033K$ ! un tiempo de marc,a su%iciente como para restablecer la condición de sur"encia# En muc,as ocasiones lo"rar un 033K de llenado de bomba en el momento del arran)ue
Re)uiere de un tiempo de paro mu! prolon"ado$ ! una columna de l-)uido tal$ )ue puede "enerar inter%erencia en los punados productores de "as$ tra!endo como consecuencia perdida de producción# Debido a las di%erentes caracter-sticas de los poos$ es imposible establecer un tiempo de marc,a ! paro estándar )ue pueda lle"ar a ser aplicado en todos los casos# Cada poo tiene sus tiempos óptimos de operación# >ara operar ba.o estas condiciones es importante contar con unidades de bombeo )ue no sean balanceadas a aire &Air*alanced($ esto es debido a )ue al tener tiempos de paro normalmente prolon"ados "eneran en muc,as ocasiones la despresuriación del cilindro$ deri'ando en un arran)ue %allido de la unidad# En caso de tener )ue acudir a este tipo de unidades$ es aconse.able utiliar uno )ue se encuentre en per%ecto estado de modo de e'itar la despresuriación del cilindro en los momentos del paro# 7R>O DE >O?OS 4 Clasi%icamos dentro de este "rupo a los poos )ue ,an perdido potencial de "as ! se comportan prácticamente como un poo con'encional de producción primaria# Es decir caudales medios de "as &0333G;333 m6Ld de "as( ! caudales de l-)uido medios & ! 63 m6pd(# Son poos )ue tienen un comportamiento estable ! de detenerse la acción mecánica del bombeo no produce por el tubin" por s- solo$ !a )ue no cuenta con la ener"-a para ,acerlo$ solo produce pe)ue/as cantidades de "as por casin"# +as cartas dinamométricas de estos poos son %áciles de identi%icar$ !a )ue presentan en la ma!or-a de los casos una marcada compresión de "as# Son propensos a los blo)ueos por "as ! es mu! di%-cil lo"rar buenas e%iciencias de bombeo# >ara estos poos como para la ma!or-a de los poos 7OR$ es recomendable el uso de unidades de bombeo con carreras lar"as ! ba.a 'elocidad de bombeo$ de manera de bene%iciar la acción de la bomba en el %ondo del poo# El uso de controladores >ump O%% nos permite operar los poos de modo de e'itar los blo)ueos por "as$ el parámetro de control utiliado para este tipo de poos es el llenado de bomba de la carta dinamométrica de %ondo# Es introducido un 'alor de re%erencia de llenado de modo de )ue el poo deten"a el estado de marc,a cuando el llenado de la bomba sea in%erior al este 'alor# +os 'alores de porcenta.e de marc,a diario son mu! 'ariables se"8n cada poo ! no es ni más ni menos )ue el resultado de los parámetros )ue se le establecen al controlador para )ue este comande el %uncionamiento del poo ! el ré"imen de producción &carrera ! %recuencia de bombeo( 7R>O DE >O?OS 6 +a principal caracter-stica de estos poos es )ue la distribución de las capas productoras permite producir "as ! l-)uido ba.o sur"encia por el casin" ! maximiar la producción de l-)uido a tra'és del tubin" impulsados por la bomba de pro%undidad# +as capas productoras de "as se disponen sobre capas importantes de l-)uidos#
7eneralmente en la puesta en marc,a de estos poos presentan una alta producción de l-)uidos ! mu! buena producción de "as# Cuando esto ocurre la puesta en bombeo de estos poos "enera al"unos problemas operati'os debido a las altas presiones )ue se "eneran en la l-nea de producción$ ocasionada por la producción de un %luido de tipo multi%ásico &"as$ petróleo ! a"ua(# A medida )ue el diámetro de las l-neas de producción es aumentar$ este problema se minimia# +a manera en )ue anti"uamente se operaba este tipo de poos era producir por casin"$ de.ando la unidad de bombeo parada ,asta )ue el poo pierda presión# na 'e ocurrido la despresuriación se pon-a en %uncionamiento la unidad de bombeo ! as- se comenaba a producirlos l-)uidos desde el %ondo del poo# o! con el %in de prioriar la producción de los l-)uidos$ la manera empleada es comenar desde el primer momento con la unidad de bombeo en marc,a produciendo l-)uidos con la bomba de pro%undidad a tra'és del tubin"# El casin" se 'a a ir abriendo a medida )ue la presión de la l-nea de producción no supere la presión establecida de cierre de la 'ál'ula de se"uridad &+ine brea9(# Normalmente en producción esos poos no "eneran ma!ores problemas$ pero si re)uieren de un buen se"uimiento# +a raón de este se"uimiento es por)ue es mu! importante mantener la sur"encia por casin" el ma!or tiempo posible# >ara esto se debe mantener el ni'el de l-)uido a.ustado por deba.o de los punados productores de "as ! lo más cercano a la bomba posible# +a 'eri%icación de estas condiciones debe realiarse con %recuencia !a )ue no mantener la sur"encia por casin"$ el poo pierde producción de l-)uido ! "as en %orma abrupta# Ante la imposibilidad de poder realiarle un sonolo" por casin" para determinar el ni'el de %luido del poo$ la ,erramienta de se"uimiento es la carta de dinamométrica de %ondo# El modo en )ue se producen este tipo de poos es al 033K de marc,a diaria$ ! tratando )ue la carta de %ondo traba.e con un incipiente "olpe de %luido# +a carta dinamométrica$ %i"ura NP 0;$ no aparenta ser de un poo con producción de "as sin embar"o este poo produce más de 433 Mm6"pd# 7eneralmente a medida )ue la producción de "as 'a disminu!endo$ la cantidad de l-)uido )ue se producen ba.o sur"encia en el casin" disminu!e# Esto pro'oca incremento de ni'el de l-)uido en el %ondo del poo$ lo cual tiene acarreado una pérdida de producción# Si el ni'el de l-)uido inter%iere en los punados productores de "as puede conducir al a,o"ue de los mismos ! producir una perdida irrecuperable en la producción de "as ! l-)uido# +a manera de e'itar este e%ecto prematuramente es incrementar el ré"imen de extracción a medida )ue estos %enómenos se 'a!an mani%estando o bien anticipadamente# CONC+SIONES El conocimiento de la carta dinamométrica ! su análisis$ nos pueden maximiar los bene%icios de muc,os poos productores$ ase"urando )ue la unidad de bombeo ! 'arillas
operen de una %orma más económica ! dentro de sus ran"os de car"a$ además de )ue la bomba subsuper%icial está e.ecutando su traba.o con máxima e%iciencia# *iblio"ra%-a ,ttpLLQQQ#lacomunidadpetrolera#or"L ,ttpLLQQQ#buenastareas#comL ,ttpLLQQQ#oilproduction#netL ,ttpLLQQQ#rincondel'a"o#comL ,ttpLLQQQ#Qi9ipedia#comL