OPERACIÓN DE LA BOMBA La operación de la bomba afecta todos los componentes del sistema. Esta influye en las cargas sobre la sarta de cabillas, unidad de bombeo, caja de engranaje y motor, sistemas con bombas de calibres grandes son muy sensibles a la presión de línea de flujo, incluso pequeños aumentos en la presión de la línea podrían aumentar significativamente las cargas en la barra pulida.
ACCION DE LAS VALVULAS. Para entender cómo trabaja la bomba hay que darle un vistao a la acción de las v!lvulas, asumiendo que la bomba est! llena de con liquido incompresible tal como petroleo o agua. La figura ".# muestra cómo se comportan las v!lvulas viajeras y fijas durante el ciclo.
CARRERA ASCENDENTE. En la carrera ascendente, cuando el piston comiena a moverse hacia arriba, la v!lvula viajera cierra y levanta las cargas del fluido. Esto genera un vacío en el barril de la bomba que causa la apertura de la v!lvula fija permitiendo que el fluido proveniente del yacimiento llene la bomba.
CARRERA DESCENDENTE. En la carrera descendente, cuando el pistón comiena a moverse hacia abajo, la v!lvula fija se cierra y el fluido en el barril de la bomba empuja la v!lvula viajera abriendo esta. El pistón viaja a trav$s del fluido que se ha desplaado hacia la bomba durante la carrera ascendente, luego el ciclo se repite. %in la acción de las las v!lvulas no sería sería posible la producción producción,, si la v!lvula fija no abre, el fluido no entraría a la bomba, si la v!lvula viajera no abre entonces el fluido no entraría a la tubería.
DISEÑO DE BOMBEO MECANICO El &P'
ha desarrollado un metodo est!ndar para describir las unidades de
bombeo. Es como sigue CAPACIDA
( ) *"+ ) "- ) ++ TIPO DE
LONG.
CAPACIDA
/ipo de unidad de bombeo0 12 C3 (onvencional, 2 M3 4ar5 '', 2 A3 6alanceada a aire7 (apacidad de carga en los engranajes 0 En 4iles de libras ej. *"++++ Lbs. (apacidad de la estructura 0 En cientos de libras 1la barra pulida no debe e8ceder los "-++ Lbs.7 Longitud de la carrera 0 En Pulg. 9sualmente tienen desde " hasta longitudes de carreras.
GEOMETRIA DE LAS UNIDADES DE BOMBEO Las m!s comunes son:
1. /ipo (onvencional. 2. 4ar5 ''. 3. 6alanceada por aire. TIPO CONVENCIONAL. VENTAJAS • • • •
(ostos de mantenimiento bajos (uesta menos que otras unidades. 9sualmente es mejor que el 4ar5 '' sin problemas. Puede rotar en sentido horario y anti horario.
• •
Puede bombear m!s r!pido que las unidades 4ar5 '' sin problemas. ;equiere menos contrabalanceo que las 4ar5 ''.
DESVENTAJAS •
En varias aplicaciones no es tan eficiente como el 4ar5 '' u otros tipos de
•
unidades. Podría requerir cajas de engranajes
m!s grandes que otros tipos de
unidades.
TIPO MARK II. VENTAJAS • • •
/iene menor torque en la mayoría de los casos. Podría costar menos o + < comparada con una convencional. Es m!s eficientes que las unidades convencionales.
DESVENTAJAS •
En varias aplicaciones no puede bombear tan r!pido como una
• •
convencional debido a su velocidad en la carrera descendente. %olo puede rotar en sentido anti horario. En caso de e8istir golpe de flujo podría causar m!s daño en la sarta de
•
cabillas y la bomba. Puede e8perimentar torques m!s altos que las unidades convencionales cuando se usan cabillas de fibra de vidrio, adem!s de la posibilidad de colocarlas en comprensión.
TIPO BALANCEADAS POR AIRE. VENTAJAS • •
Es m!s compacta y f!cil de balancear que las otras unidades. Los costos de transporte son m!s bajos que otras unidades porque pesa menos.
• •
=ienen en tamaños m!s grandes que cualquier otra unidad. Pueden rotar tanto en sentido horario o anti horario.
DESVENTAJAS •
%on m!s complicadas y requieren mayor mantenimiento 1compresor de
•
aire, cilindro de aire7 La condensación del aire en el cilindro puede constituir un serio problema. La caja de engranaje puede dañarse si el cilindro pierde presión de aire.
•
>tras características importantes de las unidades de bombeo balanceadas por aire son: • • •
Perfecto contrabalanceo. Longitudes de carreras de hasta "+ pies para poos con alto potencial. ?!cil de instalar.
FACTORES A CONSIDERAR PARA EL DISEÑO. El m$todo de levantamiento artificial m!s com@n y antiguo del mundo es el bombeo mec!nico. Aebido a su simplicidad y robuste, es posible su aplicación en casi todos los tipos de poos que requieren levantamiento. Para una buena selección del equipo a utiliar es necesario conocer diferentes tipos de factores tales como: la tasa de producción, esperada, las cargas a
soportar por las cabillas, las cargas en la caja de engranajes de la unidad de bombeo, costos de energía, aporte del yacimiento, etc. & continuación se describen algunos de los factores m!s importantes a considerar:
BOMBAS DEL SUBSUELO Las bombas de subsuelo pertenecen a la familia de bombas de desplaamiento positivo, del tipo reciprocante. Estas bombas son colocadas en el fondo del poo, a profundidades que oscilan entre "++ y B+++ pies. La bomba de subsuelo es el primer elemento que se debe considerar al diseñar una instalación de bombeo mec!nico para un poo, ya que de acuerdo al tipo, tamaño y ubicación, se dimensiona el resto de los componentes del sistema.
CAUDAL A MANEJAR En la figura se muestra cantidad de fluido manejado es inversamente proporcional a la profundidad, estamos hablando que a +++ pies de profundidad estaríamos en capacidad de manejar hasta C+++ barriles de fluido por día, en cambio para profundidades por encima de B+++ pies, apenas manejaríamos hasta ++ barriles de fluido diario.
MANEJO DE SOLIDOS Los sólidos pueden generar efectos indeseables en la bomba, llegando al punto de paraliar el movimiento del pistón en el barril y a su ve crear incrementos de esfueros en cabillas y en la unidad de bombeo. Esto es debido a que la bomba de subsuelo es un conjunto de componentes met!licos en movimiento con un ajuste específico.
PROFUNDIDAD Y SARTA DE LAS CABILLAS La sarta de cabillas es el medio de transporte de la energía desde el equipo de superficie hacia la bomba de subsuelo. Por supuesto esta transmisión de energía est! influenciada por el comportamiento de la sarta, que a su ve depende de la profundidad.
Ae manera sencilla podemos representar la sarta de cabillas como un elemento de alta esbelte, siendo la esbelte la relación que e8iste entre la longitud del elemento y el ancho de su sección transversal, es decir, la longitud de la sarta de cabilla es mucho mayor que su di!metro, por ejemplo los órdenes de magnitud est!n en el orden de "+++ pies para la longitud de la sarta comparado con pulgada 1+.+#* pies7 para el di!metro.
CARGA EN LAS CABILLAS Y EN LA CAJA DE ENGRANAJE Estos factores dar!n dimensión al equipo de superficie y a la sarta de cabilla. Los mismos se calcular!n a partir del potencial del poo, la cantidad de flujo manejado y el di!metro de la bomba.
COSTO DE LA ENERGIA Y EFICIENCIA DEL SISTEMA (uando se realia un diseño en levantamiento artificial es importante tomar en cuenta cual debe ser la prioridad de diseño, es decir, si se requiere una configuración para la m!8ima producción de fluidos, o si se necesita una configuración con el óptimo consumo de energía. Esto es v!lido cuando los costos de energía afectan de manera sensible la rentabilidad del proyecto. Por ejemplo, si la prioridad es minimiar los costos de energía, se puede utiliar bombas m!s grandes y velocidades de bombeo menor, pero a su ve, bombas m!s grandes incrementan las cargas en las cabillas y los torques en la caja de engranaje, por lo tanto se requiere de unidades de bombeo m!s grande, por supuesto incide en los costos de inversión. Por otra parte, si se quiere utiliar bombas de menor dimensión, pero con igual producción, es necesario aumentar la velocidad y la carrera de bombeo, esto incrementa el consumo de energía pero podría reducir el requerimiento del tamaño de la unidad de bombeo. 6!sicamente se tiene un compromiso entre eficiencia, carga en la cabilla y el tamaño de la unidad de bombeo.
Lo importante en el diseño de una instalación de bombeo mec!nico es predecir los requerimientos de cargas, potencias y contrabalance, así como tambi$n, las relaciones de esfuero, torques y tasas de producción. 9na ve que estos par!metros son conocidos, el equipo apropiado puede ser seleccionado para cumplir los requerimientos establecidos.
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EN BOMBEO MECANICO Lo importante en el diseño de una instalación de bombeo mec!nico es predecir los requerimientos de cargas, potencias y contrabalance, así como tambi$n, las relaciones de esfuero, torques y tasas de producción. 9na ve que estos par!metros son conocidos, el equipo apropiado puede ser seleccionado para cumplir los requerimientos establecidos. Dasta la d$cada de los +, los m$todos de diseño de sistemas de bombeo eran empíricos. El m!s conocido sobreviviente de estas viejas t$cnicas es el 4$todo de 4ill, luego se desarrollaron las Pr!cticas ;ecomendadas L de la &P', hasta lograr m$todos m!s e8actos como lo es el 4$todo de la Ecuación de >nda. Para este @ltimo m$todo, se requiere el uso de programas de computadora para lograr r!pida y eficientemente un buen diseño.
DESARROLLO DEL METODO API RP – 11 L Este m$todo se basó en el uso de un computador para simular las condiciones de bombeo para luego generar cartas dinagr!ficas de fondo y de superficie. Estas simulaciones se hicieron bajo las siguientes consideraciones: •
• • • • •
Llenado completo de la bomba de subsuelo 1sin interferencia de gas o golpe de fluido7. (abillas de acero con diseño &P'. 9nidades de bombeo con geometría convencional. Poco desliamiento del motor. 9nidad perfectamente balaceada. Fo debe e8istir grandes efectos de fricción o aceleración.
• • •
Fo hay efectos por aceleración de fluidos. /ubería de producción anclada. Profundidades mayores a los "+++ ft.
Los datos obtenidos de estas cartas dinagr!ficas calculadas se utiliaron para desarrollar curvas adimensionales y luego fueron validadas con un gran n@mero de casos de diseño pr!ctico. Las tablas elaboradas hacen m!s f!cil la selección y evaluación de equipos de bombeo, sin necesidad de c!lculos e8cesivos.
PROCEDIMIENTO
En resumen, el c!lculo de las ;P L requiere de los siguientes pasos principales:
1. ;ecolección de datos, estos pueden ser de una instalación e8istententes o de datos calculados. 2. (!lculo de los par!metros adimensionales independientes. 3. 9tiliando las gr!ficas &P', obtener los par!metros adimensionales dependientes. 4. & partir de los par!metros adimensionales dependientes se determinan los par!metros operacionales del sistema. & continuación se presenta un ejemplo de la aplicación del m$todo. 9nidad de bombeo: convencional Longitud de carrera en superficie: ++ Pulg. (ombinación de cabillas: BG#3 8 *GC3 Profundidad de la bomba: -+++ pies Ai!metro del pistón: ," Pulg. =elocidad de bombeo: gpm Hravedad específica del fluido: +,# /ubería de producción: anclada (alcular las cargas, esfueros, potencia, contrabalanceo requerido y el torque para un poo con $stas características de bombeo.
SOLUCIÓN: ! Para una bomba con pistón de ." Pulg. Ae di!metro y una combinación de cabillas de BG#3 y *GC3 el metodo de &P' sugiere la siguiente distribución de tamaños de cabillas. *+.- < de BG# #" ft -I.C < de *GC CB ft /otal -+++ ft
"! El peso de las cabillas en el aire 1Jr7 es igual a .#C lbsGft, 1este dato tambi$n se encuentra en el tabulado en el boletín7. Entonces, el peso total de la sarta 1K7 ser!. J0 longitud de la sarta peso por unidad de longitud J0 -+++ ft .#C lbsGft. 0 +##C Lbs.
(omo la sarta de cabillas est! sumergida en un fluido con gravedad especifica de +.#, su peso ser! inferior debido a la flotabilidad. El peso total de la sarta de cabillas flotadas 1Jrf7 ser!: Jrf0 J 1)+."#1H77 Jrf0 +##C 1)+."#+.#7 Jrf0 IB-I Lbs. Aónde: Jrf0 Peso total de las cabillas flotadas 1lbs.7 J0 Peso total de las cabillas en el aire 1lbs.7 H0 gravedad específica del fluido 1adim.7
#! La carga del fluido sobre la bomba 1?o7, depende de la gravedad específica del fluido propiamente dicho, la profundidad del levantamiento y el di!metro. ?o 0 +.*C+HA "D ?o0 +.*C+ +.#." "-+++ ?o0 "+ lbs. AondeM ?o0 carga del fluido sobre la bomba
$! El c!lculo del estiramiento de las cabillas adimensional, 1?oG%Nr7, es una de las relaciones claves para determinar una carga dinagr!fica parecida. La constante el!stica de la sarta de cabillas, es un valor tabulado en el reporte. Esto es. Er0 +.#" + )- PulgGLbs)ft Las propiedades de estiramiento total de la sarta de cabillas, est!n relacionadas con su constante Nr, cuyo reciproco es GNr0 ErL GNr0 +.#"+ )--+++ 0 +.++CI PulgGLbs. Esto significa que los -+++ pies de cabillas se estiraran C.#B+ )* Pulg. Por cada libra aplicada sobre ella. &hora se puede calcular la relación adimensional del estiramiento. ?oG%Nr0 1"++.++CI7G++ 0 +."
Esto quiere decir que los -+++ ft de cabillas se estiraran alrededor de ". < de la carrera de superficie, cuando levanten "+ Lbs. Ae carga de fluido. %P0 longitud de la carrera)estiramiento %P0 ++)". 0 #B. Pulg. Aónde: %P0 (arrera del pistón.
%! La otra relación importante es la velocidad de bombeo adimensional, este factor es el coeficiente entre la velocidad de bombeo y la frecuencia de las cabillas, esta @ltima es la frecuencia mediante la cual la sarta de cabillas vibrar! sin fricción, y si estuviera fija en tope y libre en fondo. &plicando la sgte ecuación. FGFoO0 1FL7 G 1"C++?c7 Aespejando FoO0 1"C++?c7GL FoO0 1"C++.+BB7G-+++ 0 CC cpm. %ignifica que la sarta vibrar! naturalmente a raón de CC ciclos por minuto si esta fija en el tope y libre en el fondo. AóndeM ?c0 ?actor de corrección de frecuencia. FGFoO0 coeficiente entre la velocidad de bombeo y la frecuencia natural. 'gualmente la velocidad de bombeo adimensional, para la sarta combinada ser!. FGFoO0 1-+++7G1"C+++.+BB7 0 +." La relación de bombeo significa que la velocidad de gpm. es el " < de la frecuencia natural de la sarta combinada de CC cpm.
&! En la figura ".* se muestra una gr!fica que permite obtener una relación adimensional 1?G%Nr7, para calcular la carga m!8ima en la barra pulida, utiliando los factores adimensionales conocidos. FGFoO0 +." y ?oG%Nr0 +."
Ae dicha figura obtenemos ?G%Nr0 +.*. Entonces: ?0 +.* %Nr ?0 +.*1++G+.++CI7 0 -*"B Lbs. PP;L0 Jrf ? PP;L0 IB-I-+I- 0 -+I- Lbs. Aónde: PP;L0 (arga m!8ima en la barra pulida. Esto significa que la m!8ima carga sobre la estructura o viga ser! de -+I- Lbs. E esto determina las especificaciones de carga en la unidad de bombeo.
'! Ae la figura ".C se obtiene la relación adimensional 1?"G%Nr7, usando los mismos factores de velocidad FGFoO0 +.", ?oG%Nr0 +."
Ae la figura obtengo ?"G%Nr0 +. Ae tal manera. ?"0 +. %Nr ?"0 +.1++G+.++CI7 0 *+#" Lbs.
Luego calculamos la carga mínima en la barra pulida.
4P;L0 Jrf)?" 4P;L0 IB-I)*+#" 0 --#B Lbs. Aónde: 4P;L0 (arga mínima en la barra pulida. La importancia del c!lculo de $sta carga mínima es la siguiente: •
%i la carga es negativa, se requiere unas consideraciones diferentes de diseñoM por ejemplo, una velocidad de bombeo m!s baja. Esto se e8plica, porque las cabillas no bajarían lo suficientemente r!pido en las carreras descendenteM por lo tanto, produciría un fuerte golpe en el sistema elevadorGespaciador, lo cual se traduce en daños sobre el equipo mec!nico. Esto es conocido como 2problemas de seno3. Este golpe puede ser
•
imperceptible pero afectar! la eficiencia de bombeo. El rango entre las cargas m!8imas y mínimas en la barra pulida, gobiernan los límites de esfueros impuestos sobre la sarta de cabillas, y son factores claves en la fatiga y vida @til de la misma.
(! El torque m!8imo en la caja de engranajes es otro par!metro importante en la selección de la unidad de bombeo. La figura ". muestra una gr!fica para calcular una relación adimensional de torque, usando tambi$n los valores adimensionales de velocidad y estiramiento de las cabillas mencionados anteriormente.
Ae dicha figura obtenemos. "/G%"Nr0 +." /0 1+." %" Nr7G1"7 /0 1+."++ "7G1"+.++CI7 0 "-+." 4Lbs)Pulg. Aónde: "/G%"Nr0 relación adimensional de torque.
/0 /orque m!8imo en la caja de engranajes. (orrección al torque. JrfG%Nr0 1IB-I+.++CI7G++ 0 +.CB#
Ae esta grafica usando los factores FGFoO0+." y ?oG%Nr0 +." obtenemos *." < Luego tenemos. /a0 +.+*"11+.CB#)+.*7G+.7 0 .+B El torque m!8imo corregido ser!. P/0 /a / P/0 .+B"-+."+ *0 "B 4Lbs)Pulg. /a0 =alor de ajuste al torque calculado. P/0 4!8imo torque calculado
)! La cantidad de peso necesario para el contrabalance de la unidad de bombeo, tambi$n debe ser considerado en el diseño, el m$todo &P' utilia la siguiente ecuación para determinar el contrabalance efectivo. (6E0 .+-1Jrf+.?o7 (6E0 .+-1IB-I+."+7 0 B+B Lbs. En principio B+B Lbs. Ae contrabalance efectivo en la barra pulida debe balancear la unidad de tal manera que, el torque m!8imo en la carrera ascendente sea igual al de la carrera descendente. Este valor de contrabalance es equivalente a B+BG"0 #*. Lbs)Pulg. Aónde: (6E0 (ontrabalance efectivo.
*! La potencia requerida para mover la carga en la barra pulida, se obtiene a trav$s de la sgte. Ecuación. P;DP0 1?*G%Nr7%Nr%F".*+ )La relación adimensional ?*G%Nr7 se obtiene de la figura ".B utiliando los valores adimensionales de FoGFoO y ?oG%Nr
Ael gr!fico obtenemos ?*G%Nr 0 +.I
Entonces: P;DP0 1+.I++ "".*+)-7G1+.++CI7 0 +.# DP Aónde: P;DP0 Potencia requerida para mover la barra pulida. Esto indica que la potencia necesaria para mover las cargas del poo, soportada por la barra pulida es de +.# DP, debido a las cargas cíclicas del motor, perdidas mec!nicas en la caja de engranaje y estructuras de la unidad de bombeo. %e deber! seleccionar un motor con potencia doble a la calculada. Entonces. Potencia requerida por el motor0 "+.# 0 ".- DP.
+! La carrera del piston de la bomba de subsuelo gobierna la tasa de producción conjuntamente con la velocidad de bombeo, tamaño de la bomba y capacidad misma de producción del poo, la relación adimensional de longitud de carrera se obtiene de la figura ".#. con los valores de FGFoO, y ?oG%Nr
>bteniendo el valor de %pG%0 .+ El valor de %pG% 0.+ significa que la carrera efectiva del pistón en el fondo 1%p7 es < mayor que la superficie 1%7. %p0 %.+ 0 ++.+ 0 + Pulg. (omo la tubería de producción est! anclada, el estiramiento de $sta no tiene efecto sobre la carrera efectiva del pistón. El desplaamiento de la bomba es calculado, utiliando la siguiente ecuación. P0+.--%pFA" P0 +.--+." " 0 "+".C 6PA. Esto significa que la bomba tiene la capacidad de levantar "+".C 6PA. (on una eficiencia del ++< de la bomba.
SELECCIÓN DEL E,UIPO DE BOMBEO MECANICO ( Q *"+ Q A Q "* Q "+ 1tipo de E647
TABLA PARA LA SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL E,UIPO DE BOMBEO MECANICO.
