CARTAS DINAMOMETRICAS INTRODUCCION
El bombeo mecánico de petróleo es el método de extracción de crudo más ampliamente utiliado en los !acimientos ar"entinos ! en "ran parte del mundo# Se 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'imiento desde la super%icie al %ondo del poo se ,ace mediante una sucesi ón 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 esbelte del sistema ,ace )ue se comporte como si %uese mu! elástico 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 ello ,ace )ue lo )ue sucede en la boca del poo diste notoriame nte 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# Desde la década de 0123$ los productores ,an puesto "ran én%asis en los métodos 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:(# En los 8ltimos a/os se ,a 'olcado la atención al desarrollo de métodos ! sistemas para optimiar el %uncionamiento de instalaciones de bombeo mecánico$ basados en el dia"nóstico de las mismas &Sánc,e et al#$ 433;< =u et al#$ 433;(# Esto implica$ 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 DINAMOMETRICAS
•
INDICAR +AS C+ASI:ICACION DE +AS 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 posicionesena +ibras lo lar"o! eldedesplaamiento un ciclo completo de bombeo# +as car"as "eneralmente son representadas 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
Dinamómetrose lectrónicos
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
Carga,
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 descendent e$ 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# se debe a )ueAelmedida poo tiene como se para mantener las 'ál'ulas de laEsto bomba abierta# )ue ener"-a el poosu%iciente pierde ener"-a 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 esocasiones debido a la )ue al tener tiemposdeldecilindro$ paro normalmente prolon"ados "eneran en muc,as despresuriación 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 de anti"uamente se operaba esteeltipo poos presión# era producir de.ando la unidad bombeo parada ,asta )ue poode pierda na por 'e casin"$ 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 porpor casin" el ma!or posible# >ara esto se debe mantener el a ni'el de l-)uido a.ustado deba.o de los tiempo punados productores de "as ! lo más cercano 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# 7eneralm ente 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
