1. CON CONCEP CEPTO TOSS FUN FUNDAM DAMENT ENTALE ALESS
COMPORTAMIENTO DE UN POZO Las características de producción de un pozo son mostradas por su Relación de Comportamiento del Inlu!o "IPR#$ %ue representa la &abilidad de un pozo para aportar luidos' Esta &abilidad depende en gran parte del tipo de yacimiento y su mecanismo de empu!e$ además de variables como la presión de yacimiento$ la permeabilidad$ el espesor de yacimiento$ entre otras' El IPR es una gráica de la Presión de (ondo (luyendo "P)# vs' la *asa de Producción de lí%uido "+l#' ,na curva típica se muestra en la (igura -'-
Figura 1.1
1. CON CONCEP CEPTO TOSS FUN FUNDAM DAMENT ENTALE ALESS
COMPORTAMIENTO DE UN POZO Las características de producción de un pozo son mostradas por su Relación de Comportamiento del Inlu!o "IPR#$ %ue representa la &abilidad de un pozo para aportar luidos' Esta &abilidad depende en gran parte del tipo de yacimiento y su mecanismo de empu!e$ además de variables como la presión de yacimiento$ la permeabilidad$ el espesor de yacimiento$ entre otras' El IPR es una gráica de la Presión de (ondo (luyendo "P)# vs' la *asa de Producción de lí%uido "+l#' ,na curva típica se muestra en la (igura -'-
Figura 1.1
El inverso de la pendiente de una curva IPR es el índice de productividad "IP# de un pozo a cual%uier presión y tasa de producción' Esto se deine como.
-
Para un empu!e de agua muy activo en %ue la presión permanece por encima del punto de burbu!a$ el índice de productividad productividad permanece constante$ constante$ y para empu!e de gas en solución en %ue la presión de lu!o está por deba!o del punto de burbu!a$ el índice de productividad cambia rápidamente' Cuando se construye la curva de inlu!o en cual%uier momento de la vida de yacimiento$ la relación Presión de (ondo (luyendo vs' *asa de Producción probablemente será una línea recta para yacimientos con empu!e de agua y una curva para yacimientos con empu!e de gas en solución' El índice de productividad es deinido matemáticamente como los barriles de producción total por la caída de presión en psi. /ndice de productividad productividad
IP
. /ndice de productividad "bpd2psi#
Qo
Qw
PR
. *asa de Producción de aceite "bopd#
. *asa de Producción de agua "b)pd#
. Presión de yacimiento "psi#
Pwf
. Presión de ondo luyente "psi#
PREDICCIÓN DEL IPR La predicción del IPR es bastante complicada$ debido a %ue la curva de desempe3o del inlu!o y el
&
Q Q máximo
= 1.0 − 0.2 Pwf − 0.8 Pwf PR PR
2
%cu&ci'n ."
+. *asa de Producción de lí%uido medida en BP1 + má4imo. Potencial de producción má4ima en BP1
Pwf
. Presión de ondo luyente "psi#
PR
. Presión de yacimiento "psi#
La Curva IPR de 7ogel en la (igura -'0 se muestra una curva aplicada a pozos con presión por deba!o
(,! (, (,+
Pwf (,* PR (,$ (,# (,) (," (, (
(,
(,"
(,)
(,#
(,$
(,*
Rata de Producción Caudal máximo de producción
(,+
(, ;
(,!
Qo Qo maximo FE= 1
Curva de 1esempe3o de Inlu!o 9dimensional de 7ogel
9un%ue e4iste bastante inormación acerca del sistema de levantamiento artiicial por bombeo mecánico$ %ue se puede consultar de acuerdo a las reerencias bibliográicas$ este traba!o se enoca básicamente en describir el comportamiento del sistema de bombeo mecánico$ encontrando las dierentes condiciones a las %ue se pueden obtener óptimas tasas de bombeo' Las condiciones %ue tienen un impacto más signiicativo en la tasa de producción son los parámetros de dise3o del sistema de bombeo usado "una combinación de *ama3o del Pistón de la Bomba$ Longitud del Recorrido de la Barra Lisa$ 7elocidad de Bombeo$ y 1ise3o de la :arta de 7arillas#$ Proundidad de 9sentamiento de la Bomba$ Rotación de la ,nidad y la Potencia del Motor' ;emos considerado dar vuelta a la orma de presentar la inormación y descripción del sistema de bombeo dando especial 6nasis a la bomba' :in embargo todo el sistema de bombeo está interconectado y por ende cada elemento de los e%uipos de supericie y subsuelo son igualmente importantes'
BOMBA DE SUBSUELO Es uno de los componentes básicos del sistema por Bombeo Mecánico' La conorman. un barril$ pistón
Bomba de subsuelo
Par!"# $" %a &'(&a $" #u&#u"%' Es uno de los componentes básicos del sistema por Bombeo Mecánico' La conorman. un barril$ un
Partes de la bomba de subsuelo'
Cic%' N'r(a% $" B'(&"' 1e acuerdo a la (igura 0'<$ a continuación se describe el ciclo de bombeo en condiciones normales' •
PUNTO A* Comienzo de la carrera ascendente$ la válvula via!era está cerrada donde la carga de columna del luido la soporta la sarta de varillas= la válvula i!a se encuentra
•
PUNTO D* 1esplazamiento del pistón &asta el ondo de la carrera descendente= la válvula via!era contin5a abierta permitiendo el paso del luido &asta %ue la presión en la cámara sea inerior a la presión presente en el pistón$ y así en este instante$ la válvula i!a se abre para permitir la entrada del luido proveniente de la ormación'
Figura 2.+
El Instituto 9mericano del Petróleo se &a encargado estandarizar y clasiicar C>? LE*R9: las bombas de subsuelo de acuerdo al 9PI :pec' --9@' "76ase la (igura 0'A#'
La -ri("ra %"!ra ac" r","r"ncia a% !i-' &/#ic' R 0 B'(&a# $" ari%%a T 0 B'(&a# $" !u&"ra La segunda letra determina el tipo de barril$ ya sea barril de pared gruesa " 3# o barril de pared delgada "4# para pistones de metal' 9sí mismo se &a dado dierentes letras para bombas con pistones de anillos para barril de pared gruesa " P# y para barril de pared delgada " S#' Bomba *ipo 7arilla. :u ensamble incluye= el barril$ válvulas y asientos$ 6sta bomba se corre con la sarta de varillas'
3a5 aria# c%a#"# $" "#!" !i-' $" &'(&a 6u" an $" acu"r$' a %a# c'n$ici'n"# $"% -'7'8 !a%"#
*ipos de bombas de subsuelo de 9cuerdo al 9PI :pec' --9@
Figura 2.:
•
Barriles para bombas insertas'
•
Barriles para bombas de tubería'
Figura 2.;.
Barriles' (uente. Catálogo ;(
E4isten barriles de paredes delgadas para pozos pocas y medianamente proundas$ y barriles de pared
La proundidad del pozo y volumen de producción de luido$ son actores a tener en cuenta para la escogencia del tipo y tama3o del barril' El asentamiento de la bomba depende de actores como el espesor del barril y el diámetro del pistón$ los cuales se aprecian en la *abla *abla 0'-
Pi#!ón. :eg5n la sección de sellado se clasiican en. •
Metálicos'
•
?o Metálicos'
La longitud longitud del pistón pistón metálico metálico y no metálico metálico se determina determina por una regla práctica práctica de un "- t# de longitud de pistón por cada -FFF t de proundidad de la bomba' La tolerancia de los pistones va de menos cero a GF'FFA pulgadas'
La supericie de los pistones metálicos pueden ser de acero com5n$ cromo o ni%uelado y de metal pulverizado "spray metal#$ siendo 6ste el más popular' :on abricados con una tolerancia de F a F'FFA pulgadas' Los pistones cromados "dureza RocH)ell F# son recomendados para condiciones de abrasión severa sin presencia de corrosión por ; 0:' •
Pi#!'n"# n' M"!/%ic'#
Los pistones de anillo le4ite son e4celentes para pozos con alta producción de agua y pozos con problema de corrosión ocasionadas por los luidos del pozo'
Figura 2.?
*ipos de Pistones
@/%u%a#
@/%u%a#
La entrada y descarga de luido por la cámara de compresión ormada por el barril y el pistón son controladas por la válvula i!a y la válvula via!era'
•
La acción del luido llena la cámara a trav6s de la válvula i!a y la vacía a trav6s de la
•
válvula via!era' ,na bomba 9PI de barril estacionario tiene la válvula via!era ensamblada al pistón y la
•
válvula i!a ensamblada en el barril' El monta!e de una de estas válvulas está compuesto de una bola y un asiento cuyo movimiento está limitado por una !aula'
@/%u%a# $'&%"#
•
1onde e4isten una presión de luido lo suicientemente grande para cortar metal$ se &a
&. C"rra$a#
Figura 2 1
aulas' (uente. Catálogo ;(
Las ca!as abiertas permiten la menor resistencia al lu!o$ donde deben mane!arse luidos viscosos y de
La instalación de estas bombas se realiza colocando la bomba en el e4tremo de la sarta de varillas$ corri6ndola a trav6s del pozo &asta llegar asentar la bomba en la niplesilla %ue se encuentra en el ondo de la tubería de producción'
La# &'(&a# in#"r!a# #" c%a#i,ican "n !r"# gran$"# gru-'#* • • •
Barril i!o con ancla!e superior Barril i!o con ancla!e inerior Barril via!ero con ancla!e inerior
B'(&a# In#"r!a# $" Barri% Fi' c'n anc%a" in,"ri'r
• •
;ay tres designaciones de bombas en esta clasiicación. R;B$ RB y R:B' :on adecuadas para pozos con poco volumen' Es una buena bomba en pozos con alta
B'(&a# In#"r!a# $" Barri% Fi' 5 anc%a" Su-"ri'r E4isten tres designaciones$ de acuerdo al tipo de barril en esta clasiicación. R9$ R;9 y R:9' :on una buena elección para pozos arenosos$ puesto %ue el luido es descargado encima del ancla!e superior'
B'(&a# In#"r!a# $" Barri% @ia"r' c'n Anc%a" In,"ri'r ;ay tres designaciones de bombas en esta clasiicación. R*$ R:* y R;*' La bomba con barril via!ero es una bomba versátil$ con una muy buena operación en pozos normales$ arenosos y corrosivos'
B'(&a# $" Tu&"ra El 9PI las &a designado como *; o *P' Esta designación depende del tipo de pistón$ y se caracterizan por%ue el barril es parte de la tubería de producción y está conectado en el e4tremo inerior de la misma'
B'(&a# E#-"cia%"# Para -r'&%"(a# $" ga# Pi#!ón L'cN'
B'(&a# $" D'# E!a-a# Cambia el dise3o de la varilla maciza por una varilla &ueca o pull tube$ la cual resiste me!or el eecto de pandeo %ue la varilla maciza$ en el recorrido descendente' Esta bomba tiene una válvula superior %ue act5a como una válvula deslizante superior$ %ue soporte toda la columna &idrostática$ acilitando la apertura de la válvula via!era' En la carrera ascendente$ el gas acumulado en la parte superior del pistón es comprimido y transerido a la tubería' 9demás$ e4iste una a!uste entre la guía de la varilla y la varilla$ lo %ue permite en la carrera ascendente %ue parte del luido pase a trav6s de este espacio limpiando o eliminando la arena %ue se &alle es esta parte$ esto ayudado por la turbulencia generada lo %ue mantiene la arena en suspensión'
Figura 2.11
Bomba de 1as Etapas
B'(&a Ga# Ca#"r
Esta bomba tiene dos barriles y dos pistones conectados a un !uego de válvulas' :e asienta a un niple de asiento$ y unciona igual %ue una bomba inserta convencional' El costo inicial adicional por la bomba se compensa ácilmente con el tiempo de a&orro en los servicios$ ya %ue la tubería no se debe sacar para &acerle servicio al barril'
B'(&a# $" Tu&"ra $" Ma5'r Ta(a' ,na bomba de tubería es considerada oversize cuando el diámetro e4terno del pistón es mayor %ue el diámetro interno de la sarta de tubería por encima de la bomba' El pistón es ba!ado dentro del barril' ,na desventa!a de esta bomba$ es %ue para poder inspeccionar alguna de sus partes se debe sacar la sarta de tubería y varillas'
Está compuesta por J tubos "un pistón y dos barriles#$ y tiene una tolerancia de F'F-< apro4imadamente entre cada tubo' El pistón via!ero interior y el barril e4terior se unen y se mueven alrededor del barril i!o$ ormando un sello largo de luido entre los barriles' La mayor tolerancia entre los tubos &ace la bomba menos vulnerable a %ue se pegue y me!ora la vida de está en luidos abrasivos permitiendo %ue la mayoría de partículas de arena pasen por el área de sellado'
B'(&a Pa(-a La bomba pampa es una bomba de a!uste &erm6tico con un pistón largo y un barril relativamente corto o sección de liner' (ue dise3ada para eliminar cual%uier arena o material e4tra3o %ue entre al pistón y el barril' Considerando la luz$ su dise3o utiliza un eno%ue opuesto a la de la bomba de J tubos' La bomba pampa es especialmente ideal para la producción de arena ina en luidos de pozos y puede utilizarse a proundidades mayores %ue la bomba de J tubos'
cual%uier posible acumulación de arena o partículas en una parte no barrida del barril y elimina cual%uier acumulación de arena del pistón' *odas las bombas R; y *; son bombas de carrera completa'
C/%cu%'# &/#ic'# -ara "% $i#"' $" %a &'(&a $" #u&#u"%' Para una proundidad determinada$ volumen de luido a producir$ características de la producción y tipo de unidad &ay un tama3o óptimo de la bomba %ue es preciso determinar' Cuando se escoge un pistón %ue es muy grande$ se generan cargas altas innecesarias e ineiciencia en el recorrido de este' Por el contrario$ cuando se escoge un pistón muy pe%ue3o se obtienen velocidades de operación demasiado altas para las condiciones de operación y mayores eectos inerciales' El actor básico en la selección de la bomba es el volumen de luido desplazado por pulgada de carrera' Este volumen es unción del diámetro de la bomba'
E#-acia(i"n!' $" %a &'(&a
D'n$"* L* D* G E*
Proundidad de la bomba$ "pies#
A-* L18 L28 L)H* A! A18 A28 A)H*
9rea del pistón "pulg0#
N S
Proundidad del ?ivel de (luido en el 9nular "(t# 8ravedad especíica del luido producido Modulo de elasticidad O JF-FD "Psi# Longitud de las secciones de varilla "Pies# Qrea seccional de la tubería "pulg0# 9rea seccional de varillas "pulg0# (actor de 9celeración Carreras por minuto$ ":PM#' Longitud de Carrera de la barra lisa "pulg'#
:i la tubería está anclada$ no &ay alargamiento en la tubería'
Para &allar la tolerancia del pistón$ se &a desarrollado la siguiente ecuación empírica.
%cu&ci'n "."
D'n$"* S BA
9!uste del pistón$ "mil6simas de pulgada#'
P L @
Presión dierencial del pistón "lb2pulg0#
D
1iámetro nominal del pistón "pulgadas#
Caudal de escurrimiento "Barriles por día# Proundidad de asentamiento de la bomba "pies# Longitud del pistón "pulg# 7iscosidad cinemática "CentistoHes#
%cu&ci'n ".)
D'n$"* D P C L @
Escurrimiento$ "pulg$ c5bicas por minuto# 1iámetro del pistón "Pulg# Presión dierencial del pistón "lb2pulg0# *olerancia del Pistón "pulg# Longitud del pistón "pulg# 7iscosidad 9bsoluta "Centipoises#
E% $"#-%a7a(i"n!' !"óric' $" una &'(&a * :e deine como.
La constante de la bomba K $ está determinada por el tama3o del pistón' Ecuación 0'A
K = 0 .1484 × Ap
9sí$ el desplazamiento teórico de la bomba PD$ se puede e4presar como. PD
=
Ecuación 0'D
K × Sp × N
En la *abla 0'0 se muestra las constante de las bombas para cada diámetro de pistón'
Ta&%a 2.2. 1iámetro del
Qrea del
pistón
pistón
pl A2T J2< 2 D
pl0 F'JF F'<<0 F DUF
Constante S F'F
1iámetro del
Qrea del
pistón
pistón
pl -GJ2< -G0A2J0 0
pl0 0'
Constante S F'JA F'JF F DD
1ependiendo de la longitud del recorrido usado en la ecuación$ el caudal calculado puede reerirse a la carrera neta o bruta del pistón' La carrera neta o eectiva rele!a los eectos de un Ntubing sin ancla'
E,ici"ncia '%u(J!rica $" %a &'(&a. La eiciencia volum6trica se deine como el caudal de producción obtenido en supericie "eectivo# dividida entre el caudal teórico de desplazamiento de la bomba. EV =
Q PD
%cu&ci'n ".+
D'n$"* EV *
Eiciencia volum6trica'
Q:
Caudal real'
PD*
1esplazamiento teórico de la bomba'
El volumen producido en supericie es menor al volumen teórico %ue puede desplazar la bomba debido a diversos actores como lo son la merma de volumen de petróleo por liberación de gas en solución$ el
Esta 5ltima &ace reerencia acerca de la metalurgia adecuada para ser utilizada en pozos corrosivos en su ?orma ?9CE MRGF-GD NMaterials Re%uirements Metallic Materials or :ucHer Rod Pumps or ;ydrogen :ulide Environment'
C'n#i$"raci'n"# a !"n"r "n cu"n!a "n %a "#c'g"ncia $" %a ("!a%urgia • • • • •
Proundidad "Levantamiento neto de la bomba# *ipo de 9rena producida por los luidos ?aturaleza corrosiva de los luidos Presencia de ;0: y2o C>0 Presiones dierenciales y temperatura'
E%"("n!'# (/# u#a$'# "n %a In$u#!ria P"!r'%"ra El acero es la aleación más com5nmente usada en aplicaciones petroleras' Para realzar ciertas propiedades$ los elementos de aleación !uegan un papel importantísimo y me!oran ciertas cualidades de los aceros' Entre estos elementos tenemos.
MOLIBDENO. Me!ora la templabilidad de los aceros y aumenta la resistencia al ata%ue por pitting en los aceros ino4idables'
NIUEL. Incrementa el endurecimiento al acero' Incrementa la resistencia a la corrosión'
MANGANESO. 9umenta la templabilidad a ba!o costo y retiene el azure evitando la ormación de sulato de &ierro' ;ace el acero menos %uebradizo'
CROMO. 1a mayor dureza al acero' Me!ora la resistencia a la corrosión en el aire y otros medios' En altas concentraciones me!ora la resistencia mecánica a altas temperaturas y la resistencia a la abrasión'
TUNGSTENO. Incrementa la resistencia mecánica$ ormador de carburo y me!ora la resistencia a la templabilidad'
F%a(" 3ar$"ning. Proceso de endurecimiento del acero por medio del calentamiento de una supericie por encima del rango de transormación'
Car&uri7ación. 9umento del contenido de carbono de la supericie de los aceros$ por calentamiento del metal$ por deba!o de su punto de usión en contacto con material carbonaceo'
Ni!ri$ación. Proceso de endurecimiento en el cual los aceros de composición especial son calentados en presencia de amoniaco o de materiales nitrogenados' E#!"%i!a. 9leación %ue contiene Cromo$ *ungsteno$ Carbono$ Magnesio y sílice en una base de Cobalto' Protege a las !aulas del desgaste producto del continuo movimiento de las bolas'
Ta&%a 2.)
M"!a%urgia U!i%i7a$a "n %'# Barri%"#
M"!a%urgia u!i%i7a$a "n %a# @/%u%a#
Pr'&%"(a# c'(un"# "n %a# &'(&a# $" #u&#u"%'. Los problemas más comunes %ue se presentan en las bombas se pueden clasiicar en cuatro principalmente.
1. 2. ). +.
Problemas por corrosión Problemas por abrasión Problemas mecánicos Problemas por restricciones de lu!o
C'rr'#ión •
La corrosión ocurre cuando dos o más reacciones electro%uímicas electro%uímicas se producen en la supericie de un metal'
•
El actor principal para %ue se d6 la corrosión es la presencia de agua en el sistema' >tras
C'rr'#ión -'r Pi!!ing. Es una de las más recuentes y da3inas da3inas ormas de corrosión' Representa Representa un ata%ue muy localizado mientras el resto de la supericie metálica se mantiene relativamente sin corrosión y en aparente buen estado' Es muy diícil de predecir' C'rr'#ión -'r gri"!a . Producida por la presencia de o4ígeno' :e genera en presencia de dos supericies en contacto tales como metal metal$ productos de corrosión$ o depósitos %ue se &an acumulado en la supericie'
C'rr'#ión -'r Diói$' $" Car&'n'. :e descompone en ácido carbónico en presencia de agua es partic particula ularme rmente nte sever severaa en rosca roscas$ s$ !untas !untas$$ cambio cambioss de estru estructu ctura ra metalo metalográ gráic icaa "solda "soldadu duras ras o recal%ues#' Problemas muy severos se pueden observar cuando el tubing es de distinto grado %ue los acoples'
C'rr'#iónEr'#ión. Los eectos de la velocidad de luido son altamente comple!os y es muy peligroso &acer generalizaciones generalizaciones al respecto= sin embargo$ en la mayoría de los casos la velocidad aumenta a la corrosión$ especialmente en presencia de partículas sólidas tales como arena'
A&ra#ión La presencia de arena en los luidos de producción puede ser causada por.
1. (ormación poco consolidada en el yacimiento 2. La rata de lu!o de bombeo es demasiado alta y traba!os de racturamiento' El problema de arena en el pozo desgasta las partes metálicas de las bombas ocasionando p6rdidas de vida 5til de las mismas' mismas'
M"$i$a# -ara !"n"r "n cu"n!a "n "% $i#"' $" %a &'(&a "n -r"#"ncia $" ar"na* • • •
,tilización de bombas especiales Instalación de iltros de arena ,tilización de empa%uetaduras con grava Metalurgia de la bomba'
a ser menor reduciendo reduciendo la intererencia' intererencia' El valor de la presión de entrada entrada de la bomba está está direct directam ament entee relaci relaciona onada da con
presi presión ón de lu!o lu!o de ondo ondo P)= P)= estas estas magnitu magnitude dess son
e%uivalentes cuando la bomba se encuentra a la misma proundidad de las peroraciones= en caso contrario$ es necesario determinar la P) y considerar la columna &idrostática de luido para obtener la presión de entrada' :e puede utilizar una carta dinamom6trica de bomba para el cálculo de la presión de entrada o estimar la columna de luido de acuerdo a la siguiente ecuación.
Pr"#ión $" "n!ra$a a %a &'(&a Pi = H (0.4333 * SG ) + Pc
1onde. Pi :
H :
Presión de entrada a la bomba$ psi ?ivel de luido por encima de la bomba$ pies
%cu&ci'n ".
generales por el IPR' La orma en %ue el lu!o se desempe3e en la tubería$ implica un estudio detallado de p6rdidas de presión en tubería vertical %ue conducen mezclas en dos ases "tomándose gas y lí%uido solamente#' Es undamental tener un concepto claro de los regímenes de lu!o en la tubería con el in de predecir el eecto %ue va tener el lu!o Multiásico en las variables de bombeo' :i la presión se reduce considerablemente y además el crudo tiene gas asociado$ más gas libre se desprenderá de la solución y el volumen de lí%uido se reducirá' Entre los regímenes de lu!o %ue se presentan en lu!o vertical se encuentran. •
E% F%u' $" Bur&ua#* en el cual las burbu!as de gas se dispersan en un medio lí%uido continuo debido a la disminución de la presión'
•
F%u' -'r &ac"#* la presión decrece ocasionando %ue las burbu!as aumenten de tama3o y arrastran a las más pe%ue3as$ llegando al punto de separar el aceite por bac&es entre los cuales se encuentran bolsas de gas %ue impiden su lu!o continuo'
•
F%u' anu%ar* en este momento las bolsas de gas son capaces de atravesar el bac&e de aceite$ permitiendo %ue sólo gotas de este lleguen a supericie'
•
F%u' $" Ni"&%a* al seguir ba!ando la presión se llega a un punto de una ase continua de gas$ en el cual sólo unas gotas de aceite son transportadas por el gas'
El escurrimiento barril pistón N+ está dado por la siguiente relación. Escurrimiento del barrilGpistón
Q
=
D * ∆ P * 3 2 − Fr * , Bbls (*) µ * Lp * 4.97− 7 2
%cu&ci'n ".!
D'n$"* D :
∆ P : :
Lp : µ :
1iámetro del pistón "pulgadas# Caída de presión a trav6s del pistón "psi# *olerancia "mil6simas de pulgada# Longitud del pistón "pulgadas# 7iscosidad del luido "centipoise#
Ecuación 0'-F
1ebido a %ue mientras el luido asciende$ el gas se libera de la solución$ &ay una dierencia signiicativa entre el desplazamiento volum6trico en el ondo del pozo por la bomba y el volumen real %ue llega a supericie' Este eecto se conoce como actor de encogimiento= un actor de -$ indica %ue la bomba de subsuelo debe estar desplazando la misma cantidad de luido %ue está llegando a supericie' Por e!emplo$ un actor de -'-A indica %ue la bomba en el ondo del pozo desplaza --A barriles de luido mientras a supericie sólo llegan -FF barriles de luido'
". R"%ación Ga# L6ui$'. Este concepto es muy similar al de relación gas aceite$ a dierencia %ue a%uí se tiene en cuenta el agua' 9 ba!as relaciones gas lí%uido$ el r6gimen de lu!o es de burbu!as$ el cual contiene pe%ue3as burbu!as de gas dispersas en una columna continua de tal manera %ue el eecto de elevación del gas es pe%ue3o$ y la caída de presión del ondo a la
,. R"%ación Ga# Ac"i!". La producción a una alta relación gas aceite 8>R &a sido un problema muy com5n en levantamientos por bombeo mecánico' Cuando la presión de yacimiento está por encima del punto de burbu!a$ no &ay gas libre en el pozo' :i se está produciendo a una alta caída de presión se puede presentar un incremento en la relación gas aceite' :in embargo$ si la presión de yacimiento es mayor %ue la presión de saturación$ la relación gas aceite es igual al volumen inicial de gas en solución por unidad de volumen de aceite a condiciones de almacenamiento' :i la presión está por deba!o del punto de burbu!a$ pero cercano a 6ste$ generalmente no se toca a5n el punto crítico y por tanto no e4iste a5n gas libre'
9 medida %ue la presión de la ormación contin5a descendiendo y la saturación de gas libre se acerca a su punto crítico$ el gas libre inicia su desplazamiento &acia la ormación' Este caso suele ser muy com5n en levantamientos artiiciales$ como el bombeo mecánico$ donde se tiene una declinación de la presión de yacimiento' Este gas libre se convierte en un actor %ue inluencia el comportamiento del sistema$ limitando la eiciencia de bombeo y por lo tanto la producción' Es conocido %ue en las etapas inales del campo$ la producción disminuya considerablemente por lo %ue la producción acumulada a trav6s del tiempo no aumenta signiicativamente$ el comportamiento de la relación gas aceite se aseme!a a la siguiente
&aciendo %ue se produzca un blo%ueo por gas' Las variables a considerar son. el volumen no desplazado entre la válvula i!a y via!era$ presión de entrada a la bomba$ presión &idrostática$ el recorrido del pistón y la relación gas aceite' E4iste una ecuación %ue relaciona la razón de compresión.
Figura 2.1)
EV : R :
:
Eiciencia volum6trica de la bomba "#
Razón de compresión *olerancia o espacio de no barrido en el barril "#
K :
Constante igual a -'J0
R es dado como el cociente entre la presión de descarga de la bomba "psia# y la presión de entrada a la bomba "psia#' C es la suma de las tolerancias debidas a las ca!as y espaciamiento de las válvulas i!a y via!era y al corte de la válvula de varilla' S es una constante %ue involucra los actores de compresibilidad del gas a la entrada y descarga de la bomba y el valor típico de la relación de calor especiico' La tolerancia debida al corte de la válvula de varilla "varilla %ue conecta a la bomba de subsuelo#$ se asume mínima en los pozos en bombeo mecánico "limitada cerca de -2TVV#$ es decir$ el espacio muerto en la bomba va estar su!eto solamente al espaciamiento y al volumen
Ta&%a 2.+. ID B'(&a <-u%g.>
r"a <-u%g2>
A%!ura Caa @. Fia <-u%g.>
A%!ura Caa @. @ia"ra <-u%g.>
@'%u("n n' &arri$' <-u%g)>
-W -X -K 0
-'00 -'D 0'
J'A < <'A A
J'A <'-0A <'A A
T'U -<'J 00'0 JF
1imensiones de ca!as En pozos con una alta relación gas aceite es undamental tener en cuenta %ue la relación de compresión será de vital importancia en el dise3o de la bomba' En el orden a la má4ima relación de compresión$ la bomba debe ser dise3ada con el más largo recorrido' :e muestra %ue para la producción de aceite de pozo el volumen de gas deine directamente la cantidad de compresión re%uerida para vencer la presión &idrostática' Es recomendado %ue un alto porcenta!e de gas libre sea liberado arriba del anular con un sistema de ancla de gas para %ue la relación de compresión CR se pueda ma4imizar y así
En la carrera ascendente$ la válvula i!a no se abre &asta %ue la presión de la ormación e4ceda la presión entre el 6mbolo y la válvula i!a' :i alguna racción de este 5ltimo volumen es ocupado por el gas libre$ la presión cae gradualmente conorme el 6mbolo se mueve &acia arriba$ de modo %ue la válvula i!a no se abre &asta %ue &a perdido parte de su carrera ascendente' 1e manera similar$ cuando el 6mbolo desciende$ &ay una p6rdida considerable en la carrera eectiva descendente antes de %ue se abra la válvula via!era$ como resultado del gas libre presente en el cilindro de la bomba'
a. Ciclo de Bombeo con Intererencia de 8as' 9%uí &ay una producción limitada de lí%uido y la eiciencia de la bomba se ve alterada debido a la presencia del gas' La intererencia de gas es causada por.
1. 8as libre entrando a la bomba a trav6s del separador de gas en subsuelo "ancla de gas#' Esta ubicación causa intererencia de gas en varias posiciones de la carrera descendente' 2. Liberación de gas en solución durante la carrera ascendente' Esta condición usualmente causa una intererencia de gas constante en toda la carrera descendente'
6sta es causada por el rompimiento de gas uera de la solución durante el llenado de la bomba$ todas las restricciones %ue se puedan tener deben ser abiertas con el in de evacuar el gas' La Figura 2.1" muestra el ciclo de bombeo y la respectiva carta de bomba para una intererencia por
gas o golpe por gas'
Figura 2.1+
Cic%' $" -r"#"ncia $" ga#Q
&'(&"' c'n ga# g'%-" $"
&. Cic%' $" B%'6u"'
B'(&"' c'n -'r Ga#. El
blo%ueo
por
gas d
las carreras ascendente y descendente' Este problema es com5n en pozos %ue tienen una alta presión de ormación y un potencial para producir altos vol5menes de gas' El uso de bolas y asientos de cerámica$ pueden provocar %ue el problema sea más grave' Este tipo de blo%ueo puede ser detectado con anticipación en pozos nuevos' ,na compresión adecuada dentro de la bomba$ proporcionaría la uerza suiciente para %ue la válvula via!era se abra y el pozo bombee normalmente' En la ( igura 2.1# se muestra una carta dinamom6trica %ue describe un blo%ueo por gas'
Figura 2.19
ANCLAE DE LA TUBERIA DE PRODUCCIÓN La sarta de tubería de producción está sometida a una variación en las cargas durante el ciclo de bombeo' :obre el recorrido ascendente no &ay cargas$ ya %ue el pistón lleva el peso del lí%uido dentro de la tubería de producción' :in embargo$ esta carga es transerida a la tubería de producción cuando comienza el recorrido descendente' 1ebido a esta variación en las cargas una tubería de producción suspendida libremente$ periódicamente se va a estirar y encoger "Pandeo#$ durante el ciclo de bombeo' Es com5n %ue el estiramiento de la tubería de producción reduzca la longitud de recorrido del pistón disponible para el levantamiento de luidos$ resultando en una reducción del desplazamiento de la bomba' El movimiento variable de la sarta de tubería de producción causa varios problemas operacionales$ los cuales resultan en ricción e4cesiva entre las varillas y la tubería de producción' La ricción es más pronunciada si en el pozo luyen partículas abrasivas %ue incrementan el desgaste sobre las supericies de metal' Los principales eectos del Pandeo de la tubería de producción son. -' El desgaste de las varillas dentro de la tubería de producción$ puede inducir a allas tanto de
9nteriormente$ un simple empa%ue N&ooHG)all ó Nganc&o de pared se empleaba para anclar la tubería de producción' El empa%ue N&ooHG)all puede ser considerado como un ancla!e de compresión$ %ue recurre a las uerzas compresivas para sostenerse apropiadamente= previniendo el movimiento de la tubería de producción &acia aba!o$ pero permiti6ndolo &acia arriba' La me!or manera de anclar la sarta de tubería de producción es usando un ancla!e tipo N*ensión' Este puede ser i!ado a cual%uier proundidad en el Revestimiento y no permite ning5n movimiento &acia arriba' :u capacidad de sostenimiento es producto de la uerza de tensión e!ercida sobre la tubería de producción' Este tipo de ancla!e reduce completamente el pandeo de la tubería de producción y adicionalmente los problemas asociados con esto'
MJ!'$'# -ara "% C'n!r'% $" Ga# Los m6todos y dispositivos más conocidos y eicientes en el control del gas$ se resumen a continuación'
S"-ara$'r"# Anc%a# $" Ga# "n F'n$'
Figura 2.1:
Con el revestimiento en línea abierta$ el gas libre se e4pande y sube a supericie a trav6s del anular entre la tubería de producción y el revestimiento' ,na pe%ue3a porción de luido y burbu!as de gas son atraídas dentro de las peroraciones del ancla por la succión de la bomba' Mientras la mezcla gas aceite es atraída a trav6s del cuerpo del ancla$ las burbu!as tienden a subir al tope y acumularse mientras grandes burbu!as son ormadas' 9 continuación en la ( igura 2.1$ $ se observa el proceso de separación de gas'
Figura 2.1;
@/%1u%a 1ia"ra
Tu&"r2a $" -r'$ucción
B'(&a $" #u&#u"%'
/&s burbu5&s de 0&s mi0r&n & super4icie
G&s @/%1u%a ,ia
l-.uido
3i1el de 4luido G&s libre
Cr'##D '1"r Secci'n de sep&r&ci'n de 0&s en1iándose el 0&s 2&ci& el &nul&r
G&s
G&s En!ra$a $" ,%u' -'r /r"a# circu%ar"#
/-.uido
/-.uido
In!"r1a%'# $" -r'$ucción
G&s
S"-ara$'r $" ga#
suiciente tolerancia debe ser provista entre el ancla y el revestimiento para prevenir e4cesiva turbulencia' Para %ue la reducción del tama3o de la tubería incida en la sección perorada del ancla$ el área de paso de ondo puede ser incrementada' Pero$ el ancla integralmente debe ser dise3ada para %ue tenga una resistencia mínima al lu!o del luido= esta operación permite asegurar %ue el barril de la bomba llene completamente con luido durante el ciclo de bombeo' Esta ancla de gas tipo convencional servirá satisactoriamente para una separación de ondo en condiciones normales' 9 continuación$ se relacionan los tipos de anclas más conocidos'
Anc%a# $" ga# u!i%i7a$a# "n %a in$u#!ria a. Anc%a Na!ura% $" Ga#* ,na de las operaciones aplicadas en el campo' Consiste proundizar la bomba de subsuelo en lo posible por deba!o de las peroraciones con el ob!etivo de evitar migración directa del gas a la entrada de la bomba La ( igura 2.1% $ representa un es%uema típico de un ancla de gas natural' El ancla de gas se presenta eiciente en la segregación gravitacional donde el aceite cae y entra a la bomba a trav6s de las aberturas del separador de
de densidad$ mientras el crudo va a entrando a la bomba de subsuelo a trav6s de unas ranuras presentes en la tubería de producción' Este dispositivo es eiciente para pozos %ue no presenten migración de arena y inos &acia el pozo= si &ubiese producción de arena$ 6sta se almacenaría en los empa%ues provocando pegas y da3os en la bomba de subsuelo'
Figura 2.1?
E4isten modiicaciones para este tipo de ancla$ donde se modiican parámetros en el área de lu!o tales como el tama3o del ancla de lodo y como consecuencia$ aumento del volumen dentro de la bomba para una adecuada eiciencia de separación de gas . La Figura 2.2( es un es%uema representativo del ancla'
Figura 2.2
$. Anc%a $" Ga# P''r B'5Q M'$i,ica$a* :imilar al ancla tipo NPoor boy descrita en la Figura 2.21= con la dierencia %ue el tubo de succión está a un lado del ancla de lodo con el ob!etivo
de &acer más eectiva la separación de gas y una mayor área de lu!o a comparación del dise3o del ancla de gas estándar$ realiza la misma operación %ue el ancla de gas tipo Poor Boy normal donde el luido entra por las aberturas y comienza la ase de separación de gas %ue se libera y sube a trav6s del anular y el aceite luye por el tubo de succión &acia la bomba de subsuelo en la etapa de succión de la bomba %ue sucede en la carrera ascendente'
Figura 2.21
Figura 2.22
Para incrementar la separación de gas$ el tubo de succión de las anclas de gas pueden dise3arse para minimizar la caída de presión$ la longitud del tubo de succión no debe e4ceder los 0F pies$ para tasas de producción menores de -FF BP1$ se debe usar !untas de K de pulgada$ para tasas de producción mayores de 0FF BP1$ se usan !untas de tubos para el tubo de succión de de - y para tasas de 0FF BP1 se usa tubos de - W' El diámetro del tubo de succión depende no solamente de la tasa de producción sino tambi6n de la viscosidad del crudo= para crudos muy viscosos se re%uiere de tubos de K para tubos de gran diámetro$ los tubos de succión pueden solamente tener la suiciente longitud para almacenar el volumen e%uivalente al %ue la bomba tiene interiormente' :e debe colocar el ancla de gas tan cerca como sea posible a la bomba$ para evitar %ue el gas entre por el punto donde debe pasar el luido a la bomba$ pero se debe evitar %ue %uede cerca la niple perorado de la bomba y a las peroraciones del revestimiento para ma4imizar la separación' Para evitar la resistencia %ue se e!erce cuando el gas va ascendiendo por el anular' ?o se deben usar niples perorados en las anclas de lodo con &uecos pe%ue3os en pozos gasíeros$ por%ue produce mayores caídas de presión'
#r!"d!fl$%o =
Q V!locid"d
Ecuación 0'-0
D'n$"* Área de flujo* 1isponibilidad u espacio %ue tiene el ancla de lodo$ "pies 0# Q* Caudal volum6trico del pozo$ "pies J2seg# Velocidad *
7elocidad del luido %ue debe ser menor a F'A pies2seg'
9 continuación se observa en la ( igura 2.23 el diagrama %ue describe el área de lu!o del ancla de gas. Para el dise3o del ancla de gas -$ + es e%uivalente a la rata de producción ' ,sando la ecuación A'F y despu6s de usar los apropiados actores de conversión$ el área de lu!o A, para una velocidad de lu!o dada es.
r"a $" ,%u' $"% anc%a <2>
D'n$"* A,* .1?;2*
Qrea de lu!o en el ancla de lodo "A pies2seg#
BFPD*
Producción del pozo
Constante de conversión de unidades
El dise3o de un ancla involucra diámetros$ longitudes y n5mero de ranuras El dise3o del ancla de gas depende de la tasa de producción$ el diámetro del pistón de la bomba$ el recorrido de la bomba en el ondo y el área de lu!o de la válvula i!a'
Para $i#"ar "% #i#!"(a $" anc%a ('$i,ica$a P''r B'5Q8 #"guir "#!'# -a#'#* 1. 1eterminar la tasa de producción a trav6s de la bomba de subsuelo$ por e!emplo$ si se desea tener 0A B(P1 y se asume una eiciencia volum6trica de la bomba del TA para el dise3o$ la tasa de producción será. 275
= 324 BFPD
2. Para determinar el recorrido de la bomba de ondo$ la orma más com5n es usar un programa de computador con la ecuación de onda$ pero si no se tiene$ se puede usar la longitud del recorrido en supericie' ). ,sando la ecuación --$ se calcula el mínimo re%uerimiento de área de lu!o para la velocidad del luido &acia aba!o de F'A pies2segundo' +. Para minimizar la caída de presión a trav6s del ancla de lodo$ se recomienda %ue el área de lu!o A, en 6sta parte sea cuatro veces el mínimo del área de lu!o de la ecuación -0. Qrea de peroración
A f = 4 * A f ( p$l . ) 2
Ecuación 0'-A
D'n$"* Af *
Qrea de lu!o en el ancla de lodo "A pies2seg#
:. Para calcular el n5mero de ranuras en el tubo de salida$ usando un área de lu!o igual a cuatro veces el área de lu!o de la válvula i!a$ esto es para minimizar la caída de presión entre las peroraciones del tubo de salida y la parte interior de la bomba' :i se planea usar W por < de ranuras$ se puede calcular el n5mero de ranuras %ue se necesitan de la siguiente orma. Ranura# $"% !u&' $" #a%i$a
N($bod!s"l id" _ r"&$r"s = 4 * A s'
Ecuación 0'-'
D'n$"* Ntuboasalida_ranuras *
Presentes en el tubo de succión
A#*
Es el área de lu!o de la válvula i!a "pulg 0#' En la tabla < muestra las áreas de lu!o para los tipos más comunes de tama3o de bombas'
A,* Tu&' $" #a%i$a OD*
Qrea de lu!o en el ancla de lodo "A pies2seg# 1iámetro e4terno del tubo de succión
:e puede obtener el dato del tubo de salida >1 Y 9rea para el tama3o del tubo de salida seleccionado de la *abla 0'A'
?. Para encontrar el tama3o del tubo del ancla de lodo se necesita ver el cuadro A' ,sando el valor calculado del re%uerido mínimo del área de lu!o del paso T para localizar el tama3o del ancla de lodo %ue debe ser igual al área del lu!o o al de la válvula' 9demás$ al actual >1 de área para el tubo del ancla de lodo &allado en la *abla 0'D$ se le llama área de tubo >1'
. :e calcula del área de lu!o actual del ancla de lodo$ de la siguiente manera. r"a $" ,%u'
A
m"
= Ar!" det $boID − ($bod!s"li d")D _ Ar!"
D'n$"*
Ecuación 0'-U
V = 2 * A * S s
p
p
Ecuación 0'0F
D'n$"* Vs*
7olumen presente en el ancla de lodo$ "pul J#
A p*
Qrea del embolo de la bomba$ "pulg 0#
S p*
Recorrido de la bomba de ondo$ "pulg'#
11. Ca%cu%' $" %a %'ngi!u$ $"% /r"a 6ui"!aQ L'ngi!u$ $"% /r"a 6ui"!a
L =
V
s
Ecuación 0'0-
12. Calculo de la longitud total del tubo de salida con la adición de L s$ longitud del tubo ranurado$ longitud del collar y longitud de la rosca' :e debe estar seguro %ue el >1 del ancla del lodo no es igual o mayoral diámetro del revestimiento'
Ta&%a 2.9
Ta(a' "#!/n$ar $" !u&'#8 $i("n#i'n"# 5 /r"a#
E#-acia(i"n!' $" B'(&a ,na vez la bomba de subsuelo es dise3ada y manuacturada de orma adecuada y un buen ancla!e en la sarta de varillas$ una correcta operación de campo$ asegura una eiciente operación para la
"8>R#$ com5nmente usarían una regla de dedo en la cual por cada -FFF pies de proundidad$ se puede aplicar un espaciamiento de < pulgadas$ con un má4imo de 0< pulgadas' En la ( igura 2.2"$ se tienen en cuenta todas las p6rdidas de espacios %ue se presentan al ensamblar una bomba'
Figura 2.2+'
PJr$i$a $" "#-acia(i"n!' "n %a &'(&a
9l comenzar la carrera descendente$ se cierra la válvula antiblo%ueo de gas por eecto del peso del elemento de cierre y por eecto de la ricción con el vástago de la bomba' 9un%ue el cierre de la válvula antiblo%ueo no es total$ es suiciente para %ue el pistón en su carrera descendente cree una zona de ba!a presión sobre la válvula via!era$ %ue se abrirá rápidamente con una presión menor %ue la &idrostática producida por la columna de luido dentro de la tubería de producción$ %ue en ese momento cargará sobre la válvula antiblo%ueo' En la ( igura 2.2) se observa las especiicaciones de una válvula antiblo%ueo'
Figura 2.29
Figura 2.2:'
Figura 2.2;
U&icación $" %a /%u%a $" c'n!ra-r"#ión
Figura 2.2?
2.).9 @/%u%a Dar!!. La válvula 19R** es un accesorio operado &idráulicamente$ el cual es instalado dentro de la bomba de subsuelo' La válvula 19R** es activada por las presiones normales de lí%uido o gas %ue e4isten dentro de la bomba$ especialmente en la carrera descendente donde abre la válvula via!era'
[ste dispositivo abre o cierra la válvula via!era tomando el comportamiento normal del ciclo de bombeo$ pero con la dierencia %ue va a e4istir la válvula 1artt como ayuda para evitar blo%ueos por gas' Por dise3o en el recorrido ascendente$ la válvula via!era debe cerrarse' En el recorrido descendente$ la válvula via!era debe abrirse' La válvula 1artt e!ecuta estas dos acciones en cada recorrido de la bomba' [sta válvula &ace uso de un simple principio &idráulico. la presión %ue empu!a contra el área más grande para realizar una uerza mayor y orzar positivamente la válvula via!era a abrirse cada vez %ue el pistón comience el recorrido descendente' La válvula 1artt mantiene la válvula via!era abierta a trav6s de todo el recorrido ascendente como se observa en la Figura 2.2&.
Figura 2.2
@/%u%a Dar!!
2.).: C'(-r"#ión $" ga#. En el estado actual de la economía de la industria del petróleo y gas$ las compa3ías operadoras &an venido buscando m6todos para incrementar sin riesgo la producción y el lu!o de ca!a$ a trav6s de gastos %ue garanticen ingresos y el retorno total de la inversión en el primer a3o' :e &a encontrado %ue una orma segura para incrementar la producción y el lu!o de ca!a en pozos productores$ es aliviar la contrapresión e!ercida sobre la ormación en pozos %ue responden a esta t6cnica'
o a una reducción de la misma' 1e una ormación productora con buena porosidad y un buen índice de productividad "PI# se obtendrán los me!ores resultados si se logra una reducción en la contrapresión' El índice de productividad se deine como la cantidad adicional de luido %ue el pozo puede producir por cada libra "psi# de caída de presión obtenida en la ormación' En otras palabras$ si un pozo tiene un PI de uno "-#$ por cada libra "psi# de presión %ue se alivie en la cara de la ormación$ el pozo producirá un "-# barril adicional de luido' Por lo tanto$ cuando se busca un incremento de producción$ se deben buscar pozos con alto índice de productividad "PI#' Por e!emplo$ un pozo con un PI de F'A y una contrapresión en la cabeza de AF psi$ incrementará su producción en 0A Bbls por día cuando la presión en la cabeza sea reducida a cero "F# psi'
Cuando un pozo es perorado y puesto a luir en la corriente de producción$ normalmente tiene suiciente presión de ondo "B;P# para vencer la contrapresión en la cabeza y la de la columna de luido$ y de esta manera luir sin problemas' 9 medida %ue el pozo contin5a luyendo$ la presión de ondo va declinando y la presión en supericie se convierte en un actor importante %ue aecta negativamente la producción$ lo %ue inalmente conduce la utilización de alg5n sistema de levantamiento artiicial para producir el pozo'
conectada al espacio anular "revestimiento G tubería de producción#$ y la descarga se realiza en la línea de lu!o o en otra línea destinada a recolección de gas para operación de e%uipos en el campo' La uente de energía ya disponible en la localización "el compresor es accionado por la unidad de bombeo# es utilizada para retirar el gas y por lo tanto aliviar la contrapresión del pozo' Muc&os de los compresores de viga utilizados como &erramienta de alivio de presión$ &an sido instalados en pozos considerados de ba!o potencial$ debido a su ba!a presión de ondo "B;P#$ en los cuales las unidades se encontraban operando cíclicamente' En estos casos$ el compresor se dise3a para comprimir el volumen de gas producido por el pozo durante el ciclo de operación' En algunos casos$ cuando la presión &a sido aliviada y debido a esto el pozo produce más luidos y gas$ los ciclos de operación &an sido e4tendidos de acuerdo a la necesidad'
&. C'(-r"#'r"# M'n!a$'# "n Pa!n. >tro e%uipo utilizado para aliviar la contrapresión en los pozos$ son los compresores de gas montados en patines' Estos compresores son una e4celente &erramienta para eliminar la contrapresión$ en donde no &ay una unidad de bombeo disponible para impulsar un compresor de viga "B8C#' Los compresores sobre patín son
En algunas aplicaciones$ la operación de producción se debe eectuar con presiones en las líneas de lu!o superiores a
c. :istemas de Recolección de 8as' Es com5n encontrar un grupo de pozos luyendo a la misma estación de recolección$ y en estos casos es más económico construir un sistema de líneas de recolección de gas de los anulares$ y aliviar la presión con una o dos unidades de compresión' Los sistemas de compresión montados en patín son los com5nmente utilizados para esta práctica' :in embargo$ en lugares en donde &ay disponibilidad de unidades de bombeo$ se &an utilizado con gran 64ito las unidades de compresión montadas en la viga via!era "B8C#' E4isten casos de pe%ue3os campos en donde se &an venido usando unidades B8C para mantener la presión del anular de grupos de &asta 0F pozos en F psi$ y descargando a AF psi en la línea de lu!o' Es muy com5n encontrar grupos de 0 a A pozos colocados a un sistema operado con una sola unidad B8C'
Cuando se utilizan sistemas de recolección de gas de anulares para m5ltiples pozos$ se debe prestar atención a %ue los pozos más ale!ados de la estación de recolección no terminen con
Recolectar el gas %ue está siendo descargado a la atmósera$ e incrementar la producción y los beneicios económicos "pe%ue3as cantidades de gas inyectado en las líneas de lu!o y2o de ventas$ puede signiicar me!or lu!o de ca!a y menos problemas de operación#' E4traer mayor cantidad de gas de pozos de ba!o potencial$ para ser usado como combustible en los dierentes e%uipos de producción y tratamiento de crudo' Eliminar los problemas de blo%ueo o intererencia por gas en las bombas de subsuelo' La e4tracción de gas y por consiguiente la reducción de la presión en el revestimiento$ conlleva una mayor liberación de gas en solución en el pozo$ el cual migra &acia el espacio anular para ser removido por compresión$ obteniendo así una operación de bombeo mas eiciente por parte de la bomba de subsuelo' Impulsar el gas de ba!a presión en la línea de ventas'
LA SARTA DE @ARILLAS
(igura 0'JF' La sarta de varillas es usualmente abricada de 0A pies o JF pies de longitud por varilla' Los seis diámetros de varilla estándar son. X$ A2T$ K$ 2T$ - y - -2T de pulgadas' Las varillas son normalmente abricadas de 9cero con una composición en &ierro %ue sobrepasa el UF' >tros elementos son agregados al acero para adicionarle mayor dureza$ reducir la o4idación y contrarrestar la corrosión' La sarta de varillas es usualmente considerada el enlace d6bil en el sistema de bombeo debido a las siguientes limitaciones.
R"#!ricción $" !a(a'. A(&i"n!"# $"#,a'ra&%"#. Li(i!aci'n"# "n %a r"#i#!"ncia.
@ari%%a# Ti-' API
Carga# "n %a @ari%%a# Las cargas durante el ciclo de bombeo son siempre debido a la tensión y son causadas por el peso de las varillas sobre la carrera descendente y por el peso de las varillas$ más la carga de luido sobre la carrera ascendente' Las posibles cargas sobre la varilla durante un ciclo de bombeo a cual%uier proundidad en la sarta de varillas$ se puede clasiicar dentro de los siguientes grupos.
a. P"#' $" %a# @ari%%a#* Esta uerza está distribuida a lo largo de la sarta' En cual%uier sección$ es igual al peso de las varillas deba!o de la sección dada' Es positivo tanto para la carrera ascendente como para la descendente' 9%uí y en los siguientes grupos$ la carga se dice debe ser positiva$ si es directamente &acia aba!o'
cargas dinámicas resultan en una carga neta positiva para el recorrido ascendente y una carga negativa para el recorrido descendente'
". Fu"r7a# $" Fricción* Esas uerzas son de dos tipos. (ricción con el luido y (ricción Mecánica' Los luidos son movidos con las varillas durante la carrera ascendente y contra las varillas durante la carrera descendente' La uerza de ricción mecánica se oponen al movimiento de las varillas y es una uerza positiva durante el recorrido ascendente y negativa durante el recorrido descendente'
@ari%%a# API ;ay tres clases de varillas$ %ue están estandarizas seg5n el 9PI --B' 7er (igura 0'J-' El 9PI especiica tres grados de varillas$ S$ C y 1' La siguiente es la mínima y má4ima resistencia a la tensión en P:I. 8rado S "TA'FFF G --A'FFF#' 8rado C "UF'FFF G --A'FFF#' 8rado 1 "--A'FFF G -
*ipos de grados 9PI en 7arillas para dierentes condiciones de pozos'
Ta&%a 2.; Di/("!r' <-u%g> X A2T
r"a <-u%g2> F'-UD< F JFDT
P"#' "n "% air" <%&,!> F'0D - -JA
C'n#!an!" "%/#!ica <-u%gL&,!> -'UUF-F GD - 0F-F GD
M/i(a r"#i#!"ncia a %a !"n#ión8 -#i Dur"7a8 Brin"%% M"!a%urgia
CLASE API C
D 119
?9
1?9 2)9 AISI 1):
2)9 2?9
1;9 0 2)9 AISI +:
Pr'-i"$a$"# u(ica# 5 M"c/nica# $" @ari%%a# $" Acu"r$' a API RP 11L
Ta&%a 2. ACOPLES8 OD Di/("!r'
P"#'
r"a
E#!/n$ar
X A2T
F$0D - -JA
F$-UD< F JFDT
G -A
Ta(a' $" TUBING8 <-u%ga$a#> S%i( '%" Ac'-%" Ac'-%" Fu%%#i7" #%i('%" - 0A
G 0 -2-D
-$DD - UU
@ari%%a# $" Ac"r' Características de las 7arillas de 9cero. Menor resistencia a la corrosión' 1iámetros de -G-2T$ -$ 2T$ J2<$ A2T' Elaboradas en longitudes de 0A y JF t' Más áciles de pescar %ue las de ibra de vidrio' Menos elongables %ue las de ibra de vidrio'
Fa%%a# "n %a #ar!a $" ari%%a# 1ise3o inadecuado de la sarta$ especialmente en sartas telescópicas' Error en los dise3os pueden causar distribución inadecuada de los esuerzos' Inapropiado enros%ue de las sartas causan problemas en las cone4iones de pin o ca!a'
Unión ' ac'-%"* Es la parte de la sarta de varillas %ue sirve para conectar o acoplar una varilla con otra$ esta es abricada en longitudes de apro4imadamente < pulgadas' E4isten dos tipos de uniones %ue son las de pared delgada "slim &ole# y las de pared gruesa "ull size#'
Cara $" %a unión* es la parte plana y pulida localizada a cada e4tremo de la unión' Esto es importante por%ue en con!unto con la cara del &ombro del pin son responsables de mantener el apretado de la cone4ión'
Pin. Es la parte roscada de cada terminal de la varilla$ en la cual se rosca la unión para eectuar la cone4ión de una varilla con otra'
Cu"%%'. parte del pin de menor diámetro %ue no se encuentra roscado= está localizado dentro de la rosca del pin y la cara del &ombro'
3'(&r' . Es la sección localizada en la parte superior del cuadrante y es de mayor área transversal %ue este y %ue el pin'
I$"n!i,icación $" ,a%%a# "n %a# ari%%a#.
Cara $"% '(&r'* es la supericie pulida del &ombro$ la cual despu6s del roscado debe permanecer en contacto con la cara de la unión para evitar %ue la cone4ión se alo!e'
Cua$ran!". Es la parte cuadrada de los terminales de la varilla$ esta localizada entre el &ombro y la garganta' :u unción es servir para la colocación de la llave y para aplicar el tor%ue durante el roscado de la cone4ión'
Gargan!a. Es la sección de mayor área transversal de la varilla y sirve para enganc&ar la varilla a los elevadores durante las operaciones de sacada y corrida de una sarta de varillas'
Cu"r-'. es la sección más delgada y larga de la varilla' *oda la varilla tiene un recubrimiento blando de F'FFA a F'FFT pulgadas de espesor' Este consiste de acero o &ierro de ba!o contenido de carbón el cual protege las varillas contra la corrosión
Ti-'# $" ,a%%a# "n %a# ari%%a#
Ti-'# $" ,a%%a# "n %a# ari%%a#
Fa%%a# -'r !"n#ión. ,na alla por tensión ocurre cuando una carga aplicada en alg5n punto de la sarta$ e4cede el esuerzo de tensión de la varilla' La alla tiene una apariencia de desgaste alrededor de la circunerencia de la varilla y ocurre donde se reduce la sección transversal de la varilla' La ocurrencia de este tipo de alla es rara y sucede cuando e4isten cargas muy altas sobre la sarta de varillas$ como tensionar la sarta para intentar desasentar una bomba pegada' La tensión sobre la sarta no debe ser mayor del UF del punto de cedencia para el grado de
D"#"nr'#ca$'* Este tipo menos com5n de allas en la cone4ión y puede ocurrir cuando la sarta de varillas está en operación y se debe a la alta de tor%ue al realizar la cone4ión o alo!amiento de la misma'
PJr$i$a $" a-r"!a$' ' a,%'a(i"n!'* Cuando la longitud total del pin está dentro de la unión$ la cara de esta &ace contacto con la cara del &ombro del pin' En este punto$ la rotación adicional contin5a el a!uste de la rosca del pin y comprime la unión sobre el &ombro del pin' La ricción sobre la cara del &ombro mantiene la cone4ión en su lugar' 95n si la carga de apretamiento es satisactoria$ el impulso o carga de c&o%ue en el sistema de varillas puede desarrollar cargas má4imas %ue reducen la presión de ricción en las caras y causa alo!amiento de la cone4ión' 1urante este proceso se desarrolla atiga en el metal del pin y la unión'
Fa%%a# $"% -in* ;ay dos causas de alla en el pin. alla por atiga debida a sobre apretamiento y alla por atiga debido a desenroscados ba!o carga' La corrosión puede acelerar estos dos tipos de alla'
ractura por atiga inicia en un punto de alta concentración de esuerzos y es e4tendida a trav6s del diámetro del pin con el n5mero de recorridos acumulados'
Fa%%a# $" %a unión. Las uniones de la sarta de varillas es el elemento de mayor área metálica transversal de la sarta' Por lo tanto$ puede ser el principal contribuyente para las allas de las varillas$ si los procedimientos de apretamiento no son seguidos' Las uniones siempre allan por dos dierentes procesos. sobreapretamiento y atiga' Esta 5ltima puede ser de origen e4terno o de origen interno$ %ue es la más recuente debido a cargas e4c6ntricas'
S'&r"a-r"!a(i"n!'* Cuando la cone4ión es apretada$ el pin de la varilla es alargado y el terminal de la unión es comprimido contra la cara del &ombro del pin con una uerza igual a la generada para alargar el pin' El metal se deormará debido a los altos esuerzos de tensión y compresión' Este enómeno es más crítico en uniones de pared delgada' Este es un da3o permanente y la unión así deormada$ debe ser descartada$ ya %ue este da3o reduce la &abilidad de las uniones para presionar sobre la cara del &ombro del pin y
E4isten varias causas ísicas debidas al mane!o$ roscado o causadas por ricción de la sarta de varillas con la tubería o los luidos del pozo'
Fa%%a# P'r Cura!ura D" @ari%%a#. La mayoría de las varillas son abricadas con un desalineamiento en el cuerpo$ má4imo en -2T de pulgada en A pies' Con este desalineamiento rodará ácilmente sobre un estante a nivel con cinco soportes' Las allas por atiga$ debido a grandes radios de curvatura$ se pueden originar por levantar la varilla de sus e4tremos permitiendo una depresión en la mitad'
Fa%%a# P'r F%"ión D" La# @ari%%a#* Estas ocurren por el movimiento de la sarta durante el ciclo de bombeo' ,na sarta de varillas es un con!unto le4ible %ue deberá moverse a trav6s del ciclo de bombeo tan recto como sea posible' Movimientos constantes laterales y &acia los lados inducirán racturas y causarán allas'
Fa%%a# -'r $"#ga#!" 5 "r'#ión* El desgaste sobre la sarta de varillas es la remoción del metal de supericie por contacto con la tubería de producción' El desgaste causa allas por reducción del área transversal e4poniendo nueva supericie acelerando el ata%ue corrosivo= además indica otros problemas en el sistema de bombeo. pozo curvado o desviado$ donde seguramente se necesitan guías centralizadores en las varillas= y vibraciones en la tubería de producción'
M"%%a#8 a&'%%a$ura# ' (arca# $" (ar!i%%'* Estas pueden causar allas sobre las varillas y uniones ya %ue destruyen el recubrimiento de ábrica de las varillas'
Fa%%a# -'r c'rr'#ión* El mecanismo de corrosión es denominado atiga por esuerzo corrosivo donde una carga es concentrada en una picadura de corrosión' La corrosión se deine como la destrucción de un metal producida por una reacción %uímica o electro%uímica con el medio ambiente' 8eneralmente los luidos producidos por un pozo petrolero contienen dos o más agentes corrosivos %ue atacan el acero' :e debe evitar o prevenir la ormación de escamas o
Pr',un$i$a$ $" a#"n!a(i"n!' $" %a &'(&a. La bomba debe ser asentada a una velocidad tal %ue se eviten condiciones adversas tales como el golpe del luido$ el golpe y2o intererencia de gas$ de orma tal %ue las cargas sobre la sarta de varillas tengan un actor de seguridad adecuado para el pozo en particular'
G'%-" $" ,%ui$'. Este problema ocurre cuando la bomba no se llena completamente de luido en el recorrido ascendente$ consecuentemente el pistón con la carga total de la columna de luido cae a trav6s del vacío en la carrera descendente golpeando el luido dentro del barril de la bomba ocasionando golpes y esuerzos repentinos de compresión$ los cuales &acen %ue las varillas se doblen y2o se generen puntos de atiga %ue al inal &acen %ue la varilla se rompa'
G'%-" $" &'(&a . Este problema tiene lugar debido al espaciamiento inadecuado de la bomba$ y esto permite %ue ella golpee en la carrera descendente o en la carrera ascendente' Este golpe produce un eecto similar al del golpe de luido'
G'%-" ' in!"r,"r"ncia $" ga#. El problema ocurre cuando el barril de la bomba es llenado con
corte de agua empezará a aumentar lo cual traerá como consecuencia aumento continuo en las cargas sobre las varillas y si estas cargas llegan a sobrepasar las condiciones especíicas de resistencia para el tipo de varilla utilizado$ puede ocasionar la alla'
Di/("!r' $"% -i#!ón $" %a &'(&a . El diámetro del pistón de la bomba debe ser seleccionado de orma tal %ue se produzca el volumen de luidos deseado y %ue las cargas sobre la sarta de varillas sea mínima'
@ari%%a# NO 0 API E4isten J clases de varillas %ue no están clasiicadas dentro de la norma 9PI. 1e alta resistencia Corod o Continuas 1e (ibra de 7idrio
@ari%%a# $" A%!a R"#i#!"ncia. :on ampliamente usadas$ especialmente en pozos proundos y
,n buen programa de in&ibidores de corrosión es recomendado cuando se usan varillas de alta resistencia en ambientes corrosivos'
C'r'$ ' @ari%%a# C'n!inua#. Como su nombre lo indica no tiene cone4iones' Las combinaciones son de -2-D de pulgada en vez de -2T de pulgada' Las Corod reemplazan tanto las varillas 9PI como las varillas de alta resistencia' La varilla está enrollada en un carrete y eso &ace %ue re%uiera de un e%uipo especial para las operaciones de metido y sacado de las varillas' La limitada disponibilidad de este e%uipo especial para realizar este tipo de operaciones$ se convierte en la principal desventa!a de las varillas Corod'
@ari%%a# $" Fi&ra $" @i$ri' Las varillas de (ibra de 7idrio poseen venta!as y desventa!as con respecto a las varillas de acero'
La# "n!aa#* :u poco peso &ace %ue se disminuyan las cargas en el e%uipo de supericie y se reduzca el
•
?o se recomiendan en un pozo deormado "dogleg# o altamente desviado' Esto generaría una carga adicional provocada por el aumento de la ricción en ese punto$ lo %ue reduciría el recorrido de la bomba y aumentaría el desgaste en el cuerpo de las varillas'
•
*emperatura má4ima de dise3o es de 0FF ] ('
•
El tor%ue de las varillas está limitado &asta -FF libraGpie$ por cada pulgada de varilla'
•
Pescar puede ser diícil ba!o condiciones donde el cuerpo de la varilla está roto o ragmentado'
•
Los escombros de la varilla rota$ puede acortar la vida 5til de la bomba'
•
Es diícil espaciar la bomba'
C'(&inaci'n"# "n %a Sar!a $" @ari%%a# El camino más aceptado de dise3o para una sarta de varillas %ue sobrepasa los J'AFF pies' de proundidad$ es el uso de una sarta combinada$ esto es$ tener varias longitudes de varillas y varios diámetros de varilla con un diámetro de varilla más grande en la parte de arriba y un diámetro más pe%ue3o en la parte de aba!o' La sarta combinada está conormada por 0 y &asta < diámetros
Sar!a $" ari%%a# c'(&ina$a# Fu"n!"* IPIMS. EP
,n criterio undamental de dise3o usado para una sarta de varillas combinada es %ue la sarta de varillas tiene apro4imadamente la misma unidad de esuerzo en la parte de arriba de cada sección de varilla' Esto es$ %ue las cargas de las varillas$ en la parte de arriba de la varilla o cada sección dividida por su área de metal deberán ser iguales= esto orece seguridad en los cálculos de dise3o' Llegado el caso de %ue un da3o por corrosión$ se presentará sobre la sarta' En busca de seleccionar la combinación apropiada para la sarta de varillas de un pozo especíico$ vamos a la práctica 9PI -- L' Los datos de esas tablas se encuentran consignados a%uí en la *abla 0'-F'
Ta&%a 2.1
E#-"ci,icaci'n"# -ara una #ar!a c'(&ina$a
E#-"ci,icaci'n"# -ara una #ar!a c'(&ina$a
El m6todo 9PI para el dise3o de un sistema de bombeo es de prueba y error' Esto incluye el dise3o de sarta de varillas' Primero se selecciona la combinación de sarta de varilla y se determina a trav6s de los cálculos si el má4imo de esuerzo seleccionado sobre las varillas e4cede el límite má4imo para la clase de varilla %ue se escogió' :i es así$ entonces es necesario seleccionar otro tipo de sarta &asta encontrar cual satisace los parámetros de dise3o'
DISEO DE LA SARTA DE @ARILLAS La carga en las varillas dependen del nivel de luido en el pozo$ el tama3o del pistón de la bomba "ya %ue se determina la carga de luido a la %ue están sometidas las varillas#$ la velocidad de bombeo$ la
:e pueden calcular los esuerzos aplicados a la sarta de varillas mediante análisis dinamom6tricos con un programa de diagnóstico usando la ecuación de onda' 9demás de los esuerzos aplicados$ la vida de la sarta de varillas depende de la corrosión$ composición de las varillas y el golpe de luido' 95n cuando los esuerzos son ba!os$ las varillas podrían allar en ambientes con alta corrosión o en pozos %ue producen con alto contenido de suluro de &idrogeno' El 9PI RP --BR proporciona algunas recomendaciones para el cuidado y mane!o de las varillas' Esta publicación incluye una guía para el transporte$ almacena!e$ mane!o$ control de corrosión$ esuerzos permisibles$ composición de las varillas y su respectiva inspección'
Ca%cu%' $" E#,u"r7'# "n @ari%%a# 9demás de conocer el ambiente en %ue las varillas están e4puestas$ es importante no e4ceder el má4imo disponible de esuerzo de las varillas' Para calcular el má4imo de esuerzo de las varillas$ se utiliza el 1iagrama Modiicado de 8oodman' La ecuación de 8oodman Modiicado es de la siguiente manera.
mostrará despu6s$ donde es igual para la mínima carga en la barra lisa divida por el área de metal de la varilla' El actor de servicio$ :($ depende del ambiente en el %ue las varillas operan' "7er *abla 0'--#
Ta&%a 2.11 (F!
Fac!'r"# $" S"rici' -ara Di,"r"n!"# A(&i"n!"# 5 Gra$'# $" @ari%%a#
El :( tendrá un valor de -'F para grados 9PI C y 1 de varillas$ cuando se encuentran en ambientes no corrosivos$ pero los valores ba!an uno a uno$ para ambientes de agua salada y ; 0:' Cabe anotar %ue el actor de servicio en ambientes corrosivos es más ba!o para varillas grado C %ue varillas de grado 1'
An/%i#i# $" Carga# "n %a# @ari%%a#
Pa#' 1* 1etermine la mínima resistencia permisible a la tensión "*# de las varillas %ue se están usando' Esto esta tabulado por los abricantes "ver *abla 0'T#'
Pa#' 2* *race el e!e vertical$ como se muestra en la (igura 0'JA$ usando una escala de esuerzo$ así el tope de este e!e vertical corresponde al má4imo esuerzo por tensión'
Pa#' )* 1ibu!e un cuadrado usando el valor de *$ como longitud de los lados' Pa#' +* *race una línea a
Pa#' 9* :obre el e!e vertical$ ubi%ue el punto O * 2 <'
Diagra(a M'$i,ica$' $" G''$(an -ara "#,u"r7' -"r(i#i&%" "n ari%%a# gra$' C "n a(&i"n!" n' c'rr'#i'
,bi%ue el má4imo esuerzo "Calculado o medido#' :i este esuerzo es grande comparado con el esuerzo má4imo permisible$ las varillas estarán sobrecargadas' :i el actual esuerzo má4imo es ba!o$ comparado con el esuerzo má4imo permisible$ las varillas no estarán sobrecargadas'
estándar para varillas en ambas puntas' :on corridas como parte integral de la sarta de varillas y están ubicadas encima de la bomba$ en el ondo de la sarta de varillas'
Di("n#i'nan$' Barra# $" P"#' La venta!a de usar barras de peso en sartas de varillas de acero es la eliminación de la compresión en la sección ba!a y la apropiada operación de las válvulas en la bomba' 1esde %ue la válvula via!era abra al comienzo del recorrido descendente$ la producción de lí%uido es normalmente incrementada' En caso de usar sartas compuestas "por e!emplo varillas de acero y ibra de vidrio#$ el uso de barras de peso es absolutamente una necesidad$ debido al poco peso de las varillas de ibra de vidrio' Con el uso de barras de peso se elimina los eectos de compresión en varillas de ibra de vidrio y la sarta estará ba!o tensión durante el ciclo total de bombeo' ,bicando las barras de peso inmediatamente encima de la bomba$ el peso de la sarta se concentrará en ese punto' Esta concentración de peso$ combinado con una alta elasticidad de la sección de ibra de vidrio$ puede aumentar el sobre via!e del pistón y la capacidad de bombeo del sistema de bombeo para este pozo'
P"#' Barra# $" P"#'8 L&#. -'r Pi". @ari%%a ;? 2.
@ari%%a 1 2.
Barra $" 1 1+ +.2
Barra $" 1 12 :.
Barra $" 1 9? ;.2
Barra $" 1 )+ ?.2
La sección de barra de peso reemplaza una cantidad igual en pies de varillas inmediatamente arriba de la bomba'
El arreglo en cabeza de un sistema típico de Bombeo Mecánico se muestra en la (igura 0'-' La Barra Lisa en la parte más alta de la sarta de varillas$ se mueve &acia arriba y &acia aba!o con el movimiento reciprocante del Balancín o vástago via!ero$ transmitido a las varillas por Nireline ;anger o Cable de :oporte' La barra lisa se mueve dentro de la cabeza de la tubería de producción$ instalada sobre el tope de la * de bombeo$ %ue lleva los luidos producidos desde la bomba &asta la línea de lu!o' ,sualmente$ la línea de lu!o y la línea de venteo del revestimiento están conectadas con una corta sección de tubería$ permitiendo %ue el gas se separe en el anular revestimiento tubería de producción para ser conducido a la línea de lu!o' ,na 7álvula C&e%ue es instalada sobre esta línea para prevenir %ue los luidos producidos$ luyan de regreso dentro del pozo' :obre la * de bombeo$ se instala un Prensaestopas para darle un sello &idráulico y los luidos no se escapen a la atmósera' La barra lisa$ es una varilla de acero sólido$ disponible en varios tama3os$ longitudes y e%uipadas con cone4iones de varillas en ambas puntas' Za %ue mane!a una gran carga debido al ciclo de bombeo$ la barra lisa es más resistente %ue cual%uier varilla en la sarta' 9demás de transmitir el movimiento reciprocante a las varillas$ otra de las unciones de la barra lisa es dar sello para contrarrestar el
UNIDADES DE BOMBEO La ,nidad de Bombeo es el mecanismo mediante el cual se convierte el movimiento rotatorio del motor principal en movimiento reciprocante vertical re%uerido para la Barra Lisa'
G"'("!ra# $" %a# Uni$a$"# $" B'(&"' Las dierentes unidades de bombeo tipo balancín$ aun%ue todas tienen los mismos componentes$ 6stas pueden tener varios arreglos geom6tricos en parte de esos componentes' ,sualmente se clasiican de acuerdo al criterio de si el balancín o vástago via!ero opera como una palanca de brazo doble "Clase I# o una palanca de brazo sencillo "Clase III#' El brazo de la Manivela de las unidades de bombeo pueden ser rotados en dos direcciones. En sentido de las Manecillas del relo! "C# o en contra de las manecillas del relo! "CC#' En todas las publicaciones 9PI$ la dirección está deinida cuando se observa la unidad de bombeo$ teniendo la cabeza del pozo a la derec&a del observador'
2. Cuando el balancín está en posición &orizontal$ el co!inete igualador "punto de apoyo# y el e!e de la manivela están apro4imadamente a la misma distancia vertical' ). Las contrapesas están ubicadas tanto en la punta de atrás del balancín "unidades balanceadas con balancín# o sobre el brazo de la manivela "unidades balanceadas con manivela#' +. La unidad puede ser mane!ada en ambas direcciones' Figura 2.):
Pueden bombear más rápido %ue una MarH u otro tipo de unidades' Re%uiere contrapesas más livianas %ue las MarH II'
D"n!r' $" #u# $"#"n!aa# "nc'n!ra('#* En muc&as aplicaciones$ no son tan eicientes como una MarH II u otro tipo de unidades' Puede necesitar ca!as reductoras muy grandes %ue otro tipo de unidades "especialmente con varillas de acero#'
Mar= II Las unidades MarH II$ sistema de palanca clase III$ el principal ob!etivo cuando ue desarrollado este tipo de unidad ue disminuir el tor%ue y los re%uerimientos de potencia de las unidades convencionales' ,n es%uema del arreglo de una geometría de bombeo MarH II es mostrado en la (igura 0'J'
0<]#' Esta es la 5nica característica %ue asegura mayor uniormidad neta en la variación del tor%ue a trav6s de un ciclo completo de bombeo'
+. Esta es una unidad de bombeo unidireccional y siempre debe ser mane!ada a en una dirección especíica'
La# "n!aa# $" "#!a uni$a$ !i-' Mar= II #'n* En muc&os casos mane!a ba!os tor%ues "con varillas de acero# comparado con unidades convencionales' Puede costar menos "GA &asta G-F# comparado luego con tama3os convencionales' En muc&os casos es más eiciente %ue las unidades convencionales'
Figura 2.);
Su# $"#"n!aa# ra$ican "n* •
En muc&as aplicaciones$ la bomba no puede operar tan rápido como en la unidades convencionales$ debido a su acelerado recorrido descendente "puede causar problemas de pandeo#
•
Puede rotar 5nicamente en contra del sentido de las manecillas del relo!'
•
Puede causar más da3o a las varillas y la bomba en caso de golpe de luido'
•
Puede someter la parte ba!a de la sarta en severa compresión lo %ue puede ocasionar allas por pandeo'
•
Puede tener altos tor%ues comparados con unidades convencionales cuando se tiene una sarta de varillas de ibra de vidrio' *ambi6n pueden someter las varillas de este tipo en compresión'
Ba%anc"a$a -'r Air"
Fu"n!"* IPIMS EP
1. El balancín de traba!o es una palanca de brazo sencillo ":istema clase III#$ ya %ue la cabeza de caballo y el brazo "Pitman# están sobre el mismo lado del balancín' 2. El contrabalanceo está asegurado por la uerza de presión del aire comprimido contenido
Su# $"#"n!aa# c'n#i#!"n "n* •
Es más comple!a y re%uiere mayor mantenimiento "aire comprimido$ cilindro de aire$ etc'#'
•
La condensación de agua en el cilindro de aire puede causar problemas'
•
La ca!a reductora puede averiarse si el cilindro de aire pierde presión'
D"#ignación API $" Uni$a$"# $" B'(&"' La ,nidad de Bombeo$ de acuerdo a las prácticas recomendadas por el 9PI$ es designado mediante un código alanum6rico de -F dígitos$ como sigue. El código puede ser rápidamente interpretado' El primer carácter de la iz%uierda menciona el tipo de unidad usada$ así. •
A.
Balanceada por aire'
•
B.
Balanceada por 7ástago'
D"#ignación API $" una uni$a$ $" &'(&"' Fu"n!"* IPIMS EP
MOTOR PRINCIPAL El motor principal es normalmente un motor el6ctrico o un motor a gas' La mayoría son motores el6ctricos' Los motores a gas son usados en localizaciones donde no se dispone de electricidad' La unción del motor principal es proporcionar la potencia necesaria al sistema de bombeo'
las cargas de las varillas y tambi6n la velocidad de bombeo' 9ltas variaciones de velocidad del motor principal reducen generalmente el tor%ue neto en la ca!a reductora'
M'!'r"# "%Jc!ric'# Los motores el6ctricos de un sistema de bombeo con varillas son principalmente motores de inducción de tres ases' ?EM9 "9sociación ?acional de abricantes de El6ctricos# clasiican los motores de acuerdo a su deslizamiento y características de tor%ue de inicio' ?EM9 1 es el más usado como motor de unidades de bombeo' :us rangos de deslizamientos son desde A &asta -J' >tros campos mane!an ?EM9 C con un má4imo deslizamiento de A y ?EM9 B con un má4imo de J'
M'!'r"# $" a%!' $"#%i7a(i"n!' Los motores el6ctricos especiales con altos deslizamientos alrededor del -J son llamados motores de ultra deslizamiento ",;:#' :on dise3ados para variaciones altas de velocidad y pueden ayudar a reducir el tor%ue má4imo en la ca!a reductora y las cargas en las varillas' 7er (igura 0'
C'(-ara!i' N"(a D c'n!ra A%!' D"#%i7a(i"n!' c'n Cura# $" @"%'ci$a$ 5 T'r6u"
). DISEO DE SISTEMAS DE BOMBEO MECANICO La precisión en las predicciones de las condiciones operacionales de un sistema de Bombeo Mecánico es de vital importancia en el dise3o de nuevas instalaciones y tambi6n para el análisis y optimización de las instalaciones e4istentes' ;ay algunos parámetros operacionales básicos$ y la mayoría de los datos adicionales re%ueridos para el dise3o de cuyos análisis pueden derivarse de. •
La carga %ue ocurre en la Barra Lisa durante el Ciclo de Bombeo'
•
El tor%ue re%uerido en la ca!a reductora'
•
La longitud del recorrido del pistón en ondo'
MTODO CON@ENCIONAL O APROVIMADO Este m6todo muy antiguo$ da una buena estimación cuando se trata de pozos someros "en casos donde se bombean cargas ligeras de luido#' Ba!o estas circunstancias$ la sarta de varillas es considerada como una masa concentrada$ %ue está siendo movida por la barra lisa y esta suposición
). Las uerzas mecánicas y de ricción a lo largo de la sarta de varillas' +. Las uerzas dinámicas %ue ocurren en la sarta de varillas' 9. La carga de luido sobre el pistón La uerza debido a la inercia se puede calcular multiplicando la masa %ue está siendo movida con la aceleración en la barra lisa' ,sualmente se utiliza un Nactor de aceleración o ormula de Mills.
δ =
±
SN
2
70500
Ecuación J'-
D'n$"* W*
(actor de 9celeración "9dimensional#'
S* N*
Longitud del recorrido de la Barra Lisa "Pulgadas#' 7elocidad de Bombeo ":PM#'
La dinámica de uerzas provienen de la inercia del movimiento de masas. La sarta de varillas y la columna de luido' Ellas son la suma de las cargas estáticas durante el recorrido ascendente y debe ser la resta del peso estático de las varillas durante el recorrido descendente' Cabe notar %ue las cargas
Ecuación J'0
PPRL F' X 4r <1 X W> D'n$"* PPRL* F' * 4r* W*
Carga má4ima en la barra Lisa$ Lb' Carga de luido sobre el pistón$ Lb' Peso total de las varillas en el aire$ Lb' (actor de aceleración'
La carga #'&r" "% -i#!ón "# ca%cu%a$a $" %a #igui"n!" (an"ra* (o O F'
Ecuación J'J
D'n$"* 3* Proundidad del luido dinámico$ Pies' A-* Qrea del pistón$ Pulgadas Cuadradas' S-Gr* 8ravedad especiica de los luidos producidos'
T'r6u" N"!' M/i(' El *or%ue ?eto en e!e de la Manivela sobre el reductor de velocidad "Ca!a Reductora# de la ,nidad de Bombeo es la suma de los tor%ues re%ueridos para mover la Barra Lisa y las Contrapesas' 9sí$ la carga actual de tor%ue$ depende del contrabalanceo de la unidad' *odos los modelos apro4imados de cálculo están basados en suposiciones donde la unidad se encuentra perectamente balanceada$ la má4ima y la mínima carga en la Barra Lisa ocurre en el ángulo de la manivela$ donde el actor de tor%ue es má4imo' ,na apro4imación ideal al eecto del contrabalanceo "es decir$ la uerza re%uerida en la barra Lisa para balancear correctamente la unidad#$ puede ser calculada a partir de.
BE =
PPRL − +PRL
Ecuación J'A
2
9sumiendo una geometría de ,nidad Convencional y movimiento armónico simple en la Barra Lisa$ el
S.
Longitud del recorrido de la Barra Lisa$ pulgadas'
L'ngi!u$ $" R"c'rri$' $"% Pi#!ón El recorrido del pistón está deinido como el via!e relativo del pistón de la bomba en el barril de traba!o$ por%ue este movimiento relativo es causado por el desplazamiento de luidos producidos en la bomba' Las varillas y la tubería de producción están permanentemente sometidas a elongación durante el ciclo de bombeo' La carga %ue causa elongación tanto para las varillas como para la tubería de producción es la carga de luido$ %ue alternativamente act5a sobre el pistón y la tubería de producción' Para encontrar el recorrido del pistón en ondo$ es necesario considerar$ para un cálculo preciso$ las elongaciones de las varillas y la tubería de producción durante el ciclo de bombeo' Para velocidades ba!as de bombeo$ la longitud de recorrido del pistón en una sarta de tubería desanclada es. :p O : "er et#
Ecuación J'
Er* Er L* F'*
Elongación de las varillas$ pulgadas' Constante elástica de las varillas$ pulgadas 2 Lb' 2 pies' Longitud de la sección de varillas$ pies' Carga de luido sobre el pistón$ Lb'
En una sarta de tubería de producción anclada no &ay eecto de elongación en la tubería de producción debido al ancla misma' Para una sarta de tubería de producción desanclada$ la elongación de la tubería esta directamente relacionada con los cálculos de elongación de las varillas. et O Et Lt (o
Ecuación J'U
D'n$"* L!* E!* F'*
Longitud de la tubería de producción$ en pies' Constante elástica de la sarta de tubería de producción$ pulgadas 2 Lb' 2 pies' carga de luido sobre el pistón$ Lb'
En resumen$ la elongación de las varillas y la tubería de producción debido a una carga de luido$ tiende a disminuir el recorrido del pistón$ mientras %ue los eectos dinámicos aumentan' ,na apro4imación de la longitud de recorrido del pistón$ cuando se usa una sarta de tubería de producción desanclada es. "Para una sarta de tubería de producción anclada$ el t6rmino de elongación et es F#
:p O : "er et# eo
Ecuación J'--
D'n$"* S-* S*
Longitud de recorrido del pistón en ondo$ pulgadas'
Er* E!* E'*
Elongación de las varillas$ pulgadas'
MTODO API RP 11L
Longitud de recorrido de la Barra Lisa en supericie$ pulgadas' Elongación de la tubería de producción$ pulgadas' :obre via!e del pistón$ pulgadas'
•
;acer una selección preliminar de los componentes de la instalación'
•
Las características de operación de la selección preliminar son calculadas mediante el uso de órmulas$ tablas y iguras incluidas en el 9PI -- RL'
•
Los cálculos de desplazamiento y carga en la bomba son comparadas con los vol5menes$ tasa de carga$ esuerzos y otras limitaciones de la selección preliminar'
La can!i$a$ (ni(a $" in,'r(ación 6u" $"&" #"r c'n'ci$a ' a#u(i$a "#* 1. 2. ). +. 9. :.
?ivel de luido 1$ el levantamiento neto en pies' Proundidad de la Bomba L$ pies' 7elocidad de Bombeo ?$ recorrido por minuto' Longitud del recorrido en supericie :$ pulgadas' 1iámetro del pistón 1p$ pulgadas' 8ravedad especíica del luido 8'
;. 1iámetro nominal de la tubería de producción y si se encuentra anclada o no' ?. 1ise3o y tama3o de la sarta de varillas'
C'n#i$"raci'n"# B/#ica# u#an$' "% MJ!'$' API RP 11L El m6todo 9PI RP-- L &a sido el procedimiento más usado en el dise3o de sistemas de bombeo mecánico$ debido a su ácil mane!o' :in embargo$ el m6todo tiene muc&as limitaciones por las suposiciones &ec&as cuando ue desarrollado inicialmente' Cuando se usa este procedimiento se debe tener en cuenta %ue ue desarrollado para.
1. El llenado de la bomba es -FF de lí%uido' 2. 7arillas de 9cero' ). La geometría de la unidad es generalmente Convencional' +. El motor principal es de ba!o deslizamiento' 9. La unidad se encuentra perectamente balanceada' :. Los eectos de ricción en ondo del pozo son despreciables' ;. ?o &ay eectos de aceleración debido al luido desplazado' ?. La tubería de producción se encuentra anclada'
N'!a. St O Constante de elongación de la tubería de producción desanclada y representa la carga en libras re%uerida para estirar una parte de la tubería de producción desanclada$ entre el ancla y la bomba$ una pulgada' •
CBE* Contrapeso re%uerido en libras'
•
D* 1iámetro del pistón en pulgadas'
•
Er* Constante elástica de las varillas en pulgadas2lbGpie' N'!a. Er representa las pulgadas de elongación debido a la aplicación de una carga de una libra por cada pie de longitud de varilla'
•
E!* Constante elástica de la tubería de producción en pulgadas2lbGpie' N'!a. Et representa las pulgadas de elongación debido a la aplicación de una carga de una libra por cada pie de longitud de tubería de producción'
•
F1* (actor de PPRL'
•
F2* (actor de MPRL'
•
F)* (actor de PR;P'
N*
7elocidad de bombeo en golpes por minuto'
N'*
(recuencia natural de una sarta de varillas &omog6nea en golpes por minuto'
N'Y*
(recuencia natural de una sarta de varillas combinada en golpes por minuto'
PD*
1esplazamiento de la bomba en barriles por día'
PPRL*
Carga má4ima en la barra lisa en libras'
PR3P*
Potencia en la barra lisa'
PT*
*or%ue má4imo en la manivela en pulgadasGlibra'
S*
Longitud del recorrido de la barra lisa en pulgadas'
Sr*
Libras de carga necesaria para estirar la totalidad de la sarta de varillas una
cantidad igual al recorrido de la barra lisa$ :'
S-*
Longitud del recorrido del pistón en ondo en pulgadas'
T*
*or%ue en la manivela en pulgadasGlibra'
Ta*
Constante de tor%ue a!ustada para valores de rt2:Sr de otra manera %ue F'J'
4*
Peso total de las varillas en el aire en libras'
4r*
Peso promedio de las varillas en el aire en libras2pie'
mecánico en la sección < "procedimiento de dise3o# <' Los siguientes son los parámetros de operación calculados con el m6todo 9PI RP -- L.
L'ngi!u$ $" R"c'rri$' $"% Pi#!ón Para una sarta de tubería de producción anclada el recorrido del pistón es calculado mediante. :p O : :p2:
Ecuación J'-0
D'n$"* S-* Longitud de recorrido del pistón en ondo en pulgadas' S-S* 7ariable dependiente leída de la (igura <'- <' S* Longitud de recorrido de la barra lisa en pulgadas' :i la tubería de producción no está anclada$ la elongación de la tubería de producción debida a la disminución de la carga de luido en el recorrido del pistón está dado por.
D'n$"* F'* 3* D*
Carga sobre el pistón en Lb' ?ivel de luido dinámico en pies' 1iámetro del pistón en pulgadas'
S-Gr* 8ravedad especíica del luido producido'
!*
Constante de elasticidad de la sarta de tubería de producción en Lb2pulgadas'
La constante de elasticidad para una tubería de producción desanclada está calculada por la siguiente e4presión$ donde la constante elástica de la tubería de producción E t es encontrada de la *abla <'- <.
K( =
1 E( * L
Ecuación J'-A
D'n$"* L*
Proundidad de asentamiento de la bomba en pies'
N* D*
7elocidad de bombeo en golpes por minuto' *ama3o del pistón en pulgadas'
Carga #'&r" %a Barra Li#a La carga má4ima y mínima sobre la barra lisa durante el ciclo de bombeo es calculada con. $Z PPRL
= ,rf +
F 1 SKr
* SKr
Ecuación J'-
D'n$"* 4r,*
Peso de la sarta de varillas incluyendo la lotación$ en Lb'
r.
Peso total de la sarta de varillas en el aire$ en Lb'
F1 Sr* F2 Sr* S*
7ariable dependiente leída de la (igura <'0 <'
r*
Constante de elasticidad de la sarta de varillas$ dada por la ecuación.
7ariable dependiente leída de la (igura <'J <' Longitud de recorrido de la barra lisa en pulgadas'
1 Kr
N
= ∑ Li * Eri
Ecuación J'0-
i =1
D'n$"* r*
Constante de elasticidad de la sarta de varillas en Lb2pulgadas'
Li*
Longitud de la sección en la combinación de la sarta de varillas &allada mediante la tabla <'-< para dierentes tama3os de varilla de acero en
F) Sr* S* N* r*
7ariable dependiente leída de la igura <'A <' Longitud del recorrido de la barra lisa en pulgadas' 7elocidad de bombeo en golpes por minuto' Constante de elasticidad de la sarta de varillas "ecuación J'0-# en Lb' 2 pulgadas'
T'r6u" M/i(' El tor%ue má4imo sobre la ca!a reductora es calculado asumiendo %ue la unidad se encuentra perectamente balanceada' 9sí$ el eecto de contrabalanceo actual en la barra lisa es asumido para ser igual al valor dado aba!o.
CBE O -'FD "r F'A (o#
D'n$"*
Ecuación J'0J
2T Sr* S* r*
7ariable dependiente leída de la igura <'< <' Longitud de recorrido de la barra lisa en pulgadas' Constante de elasticidad de la sarta de varillas "ecuación J'0-# en Lb' 2 pulgadas'
4r, Sr* Ta*
7ariable dimensional independiente' (actor de tor%ue a!ustado$ leído de la igura <'D < en '
M"'ra# a% MJ!'$' $" Di#"' API RP 11 L C'n#i$"raci'n"# -ara '!ra# G"'("!ra# $" Uni$a$"#
+PRL
F 1 = PPRL − + SKr
BE = 1.06 *
P* = 0.96 *
* SKr SKr F 2
+ +PRL PPRL
2* S 2 Kr
%cu&ci'n )."*
%cu&ci'n )."+
2
*
S 2 2
,rf − 0.3 * *" SKr 10
* Kr 1 +
%cu&ci'n )."
Uni$a$"# Mar= II PPRL
F 1 * SKr − Fo = ,rf + Fo + 0.75 SKr
+PRL
F 1 = PPRL − + SKr
* SKr SKr F 2
%cu&ci'n ).)(
estimar los eectos del uso de unidades con dierentes geometrías sobre el mismo pozo$ pero no es ob!eto de este estudio deducir las ecuaciones y la demostración correspondiente'
@"%'ci$a$ Sincrónica 1e la teoría de vibración se puede mostrar %ue la recuencia natural de una sarta de varillas %ue es mane!ada ba!o movimiento armónico simple tanto en el tope como en el ondo= su velocidad es.
No =
15"
%cu&ci'n ).))
L
D'n$"* a*
7elocidad del sonido en Pies 2 segundo'
L* N'*
Proundidad de la Bomba en Pies' (recuencia natural de la sarta de varillas en :PM'
Es similar a la ecuación %ue se deriva del m6todo de dise3o 9PI RP --L
' La pe%ue3a 245000
No =
L
discrepancia en las constantes "0JFFF vs' 0
METODO DE LA ECUACION DE O NABLA Si(u%ación $"% C'(-'r!a(i"n!' "n %a Sar!a $" @ari%%a#
1ebido a la naturaleza elástica de las varillas$ todos los impulsos generados por el movimiento de la unidad de bombeo en supericie son transmitidos instantáneamente al ondo del pozo' La operación de la bomba de subsuelo tambi6n envía se3ales similares a la supericie' *odos esos impulsos toman orma de uerzas elásticas u ondas de esuerzos %ue via!an a lo largo de la sarta a la velocidad del sonido' La intererencia y rele4ión de esas ondas tienen un drástico eecto sobre el desplazamiento y la carga %ue se puede observar en dierentes puntos a lo largo de la sarta' La sarta de varillas en su totalidad satisace el criterio ísico de una barra ideal delgada$ &aciendo %ue la propagación de las ondas de esuerzos sea un enómeno de una dimensión'
C'n#i$"raci'n"# B/#ica# -ara "% U#' $"% MJ!'$' $" %a Ecuación $" On$a El m6todo de Ecuación de >nda para predecir el comportamiento de un sistema de bombeo mecánico ue desarrollado para ser más le4ible en cuanto a. •
Puede seleccionarse el e%uipo ba!o una variedad amplia de condiciones'
•
El comportamiento del e%uipo en uso puede ser optimizado'
Di,"r"n!"# $i#"'# 5 (a!"ria%"# $" ari%%a#. Di,"r"n!"# ('!'r"# -rinci-a%"# <-'r %' 6u" "#!/n $i#-'ni&%"# cura# $" !'r6u" "%'ci$a$>. Di,"r"n!"# c'n$ici'n"# $" ,'n$' * •
*ubería de producción anclada o desanclada'
•
Llenado total de lí%uido'
•
8olpe de luido'
•
Intererencia de gas'
•
Eectos de ricción e inercia de luidos "apro4imados#'
Par/("!r'# G"n"ra$'# a -ar!ir $"% An/%i#i# c'n "% MJ!'$' $" %a Ecuación $" On$a
descendente' La mínima carga tambi6n aecta el rango de esuerzos y usualmente es importante en ciclo de vida por atiga de la sarta de varillas'
). D"#cri-ción API $" %a c'(&inación* ,na manera de describir el dise3o de la combinación "combinación en la sarta$ e!emplo sarta TD$ D$ etc'#' +. @"%'ci$a$ -r'("$i' $" &'(&"' * Esta es la velocidad conseguida por el conteo del n5mero de golpes %ue la unidad e!ecuta durante un minuto' 9. P"#' $" %a# ari%%a# "n ,%'!ación * Peso de la sarta de varillas cuando es sumergida en la tubería de producción llena de luido' Esto contribuye signiicativamente a las cargas en la estructura y los esuerzos en las varillas'
:. R"c'rri$' "#!i(a$' "n #u-"r,ici" * Es el recorrido e4acto de la unidad de bombeo' En algunos casos$ las unidades generan recorridos ligeramente dierentes a los estimados'
. D"#-%a7a(i"n!' &a#a$' "n "% r"c'rri$' &ru!' $" %a &'(&a <&-$>* Este es el n5mero total de barriles por día desplazados por la bomba' *odos estos no necesariamente son 5tiles en el levantamiento &asta la supericie' (actores negativos como el estiramiento de la tubería de producción y un incompleto llenado de lí%uido "intererencia de gas o golpe de luido# no son considerados en esta cantidad'
1. D"#-%a7a(i"n!' &a#a$' "n "% r"c'rri$' n"!' $" %a &'(&a <&-$>* Esta es usualmente una buena medida de la cantidad de petróleo y agua %ue la bomba mane!aría$ si el encogimiento bruto y el deslizamiento de la bomba son tenidos en cuenta por separado'
11. Carga $" ,%ui$' #'&r" %a &'(&a * Esta es la carga dierencial sobre el pistón de la bomba de subsuelo' Esta cantidad está regida por la combinación de densidad del luido en la tubería de producción$ la proundidad de la bomba$ la presión de la línea de lu!o en supericie$ el área del pistón y la presión de succión en la bomba deba!o del pistón'
12. Ta#a "n %a caa r"$uc!'ra * Esta es la tasa de capacidad de la transmisión "ca!a reductora# sobre la unidad de bombeo'
1:. Carga (/i(a * Esta es la carga má4ima sobre la estructura e4presada en porcenta!e' :i este n5mero e4cede el -FF$ la estructura está sobrecargada'
1;. M/i(a "%'ci$a$ * Esta es la má4ima velocidad alcanzada por el motor principal durante un recorrido dado'
1?. M/i(' "#,u"r7' <-#i>* Este es el má4imo esuerzo en el tope de la sarta de varillas$ e4cluyendo la barra lisa'
1. Mni(a "%'ci$a$ * Esta es la mínima velocidad alcanzada por el motor principal' 2. Mni(' "#,u"r7' <-#i>* Este es el mínimo esuerzo en el tope de la sarta de varillas$ sin incluir la barra lisa' 21. R"c'rri$' n"!' $" %a &'(&a * 1istancia recorrida por la bomba mientras la válvula via!era está abierta'
2+. P'!"ncia "n %a &arra %i#a <->* Es la potencia actual puesta en el tope de la sarta de varillas' Esta potencia es usada para &acer más beneicioso el traba!o de levantamiento de luidos y para vencer las p6rdidas en ondo' La potencia en la barra lisa es directamente medida del área de la carta dinamom6trica de supericie para una velocidad de bombeo dada'
29. P'!"ncia r"6u"ri$a <->* Este es la cantidad más importante %ue deine el tama3o de motor re%uerido' :i esta cantidad e4cede la tasa de potencia del motor principal$ entonces esta sobrecargada' Esta cantidad considera la potencia 5til puesta en la sarta de varillas$ las p6rdidas a trav6s de la unidad de supericie y la naturaleza cíclica de las cargas'
2:. Pr',un$i$a$ $" %a &'(&a <-i"#>* ,sualmente tomada como la combinación de longitud de la sarta de varillas más la longitud de la barra lisa y la bomba'
2;. P'!"ncia r"g"n"ra!ia <->* Esta es la medida de la potencia de mane!o de regreso %ue ocurre
Di,"r"ncia# $" %'# Tr"# MJ!'$'# Ta&%a ).1
1ierencias entre los tres modelos de dise3o "Mills$ 9PI RP --L y Ecuación de >nda#
E"(-%' $" A-%icación. Di#"' $" Uni$a$"# "n un P'7' $" B'(&"' M"c/nic' Ta&%a ).2
E"(-%' -r/c!ic' $" $i#"' u!i%i7an$' "% ('$"%' $" Mi%%# ' C'n"nci'na%
Ta&%a ).)
E"(-%' -r/c!ic' $" $i#"' u!i%i7an$' "% ('$"%' API RP 11L
Figura ).2
E"(-%' -r/c!ic' $" $i#"' u!i%i7an$' "% ('$"%' $" "cuación $" 'n$a
Ta&%a ).+.
Di,"r"ncia "n!r" %'# ('$"%'# $" $i#"' Fu"n!"* Au!'r
An/%i#i# C'(-ara!i' $"% Di#"' u#an$' %'# !r"# MJ!'$'# "n un -'7' $" B'(&"' M"c/nic' Las dierencias obtenidas entre los m6todos de dise3o están principalmente asociadas con la descripción apropiada de la elasticidad de la sarta de varillas durante el ciclo de bombeo' *eniendo en cuenta la proundidad de la bomba "TTA- pies#$ produciendo un luido de 0J$D ^ 9PI$ las dierencias marcadas se encuentran en algunos de los valores del P* de la *abla J'<' El m6todo 9PI RP --L es un poco más preciso$ aun%ue por ser un modelo de prueba y error esta su!eto a errores en la lectura de las cartas por parte del dise3ador' En cuanto al m6todo de ecuación de >nda se utiliza como &erramienta de solución un sot)are$ %ue calcula a partir de una ecuación dierencial parcial el comportamiento del sistema de bombeo$ calculando las cargas y desplazamiento de las varillas en cada punto a lo largo de la sarta'
9dicionalmente$ el uso de registradores ac5sticos de carta de papel$ no es muy óptimo para la determinación del nivel de luido$ se re%uieren pa%uetes de sot)are más completos y sensibles donde se pueda dar una me!or predicción del nivel ac5stico como es el caso del *M' El *M tambi6n es una &erramienta %ue usa una de las soluciones de ecuación de >nda$ mediante un análisis de diagnóstico calcula el desplazamiento y cargas en ondo$ a partir de medidas de supericie "carta dinamom6trica de supe ricie#' Las dierencias más críticas se muestran en el cálculo del tor%ue má4imo en la ca!a reductora "P*#$ contrabalanceo "CBE# y las cargas má4imas y mínimas en la barra lisa "PPRL y MPRL#'
Par/("!r'# G"n"ra%"# $" Di#"' $" un Si#!"(a $" B'(&"' M"c/nic' 1ise3ar una unidad de bombeo mecánico involucra las siguientes predicciones. •
Las cargas'
•
Los re%uerimientos de potencia y contrabalanceo "para el caso se obtendrá el re%uerimiento de potencia#'
•
Esuerzos'
•
*or%ues'
•
*asa de producción'
,na vez estos valores son conocidos$ el tama3o del e%uipo puede ser seleccionado para cumplir con todos los re%uerimientos'
D"#-%a7a(i"n!' 5 E,ici"ncia @'%u(J!rica $" %a B'(&a
El desplazamiento de la bomba depende de la velocidad de bombeo$ el diámetro del pistón y longitud de recorrido %ue va en unción de la proundidad de la bomba$ varillas y tipo de unidad' La ecuación -J'F deine el desplazamiento de la bomba' La eiciencia volum6trica es el volumen de lí%uido dentro de la bomba e4presada en una racción de volumen barrido por el desplazamiento del pistón de la bomba= es por esta razón %ue la eiciencia volum6trica disminuye al aumentar las relaciones de gas2 lí%uido bombeados' La eiciencia volum6trica de la bomba se e4presa en la ecuación 0'' La eiciencia volum6trica puede variar com5nmente entre un rango del F y el TF en condiciones normales de bombeo$ siendo aectada por el escurrimiento y el actor de encogimiento de la bomba$ cargas ricciónales y las propiedades del luido como el contenido de gas y espuma' Estos actores son diíciles de determinar pero undamentales a la &ora de obtener una mayor eiciencia volum6trica' ,na importante consideración en muc&os pozos por bombeo mecánico es el encogimiento del luido$ ya %ue puede alterar la rata %ue se espera producir en supericie con respecto a la eiciencia volum6trica esperada'
S"%"cción $"% Ti-' $" B'(&a La selección de un tipo de bomba y de los diversos materiales a usar dependen de actores como. •
Proundidad'
•
Corrosión'
•
9brasión'
•
Relación gas lí%uido'
Para una proundidad de Bombeo dada y un volumen de luido a ser producido$ e4iste un tama3o óptimo de Bomba %ue resultaría en un eectivo recorrido del pistón de la bomba$ manteniendo una velocidad de operación moderada' :i el pistón es muy grande$ se tendrán cargas innecesarias muy altas %ue serían impuestas al e%uipo y el recorrido &acia aba!o del pistón puede ser ineiciente' Por otro lado$ si el pistón es demasiado pe%ue3o$ las velocidades de bombeo se vuelven altas y se incrementan los eectos de aceleración "Inercia# %ue pueden resultar en un aumento de las cargas má4imas sobre el e%uipo' El actor básico en la selección de un tama3o apropiado de bomba es el volumen desplazado "P1# de luido por la bomba$ %ue está dado en barriles de luido por día "B(P1#' Este desplazamiento de volumen dependerá del diámetro del tama3o de bomba' El desplazamiento teórico total de la bomba puede ser calculado mediante la ecuación 0'<$ dada previamente' E4iste una selección óptima de diámetro del pistón$ longitud de recorrido y velocidad de la bomba para una tasa de producción dada' La *abla J'A$ se muestra el tama3o de pistón óptimo usado para una tasa de producción deseada$ para pozos con proundidades &asta de AFFF pies'
Ta&%a ).9
*ama3os del pistón de la bomba (uente. IPIM: EP'
,na vez se selecciona el tama3o óptimo del pistón$ se consulta el catálogo recomendado por el abricante para seleccionar el tipo de bomba y tama3o de la tubería de producción %ue se a!ustarán a un tama3o de pistón en particular' ,na recomendación típica de abricante se muestra en la *abla J'D'
Ta&%a ).:.
Ta(a' !u&"ra $" -r'$ucción #. Ta(a' $" %a &'(&a Fu"n!"* IPIMS EP.
En la siguiente tabla aparecen relacionadas las constantes de bombas y las áreas de pistón com5nmente usadas para bombas 9PI' Esta inormación es muy 5til para el cálculo de desplazamiento de bomba y las cargas de luido$ con el uso de la siguiente ecuación. Ecuación 0U'F
PD
= Sp * SP+ * Ecuación 0U'-
= Dbomb" 2 * 0.1166
Dón$"* PD* S-*
1esplazamiento de la bomba en BP1'
SPM* C*
7elocidad de bombeo en golpes 2 minuto'
D&'(&a*
1iámetro de la bomba "pistón# en pulgadas'
Longitud del recorrido del pistón en pulgadas' Constante de bomba "BP12:PM2Pulgadas de Recorrido de Bomba# 1atos disponibles en la *abla J'J'
Ta&%a ).; Di/("!r' $"% Pi#!ón <-u%ga$a#> 2T "F'TA#
r"a $"% -i#!ón <-u%ga$a#>
F'DF-J
C'n#!an!" $" &'(&a8 C F'FTU0
-G-2D "-'FD0A#
F'TTDD
F'-J-D
-G-2< "-'0AF#
-'000
F'-T0-
-G-20 "-'AFF#
-'D-
F'0D00
-GA2T "-'D0A#
0'FJU
F'JFT
-GJ2< "-'AF#
0'
F'JADU
-G0A2J0 "-'T-J#
F'JDUU
0'
0 "0'FFF#
J'-<-D
F'
0G-2< "0'0AF#
J'UD-
F'AUF-
0G-20 "0'AFF#
<'UFT
F'0TA
0GJ2< "0'AF#
A'UJUD
F'TT-<
JG-2< "J'0AF#
T'0UAT
-'0J-F
JGJ2< "J'AF#
--'F
-'DJUF
-'0-
0'D0U
AGJ2< "A'AF#
0A'UD
J'TAAF
C'n#!an!"# $" &'(&a Fu"n!"* Manua% Na&%a C'r-'ra!i'n
Mai(i7an$' %a E,ici"ncia $" L"an!a(i"n!' ,n procedimiento ácil$ rápido y coniable de optimización puede estar basado en el principio de ma4imización de eiciencia de levantamiento$ deinido como.
η lif(
P-.dr =
PPHP
D'n$"* \%i,!*
Eiciencia de levantamiento$ en porcenta!e'
