INDICE A.- SISTEMA DE BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
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1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
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2. CARACT CARACTERIS ERISTICA TICAS S PROPIAS PROPIAS DE LAS BOMBAS BOMBAS PCP-ROD PCP-RODEMIP EMIP
"
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3. SELECCION DE EQUIPOS RODEMIP 3.1. Selección del elastómero 3.2. Selección del diámetro del rotor 3.3. Selección de bombas: limitaciones generales
" 8 " 8 " 10 10 " 11
4. DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS: PROGRAMA EMIP 4.1. Datos del pozo 4.2. Cálculo de los parámetros de producción 4.3. 4.3. Prog Progra rama ma EMIP EMIP de Eval Evalua uaci ción ón de Pará Paráme metr tros os de Prod Produc ucci ción ón 4.4. Fórmulas de cálculo para dimensionamiento con curvas 4.4.1. Indice de Productividad (I.P.) 4.4.2. Altura Dinámica Total (TDH) 4.4.3. Carga Axial 4.4.4. Potencia Hidráulica 4.4.5. Potencia Eléctrica 4.4.6. Torque 4.4.7. Esfuerzos en las varillas 4.4.8. 4.4.8. Curvas Curvas de estiramie estiramiento nto dinámico dinámico de las varillas varillas (Stretc (Stretch) h) 4.4.9. 4.4.9. Te Tempe mperat ratura ura de fond fondo o y a la prof profun undi didad dad de inst instala alació ción n 4.4.10. Vida útil L10 de los rodamientos 4.4.11. Conversión de viscosidades 4.4.12. Conversión de densidades 5. EJEMPLO DE CALCULO CON EL PROGRAMA EMIP " 23
" " " " " " " " " " " " " " " " "
INDICE (CONT.) 1
13 13 14 15 15 16 16 16 17 18 19 19 21 21 22 22 23 23
B, ELEMENTOS DE INSTALACION
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1. ELEMENTOS DE LA COLUMNA 1.1. Caño filtro sin malla 1.2. Ancla de torque 1.3. Conexión entre ancla de torque y niple de paro. 1.4. Niple de paro 1.5. Estator 1.6. Conexión entre estator y niple intermedio 1.7. Niple intermedio (pup-joint) 1.8. 1.8. Conex Conexión ión nip niple le inter intermed medio io y últim último o tubin tubing g o zapa zapato to probad probador or.. 1.9. Zapato probador (niple de asiento) de hermeticidad. " 27 1.10. Tubing 1.11. Ancla de tensión
" " " " " " " " "
24 24 24 25 25 25 26 26 27
2. ELEMENTOS DE LA SARTA 2.1. Rotor 2.2. Cupla de conexión del rotor a trozo largo o primer varilla 2.3. Tr Trozo de maniobra largo de 12 pies 2.4. Centralizadores de varillas 2.5. Varillas de bombeo 2.6. Trozos de maniobra
" " " " " " "
29 29 29 29 29 30 31 31
3. ELEMENTOS DE INSTALACION EN SUPERFICIE 3.1. Cupla de conexión del eje del cabezal a la primer varilla 3.2. Ratigan 3.3. Tee de producción 3.4. Puente de producción 3.5. Cabezal de accionamiento 3.6. Freno de retroceso 3.7. Bridas de conexión entre el cab abeezal y Tee de producción ión 3.8. Junta de unión entre las bridas ("Klinger") 3.9. Reducción para linga y cuña del eje del cabezal 3.10. Sistema motriz 3.10.1 Accionamiento Accionamiento directo mediante poleas y correas a. Motores eléctricos b. Tableros eléctricos c. Poleas y correas d. Placa soporte del motor 3.10.2 10.2.. Combina inació ción acci accion onam amie ien nto direc irectto - caj caja red edu uctora. ra. 3.10.3. Cabezal de ángulo recto. 3.10.4. Variador de velocidad.
" " " " " " " " " " " " " " " " " " "
32 32 32 32 32 33 34 34 34 35 35 35 36 37 37 38 38 39 39
4. INSTRUMENTOS Y HERRAMIENTAS DE INSTALACION
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5. SENSORES DE SUPERFICIE RECOMENDADOS
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INDICE (CONT.) C.- PROCEDIMIENTO DE INSTALACION 1. CHEQUEOS PREOPERATIVOS
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B, ELEMENTOS DE INSTALACION
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1. ELEMENTOS DE LA COLUMNA 1.1. Caño filtro sin malla 1.2. Ancla de torque 1.3. Conexión entre ancla de torque y niple de paro. 1.4. Niple de paro 1.5. Estator 1.6. Conexión entre estator y niple intermedio 1.7. Niple intermedio (pup-joint) 1.8. 1.8. Conex Conexión ión nip niple le inter intermed medio io y últim último o tubin tubing g o zapa zapato to probad probador or.. 1.9. Zapato probador (niple de asiento) de hermeticidad. " 27 1.10. Tubing 1.11. Ancla de tensión
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2. ELEMENTOS DE LA SARTA 2.1. Rotor 2.2. Cupla de conexión del rotor a trozo largo o primer varilla 2.3. Tr Trozo de maniobra largo de 12 pies 2.4. Centralizadores de varillas 2.5. Varillas de bombeo 2.6. Trozos de maniobra
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3. ELEMENTOS DE INSTALACION EN SUPERFICIE 3.1. Cupla de conexión del eje del cabezal a la primer varilla 3.2. Ratigan 3.3. Tee de producción 3.4. Puente de producción 3.5. Cabezal de accionamiento 3.6. Freno de retroceso 3.7. Bridas de conexión entre el cab abeezal y Tee de producción ión 3.8. Junta de unión entre las bridas ("Klinger") 3.9. Reducción para linga y cuña del eje del cabezal 3.10. Sistema motriz 3.10.1 Accionamiento Accionamiento directo mediante poleas y correas a. Motores eléctricos b. Tableros eléctricos c. Poleas y correas d. Placa soporte del motor 3.10.2 10.2.. Combina inació ción acci accion onam amie ien nto direc irectto - caj caja red edu uctora. ra. 3.10.3. Cabezal de ángulo recto. 3.10.4. Variador de velocidad.
" " " " " " " " " " " " " " " " " " "
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4. INSTRUMENTOS Y HERRAMIENTAS DE INSTALACION
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5. SENSORES DE SUPERFICIE RECOMENDADOS
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INDICE (CONT.) C.- PROCEDIMIENTO DE INSTALACION 1. CHEQUEOS PREOPERATIVOS
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2. INSTALACION DE LA COLUMNA
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2.1. Armado de la herramienta de producción 2.2. Armado del tubing. Torques 2.3. Me Medida del "tally" de la columna. 3. INSTALACION DE LA SARTA 3 . 1. 3.2. 3. 3 . 3. 4 .
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Armado de la sarta. Torques. Me Medida e instalación de la sarta. Espaciamiento Cálculo del estiramiento 3.4.1. Estiramiento dinámico 3.4.2. Dilatación térmica
4. INSTALACION DEL EQUIPAMIENTO DE SUPERFICIE 4.1. Si Sistema de accionamiento directo. 4.1.1. Con cabezal TE40 o TP02 4.1.2. Con cabezal TE60 4.2. Caja reductora o variador mecánico de velocidad
" " " " " "
46 46 47 49 50 50
" 51 " " " "
51 51 52 53
5. PUESTA EN MARCHA
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6. DESMONTADO DE LA UNIDAD PCP
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7. RECOMENDACIONES GENERALES DE OPERACION
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8. RESOLUCION DE PROBLEMAS OPERATIVOS 8.1. El equipo no bombea 8.2 . El equipo equipo bombea bombea irregula irregularmen rmente te sin fluctu fluctuacion aciones es de amperaje amperaje 8.3. El equipo bombea el caudal calculado pero con amperajes altos y fuertes fluctuaciones
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9. MANTENIMIENTO
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A. SISTEMA DE BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS El sist sistem ema a de bomb bombeo eo de bomb bombeo eo de cavi cavida dade des s prog progre resi siva vas s o siste sistema ma PCP PCP (Progressive Cavity Pump) fue patentado en Francia en el año 1932 por el Ingº René Moineau Moineau,, el fundador fundador de PCM PCM POMPES POMPES,, de donde donde tambié también n se lo conoce conoce como como sistema Moineau.
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Estas bombas fueron utilizadas en sus orígenes para la transferencia de fluídos viscosos en superficie, y aplicadas a todo tipo de industrias, como química, alimenticia, papelera, vitivinícola, etc. Su aplicación en la extracción de petróleo comenzó hacia fines de la década del 70, con la utilización de bombas de pequeño caudal y altura de elevación. Su posterior desarrollo las ha llevado a competir en la actualidad con las bombas electrosumergibles y los aparatos individuales de bombeo de gran tamaño.
Algunas de sus ventajas con relación a estos sistemas son las siguientes: • • •
• •
•
Puede ser utilizada en pozos con arena, dada la resiliencia del elastómero. No se bloquea por gas. Mueve el fluído en forma uniforme y continua, contrariamente al bombeo mecánico, que sólo lo hace en su movimiento ascendente. El resultado de esto se traduce en: • mejor eficiencia hidráulica • un significativo ahorro de energía • ausencia de pulsaciones en la zona de la formación próxima al pozo, y en consecuencia menor producción de arena en reservorios no consolidados. • fluído no emulsionado, dado el flujo prácticamente laminar. La sarta de varillas soporta un esfuerzo constante, contrariamente al bombeo mecánico, con cargas cíclicas, que la llevan a fallas por fatiga. En fluídos de alta viscosidad, la fricción del fluído puede ser tal que impida bajar a la sarta a la velocidad deseada, limitando así la velocidad de bombeo y por ende el caudal. En casos extremos, la fricción puede ser tal que lleve a la sarta a trabajar a la compresión durante el movimiento descendente, situación que lleva a frecuentes roturas de varillas. El sistema de accionamiento en superficie entrega un máximo de eficiencia, ya que está perfectamente balanceado, no necesitando vencer las fuerzas de inercia del movimiento reciprocante de la sarta. Como gira a relativas altas velocidades, se precisan cajas reductoras más pequeñas y ejes mas delgados
El costo de inversión inicial es significativamente inferior al de un sistema electrosumergible o de bombeo mecánico, de entre el 50% y el 25% del costo de estos, dependiendo de su tamaño. El costo de mantenimiento es mínimo y el ahorro de energía llega a ser del 60 al 75% de cualquiera de los sistemas mencionados, a igualdad de caudal y altura de elevación. En otro aspecto, el tamaño de los sistemas de accionamiento en superficie de una bomba PCP, y su ausencia de ruido, los hacen ideales para su instalación en zonas urbanas, en contraposición a los monumentales AIB.
1.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La bomba PCP está constituida por dos piezas longitudinales en forma de hélice, una que gira en contacto permanente dentro de la otra que está fija, formando un "engranaje helicoidal": •
el rotor metálico, la pieza interna, conformado por una sola hélice.
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•
el estator , la parte externa y fija, constituido por una camisa de acero revestida internamente por un elastómero sintético, moldeado en forma de doble hélice, enfrentadas entre sí, cuyos pasos son el doble del paso de la hélice del rotor.
La geometría del conjunto es tal que constituye una serie de cavidades idénticas y separadas entre sí. Cuando el rotor gira dentro del estator, estas cavidades se mueven axialmente de uno al otro extremo del estator, desde la succión hasta la descarga, creando la acción de bombeo.. De ahí el origen del nombre de bombeo de cavidades progresivas. Debido a que las cavidades están aisladas entre sí, la bomba es del tipo de desplazamiento positivo. El rotor y el estator no son concéntricos, y el movimiento del rotor dentro del estator es en la práctica la combinación de dos movimientos: • •
una rotación en sentido horario alrededor de su propio eje. una rotación en sentido antihorario del eje del rotor alrededor del eje del estator
De aquí proviene el nombre a veces usado de "bomba a tornillo excéntrico". La geometría del engranaje helicoidal formado por ambas piezas se define totalmente por los siguientes parámetros, mostrados en la Fig. 1: • • •
díámetro de la sección del rotor excentricidad de la bomba longitud del paso de las hélices del estator
D E P
E es la distancia entre el eje del rotor y el del estator. P es también: • • •
el largo de una cavidad. la distancia que una cavidad avanza hacia arriba por cada vuelta del rotor. el largo de una etapa, es decir la longitud mínima requerida para que la bomba genere una efectiva acción de bombeo.
Cada largo adicional del paso del estator, genera una etapa adicional. Cada vuelta del rotor genera dos cavidades de fluído. Este es el desplazamiento de la bomba, o la capacidad en volumen de ambas cavidades. Como se puede ver en esa figura, el área total de la sección transversal de cualquier cavidades es:
A=4D.E
1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (Cont.) Este área es constante y, en consecuencia, a velocidad de rotación constante, el caudal es uniforme. Esta es una característica importante de la bomba PCP. Contrariamente a la bomba alternativa, su flujo es no pulsante. Su acción de bombeo puede ser comparada a la de un pistón moviéndose a través de un cilindro de longitud infinita. El desplazamiento de la bomba se expresa
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V = A . P = 4 D . E . P [cm3] A altura de elevación cero, el caudal Q es directamente proporcional al desplazamiento y a la velocidad de rotación de la bomba n:
Q=V.n=4D.E.P.n Para homogeneizar unidades, se determina primero la capacidad de la bomba por cada RPM, y en función de esta, se determina la velocidad de rotación para el caudal a extraer. La capacidad C se expresa así:
4 D. E. P [ cm ] x 60 min / hora x 24horas/ día 3
C=
6
3
RPM x 10 cm / m
3
= 0,00144V
m3 / d RPM
Para generar presión de elevación, debe existir una presión diferencial entre las cavidades, lo que requiere un sellado suficientemente hermético entre rotor y estator. Este se obtiene construyendo el rotor con un diámetro externo levemente mayor al menor diámetro del estator. Esta diferencia de diámetros se denomina interferencia. Esta es una de las características más importantes a tener en cuenta al seleccionar una bomba PCP. La interferencia entre rotor y estator debe asegurar un buen sellado entre las cavidades, pero por otra parte no debe ser tan alta como para generar un excesivo calentamiento por fricción, lo que acorta la vida útil de la bomba. La presión diferencial se va sumando de una cavidad a la siguiente, de modo tal que
la altura manométrica de la bomba es proporcional al número de cavidades, es decir al número de etapas. Cuanto mayor es la altura de elevación a la que la bomba deba elevar el fluído, tanto más aumenta el escurrimiento del fluído hacia abajo, haciéndole perder eficiencia al sellado entre las cavidades. A la relación arriba indicada se la debe afectar por un factor de escurrimiento, proporcional a la altura de elevación. La eficiencia mejora.también a mayor viscosidad del fluído. Para una misma longitud y diámetro externo de estator, se pueden obtener diferentes alturas manométricas y caudales, cambiando el paso P de la hélice. En la Fig. 2 se ilustran tres rotores del mismo valor de D + 2E y de la misma serie, como los modelos 300TP800, 200TP1200 y 120TP2000, de la serie 3 1/2", en la que se destaca que al reducir el paso de la hélice, se pierde caudal pero aumenta la altura manométrica.
2. CARACTERISTICAS PROPIAS DE LAS BOMBAS PCP-RODEMIP Las bombas PCP-RODEMIP fueron desarrolladas por la unión de empresas realizada entre PCM POMPES (Empresa Moineau - EM) y el IFP- Instituto Francés del Petróleo (IP), de donde les proviene su nombre.ROD-EMIP. Las bombas RODEMIP se caracterizan por tener una relativa mayor excentricidad y un menor diámetro de rotor. A igualdad del paso P de la hélice del estator, los desplazamientos (volumen de cada etapa, o de dos cavidades consecutivas) de dos
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bombas PCP , y en consecuencia sus caudales, serán iguales en la medida que lo sean el producto D . E de las mismas. RODEMIP ha optado por diámetros menores de rotor y en consecuencia mayor excentricidad por las siguientes razones: • • •
El perfil resultante del engranaje helicoidal tiene mejor eficiencia hidráulica. Se reduce el desgaste y el calor generado por fricción. Se reduce el desbalance del rotor.
Esta elección representa por otra parte mayores costos de mecanizado y de cromado del rotor, así como de fabricación del estator. Otra característica de las bombas RODEMIP es la importancia que se le asigna a la correcta determinación de la interferencia . Como vimos, esta es fundamental para la vida útil de la misma. Por esta razón, PCM POMPES ha diseñado varios diámetros de rotor y tipos de elastómero para cada modelo de bomba, . Para cada pozo y modelo de bomba en particular, y de acuerdo a una serie de variables que veremos en el siguiente punto, se determina el elastómero y el diámetro del rotor a fin de obtener, en funcionamiento, la mínima interferencia compatible con un adecuado sellado entre las cavidades. La designación de los modelos de las bombas RODEMIP es sencilla, siendo en todos los casos del tipo " x TP y ", donde • •
x indica el caudal de la bomba en m3/día a 500 RPM, a altura de elevación cero. y indica la altura diferencial aceptable de elevación de la bomba, en metros.
La Fig.3 muestra los modelos RODEMIP disponibles hoy en el mercado. Los indicados con un punto son los nuevos modelos, con rotores y estatores de 9 mts de largo aproximadamente. Como se puede apreciar, la nueva tecnología de mecanizado de barras de esta longitud, ha permitido el desarrollo de bombas de hasta 600 m3/día de producción. Las curvas de performance de las bombas RODEMIP han sido realizadas para agua, viscosidad 1 cPo, y expresan la relación de velocidades n [RPM] en función de los caudales Q [m3/día]. En ellas se puede apreciar cómo para un mismo caudal, la velocidad de rotación debe aumentar a mayor altura de elevación. También que la proporcionalidad entre caudal y RPM se mantiene a igual altura de elevación, dando rectas paralelas para distintas alturas.
3.SELECCION DE EQUIPOS RODEMIP La selección de un tipo de bomba RODEMIP y del elastómero del estator y el diámetro del rotor depende de parámetros físicos y químicos, que son los siguientes:
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•
El tipo de fluído: • • •
Gravedad específica del petróleo (º API) Corte de agua Agentes agresivos : 1. Contenido de aromáticos 2. Contenido de CO2 3. Contenido de SH2
•
La temperatura del fluído a la profundidad de instalación de la bomba.
•
El grado de abrasión por arena.
•
La relación gas libre (GLR) a la succión de la bomba.
•
El caudal requerido
•
La altura dinámica total necesaria para ese caudal (TDH)
3.1. SELECCION DEL ELASTOMERO RODEMIP dispone de un amplio rango de elastómeros, ya que PCM los fabrica dentro de su planta, contando también con laboratorios en los que realizan las distintas fórmulas para la elaboración de los mismos, . Su selección depende de la composición del petróleo, del grado de abrasión y de la temperatura. Se muestran en la siguiente tabla los distintos elastómeros producidos por PCM de utilización en el campo de aplicación petrolera . En la misma, se ha establecido las siguientes escalas de resistencia: • • •
A : excelente B :bueno: bajo hinchamiento del elastómero pero puede ser necesaria la disminución del diámetro del rotor. C: promedio: el hinchamiento es importante y se requiere la disminución del diámetro del rotor.
Se considera que el elastómero tiene un hinchamiento normal (escala de resistencia con letra "A") cuando es de un máximo del 3%. Tanto la temperatura como los agentes agresivos del fluído mencionados arriba, tienden a producir hinchamiento en el elastómero, aumentando la interferencia, y en consecuencia, disminuyendo la vida útil del estator. Por otra parte, el gas libre en la succión de la bomba tiende a ampollar el estator, con el mismo resultado. El elastómero base y de utilización en la mayoría de los casos, es el denominado 159P.
3.1. SELECCION DEL ELASTOMERO (Cont.) Esta selección del elastómero viene acompañada por la del diámetro del rotor, el que compensa, en los casos que así se precise, el mayor hinchamiento previsto del elastómero debido a agentes químicos o físicos.
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Por este motivo es de fundamental importancia conocer los datos del petróleo y la temperatura de fondo del pozo, como paso previo al dimensionamiento y la instalación de la bomba PCP-RODEMIP.
TIPO 159P
192C
CARACTERISTICAS DEL ELASTOMERO • • • • • •
Propiedades mecánicas altas Temp máx 120 ºC Abrasión: alta resistencia Ampollado por gas: alta resist Aromáticos: promedio CO2 : promedio
•
SH2 : promedio
Crudos livianos 26 < ºAPI < 40 y bajo cont. aromát y CO 2
• • • • • •
Prop. mecánicas promedio • Temp máx 90 ºC Abrasión: promedio Ampollado por gas: baja resist
Crudos livianos con conten. más altos de aromáticos y CO2
B
Crudos abrasivos Crudos pesados Crudos medios con bajos contenidos de aromáticos y CO2
A A B
Crudos pesados con alta temperatura Crudos pesados con SH 2
A
• • • • • • •
191C
• • • •
ESCALA RESIST A Crudos pesados < 18 ºAPI A/B Crudos abrasivos Alta presión A Crudos medios 18 < ºAPI < B C 26
•
•
194C
CAMPOS DE APLICACION
• • • • • • •
Aromáticos: bueno CO2 : promedio SH2 : pobre
Propiedades mecán. buenas, • • principalmente elasticidad Temp máx 90 ºC •
Abrasión: muy buena
Ampollado por gas: alta resist Aromáticos:promedio CO2 : promedio SH2 : promedio/pobre Propiedades mecánicas altas
Temp. máx 160 ºC
•
• Abrasión : buena Ampollado por gas: alta resist. • Aromáticos: promedio/pobre CO2 : promedio/pobre
SH2 : buena
Crudos medios con bajo contenidos de aromáticos y CO2
A/B B/C
3.2. SELECCION DEL DIAMETRO DEL ROTOR El rotor, cualquiera sea su largo, es de una pieza de acero bonificado, revestida con cromo duro para darle mayor resistencia a la abrasión.
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La selección de su diámetro depende de: El tipo de elastómero seleccionado (dimensiones del estator anteriores al hinchamiento, dureza, elasticidad) ♦ La temperatura del crudo al nivel de instalación de la bomba. ♦ La naturaleza del crudo que determina el hinchamiento del estator y afecta sus propiedades mecánicas. ♦
Todos los modelos de bombas tienen un valor de interferencia óptima, predeterminada por el fabricante, entre rotor y estator, que está dado por el diámetro del rotor. Como dijimos anteriormente, la vida de la bomba depende de este valor, el que debe ser el mejor compromiso entre un buen sellado entre cavidades, el que también evita la destrucción por abrasión, y una baja interferencia para evitar el calentamiento interno del elastómero. Para obtener la mejor interferencia entre rotor y estator, PCM ha creado 12 tamaños de rotor para cada modelo de bomba, cubriendo temperaturas de bombeo desde 0 ºC hasta 155 ºC. Los tamaños del rotor son : Rotor 0C / 35F Rotor 15C / 60F Rotor 30C / 90F Rotor 50C / 120F Rotor 65C / 150F Rotor 80C / 175F Rotor 95C / 200F Rotor 110C / 230F Rotor 125C / 255F Rotor 140C / 280F Rotor 155C / 310F
para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta para trabajar hasta
0 ºC / 35 ºF 15 ºC / 60 ºF 30 ºC / 90 ºF 50 ºC / 120 ºF 65 ºC / 150 ºF 80 ºC / 175 ºF 95 ºC / 200 ºF 110 ºC / 230 ºF 125 ºC / 255 ºF 140 ºC / 280 ºF 155 ºC / 310 ºF
Estos tamaños están definidos para el uso de cada rotor a la temperatura para la cual está diseñado, para trabajar con el elastómero base 159P, cuando el crudo produce un hinchamiento normal del elastómero, es decir no superior al 3%, lo que en la tabla anterior se ha calificado con la letra "A"· en la escala de resistencias. Con otros elastómeros, o cuando se prevee que el fluído va a causar un hinchamiento superior, se debe adaptar la interferencia, mediante la modificación del diámetro del rotor. Para ello, existen tablas de interferencia y selección, de acuerdo al tipo de elastómero y de crudo a bombear. No siempre se debe reducir el diámetro. Sucede a veces que, cuando se trata de fluídos viscosos o pozos poco profundos, y con elastómeros tales como el 192C o el 194C, se debe aumentar el tamaño del rotor en lugar de disminuirlo.
3.3. SELECCION DE BOMBAS : LIMITACIONES GENERALES Una vez definido el elastómero del estator y determinado el diámetro del rotor, se procede al dimensionamiento del equipo, seleccionando en primer lugar el modelo de bomba a instalar, en función del caudal y del TDH.
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Obviamente, la bomba más barata va ser aquella que trabaje en la zona límite de sus máximas prestaciones, lo que nunca es recomendable.
En TODOS LOS CASOS, para obtener una larga vida útil, es aconsejable limitar la velocidad a 400 RPM. Asimismo, en todos los casos, los parámetros de funcionamiento deben estar condicionados por los siguientes factores: • • •
Profundidad de instalación Presencia de arena Uso de rotores subdimensionados para compensar el hinchamiento.
La siguiente tabla Y Fig. 4 muestran las limitaciones de velocidad en RPM y de la altura manométrica total de la bomba.
LINEA
Abrasión por arena inferior al 1% Abrasión por arena superior al 1% Uso de rotores subdimensionados para compensar hinchamiento del elastómero 66%
-------
RPM máx
TDH
370 250
75% 66% 400
3.3. SELECCION DE BOMBAS : LIMITACIONES GENERALES (Cont.) Se debe tener en cuenta las siguientes limitaciones, mostradas en las Figs. 5 y 6:
limitación de velocidad con respecto a la profundidad de instalación PSD. tipo de instalación de fondo de acuerdo a la velocidad y PSD.
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En la Fig. 6 se muestra un esquema de instalación propuesto por PCM, en el cual se especifica la necesidad de la instalación en los casos determinados por la Fig. 5 de : • un trozo de maniobra de 12 pies de largo inmediatamente por encima del rotor. • dos centralizadores de varillas por encima del trozo de 12 pies. • dos centralizadores de tubing colocados en el estator, en caso de no colocar ancla. En la Fig. 5 se muestran tres zonas de instalación: • En la ZONA 1 no existen restricciones con respecto al tipo de instalación de fondo. • En la ZONA 2 las bombas deben instalarse de acuerdo al esquema de la Fig 6.
En la ZONA 3 no se pueden instalar bombas PCP-RODEMIP.
4. DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS: PROGRAMA WINPETRO 4.1. DATOS DEL POZO : Para dimensionar una bomba PCP-RODEMIP hace falta la siguiente información:
1. el perfil o los datos de completación del pozo: 12
• • • • • •
intervalo productivo y profundidad de punzados. profundidad total del pozo diámetro del casing diámetro del tubing existencia de packer o liner. deviation survey en caso de pozo desviado
2. los datos de producción: • • • • • • • • •
sistema actual de extracción y disponibilidad de energía eléctrica. nivel estático nivel dinámico para la producción actual o prevista producción actual o prevista el Indice de Productividad (I.P.) (de estos cuatro datos, hacen falta conocer sólo tres de ellos.) el corte de agua la relación gas-petróleo (GOR), si es posible sólo por cañería de producción. la temperatura de fondo BHT (Bottom Hole Temperature) en ºC la temperatura de boca de pozo WHT (Well Head Temp) en ºC la contrapresión en boca de pozo WHP (Well Head Pressure) en bar.
3. los datos del fluído: • • • • • • • • • •
densidad del petróleo, en g/cc o ºAPI densidad del agua de formación en g/cc densidad del gas, en g/cc la viscosidad del fluído (mezcla petróleo/agua) a la temperatura de fondo la viscosidad del fluído a la temperatura de boca de pozo. la presión de burbujeo del gas factor de compresibilidad del gas contenido de arena contenido de aromáticos contenido de SH2,, CO2 u otros posibles agentes agresivos o corrosivos
4. los datos de producción requeridos: • •
profundidad de instalación de la bomba PSD (Pump Setting Depth) caudal deseado
En relación a las varillas, su selección previa se hace en base a la experiencia. Una vez dimensionado el equipo, es posible tener que modificarlas, en caso de que sus esfuerzos resulten superiores a los límites. La modificación de las varillas viene acompañada frecuentemente de una modificación del tubing, por problemas de compatibilidad sarta/tubing, dados los diámetros de las cuplas de las varillas. También porque al reducirse el espacio anular entre el tubing y la sarta, el torque de fricción en las varillas aumenta mucho, en casos de fluídos viscosos.
4.2. CALCULO DE LOS PARAMETROS DE PRODUCCION No todos los datos enlistados anteriormente son siempre necesarios. Por ejemplo, cuando se trata de fluídos con altos cortes de agua, la viscosidad de la mezcla se toma aproximada a la del agua (1 cPo), tornándose irrelevante su influencia en la determinación de parámetros tales como el TDH (Total Dynamic Head), o el torque de fricción en las varillas.
13
Otro caso sería en pozos con GOR despreciable, buena presión de sumergencia PIP (Pump Intake Pressure) y baja presión de burbujeo, donde el GLR a la succión de la bomba es prácticamente cero. Con los datos enlistados en el punto anterior, se procede al cálculo de los parámetros de producción. Estos son:
• • • • • • • •
Velocidad de la bomba en RPM Altura dinámica total (TDH) Pérdida de presión en el tubing Sumergencia Relación GLR (Gas-Liquid Relationship) a la succión de la bomba Esfuerzos en las varillas Carga axial en el cabezal Potencia requerida en el eje
Este se puede realizar en algunos casos con buena aproximación en base a las curvas de performance de las bombas, existentes en el catálogo RODEMIP. Estas curvas están realizadas para agua. Son similares a la del ejemplo de la 60TP2000 de este manual (Figs 7 y 8). Los casos mencionados son aquellos pozos con alto contenido de agua o fluídos de baja viscosidad y bajo GOR. En estas curvas se muestra la velocidad de rotación en función del caudal a extraer, y de un TDH determinado del pozo. Asimismo, con las líneas punteadas se obtiene la potencia en el eje , la que como se verá depende de la eficiencia hidráulica total del sistema, de la velocidad de régimen y del TDH. En pozos con petróleos pesados o con fluídos de alta viscosidad, estas curvas subcalculan la potencia en el eje, ya que no toman en cuenta la potencia necesaria para vencer el torque de fricción entre el fluído y las varillas y el tubing. Este torque, despreciable en agua y en petróleos livianos o medios, se vuelve un factor muy importante en crudos de alta viscosidad y debe ser calculado. Del mismo modo, en pozos con alto contenido de gas, la velocidad de rotación para obtener un determinado caudal de fluído, es muy superior a la que se obtiene de las curvas, requiriéndose en esos casos el cálculo del gas libre en la succión de la bomba. Estos cálculos, aunque realizables con calculadoras, requieren de fórmulas muy engorrosas, teniendo además la desventaja de que para cada alternativa de selección en un mismo pozo se deben recalcular, con el consiguiente insumo de tiempo.
4.3. PROGRAMA WINPETRO DE CÁLCULO DE PARAMETROS DE PRODUCCION Por estas razones, PCM desarrolló el Programa WINPETRO de procesamiento de datos, para la evaluación de los parámetros de producción. En él están incorporadas todas las fórmulas de cálculo de TDH, torque, gas libre, viscosidad, pérdidas de carga en cañería de producción, esfuerzos en la varilla
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superior y varilla inferior, sartas combinadas, ancla de gas, pozos desviados, y todos los demás parámetros de producción mencionados en el punto anterior. Asimismo, da como resultado de cálculo el Nivel Dinámico, permitiendo chequear de esta manera si los datos de Caudal, I.P. y nivel estático son coherentes.
Cálculo del gas libre con el Programa WINPETRO El programa WINPETRO calcula el GLR partiendo del IP y no de la curva IPR (Inflow Performance Relationship) de Vogel. Esto es así dado que el programa compensa el gas libre liberado en la succión de la bomba, cuando la presión dinámica es inferior a la de burbujeo, con una mayor velocidad de rotación y por ende un aumento del volumen de formación bombeado.
La relación GLR no debe ser mayor al 25%. Aunque la bomba no se bloquea por gas, como las bombas de profundidad API, su presencia puede producir ampolladuras en el elastómero. La bomba PCP, a diferencia de la electrosumergible, puede ser instalada debajo de los punzados, ya que la refrigeración del estator se produce por dentro y no por fuera, como necesita el motor de una ESP. Por esta razón, en caso de existir cámara debajo de los punzados y ser el pozo gasífero, su instalación ahí permite reducir considerablemente el volumen de gas libre. En caso de no existir esa posibilidad, y superar el GLR el 25%, se debe instalar un ancla de gas, del tipo "mosquito". El inconveniente de este ancla es no poder ser instalada en pozos con arena.
4.4. FORMULAS DE CALCULO PARA DIMENSIONAMIENTO CON CURVAS Se dan aquí fórmulas útiles para el dimensionamiento y cálculo de los diversos parámetros de una bomba PCP. así como el cálculo del estiramiento dinámico de las varillas, el de la vida útil de los rodamientos del cabezal (L 10), y estimaciones par el nivel estático o la temperatura, en caso de no disponerse de estos datos..Las fórmulas de carga axial en el eje del cabezal y del esfuerzo en las varillas han sido simplificadas. . No se incluyen las fórmulas de cálculo de la relación GLR, dada su complejidad. . Asimismo, se incluyen gráficos con curvas de : • •
estiramiento de varillas, L10 del rodamiento del cabezal TE60,
• •
determinación rápida de la carga axial, y torques en las varillas para los diferentes modelos de bombas, función de los caudales.
4.4.1. INDICE DE PRODUCTIVIDAD (I.P.) I.P. [m3/día/bar] =
Q
[m3/día]
P.E. [bar] - P.D. [bar] Q es el caudal total de fluído P.E. es la presión estática del fluído en daN/cm2 ó bar P.D. es la presión dinámica también en bar
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Expresada de otra forma :
I.P [m3/día/bar] = Q [m3/día] x 10,21 mts/bar (N.D. [mts] - N.E. [mts]) N.D. es el nivel dinámico para ese caudal expresado en metros bajo boca de pozo. N.E. es el nivel estático expresado en metros bajo boca de pozo δ es la densidad media específica del fluído En caso de no conocer el nivel estático, se puede estimar aproximadamente como: En recuperación primaria : [mbbp] En recuperación secundaria [mbbp]
N.E. = 0,25 Profundidad punzados :
N.E. = 0,15 Profundidad punzados
4.4.2. ALTURA DINAMICA TOTAL (TDH ó HEAD) Es la altura total entregada por la bomba a un caudal determinado. Esta altura nunca debe ser mayor a la altura manométrica total de la bomba.
TDH [bar] = N.D. + WHP + FL
donde
N.D. es el nivel dinámico expresado en bar. Se calcula como N.D. [bar] = N.D. [mts] xδ 10,21 [mts/bar] WHP (well head pressure) o contrapresión en boca de pozo en bar FL (friction loss) es la pérdida de carga en el tubing, también en bar. Depende de la viscosidad del fluído, del caudal, de la profundidad de instalación de la bomba, del diámetro del tubing, y del diámetro de las varillas y de sus cuplas. FL [bar] = 22,2222 x Q x PSD x µ + 0,4888 x Q x π (Φt - Φv)2 (Φt2 - Φv2) π (Φt - Φc)2 (Φt2 - Φc2)
PSD x µ
Q es el caudal a extraer en m3/día PSD (Pump Setting Depth) es la profundidad de instalación de la bomba en mts µ es la viscosidad media del fluído en la columna, expresada en cPo Φt es el diámetro interno del tubing, medido en mm.
Φv es el diámetro de la varilla, medido en mm. Φc es el diámetro externo de las cuplas, medido en mm.
4.4.2. ALTURA DINAMICA TOTAL (TDH ó HEAD). (Cont.) Tubing API
Φt [mm]
Varillas API
Φv [mm]
Cuplas API Std.
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Φc [mm]
Cuplas API "S-H"
Φc [mm]
2 3/8" 50,7
5/8"
15,9
5/8"
38,1
5/8"
31,7
2 7/8"
62
3/4"
19,0
3/4"
41,3
3/4"
38,1
3 1/2"
76
7/8" 1"
22,2 25,4
7/8" 1"
46,0 50,8
7/8" 1"
41,3 50,8
1 1/8"
28,6
1 1/8"
57,2
1 1/8"
57,2
4.4.3.- CARGA AXIAL (Ver Chart 1) Carga Axial = PSD x [mv - δ x SV/10000] + [ TDH x ( SR - SV)] donde mv = peso de las varillas en aire en daN / mt δ = densidad del fluído en Kg / m3 TDH en bar PSD (Pump Setting Depth) profundidad de instalación de la bomba en mts. SR sección del rotor en cm2 SV sección de la varilla en cm2 Aproximadamente, la fórmula se puede expresar así:
Carga Axial = [ 0,87 x PSD x mv x
Varillas
mv
] + TDH x [SR - SV]
[daN/mt]
SV [cm2]
Rotor tor
Di Diám.
Serie
[m [ mm]
5/8"
1,66
1,98
3/4"
2,37
2,85
2 7/8"
44
15,20
7/8"
3,17
3,88
3 1/2"
51
20,43
1"
4,20
5, 5,07
4"
57
25,52
11/8"
5,36
6,41
4.4.4.- POTENCIA HIDRAULICA
Potencia [ kW ] = Q [m3 / día] x TDH [mts] 8810 x
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SR [cm2]
donde
es la eficiencia total del sistema.
Sus valores dependen fundamentalmente de la velocidad de rotación y del modelo de bomba. Se muestran a continuación eficiencias para para algunos modelos:
n rpm
60TP 60TP20 2000 00
120T 120TP2 P200 0000
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0,40 0,45 0,48 0,50 0,53 0,52 0,52 0,51 0,50 0,49
0,38 0,45 0,47 0,48 0,53 0,52 0,50 0,49 0,48 0,46
200T 200TP1 P120 2000
400T 400TP9 P900 00 300T 300TP1 P180 8000
0,37 0,41 0,43 0,47 0,48 0,50 0,52 0,53 0,54 0,55
TDH [mts] = TDH [bar] x 10,21 δ
Potencia [kW] = M [daN . m] x n [RPM] 973 M es el torque demandado por la bomba, medido en daN . m n es la velocidad de rotación de la bomba, en RPM. En unidades inglesas, las fórmulas de potencia se expresan así:
Potencia [HP] = M [lb ft] x n [RPM] 5252 Potencia [HP] = Q [bpd] x TDH [ft] 135600 x Potencia [HP] = 1,34 x Potencia [kW]
4.4.5. POTENCIA ELECTRICA
Potencia [kVA] = 1,73 V x I 1000 V [Volts] es el el voltaje de la línea I [Amps] es la corriente corriente total consumida. consumida.
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0,41 0,47 0,50 0,52 0,53 0,54 0,55 0,55 0,56 0,60
0,40 0,45 0,47 0,49 0,51 0,52 0,54 0,55 0,56 0,56
Cuando Cuando se quiere quiere determ determina inarr la potenc potencia ia efecti efectivam vamente ente consum consumida ida por el motor motor eléctrico, eléctrico, el amperaje amperaje medido medido en el tablero con la pinza amperométri amperométrica ca incluye la energía reactiva y las pérdidas mecánicas del motor. La fórmula a aplicar es:
Potencia [kW] = 1,73 V x I medido x cos x 1000 donde
es la eficiencia mecánica del motor.
4.4.6.- TORQUES (M)
M [daN . m] = Potencia [ kW ] x 973 n [ RPM ] M [lb . ft ] = Potencia [ HP ] x 5252 n [ RPM ] Potencia [ kW ] = 0,746 x Potencia [ HP ] M es el par resistente resistente total, compuesto compuesto por la suma del par resistente resistente hidráulico hidráulico,, el par de fricción propio de la bomba y de los torques creados por la fricción de la sarta y sus cuplas con el fluído. Torques máximos para varillas
Varill illa 7/ 7/8" 70 d daaN . m V a r i ll a 1 " 105 daN . m Varilla 1 1/8" 150 daN . m
NOTA: Mientras el torque demandado por las varillas aumenta con la velocidad de rota rotaci ción ón,, el torq torque ue entregado por por un moto motova vari riad ador or mecá mecáni nico co de velo veloci cida dad d disminuye. Las curvas de torque en función de velocidad pueden cortarse en un punto, superado el cual el variador puede romperse. Los siguientes son gráficos de torque en función de los caudales arrojados por las bombas, supuestas las siguientes condiciones condiciones operativas: Fluído bombeado: agua TDH máximo: 80% de la altura manométrica de la bomba Velocidad máxima: 400 RPM Profundidad de instalación : altura manométrica de la bomba I:P: : el suficiente para asegurar una sumergencia de 150 mts. Contrapresión en boca de pozo : 10 bar
4.5.6.- TORQUES (M) (Cont.)
19
180 160 140 120 100 TORQUES daN . m
80 60TP2000
60
120TP2000
40
200TP1800
20
300TP1800
0 1
30
50
70
90
110
130
150
170
CAUDALES m 3/día
180 160 140 120 TORQUES daN . m
100 80
200TP1200
60
300TP800 400TP900
40
400TP1350 20
600TP900
0 1
50
100
150
200
250
300
350
400
450
CAUDALES m 3/día
4.4.7.- ESFUERZOS EN LAS VARILLAS (STRESS) Las varillas de bombeo, al accionar una bomba PCP, están sujetas a esfuerzos de tensión permanente, distinto a lo que ocurre con el bombeo mecánico, donde se tiene
20
190
esfuerzos alternativos de tracción y compresión. Por esta razón, los límites de esfuerzos establecidos por el Diagrama de Goodman para bombeo alternativo no son válidos en el sistema PCP, siendo en este caso mayores. Los esfuerzos en las varillas están medidos en psi o en daN/mm2. Para varillas grado"D" , la tensión de fluencia es de 80 daN / mm2 ó 115.000 psi. El límite en el sistema PCP es de 55 daN / mm2 ú 80.000 psi. Los esfuerzos en las varillas en este caso son el resultado de una combinación de tracción y torsión. La fórmula ASME para su cálculo es:
=
3
2
2 t
+ 1,5
la que también se puede expresar así: 3 2 v
Stress [ daN / mm2 ] = 77,81 ( T /
)
+ 1,5 ( P / SV )
2
T es el torque expresado en daN. mm. Φv en mm. P es la carga axial sobre el eje del cabezal en daN. S v está expresada en mm2
4.4.8. CURVAS DE ESTIRAMIENTO DINAMICO DE LAS VARILLAS (STRETCH) En el sistema PCP, las varillas sufren estiramientos que son provocados por su propio peso y por la carga dinámica de la columna de fluído. El estiramiento producido por el peso o estiramiento estático, no se toma en cuenta al momento del espaciamiento, ya que la sarta está ya estirada por esta causa. Para el cálculo del estiramiento dinámico o "stretch", siempre que la sarta se encuentre trabajando dentro de la zona del límite elástico del acero, se aplica la ley de Hooke: Stretch [ mts]
=
ε
L=
σ
E
xL=
TDH x [S R - S V ] [ daN ] x L [ mts] S v [ mm 2 ] x E [ daN / mm 2 ]
El módulo de elasticidad E del acero es de 21000 daN / mm2 o de 30.500.000 psi. Las curvas de estiramiento de varillas que se muestran a continuación están hechas en base a esta fórmula. Están realizadas para 300 mts de varillas, correspondiendo curvas iguales a bombas de la misma serie con iguales diámetros de rotor. Para su uso, se determina primero cuál es la máxima altura total (TDH) esperada, para el máximo régimen previsto de operación. Entrando en la curva correspondiente se obtiene el estiramiento dinámico para 300 mts de varillas. El valor total será:
Stretch total [mm ] = Stretch curva [mm] x PSD [mts] 300 mts
4.4.9.- TEMPERATURA DE FONDO Y A LA PROFUNDIDAD DE INSTALACION En caso de no disponer de la temperatura de fondo, se la puede estimar en base a la siguiente fórmula geotérmica:
21
0.99 T f [ ºC ] = [ Prof. Punzados ] x 0,045 + 15 º C Por supuesto que la temperatura de fondo será el resultado del valor medio de las temperaturas y caudales de las distintas capas que aportan en el pozo, para lo cual se debe conocer el perfil del mismo. Para determinar la temperatura a la profundidad de instalación (PSD), se estima un gradiente térmico de 1 ºC cada 33 mts de profundidad. En consecuencia, la temperatura a la profundidad de instalación de la bomba se puede estimar como:
Temperatura a PSD [ º C ] = T f [ ºC ] - Prof. formación [mts] - PSD [mts] 33 mts/ ºC 4.4.10. VIDA UTIL L10 DE LOS RODAMIENTOS La fórmula ISO L10, que da el tiempo esperado en horas de funcionamiento para que exista un 10% de probabilidad de falla de un rodamiento, se expresa así: 10
L10 [ horas] = [ C1 / P]
3
1000000 . . 60 x n
C1 es el valor de carga axial máxima propia de cada rodamiento. P es la carga axial de trabajo para ese rodamiento n es la velocidad de rotación [RPM] para esa carga de trabajo. La fórmula L10 de Timken es la siguiente :
L10 TIMKEN = [ C 90 / P]
10 3
x
500 n
x 3000
Donde C90 es un valor propio de Timken. La fórmula ISO tiene la ventaja que todos los fabricantes de rodamientos pueden dar el valor de C1, incluído Timken. Se adjunta a continuación las curvas logarítmicasL 10 del rodamiento del cabezal TE60, de acuerdo a la fórmula ISO, expresadas en Tiempo de Vida en horas en función de las RPM y de la carga axial sobre el eje del cabezal.
4.4.11. CONVERSION DE VISCOSIDADES Se adjunta tabla de conversión de viscosidades dadas en SSU, SSF, cST, Segundos Redwood Nº 1 y Nº 2, y Grados Engler.
22
La fórmula de conversión de Segundos Saybolt Furol (SSF) a Centistokes es:
1 cST = 2.2 * SSF - 203 / SSF La de conversión de Segundos Saybolt Universal (SSU) a Centistokes es: para 32 < SSU < 100 para SSU > 100
1 ST = 0.00226 * SSU - 1.95/SSU 1 ST = 0.0022 * SSU - 1.35/SSU La conversión de Centipoise cPo a cST es
1 cPo = 1 cST * 4.4.12. CONVERSION DE DENSIDADES De g/cc a ºAPI
Gravedad específica g/cc =
141,5 131, 5 º A PI
De ºAPI a g/cc
Gravedad ºAPI =
141 5 131 5 SG
donde S:G: es la gravedad específica en g/cc.
5. EJEMPLO DE CALCULO CON EL PROGRAMA WINPETRO Se muestran a continuación la hoja de Evaluación de Parámetros de Producción, y la hoja de Datos Técnicos, realizados por el Programa WINPETRO, para un pozo ejemplo, con una bomba modelo 60TP2000, instalada a 1650 mts de profundidad. Se adjuntan también las curvas de performance de este modelo y la hoja de especificaciones y de compatibilidad bomba-varillas-tubing correspondiente, obtenidas del Catálogo PCM MOINEAU. En el mismo se encuentra las mismas hojas para cada uno de los modelos realizados por PCM POMPES. El ejemplo mostrado se utilizará posteriormente para el capítulo C. Procedimiento de Instalación, y es la base del esquema del Programa de Instalación incluído en el mismo.
B.- ELEMENTOS DE INSTALACION Y SUS CARACTERISTICAS OPERATIVAS La siguiente es una descripción completa, comenzando desde el fondo de pozo, hasta el equipamiento de superficie, de todos los componentes, conexiones, sistemas
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de control y herramientas que se utilizan en una instalación tipo de PCP-RODEMIP, así como sus características operativas. Algunos elementos no es necesario instalarlos en todos los casos, dependiendo de las condiciones de operación de la unidad, como se verá más adelante.
1. ELEMENTOS DE LA COLUMNA 1.1. Caño filtro sin malla Se utiliza para evitar que en caso de rotura del estator, con desprendimiento de elastómero, trozos de regular tamaño del mismo queden dentro del espacio anular. Estos, al ser succionados nuevamente por la bomba, una vez reinstalada, podrían provocar agarres en la PCP u obturaciones en una bomba de profundidad. La condición para su instalación es que la suma de las áreas de sus orificios sea igual o mayor a seis (6) veces el área de la succión de la bomba, es decir seis veces el área de los orificios del niple de paro doble o de las canaletas del niple de paro simple. La ausencia de malla del filtro es necesaria para permitir que en caso de existencia de arena, no tapone sus orificios y pueda ser succionado libremente por la bomba. Por esta razón también la tapa inferior del filtro debe poseer orificios.No es conveniente su instalación en caso de existencia de carbonatos.
1.2. Ancla de torque Al girar la sarta en el sentido de las agujas del reloj, o hacia la derecha, vista desde arriba, hace que la columna también tienda a girar hacia la derecha, es decir hacia el sentido de desenrosque de los caños. A esto se suman las vibraciones producidas en la columna por las ondas armónicas ocasionadas por el giro de la hélice del rotor dentro de las del estator, vibraciones que son tanto mayores cuanto más profunda es la instalación de la bomba . La combinación de ambos efectos puede producir el desprendimiento del tubing. El ancla de torque evita este problema. Cuanto más la columna tiende al desenrosque, más se ajusta el ancla. Debe ir siempre instalada debajo del estator, elemento de la columna donde el esfuerzo de torque es mayor. No siempre es necesaria su instalación, ya que las bombas PCP de menor caudal a bajas velocidades, o a bajas profundidades de instalación, no levantan torques importantes y/o no producen grandes vibraciones. No obstante, es recomendable en todos los casos. Esto es debido a que cuando no se la instala, se debe torquear la columna de tubing con el máximo torque API correspondiente a esa cañería, para evitar su desenrosque. Esto incide en la duración de los caños.
1.3. Conexión entre ancla de torque y niple de paro. Las anclas vienen normalmente con roscas de 2 7/8" o eventualmente con 3 1/2".
24
Los niples de paro, de rosca doble, vienen con rosca macho inferior de 2 3/8", de 2 7/8", de 3 1/2", todas con rosca API EUE, ó de 4" con rosca API NU (Non-upset). Por consiguiente es necesario en cada caso la reducción o cupla adecuada. Las reducciones 2 3/8" x 2 7/8" y 2 7/8" x 3 1/2" se obtienen normalmente en el mercado. Las reducción de 4" NU x 3 1/2" EUE debe ser realizada partiendo de un cuerpo completo, tal como barra de sondeo, y nunca como resultado de soldar dos cuplas. Esto es debido a que esta pieza es la que soporta el máximo torque.
1.4. Niple de paro Es parte componente de la bomba y va roscado al extremo inferior del estator. El diámetro de su rosca es el mismo que el del estator al que va roscado. Su función es: - hacer de tope al rotor en el momento del espaciamiento, - servir de "pulmón" al estiramiento de las varillas, con la unidad funcionando, y - como succión de la bomba. Existen dos tipos de niple de paro:
De rosca simple (una sola rosca hembra roscada al estator). Es para el caso de no instalar ancla de torque o ningún otro elemento debajo del estator. Lleva una tapa en su extremo inferior, que es la que sirve de tope al rotor. Su longitud es siempre de 30 cm desde el último filete de la rosca. Enfrentadas entre sí lleva dos ranuras anchas que son la succión de la bomba.
De rosca doble, con una rosca hembra en su extremo superior, que va roscada al estator y una rosca macho de la misma medida en su extremo inferior, para permitir instalar debajo el ancla de torque, o cualquier otro elemento. A los 30 cm. del último filete de la rosca superior, tiene interiormente una pieza con cuatro orificios que sirven de succión de la bomba. A la vez el centro de la misma hace de tope del rotor, para el espaciamiento. Esta pieza está torneada y no soldada, ya que el niple de paro doble está realizado a partir de un macizo.
1.5. Estator Es el elemento más importante del sistema PCP, y ya fue descripto en el capítulo de Principio de Funcionamiento al comienzo de este manual, y en el tema de Selección del Elastómero. Las camisas de los estatores son de acero SAE 4140. Sus diámetros externos y su compatibilidad con el diámetro interno del casing, para cada serie son: Serie 2 3/8" 2 7/8" 3 1/2" 4"
Diámetro externo 79 mm 90 mm 108 mm 120 mm
Para casing 4 1/2" 4 1/2" 5 1/2" 5 1/2"
1.5. Estator (cont.) Los estatores PCP-RODEMIP tienen roscas machos en ambos extremos, de la medida correspondiente a su serie, es decir 2 3/8", 2 7/8", 3 1/2" EUE y 4" NU, de acuerdo a los diversos modelos, como se describe a continuación: 25
Modelo
Rosca
30TP1300 60TP1300 - 60TP2000 - 100TP1200 - 240TP900 120TP2000 - 200TP1200 - 200TP1800 - 300TP800 300TP1200 - 300TP1800 - 400TP900 - 400TP1350 - 600TP900
2 3/8" 2 7/8" 3 1/2" 4" NU
Están fabricados en uno, dos o tres elementos unidos entre sí por cuplas, ajustadas y calibradas en fábrica. Por esta razón, nunca se debe intentar aplicar torque sobre alguna de estas cuplas, ya que se inutilizaría automáticamente el estator. Esto podría suceder al armar la herramienta. Cuando se torquea el niple de paro, se debe hacer contra en el extremo del estator donde se está instalando el niple, y nunca en el otro extremo o en el medio. De la misma manera al torquear el niple intermedio o su reducción . El estator viene ya con un rebajado en cada extremo, donde se coloca la "steerson" o llave cadena para hacer contra. A los efectos de la colocación del niple de paro o del intermedio, es indistinto un extremo que el otro.
1.6. Conexión entre estator y niple intermedio Caben las mismas consideraciones que para la conexión entre el niple de paro y el ancla de torque. Como en ese caso, corresponde una reducción o cupla, dependiendo de la unidad instalada.
1.7. Niple intermedio (pup-joint) Su función es la de permitir el movimiento excéntrico de la cabeza del rotor con su cupla o reducción de conexión al trozo largo de maniobra o a la última varilla, cuando el diámetro del tubing no lo permite. En estos casos es imprescindible su instalación. El rotor, correctamente espaciado y en funcionamiento, debe asomar de la parte superior del estator unos 48 cm, cuando los extremos inferiores de ambos se encuentran al mismo nivel. Pero previo al funcionamiento, el rotor queda asomando por encima del estator esos 48 cm., más la medida del estiramiento calculado, el que puede ser de más de 5 pies, dependiendo de la profundidad de la instalación, del TDH, y del diámetro de las varillas. Una vez que la unidad funciona, las varillas se van estirando hasta que el rotor alcanza la medida arriba mencionada. Por esta razón, y a efectos de estandarizarlo, es conveniente que el largo del niple intermedio sea de 6 pies.
1.7. Niple intermedio (pup-joint). (Cont.) Las siguientes son las distintas posibilidades que existen para la instalación de niple intermedio: Serie
Modelo
Tubing
Varillas 26
Niple intermedio
2 3/8"
30TP1300
2 3/8" 2 7/8"
3/4" 3/4" - 7/8" - 1"
2 7/8" NO
2 7/8"
60TP1300
2 3/8" 2 7/8" 2 7/8" 3 1/2"
3/4" - 7/8" 3/4" - 7/8" 1" 7/8" - 1"
2 7/8" NO 3 1/2" NO
2 7/8"
60TP2000 240TP900
2 7/8" 3 1/2"
7/8" - 1" 7/8" - 1"
3 1/2" NO
2 7/8"
100TP1200
2 3/8" 2 7/8" 2 7/8" 3 1/2"
3/4" - 7/8" 7/8" 1" 7/8" - 1"
2 7/8" NO 3 1/2" NO
3 1/2"
120TP2000 200TP1200 200TP1800 300TP800
2 7/8" 3 1/2"
7/8" - 1" 7/8" - 1" - 1 1/8"
3 1/2" NO
4"
300TP1200 300TP1800 400TP900 400TP1350 600TP900
3 1/2"
1" - 1 1/8"
4" NU
1.8. Conexión entre niple intermedio y último tubing o zapato probador. Iguales consideraciones que en las anteriores conexiones.
1.9. Zapato probador (niple de asiento) de hermeticidad. En caso de ser instalado, debe ir siempre inmediatamente arriba del niple intermedio, o del ancla de tensión, para poder probar toda la cañería, y además porque al ser su diámetro interior menor al del tubing, no permite el paso de los centralizadores de varillas inferiores. Obviamente, no permite medir la hermeticidad de la bomba. Por ello, aún cuando se tenga instalado el niple de asiento, conviene probar hermeticidad de la columna completa con la misma PCP. Para ello, se deben tomar algunas precauciones.
1.9. Zapato probador (niple de asiento) de hermeticidad. (cont.) Si se trata de una instalación nueva, se realiza una vez instalado el puente de producción, y antes de conectar el sistema motriz al cabezal. Si se trata de una instalación existente, . se desconecta en superficie el sistema motriz del cabezal,
quitando las correas y la polea, o el acoplamiento flexible. El cabezal debe tener conectado el freno antiretroceso y la cuña trabando el eje. Esto evitará que al llenar la columna de producción con la motobomba, la presión diferencial entre 27
entrecolumna y tubing, haga que la bomba actúe como motor y gire en sentido inverso. Si esto sucediera, y de estar conectado el cabezal al sistema motriz, su velocidad de rotación inversa resultante, que no es controlable, sería a su vez transmitida en forma ampliada al motor, caja reductora, etc., en la misma relación de reducción. Esto podría producir la rotura del sistema motriz o peor aún, provocar un accidente. La interferencia entre el rotor y el estator hace de suficiente sello para probar hermeticidad, aunque siempre existe escurrimiento, tanto mayor cuanto mayor sea la presión total resultante sobre la bomba. La suma de la presion de prueba más la altura de la columna debe ser tal que no supere la altura manométrica de la bomba, para evitar dañarla. Para calcular la presión de ensayo entonces, se debe tener en cuenta la profundidad de instalación. Por ejemplo, una bomba 60TP2000 (200 bar de altura manométrica) instalada a 1700 mts (170 bar) requeriría una presion de prueba inferior a los 30 bar (300 mts de agua), o 430 psi. Se podría ensayar con 20 bar (300 psi) durante 2 minutos. Si en ese lapso el manómetro de la motobomba se mantiene estable en la presión establecida, la columna está hermética.
1.10. Tubing En caso de haber instalado ancla de torque, la columna se arma con torque óptimo API, correspondiente a su diámetro. Si existiera arena, aún con ancla de torque, se debe torquear con el máximo API. De este modo, en caso de quedar el ancla atrapada, existen más posibilidades de librarla, lo que se realiza girando la columna hacia la izquierda. Si no hay instalada ancla de torque, se debe torquear la columna también con el máximo API, para prevenir el desenrosque del tubing. Se adjuntan las tablas de torques recomendados por el API para cañería nueva. Se debe tener la precaución al instalar, si no se baja armando, de repasar todas las roscas, incluyendo las de los tiros dobles de cuando se retiró la columna. En caso de reinstalación luego de una rotura del estator, conviene calibrar toda la cañería , para evitar que algún trozo de goma quede en ella.
1.11. Ancla de tensión Cuando la profundidad de instalación es mayor a los 1300 mts., y no se instala ancla de torque, se debe instalar un ancla de tensión, para asegurar el correcto tensado de la cañería y evitar las vibraciones producidas en la columna por el movimiento excéntrico del rotor. Este ancla no sirve como ancla de torque. Normalmente se la instala por encima del niple intermedio.
2. ELEMENTOS DE LA SARTA 2.1. Rotor Es el otro elemento componente de la bomba PCP, y hemos visto ya su descripción en el capítulo Principio de Funcionamiento, y su determinación en el tema Selección del Diámetro del Rotor.
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Estando ambos al mismo nivel en sus extremos inferiores, el pin del rotor sobresale del estator entre 460 y 520 mm. Este dato permite verificar en muchos casos si el espaciamiento fue bien realizado. En casos de presencia de arena, aunque sea escasa, éste deja marcada muchas veces la hélice del rotor. De este modo, al retirar el rotor por cualquier motivo, se puede observar en qué punto estuvo trabajando dentro del estator, partiendo desde el extremo superior del rotor. Los rotores de los diversos modelos RODEMIP vienen con roscas machos API correspondientes a distintos tamaños de varillas como se indica a continuación:
Modelo
Varilla
30TP1300 60TP1300- 100TP1200A 60TP2000- 120TP2000- 200TP1200- 200TP1800- 240TP900- 300TP800 300TP1200- 300TP1800- 400TP900- 400TP1350- 600TP900
3/4" 7/8" 1" 1 1/8"
2.2.Cupla de conexión del rotor al trozo de maniobra largo o a la primer varilla Dependiendo del rotor y del diámetro de la sarta, corresponde instalar una cupla o una reducción. Las reducciones de 3/4" x 7/8" y de 7/8" x 1" son de fácil obtención. Con respecto a la de 1 1/8" x 1", si no se consigue en el mercado, se puede obtener a partir de un macizo de acero SAE 4140, tal como perno de biela de bombeo mecánico.
2.3. Trozo de maniobra largo de 12 pies Es muy importante instalar un trozo de esta medida inmediatamente por encima del rotor, en lugar de una varilla, cuando gira a velocidades superiores a las 250 RPM. Cuando se instala una varilla, debido a su largo y al movimiento excéntrico del rotor que se transmite directamente a ella, tiende a doblarse y rozar contra las paredes del último tubing, El trozo de maniobra, al ser de menos de la mitad del largo de la varilla, se dobla menos o no se dobla, dependiendo de su diámetro. En general, inmediatamente por encima del trozo de 12 piés se colocan dos centralizadores de varillas, que impiden la transmisión del movimiento excéntrico al resto de la sarta.
2.4. Centralizadores de varillas (Fig. 2.4) Para velocidades superiores a 250 RPM y/o profundidades de instalación mayores de 1200 mts., con altos cortes de agua, es casi siempre necesaria su instalación. Un caso en que no es conveniente su instalación es en aquellos pozos con alto contenido de arena, ya que la misma puede obstruir los canales de los centralizadores. De todos modos, en estos casos la bomba debe girar despacio, por debajo de las 250 RPM, lo que no hace necesaria su colocación. 29
Otro caso es el de pozos con petróleo viscoso, donde los centralizadores producirían pérdidas de carga adicionales, y en donde el mismo fluído amortigua el rozamiento de las varillas. Al girar el rotor, su movimiento excéntrico se transmite a la sarta, haciendo que esta roce contra las paredes del tubing, tanto más cuanto mayor sea su velocidad. y el corte de agua. Asimismo, cuanto más profunda sea la instalación, más posibilidades existen de tener alguna desviación, lo que también se traduce en rozamiento de la sarta. Por ello, se deben instalar dos centralizadores inmediatamente por encima de la primer varilla o trozo de maniobra de 12 pies sobre el rotor. Nunca se deben instalar los centralizadores en la cabeza del rotor, ya que esto no le permitiría realizar su movimiento excéntrico, que es la base del funcionamiento del sistema. Para asegurar un buen centralizado, sobre todo en pozos profundos, es conveniente agregar un centralizador alrededor de la mitad de la sarta, y uno más cercano a la boca del pozo. Existen diversos tipos de centralizadores: a) Localmente se obtienen los centralizadores rotativos, que giran junto con las varillas, y reemplazan a las cuplas estándar. Su diámetro externo es igual al diámetro interno del tubing correspondiente. Están fabricados en acero SAE 4142, el mismo de las varillas, y recubiertos por un plástico apto para su uso en petróleo. Vienen en medidas de 2 7/8" x 3/4" , 2 7/8" x 7/8" y 3 1/2" x 1". b) También se obtienen localmente centralizadores de varillas, realizados enteramente en el mismo tipo de plástico que los anteriores. Vienen partidos en dos mitades, los que se unen sobre el cuerpo de la varilla y su parte externa apoya sobre la pared del tubing. Se fabrican en cualquier medida de varilla y tubing. c) Finalmente, existen centralizadores no rotativos (importados), que reemplazan a las cuplas estándar, pero que actúan como "cojinetes". Están compuestos por una camisa plástica (fija) del mismo material plástico que los anteriores. Su diámetro externo es igual al del interior del tubing correspondiente. Por dentro las atraviesa una espiga de acero de 4 pulgadas de largo, cuyos extremos tienen roscas de la misma medida que las de las varillas que centralizan. Vienen en las mismas medidas que los centralizadores rotativos.
2.5. Varillas de bombeo Se recomienda el uso de varillas usadas "condición 2", ya que tienen menor estiramiento. Para ellas, como vimos, el esfuerzo máximo recomendado es de 55 Las varillas de bombeo que se utilizan son nuevas o usadas grado "D".
daN/mm2 ú 80.000 psi Los esfuerzos provienen, como fuera ya explicado, de una combinación de tracción y torque, siendo éste último el esfuerzo fundamental.
Se encuentra en este momento bajo estudio el comportamiento de las varillas "Plus" o de "Alta Resistencia" a los esfuerzos de torque. Otro elemento que se utiliza son 30
barras de sondeo finas, de diámetros de 1,66" ó de 1, 9" aunque no son de fácil obtención. Tienen la ventaja de que, al ser huecas. tienen mucho mayor resistencia al torque. Su limitante es la resistencia al torque de sus pines, estando bajo estudio otros sistemas de acoplamiento entre ellas. Fundamentalmente el problema radica en la resistencia de los pines. Casi todos los casos de pesca de varillas son por barrido de pines por sobretorque. Estos estudios se están realizando debido a que la PCP ha ido evolucionando hacia rangos de mayores caudales y profundidades. Para poder bombear tales caudales, en muchos casos con altos TDH, se requieren torques mucho más altos, siendo su principal limitante las varillas y sus roscas.
cuando se trata de varillas nuevas, se debe armar la sarta calibrando la llave hidráulica con el torque de la plantilla API de nuevas. Asimismo, cuando son varillas usadas, se utiliza la correspondiente plantilla de usadas. Al igual que en bombeo mecánico,
Una precaución que se debe tomar cuando ha existido pesca de varillas por barrido de pin de alguna de ellas, es revisar los pines del resto de la sarta, ya que pueden haber algunos deteriorados pero no inutilizados. En caso de haber varios, es conveniente reemplazar la totalidad de la sarta y enviar la anterior a inspección.
2.6. Trozos de maniobra Se utilizan para el correcto espaciado del rotor, tal como se explica en el procedimiento de instalación. El mayor esfuerzo de torque en la sarta se encuentra en el extremo superior de la sarta..Por esta razón, dado que al espaciar, se instala una cierta cantidad de trozos de maniobra y espigas de centralizadores, con sus respectivas cuplas, es conveniente colocarlos debajo de la primer o segunda varilla, a efectos de disminuir el riesgo de barrido de pines en la zona de mayor solicitación al torque. La existencia de trozos en almacenes es normalmente en piezas pares en pies, es decir trozos de 2, 4, 6 ú 8 pies. Es muy conveniente tener en la locación en el momento de la instalación algún trozo de impar, ya que casi siempre se precisa uno Un juego típico de trozos de maniobra y espigas para espaciar sería: 1 Trozo de 8 pies - 1 Trozo de 6 pies - 1 Trozo de 4 pies - 1 Trozo de 2 pies 1 Trozo de 1 pie ó de 3 pies 3 Espigas de 4 pulgadas c/u
3. ELEMENTOS DE INSTALACION EN SUPERFICIE 3.1. Cupla de conexión del eje del cabezal a la primer varilla El pin del eje del cabezal TE40, TP02 o TE60 viene con rosca 1 1/8". En consecuencia, las cuplas a instalar pueden ser de las siguientes medidas: 1 1 1 1
1/8" 1/8" 1/8" 1/8"
x 3/4" x 7/8" x 1" x 1 1/8"
Para Para Para Para
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varillas varillas varillas varillas
de de de de
3/4" 7/8" 1" 1 1/8"
Si no se obtiene de los fabricantes de varillas (SAE 4142), el material de estas cuplas debe ser de acero SAE 4140, obtenido de un macizo, tal como un perno de biela de un aparato de bombeo mecánico.
3.2. Ratigan Se utiliza en el caso de un pozo con gas, a efectos de poder realizar el cambio de empaquetaduras del cabezal sin problemas. El inconveniente de este elemento es que, aparte de elevar la altura total de la instalación de superficie, lleva un vástago pulido de 1 1/4" que genera una pérdida de carga adicional. Se debe tener en cuenta esto también para preveer la cupla de conexión al pin del eje del cabezal, ya que la rosca del vástago es de 7/8", necesitándose una cupla de 1 1/8" x 7/8". Asimismo, con el ratigan estándar, las varillas de la sarta están limitadas a ser de no más de 7/8" por la rosca del vástago. Esto sucede debido a que si se instalara varillas de 1", al ser la rosca del vástago de 7/8", ésta estaría probablemente subdimensionada al torque, pudiendo ser un posible punto de rotura. Más aún cuando la cupla del vástago no está hecha a espejo. La solución a esto es cambiar las gomas empaquetadoras del vástago en el ratigan a la medida de la varilla correspondiente, instalando directamente una varilla o un trozo de esa medida en lugar del vástago.
3.3. Tee de producción Conviene que sea lo más corta posible, a efectos de disminuir la altura de la instalación de superficie. Es conveniente que el diámetro de las roscas de la Tee sea el mismo que el de la columna, es decir 2 7/8" ó 3 1/2", para evitar zapatos o niples de conexión, que elevan la altura de instalación. Normalmente la salida de la Tee es de 2" NPT, con tapón a 180º.
3.4. Puente de producción Es conveniente armar el puente de producción con posibilidad de recirculación, para el caso que el pozo deba ser operado en forma cíclica por alguna razón, o a efectos de no parar el equipo para tareas en la línea de conducción. Asimismo, y de ser posible, en general es conveniente operar el equipo con entrecolumna abierta, para casos de pozos con gas. De este modo el gas de entrecolumna no pasa a través de la bomba.
3.5. Cabezal de accionamiento ( Fig. y Planillas 3.5.1 y 3.5.2) El cabezal de accionamiento es el que transmite el movimiento rotativo a las varillas y al rotor, y por ende el torque entregado por el sistema motriz, y soporta la carga axial producida por el peso propio de las varillas y por la columna de fluído. Asimismo sus empaquetaduras lo aislan del fluído del pozo. Los modelos TE40, TP02 y TE60 llevan un juego de 10 empaquetaduras, con uniones colocadas a 90º una de otra, con un prensaestopas. Las empaquetaduras son de Kevlar (Dupont), impregnadas en teflon (PTFE), de capacidad 400 bar.
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El eje del cabezal está realizado en acero SAE 4140. La camisa es de fundición nodular gris. Las características técnicas de los cabezales mencionados son: Cabezal Modelo
TE40 y TP02*
Rosca macho de la camisa (EUE) Rosca del pin del eje (API) Diámetro del eje del cabezal, mm (in) Carga axial máxima, daN Potencia máxima a transmitir (HP)
4" 1 1/8" 42 (1.65) 8000 40
TE60** 4 1/2" 1 1/8" 60 (2.36) 15000 120
* El cabezal TE40 está fabricado con 3 rodamientos SKF, Ref. 32311, armados en la planta de PCM, dos en tándem que soportan la carga axial, o esfuerzo de tracción, y uno más debajo de ellos, orientado en sentido contrario, para centralizar el eje y soportar eventuales esfuerzos de compresión. El cabezal TP02 está fabricado del mismo modo que el TE40, pero con rodamientos Timken, Ref. JW 5549 - JW 5510, y está armado en esa fábrica de rodamientos. Ambos están lubricados con grasa de alto punto de goteo, tal como la grasa de Litio SKF de punto de goteo 180ºC, especial para rodamientos, o Esso Grasa de Aviación 322. El valor C1 de los rodamientos SKF 32311, para el cálculo de la fórmula ISO del L10 de vida útil de los rodamientos es de 39.600 daN. Para los rodamientos Timken, es de 27.000 daN. **
El cabezal TE60 está fabricado con los mismos materiales que los anteriores, pero posee un solo rodamiento de alta capacidad, Ref SKF 29418 E, lubricado con aceite sintético especial para rodamientos, de alta viscosidad, tal como el Shell Tivela Oil WB, Motoil Glygoyle 30 (-25 á +80 ºC), Mobiltemp SHC 100 (-40 á +100 ºC), Esso EZL 502, o Elf Syntherma P270. Viene llenado de fábrica con Motoil Glygole 30. La temperatura de operación del cuerpo del cabezal no debe ser superior a los 80 ºC. En caso de que exceda este valor, se debe chequear si el nivel de aceite es el correcto. Puede suceder que la falta de aceite se deba a una pérdida a través de los retenes sellantes. En este caso, se deben reemplazar. Es recomendable reemplazar el aceite cada 180 días de operación. El valor C1 para este rodamiento es de 70.200 daN.
3.6. Freno de retroceso (Figs. 3.6.a y 3.6.b) Los cabezales fabricados por PCM POMPES, están provistos de un freno antiretroceso liberable, que evita el giro inverso de las varillas al detenerse el equipo por cualquier razón. De no tener este freno, al detenerse el equipo, la presión diferencial entre la columna y la entrecolumna, haría descender el fluído en la cañería, lo que a su vez lleva a la bomba actuar como motor. De este modo, el sistema motriz (motor eléctrico, reductor de velocidad, variador mecánico de velocidad, etc.) puede alcanzar velocidades no controladas que podrían dañarlo, aparte de constituir un peligro para el operador. Por otro lado, de no existir el freno, la columna se vaciaría cada vez que se detiene el equipo.
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La otra función del freno liberable es la de evitar que en caso de agarre de la bomba, la torsión acumulada en la sarta sea liberada sin control en el cabezal, pudiendo también dañar el sistema motriz, y generar peligro de accidentes. Al producirse un agarre en la bomba, el amperaje subirá hasta hacer saltar la protección térmica del motor. Antes de intervenir el pozo, se deberá desconectar primero el sistema motriz conectado al cabezal. En caso de ser con poleas y correas, se deberá retirar la polea grande del cabezal. Una vez hecho esto, se libera la torsión acumulada en las varillas, mediante los bulones del freno..
3.7. Bridas de conexión entre el cabezal y la Tee de producción Se utilizan bridas de la Serie 300 (hasta 300 psi de presión), a las que que se les suelda en su centro un zapato con un extremo con rosca hembra de la medida del macho correspondiente en el que se va a roscar.. Cuando la presión en boca de pozo es mayor a los 15 Kg/cm2, se deben colocar bridas de la serie 600. Para la brida del cabezal, la rosca del zapato es de 4" para los cabezales TE40 ó TP02, y de 4 1/2" para el cabezal TE60. En la Tee, la rosca del zapato es de 2 7/8" ó de 3 1/2" dependiendo del tubing.. Un detalle importante es que ambas bridas deben coincidir en su diámetro externo y en los agujeros de los bulones, ya que existen bridas de la misma serie pero de diferente diámetro externo. Para esto, ambas bridas deben tener el mismo diámetro interno, el que normalmente es de 4". Normalmente estas bridas llevan 8 espárragos de fijación, con sus respectivas tuercas superior e inferior, sin arandelas. Son más convenientes los espárragos que los bulones, pues permiten mayor capacidad de ajuste.
3.8. Junta de unión entre las bridas ("Klinger") El otro elemento en esta conexión es la junta de sellado entre las bridas o "klinger", de la medida correspondiente a la serie y al diámetro interno de las bridas. Antes de conectar la reducción de conexión entre el pin del eje del cabezal y la primer varilla, se deben tener colocados el o los klinger.
3.9. Reducción para linga y cuña del eje del cabezal El eje del cabezal TE40 y TP02 lleva en su extremo superior un agujero roscado donde se coloca una reducción de 24 mm (rosca métrica) de 3 mm de paso x 1" API EUE macho-macho. Al pin de 1" se rosca una cupla y un trozo de maniobra de 1" de 1 ó 2 pies que se utiliza como linga para el aparejo del pulling. Con este elemento se linga el cabezal solo, cuando tiene un sistema motriz acoplado, o el cabezal junto con la placa soporte del motor y el motor, cuando se trata de accionamiento directo. En este último caso, para poder lingar el conjunto completo, se hace uso del malacate auxiliar del equipo de pulling, Para tal efecto, la placa soporte del motor cuenta con dos orejas por la cuales se pasa la soga de maniobra o cadena del malacate. Con la cadena y el aparejo, el equipo de superficie queda perfectamente balanceado.
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Asimismo, el eje de los cabezales TE40 y TP02, por encima del prensaestopas, tiene un sector en el que está a la vista, y en el cual tiene realizados dos chanfles paralelos entre sí, donde se coloca una cuña en el momento de la instalación o desarmado. Esta cuña tiene varias funciones. Permite torquear la cupla de reducción del pin del eje cuando se está instalando y realizar la función inversa al desarmar. También permite desconectar el freno en los casos de instalación con variador mecánico de velocidad o caja reductora acoplada. En caso de no tener instalado el freno, evita que la columna se vacíe al impedir el giro del rotor en sentido inverso. El cabezal TE60 no lleva el agujero roscado en el extremo libre de su eje. Para lingarlo dispone de dos orejas realizadas a tal efecto en la misma camisa de fundición, por donde se pasa un cable que es izado por el aparejo. Para torquear la cupla en el pin del eje del cabezal TE60, se pasa una llave cadena de 4 1/2" por el espacio libre del eje inmediatamente por encima del prensaestopas.
3.10. Sistema motriz (Fig. 3.10) 3.10.1. Accionamiento directo con motor eléctrico, poleas y correas (Fig 3.10.1) Es el sistema motriz más económico, simple y de más fácil mantenimiento. Su inconveniente es la falta de flexibilidad ante la variación de las condiciones operativas del pozo, o cuando los datos del mismo no son confiables, como en pozos con gas o con petróleos viscosos. La relación de reducción máxima que se puede obtener con este sistema es de 5:1. Esta está dada por un lado por el diámetro de la polea dirigida del cabezal, el que por razones de inercia, de fuerzas radiales sobre los rodamientos, y de ángulo de transmisión, no conviene que sea de gran tamaño. En el caso de las unidades RODEMIP, esta polea está estandarizada en 650 mm. Por otro lado la polea motriz, instalada en el eje del motor, no puede ser demasiado pequeña, dado el diámetro del eje y del cono de la polea. El diámetro de polea motriz más pequeño para equipos RODEMIP es de 130 mm.
a. Motores eléctricos Se utilizan motores asincrónicos trifásicos, rotor tipo jaula de ardilla, en 50 Hz, para 380 Volts ó 1000 Volts. Se consiguen en 4, 6 ú 8 polos, con velocidades de sincronismo de 1500, 1000 y 750 RPM, respectivamente. Existen motores con freno antiretroceso incorporado. Dado esto, el tamaño de las poleas mencionado arriba, y considerando una velocidad máxima de rotación de la bomba de 500 RPM, se pueden determinar las velocidades máximas y mínimas (teóricas, sin tener en cuenta el resbalamiento del motor) obtenibles con este sistema. Motor 1500 RPM
Polea Motriz 130
Polea Dirigida
Veloc. Mín
650
300
35
Veloc. Máx.
1000 RPM
750 RPM
220
650
500
130 325
650 650
200
130 435
650 650
150
500
500
Como se observa arriba, el motor de 8 polos es el que da mayor flexibilidad a este sistema, aunque su costo es de aproximadamente el doble que uno de 4 polos. En general es conveniente instalar siempre motores de 6 polos, de costo cercano a los de 4, y con un rango de variación de velocidad bastante amplio. Los motores eléctricos para las bombas PCP-RODEMIP en accionamiento directo, deben tener forma constructiva V6, de uso en forma vertical, con el eje hacia arriba, con patas. Algunos fabricantes producen sus motores de forma B3, horizontal con patas, ya preparados para operar en forma V6. En caso de no ser así, y de tener el motor B3, se deberá adaptar a forma V6. La protección del motor debe ser del tipo IP44 ó mejor aún IP55, contra la penetración de polvo y contra chorros de líquido proyectados desde cualquier dirección.. La aislación eléctrica puede ser de clase B, hasta 80 ºC, pero la más recomendable es clase F, con capacidad de sobrecarga hasta 10% y sobreelevación de temperatura hasta 100 ºC, lo que eleva su vida útil. El motor se instala en la placa soporte del motor sobre rieles tensores. Los rieles provistos normalmente por los fabricantes son de fundición, los que se rompen fácilmente en caso de recibir un golpe fuerte, como puede suceder con el equipo de pulling. Es conveniente reemplazarlos por rieles de acero. Asimismo cuando se trata de motores de gran tamaño, de más de 30 HP (sobre todo con 8 ó 6 polos), los bulones de fijación del motor a los rieles deben ser reforzados, para evitar que el peso del motor los doble.
b. Tableros eléctricos Deben ser adecuados para la potencia y el voltaje del motor. Si son de arranque directo, deben contar con espacio suficiente para la instalación del capacitor de arranque y sus fusibles. Pueden tener un temporizador de arranque (por ej. de 0 á 6 minutos). Con llave selectora de 3 posiciones: automático, manual, parado. Indicación de marcha -parado. Con contactor principal tipo Siemens 3TB con bobina de 220 Volts. Protección IP55. Es fundamental que posean un relé térmico de protección del motor contra sobrecarga tipo 3UA, ya que es el que asegura la vida del equipo en caso de existir un atrapamiento de la bomba. Este relé debe estar calibrado a la intensidad nominal del motor a plena carga
c. Poleas y correas
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Tanto la polea dirigida como la motriz están realizadas con cono, para facilitar su recambio. Están hechas en fundición gris, y balanceadas en fábrica. Como explicamos más arriba, el diámetro de la polea dirigida está estandarizado en 650 mm, mientras la polea motriz estándar tiene diámetros que van desde los 130 mm hasta los 320 mm, pudiendo fabricarse en otras medidas en caso de ser necesario. A efectos de la fabricación del cono de la polea dirigida, el diámetro del eje del cabezal TE40 y TP02 es de 42 mm y lleva chavetero f 7. El del cabezal TE60 es de 60 mm con chavetero f 8. Con relación al cono de la polea motriz, este debe ser fabricado conforme al eje del motor, los que suelen estar estandarizados. Los conos están fabricados en acero SAE 1045 y tienen 1.5 º de inclinación. Con relación a la cantidad de canales, que definen a su vez la altura de la polea, está limitada por la altura del extremo libre del eje del cabezal. Este no sólo recibe a la polea, sino también al freno del cabezal. El extremo libre del eje de los cabezales TE40 y TP02 tiene 110 mm y el del TE60 tiene 140 mm, valores a los que se le tiene que descontar el freno correspondiente, rodamiento unidireccional enchavetado al eje de unos 40 mm de altura. El extremo libre del eje del motor no tiene tal limitación, ya que no lleva ningún dispositivo adicional, siendo más largo que el largo sobrante del eje libre del cabezal. Por esta razón, y que en general las potencias a transmitir son altas, los canales de las poleas son realizados para perfiles de correas trapeciales (en V) estrechas, de alto rendimiento. En RODEMIP, correas Optibelt (alemanas) con perfil SPA (europeo), sello API, equivalente en tamaño a la correa en V de perfil clásico A. y en transmisión de potencia al perfil clásico C, de uso común en la industria petrolera (alrededor de 15 HP máx por correa).. Para cada equipo se debe determinar la cantidad exacta de correas, mediante la planilla de cálculo de correas en V (Ver Planilla de Cálculo Optibelt)
3.10.1. Accionam. directo mediante motor eléctrico, poleas y correas (Cont.) c. Poleas y correas (Cont.) La máxima cantidad de canales SPA en una polea instalable en el extremo libre del eje del cabezal es de 6 , con un ancho de llanta de 105 mm, lo que permite transmitir hasta alrededor de 80 HP. Por razones de estandarización, 3 es la cantidad mínima de canales, con un ancho de llanta de 54 mm. La distancia entre centros del sistema de accionamiento directo PCP-RODEMIP es de unos 900 mm, lo que asegura un buen ángulo de contacto de las correas con la polea motriz. Para esta distancia entre centros el diámetro primitivo de la correa es de 3150 mm. Para potencias por encima de los 80 HP, conviene la instalación de una correa dentada sincrónica, con poleas dentadas, la que requiere un cálculo especial.
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d. Placa soporte del motor, apoyos telescópicos y guardacorreas. (Fig. 3.10.1.d) Tanto el cabezal como el motor deben ir instalados sobre una base común, o placa soporte, para permitir sus perfecto alineamiento. Esta placa debe a su vez ser lo suficientementre larga como para permitir la distancia entre ejes mencionada, de 900 mm. La placa soporte para los equipos RODEMIP tiene un largo de 1500 á 1650 mm, y una altura de 540 mm. En el extremo izquierdo, visto de frente, está instalado el cabezal, el que a su vez apoya en la boca del pozo mediante la brida. Hacia la derecha, a 900 mm, va el eje del motor. Dado el desbalance de pesos entre el frente, donde están el cabezal y el motor, y la parte posterior, la placa lleva dos bujes soldados en su extremo derecho, uno anterior y otro posterior, en los que se colocan sendos apoyos o soportes que tienen regulación telescópica, mediante dos bulones de ajuste cuyas tuercas están soldadas a los bujes. Estos soportes, en la práctica patas realizadas con caño de 2" con una base cuadrada para colocar debajo un dado de hormigón, se envían al pozo con un largo de 2,50 mts y luego se cortan en locación a la medida de la altura de la instalación resultante, la que varía de pozo a pozo. El guardacorreas tiene 1450 mm de largo y 150 mm de altura. Su forma contornea las poleas y correas, y su extremo más angosto permite el recambio de la polea motriz, dentro de las medidas estudiadas.
3.10.2. Combinación accionamiento directo - caja reductora. (Fig 3.10.2) Con esta combinación se puede lograr prácticamente cualquier velocidad fija. La relación de reducción de la caja se selecciona de modo de obtener el punto medio del rango de velocidad para una relación de poleas de 1:1. La velocidad se modifica luego, mediante el cambio de poleas y correas.
3.10.2. Combinación accionamiento directo - caja reductora. (Fig. 3.10.2) (Cont.) La caja reductora se acopla al cabezal mediante un acoplamiento elástico dentado, y ambos elementos están separados por un separador de fundición o "linterna", y que también soporta el torque reactivo entre la caja y el cabezal. La caja está sostenida por un soporte telescópico. Este sistema motriz es especialmente adecuado para velocidades inferiores a las 150 RPM, en las que no se puede utilizar accionamiento directo, y donde las condiciones operativas del pozo se mantienen estables. Tiene la ventaja adicional de que, al estar separada la caja reductora del cabezal a través de un manchón elástico, la reducción no recibe ningún tipo de carga axial, alargando su vida útil.
3.10.3. Cabezal de ángulo recto.
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Es especialmente adecuado en caso de no existir energía eléctrica disponible. Viene en modelos para bajas y altas cargas axiales. En estos casos, en que la bomba debe ser accionada por un motor a combustión interna, es la única solución. Las cajas reductoras en este caso se calculan en función de la potencia, de la relación de reducción, de las RPM y del torque máximo a entregar. Los cabezales de ángulo recto para alta carga axial provistos por PCM POMPES, son fabricados en Canadá por KUDU Industries Inc. Están diseñados para soportar una carga axial máxima de hasta 15 Ton. Con rodamientos estándar, el valor L 10 es de 146.000 horas a 6800 daN. Con rodamientos especiales de alta carga, este valor es de 100.000 horas a 15.000 daN. Los rodamientos radiales tienen un L 10 de 1.000.000 de horas a 135 daN.m de torque. Soportan potencias de hasta 100 HP con motores eléctricos de 6 polos (1000 RPM) Su rango de velocidad varía entre 50 y 500 RPM. Están provistos de freno antiretroceso centrífugo o como opcional, de un controlador de retroceso hidráulico, que permite el giro inverso de las varillas, pero de modo lento y controlado. Este controlador hidráulico tiene una capacidad de frenado de 2500 lbft. Tienen el eje hueco, para vástago pasante de 1 1/4" ó 1 1/2", con empaquetaduras adecuadas en cada caso, lo que permite el espaciamiento del rotor sin mover la instalación de superficie. Disponen también de un dispositivo limitador de torque, que puede ser regulado a cualquier valor, para la protección de las varillas. Sus rodamientos están lubricados por baño de aceite sintético, similar al utilizado en los cabezales TE60. Los cabezales de ángulo recto de baja carga axial MP-35 están diseñados para trabajar con una carga axial no mayor a las 4 Ton, con una velocidad inferior a las 250 RPM, y con potencias inferiores a los 20 HP.
3.10.4. Variador de velocidad. En general, un variador de velocidad se utiliza en los casos en que no se puede preveer con precisión cuál va ser el comportamiento del pozo. Tal es el caso de un pozo recién reparado, con petróleo viscoso, o con gas. En los casos de petróleos viscosos, el variador es prácticamente una necesidad. La viscosidad es un factor crítico de producción a causa de las altas caídas de presión que genera en el tubing y línea de conducción, así como del stress que produce en la sarta debido al torque por fricción. La viscosidad es muy difícil de evaluar, a causa de que es muy sensible a la temperatura de fondo y boca de pozo, variando ésta ultima significativamente en función del caudal y diámetro del tubing, y además entre el pozo parado y en marcha. Asimismo, la presión en boca de pozo debido a la caída en la línea de producción, puede variar ampliamente con los cambios de temperatura ambiente.
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Por todas estas razones, la optimización del caudal de un pozo con petróleo viscoso sólo puede ser alcanzada experimentalmente. De ahí la necesidad del variador.
a. Variador mecánico de velocidad (Fig. 3.10.4) La variación de velocidad se obtiene a través de un sistema de dos poleas partidas, de diámetro variable, una conectada al motor eléctrico, y la otra conectada a la caja reductora. Ambas poleas están unidas por una correa dentada trapezoidal. El rango de variación está dado por la caja reductora. El rango típico de variación es de 6:1 para los motores más pequeños (5 HP), y de 3:1 para los más grandes (60 HP). El variador se acopla al cabezal a través de un acoplamiento dentado flexible de 6 ó de 8 dientes, dependiendo de la potencia y del torque a transmitir. Entre ambos elementos se coloca un separador o linterna de fundición, que es el que soporta el torque reactivo de la conexión. Del lado del motor, el variador lleva un cáncamo en el que se abulona el soporte telescópico de apoyo. Un especial cuidado al dimensionar el variador mecánico, o una caja reductora en general, aparte de la potencia, es el cálculo de los torques máximos demandados por la bomba, y el torque máximo entregado por el variador. Las pendientes de sus curvas de torque en función de velocidad son de signo contrario. Mientras a mayor caudal, y por ende velocidad, la bomba demanda más torque, en el caso del variador, a mayor velocidad, éste entrega menor torque. Ambas curvas se pueden cortar en un punto, a una determinada velocidad, la que no puede ser sobrepasada, bajo riesgo de romper la caja. Al acoplar el variador al cabezal, se deben engrasar adecuadamente los extremos libres de los ejes de ambos, antes de colocar el acoplamiento..Cada una de las partes de éste va enchavetada en el respectivo extremo, y tiene un tornillo prisionero para fijarla. Se debe dejar una luz entre ambas de 3 á 5 mm. Cuando se debe desacoplar el variador, por ejemplo para saber si existe torque en las varillas, no hace falta retirarlo.
3.10.4.a. Variador mecánico de velocidad. (Cont.) Si los ejes están bien engrasados, esta operación es muy sencilla. Se desajustan los prisioneros, y luego con una barreta, se separan ambas partes del acoplamiento, habiendo colocado previamente la cuña y quitados los bulones del freno. Luego se quita la cuña, y se ve si la sarta tiene torsión o no. Cuando existe un corte de energía programado, o se debe parar la unidad por cualquier motivo, conviene reducir la velocidad del variador a su valor mínimo antes de cortar. Luego, cuando se arranca nuevamente, se lo lleva a la velocidad de régimen. Esto, sobre todo cuando se trata de potencias altas, se traduce en un alargamiento de la vida útil de las varillas.
El cambio de velocidad sólo se puede hacer con el variador en marcha, y no se debe mover la manivela de variación estando el equipo parado. b. Variador electrónico de frecuencia
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Pueden variar la velocidad en una gama muy amplia, lo que realizan a través de un convertidor de frecuencia. Tienen arranque suave, que puede comenzar con valores inferiores a 1 Hz, entregando igualmente hasta el 180% del torque nominal del motor, lo que alarga considerablemente la vida útil de las varillas. La potencia del motor debe ser igual o mayor que la máxima potencia a demandar por la bomba. La corriente nominal del variador debe ser mayor o igual que la del motor, para asegurar que la relación de torques sea Tmáx / Tn menor o igual a 3.2 El ventilador del motor, que está dimensionado para su velocidad a 50 Hz, no refrigera convenientemente a velocidades demasiado bajas, lo que incrementa las pérdidas en el motor, disminuyendo la capacidad de carga (torque) del motor. Por esta razón, cuando se calcula el motor, se debe tomar el menor valor de torque para la mínima velocidad a la que va a funcionar la bomba, y en base a este valor, calcular la potencia del motor a su velocidad nominal. Otra ventaja adicional es que al ser un convertidor de frecuencia, desaparece la energía reactiva, por ser el cos fi = 1. Los variadores de frecuencia estándar vienen para 380 Volts, por lo que en caso de utilizarse con líneas de 1000 Volts, debe preveerse un transformador 1000 / 380 Volts especial para ser utilizado con frecuencia variable. El variador de frecuencia puede ser conectado directamente al motor de un sistema de accionamiento fijo, no necesitando en general de caja reductora, lo que abarata el costo de la instalación final con variador de velocidad. Asimismo, y de acuerdo a su potencia, puede ser instalado dentro de un tablero de control convencional. Es operable con sistemas de telecontrol.
4. INSTRUMENTOS Y HERRAMIENTAS DE INSTALACION Herramientas - Juego de llaves combinadas de 8 a 24 mm - Llave francesa grande - Juego de llaves Allen milimétricas - Juego de llaves Allen de pulgada - Juego de destornilladores - Pinza y pico de loro - Martillo y maza (grande) - Extractor de poleas (grande) - Grasera - Llave Steerson 36 ó 48 - Llave cadena 4 1/2" - Cuña del eje del cabezal - Reducción 24 mm (rosca métrica) de 3 mm de paso x 1" (macho-macho) - Cupla de 1" y trozo 1" de 2 pies - Punzón extractor de empaquetaduras. - Sierra para acero y hojas de sierra. - Terraja y macho de roscar de 1/2"
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Instrumentos - Pinza amperométrica - Tacómetro digital óptico y de contacto (tipo Lutron) - Manómetro 40 Kg/cm2 con rosca de 1/2" NPT - Nivel - Cinta métrica (3 mts.) - Termómetro hasta 100 ºC para medir temperatura de boca de pozo.
5. SENSORES DE SUPERFICIE RECOMENDADOS 5.1. Sensor de flujo Este instrumento detecta la existencia de fluído en la línea de conducción, cortando el accionamiento del motor en caso de no detectar fluído. Evita así el accionamiento de la bomba en vacío, si ésta agota el nivel del pozo. Al no estar refrigerada con la circulación del fluído, la generación de calor por fricción en la goma eleva su temperatura hasta que la sobrevulcaniza y carboniza, inutilizándola. La bomba no puede funcionar en seco por más de una hora.
5.2. Sensor de presión Es en la práctica un presostato, que actúa cuando la contrapresión en boca de pozo se eleva por encima de un determinado valor preestablecido. Esto evita que el estator se destruya por contrapresión, lo que sucede rápidamente, en caso de taponamiento de la cañería de conducción o de alguna válvula cerrada.
5.3. Carta amperimétrica (Reloj tipo Bristol o Taylor) Registra en forma continua el amperaje tomado por el motor. La variación en su registro es la mejor manera de visualizar la existencia de algún problema en la instalación. Se coloca en el mismo tablero de control.
C.- PROCEDIMIENTO DE INSTALACION 1.- CHEQUEOS PREOPERATIVOS Antes de comenzar la instalación, se debe disponer del Programa de Instalación completo. Se debe asegurar que todos los elementos incluídos en el mismo estén en la locación antes de comenzar la operación. Chequear asimismo todas las herramientas necesarias. También es de suma importancia que el equipo de pulling esté en buenas condiciones operativas, con sus instrumentos, Martin-Decker y manómetro, en buen estado. Por un lado el Martin-Decker, ya que de él depende en gran medida el adecuado espaciamiento del rotor. Y por otra parte el manómetro, para asegurar que el torque aplicado por la llave hidráulica tanto en la columna como en la sarta sea el correcto. Para ello también asegurarse contar con las mordazas adecuadas para la cañería (p.ej. 3 1/2") y sarta (p.ej. 1 1/8") a instalar.
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Asimismo es importante que el malacate auxiliar y su freno funcionen adecuadamente, puesto que con la ayuda de su soga de maniobra, en conjunto con el aparejo, se realiza la instalación del equipo de superficie.
Previo a la instalación del equipo PCP-RODEMIP, se debe tomar la temperatura de boca de pozo que tenía con el sistema de extracción anterior, para el cálculo del estiramiento térmico de las varillas. Asimismo, en pozos con existencia de arena, se debe constatar fondo antes de la instalación de la columna. Antes de instalar el conjunto de fondo, es necesario tomar los números de serie tanto del estator como del rotor, llenando las casillas correspondientes de la planilla del Parte de Servicio. Esto es a efectos de la garantía y del seguimiento del comportamiento del equipo
Se adjunta el programa de instalación para la bomba 60TP2000 del ejemplo de este manual, instalada con un variador de velocidad mecánico.
2.- INSTALACION DE LA COLUMNA 2.1. Armado de la herramienta de producción. La herramienta de producción, extremo inferior de la columna, compuesta por el niple largo, estator, niple de paro, etc., se arma en forma manual, ya que no es posible calibrar el torque con la llave hidráulica del pulling, por no disponer éste en general de las mordazas necesarias para los diámetros de los estatores. El armado de la herramienta se realiza entonces con dos llaves "Steerson", tamaño 36 ó 48, o llaves cadena de 4 1/2", una para torquear y la otra para hacer "contra". Entre la reducción y el niple de paro, el niple de paro y el estator, el estator y la reducción o el niple de 6 pies, y este último y la siguiente reducción, se debe apretar las roscas al máximo. Para esto se coloca un caño de 2" ("milico") en el mango de la llave para alargarlo, y se "miliquea" con dos o tres operarios. Las roscas no se dañan debido a su diámetro y a su acero SAE 4140. Este sobre-torqueado es fundamental sobre todo si no se va a instalar ancla de torque. Es importante recordar que al torquear el niple de paro al estator, se debe hacer "contra" en el extremo del estator en el que se está roscando , para lo cual tiene un rebaje hecho a tal efecto. Si la "contra" se realizara en el medio, después de una
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cupla de unión de los elementos del estator, o en su otro extremo, quedaría irreversiblemente dañado, ya que las unión entre sus elementos viene calibrada de fábrica. Del mismo modo al torquear al otro extremo el niple largo o la reducción correspondiente. Los extremos del estator son indistintos a los efectos de la colocación del niple de paro o del niple largo.
2.2. Armado del tubing. Torques. Cuando no está prevista la instalación de ancla, ya sea de torque o de tensión, se deben instalar centralizadores de tubing, dos alrededor del estator y uno en el niple intermedio o el primer tubing. Esto se debe hacer a efectos de evitar la transmisión de las vibraciones producidas por las ondas armónicas generadas en la columna por la excentricidad del rotor al girar dentro del estator. Una vez armada la herramienta de producción, y colocada dentro del pozo, se torquea a ella el primer tubing y se comienza a bajar la columna. Para ello, se calibra el manómetro del pulling, para dar el torque que corresponda. En general se trabaja en baja presión, ya que de esta manera se tiene mayor precisión en el torque correcto. Este se determina en base al diámetro de la cañería, a si es nueva o usada, y a si el programa de instalación incluye o no ancla de torque.
Cuando no se instala ancla de torque , se debe calibrar el manómetro para dar a los caños el máximo torque API correspondiente a su diámetro. Cuando hay ancla de torque, se calibra para torque óptimo API, cuando no hay existencia de arena. Cuando existe arena, se calibra con el torque API máximo, para tratar de evitar el desenrosque de la columna cuando se libra el ancla, en caso de atrapamiento.
2.2. Armado del tubing. Torques.(Cont.) Cuando la columna es usada y no se baja armando caño por caño, porque es la que se ha retirado en tiros dobles de la instalación anterior, es muy importante repasar sus roscas intermedias. Asimismo, y como seguridad adicional, es ventajoso recalibrar la llave hidráulica cada cierta cantidad de tiros. Si se trata de cañería nueva o inspeccionada, es conveniente calibrarla y bajarla probando hermeticidad cada un determinado número de caños. Por ello es siempre conveniente instalar un zapato probador Cuando se trata de la misma cañería que estaba instalada, y el motivo de la intervención fue la rotura del elastómero, es útil calibrar toda la cañería, a efectos de eliminar cualquier trozo de goma que pudiera quedar en ella.
2.3. Medida del "Tally" de la columna. Suponiendo que la herramienta de producción estuviera conformada así : caño filtro + cupla + ancla de torque + cupla + reducción + niple de paro + estator + reducción + niple largo + cupla + reduccion + zapato probador.
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Se debe tener especial cuidado en medir cada uno de estos elementos previo a su instalación. Mejor aún, se debe medir el largo total de la herramienta ya armada, cuyo valor no será igual al de la suma de todos los elementos medidos, dado que a estos se les debe descontar en algunos casos el largo de sus roscas. Primero se mide la longitud que va desde el extremo superior de la herramienta (zapato probador, cupla del ancla de tensión, etc.) hasta la base de asiento del niple de paro, donde apoyará el rotor previamente a su espaciado. La ubicación del niple de paro determina también la profundidad de la bomba. La longitud del niple de paro, como vimos, medida desde la base de asiento hasta el extremo inferior de su rosca hembra es de 30 cm. Esta medida es importante ya que una vez armado el niple de paro doble, no se puede medir en su interior. Con relación al tubing, debe ser medido y contado cuando se sacan o se instalan los caños, ya que sus medidas difieren entre sí. Para cálculos aproximados tomamos un promedio de 9,30 mts por caño Finalmente, se debe medir la distancia desde el último tubing instalado hasta la brida de la Tee de producción, incluyendo cuplas y zapatos. La suma de todos estos elementos da la medida del "tally" de la columna, desde la brida de la Tee, desde donde se realiza el espaciamiento, hasta la base de asiento del niple de paro.
3.- INSTALACION DE LA SARTA 3.1. Armado de la sarta. Torques. El torque a aplicar es el API correspondiente al diámetro de las varillas a instalar. Para varillas nuevas y usadas existen plantillas de ángulos de torqueado, una vez puestas a espejo las uniones con las cuplas. Con estas plantillas se torquea primero, en forma manual, la conexión del rotor al trozo de maniobra de 12 pies de largo o a la primer varilla, en caso de no disponer de aquél. Como vimos anteriomente, en casi todas las instalaciones se conectan al extremo superior del trozo o primer varilla, y una a continuación de la otra, las espigas de los dos centralizadores de varillas inferiores con sus correspondientes camisas de plástico ya instaladas. Se instala la conexión así armada y se procede a calibrar la llave hidráulica para el resto de la sarta con la plantilla correspondiente. Una vez calibrada la llave, se baja el resto de la sarta, recalibrando cada cierta cantidad de tiros dobles. Antes de comenzar la instalación de la sarta, se debe tomar nota del peso del bloque del aparejo, para descontarlo después del peso total registrado por el Martin-Decker, para conocer así el peso de la sarta con el rotor
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3.2. Medida e instalación de la sarta. Para determinar el número de varillas necesarias, se debe descontar de la medida del "tally" de la columna, el largo del rotor, el del trozo de 12 pies de largo, y los de las espigas de los centralizadores, en caso de estar instalados estos últimos. Al valor resultante se lo divide por 7,64 mts., que es el largo que tomamos para la varilla de 25 pies (7,62 mts), ya instalada y con sus cuplas. Se adjunta Tabla 3.2 de mts de sarta en función del número de varillas. En nuestro ejemplo, bomba modelo 60TP2000, tubing de 2 7/8", varillas de 7/8" con 4 centralizadores y un trozo de 12 pies, a 1650 mts de profundidad, con un TDH estimado en 167 bar y una producción de 30 m3/día, girando a 262 RPM : Tally : 1651,5 mts Bomba modelo 60TP2000, longitud del rotor : 5,70 mts Longitud del trozo de 12 pies : 3,60 mts Longitud total de los centralizadores : 50 cm Longitud total de varillas resultante : 1651,5 - (5,7 + 3,60 + 0,50) = 1641,7 mts Cantidad de varillas necesarias : 1641,7 / 7,64 = 214,88 Es decir que se necesitan 214 varillas más 0,88 x 7,64 = 672 cms adicionales para llegar a la brida de la Tee de producción. A este valor se le debe descontar el cálculo del estiramiento, más la longitud del niple de paro, más la parte que sobresale por debajo de la brida de la Tee, de la cupla reductora de conexión entre el eje del cabezal y la primer varilla.
3.2. Medida e instalación de la sarta (Cont.) Al cálculo de varillas enteras (214), se le adiciona entonces una varilla de maniobra, sobre la cual se realizarán las marcas durante la operación de espaciamiento. Cuando en el ejemplo dado, se baja el último tiro, es decir las varillas nº 214 y la de maniobra, se debe avisar al maquinista que disminuya la velocidad, y observar cuando la sarta comienza a girar en sentido antihorario, vista desde arriba. En ese momento, el rotor está entrando dentro del estator. No siempre esto es visible, ya que depende de la profundidad de la instalación y del diámetro de las varillas. En general, es siempre visible con varillas de 1" ó más o profundidades menores de 1400 mts. Lo que sucede en casos de profundidades como las del ejemplo es que, si las varillas son de 7/8", éstas al ser relativamente delgadas, pueden llegar a absorber el giro mencionado. Esta es otra razón por la que es importante medir bien el tally, ya que a veces, y sobre todo en instalaciones profundas, se puede llegar a conclusiones erróneas. Por ejemplo puede suceder que cuando el petróleo es muy viscoso, y la operación es muy lenta, el rotor no llegue a bajar completamente dentro del estator. O bien que el extremo inferior del rotor se trabe en el zapato probador, ya que este tiene un diámetro interno menor que el del tubing.
3.3. Espaciamiento (Figs. 3.3.a y 3.3.b)
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Si la operación de espaciado se realiza desde la cupla del último caño instalado, antes de instalar la Tee, se deberá descontar posteriormente de la marca final en la varilla de maniobra, la medida que va desde la cupla hasta la brida de la Tee.
es conveniente antes de comenzar a espaciar, instalar la Tee de producción. Las marcas en la varilla de maniobra se Como esto puede llevar a confusión,
realizarán de este modo al ras de su brida. Supongamos que en el ejemplo anterior, el peso del bloque registrado era de 4000 Kgr y el de la sarta de 5000 Kgr. El peso total registrado por la aguja negra antes de asentar el rotor era entonces de 9000 Kgr. La aguja roja registraba una determinada tensión que también se anota. Al asentar el rotor, la aguja negra registra 4000 Kgr, y la roja queda en cero. Conviene para esta operación subir al lado del maquinista, ya que se tiene una mejor observación del instrumento. Se pide al maquinista que comience a subir la sarta muy lentamente, mientras se observa el Martin Decker. Cuando el registro de la aguja negra vuelve a acusar el peso anterior registrado (en nuestro ejemplo 9000 Kgr) y la roja indica la misma tensión anterior, se detiene la maniobra. En ese momento, el rotor está separado del niple de paro. Con una tiza o cinta adhesiva se marca en la varilla de maniobra el punto que está al ras con la brida de la Tee de producción.
3.3. Espaciamiento. (Cont.) Se repite la operación por lo menos dos veces más. Para ello, en cada vez se levanta la sarta en un tiro doble, incluyendo la varilla de maniobra. Luego se baja a velocidad lenta y constante, del orden de un tercio de la velocidad de instalación de las varillas. Esta velocidad no debe ser demasiado lenta para evitar que el rotor pueda frenarse dentro del estator, antes de tocar el niple de paro.. Es importante que el maquinista no mire la marca anterior, ya que instintivamente tenderá a frenar el aparejo cuando la marca llega al nivel de la brida de la Tee. Cuando el instrumento indica que el rotor se asentó, se realiza el procedimiento descripto arriba. Este se repite cuantas veces sea necesario hasta que coincidan las marcas de dos o tres de estas operaciones. Para asegurarse que el rotor haya descendido totalmente ,
llave de varillas y observar si la sarta desciende más.
es útil torquear con la
En caso de tratarse de petróleo muy viscoso, y de no estar seguros de la marca, se saca el rotor fuera del estator, lavando la cañería con la motobomba, y se vuelve a espaciar. Otra posibilidad es dejar en pesca la primer varilla con su cupla colocada, y darle un golpe de presión a la columna con la motobomba , de modo que permita al rotor girar en sentido inverso y de este modo terminar de descender dentro del estator. Para el cálculo de la presión a aplicar se debe tomar en cuenta la profundidad de la instalación. En nuestro ejemplo, 1650 mts, equivalente a 165 bar de columna llena. Como la bomba es una 60TP2000, su altura manométrica es 200 bar. La diferencia a aplicar es entonces de 35 bar o 500 psi. Luego se pesca la cupla con la varilla de maniobra a punta lisa.
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Una vez seguros de la marca correcta, se eliminan la demás, y se retira la varilla de maniobra, la que se coloca sobre la camada de varillas. A partir de la marca, se traza con la tiza una flecha apuntando hacia el extremo inferior de la varilla, es decir hacia el pin que estaba roscado al resto de la sarta. Luego se mide en ese sentido el valor calculado del estiramiento (A), los 30 cm
del niple de paro (B), más la longitud de la parte de la cupla de reducción entre el eje del cabezal que sobresale por debajo de su brida (C), que es normalmente de 10 cm. Se marca con la tiza el punto resultante. El espaciamiento E será:
E=A+B+C En caso de haber espaciado desde la cupla del último caño instalado, recordar que a la marca anterior se le debe descontar (y no agregar) la longitud que va desde esa cupla hasta la cara superior de la brida de la Tee (D). En este caso el espaciamiento E será:
E=A+B+C-D La longitud sobrante de la varilla de maniobra, una vez descontado el valor E del espaciamiento, es la que debe ser reemplazada por los trozos de maniobra. Los trozos se arman sobre el sobrante de la varilla de maniobra, a efectos de evitar errores. La diferencia entre los trozos armados y el sobrante de la varilla de maniobra no debe ser superior a los 5 cm en más o en menos.
3.3. Espaciamiento. (Cont.) Una vez armados los trozos de maniobra, conviene instalarlos por debajo de la primer o segunda varilla, y no conectarlos directamente al eje del cabezal. En nuestro ejemplo, supongamos que la marca definitiva, tomada desde la brida de la Tee de producción, luego de la operación de espaciamiento quedó a 672 cm del extremo inferior de la varilla de maniobra. El estiramiento calculado (A) sea de 128 cm (Ver punto siguiente) La longitud del niple de paro (B) es de 30 cm La longitud extra de la cupla del eje del cabezal (C) es de 10 cm. El espaciamiento total será: 128 cm + 30 cm + 10 cm = 168 cm A partir de la marca se miden los 168 cm, quedando entonces un sobrante de 672 - 168 = 504 cm de la varilla de maniobra que será reemplazada por los trozos. Esta medida se puede armar de la siguiente manera:: 1 trozo de 8 pies (= 242 cm) + 1 trozo de 6 pies (=182 cm) + 1 trozo de 2 pies (= 62 cm) + 2 espigas de centralizador de 4" (= 22 cm) = 508 cm. La diferencia de 4 cm está dentro de la tolerancia. En caso de no conseguir que el valor calculado esté dentro de tolerancia con el que se obtiene con los trozos de
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maniobra y las espigas, es siempre preferible darle al rotor mayor espaciamiento que el calculado, en lugar de disminuirlo.
3.4.CALCULO DEL ESTIRAMIENTO El correcto cálculo del estiramiento y por ende el espaciamiento es uno de los factores más importantes en la vida útil de la bomba. Un estiramiento calculado por defecto llevará inevitablemente a la rotura de la bomba al trabajar el extremo del rotor asentado en el niple de paro. Por otra parte, un estiramiento calculado por exceso, si este es importante, podría llevar a la bomba a trabajar contrapresionada, especialmente en los casos de TDH totales próximos a la altura manométrica de la bomba. Al trabajar el rotor salido por encima del estator más allá del valor preestablecido por el fabricante, se perderán etapas, por lo que la bomba tendrá en la práctica una altura de elevación menor, pudiendo inclusive ser inferior al TDH estimado del pozo. El cálculo del estiramiento se debe realizar no sólo teniendo en cuenta el estiramiento dinámico de las varillas, sino también su dilatación térmica. A su vez, el cálculo de esta última dependerá de si la cañería se encuentra anclada o no. Y también de si el esfuerzo en las varillas se encuentra cercano a sus límites, así como la temperatura promedio a la que se encuentra trabajando la sarta, dada la posibilidad de entrar en la zona del efecto Creep, o deformación en el tiempo del acero sometido a tensión permanente, debida a temperatura.
3.4.CALCULO DEL ESTIRAMIENTO (Cont.) Es importante también tener en cuenta si la sarta es nueva o usada, ya que la primera estira más que la segunda, conforme a la experiencia de campo. En general recomendamos utilizar varillas usadas grado "D" inspeccionadas "Condición 2", con sus pines en perfecto estado.
El estiramiento total calculado será el resultado de la suma del estiramiento dinámico más la dilatación térmica. 3.4.1. Estiramiento dinámico. Como vimos, es provocado por la altura dinámica total (TDH o HEAD) actuando sobre el espacio anular entre la sección del rotor y la de la varilla. En nuestro ejemplo, bomba 60TP2000 instalada a 1650 mts de profundidad, con varillas de 7/8", con una altura total de 167,3 bar, procedemos así: Al valor de altura total lo incrementamos en un 10% como factor de seguridad por eventuales aumentos de presión en boca de pozo y/o disminución del nivel dinámico. Es decir que el valor de TDH para entrar en las curvas es de 184 bar. Con ese valor entramos en ordenadas en las curvas de la bomba 60TP2000. Donde se intersecta con la curva de varillas de 7/8", obtenemos en abscisas un estiramiento de 78 mm cada 300 mts de varillas. Es decir que el estiramiento dinámico total para los 1650 mts será de : 78 x 1650 / 300 430 mm ó 43 cm.
3.4.2. Dilatación térmica de las varillas.
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Si la cañería está anclada, la dilatación térmica será experimentada solamente por las varillas. Si no está anclada, el tubing también dilatará, aunque en un valor menor al de las varillas, ya que desde el nivel dinámico hacia arriba, su superficie exterior no estará expuesta a la temperatura del fluído sino a la de la entrecolumna, donde no hay fluído. Asimismo, contrariamente a lo que sucede con las varillas, el tubing no estará sometido a esfuerzos de tensión permanente, por lo que no existen posibilidades de que se produzca el efecto Creep.
El coeficiente de dilatación térmica del acero es de 1,2 x 10-5 [mt / mt ºC]. Existen diferentes criterios para la aplicación de este factor en el cálculo de la dilatación térmica de las varillas. Conforme al nuestro, con la cañería anclada, su aplicación para el ejemplo dado nos da una dilatación térmica de 85 cm.
El estiramiento total calculado es entonces : 43 cm + 85 cm = 128 cms.
4. INSTALACION DEL EQUIPAMIENTO DE SUPERFICIE 4.1. Sistema de accionamiento directo 4.1.1. Con cabezal TE40 ó TP02 En este caso, se debe instalar el conjunto armado completo, es decir el cabezal de accionamiento abulonado a la placa soporte del motor, la placa soporte, y el motor eléctrico con sus rieles tensores. Tanto el cabezal como el motor deben tener puestas sus respectivas poleas, ya alineadas. Las correas y el guardacorreas se colocan posteriormente a la instalación. El cabezal debe tener colocada su brida y el pin del eje instalada la reducción. En nuestro ejemplo, con cabezal TP02, sería una brida de la Serie 300 de 4" con niple soldado de rosca hembra de 4", y una reducción de 1 1/8" x 7/8". El freno del cabezal debe estar liberado. En el extremo superior del eje del cabezal tiene una agujero roscado de 24 mm con rosca métrica de 3 mm de paso. En él se coloca la reducción o linga de 24 mm x 1" API EUE (macho-macho). Al pin de 1" de la reducción se le acopla un trozo de maniobra de 1" de 1 ó 2 pies y de ahí se engancha el aparejo del pulling. Hacia la izquierda de la placa, existe una oreja del lado derecho del cabezal, con un orificio. En el extremo superior derecho de la placa existe otro orificio realizado sobre la misma placa. Por ambos orificios se pasa la cadena del malacate. Luego, trabajando simultáneamente con el aparejo y la soga de maniobra, se levanta el conjunto completo, de modo de mantenerlo nivelado horizontalmente. Se alinean en la boca del pozo la reducción del pin del eje del cabezal con el pin de la última varilla, que está sujeta con el elevador a la brida de la Tee de producción.
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Se presenta la reducción del pin del eje sobre el pin de la varilla. Previo a roscar ambos, se coloca la o las juntas o "klinger" de las bridas. Luego, girando en sentido horario la polea del cabezal se roscan uno con el otro. Finalmente se torquea esta unión, colocando la cuña del eje del cabezal, y retirando el elevador de la varilla. Se baja el conjunto completo hasta que ambas bridas queden presentadas una sobre la otra, y sus respectivos agujeros coincidan. En caso de no coincidir estas, o de querer orientar el conjunto de superficie en alguna dirección en particular, se torquea el zapato de la brida del cabezal o de la Tee. Luego se colocan los espárragos y sus tuercas y se torquean. Se colocan en sus bujes los dos soportes (caños de 2") de la placa, los que se regulan a la altura adecuada. Una vez instalados, se aprietan los dos bulones de fijación de los mismos. Conviene posteriormente ubicar debajo de sus bases cuadradas un dado de hormigón en cada una para darles mayor estabilidad. En caso de haber quedado muy alta la instalación, es útil poner tensores o "vientos" para sujetarla mejor. Se retira después la cadena del aparejo y la linga del cabezal. Antes de conectar las correas, es necesario chequear el sentido de rotación del motor, el que deberá girar en sentido horario. También se deben tomar las corrientes en vacío del motor en las tres fases. Estos corrientes servirán después como base para analizar el funcionamiento del equipo.
4.1.2. Con cabezal TE60 La placa soporte está construída en dos piezas, las que se abulonan entre sí. Se instala en primer lugar la que sostiene al cabezal y los cubos del freno. Para comodidad de la operación, conviene retirar su polea. El cabezal debe tener ya instalada su brida serie 300 ó 600, con un zapato soldado con rosca de 4 1/2" API EUE. En su pin de 1 1/8" se coloca la cupla de reducción adecuada a la sarta instalada. Se pasa un cable a través de las orejas realizadas en el cuerpo del cabezal y se lo linga con el aparejo. Su instalación es similar a la explicada para los cabezales TE40 y TP02. Para torquear la cupla del pin del eje a la última varilla, se debe pasar previamente la cadena de una llave cadena de 4 1/2" alrededor del eje, inmediatamente por encima del prensaestopas. Una vez instalada la placa soporte del cabezal, se coloca la placa soporte del motor, con el motor y sus rieles tensores ya montados. Esta se linga también con el aparejo, pasando para ello un cable a través de los agujeros realizados a tal efecto, de la misma manera que en la placa soporte de los cabezales TE40 y TP02. Una vez presentados y enfrentados entre sí, se abulonan los 4 agujeros de acople entre ambas placas. Sin soltar el aparejo, se colocan los soportes de 2" en los bujes de la última placa instalada y se regulan a la altura adecuada, midiendo la horizontal con un nivel, y apretando luego los bulones de fijación. Luego se retira el cable del aparejo. Como en el caso anterior, conviene colocar dados de hormigón debajo de las bases cuadradas de las patas, a efectos de darles mayor estabilidad. Luego se coloca la polea del cabezal, nivelando ambas poleas antes de colocar las correas.
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Previo a la colocación de las correas, es necesario chequear el sentido de rotación del motor, el que deberá girar en sentido horario. También se deben tomar las corrientes en vacío del motor, las que como dijimos son la base para después analizar el comportamiento del equipo. El cabezal TE60, lubricado por aceite, viene provisto de fábrica con un tapón ciego en su parte superior, el que luego de instalado el cabezal, debe ser reemplazado por el tapón de venteo, también provisto, que permite la evacuación de los gases provocados por la temperatura de operación. El tapón ciego debe ser guardado en algún lugar seguro, ya que se volverá a utilizar cada vez que sea necesario retirar el cabezal. A través del tapón visor de nivel, se verifica si el llenado del aceite es el correcto. En caso de no serlo, se debe completar antes de ponerlo en funcionamiento. Una vez terminada esta operación, se coloca el guardacorreas.
4.2. Caja reductora o variador mecánico de velocidad. En este caso el cabezal se instala primero, con el aparejo solamente, enganchando el trozo de maniobra roscado a la linga, en el caso del cabezal TE40 o TP02, o pasando un cable por las orejas del cuerpo del cabezal TE60. El procedimiento de instalación de los cabezales es similar a los recién descriptos. Una vez instalado el cabezal, se quita la linga o se retira el cable. El cabezal es instalado con su acoplamiento dentado flexible ya colocado sobre el eje, el que debe estar adecuadamente engrasado. La cara superior del acoplamiento debe quedar al ras del extremo superior del eje, con el tornillo "prisionero" ajustado sobre su chaveta. Se abulona sobre la tapa del cabezal la "linterna" de fundición o separador entre cabezal y sistema motriz.
Antes de lingar el sistema motriz, se chequea el sentido de rotación (giro horario) y las corrientes en vacío de las tres fases, por la razones ya explicadas. Se pasa por debajo del centro de la caja reductora o del variador mecánico de velocidad una cadena o cable, que se engancha al aparejo. Estos elementos vienen ya equilibrados de fábrica para poder lingarlos de este modo. El eje del sistema motriz debe estar engrasado y tener también ya colocado su acoplamiento flexible. El prisionero no tiene que estar ajustado. Se levanta el sistema motriz y se presenta sobre la "linterna". Para que los dientes de los acoplamientos calcen entre sí, se procede de la siguiente manera. Se desatornilla la tapa del ventilador del motor. Luego, con la mano, se gira el ventilador hasta que los dientes entren dentro uno del otro. La separación entre ambos acoplamientos debe quedar entre 3 y 5 mm Luego se sigue girando hasta
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que los agujeros de la "linterna" coincidan con los de la tapa del eje del sistema motriz. Se abulonan estos, y se vuelve a colocar la tapa del ventilador. Sin soltar el aparejo, se coloca el pie de apoyo telescópico, pasando su extremo por el cáncamo del motor realizado a tal efecto. Se ajusta a la medida necesaria y se aprietan sus dos tuercas para fijar el soporte. Luego se retira la cadena o cable.
Una vez instalado el sistema motriz, se procede a reemplazar el tapón plástico provisto de fábrica para su traslado, por el tapón de purga, que se coloca a efectos del venteo de los gases del aceite de lubricación de la caja reductora, que se generan a raíz del calor producido al funcionar, en forma similar a lo que ocurre en el cabezal TE60 . Es importante que el cable eléctrico quede bien sujeto a la instalación. Si no es así, puede suceder que en zonas de vientos, estos lo muevan hasta que se suelte alguno de sus bornes. Eso es válido para cualquier tipo de accionamiento.
5. PUESTA EN MARCHA Una vez instalado el equipo de superficie, se coloca el puente de producción. Como se recordará, este debe diseñarse con la posibilidad de recircular el pozo. Previo a la puesta en marcha, es conveniente llenar la columna con la motobomba, para evitar demoras en la observación del funcionamiento del equipo. Es conveniente aprovechar esta operación para medir la hermeticidad de la columna con la bomba, tal como se explicó en el capítulo de Elementos de Instalación, pág. 6, Punto 1.9. Zapato Probador de Hermeticidad. Recuérdese que para esta operación es fundamental tener el freno antiretroceso colocado, con sus bulones trabándolo, y
desacoplado el sistema motriz.
Una vez realizada esta operación, en el caso de accionamiento directo, se colocan las correas y se las tensa con los espárragos de los rieles tensores del motor, verificando su tensión con un tensómetro de correas. Asimismo, con un nivel se verifica la correcta alineación de las poleas. En el caso de tener un sistema motriz acoplado se conecta el acoplamiento flexible. Luego se procede a la puesta en marcha. Para ello, se deben tener las siguientes precauciones: • Chequear que la conexión de los bornes en el motor es la establecida cuando se
determinó el sentido horario del motor. • Chequear que las empaquetaduras del cabezal estén adecuadamente engrasadas
y el prensaestopas no demasiado ajustado. Colocar el manómetro (si es posible de 40 Kg/cm2) en la válvula de 1/2" NPT del puente de producción. •
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Verificar que estén abiertas las válvulas de la cañería de conducción y cerradas las de recirculación. •
• Tener calibrado el térmico del tablero del motor a la corriente nominal del mismo.
Debe haber alguien donde está el tablero a efectos de medir con la pìnza amperométrica las corrientes de carga una vez puesto en marcha el equipo. Puede suceder que la corriente de arranque inicial haga saltar el térmico. Esto muchas veces sucede cuando el cabezal es nuevo, y su eje encuentra demasiado ajustado, pero no es de ningún modo un problema. Luego de algunos intentos, girará reduciéndose el amperaje gradualmente hasta alcanzar el de régimen. Las corrientes de régimen iniciales normalmente son menores a las que finalmente tomará el motor una vez que el pozo se encuentre estabilizado. Esto es debido a que se parte del nivel estático del pozo, el que disminuirá hasta alcanzar su nivel dinámico. Una vez realizadas las verificaciones, se conecta la fuerza motriz. Si la cañería ha sido previamente llenada, se observará inmediatamente que el equipo bombea, ya que al ser una bomba de desplazamiento positivo, no requiere cebado.
5. PUESTA EN MARCHA (Cont.) Si la cañería no ha sido llenada, el fluído demorará cierto tiempo en llegar a la superficie, dependiendo del caudal a bombear, de la altura del nivel estático, del diámetro de la cañeríaa y de las varillas de bombeo. Este tiempo es posible de calcular a través de las curvas.realizadas a tal efecto para 300 mts de tubing En nuestro ejemplo, cañería de 2 7/8", varillas de 7/8", producción 30 m3/día, y nivel estático en 460 mts, da un tiempo de 66 minutos cada 300 mts. En consecuencia, el tiempo necesario para llegar a superficie será de 101 minutos. La otra medida a chequear es la velocidad de rotación de la bomba, para lo cual se debe contar con un tacómetro digital de lectura óptica, ya que no es posible el uso de tacómetro de contacto directo, por no tener acceso al eje del cabezal una vez colocado el guardacorreas o acoplado el sistema motriz.
6. DESMONTADO DE LA UNIDAD PCP Para retirar la unidad, se debe tener especial cuidado en el desarmado del equipamiento de superficie. Si se trata de accionamiento con poleas y correas, se retira el guardacorreas y se desacoplan las correas. Luego se libera la torsión de las varillas, aflojando simultáneamente los dos bulones que sujetan el freno de retroceso. Se linga el cabezal, enganchándolo al aparejo. . Se retiran los espárragos de las bridas. En el caso de los cabezales TE40 y TP02, se levanta el conjunto completo con la ayuda de la soga de maniobra del malacate. En el cabezal TE60, se desabulonan previamente los bulones de unión entre las dos placas.
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Para desconectar la sarta del pin del eje del cabezal TP02 o TE40, se traba este con la cuña en "U" para poder torquear con la llave de varillas. Una vez desconectada la sarta, se retira el conjunto completo y se coloca sobre un apoyo de manera de mantenerlo en posición vertical. En el caso del cabezal modelo TE60, se pasa la llave cadena por el eje para poder torquear. En este cabezal se debe volver a colocar el tapón ciego que viene instalado de fábrica, para evitar el derrame del aceite. Luego se procede a retirar el resto de la sarta y la columna. Recuérdense las recomendaciones de torqueado cuando se desarma el estator. En caso de tener un sistema motriz acoplado con un acoplamiento flexible, primero se libera la torsión de las varillas desacoplándolo, como se describe más abajo. Luego se retira la caja reductora o el motovariador, desabulonando la "linterna" en su cara superior. Se pàsa la cadena o cable por el punto medio del sistema motriz y se retira con el aparejo. El sistema motriz debe también ubicarse en posición vertical, colocado el tapón ciego original, por igual razon que en el cabezal TE60. Se desabulona el lado inferior de la linterna del cabezal, se retira ésta y se coloca la linga en el agujero roscado del eje. Luego se procede de la misma manera que en el caso anterior.
7. RECOMENDACIONES GENERALES DE OPERACION • Reducir al mínimo la cantidad de arranques y paradas. Cada arranque directo significa un sobretorqueo en las varillas. Si las mismas están calculadas con esfuerzos cercanos al límite, lo que nunca es conveniente, es más posible el barrido de alguno de sus pines o directamente de su rotura. Cuando se opera con variador de velocidad, rearrancar el equipo con la mínima velocidad. En caso de estar las
varillas trabajando en valores cercanos a su límite de esfuerzo, o en un pozo con arena, conviene liberar torsión luego de cada parada, antes de arrancar el equipo nuevamente • En caso de operación cíclica, hacerla mediante la recirculación del puente de producción y no parando y arrancando la bomba.
• Si no hay instalado un registrador amperométrico, medir frecuentemente el
amperaje de carga del motor, el cual no deberá presentar fluctuaciones mayores de 1 Amp. Si son mayores, estará indicando la existencia de problemas en la instalación.
• Para chequear el torque en las varillas, este se puede calcular a partir del valor medido de amperaje y de la velocidad de rotación tomada con el tacómetro. Como vimos al estudiar las fórmulas de cálculo, con el amperaje medido, se determina la potencia consumida por el sistema. Luego, con este valor y las RPM medidas, se aplica la fórmula de torque.
• Dado que la bomba PCP es de desplazamiento positivo, nunca debe
intentarse, bajo ninguna circunstancia, aplicar contrapresión en la boca del pozo para reducir el caudal producido. A válvula cerrada, la duración del estator es de unos pocos minutos. En caso de ser posible, trabajar con la válvula de entrecolumna abierta, para evitar que todo el gas del pozo pase a través de la bomba, sobre todo en pozos
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gasíferos, lo que se traduce en menor refrigeración de la misma y su consecuente recalentamiento, o el ampollado del elastómero.
• El equipo PCP en operación tiene un bajo y uniforme nivel de ruido, Cualquier sonido fuera de ese, está indicando alguna anormalidad en la instalación.
• En caso de existencia de arena, la unidad debe funcionar debajo de las 250 RPM. • Tomar niveles con frecuencia para asegurarse que el equipo de fondo tenga la
sumergencia necesaria, con un mínimo de 100 mts sobre la bomba. La bomba no puede trabajar en seco por más de una hora.
• Colocar instrumentos de control del equipo :
- Carta amperométrica, - Registrador de presión de boca de pozo o presostato. - Sensor de flujo.
En cada intervención en el pozo, llenar la planilla de Parte de Servicio.
8. RESOLUCION DE PROBLEMAS OPERATIVOS Se enlistan aquí una serie de problemas operativos que pueden ser diagnosticados en superficie, fundamentalmente mediante la medida del amperaje del motor, de la existencia o no de torsión en las varillas.y de la observación de ruidos anómalos.
8.1 El equipo no bombea Si el amperaje del motor no fluctúa y está cercano al valor de la corriente en vacío, esto significa que existe: -
- pesca de varillas, o - desenrosque de tubing, o - falta de interferencia entre rotor y estator, o - rotura del rotor. Si este problema ocurre durante el arranque inicial, el mismo puede ser debido también a que el rotor no está dentro del estator, debido a un defectuoso espaciamiento, fundamentalmente por una incorrecta medición del tally. En este caso, antes de proceder a retirar el equipo de fondo, conviene verificar el espaciamiento. Para ello, una vez desmontada la instalación de superficie, se agrega a la sarta una varilla de maniobra. Luego, muy lentamente, se baja en la medida del espaciamiento realizado inicialmente, hasta verificar si el rotor asienta sobre el niple de paro, lo que será indicado por el Martin Decker. Si este no acusa cambio, se continúa con el servicio. En todos estos casos, no existirá torsión en las varillas. Para determinar esto se procede como sigue. Como el equipo estaba funcionando, el freno antiretroceso estará conectado. Se desacoplan las correas o el acoplamiento flexible, segun el caso. En este último, se afloja el prisionero del acoplamiento del lado del sistema motriz, y colocando una barreta entre ambos acoplamientos, se levanta el primero hasta separarlos. Esta es
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la razón por la que se debe engrasar el eje del sistema motriz antes de colocar el acoplamiento. Una vez desacoplado, se libera el freno, aflojando los dos bulones simultáneamente. Si las varillas no liberan torsión, el problema está en alguno de los indicados arriba. Normalmente, en caso de pesca o desenrosque de tubing, al girar la sarta, se escucha el golpeteo del extremo inferior de la misma contra las paredes del tubing o del casing, respectivamente. Este se puede observar colocando el extremo de una barreta contra la Tee de producción, y escuchar en el otro extremo. Cuando existe falta de interferencia entre rotor y estator, o rotura del rotor, este ruido no se escucha. En estos casos es debido a que el rotor o el trozo de rotor remanente en el extremo de la sarta, queda insertado dentro del estator. La rotura del rotor se produce casi siempre a no más de un metro desde su extremo superior.
8. RESOLUCION DE PROBLEMAS OPERATIVOS (Cont.) 8.1 El equipo no bombea (Cont.) - Si el amperaje se encuentra dentro de los valores normales de operación para el caudal que el equipo estaba bombeando anteriormente, o un poco inferior, el problema estará probablemente en una pinchadura del tubing. En estos casos, si la pinchadura se encuentra por encima del nivel estático, normalmente se detecta una importante producción de gas liberada por la columna en superficie. - Si el amperaje se eleva hasta hacer saltar problema radica en alguna de estas causas:
la protección térmica del motor , el
1. Existe un falso contacto en alguno de los bornes del motor o del tablero, o directamente está desconectada una fase. 2. Los rodamientos del cabezal están engranados.
3. El rotor se encuentra aprisionado dentro del estator.
En caso de ser esta última la causa de la falla, se puede deber a los siguientes motivos: - Excesivo hinchamiento del elastómero debido a agentes químicos del fluído del pozo, tales como aromáticos, sulfhídrico, gas carbónico, o a agentes físicos, tales como demasiado gas libre o temperatura. Cuando el problema es debido al gas, el elastómero se ampolla. Cuando el problema ha sido debido a temperatura, el elastómero se carboniza, endureciéndose. - Trozos de elastómero de una instalación de PCP anterior que pueden haber quedado en el pozo. O si es un pozo recién reparado, sólidos en suspensión. Esto se puede evitar mediante la instalación del caño filtro. - Trozos de elastómero de la misma bomba instalada, desprendidos ya sea por haber trabajado contrapresionada o porque el rotor trabajó tocando el niple de paro. En este
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último caso, la cabeza del rotor trabaja en forma excéntrica dentro del extremo superior del estator, destruyendo la goma que lo rodea. - Gran cantidad de arena sobre el tope del estator, obstruyéndolo totalmente. En estos casos, se observa más de una vez que el freno antiretroceso se rompe, debido a la enorme torsión acumulada en las varillas al quedar aprisionado el rotor, sobre todo cuando se trata de varillas de 1" o de 1 1/8". A veces sucede que cuando hay obstrucción por arena, se cortan las correas, si no salta el térmico antes. En caso de no haberse roto el freno, se debe tener el cuidado de liberar la torsión en las varillas, procediendo como se explicó más arriba. Si se trata de un pozo arenero, conviene antes de retirar el conjunto de fondo, liberar el torque de la sarta, permitiendo de este modo que parte de la arena descienda, si la presión diferencial permite girar al rotor en sentido inverso. Otra alternativa es lavar la columna con la motobomba, levantando previamente el rotor y espaciando nuevamente.
8. RESOLUCION DE PROBLEMAS OPERATIVOS (Cont.) 8.2 El equipo bombea irregularmente o por debajo de su caudal de cálculo, sin fluctuaciones de amperaje. En este caso es probable que exista obstrucción por arena o carbonatos, dentro de la columna, fundamentalmente cuando existen centralizadores de varillas instalados. La solución en estos casos es retirar los centralizadores. También puede deberse a una pinchadura de tubing
8.3 El equipo bombea el caudal calculado o un poco menor pero con amperajes altos y fuertes fluctuaciones. Cuando se dice fuertes fluctuaciones de amperaje, hacemos referencia a valores mayores de 2 Amps de variación. Esto se puede deber tanto al equipamiento de
superficie como al conjunto de fondo.
Cuando se trata del equipamiento de superficie, normalmente el problema radica en los rodamientos del cabezal, los que por mala lubricación o por estar demasiado sobrecargados en su capacidad de carga axial, se sobrecalientan y tienden a agarrarse. Comunmente, esto es fácilmente detectable colocando la mano sobre la caja portarodamientos del cabezal, así como el ruido que estos producen.
Cuando se trata del conjunto de fondo, puede deberse a excesivo hinchamiento del estator, a que el rotor está trabajando apoyado sobre el niple de paro, o a que existe rozamiento de las varillas en las paredes del tubing. Si el problema se debe a excesivo hinchamiento del estator, es a veces solucionable cambiando el rotor por uno de menor diámetro. Si se trata de que el rotor trabaja sobre el niple de paro, esto se traducirá en un corto tiempo (menos de dos meses) en el atrapamiento del rotor por rotura del elastómero y/o por la perforacion del niple de paro por el extremo inferior del rotor..
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Si en cambio se trata de rozamiento de varillas contra el tubing, producido probablemente por desviación del pozo o algún "dog-leg" o "pata de perro", sobre todo si se trata de una instalación profunda, más tarde o más temprano se producirá una pesca o una pinchadura del tubing. En todos estos casos conviene detener la instalación, cambiar el rotor y/o espaciar nuevamente, o colocar centralizadores de varillas intermedios en el último caso. En general, en todos los casos descriptos en este punto, se observan ruidos anormales y vibraciones en el equipamiento de superficie.
Se debe permitir que exista una pequeña pérdida por las empaquetaduras del cabezal, a efectos de la disipación del calor. En caso de observarse pérdidas importantes , se pueden deber a: - Falta de ajuste de los bulones del prensaestopas. - Desgaste de las empaquetaduras, o - Desgaste del eje del cabezal.
9. MANTENIMIENTO Los equipos PCP requieren muy poco mantenimiento, sobre todo cuando están accionados mediante poleas y correas. El mantenimiento a realizar es el siguiente: - Para los cabezales modelo TE40 y TP02, engrase de la caja portarodamientos con grasa de litio o sintética, tipo SKF para rodamientos, de alto punto de goteo, 180 ºC. Se realiza una vez por mes. Para ello cuenta con sus respectivos alemites de engrase. - Para el cabezal modelo TE60, con lubricación por baño de aceite, el rellenado con el aceite especificado en el punto 3.5 de Elementos de Instalación, hasta el nivel indicado en el visor de verificación de nivel, situado en la parte superior del cabezal. Realizar este chequeo también una vez por mes. - En los casos de sistema motriz acoplado, este lleva lubricación por baño de aceite del mismo tipo del que usa el cabezal TE60, siendo similar su procedimiento de rellenado. - Los motores eléctricos tienen o no sus propias rutinas de engrase, dadas por los fabricantes. - En caso de existir pérdidas importantes en las empaquetaduras, conviene reemplazar 3 ó 4 de ellas. El prensaestopas contiene en total 10. Para el cambio, se debe asegurar previamente que no exista presión en la columna de producción. Si no se tiene instalado un ratigan, luego de parado el equipo, se dejan abiertas durante un rato las válvulas de entrecolumna y de producción, hasta verificar que no queda presión. Luego se retira el prensaestopas y con una punta adecuada, tipo anzuelo, se van retirando las empaquetaduras a reemplazar. Las nuevas se colocan con sus extremos a 90º entre si. Recordar que conviene dejar una pequeña pérdida de fluído a través de ellas, que ayuda a disipar el calor generado. - Las correas perfil SPA, de 3150 mm de diámetro primitivo no son de fácil obtención en el mercado. Por esta razón es conveniente tener en almacenes una cierta cantidad de repuesto. Estas correas son muy resistentes, pero pueden cortarse al
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