1. DEFINICIÓN DEFINICIÓN DE UN SISTEMA SISTEMA ARTIFICIAL RTIFICIAL DE PRODUCCI PRODUCCIÓN ÓN Al inicio de la explotación de un yacimiento la producción de los pozos se da sin la necesidad de intervenir el pozo y el yacimiento gracias a la presión que es la suficiente para trasladar los fluidos del yacimiento hasta la superficie; estos pozos se les conocen como pozos fluyentes. Debido a la explotación de los yacimientos durante un cierto periodo periodo de tiempo, tiempo, es común que los pozos que se en encuentran produciendo produciendo declinen declinen su producción por causa de la prdida de presión en el yacimiento, para evitar esta ca!da de producción existen ciertas alternativas como
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"antenimiento de presión del yacimiento. #uministro de energ!a al pozo necesaria para fluir
$uando la energ!a no es la suficiente para levantar la columna del fluido del pozo es necesario implementar un mtodo que permita el flu%o del fluido del yacimiento a la superficie por lo que es recomendable la implementación de sistemas artificiales de producción que se enfocan en proporcionar energ!a adicional al pozo, as! como procesos de recuperación secundaria que es b&sicamente la inyección de fluidos al yacimiento a travs de un pozo inyector y'o la combinación de stos para continuar con la explotación de las reservas remanentes del campo.
(l propósito del sistema artificial de producción es administrar energ!a a los fluidos producidos por el yacimiento desde una profundidad determinada y'o mantener una reducción de la presión de fondo fluyendo para que la formación pueda dar el gasto de l!quido deseado. )n pozo puede ser capaz de desempe*ar esta tarea ba%o su propia energ!a. energ!a. (n su última etapa de su vida productiva, productiva, un pozo es capaz de producir producir solo un porcenta%e del fluido deseado. Durante esta etapa de la vida productiva del pozo y particularmente despus de la muerte del pozo, un adecuado mtodo de sistema artificial debe ser instalado y as! la requerida presión de fondo fluyendo se puede mantener.
(l mantenimiento de la requerida presión de fondo fluyendo es lo principal para la design designaci ación ón de la instal instalaci ación ón de cualqu cualquier ier sistem sistema a artifi artificia ciall de produc producció ción; n; si una reducción reducción predeterminada predeterminada en la presión puede ser mantenida, mantenida, el pozo puede producir el fluido requerido independientemente del tipo de sistema artificial de producción instalado+ .
Los sistemas artificiales de rod!cci"# !ede# ser di$ididos e# dos ri#ciales %r!os& a $on $on sart sarta a de vari varillllas as.. Aquel quello loss en que que el movi movimi mien ento to del del equi equipo po de bomb bombeo eo subsuperficial es originado en la superficie y es trasmitido por medio de una sarta de varillas. b #in sarta de varillas. Aquellos que el movimiento del equipo bombeo subsuperficial es producido por otros medios que la sarta de varillas+ . (n este capitulo se presentan los diferentes tipos de sistemas artificiales disponibles actualmente, el cual cada a*o m&s y m&s pozos en el mundo est&n optando por un sistema artificial de producción y el número seguir& aumentando. -a selección del tipo de sistema artificial m&s adecuado para un pozo o un grupo de pozos puede ser dif!cil o f&cil, dependiendo de las condiciones del pozo.
1.1 La e'lotaci"# de !# o(o etrolero se lle$a aca)o de dos ma#eras& a* Sistema fl!+e#te ambin conocido como sistema natural, este sistema se compone principalmente de un apare%o de producción donde se aprovecha la energ!a propia del yacimiento, el cual ser& capaz de elevar los hidrocarburos hasta la superficie.
)* Sistema artificial #on aquellos que de acuerdo a su dise*o se adecuan a las caracter!sticas del pozo para continuar con su explotación. /eneralmente, m&s de un mtodo de levantamiento puede ser usado. $ada mtodo de levantamiento podr& ser clasificado de excelente o pobre de acuerdo al cump cumplilimi mien ento to del del ob%e ob%etitivo vo.. Depe Depend ndie iend ndo o de las las cons consid ider erac acio ione ness econ económ ómic icas as,, operacionales y caracter!sticas del pozo 0presión, temperatura, profundidad, etc. se podr& elegir un sistema u otro. )n sistema artificial de producción 0#A1 es instalado cuando la presión en el yacimiento no es suficiente para elevar el crudo hasta la superficie, llegando al punto
donde un pozo no produce un gasto económicamente rentable. (s decir, el yacimiento no cuentan con la energ!a suficiente 0presión natural como para producir los hidrocarburos en forma natural, o cuando los gastos de producción no son los deseados. -os -os #A1 #A1 son son equip equipos os que que apor aporta tan n ener energ! g!a a a los los flui fluido doss prod produc ucid idos os por por el yacimiento, esta operación se realiza para ayudar a vencer las ca!das de presión, de tal form forma a que que los los flui fluido doss pued puedan an lleg llegar ar sin sin probl problem emas as a la supe superf rfic icie ie y pasa pasarr por por el estrangulador. 2ay dos consideraciones muy importantes que deben tomarse en cuenta en la instalación de un #A13
1* Asectos t,c#icos& (n el se hace un estudio de campo para determinar si es posible instalar un sistema artificial de producción, considerando todos los problemas que puedan presentarse al pozo en la instalación del sistema artificial, y tambin al yacimiento. -* El a#lisis eco#"mico (n el se hace un estudio que demuestre demuestre los beneficios de instalar un #A1, en ste se incluir& los costos de instalación, los costos de mantenimiento, los opera operaci cion onal ales, es, y los los que que invo involu lucre cren n al cump cumplilimi mient ento o de los los ob%e ob%etitivo voss de un proyecto. Dentro de la selección de un #A1 se encuentra una serie de pasos, empezando por analizar el lugar en donde ser& la instalación 0costa afuera, costa adentro adentro,, etc. etc. y la infraes infraestru tructu ctura ra existe existente nte.. -a selecci selección ón apropia apropiada da del #A1 depende depende del an&lisi an&lisiss de inform informaci ación ón de varias varias discip disciplin linas as como como perfor perforació ación, n, terminación, administración de yacimientos, etc.4 -a información que proporciona las disciplinas son factores que ayudan a la selección del #A1, estos factores son3 o o o o o o o o o
/astos de flu%o. 5ndice de productividad. 1resión est&tica 016s y de presión de fondo fluyendo016f. 7elación /as8Aceite y la relación de solubilidad 07s. 9 de agua. Densidad y viscosidad del fluido producido. 1rofundidad y temperatura. ipo de pozo 0desviación, di&metros de las tuber!as, etc. 1roble 1roblemas mas de arena, arena, parafi parafinas nas,, corrosi corrosión, ón, emulsi emulsión ón y condic condicion iones es de incrustaciones.
o o o
o
$lima y ubicación del lugar. :nversión disponible. $aract $aracter! er!sti sticas cas del yacimi yacimient ento o 0expans 0expansión ión de los fluido fluidos, s, segrega segregació ción n gravitacional, empu%e hidr&ulico, expansión del gas :nfraestructura, etc.
$on toda la información obtenida se analiza si ser& o no factible instalar un sistema sistema artificial, artificial, por e%emplo si un pozo no cuenta con suficiente suficiente espacio espacio anular, anular, la selección del sistema artificial no estar& determinada por el dise*o óptimo o por criterios económicos, sino por limitaciones f!sicas, en este caso los sistemas que no requieran de mucho espacio podr!an ser una opción, luego si la ubicación es en mar o en &reas terrestres, si hay energ!a elctrica o no, etc. 2oy en d!a alrededor del mundo m&s del <9 de los pozos productores requi requiere eren n la impl implem ement entac ació ión n de un #A1 #A1=. -a may mayor! or!a de est estos pozo pozoss se encuentran en campos maduros.
2ast 2asta a ahora ahora solo solo se ha menc mencio iona nado do la pala palabr bra a sist sistem ema a arti artififici cial al de producción, pero dentro de este concepto hay mtodos que pueden clasificarse como tal, estos mtodos son3 a. b. c. d. e. f. g.
>omb >ombeo eo ?eum ?eum&t &tic ico o >omb >ombeo eo "ec "ec&n &nic ico o >omb >ombeo eo 2idr 2idr&u &ulilico co >ombeo >ombeo (lectr (lectroce ocentr ntr!fu !fugo go >ombeo >ombeo de $avid $avidade adess 1rogres 1rogresiva ivass (mbol mbolo o @ia%er a%ero o #ist #istem emas as h!br h!brid idos os
-. RECOME RECOMENDA NDACIO CIONES NES / COMPA COMPARAC RACION IONES ES PARA PARA LA SELECC SELECCIÓN IÓN DE SISTEMAS ARTIFICIALES DE PRODUCCIÓN )n estudio realizado en los (stados )nidos, con cerca de <<,<<< pozos, arro%ó datos interesantes sobre los #A1 m&s utilizados. (n la Bigura =.C, se muestra una gr&fica que representa, en forma aproximada, el porcenta%e que corresponde a cada #A1 en cuanto a su utilización, se puede observar con claridad que el bombeo por cavidades progresivas es uno de los sistemas artificiales con menor utilización por parte de la industria petrolera, esto debido a la reciente aparición del sistema en la industria, lo que deriva en falta de conocimiento y de experiencia en su operación
$omo se observa en la Bigura =.C, cerca del 9 de los pozos utilizan el bombeo mec&nico. (l bombeo neum&tico, principalmente el continuo, viene en segundo lugar con menos del =<9 de uso. (l sistema de bombeo electrocentr!fugo es usado solo por el E9 de los pozos. -os otros sistemas artificiales de producción 0bombeo hidr&ulico, mbolo via%ero y el bombeo por cavidades progresivas, representan menos del 9 del uso total (n el estudio estudio mencionado anteriorment anteriormente, e, cerca de E<<,<<< E<<,<<< de los <<,<<< pozos estudiados, ten!an producciones menores a =< >1D. $uando estos pozos eran exclui excluidos dos,, los restan restantes tes =<<,<< =<<,<<<, <, ten!an ten!an producc produccion iones es relati relativam vament ente e altas. altas. -a mayor!a de esos pozos 0+9 utilizaban el bombeo neum&tico. $erca del FC9, bombeo mec&nico; =<9 bombeo electrocentr!fugo y menos del =<9, bombeo hidr&ulico. (l resto de los #A1, sólo los utilizaban menos del =9 del total de los pozos. (n la Bigura =., se comparan las eficiencias hidr&ulicas totales de varios #A1. #e
puede observar que solamente el bombeo mec&nico y el bombeo por cavidades progresivas progresivas son mayores al <9. (l bombeo neum&tico tiene tiene un amplio amplio rango en su eficiencia, la cual depende significativamente de las cantidades de gas de inyección y de la profundidad.
0. Limitacio#es de los Sistemas Artificiales de Prod!cci"#. Gtras consideraciones importantes para la selección de un #A1 son las condiciones geogr&ficas y de producción como por e%emplo, para el primero son las condiciones clim&ticas y la ubicación, para las condiciones de producción son; an&lisis de hidrocarburos 0presencia de $G F o 2 F#, producción de sólidos, arena, parafinas o asf<enos y las relaciones gas8aceite y agua. -os #A1 traba%an ba%o ciertas condiciones y limitaciones, estas estar&n en función del dise*o, aplicación, capacidades de mane%o de sólidos, temperatura de fondo y capaci acidade ades de volúmenes, es, la abla =.= =.= y =.F =.F muestran ran las consideraciones de dise*o de cada sistema artificial. -as condiciones de operación que mane%an los #A1 son importantes, ya que no ser& posible seleccionar un sistema artificial sino se examina los criterios y condiciones de operación de cada uno. (n resumen la selección de un #A1 est& basado en los resultados de un an&lisis tcnico y económico, adem&s debe ser considerado desde el principio del plan de desarrollo desarrollo del campo o yacimiento yacimiento,, desde la perforación, perforación, la terminación terminación y as! tomar las decisiones de producción a las que estar& traba%ando el sistema.
. 2OM2EO NEUM3TICO .1 Pri#ciios 2sicos del 2om)eo Ne!mtico (l transporte de los fluidos desde el yacimiento hasta la superficie es un traba%o que que el ingen ingenie iero ro de prod producc ucció ión n requ requie iere re hacer hacer.. -a energ energ!a !a neces necesar aria ia para para trasportar dichos fluidos puede estar contenida en el yacimiento, sin embargo, si la energ!a del yacimiento es insuficiente para obtener el gasto deseado, la energ!a del yacimiento puede ser complementada por una fuente externa. (ste es el principio fundamental de todos los sistemas artificiales de producción. (l >ombeo ?eum&tico consiste en la inyección continua o intermitente de gas a presión en la parte inferior de la tuber!a de producción para mantener o aumentar el potencial de flu%o del pozo. (l gas inyectado por el espacio anular se mezcla en la tuber!a de producción con los fluidos provenientes del yacimiento, disminuyendo el gradiente de flu%o, permitiendo a los pozos operar a una menor presión de fondo, manteniendo o aumentando la producción. (n el >ombeo ?eum&tico el traba%o para aumentar el gasto de producción inicia en la superficie, superficie, donde se encuentra encuentra un compresor compresor de gas, que trasmite al pozo una corriente de gas a alta presión para que se eleven los fluidos desde el punto de inyección 0preferentemente los m&s profundo posible hasta la superficie. (l >? es un sistema que puede ser empleado para un campo o grupo de pozos, un esquema completo se muestra en la Bigura =8C.
$omo se ha mencionado anteriormente el >? consiste en inyectar gas a alta presión en el fondo del pozo para descargar los fluidos a la superficie. 1ara que lo ante anteri rior or pued pueda a ocur ocurri rirr el gas gas cump cumple le tres tres impo import rtan ante tess func funcio ione ness que que se representan en la Bigura =83 Disminuye la densidad del fluido3 Al entrar en contacto el gas a alta presión con los flui fluido doss prov proven eniient entes del yaci acimien miento to,, la col columna umna de l!qui !quido do se gas gasific ifica a incr increm emen enta tand ndo o el volu volume men n apar aparen ente te de la colu column mna a y resu resultltan ando do en una una disminución de la densidad de la columna de fluido. (xpansión (xpansión del gas3 Al hacer el recorrido recorrido dentro de la tuber!a tuber!a de producción producción el gas aumenta su volumen 0se expande debido a que hay una reducción de la presión conforme disminuye la profundidad. Desplazamiento de l!quido3 $uando las burbu%as son lo suficientemente grandes como para ocupar todo el di&metro interno de la tuber!a de producción, se crea una interfaz de l!quido8gas formando baches de l!quido que son desplazados por la corriente ascendente de gas subyacente.
.-TIPOS DE 2OM2EO NEUM3TICO (l >ombeo ?eum&tico tiene dos formas b&sicas de operación. >ombeo ?eum&tico $ontinuo (n el >? $ontinuo se inyecta continuamente gas al pozo para gasificar la corriente de l!quido, con el ob%etivo de aligerar la columna de l!quido dentro del pozo, e incrementando la ca!da de presión en la cara de la formación. (sto resulta en un aumento de la 7/- del pozo. (ste mtodo solo es aplicable aplicable a pozos que tienen una menor que la 7/- natural óptima óptima y una presión en el yacimiento lo suficientemente alta como para mantener el gasto deseado aun cuando la 7/- se incremente. -a Bigura =8 muestra un esquema t!pico de un pozo operando con >? continuo. Dado que la presión de inyección de gas es normalmente mucho m&s ba%a que la presión presión del yacimiento yacimiento est&tica, est&tica, las v&lvulas v&lvulas de >? se instalan instalan en el apare%o para permitir que el pozo quede progresivamente descargado, estableciendo as! la profundidad de inyección operativa tan profunda como sea posible. (l dise*o del apare%o del >? se refiere a la posición y el funcionamiento de las v&lvulas seleccionadas, teniendo en cuenta las condiciones de operación previstas. (l bombeo neum&tico 0>? es un sistema artificial de producción utilizado en los pozos petroleros, en la Bigura ::8= se ilustra que para poder elevar los fluidos de un pozo a la superficie se realiza mediante la inyección de gas a travs de las v&lvulas que se encuentran en la tuber!a de producción, en resumen se inyectan el gas del espacio anular de sta a la tuber!as de producción. (ste sistema utiliza gas a una presión relativamente alta 0mayor a F< lb'pgF para poder aligerar la columna de fluido y de ese modo permitir el pozo fluir hacia la superficie.
(ste sistema consiste en recuperar hidrocarburos de un yacimiento por la uber!a de 1roducción 0.1 por medio de gas inyectado a presión a travs del espacio anular. $omo se hab!a mencionado anteriormente se utiliza cuando la presión natural no es suficiente para elevar el crudo hasta la superficie, cuyas causas pueden ser3
(l abatimiento de la presión del yacimiento. -a ba%a permeabilidad de la formación.
Co#tie#e c!atro artes f!#dame#tales& a* Buente de gas a alta presión3 (stación de compresión, pozo productor de gas a alta presión o compresor a boca de pozo. )* )n sistema de control de gas en la cabeza del pozo, v&lvula motora controlada por un relo% o un estrangulador a%ustable 0v&lvula de agu%a. c* #istema de control de gas subsuperficial 0v&lvulas de inyección con mandril. d* (quipo necesario para el mane%o y almacenamiento del fluido producido.
(l gas inyectado origina que la presión que e%erce la carga de fluido sobre la formación disminuya debido a la reducción de la densidad de dicho fluido y por otro lado la expansión del gas inyectado con el consecuente desplazamiento del fluido "uchos factores deben ser considerados en el dise*o de una instalación de bombeo neum&tico. )no de estos primeros factores es determinar si el pozo podr!a ser operado en flu%o continuo o intermitente. Gtro factor que influye es el conoc conocim imie ient nto o de cual cual tipo tipo de flu% flu%o o es me%o me%orr, este este l!mi l!mite te pres present enta a much muchas as dificultades para el dise*o de la instalación. -as v&lvulas de bombeo neum&tico que est&n disponibles son adecuadas tanto para flu%o continuo como para flu%o intermitente, sin embargo muchas v&lvulas pueden ser usadas solo para un tipo de flu%o.
.0 El ro"sito de las $l$!las de )om)eo #e!mtico es& a Descargas el fluido del pozo de tal modo que el gas pueda ser inyectado en un punto óptimo de la sarta. b $ontrolar el flu%o de inyección del gas tanto para la descarga como para la operación.
. . La loca locali li(a (aci ci"# "# de la lass $l l$! $!la lass e# la co#f co#fi% i%!r !rac aci" i"# # de fl!4 fl!4o o es est t i#fl!e#ciada or& )no de los componentes principales del bombeo neum&tico son las v&lvulas subsuperficiales de inyección de gas a presión Estas $l$!las tie#e# dos ro"sitos ri#ciales& = Desca Descarg rgar ar el pozo pozo a una una prof profund undid idad ad de inyecc inyecció ión n requ requeri erida da 0punt 0punto o de inyección para arrancar el pozo con la presión disponible de gas. F -evantar el gasto de producción a partir de la profundidad del punto de inyección con la presión disponible de operación. 5e#ta4as -as -as v&lv v&lvul ulas as est& est&n n dise* dise*ad adas as para para una una inyec inyecci ción ón cont control rolad ada a del del gas, gas, adem&s de proporcionar la flexibilidad necesaria permitiendo cambiar la profundidad del punto de inyección y un aumento en el gasto de producción de%ando pasar mayor cantidad de gas hacia la tuber!a de producción. $ierto tipo de v&lvulas de bombeo neum&tico est&n dise*adas para la inyección controlada en una operación de bombeo continuo o intermitente.
(sto se requiere para terminaciones duales cuando las dos zonas necesitan ser elevadas simult&neamente con una fuente única de gas de inyección. $ada v&lvula dosifica la cantidad de gas que necesita respectivamente cada intervalo productor. -a implementación de las v&lvulas de inyección de gas evitan un descenso excesivo de la presión en la tuber!a de producción entre cada ciclo de inyección, cuando se trata de una instalación de bombeo intermitente, si esto no se cumpliera, entonces habr!a una reducción excesiva en la presión y nos afectar!an los efectos de la contrapresión.
(n operaciones de bombeo neum&tico intermitente, un volumen del gas de inyección que se queda almacenado en el espacio anular sirve para la amplitud 0diferencia entre la presión de apertura y cierre de la v&lvula
-as v&lvulas nos ayudan a descargar un pozo 0desplazamiento del fluido te term termin inac ació ión n o flui fluido do de cont contro rol l.. $uan $uando do un pozo pozo ha sido sido repa repara rado do usualmente usualmente se tiene en su interior interior un fluido fluido de limpieza limpieza o fluido fluido de control, control, entonces las v&lvulas son accionadas para inyectar gas a presión e ir descargando gradualmente el fluido del pozo y remplazarlo por gas y aumentar la ca!da de presión entre el fondo del pozo y la cara de la formación.
-as v&lvulas de inyección, inyección, mandriles est&n dise*ados para evitar evitar agu%eros agu%eros en el tubo y proporcionar proporcionar un sello hermtico para evitar fugas o entrada de fluidos fluidos en lugares no deseados, adem&s adem&s de evitar evitar un efecto efecto de choro en la entrada del gas por entrar en un agu%ero en el que no se puede controlar el flu%o.
a Disponibilidad de la presión del gas para la descarga. b -a densidad del fluido o gradiente de los fluidos en el pozo o un determinado tiempo de descarga. c $omportamiento de afluencia al pozo durante el tiempo de descarga. d -a presión a boca de pozo 0contrapresión entre el pozo y la central de reco recole lecc cció ión n que que hace hace posi posibl ble e que que los los flui fluido doss pued puedan an ser ser prod produc ucid idos os y descargados. e (l nivel de fluido de la tuber!a de producción 0espacio anular ya sea que el pozo haya sido cargado con fluidos de control o prescindido de l. f -a presión de fondo fluyendo y las caracter!sticas de los fluidos producidos del pozo.
.6 .6 DESCAR CAR7A / OPERACI RACIÓ ÓN DE LAS LAS 53L 53L5ULAS LAS DE 2OM2EO NEUM3TICO -as v&lvulas superiores que se instalan a lo largo de la tuber!a de producción hasta el punto de inyección deseado se llaman v&lvulas de descarga. -a v&lvula operante es la v&lvula m&s profunda que se abre en cada ciclo en una instalación intermitente o que se mantiene continuamente inyectando gas al interior de la tuber!a de producción en una instalación de bombeo neum&tico continuo. -as v&lvulas de descarga no se utilizan despus de que el casing se llena de gas a menos que la presión de la tuber!a a la profundidad de la v&lvula operante se vuelva mayor que la presión en el casing. (n ocasiones la mayor!a de los pozos se vuelven a cargar si se suspende la inyección de gas o disminuye el volumen de gas de inyección. $uando el pozo se carga, las v&lvulas de descarga se emplean nuevamente para desplazar este l!quido que se encuentra en el interior de la tuber!a por encima de cada una de estas v&lvulas, permitiendo levantar todo el l!quido desde la profundidad de la v&lvula operante hasta la superficie.
.8 MECANIS MECANISMO MO DE LAS LAS 53L5 53L5ULAS ULAS SU2SUP SU2SUPERF ERFICI ICIAL ALES ES DE 2OM2EO 2OM2EO NEUM3TICO -os diversos fabricantes han categorizado a las v&lvulas de bombeo neum&tico dependiendo de qu tan sensible es una v&lvula a una determinada presión actuando actuando en la 1 o en la 7. /eneralmente /eneralmente son clasificadas clasificadas por el efecto que la presión tiene sobre la apertura de la v&lvula, esta sensibilidad est& determinada por la construcción del mecanismo que cierra o abre la entrada del gas. ?ormalmente la presión a la que se expone una v&lvula la determina el &rea del asiento de dicha v&lvula. -os principales mecanismos de las v&lvulas para ambos casos, es decir, en la tuber!a de revestimiento y en la tuber!a de producción, son los mismos, y solo la nomenclatura cambia. -as -as v&lv v&lvul ulas as de bomb bombeo eo neum neum&t &tic ico o opera operan n de acuerd acuerdo o a ciert ciertos os prin princi cipi pios os b&sicos, que son similares a los reguladores de presión. (l la Bigura ::8F se observa los principales elementos de la v&lvula. -as partes que componen una v&lvula de bombeo neum&tico son3 a $uerpo de la v&lvula. b (lemento de carga 0resorte, gas o una combinación de ambos. c (lemento de respuesta a una presión 0fuelle de metal, pistón o diafragma de hule. d (lemento de transmisión 0diafragma de hule o v&stago de metal. e (lemento medidor 0orificio o asiento.
.9 CLASIFICACIÓN DE LAS L AS 53L5ULAS 53L5ULAS DE 2OM2EO NEUM3TICO Antes de que un dise*o de bombeo neum&tico exitosos pueda ser designado, el dise dise*a *ado dorr pued puede e sele selecc ccio iona narr una una v&lv v&lvul ula a de bomb bombeo eo neum neum&t &tic ico o con con sus sus caracter!sticas correctas. )na instalación no puede ser dise*ada apropiadamente u operada eficientemente a menos que la v&lvula de bombeo neum&tico est bien comprendida -a nomenclatura comúnmente usada en el campo petrolero ha sido adoptada en este cap!tulo, por e%emplo, la presión en la tuber!a de revestimiento 07 se especifica como 1c y se refiere a la presión del gas en el espacio anular, y la presión en la tuber!a de producción 01 como 1t y se refiere al flu%o a la presión est&tica del l!quido en la misma. @&lvulas balanceadas balanceadas )na v&lvula v&lvula de presión balanceada, balanceada, que se presenta presenta en a* @&lvulas la Bigura ::8+, no est& influenciada por la presión en la tuber!a de producción cuando est& en la posición cerrada o en la posición abierta.
Gbserve que la presión en la tuber!a de revestimiento actúa en el &rea del fuelle durante todo el tiempo. (sto significa que la v&lvula abre y cierra a la misma presión 0presión del domo. De acuerdo a esto la diferencia de presión entre la del cierre y la de apertura es cero. b @&lvulas desbalanceadas -as v&lvulas de presión desbalanceadas son aquellas que tienen un rango de presión limitado por una presión superior de apertura y por una presión inferior de cierre, determinada por las condiciones de traba%o del pozo; es decir, las v&lvulas desbalanceadas se abren a una presión determinada y luego se cierran con una presión m&s ba%a. -os tipos de v&lvulas son las siguientes3 @&lvulas operadas por presión de gas de inyección. /eneralmente se conoce como v&lvula de presión, esta v&lvula es del < al =<<9 sensible a la presión en la tuber!a de revestimiento en la posición cerrada y el =<<9 sensible en la posición de apertura. #e requiere un aumento de presión en el espacio anular para abrir y una reducción de presión en la tuber!a de revestimiento para cerrar la v&lvula. @&lvula reguladora de presión. (sta v&lvula tambin es llamada como v&lvula proporcional o v&lvula de flu%o continuo. -as condiciones que imperan en sta son las mismas a la de la v&lvula de presión en la posición cerrada. (s decir, una vez que la v&lvula est& en posición abierta es sensible a la presión en la tuber!a de producción, es lo que se requiere que se aumente la presión en el espacio anular para abrirla y una reducción de la presión presión en la tuber!a de producción o en la tuber!a de revestimiento revestimiento para cerrar la v&lvula
@&lvula operada por fluidos de la formación. -a v&lvula operada por los fluidos de la formación es < a =<<9 sensible a la presión en la tuber!a de producción en la posición cerrada y =<<9 sensible a la presión en la tuber!a de producción en la posición abierta. (sta v&lvula requiere un incremento en la presión de la tuber!a de producción para abrir y una reducción en la presión de la tuber!a de producción para lograr el cierre de la v&lvula. @&lvula combinada ambin es llamada v&lvula de presión operada por fluidos y por presión del gas de inyección; en sta se requiere un incremento en la presión del fluido para su apertura y una reducción de presión en el espacio anular o de la tuber!a de producción para cerrarla. c @&lvulas para bombeo neum&tico continuo. )na v&lvula usada para flu%o continuo debe ser sensible a la presión en la tuber!a de producción cuando est& en la posición de apertura, es decir, responder& proporcionalmente al incremento y decremento de la presión en la tuber!a de producción. $uando la presión decrezca la v&lvula debe empezar a regular el cier cierre, re, para para dism dismin inui uirr el paso paso del del gas. gas. $uand $uando o la presi presión ón en la tube tuber! r!a a de producción se incrementa, la v&lvula debe regular la apertura en la cual se incrementa el flu%o de gas a travs de la misma. (stas respuestas de la v&lvula mant mantie iene nen n esta estabi bililiza zada da la presi presión ón en la tube tuber! r!a a de produ producci cción ón o tiend tienden en a mantener una presión constante. d @&lvula para bombeo neum&tico intermitente. (s recomendable para una instalación de bombeo neum&tico intermitente usar v&lvulas del tipo desbalanceadas operadas por piloto y sección motriz ya sean operadas por presión de .7. o bien operadas por fluido, con elemento de carga que puede ser resorte o domo cargado de nitrógeno, nitrógeno, con la caracter!sti caracter!stica ca de que la v&lv v&lvul ula a debe debe abrir abrir de forma forma inst instant ant&n &nea ea sin sin estr estran angul gular ar el paso paso del del gas. gas. Dependiendo de tipo de control del gas de inyección en la superficie, se puede o no requerir amplitud de la v&lvula. #i el gas es controlado completamente desde la superficie empleando interruptor de tiempo, una v&lvula con amplitud peque*a puede ser usada en flu%o intermitente. #i se desea usar el espacio anular para almacenar el volumen de gas a inyectar y mediante un control de v&lvula de agu%a en la superficie, la amplitud de la v&lvula es extremadamente importante, ya que de ella depende el volumen de gas a inyectar por ciclo )na instalación de bombeo intermitente puede llevarse a cabo con cualquier tipo de v&lvula de bombeo neum&tico, solo que debe ser dise*ada propiamente, de acuerdo a las caracter!sticas o condiciones de traba%o del pozo. >&sicamente se tienen dos tipos de bombeo bombeo intermitente3 intermitente3 uno es el de punto único de inyección y el otro tipo de bombeo es el de punto múltiple de inyección. (n el punto único de inyección, todo el gas necesario para subir el bache de aceite a la superficie se
inyecta a travs de la v&lvula operante. -a operación de la v&lvula ense*a en cada esquema la expansión del gas elevando consigo el bache de aceite a una v&lvula posterior posterior localizada inmediatamen inmediatamente te arriba. (n este tipo se abre la v&lvula v&lvula que se encuentra deba%o del bache de aceite y que se comporta como una v&lvula de operación. odas las v&lvulas que se tienen en la sarta de producción no necesitan estar abiertas en el tiempo que se aplica este tipo de bombeo. (l número de v&lvulas abie abiert rtas as va a depe depend nder er del del tipo tipo de v&lv v&lvul ula a usad usada, a, del del dise dise*o *o de bomb bombeo eo neum&tico, y s! de toda la configuración del bombeo neum&tico. $ualquiera de las v&lvulas vistas anteriormente pueden ser usadas en este tipo de bombeo, pero dise*adas correctamente. -as instalaciones de bombeo neum&tico son flexibles, debido a que se puede a%us a%usta tarr de las las mane manera ra que que se obte obteng nga a la m&xi m&xima ma prod produc ucci ción ón en opti optima mass condiciones; considerando el abatimiento de la presión de fondo fluyendo, por lo cual es necesario, en algunos casos, instalar dos o tres v&lvulas de bombeo neum&tico adicionales, aba%o del punto de inyección.
.: LIMITACIONES LIMITACIONES DEL 2OM2EO NEUM3TICO A pesar de su flexibilidad operacional el >?, al momento de compararlo con otros sistem sistemas as de levant levantami amient ento o artifi artificia ciall salta salta a la vista vista una serie serie de limita limitacio ciones nes presentes en este sistema. 1ara su operación se requiere una fuente adecuada y constante de gas a lo largo de la vida del proyecto. 1or otra parte si la fuente de gas es deficiente 0ba%a presión, gas húmedo, corrosivo, etc. es necesario hacer un acondicionamiento del gas gas y el aume aument nto o en la inve invers rsió ión n es sign signifific icat ativ ivo o al inst instal alar ar una una plant planta a de acondicionamiento de gas para solucionar dicho problema. $uando el levantamiento continuo no es capaz de reducir la presión de admisión, como resultado, el bombeo no puede llegar a presiones ba%as de fondo del pozo. (sto dar& lugar a una mayor contrapresión en el sistema, limitando as! el potencial de producción producción del pozo, incluso afectando afectando la recuperación recuperación final de hidrocarburos. hidrocarburos. Dicho problema se hace m&s evidente al aumentar la profundidad y la presión del yacimiento.
.; Re
#umando la perdida de presión debido a la fricción entre el gas y la tuber!a 0normalmente es peque*a. #umando la ca!da de presión en la v&lvula operante u en el orificio por el que pasa el gas. •
•
-a presión de la tuber!a que se utiliza para el c&lculo, es la presión esperada, definida por la intersección de la curva de presión de admisión de la tuber!a apropiada con el :17. 1uesto que la inyección de gas en el fondo es a travs de un orificio, la diferencial de presión necesaria para dar paso al gasto de gas requerido 0generalmente del orden de =<< lb'pgF , debe ser a*adida.
-a presión de inyección requerida en superficie en la cabeza del pozo para lograr la descarga depende del perfil de presión del pozo. (l pozo puede estar lleno de fluido de control o aceite muerto, o puede ser que este fluya a un gasto inferior al gasto obtenible con el >?. -a Bigura =8FF muestra un pozo muerto y el incremento de presión necesaria para arrancarlo y en la Bigura =8F+ se observa la presión necesaria para mantener el pozo en condiciones de flu%o.
4.9.1 COLOCACIÓN DE VÁLVULAS VÁLVULAS DE BN
En un pozo a una profundidad de 8000 pie se localiza una válvula desbalanceada de B.N. cargada únicamente con resorte y operada por presin del gas de inyeccin y cuenta con la siguiente informacin!
"álvula de # #$% & #$% pg de fuelles ' 0.()* pg% Presin superficial de apertura ' 800 +b$pg% Presin en la ,.P. ' )** lb$pg% -ensidad relativa del gas de inyeccin ' 0.( aire'#.0/ ,emperatura superficial ' #00 1 ,emperatura a la profundidad de la válvula' #80 1 2alcular! a/ Presin de apertura a la profundidad de la válvula3 +b$pg% b/ Presin de cierre a la profundidad de la válvula3 +b$pg% c/ 4mplitud de fondo de la válvula3 +b$pg% d/ Presin superficial de cierre3 lb$pg% e/ 4mplitud superficial de la válvula3 lb$pg% f/ Presin de apertura en el taller3 lb$pg% 5olucin! a. -e la 1ig. %.6 con Pso ' 800 lb$pg% y 7g ' 0.( se obtiene! Pgraf. ' %# +b$pg% $#000 pie
5e tiene una válvula balanceada operada por presin del gas de inyeccin de # #$% & ($#) pg.3 domo cargado con gas de densidad relativa 0.(0 aire ' #.0/ a )0 1 9 800 lb$pg% y se instalará en un pozo a una profundidad de 8000 pie y se conocen los datos siguientes!
:rea de fuelles ' 0.()* pg% ,emperatura superficial ' #00 1 ,emperatura a la profundidad de 8000 pie ' %%8 1 -ensidad relativa del gas de inyeccin ' 0.( aire ' #.0/ 2alcular! a. ;a presin de apertura a la profundidad de la válvula3 +b$pg% b. ;a presin superficial de apertura3 +b$pg% 5olucin a. -el 4p
.1= LAS PRINCIPALES 5ENTA>AS / DES5ENTA>AS PRESENTES EN EL 2OM2EO NEUM3TICO SON& 5e#ta4as
(l >? puede operar sobre una amplia gama de condiciones de producción, puede ser dise*ado para elevar miles de barriles por d!a o menos de un barril por d!a.
1uede mane%ar cantidades significativas de sólidos 0por e%emplo, arena. (l >? tien tiene e una una capa capaci cida dad d inhe inhere rent nte e a la mani manipu pula laci ción ón del del gas, gas, un inconveniente grave con muchas otras formas de levantamiento artificial. -a misma instalación de >? puede ser dise*ado para elevar fluidos a una profundidad cercana a la superficie en una etapa inicial y elevar fluidos a una profundidad cercana a la total cuando el pozo ya no tiene suficiente energ!a. -as instalaciones pueden ser dise*adas para ser discretas.
(s accesible para monitorear, intervenir y reparar el pozo. 1uede 1uede ser ser apli aplica cado do para para cualq cualqui uier er conf config igur uraci ación ón del del pozo pozo 0desv 0desvia iado do,, horizontal, dual. -a fuente de energ!a se localiza en superficie, por lo tanto los componentes del subsuelo son baratos y de f&cil remplazo con cable de acero 0con excepción de pozos submarinos.
-os costos de operación son relativamente ba%os y est&n en función directa de los cost costos os de comb combus usti tibl ble e y del sist siste ema de mon monitor itoreo eo de las instalaciones.
Des$e#ta4as -a inversión inicial puede ser significativa debido a los altos costos de compresión, pero pueden reducirse con la implementación de una planta de distribución central y los beneficios de requerimientos de compresión 0de ventas, re8inyección.
(l >? no siempre esta f&cilmente disponible, debido a la escases de gas de inyección. #in embargo, el aire y gases HexhaustosI pueden utilizarse en algunos casos. -a distancia entre los pozos puede limitar la selección del >?, ya que se requ requer erir& ir& una una fuent fuente e de mayor mayor pres presió ión n para para mant manten ener er la presi presión ón de operación de cada pozo. (l >? puede causar emulsiones y crudo viscoso, los cuales son dif!ciles de levantar de manera eficiente. (s dif!cil dise*ar una instalación de bombeo neum&tico para la zona inferior en una instalación dual si esta zona esta muchos metros 0mil metros o m&s por deba%o de la zona superior y tiene una presión de fondo muy ba%a, en especial por el tama*o reducido del revestimiento de la zona inferior. -as tuber!as deben soportar presiones elevadas 0sobre todo al momento de la inyección. Bormación de hidratos y congelamiento de las l!neas de inyección. 1uede ser peligrosa su implementación en zonas urbanas, debido a que se mane%an l!neas de alta presión.
.11 I#stalacio#es de 2om)eo Ne!mtico (l dise*o de cualquier sistema artificial de producción no debe ser realizado en forma aislada del resto del sistema de producción. (l aumento en los costos de desarrollo, los de operación y capital, %unto con la necesidad de conservar gas asociado y no asociado, dictan la necesidad de tener un sistema integrado.
.1- Tios de I#stalacio#es de 2om)eo Ne!mtico (n el bombeo neum&tico podemos tener diferentes tipos de instalaciones, incluso en pozos vecinos puede haber una diferencia sustancial en la instalación del apare%o aunque ambos sean producidos por bombeo neum&tico. (n general el tipo
de instalación se basa principalmente en si el pozo ser& producido mediante inyección continua o intermitente, esto dar& tambin la pauta para la selección del tipo de v&lvulas de inyección inyección de gas, una diferencia entre las v&lvulas, es que las de bombeo intermitente al momento de abrir inyectan una gran cantidad de gas en un lapso de tiempo relativamente corto para lograr elevar el bache de l!quido hasta la superficie. (l tipo tipo de inst instal alac ació ión n est& est& fuer fuerte teme ment nte e infl influe uenc ncia iada da por por las las cara caract cter! er!st stic icas as mec&nicas 0tipo de terminación y de producción 0producción de arena y'o agua, conificación de gas, etc.. (s necesario determinar cómo variar&n las condiciones de prod produc ucci ción ón con con resp respec ecto to al tiem tiempo po,, esto esto debe debe incl inclui uirr un an&l an&lis isis is del del comportamiento de la presión de fondo y del !ndice de productividad. (n la Bigura =8== se muestran los tres tipos b&sicos de instalaciones de >?.
I#stalaci"# A)ierta (n este tipo de instalación, la tuber!a de producción est& colgada al cabezal sin empacador. (sto quiere decir que hay una comunicación entre el espacio anular y el fondo de la tuber!a de producción. (sta instalación preferentemente debe ser implementada en pozos con buenas caracter!sticas de producción, que tengas un nivel alto de fluidos y permitan la formación de un sello l!quido, generalmente se recomienda únicamente para pozos con bombeo neum&tico continuo. )na razón para restringir el uso de este tipo de instalación es la presión variable en la l!nea superficial, esta variación de presión ocasionara un movimiento en el nivel del fluido del espacio anular y pudiendo de%ar expuestas las v&lvulas situadas deba%o del punto de inyección a una erosión severa con el fluido. Gtra desventa%a es que cada vez que el pozo necesite ser cerrada, al momento de reabr reabrir irlo lo hay que desca descarg rgarl arlo o y reac reacon ondic dicio ionar narlo lo nuev nuevame ament nte e debi debido do a que que mientras estuvo cerrado hubo un aumento en el nivel de fluido en el espacio anular. Al momento de descargarlo, dicho fluido debe ser descargado por el espacio anular sometiendo nuevamente a las v&lvulas a una erosión adicional. Debi Debido do a los los múlt múltip iple less prob proble lema mass enco encont ntra rado dos, s, no es reco recome mend ndab able le una una instalación abierta, salvo en casos donde no sea posible colocar un empacador.
I#stalaci"# Semi?cerrada (sta instalación es similar a la instalación abierta, la diferencia es que se agrega un empacador de producción para sellar el espacio anular entre la tuber!a de producción y la tuber!a de revestimiento. (sta instalación puede ser implementada en pozos con bombeo continuo o intermitente y no disminuir su eficiencia. )na de las venta%as es que una vez que el pozo ha sido descargado no hay manera de que el fluido regrese al espacio anular ya que todas las v&lvulas tienen dispositivos
checJ para evitar el retorno del flu%o, a su vez, se evitar& que cualquier flu%o abandone la tuber!a de producción. Gtra venta%a de una instalación #emicerrada es que al momento de hacer una intervención intervención al pozo y que en dicha operación operación sea necesario necesario un incremento incremento en la presión presión en el fondo del pozo, la tuber!a de revestimiento revestimiento no estar!a estar!a expuesta a la presión de dicha operación y podr!amos evitar algún da*o a la infraestructura superior del pozo.
I#stalaci"# Cerrada (ste tipo de instalación instalación es similar similar a una instalación instalación #emicerrada, excepto excepto que se coloca una v&lvula de pie en la tuber!a de producción. Aunque la v&lvula de pie se colo coloca ca norm normal alme ment nte e en el fond fondo o del del pozo pozo,, esta esta tamb tambi in n pued puede e colo coloca cars rse e inmediatamente deba%o de la v&lvula operante. (sta v&lvula de pie evita que la presión del gas 0cuando se inyecta dentro de la tuber!a de producción actu sobre la cara de la formación, estas v&lvulas son por lo general colocadas en pozos con ba%a presión de fondo, en el cual el fluido fluido puede ser f&cilmente f&cilmente forzado forzado a entrar a la formación. formación. (n instalaciones instalaciones de bombeo intermitente intermitente tambin es recomendable recomendable usarlas debido a la r&pida entrada del gas cuando la v&lvula operante est& en posición abierta. 1osiblemente el uso de una v&lvula de pie pueda aumentar la producción diaria de un pozo con bombeo neum&tico intermitente.
I#stalacio#es co# Cmara de Ac!m!laci"#
-as instalaciones con c&mara de acumulación son una variante de la instalación cerrada y son una alternativa viable para proyectos de bombeo neum&tico. A menudo menudo una instal instalaci ación ón con c&mara c&mara increm increment enta a la producci producción ón de aceite aceite.. -a c&mara es una instalación ideal para implementarse en pozos con ba%a presión de fondo y en pozos pozo s con un alto :1. :1. )n pozo podr& producir grandes volúmenes de l!quido si se logra una alta ca!da de pres presió ión n en la cara cara de la form formac ació ión. n. -a c&ma c&mara ra util utiliz iza a el volu volume men n del del revestimiento para almacenar fluidos. $on la implementación de una c&mara es posi posibl ble e incr increm emen enta tarr de mane manera ra sust sustan anci cial al la prod produc ucci ción ón de un pozo pozo en comparac comparación ión de una instal instalaci ación ón de bombeo bombeo interm intermite itente nte convenc convenciona ional.l. (n la actualidad hay una gran variedad de instalaciones de bombeo neum&tico con c&mara, sin embargo la m&s común es la est&ndar con doble empacador 0Bigura =8=F, para un an&lisis m&s profundo de este tipo de instalaciones.
Est#dar co# do)le emacador (ste tipo de c&mara se instala para asegurar un volumen de almacenamiento constante y de gran volumen de fluidos con una m!nima contrapresión en la cara de la formación. (l siguiente procedimiento ilustra la secuencia t!pica de operación de una c&mara, suponiendo que el ciclo inicia con una carga de fluido que es levantado a la superficie.
#e incrementa la presión de fondo fluyendo, impulsando a los fluidos a entrar al niple perforado a travs de la v&lvula de pie y posteriormente entra a la c&mara para ser elevado a travs de la tuber!a de producción. -os puertos de purga est&n abiertos, permitiendo que el gas en solución escape de la c&mara para entrar a la tuber!a de producción, estos puertos se encuentran en la parte superior de la c&mara. (stos puertos son de gran importancia y deben de tener un &rea suficiente para permitir que el gas pueda escapar libremente, de lo contrario este gas se comprimir!a en la parte superior de la c&mara y restringiendo con ello la entrada de l!quidos al interior de la c&mara. -a c&mara continúa llen&ndose de fluido hasta que una carga suficiente de l!quido se ha acumulado.
$uando el gas a presión es inyectado en el interior de la tuber!a a travs de la v&lvula operante, la cual est& situada en la parte superior del l!quido almacenado en la c&mara. -a presión adicional resultante cierra los puertos de purga y la v&lvula de pie para impedir un retorno de los fluidos. )na vez que el bache de l!quido ha sido llevado a la superficie, entonces los puertos de purga y la v&lvula de pie reabren y permiten la entrada de fluidos para seguir con la siguiente descarga. (l ciclo se repite
I#stalacio#es Macaro#i $omúnm $omúnment ente e en a*os recient recientes es se han venido venido imple implemen mentan tando do termin terminaci aciones ones esbeltas esbeltas y son una variante variante de la instalación instalación cerrada. ?ormalmente ?ormalmente se utilizan utilizan en este tipo de terminacione terminacioness di&metros di&metros de tuber!a de revestimient revestimiento o de de di&metro, una vez que se ha seleccionado un revestimiento de ese di&metro una tuber!a m&s peque*a debe utilizarse para producir, por lo general se ocupan di&metros que van de, estas se pueden utilizar para producir artificialmente. A estas tuber!as m&s peque*as se les conoce como tuber!as H"acaroniI. -as tuber!as macaroni pueden pueden ser emplea empleadas das para termin terminaci acione oness duales, duales, en especi especial al para bombeo bombeo neum&tico dual. #i la capacidad de producción no excede el tama*o de la tuber!a "acaroni, entonces esta puede ser una alternativa viable para terminaciones duales con bombeo neum&tico. -as tuber!as "acaroni al ser de un di&metro reducido influyen directamente en la capacidad de producción.
(stos volúmenes solamente aplican para pozos con un alto nivel de fluido y en una instalación de flu%o continuo. 1ara volúmenes peque*os se debe utilizar una instalación de flu%o intermitente. )na terminación múltiple se representa en la Bigura =8=+, en dicha terminación se hace uso de tuber!as "acaroni para conducir la producción y donde un intervalo es producido por >?.
I#stalacio#es D!ales -a industria petrolera est& en constante evolución y esto implica que los retos a enfrentar son cada vez de mayor comple%idad y riesgo, por ello han surgido una variedad de soluciones a dichos problemas. -as instalaciones duales son cada vez m&s necesarias ya que se adaptan de me%or manera a los problemas modernos y son variante de la instalación cerrada. )na instalación dual consiste en producir
dos zonas a diferentes profundidades de manera totalmente independiente en el mismo pozo. 1ara lograr lo anterior, es necesario instalar dos sartas de producción paralelas cada una a la profundidad correspondiente de cada intervalo a producir. (stas instalaciones nos brindan soluciones r&pidas y sencillas. 1or e%emplo es posible producir las dos zonas al mismo tiempo independientemente del tipo de flu% flu%o o 0int 0inter ermi mite tent nte e o cont contin inuo uo que que se teng tenga a en cada cada sart sarta a de prod produc ucci ción ón compartiendo el mismo espacio anular y por ende el mismo suministro de gas Bigura =8=E. (n el siguiente cap!tulo se entrar& en detalle.
$uando analizamos cualquier sistema de >?, es esencial que todos los procesos se hagan de una forma integrada, esto conducir& a un enfoque coherente para me%orar el dise*o del sistema, esto dar& lugar a una aproximación consistente haciendo coincidir el comportamiento del yacimiento con el desempe*o del pozo en varios escenarios de producción. #e examinaran los principales factores que se toman en cuenta en el dise*o o evaluación de un sistema de >?. (l sistema integral se compone de tres partes fundamental fundamentales3 es3 Kacimiento acimiento,, pozo e instalaciones instalaciones superficiales. superficiales. -a Bigura =8= muestra las partes fundamentales de un #istema :ntegral de 1roducción.
.10 Pri#ciales co#sideracio#es de dise@o de !#a i#stalaci"# de 2om)eo Ne!mtico (xisten diversos factores que deben considerarse en el dise*o de una instalación de >? con el fin de igualar el rendimiento del yacimiento 0capacidad de aportación con la capacidad de producción del pozo utilizando >? como sistema
5ol!me# 5ol!me# de %as de i#+ecci"# (s el volu volume men n total otal de gas gas requ requer erid ido o para ara el camp campo o o grup grupo o de pozo pozos, s, determinado determinado mediante mediante la suma de las necesidades necesidades individuales individuales de cada pozo. (s posi posibl ble e inyect inyectar ar una una gran gran cant cantid idad ad de gas en un solo solo pozo. pozo. -a prod producc ucció ión n aumentar& como una función del volumen inyectado, hasta que se alcanza un punto de producción m&xima 0el óptimo tcnico. -a inyección de cantidades adic adicio iona nale less de gas m&s m&s all& all& de ese ese punt punto o ocas ocasio iona nara ra una una reduc reducci ción ón en la productivida productividad d del pozo debido a las prdidas prdidas de presión presión por fricción. fricción. (sto es m&s evidente evidente en sartas muy largas de producción. producción. -a determinaci determinación ón de la forma de la curva curva de rend rendim imie ient nto o del del >?, >?, es un fact factor or impo import rtan ante te,, dond donde e se esti estima ma la capacidad de compresión, o en los campos existentes donde est& limitada la disp dispon onib ibililid idad ad de gas. gas. (l comp compor orta tami mien ento to de la curv curva a del del >? tamb tambi in n es importante a lo hora de optimizar la distribución del >?. (l suministro del gas debe ser el adecuado, este volumen de inyección debe ser el que proporcione la 7/ópti óptima ma para para obte obtene nerr una una m!ni m!nima ma pres presió ión n de fond fondo o y con con ello ello la m&xi m&xima ma recuperación posible.
.10 Calidad del %as de 2N )na operación exitosa de >? depende de una fuente fiable de gas de >? a alta presión. Al evaluar la viabilidad de las instalaciones de >? es necesaria revisar una serie de importantes caracter!sticas.
)n gas rico 0denso proporciona una mayor ca!da de presión y por lo tanto permite una profundidad mayor de inyección para una determinada presión de inyección en superficie en comparación con un gas m&s pobre 0menos denso. #in embargo fracciones m&s pesadas 0/?- pueden volver a entrar en solución con el fluido producido. (n casos donde la profundidad de inyección inyección aumente, las ganancias disminuir&n disminuir&n debido a los costos altos de compresión; en el caso donde se requieran menores volúmenes de gas a inyectar a una mayor presión de inyección, estos pueden requerir menos caballos de fuerza de compresión por unidad de fluido producido.
(l agua en un sistema de >? puede dar lugar a problemas de corrosión, golpes de l!quido e hidratos. #i la formación de hidratos se espera en el sistema de distribución de >? o las tasas de corrosión esperadas salen del rango, entonces ser& necesario hacer una deshidratación del gas. 1ara ello es posible adicionar glicol u otros sistemas de deshidratación de gas ya que esta es una condición para para aplicaciones de >?. (l agua libre puede ser removida por depuradores por los cuales pasa la corriente de gas. (n casos donde la deshidratación no es factible económicamente, los hidratos puede ueden n ser ser remo removvidos idos por por la inyec nyecci ción ón de prod produc ucttos qu! qu!mico micoss y calentamiento localizado en el equipo donde se presenta dicho problema. Adem&s de ser peligroso, el gas con &cido sulfh!drico 02F# puede causar grandes problemas problemas de funcionamie funcionamiento nto ya que ocasiona corrosión da*ando da*ando los equipos, por e%emplo causando una excesiva corrosión en el compresor y la contaminación del combustible. (n dichos casos el gas puede ser endulzado, o hacer un dise*o del material adecuado para el sistema de >?, lo que conlleva a un significativo costo adicional. (l suministro de gas tambin debe estar libre de sólidos. (l gas a lo largo de su trayectoria puede pasar por &reas muy peque*as en las v&lvulas las cuales pueden ser f&cilmente obstruidas. #e debe impedir que se acumule en el sistema residuos como3 oxido, sal o residuos qu!micos, es por ello que al mane% mane%ar ar un equi equipo po de deshid deshidra rata taci ción ón es nece necesar sario io cons conside idera rarr las las consecuencias de arrastre de solidos de los productos qu!micos de la deshidratación. (s evidente que la calidad de gas en un factor importante que influye en el pozo y en el dise*o de sus instalaciones, y tendr& un impacto significativo en los costos generales del proyecto.
6. 2OM2EO NEUM3TICO CONTINUO (l bombeo neum&tico continuo, continuo, como se muestra muestra en la Bigura ::8C, es un mtodo donde se inyecta un volumen continuo de gas a alta presión que es introducido dentro de la tuber!a de producción para aligerar la columna de fluidos hasta la reducción de la presión de fondo del pozo permitiendo una diferencial de presión suficiente entre la presión del pozo y la formación, causando que el pozo produzca el gasto deseado de fluido
7egularmente se aplica en pozos con alta a mediana energ!a 0presiones est&ticas may mayores ores a =< lb'pg b'pgF F '=<<< =<<< pies pies y de alta lta a media ediana na pro product ductiv ivid idad ad 0pref 0prefere erent ntem emen ente te !ndi !ndice cess de produ product ctiv ivid idad ad mayore mayoress a <. <. >1D' >1D'lb lb'p 'pgF gF . -a profundidad de inyección depender& de la presión de gas disponible a nivel de pozo.
5e#ta4as& a (l bombeo neum&tico continuo es el me%or mtodo para el mane%o de arenas o materiales sólidos. b 1uede utilizarse en pozos desviados con m!nimos problemas. c (n formaciones con altas 7/ALs son de bastante ayuda. d (l bombeo neum&tico continuo es flexible. A una amplia gama de gastos y profundidades puede operar esencialmente con el mismo equipo.
e )na central de bombeo neum&tico neum&tico puede ser f&cilmente f&cilmente usada para el servicio servicio de la mayor!a de los pozos o la operación entera del campo. f (l equip equipo o subsu subsupe perf rfic icia ial,l, los los costo costoss de mant manten enim imie ient nto o y repara reparaci ción ón son relativamente baratos.
Des$e#ta4as& a 7elativamente la contrapresión puede ser una restricción seria en la producción del bombeo neum&tico continuo. b (l bombeo neum&tico continuo es relativamente ineficiente, a menudo resulta en largas inversiones y altos costos en energ!a operativa. c (l suministro adecuado de gas es necesario a lo largo de la vida del proyecto. d Al incrementarse el corte de agua se incrementa la presión de fondo con un gasto fi%o de inyección de gas. e #e incrementa la dificulta al levantar aceites pesados 0menor que = MA1: debido a la gran fricción.
8. 2OM2EO NEUM3TICO INTERMITENTE (l bombeo intermitente, como se observa en la Bigura ::8, es un mtodo c!clico de producción en el cual primero se permite que se forme un bache de l!quido en la tuber!a de producción. $uando la combinación de la presión en la cabeza del pozo, el peso de la columna de gas, y la presión hidrost&tica del bache alcanza un valor especifico frente a la v&lvula operante, el gas se inyecta hacia la tuber!a de revestimiento por medio de algún tipo de controlen la superficie. $uando la presión en la tuber!a de revestimiento aumenta hasta el valor de la presión de apertura de la v&lvula operante, el gas pasa hacia el interior de la tuber!a de producción. >a%o condiciones ideales el l!quido, en forma de bache o pistón, se desplaza hacia arriba por la energ!a del gas que se encuentra deba%o de ste. (l gas via%a a una velo veloci cida dad d apar aparen ente teme ment nte e may mayor que que la velo veloci cida dad d del del bach bache e de l!qu l!quid ido o ocasionando la penetración del gas en el bache. (sta penetración provoca que parte del bache de l!quido caiga a la fase de gas en forma de gotas y'o como una pel!cula en la pared de la tuber!a de producción.
$uando el bache de l!quido llega a la superficie, la presión en la tuber!a de producción frente a la v&lvula disminuye incrementando la inyección de gas a travs de ella. $uando la presión de la tuber!a de revestimiento ba%a hasta la presión de cierre de la v&lvula operante, la inyección de gas a travs de esta v&lvula se interrumpe. (n el ciclo de producción del bache se presenta un periodo de estabilización en el cual las gotas de l!quido del bache anterior caen al fondo del pozo formando parte del siguiente bache de l!quido que se forme. -a ca!da de l!quido puede representar una parte substancial del bache original. (l control de estas ca!das de l!quido determina el xito de una instalación de bombeo
neum&tico intermitente. -a imposibilidad en algunas ocasiones de predecir las ca!das de l!quido ocasiona que muchas instalaciones sean sobredise*adas. (n muchos casos sos se pueden obte btener altos gas gastos de producci cción, pero ero frecuentemente los grandes costos de operación reducen las utilidades que se puedan conseguir en el pozo. #e aplica en pozos de mediana a ba%a energ!a 0presiones est&ticas menores a =< lb'pgF '=<<< pies y de mediana a ba%a productividad 0!ndices de productividad menores a <.+ >1D'lb'pgF que no son capaces de aportar altas tasas de producción 0menores de =<< >1D
5e#ta4as& a iene la habilidad de mane%ar una ba%a producción con una presión de fondo fluyente ba%a, adem&s de provocar una presión de fondo menor que el bombeo neum&tico continuo Des$e#ta4as& a (l bombeo neum&tico intermitente est& limitado a pozos con ba%os volúmenes. b #u eficiencia es muy ba%a. c -a fluctuación fluctuación de los gastos y la presión de fondo pueden per%udicar per%udicar el control de la producción de arena. d (l bombeo neum&tico intermitente requiere de a%ustes continuos.
9. 2OM2EO MEC3NICO (l mtodo de levantamiento artificial m&s común y antiguo del mundo es el bombeo mec&nico 0>". Debido a la simplicidad y robustez, es posible su aplicación en casi todos los tipos de pozos que requieren sistemas artificiales. #in embargo, existen l!mites f!sicos para la aplicación en cuanto a profundidad y gastos de producción. -a función principal del bombeo mec&nico es la extracción de fluidos mediante un movimiento ascendente8descendente, que se transmite por medio de las sartas de varillas a la bomba colocada dentro de la tuber!a de producción en el fondo, cerca del yacimiento. (l bombeo mec&nico puede ser considerado para un levantamiento de volumen moderado para pozos poco profundos y peque*os volúmenes para profundidades intermedias. (s capaz de levantar =,<<< >1D en profundidades de alrededor de C,<<< pies y F<< >1D con profundidades aproximadamente de =E,<<< pies (l bombeo mec&nico consiste principalmente de cinco partes3 a >omba reciprocante subsuperficial. b #arta de varillas la cual transmite el movimiento de bombeo superficial a la bomba del subsuelo. c (quipo de bombeo superficial quien cambia al movimiento rotatorio del motor principal al movimiento oscilatorio lineal. d )nidad de transmisión de potencia o reductor de velocidad. e "otor principal quien proporciona la energ!a necesaria al sistema.
(n la Bigura ::8 se observa la configuración del bombeo mec&nico. 1ara su mayor comprensión y me%or descripción de sus componentes el equipo del bombeo mec&nico se divide en equipo superficial y subsuperficial.
9.1 EUIPO SUPERFICIAL -as unidades superficiales de bombeo mec&nico de balanc!n caen en dos clases distintas3 a -a clase : que tiene la palanca de velocidad 0engrana%e en la parte trasera, con el punto de apoyo en la parte media, representada por la unidad convencional la cual se muestra en la Bigura ::8=<.
b -a clase ::: donde la palanca de velocidad y el empu%e hacia arriba se encuentran en la parte frontal y el punto de apoyo se encuentra en la parte
posterior de la viga, representada en la Bigura ::8== por la unidad de -ufJing "arJ :: y la unidad aerobalanceada.
El e
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7eductor de engranes3 #u función es reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de bombeo adecuada y al mismo tiempo incrementar el torque disponible sobre su e%e de ba%a velocidad.
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)nidad de bombeo3 (s un acople mec&nico que transforma el movimiento de rotación del motor en un movimiento reciprocante necesario para operar la bomba de fondo. $uenta con contrabalanceos para reducir los requerimientos de torsión en el reductor de engranes y reducir el tama*o del motor principal. ransfiere la energ!a del motor principal a la sarta de varillas y mantiene la verticalidad de la varilla pulida+ . @arilla pulida3 (s la unión directa entre la sarta de varillas de succión y la unidad de bombeo, que pasa a travs de las conexiones superficiales. iene acabado espe%o con la finalidad de que no da*e los sellos del estopero. •
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$onexiones superficiales3 (ntre estas se encuentra el estopero, un mecanismo que contiene los fluidos para que no se manifiesten a su exterior por medio de un con%unto de sellos; el preventor y las v&lvulas de retención. Gtro accesorio importante es la grampa, que sirve para su%etar la varilla pulida por apriete, colocada en forma permanente.
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(n la actualidad existen diversas unidades de bombeo mec&nico adem&s de la de balanc!n o bimbas, entre ellas se encuentran3 a ieben -a unidad ieben es una unidad de bombeo alternativo para el movimiento de varillas, cuyo principio de funcionamiento es sobre la base de presiones hidr&ulicas compensadas debido a la compresión y expansión del nitrógeno, este nitrógeno se encuentra dentro de un acumulador que soporta F'+ de la carga total de la varilla pulida y remplazan a los contrapesos de la unidad de bombeo mec&nico convencional como se muestra en la Bigura ::8=F.
-as principales caracter!sticas y venta%as son las siguientes3 N (l consumo de energ!a, en algunos casos, es menor que las unidades convencionales de bombeo. (l nitrógeno suministra aproximadamente la mitad de la fuerza de elevación, lo que reduce el requerimiento de potencia. N $on solo tres partes móviles 0excepto el primer motor, la unidad ieben ofrece una alta fiabilidad y ba%o mantenimiento. N (l dise*o ligero, compacto y sencillo de la unidad ieben minimiza la preparación del terreno, el transporte y los costos de instalación. N (l control de velocidad variable proporciona una mayor flexibilidad en la operación del equipo y en la adaptación a las condiciones del pozo. b 7otaflex -a unidad 7otaflex, como se observa en la Bigura ::8=+, es una unidad de bombeo de carrera larga que se ha dise*ado para uso con bombas reciprocantes. #u probada tecnológica e innovaciones en dise*o permiten a la unidad de bombeo 7otaflex ofrece un bombeo eficiente y rentable en pozos profundos, comple%os y de alto caudal. $on la unidad 7otaflex, se pueden utilizar bombas reciprocantes donde antes solo operaban bombas electrocentr!fugas o hidr&ulicas. #u larga carrera 0hasta +OO pulgadas o .+ metros y la posibilidad de traba%ar a muy ba%os ciclos por minuto permiten un completo llenado de la bomba y una menor carga
din&mica. -os gr&ficos dinamomtricos relevados en los pozos operando con 7otaflex son similares a un grafico de carga ideal. (l bombeo con la unidad 7otaflex reduce la carga estructural sobre el equipo, alargando la vida útil de la instalación de fondo de pozo ya que la sarta de varillas de bombeo traba%a a velocidades relativamente constante. -a velocidad constante y una menor cantidad de ciclos de bombeo alargan la vida útil de la unidad de bombeo, de la bomba de fondo de pozo y de la sarta de varillas. (sta unidad se aplica para3 N 1ozos de alto caudal y alta carga din&mica. N 1ozos desviados y horizontales. N 1ozos con alta frecuencia de intervención por problemas de fondo. N Gperaciones que requieren de ahorro de energ!a.
c $orlift -as unidades $orlift representan una nueva generación de tecnolog!a de sistemas artificiales. $on menores costos de instalación y m!nima alteración del terreno, estas unidades de ba%o perfil son ideales para el bombeo en &reas remotas donde las unidades convencionales no son económicas o cuando el &rea de instalación es reducida. (n la Bigura ::8=E se presenta este equipo superficial. -as principales caracter!sticas y venta%as son las siguientes3 N -os costos de instalación son relativamente ba%os. N -a alteración del terreno es m!nima. N B&cil instalación.
N -a carga m&xima es de =,<<< libras. N -ongitud de carrera m&xima de =F< pulgadas.
d "orlift (l sistema hidr&ulico de bombeo que traba%a en con%unto con un sistema a base de nitrógeno reduce la fluctuación de la carga, disminuyendo as! la presión sobre el motor y el sistema hidr&ulico. #u sistema de contrapeso de nitrógeno permite bombear con menos caballos de fuerza que a su vez aumenta la eficiencia de combustible. (n la Bigura ::8= se presenta esta unidad superficial. -as principales caracter!sticas y venta%as son las siguientes3 N >a%os costos de instalación. N -a alteración del terreno es m!nima. N B&cil instalación. N >a%o perfil que hace que sea discreto con el paisa%e. N -ongitud de carrera m&xima de =F< pulgadas. N @elocidad de bombeo m&xima de O emboladas por minuto 0dependiendo de la carga.
(xisten factores importantes los cuales deben ser considerados para el dise*o superficial del equipo del bombeo mec&nico3 = $ontrapesos. F orque orque en la ca%a de engranes. + $aballos de fuerza en el motor principal. E 7eductor de velocidad y tama*o de la polea del motor $ontrapesos.8 (n el sistema de bombeo mec&nico, la cantidad de traba%o de la varilla pulida necesaria para levantar la columna de fluido es requerida solo durante la primera mitad del ciclo de arranque, es decir, durante la carrera ascendente. #i una unidad de bombeo mec&nico no est& contrabalanceada, el traba%o total requerido de el motor principal estar!a realiz&ndose durante el ascenso cuando la m&xima carga de la varilla y del fluido est&n siendo levantados. Durante la siguiente mitad del ciclo 0el descenso el motor principal podr!a ser HdeslizadoI mientras que la fuerza de gravedad %ala las varillas y la bomba subsuperficial retrocede a si posición de arranque. $onsecuentemente, si la unidad de bombeo mec&nico no est& contrabalanceada, el motor principal tendr!a que hacer todo este traba%o durante la parte del ascenso del ciclo. (sto requerir!a un motor relativamente grande al igual que su ca%a de engranes y producir!a fluidos de una forma ineficiente. Adem&s, el torque e%ercido en la ca%a de engranes 0la cual es considerada como el corazón de la unidad de bombeo podr!a ser determinado principalmente por la carga del contrapeso. 1ara reducir el tama*o del motor principal y tener una carga en la ca%a m&s uniforme, el sistema es proporcionado por contrapesos aproximadamente iguales al peso flotante de las varillas m&s la mitad del peso del fluido.
orque en la ca%a de engranes.8 (l torque puede ser definido como una fuerza que actúa en el extremo de un brazo de palanca, multiplicado por la longitud del brazo, tendiendo a producir rotación y traba%o. $uando es aplicado a unidades de bombeo mec&nico, el torque es referido al número de libras por pulgada de la fuerza aplicada al cigPe*al por el e%e de ba%a velocidad del reductor de engranes. >&sicamente el torque neto del cigPe*al de una unidad de bombeo mec&nico es la diferencia entre el torque de la carga del pozo y el torque del contrabalanceo en cualquier posición del cigPe*al. (ste torque neto del cigPe*al es la carga actual torsional visto por el motor principal y la ca%a de engranes durante el primer ciclo de arranque. (l torque neto m&ximo es referido como el torque m&ximo y es el valor a la que la ca%a de engranes se le designa. As!, en cualquier instalación de bombeo el torque m&ximo actual que ocurra durante el ciclo de bombeo no debe de exceder el m&ximo torque indicado para la ca%a de engranes o reductor de velocidad. "otor principal.8 -a selección optima del tipo y el tama*o del motor principal es uno de los m&s importantes aspectos del dise*o de la instalación del bombeo mec&nico. (xisten dos tipos que comúnmente son usados3 = "otores de combustión interna. F "otor elctrico.
9.- EUIPO SU2SUPERFICIAL (l equipo subsuperficial est& compuesto por dos elementos principales3 = >omba subsuperficial. F #arta de varillas >omba subsuperficial.8 #u función es desplazar los fluidos del yacimiento desde el fondo del pozo hacia la superficie por medio de un movimiento reciprocante por el interior de la tuber!a de producción. #us principales componentes son3 a >arril de traba%o'camisa de la bomba. b (mbolo o pistón. c @&lvula via%era. d @&lvula de pie. (n la Bigura ::8=O se presentan los E pasos del ciclo de operación3
a (mbolo hacia aba%o cerca del final de la carrera, el fluido pasa a travs de la v&lvula via%era, el peso de la columna es soportado en la v&lvula de pie. b (mbolo hacia arriba arrastrando los fluidos arriba de la v&lvula via%era, la v&lvula de pie admite fluidos del yacimiento. c (mbolo hacia arriba cerca del fin de la carrera, v&lvula de pie abierta y via%era cerrada. d (mbolo hacia aba%o, v&lvula de pie cerrada por la compresión, la v&lvula via%era se abre por el mismo efecto. #arta de varillas.8 -a sarta de varillas de succión es un sistema vibratorio comple%o mediante al cual el equipo superficial transmite energ!a o movimiento a la bomba subsuperficial. -a selección de la sarta de varillas depende de la profundidad del pozo y las condiciones de operación de ste. #u dise*o consiste en seleccionar la sarta m&s ligera y por lo tanto m&s económica, sin exceder el esfuerzo de traba%o de las propias varillas. (l esfuerzo de traba%o depende de la composición qu!mica de las varillas, propiedades mec&nicas y fluido bombeado.
A continuación se describen las principales venta%as y desventa%as del bombeo mec&nico3 5e#ta4as& a Dise*o relativamente simple. b (ficiente, simple y f&cil de operar para el personal del campo. c Blexible. 1uede igualar los gastos, la capacidad del pozo como la declinación del mismo. d 1uede bombear a alta temperatura y fluidos viscosos. e 1uede operar en pozos con presión de fondo ba%a 0dependiendo de la profundidad y el gasto.
Des$e#ta4as& a (l bombeo mec&nico y los pozos con Hpata de perroI a menudo son incompatibles. -os pozos desviados con perfiles lisos pueden permitir satisfactoriamente el bombeo mec&nico. b -a habilidad del bombeo mec&nico de producir arenas es limitada. c -as parafinas e incrustaciones pueden interferir con la eficiencia de operación del bombeo mec&nico. d -a profundidad es un l!mite debido a la capacidad de las varillas. e #i la capacidad de separación del gas8l!quido de la tuber!a de producción8 espacio anular es muy ba%a, o si el espacio anular no es usado eficientemente y la bomba no es dise*ada y operada apropiadamente, la bomba operar& ineficientemente y tendr& a sufrir candados de gas #eparador de gas3 Ayuda a reducir la cantidad de gas libre que entra a la bomba, ya que permite la separación del gas hacia la superficie a travs del espacio anular, antes de que entre a la bomba.
(ntre las diferentes geometr!as de unidades conocidas de bombeo mec&nico 0Bigura =.= se encuentran3 i )nidad de >ombeo "ec&nico $onvencional 0>alanc!n ii )nidad $onvencional iii )nidad de >ombeo "arJ :: iv )nidad de >ombeo Aerobalanceada % )nidad de >ombeo "ec&nico 2idroneum&tico 0ieben J )nidad >ombeo "ec&nico de $arrera -arga 07otaflex
#i bien todas las unidades de bombeo tienen caracter!sticas comunes, estas tambin tienen diferencias que podr!an influenciar significativamente el comportamiento del sistema. 1ara maximizar la eficiencia del sistema se necesita entender las venta%as y las desventa%as de las diferentes geometr!as de las unidades de bombeo para las condiciones de los pozos. C.+ 2om)eo Mec#ico Co#$e#cio#al /eneralmente la unidad de bombeo se clasifica según la capacidad de torque de la ca%a reductora y de acuerdo a la forma como realizan el balance de las fuerzas y sus sistemas de accionamiento. De esta unidad se cuenta con tres tipos de geometr!as3 )nidad $onvencional -a )nidad $onvencional pertenece a la $lase :, se balancea a travs de contrapesos y su rotación es en contra de las manecillas del relo%, aunque puede operar en sentido contrario, pero no es recomendable, ya que origina lubricación a los engranes del reductor
(l bombeo mec&nico convencional es un sistema amplio que responde a temperaturas m&ximas de hasta < QB 0FQ$ y por lo mismo son ampliamente utilizados en pozos de crudos pesados
)nidad "arJ ::
(n la unidad de bombeo mec&nico "arJ :: 0$lase ::: su balanceo es a travs de contrapesos y su rotación es de acuerdo a las manecillas del relo%, ya que su sistema de lubricación en el reductor es exclusivamente para esta rotación
)nidad Aerobalanceada Borma parte de la clase :::, y su balanceo es a travs de aire suministrado por un motocompresor hacia un cilindro amortiguador.
2asta los a*os
9. 2OM2EO MEC3NICO BIDRONEUM3TICO -a unidad hidroneum&tica es un sistema cuyo principio de funcionamiento est& formado por dos partes; el sistema hidr&ulico y el sistema de balanceo hidroneum&tico=. 0Bigura =.F<. (l sistema hidr&ulico es el que proporciona el movimiento ascendente y descendente, necesario para el funcionamiento de la bomba subsuperficial. $onsta de un cilindro hidr&ulico de efecto doble, una v&lvula de control direccional de cuatro v!as y una bomba maestra de engranes= . (l sistema de balanceo hidroneum&tico consta de un cilindro hidr&ulico de efecto simple, un paquete de tanques de nitrógeno, un cilindro hidroneum&tico de efecto doble 0acumulador y una bomba auxiliar de engrana%es. (ste balanceo se basa en una constante y una variable. -a constante es la cantidad de fluido hidr&ulico necesario para ocupar la mitad de los dos cilindros, por deba%o de cada mbolo y el tubo que los comunica. -a variable es la cantidad
de nitrógeno que se aplica a los tanques y a la parte superior del acumulador, que ser& proporcional al peso de la sarta de varillas de succión, %unto con la columna del fluido. -os componentes superficiales de una unidad de bombeo mec&nico hidroneum&tico son los siguientes. Acumulador3 (s un cilindro con un pistón flotante en su interior en el cual actúan dos fluidos; aceite hidr&ulico y nitrógeno comprimido. (l acumulador genera el efecto de los contrapesos. $ilindro actuador3 (st& compuesto por dos pistones adheridos a una varilla pulida, que generan tres c&maras en las cuales actúa el aceite hidr&ulico. "otor3 (lemento que propicia la potencia necesaria a la bomba hidr&ulica. anque anque de fluido hidr&ulico3 Almacena el aceite hidr&ulico. hidr&u lico. $ontenedor de nitrógeno3 Almacena el nitrógeno, el cual empu%a al pistón del acumulador, y el fluido hidr&ulico deba%o del pistón es forzado dentro del cilindro, que a su vez empu%a al pistón del cilindro hacia arriba. (sta acción contrabalancea el peso de la sarta de varillas. (l aceite a presión de la bomba es enviado dentro del cilindro a travs de la v&lvula de control empu%ando el pistón hacia arriba y hacia aba%o usando poca potencia, debido a que el nitrógeno proporciona dos terceras partes de la potencia= . 1edestal3 (s una torre de aproximadamente C metros en la cual se alo%an los sensores 0de temperatura, limitador de presión, de nivel de fluido y de separación de la varilla pulida para cambiar de dirección la carrera y el elevador, los cuales est&n unidos por la varilla de succión en uno de los extremos del cilindro actuador y en el otro extremo por la varilla pulida.
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(ste equipo presenta algunas venta%as sobre la unidad convencional, referente al costo de adquisición. Al ser una unidad lista para ser instalada, los consumos de energ!a son menores, y se tienen ahorros en los costos de reparación; posibilita el traba%ar a ba%as velocidades de bombeo, permitiendo un me%or llenado del barril de la bomba y presenta mayor facilidad de transportación 0por un simple camión, instalación y operación 0menos de tres horas
9.6 2OM2EO MEC3NICO DE CARRERA LAR7A -a unidad de bombeo mec&nico de carrera larga es un sistema cuya carrera 0de hasta +OO pulgadas le permite levantar la producción de pozos m&s profundos o de aceites viscosos, en donde la unidad convencional no puede operar en forma eficiente. (l movimiento lineal ascendente8descendente se realiza mediante una correa que se desliza por un cilindro 0tambor y que est& acoplada por un extremo a la varilla pulida y por el otro, a una ca%a de contrapeso que permite balancear la unidad. #iendo el tema a desarrollar en el presente traba%o, el cap!tulo F describe con mayor detalle las caracter!sticas de estos tipos de unidades; sus componentes superficiales, subsuperficiales, su principio de funcionamiento y aplicación.
:. 2OM2EO BIDR3ULICO -os sistemas de bombeo hidr&ulico 0>2 trasmiten su potencia mediante el uso de un fluido presurizado que es inyectado a travs de la tuber!a. (ste fluido conocido como fluido de potencia o fluido motriz, es utilizado por una bomba subsuperficial que actúa como un transformador para convertir la energ!a de dicho fluido a energ!a potencial o de presión en el fluido producido que es enviado hacia la superficie. -os fluidos de potencia son3 a Agua. b $rudos livianos. (xisten dos tipos de bombeo hidr&ulico3 a >ombeo hidr&ulico de desplazamiento positivo 0tipo pistón. b >ombeo hidr&ulico tipo %et.
:.1 EL 2OM2EO BIDR3ULICO TIPO PISTÓN& consiste en un motor y una reciprocante, la descarga de la bomba est& conectada al pozo, dicho equipo trasmite potencia mediante acción hidr&ulica a una unidad instalada en el pozo, esta unidad puede estar en el fondo del pozo o a una determinada profundidad dentro de este. (l fluido motriz que es inyectado 0agua o aceite acciona este equipo subsuperficial, este equipo consiste principalmente en una bomba y un motor que impulsan el fluido desde el fondo del pozo hasta la superficie manteniendo estos fluidos a un presión adecuada para llegar a las instalaciones superficiales. -a bomba de desplazamiento positivo consiste en un motor hidr&ulico reciprocante acoplado a una bomba pistón o un embolo pistón. (l fluido de potencia es ba%ado directamente a la sarta para operar el motor. -a bomba, accionada por el motor, bombea el l!quido desde el pozo hasta la superficie. Griginalmente, el motor completo y la bomba se les llaman Hunidad de producciónI, pero en la pr&ctica se les nombran como una bomba. (n la Bigura ::8= se muestran las principales partes de la bomba hidr&ulica tipo pistón.
-as bombas hidr&ulicas se les clasifican en bombas de acción sencillas y de doble acción. -as de acción sencilla desplazan fluidos a la superficie en ambos recorridos, ya que poseen v&lvulas de succión y de descarga en ambos lados del pistón que combinan acciones de apertura y de cierre de las v&lvulas de succión y descarga del mismo
5e#ta4as& a #iendo capaz de circular la bomba dentro y fuera del pozo es la m&s obvia y significativa caracter!stica del bombeo hidr&ulico. b -a bomba de desplazamiento positivo es capaza de bombear a profundidades de =C<<< pies. c (n pozos desviados t!picamente no presentan problemas con las bombas libres. d Blexibilidad para cambiar las condiciones de operación. e -as bombas de desplazamiento positivo pueden mane%ar fluidos viscosos muy bien al calentar el fluido de potencia o a*adir un diluyente. f :nhibidores de corrosión pueden ser a*adidos dentro del fluido de potencia. g -a bomba de desplazamiento positivo puede bombear con una presión de fondo de pr&cticamente cero.
Des$e#ta4as& a -a remoción de sólidos en el fluido de potencia es muy importante para su correcto funcionamiento. b (n promedio, tiene una vida corta entre reparaciones comparada con el %et o bombeo mec&nico. c -a producción alta de sólidos es problem&tico. d -os costos de operación son relativamente altos. e )sualmente susceptible a la presencia de gas.
El e
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E'iste# dos formas de i#+ectar el fl!ido motri( e# circ!ito a)ierto + e# circ!ito cerrado. $ircuito abierto (s el sistema de inyección m&s económico en el cual el fluido motriz regresa a la superficie mezclada con el aceite producido a travs de la tuber!a de descarga o por el espacio anular. -a instalación t!pica de un circuito de inyección inyección abierto se puede observar en la Bigura =.=E. -a aplicación de este sistema presenta algunas venta%as como minimizar el efecto de la corrosión en pozos con alto porcenta%e de agua salada, y al utilizar aceite como fluido motriz puede reducir la viscosidad en pozos de aceite pesado. (l
principal problema que tiene es el incremento en el volumen que debe ser tratado en superficie para obtener el aceite puro
Circ!ito cerrado (n este, el fluido motriz regresa a la superficie independiente del aceite producido y fluye de nuevo al tanque donde se almacena== . -a instalación de este tipo de circuito de inyección se muestra en la Bigura =.=. -a principal venta%a de inyectar en circuito cerrado, es que se puede tener una medición exacta de los fluidos que produce el pozo.
:.- 2OM2EO BIDR3ULICO TIPO >ET -a bomba tipo %et no emplea partes móviles y logra su acción de bombeo por medio de transferencia de momento entre el fluido motriz y el fluido de producción. (n la Bigura ::8= se muestran las principales partes de la bomba tipo %et. 1ara el bombeo tipo %et el fluido motriz a alta presión es dirigido a travs de la tuber!a hacia una boquilla donde la energ!a de presión es convertida a velocidad. -a alta velocidad y la ba%a presión arrastran el fluido de producción a travs de la garganta de la bomba. )n difusor entonces reduce la velocidad e incrementa la presión para permitir el mezclado de los fluidos para el flu%o a la superficie (s un sistema especial del bombeo hidr&ulico, similar al tipo pistón en cuanto al principio de funcionamiento, a las instalaciones y equipos de superficie; la diferencia es la bomba subsuperficial, que difiere por no tener partes móviles+ . -os principales componentes de la bomba tipo %et son la boquilla, garganta y difusor y operan ba%o la acción de un fluido a alta presión y el efecto venturi. (l fluido motriz entra por la parte superior de la bomba y pasa por la boquilla, en donde toda la energ!a del fluido es convertida en energ!a cintica. 1osteriormente la boquilla descarga un chorro en la garganta 0la cual tiene comunicación con la formación productora, en donde la presión a la entrada de sta disminuye, logrando que el fluido proveniente del yacimiento ingrese a la succión de la bomba y pueda producirse la mezcla entre ambos fluidos+,== . 0Bigura =.=O. -uego de efectuarse la mezcla, comienza la acción de bombeo de la mezcla entre el fluido del yacimiento y el fluido motriz. $uando la mezcla entra en la zona del difusor se produce una disminución en la velocidad y un aumento en la presión de descarga, lo suficientemente alta como para llegar a superficie. (ste tipo de sistema, a pesar de ser de ba%a eficiencia, puede mane%ar grandes cantidades de arena y part!culas sólidas, opera a profundidades m&ximas de hasta =,<<< pies 0E,C<< m=F , y es capaz de mane%ar aceites viscosos de hasta QA1:.
-a bomba no contiene partes móviles, esto permite que la bomba tolere un fluido de potencia de calidad mucho m&s pobre que la que normalmente se requiere para el funcionamiento razonable de una bomba hidr&ulica tipo pistón. @enta%as3 a Debido a que el bombeo tipo %et no tiene partes móviles, puede mane%ar arenas y otros sólidos. b -a bomba se puede recuperar sin la necesidad de introducir herramientas al pozo. c ?o existen problemas en pozos desviados. d ?o ocupa mucho espacio el equipo superficial. e B&cil tratamiento en el mane%o de corrosión y emulsiones. f 1uede mane%ar volúmenes de hasta +<,<<< >1D y el fluido motriz puede ser llevado a localidades remotas. Desventa%as3 a "todo de levantamiento relativamente ineficiente. b 7equiere por lo menos F<9 de sumergencia para aprovechar la me%or eficiencia. c (l dise*o de este sistema es m&s comple%o. d "uy sensible a cualquier cambio de presión de fondo. e -a producción de gas a travs de la bomba causa una reducción de la habilidad de mane%ar l!quidos. f (s requerida una alta presión en el fluido motriz.
;. 2OM2EO DE CA5IDADES PRO7RESI5AS
.= ANTECEDENTES DEL SISTEMA 2CP -a >omba de $avidades 1rogresivas 0>$1 tiene su origen en el Htornillo sin finI, uno de los numerosos inventos de Arqu!medes 0FC a.$ 8 F=F a.$, este invento fue originalmente utilizado como sistema para sacar agua de la sentina de los barcos y posteriormente como sistema para elevar agua, harina o grano 0Bigura
=.O. iempo despus, el cient!fico Brancs 7en "oineau presentó, a mediados de los a*os +$1 fue utilizada por primera vez en la industria petrolera en la perforación de pozos direccionales como una bomba de lodos. (n los a*os C$1 se ha estado desarrollando de manera gradual al punto de ser uno de los sistemas de ba%o mantenimiento y alta eficiencia en aplicaciones con aceites pesados. (s dif!cil saber cu&ntos pozos est&n operando actualmente con este sistema a nivel mundial; una aproximación es de O<,<<< unidades. -o cierto es que su aplicación, as! como la experiencia en su utilización, es cada vez mayor. -as bombas de cavidades progresivas 0>$1 son bombas de desplazamiento positivo que consisten de un metal rotatorio 0rotor y un molde flexible de caucho 0estator que est& unido a un tubo de acero como se muestra en la Bigura ::8F<. -a
rotación del rotor dentro del estator fi%o causa una serie de cavidades selladas para formar un movimiento axial desde la succión de la bomba hasta su descarga. (l resultado de la acción de bombeo es incrementar la presión de fluido a medida de que ste pasa por la bomba hasta que el mismo pueda ser producido a la superficie. -a mayor!a de los sistemas de bombeo de cavidades progresivas son impulsados por una varilla con el estator dentro de la tuber!a de producción en el fondo del pozo y el rotor conectado ba%o la sarta de varillas. #us principales partes se ilustran en la Bigura ::8F=. (l sistema de bombeo de cavidades progresivas posee algunas únicas caracter!sticas que hace tener venta%as en comparación con otros sistemas artificiales de producción. )na de las caracter!sticas m&s importantes es la alta eficiencia total del sistema. (xhibe una eficiencia total de < al O<9 en comparación a otros sistemas artificiales.
5e#ta4as& a -a habilidad de producir fluidos altamente viscosos, alta concentración de arenas y altos porcenta%es de gas libre. b >a%a tasa de gasto interno que limita la emulsión del l!quido mediante la agitación. c ?o existen v&lvulas o partes reciprocantes que obstruyan, causen candados de gas o provoquen desgaste. d $ostos ba%os en energ!a. e :nstalación y operación simple al igual que el mantenimiento del pozo. f >a%o perfil y ba%a emisión de ruido en el equipo superficial. (l sistema de bombeo de cavidades progresivas tiene algunas desventa%as comparadas con otras formas de levantamiento artificial. -as m&s destacadas de estas limitaciones son la capacidad de bombeo, levantamiento y la compatibilidad del elastómero.
Des$e#ta4as& a /astos de producción 0m&ximo +<<< >1D, profundidad 0m&xima O<< pies y temperatura 0=C< M$ limitados. b #ensible con el entorno del fluido 0el elastómero puede hincharse o deteriorase con la exposición de ciertos fluidos. c endencia endencia del estator de la bomba de sufrir da*os permanentes si se s e bombea en seco, incluso por periodos cortos. d Balta de experiencia con el dise*o del sistema, instalación y operación.
;.- DESCRIPCIÓN DEL EUIPO (l principio de operación de este sistema est& basado en el tornillo de Arqu!medes, que es la principal diferencia con el sistema de bombeo mec&nico. mec&nico. $omo ya se mencionó, en el cap!tulo anterior, el principio de este sistema utiliza un rotor de una hlice externa simple que es insertada dentro de un estator con forma de una hlice interna doble creando una serie de cavidades. $uando un miembro es rotado, las cavidades van progresando desde un lado de la bomba 0succión hasta el otro lado 0descarga, creando un flu%o continuo. -a unidad t!pica del sistema de bombeo por cavidades progresivas est& constituida en el fondo d el pozo por los componentes3 rotor, estator, varillas, varillas, centralizador y tuber!a de producción. -as partes superficiales son3 motor elctrico, cabezal de rotación, l!neas de descarga, tablero de control, sistema de frenado, sistema de transmisión de energ!a 0con%unto de bandas, ca%a de cambios, ca%a de sello 0stuffing box y e%e impulsor. -a integración de los componentes es indispensable, ya que cada uno e%ecuta una función esencial en el sistema para tener las condiciones de operación deseadas que permitan impulsar a la superficie el gasto de aceite requerido.
;.0 EUIPO SUPERFICIAL (l equipo superficial consiste de un peque*o cabezal de rotación y un motor elctrico de ba%o poder. Bigura F.+. (l cabezal alberga la ca%a de cambios, un sistema de frenos integrado y un e%e impulsor 0varilla pulida.
-as varillas est&n su%etas al e%e impulsor del cabezal de rotación 0o varilla pulida, el cual est& ensamblado directamente sobre la cabeza del pozo. (l movimiento del e%e es provocado por un sistema polea8bandas, como se muestra en la Bigura F.E, en donde el motor primario es el que genera el movimiento rotacional y es transmitido al e%e a travs de un %uego de bandas conectadas entre dos con%untos de poleas, uno su%eto al motor y el otro al e%e impulsor.
;. Motor rimario
(n casi todas las aplicaciones del #istema >$1 se utilizan motores elctricos. (n ocasiones se utilizan motores de combustión interna, en lugares aislados en donde no es posible o resulta muy caro llevar la energ!a elctrica. Dado que el #istema >$1, >$1, en general, traba%a con ba%a velocidad, la selección de la unidad motriz incluye especificar un mtodo para reducir la velocidad del motor o un motor de ba%a velocidad. -as transmisiones con bandas o cadenas son aceptables para reducir la velocidad del motor. Gtra opción es el empleo de un reductor de engranes de acoplamiento directo para unidades grandes o para procesos en donde no se desean las bandas @ 0correas trapezoidales por razones de seguridad. (l reductor disminuir& la velocidad del motor a la velocidad requerida. (s m&s común el empleo de motores que tienen reductores de velocidad integrales y poleas o catarinas de paso variable. Aunque estas unidades motrices tienen mayor costo inicial que los de velocidad fi%a, a menudo ahorrar&n energ!a y pueden ser la elección m&s económica. ambin ambin hay motores de frecuencia variable que tambin ahorran energ!a si son del tipo correcto. (l mtodo m&s directo y confiable es hacer coincidir la velocidad necesaria en la bomba con la del motor, por e%emplo, =C<, =CC u C< rpm para circuitos de O< 2z. ?o se necesitan bandas, cadenas ni engranes. #in embargo, se suele necesitar una bomba de tama*o un poco m&s grande, pues rara vez es posible hacer coincidir los requisitos del proceso con la velocidad del motor.
Desao%o de resi"# + so)recar%a del motor 1ara determinar el tama*o del motor, se debe recordar que el principio de operación del >$1 es una bomba rotatoria de desplazamiento positivo, la cual continúa bombeando sin importar que la presión se est incrementando. Al contrario de la bomba centr!fuga que llega a un l!mite de presión y potencia a cierta velocidad, la bomba de cavidades progresivas seguir& absorbiendo potencia si aumenta la presión. #i el aumento en la potencia es muy grande se puede sobrecargar el motor, con lo cual funcionar!an los dispositivos protectores y producir!an el paro del motor. -as v&lvulas de desahogo 0HalivioI de presión siempre se necesitan en los sistemas con bomba rotatoria y se gradúan un poco m&s que la presión m&xima de descarga para proteger a la bomba y los componentes corriente aba%o si sube mucho la presión. -a norma A1: OCO no permite el empleo de v&lvulas de desahogo integrales. )na forma de aliviar la presión es utilizar una v&lvula de desahogo externa, del tama*o requerido, en la tuber!a dise*ada para devolver el l!quido a la fuente de succión.
Gtro mtodo de control disponible var!a la velocidad de rotación del rotor con un motor elctrico de velocidad variable cuya velocidad cambie en respuesta a una se*al elctrica
;.6 Selecci"# del motor (n la determinación del tama*o óptimo del motor se debe tener en cuenta la viscosidad y presión m&ximas con que traba%ar& la bomba en el sistema propuesto. (l motor debe ser del tama*o que permita el funcionamiento en esas condiciones. -a selección de la potencia del motor est& basada en la potencia requerida por el #istema >$1. (sta potencia es función directa del torque total requerido req uerido por el sistema, el cual se expresa en la siguiente ecuación3
Donde3 1sist3 1otencia requerida por el sistema 0JS o hp 3 orque sobre la varilla var illa pulida 0?Tm o lbf T pie. ?3 @elocidad de rotación de la varilla pulida 071". U3 (ficiencia de transmisión. $3 $onstante que resulta de hacer consistentes las unidades 0=.1D pueden utilizar motores de F< hp de potencia.
;.8 Ca)e(al de rotaci"#
(l cabezal de rotación se selecciona en función de la carga que debe soportar y de las modalidades de fi%ación a la varilla de accionamiento y a los motores. (ste cabezal est& anclado en el cabezal del pozo y sus funciones son3 =.8 1roporcionar un sello para evitar que los fluidos bombeados se filtren a travs de los equipos superficiales. 1ara evitar la filtración de fluidos en la superficie se coloca un prensaestopas o sello mec&nico 0stuffing box, su configuración b&sica consiste en un niple corto con un sistema de empacaduras sintticas y'o de bronce instaladas en serie 0figura F.O.
;.9 FACTORES UE AFECTAN EL DISEO DEL APARE>O DE 2CP @iscosidad y densidad del aceite -a viscosidad tiene una relación importante con la fricción dentro de la bomba e influye en forma directa en su volumen y requisitos de potencia para una presión dada de descarga. -a capacidad de bombeo por revolución se incrementa cuando aumenta la viscosidad, y se reduce cuando sube la presión. 2ay que tener en cuenta que cuando las bombas de cavidades progresivas funcionan con l!quidos muy viscosos, tienen capacidad casi ilimitada para aumentar la presión. -as prdidas de presión por fricción ocasionadas por la viscosidad, son causadas por la fricción interna del fluido. (n cuanto a las prdidas de presión, ocasionadas por la alta viscosidad y densidad del aceite, las mismas se traducen en una presión diferencial adicional a
la presión hidrost&tica, alcanzando, en muchos casos, rangos excesivos de levantamiento neto que afectan principalmente la presión de descarga de la bomba, y en consecuencia, la presión diferencial a travs de la misma. 1or otra parte, esta presión adicional tiene su efecto sobre el torque requerido por el sistema as! como tambin sobre la potencia total. 1ara el dise*o, se debe tener especial cuidado en si el fluido es ne6toniano o no ne6toniano. Aunque la viscosidad puede estar dentro de l!mites razonables de bombeo cuando circula el l!quido, en algunos sistemas que mane%an l!quidos no ne6tonianos puede haber problemas para el arranque y el paro.
Prese#cia de are#a (l #istema >$1 tiene la habilidad para producir con altas concentraciones de arena, dependiendo de un dise*o y operación apropiados. #in embargo, al producirse flu%os r&pidos de arena por periodos cortos de tiempo 0tapones, pueden ocasionarse problemas de obstrucción y bloqueo del sistema. -a acumulación de arena deba%o de la bomba y en la tuber!a de producción es un problema corriente. #e debe o bien a paradas de producción o bien a una velocidad de ascenso del fluido bombeado insuficiente con respecto a la velocidad de asentamiento de la arena. -os fluidos viscosos disminuyen la velocidad de sedimentación de la arena pero, conducen a un aumento de las prdidas de presión por fricción. -a >$1 puede bombear fluidos cargados de arena; sin embargo, hay que tomar una serie de precauciones3 (vitar los amontonamientos de arena en la admisión, protegiendo los orificios de admisión de la bomba. Asegurarse de que al momento de parar la bomba no se sedimenta la arena en la tuber!a de producción 0riesgo de dificultad en el arranque. (n presencia de arena, las bombas se pueden equipar con rotores recubiertos con un importante espesor de cromo y un elastómero muy el&stico. Prese#cia de CO- + B-S (l $GF y el 2F# causan corrosión en las varillas y en la tuber!a de producción as! como extensión de la vulcanización del elastómero, lo que provoca endurecimiento y eventual ruptura del mismo. (s pr&ctica común utilizar inhibidores de corrosión para mitigar la corrosión. -os elastómeros fabricados con nitrilo hidrogenado 02?>7 presentan una mayor resistencia a los hidrocarburos, al 2F# y a los inhibidores de corrosión. (xisten varillas fabricadas con materiales especiales capaces de mitigar el efecto corrosivo del $GF. De acuerdo a las especificaciones A1:, la varilla grado D es la que resiste me%or los efectos corrosivos del $GF. -os materiales con que se
fabrica este tipo de varilla son una aleación de acero de n!Jel cromo y molibdeno. -a implementación de una varilla m&s resistente a la corrosión involucra un costo superior.
1=. 2OM2EO ELECTROCENTRFU7O SUMER7I2LE -a primera unidad de bombeo electrocentr!fugo sumergible 0>($ fue instalado en un pozo de aceite en =F y desde ese momento este mtodo ha sido analizado
en la producción de aceite a nivel mundial. Ahora, es considerado como un efectivo y económico mecanismo de levantamiento artificial para altos volúmenes de fluido y grandes profundidades ba%o una variedad de condiciones del pozo. (l equipo de bombeo electrocentr!fugo es usado para producir desde F<< >1D hasta O<,<<< >1D de aceite a diferentes profundidades $uando los pozos de%an de producir por flu%o natural, se requiere el uso de una fuente externa de energ!a, esta tiene la finalidad de acarrear los fluidos desde el fondo del pozo hasta el separador, a esto se le denomina producción artificial. (l prop propós ósiito de los sist siste emas mas arti artifi fici cial ales es de prod produc ucci ció ón es minimi nimiza zarr los los requerimientos de energ!a en la cara de la formación productora, con el ob%eto de maximizar la diferencial de presión a travs del yacimiento y provocar de esta mane manera ra,, la may mayor aflu afluen enci cia a de flui fluido doss sin sin que que se gene genere ren n prob proble lema mass de producción3 arenamiento, conificación de agua, etc. A continuación en ete cap!tulo se incluir& las descripción a detalle del >ombeo (lectrocentr!fugo, los par&metros requeridos para el dise*o y las venta%as y desventa%as para aplicaciones en aguas profundas. )na t!pica unidad de bombeo electrocentr!fugo, como se ilustra en la Bigura ::8FF, consiste en un motor elctrico, protector o sección de sellado, sección de entrada o intaJe, bomba centrifuga, cable elctrico, variador de frecuencia, ca%a de venteo y transformadores. Gtros componentes diversos en la instalación incluyen los medios para asegurar y proteger el cable a lo largo de la tuber!a y soportes en la boca del pozo. 1uede incluir equipos opcionales como sensores de fondo que detectan presión y temperatura y v&lvulas checJ.
(l motor elctrico gira a una velocidad relativamente constante y la bomba y el motor son acoplados directamente con un protector o una sección de sello entre ellos. -a potencia es transmitida al equipo subsuperficial a travs de un cable elctrico trif&sico el cual es fi%ado a la tuber!a en la que la unidad es instalada. (l equipo equipo superfi superficia ciall de una t!pica t!pica instal instalaci ación ón de bombeo bombeo electr electroce ocentr ntr!fu !fugo go consist consiste e en un banco banco de tres tres transf transform ormador adores es monof& monof&sic sico, o, un transf transforma ormador dor trif trif&s &sic ico o o un auto autotr tran ansf sfor orma mado dorr, un vari variad ador or de frec frecue uenc ncia ia y un cabe cabeza zall electrocentr!fugo donde se pueda instalar el cable que transmite la potencia al motor de fondo. (l desempe*o de la bomba es de alta eficiencia donde solo se bombea l!quido. -a reducción de la eficiencia de la bomba est& relacionada con la presencia de gas. (l motor y la bomba rotan de +EC a +<< 71" con O<2z de potencia y F<< a F= F= 71" 71" con con <2z <2z de potenc potencia ia.. -a unid unidad ad ba%o ba%o cond condic icio ione ness norm normal ales es de operación puede tener una vida productiva de = a + a*os, aunque algunas unidades han operado hasta =< a*os
5e#ta4as& a 1uede bombear volúmenes extremadamente altos. b ?o ocupa mucho espacio. c B&cil para instalar sensores de fondo. d ?o presenta problemas en pozos desviados. e Disponibilidad de diversos tama*os. f -os costos para levantar altos volúmenes son generalmente muy ba%os. g 1ozos con alta y ba%a viscosidad. h 1ozos con alta temperatura de fondo. Des$e#ta4as& a ?o aplicable para terminaciones múltiples. b #olo aplicable con energ!a elctrica. c #on necesarios altos volta%es. d :mpr&ctico en pozos pocos profundos y con ba%os volúmenes. e $aro al cambiar el equipo al igual que en pozos en declive producción. f (l cable causa problemas en la manipulación del pozo. g (l sistema tiene un l!mite en la profundidad debido al costo del cable. h #usceptible a la producción de gas y de arena. i Balta de flexibilidad en el gasto de producción. % -imitación por el tama*o del di&metro del pozo. J ?o es rentable en pozos de ba%a producción.
1=.1 Necesidad del emleo del 2om)eo ElectroCe#trGf!%o S!mer%ido H2EC* (l comportamiento de los yacimientos durante su explotación est& influenciado por las caracter!sticas productivas de la roca, las propiedades de los fluidos que via%an a travs del medio poroso, as! como el esquema de desarrollo implantado. -a explotación de un yacimiento tiene + etapas3 la recuperación primaria 0la recuperación de hidrocarburo asociada a mecanismos naturales de empu%e en un yacimiento, como expansión roca8fluido, gas disuelto, acu!fero activo, casquete de gas o bien drene gravitacional, la cual ocurre únicamente con flu%o natural, sin embargo en ocasiones las presiones de fondo de los pozos no son suficientes para llevar los fluidos hasta la superficie, por lo que es necesario dise*ar e instalar un sistema sistema artificial artificial de producción producción que permita permita recuperar estos hidrocarburos. hidrocarburos. -a recuperación secundaria es aquella que se aplica para mantener la presión del yaci yacimi mien ento to o desp despla laza zarr los los flui fluido doss del del yaci yacimi mien ento to,, mien mientr tras as que que para para la recuperación me%orada se contemplan mtodos trmicos, qu!micos y la inyección de gases. Debi Debido do a la expl explot otac acio ion n de los hidr hidroca ocarbu rburo ros, s, los los pozo pozoss que que se encu encuen entr tran an produciendo declinan en su producción por la prdida de presión natural del yacimiento. 1or tal razón es necesario instalar la infraestructura adecuada para la recuperación del petróleo, que en la mayor!a de los yacimientos representa de un O< a C<9 del volumen total por recuperar, por lo cual, es conveniente conveniente un sistema artificial.
1=.- Pa#orama 7e#eral del 2om)eo Electroce#trGf!%o S!mer%ido H2EC* A#tecede#tes (l >ombeo (lectrocentr!fugo #umergido 0>($ es un mtodo de levantamiento artificial que se caracteriza por emplear una bomba centr!fuga 0@er figura :.= ubicada en el fondo del pozo para producir los fluidos aportados por el yacimiento desde el fondo del pozo hasta el separador. separador. (ste sistema artificial artificial de producción producción tambin es conocido con el nombre de bombeo elctrico.
(l primer motor elctrico sumergible capaz de operar en agua e impulsar una bomba fue inventado por el ruso Armais Arutunnof en el a*o ==O. Arutunnof fundó la compa*!a 7ussian (lectric Dynamo Arutunnof 07(DA en =F= y tres a*os m&s tarde instaló el primer sistema de bombeo electrocentr!fugo en pozos petroleros de GJlahoma, ).#.A. -a primera aplicación del >ombeo (lectrocentr!fugo sumergido 0>($ fue en @enezuela en =, con el pozo silvestre. Anteriormente las caracter!sticas que limitaban la utilización de este sistema eran3 la prese presenc ncia ia de arena arena y sóli sólido dos, s, alta alta rela relaci ción ón gas gas acei aceite te,, pozos pozos desv desvia iado dos, s, corrosi corrosión, ón, grande grandess profund profundida idades des y altas altas temper temperatu aturas. ras. (n la actual actualida idad d los avanc avances es tecn tecnol ológ ógic icos os desa desarro rrollllad ados os sobr sobre e las las bomb bombas as elec electr troc ocent entr!f r!fug ugas as sumergib sumergibles les han dismin disminuid uido o en gran gran medida medida estas estas limita limitante ntes; s; haciendo haciendo m&s flexible la aplicación de stas en ambientes de pozos con tales problemas, gracias a esto estoss avan avance cess ahor ahora a se pued puede en impl implem emen enta tarr a may mayor prof profun und didad idad,, incrementando la capacidad de mane%o de volúmenes de gas libre hasta un C9 hacindolos m&s resistentes a los sólidos, a elementos corrosivos y logrando traba%ar a temperaturas de operación internas de hasta < VQBW.
1=.0 Parmetros ara la alicaci"# del 2EC )n = a F< por ciento de casi millón de pozos en todo el mundo son bombeados con con algú algún n tipo de sist siste ema artif rtific icia iall de produ roducc cció ión n empl emplea eand ndo o bomb bombas as elec electr troce ocent ntr! r!fu fuga gas. s. -os -os sist sistem emas as >($ >($ se caract caracteri eriza zan n por por ser ser la form forma a de tecnolog!a de m&s r&pido crecimiento de los sistemas artificiales de producción. A menudo son considerados como la me%or opción para altos volúmenes y grandes profundidades entre los sistemas artificiales de producción en campos de aceite. (stos sistemas se encuentran en ambientes operativos en todo el mundo, debido a su versatilidad. #e puede mane%ar una amplia gama de gastos desde C< a =<<,<<< VbpdW o m&s y llevar la producción pr&cticamente de cero hasta = mil VpiesW de elevación. $omo regla general, los >($ tienen menor eficiencia con
fracciones fracciones significativ significativas as de gas, por lo general mayor mayor que =< 9 de volumen en la entrada de la bomba. Dada su alta velocidad de rotación de hasta E<<< rpm y espacios reducidos, son tambin moderadamente tolerantes a los sólidos como arena arenas, s, si se espe espera ra un flui fluido do cargad cargado o de sóli sólido do duran durante te la produ producc cció ión, n, se emplean procedimientos especiales de funcionamiento y tcnicas de colocación de la bomba. $uando grandes cantidades de gas libre est&n presentes, los separadores de fondo y'o compresores de gas son requeridos en lugar de una entrada convencional. -os -os sist sistem emas as >($ >($ pued pueden en ser ser util utiliz izado adoss en tube tuber! r!as as de revest revestim imie ient nto o tan tan peque*as como E. VpgW de di&metro exterior y pueden ser dise*ados para mane mane%a %arr cont contam amin inan ante tess comú comúnm nmen ente te encont encontrad rados os en flui fluidos dos de acei aceite te con con corrosivos, tales como 2F# y los contaminantes de $GF, abrasivos como arena, las las temp temper erat atur uras as de fond fondo o extr extrem emad adam amen ente te alta altass y porc porcen enta ta%e %ess alto altoss de producción producción de gas. (l aumento del corte de agua ha demostrado no tener ningún efecto per%udicial significativo en el rendimiento del >($. -os >($ tambin se han utilizado en pozos verticales, desviados y horizontales, pero deben ser ubicados en un tramo recto de la tuber!a para un rendimiento óptimo. (n base al costo por barril, el >($ se considera económico y eficiente. $on sólo la cabeza del pozo y el variador de velocidad visible en la superficie, los sistemas >($ tienen un tama*o reducido y la opción de un perfil ba%o para pr&cticamente todas todas las aplica aplicacio ciones, nes, inclui incluidas das las instal instalaci acione oness costa costa afuera. afuera. -a abla :.= :.= presenta un resumen de las aplicaciones del >($.
1=. Como#e#tes del 2EC -a unid unidad ad t!pi t!pica ca conv conven enci cion onal al del del #ist #istem ema a de >omb >ombeo eo (lec (lectr troc ocen entr tr!f !fug ugo o #umergido se compone de una serie de elementos 0ver la Bigura ::.=, los cuales pueden ser agrupados en equipo de fondo, de superficie, cables y accesorios como se enlista a continuación3 Eomba centr!fuga. N #ección de entrada est&ndar o separador de gas. N #ección de sello o protector. N "otor elctrico. E
N @ariador de frecuencia o el controlador de arranque directo. N $a%a de unión o venteo. N ransformadores. $ables N $able conductor elctrico. N $able de conexión al motor. N #ensor de fondo.
Accesorios N @&lvula de drene. N @&lvula de venteo. N #oportes en el cabezal. N $entralizadores. N >andas de cable. 1=.6 Datos #ecesarios del o(o + del +acimie#to ara dise@ar !# Sistema de 2om)eo Electroce#trGf!%o S!mer%i)le. 1ara dise*ar un sistema de >($ es necesario contar con la siguiente información3 N An&li An&lisis sis de pruebas pruebas como3 como3 Aforos, Aforos, 1rueba 1ruebass de 1roduc 1roducció ción, n, 1ruebas 1ruebas 1@, 7egistros de presión temperatura as! como el 5ndice de productividad del pozo 0:17 debido a que ste establece la capacidad m&xima de producción del pozo. N Dimensiones y estado mec&nico del pozo3 X 1rof 1rofun undi dida dad d tota totall del del pozo pozo y de los los inte interva rvalo loss perf perfora orado dos, s, ya que que stos stos determinan la profundidad de colocación de la bomba. X ama*o y peso de las tuber!as 01 y 7, debido a que estas dimensiones determinan el di&metro m&ximo del motor y de la bomba que puedan colocarse N 1resión de separación, presión en la cabeza y presión en el fondo del pozo. N emperatura emperatura del fluido cerca cer ca del fondo y en la cabeza del de l pozo. N Densidad espec!fica del aceite, densidad del agua y gas, 7/A y porcenta%e de los fluidos de la mezcla porque estos ayudan a determinar la potencia del motor. N $onocimiento de producción de arena y'o depositación de parafinas N @iscosidad del fluido para calibrar las curvas caracter!sticas de la bomba. N @olta%e disponible del suministro de potencia ya que determina el tama*o de los transformadores.
11. EM2OLO 5IA>ERO (ste mtodo de levantamiento artificial incorpora un pistón que normalmente via%a a lo largo de la tuber!a de producción de manera c!clica. /eneralmente, el embolo via%er via%ero o es clasif clasifica icado do como como un separad separado o y distin distinto to mtodo mtodo de levant levantami amient ento o artificial aunque en muchas instancias sirve como un medio temporal de mantener el flu%o de un pozo antes de la instalación de otro mtodo de levantamiento artificia. Algunas Algunas de las aplicaciones m&s comunes son N )sado en pozos con alta relación gas8aceite para mantener la producción de manera c!clica. N )sado en pozos gaseros para descargar la acumulación de l!quidos. N )sado en con%unto con el bombeo neum&tico para reducir la prdida de l!quidos. N )sado en pozos gaseros o de aceite para mantener la tuber!a de producción limpia de parafinas, asfaltenos, etc. -a operación de el embolo via%ero es que, en este sistema, se instala una barra met&lica o pistón via%ero en el fondo de la tuber!a de producción, dotada de un ancla y resorte que permite el paso de los fluidos del yacimiento al interior de la tuber!a de producción, mediante una v&lvula motora se cierra la l!nea de descarga en la superficie, lo que permite el llenado de fluidos en la tuber!a de producción y el espa espaci cio o anula nularr por por un tiempo empo que que por por expe experi rien enci cia a se sabe, abe, el poz pozo represiona=F. 1osteriormente se abre la l!nea de descarga superficial, el embolo via%ero inicia su ascenso desde el fondo del pozo elevando y descargando los l!quidos que se acumularon sobre l, siendo impulsado por el gas que se acumuló en el espacio anular durante el tiempo de cierre; al llegar el embolo a la superficie se permite un tiempo tiempo adicional adicional de flu%o, flu%o, antes de cerrar la descarga nuevamente, y permitir que el embolo caiga por su propio peso, inici&ndose un nuevo ciclo de operación. 1ara su óptima operación requiere de las siguientes condiciones3 N )niformidad en la sarta de producción. N #arta sin fisuras. N ?o restricciones al paso del embolo. N >a%a contrapresión en la l!nea de descarga. N @elocidad del embolo Y<< pies'min -a Bigura ::8F+ muestra una t!pica instalación del embolo via%ero ampliamente utilizada. Dependiendo de los requerimientos del pozo, un extenso numero de vari variac acio ione ness es posi posibl ble e tant tanto o en el equi equipo po supe superf rfic icia iall como como en el equi equipo po subsuperficial. :ndependientemente de los equipos escogidos para un pozo, los
primeros art!culos que deben ser considerados para una instalación son el tipo de v&lvula maestra y la condición de la tuber!a.
5e#ta4as3 a 7ecuperación de equipos subsuperficiales sin la necesidad de retirar la tuber!a. b :nstalación barata. c Autom&ticamente mantiene limpia la tuber!a de parafinas y asfaltenos. d Aplicable para pozos con alta relación gas8aceite. e 1uede ser usado en con%unto con el bombeo neum&tico intermitente. f 1uede ser usado para la descarga de l!quidos en pozos gaseros. Des$e#ta4as& a ?o puede aplicarse en pozos depresionados por lo que en estos casos se requiere otro mtodo de levantamiento artificial. b >ueno solamente para pozos de ba%o gasto normalmente menor a F<< >1D. c 7equiere una mayor supervisión para su a%uste a lo largo de su vida productiva. d (xiste el riesgo de que el embolo alcance una velocidad demasiado alta y cause da*os en la superficie. e -a comunicación entre el espacio anular y la tuber!a de producción es requerida para su buena operación al menos que se utilice con%untamente con el bombeo neum&tico intermitente.
1-. E5ALUACIÓN ECONÓMICA #eis factores económicos representan los m&s importantes par&metros para la selección de los sistemas artificiales3 =. $apital inicial de inversión. F. $ostos mensuales de operación ' indicadores de renta mensual. +. @ida del equipo. E. ?úmero de pozos a los cuales se les va a instalar un sistema artificial. . (quipos excedentes disponibles. O. @ida del pozo. Algunos tipos de sistemas artificiales de producción, dependiendo de la instalación, pueden tener altos costos iniciales a comparación de otros. (l bombeo neum&tico puede tener altos costos iniciales por uno o dos pozos con el sistema donde un compresor debe de ser instalado. 1or la instalación de un número considerable de pozos, el bombeo neum&tico puede ser m&s económico. (l bombeo hidr&ulico llega a ser menos costoso cuando muchos pozos llegan a ser operados por un sistema central. (l precio del gas para el bombeo neum&tico al d!a de hoy puede ser muy caro si ste es gas de mercado. #i no hay mercado, como en algunos campos remotos, el bombeo bombeo neum&t neum&tico ico e hidr&ul hidr&ulico ico son compet competiti itivos vos;; los gastos gastos operat operativo ivoss y la inversión inicial podr!an favorecer lentamente al bombeo neum&tico 0si no hay necesidad de comprarlo. (l bombeo mec&nico, hidr&ulico y neum&tico tienen venta%a sobre el bombeo electrocentr!fugo al aplicarlo en localidades remotas y pozos peque*os donde la energ!a elctrica es muy cara o no existe distribución de la misma. -os costos operativos o los costos de levantamiento del sistema artificial son considerados como las medidas finales de la capacidad de un sistema por algunos y el último HtrucoI por otros. $iertamente esas dos opiniones son extremas. (l valor de los costos de operación 0Z por pozo por mes o costos de levantamiento 0Z por gastos de barril producidos es de gran importancia como los indicadores para determinar la eficiencia de operación y la efectividad de operación del campo en la capacidad de optimizar los sistemas.
1-.1A 1-.1 AN3LI N3LISI SIS S ECON ECONÓ ÓMI MICO CO PRODUCCIÓN
DE
LOS LOS
SIST SISTEM EMA AS
ARTI RTIFICI FICIA ALES LES
DE
-a maximización de la producción al menor costo y menor riesgo culmina en dos procedimientos que minimizan la incertidumbre de la selección de los mtodos de levantamiento artificial3 el an&lisis económico y el an&lisis de riesgo. $omo se ha visto en el caso de H"aximización del valor 1resente ?eto en $ampos "adurosI, la obtención del @1? m&s alto no refle%a el escenario de producción m&ximo, en ocasiones ocasiones el escenario escenario que presenta la m&xima m&xima producción producción podr!a presentar presentar una inversión muy alta para lograr esos m&rgenes, lo que reduce las ganancias del proy proyect ecto; o; con con la elab elabor orac ació ión n del del an&l an&lis isis is econ económ ómic ico o y an&l an&lis isis is de riesg riesgo o se pretende obtener el caso que represente una mayor ganancia y un menor riesgo de prdida económica. (ste an&lisis económico que integra el an&lisis de riesgo enfocado hacia los campos maduros pretende ampliar el panorama del dise*ador para incrementar las probabilidades de xito en la e%ecución de l o los sistemas artificiales de producción donde regularmente los ingresos se encuentran muy próximos a los egresos.
