EL SISTEMA DINAMOMETRICO.
Una carta dinagráfica es un gráfico de Cargas vs. Posición. Puede registrarse una carta dinagráfica desde la barra pulida con un sistema dinamométrico. El dinamómetro es la principal herramienta en la detección de fallas para un sistema de bombeo mecánico. La Figura 4.1 muestra un ejemplo de un gráfico de carta dinagráfica.
Un dinamómetro registra las cargas sobre la barra pulida (fuerzas) como una función de la posición de la barra. Este es llamado usualmente “carta dinagráfica”
El chequeo de válvula viajera puede utilizarse para determinar el escurrimiento de la bomba. El chequeo de la válvula viajera muestra la cantidad de la caída en cargas de fluido en libras por segundo. Esta información puede ser usada para estimar cuanto producción está perdiéndose en la bomba. Esto es posible de la siguiente manera:
1) Determine la tasa de fuga LRTV en lbs/seg. del gráfico de chequeo de válvula viajera.
2) Calcula la constante de estiramiento de las cabillas Er del informe API 11L como sigue: 𝐸𝑟 = 1 𝐿𝑥 ∑(𝐿𝑖 𝑥 𝐸𝑟) 𝑬𝒄(𝟒. 𝟏) 𝑁 𝐼 Donde:
L=Profundidad de la bomba (pies) N=Numero de secciones de cabillas
Li=Longitud de cada sección de cabillas (pies) Er=Constante elástica (plg/lbs-pies)
I=Subíndice de numero de secciones de cabillas
3) Calcula la tasa de encogimiento de la sarta de cabillas como sigue: 𝑅𝑜𝑑 𝑆ℎ𝑟𝑖𝑛𝑘𝑎𝑔𝑒 = 𝐸𝑟× 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 × 𝐿𝑅𝑡𝑣 (
𝑝𝑙𝑔 𝑠𝑒𝑔) 4) Calcule la tasa de escurrimiento volumétrico en plg3/seg como sigue:
𝑇𝑎𝑠𝑎𝑒𝑠𝑐 = 𝑅𝑜𝑑 𝑠ℎ𝑟𝑖𝑛𝑘𝑎𝑔𝑒 𝑥 𝜋 𝑥 𝑑𝑝
2
4 𝐸𝑐. (4.2)
Dónde:
Dp = Diámetro el pistón (plg).
5) Calcule la tasa de escurrimiento de la bomba en barriles de fluido por dia 𝐵𝐹𝑃𝐷𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 = 𝑇𝑎𝑠𝑎𝑒𝑠𝑐 𝑥 8,905 𝑥
2 − 𝐹𝑟
2 𝐸𝑐. (4.3) Dónde: Fr=Relación de llenado de la bomba (1.0 para bomba llena)
El término 8.905 es una constante para convertir la caución de arriba en unidades propias y es calculado como sigue:
plg3 /seg x (60 seg / min)x (60 min/ hr)x (24 hrs/ dia)x (1 bls/ 9702 plg3 )= 8.905 bls/ dia
CHEQUEO DE VÁLVULA FIJA
Usando un dinamómetro puede realizarse un chequeo de válvula fija para encontrar fugas debido a desgaste en las válvulas. Esto puede hacerse de la misma manera que con la válvula viajera, pero deberá detenerse la unidad en la carrera descendente de la barra pulida. Para realizar un chequeo de válvula confiable y preciso debe detenerse la unidad suavemente en la carrera descendente al menos un medio o dos tercios del final.
El chequeo de válvula fija no es un chequeo de las cargas en la válvula como lo sugiere el nombre. Es el efecto de la válvula fija en las cargas sobre la barra pulida. Si la válvula fija está en buenas condiciones entonces podría enteramente soportar las cargas de fluido en la carrera descendente.
MEDICIÓN DEL EFECTO DE CONTRABALANCE.
El efecto de contrabalanceó es usado para calcular el torque en la caja de engranaje. Es una medida indirecta del torque impuesto en la caja por la manivela y las contrapesas de la unidad. Para medir el efecto de contrabalanceo la unidad debe detenerse con la
manivela tan cerca como sea posible a 90° o 270°. Luego con el freno liberado, grabar las cargas en la barra pulida a esa posición. También debe anotarse el ángulo
GRÁFICO DE AMPERAJE
El gráfico de amperaje es grabado usualmente en la misma pieza de papel de la carta Dinagráfica. Este grafico indica si la unidad esta balanceada o no. El gráfico de
amperaje es una herramienta útil para determinar el balanceo de la unidad y el amperaje trazado por el motor.
LONGITUD DE LA CARRERA Y EMBOLADAS POR MINUTO.
Longitud de carreras exactas y medidas de emboladas por minuto son muy importantes cuando se analiza el comportamiento del sistema de bombeo.
La longitud de la carrera puede medirse con una cinta de medida sujetándola en el elevador de la unidad al inicio de la carrera ascendente. Una forma más conveniente es anotar el número del hoyo de la manivela, y obtener la longitud de la carrera de los catálogos de las unidades.
Para medir las emboladas por minuto con exactitud (SPM), utilice un cronometro. Medir el tiempo para varias emboladas (por ejemplo 10) y luego dividir el número de emboladas por el número de minutos medidos. Por ejemplo, si se miden 50 segundos para diez emboladas entonces las emboladas por minuto serán:
Tiempo=50 segundos x 1 min/60 segundos = 0.83 minutos SPM= Strokes/minuto = 10/0.83 = 12.05 strokes por minuto.
Nota: Cuando mida el tiempo para calcular las emboladas por minuto,
ANALISIS Y DIAGNOSTICO DE LA DATA DE CAMPO
El primer paso para analizar y diagnosticar una instalación es determinar el estado de la bomba para lo cual se hace imprescindible obtener el diagrama de la bomba.
El problema reside en que lo que se obtiene del campo es el diagrama de superficie que es una distorsión de lo que realmente ocurre en el fondo y por eso lo llamamos
“Mentiras Verdaderas” porque aunque lo medido (cargas, velocidad, desplazamiento) es verdad, lo que nos dice, para efectos de la condición de la bomba, no lo es.
El ciclo de cargas vs. desplazamiento que obtenemos en la barra pulida se inicia en la bomba como un ciclo de presiones vs. desplazamiento.
En la bomba se manejan tres presiones: admisión (PIP), cámara (PCP) y descarga (PDP).
Las presiones de admisión y descarga son prácticamente constantes en cada ciclo mientras que la de la cámara varía entre (PIP – Δp) y (PDP + Δp).
Juch y Watsonpublicaron una fórmula empírica para calcular Δp haciendo pasar agua y crudo de 800 cp a través de bombas de diferentes tamaños con el pistón estático:
Δp = 1 + (Aμ + BQ) Q Dp-3.82 x 10-6 donde:
Q = caudal bruto, bpd
μ = viscosidad del crudo en cp Dp = diámetro del pistón, pulg
A = 565 para bombas API y 369 para bombas SIS (hoy Círculo A) B = 68.5 para bombas API y 41.7 para bombas SIS
Por ejemplo, en una bomba API con pistón de 2.25” produciendo 350 bpd de un crudo con 1500 cp de viscosidad, el diferencial de presión necesario para levantar la bola de la válvula es aproximadamente 15 lpc mientras que en una bomba SIS es 10 lpc.
Antes de la aparición de las aplicaciones, el diagnóstico se basaba principalmente en la experiencia del Optimizador y su capacidad de memoria para cotejar las cartas tomadas con los patrones de referencia acumulados a lo largo de su carrera.
Este proceso tomaba muchos años para concretarse en forma práctica pero cuando se concretaba se tenía una persona que con sólo mirar la carta de superficie ya sabía lo que pasaba en la bomba.
Lo malo era que la mayoría de las veces, allí quedaba todo, lo cual, en la lógica humana es entendible.
Las aplicaciones de análisis y diagnóstico usan también la técnica del patrón de reconocimiento con la ventaja que estos patrones son cartas de la bomba las cuales hemos llamado “Verdades Verdaderas” y más fáciles para analizar y diagnosticar. Mediante el uso de las aplicaciones de análisis y diagnóstico, el trabajo del Optimizador se facilita y su proceso de aprendizaje es más rápido.
Hasta principios de los años 80 el análisis del sistema de bombeo mecánico convencional tomaba en cuenta solamente la dinámica de la sarta de cabillas y se consideraba que la columna de fluidos era una masa concentrada que sólo ejercía una presión hidrostática sobre el pistón y un arrastre viscoso sobre la sarta de cabillas.
La columna de fluidos dentro de la tubería, bajo ciertas condiciones, se comporta en la misma forma que la sarta de cabillas y las ondas de presión inducidas por el movimiento del pistón a la sarta, también viajarán a través de la columna de fluidos.
Estas ondas se reflejan en ambos extremos de la columna tal como sucede con la sarta y pueden llegar a tener un efecto muy importante en las cargas, desplazamientos, torques y requerimientos de potencia del sistema además de introducir distorsiones en las cartas de fondo y superficie.
Las aplicaciones de análisis y diagnóstico toman la data de superficie y mediante la solución de la ecuación de onda aplicada a la sarta de cabillas, determinan la forma de la carta de fondo. El análisis se realiza mediante la comparación de la forma de esta carta con patrones conocidos.
ANALISIS DEL TORQUE
En su forma más simple, el torque neto es la sumatoria de los torques requeridos para mover la barra pulida y las contrapesas lo que hace que el torque neto dependa en un alto grado del correcto balance de la unidad.
El efecto de contrabalanceo ideal CBEi (la carga en la barra pulida que balancea la unidad) puede ser expresado como:
CBEi = (PPRL + MPRL)/2
El Torque Máximo en la Caja de Engranajes de una unidad convencional usando las leyes del movimiento armónico simple puede ser calculado como la diferencia entre la PPRL y el CBEi multiplicado por el máximo brazo de torque:
T = (PPRL – CBEi)* S/2
y reemplazando el valor de CBEi en la ecuación anterior se tiene,
T = (PPRL - MPRL) * S/4, pulg-lbs
El cálculo de la cinemática exacta de las unidades demostró que las leyes del
movimiento armónico simple no eran aplicables a todas las geometrías y se introdujo entonces el concepto del Factor de Torque.
El Factor de Torque (TF) es un brazo imaginario que al multiplicarlo por la carga en la barra pulida a un cierto ángulo de manivela (Θ) genera un torque en la caja de
engranajes.
El TF depende del ángulo y carrera de la unidad y su valor es publicado por el fabricante en intervalos de 15º a carrera máxima lo cual no es suficiente.
Usando las dimensiones API de las unidades, el TF puede ser calculado a cualquier ángulo.
El torque generado por la carga en la barra pulida (Tp) a cualquier ángulo (Θ) se calcula por:
Tp(Θ) = TF(Θ) * (PRL(Θ) – SU) donde:
Tp(Θ) = torque generado por la barra pulida en el ángulo Θ, pulg-lbs
TF(Θ) = factor de torque en el ángulo Θ, pulg
PRL(Θ) = carga en la barra pulida en el ángulo Θ, lbs
Por otro lado, el conjunto manivela-pesas genera un momento mecánico sobre el eje de baja de la caja de engranajes igual al peso del conjunto por la distancia desde el centro del eje hasta el centro de gravedad del conjunto.
Debido al movimiento constante del conjunto, el torque de las contrapesas (Tw) cambia a medida que los brazos se mueven durante el ciclo y se opone al torque generado por la carga en la barra pulida en forma sinusoidal.
El Tw a cualquier ángulo se calcula por:
Tw(Θ)= M * sen (Θ+τ)
donde:
Tw(Θ) = torque generado por el conjunto manivela-pesas en el ángulo Θ, pulg-lbs
M = momento máximo generado por el conjunto, pulg-lbs τ = ángulo de desfase de la unidad (cero en las convencionales)