DISENO DEL BALANCIN ELEVADOR DE UNA UNIDAD DE BOMBEO MECANICO PETROLERA MARK II PARA SUSTITUIR SU IMPORTACION

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO

NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Profesional Adolfo López Mateos (Zacatenco)

DISEÑO DEL BALANCÍN

ELEVADOR DE UNA UNIDAD DE

BOMBEO MECÁNICO PETROLERA

MARK II PARA SUSTITUIR SU

IMPORTACIÓN

TESIS

Que para obtener el grado de

Maestro en Ciencias

Con Especialidad en

Ingeniería Mecánica

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

P R E S E N T A

Ing. Julio César de J. Balanzá Chavarria

DIRECTOR DE TESIS

Dr. Luís Héctor Hernández Gómez

(2)

(3)

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

COORDINACION GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACION

CARTA CESION DE DERECHOS

En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 11 del mes Octubre del año 2006 el que suscribe Ing. Julio César de Jesús Balanzá Chavarria, alumno del Programa Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica, opción Diseño, con número de registro B021895, adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME, Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor intelectual del presente Trabajo de Tesis, bajo la dirección del Dr. Luís Héctor Hernández Gómez, y cede los derechos del trabajo intitulado: ”DISEÑO DEL BALANCÍN ELEVADOR DE

UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO PETROLERA MARK II PARA SUSTITUIR SU IMPORTACIÓN”, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de

investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección: [email protected].

Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

_____________________________________ Nombre y firma

(4)

DEDICATORIA

A mi padre el Sr. Julio Balanzá Espinosa. (q.e.p.d.), por

su imborrable ejemplo

A mi madre la Profesora Amelia Chavarria Garza

(q.e.p.d), esposa y madre ejemplar

(5)

AGRADECIMIENTO

Al M. en C. Ricardo López Martínez y al Dr. Luís Héctor Hernández Gómez, por sus enseñanzas y guía para la elaboración de este trabajo

A los Dres. Guillermo Urriolagoitia Calderón, Alexander S. Balankin, Orlando Susarrey Huerta, Samuel Alcántara Montes, y al M. en C. Gabriel Villa y Rabasa, por sus enseñanzas, comprensión y don de gentes

Al Ing. Miguel Ángel Martínez Juárez, Director General del Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica, por su decidido apoyo para llevar a cabo este proyecto

A los maestros del ITSPR Dr. Ricardo Mondragón Director Académico, Ing. Adrián García Espinosa Director de post grado e Ing. Ampelio Carvajal Gutiérrez, encargado del Departamento de Ingeniería Industrial, por su apoyo para la realización de este trabajo

A mis increíbles compañeros y amigos, Maestros del Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica

A los alumnos Ing. José Ángel Hernández Escobar, Ing. Carlos Martínez Dueñas, Francisco Ramírez Arguelles, al Ing. Alfredo Balanzá Amor, Diana Balanzá Amor y Julio César Balanzá Ramagnolli, por su desinteresada colaboración para la elaboración en computadora de partes de este trabajo

(6)

I

ÍNDICE

Índice de figuras

IV

Índice de tablas IX

Simbología

X

Resumen

_XI

Abstract

XIV

Introducción XV

Justificación XIX Objetivos XX

Premisas XX

Hipótesis del trabajo XXII

Tipo de Investigación XXII

CAPÍTULO I

GENERALIDADES SOBRE POZOS PRODUCTORES

1.1 CLASIFICACIÓN LOS POZOS PRODUCTORES 1

1.1.1 Pozos fluyentes 1

1.1.2 Sistema de bombeo neumático 1

1.1.3 Sistema de bombeo hidráulico 4

1.1.4 Sistema de bombeo electrocentrífugo 6

1.1.5 Sistema de bombeo de cavidad progresiva 7

1.1.6 Sistema de bombeo mecánico 8

1.2 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS 9

1.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ARTIFICIAL DE

BOMBEO MECÁNICO. 9

1.3.1 Aspectos generales 9

1.3.2 Elementos de que consta el equipo superficial 11

1.3.3 Elementos de que consta el equipo sub superficial 16

CAPÍTULO 2

(7)

SU IMPORTACIÓN

II

MECÁNICO MARK II

2.1 Movimiento básico de bombeo de un sistema

no elástico simple 27 2.2 Patrón típico de cargas en el balancín durante un ciclo de bombeo

dividido en cuatro zonas de movimiento. 28 2.3 División del trabajo mecánico en un sistema de bombeo mecánico 31 2.4 Geometría de la unidad de bombeo mecánico 32

2.5 Rango de cargas en la unidad convencional 38

2.6 Rango de cargas en la unidad MARK II 39

2.7 Efectos de la geometría de las unidades de bombeo mecánico 40

2.8 Aceleración de la varilla pulida 41

2.9 Criterios para el cálculo del balancín 43

CAPÍTULO 3

CÁLCULO DEL BALANCÍN ELEVADOR DE LAS UNIDADES

DE BOMBEO MECÁNICO MARK II 45

3.1 Criterios para el cálculo 48

3.1.1 Criterios generales 48

3.1.2 Criterios particulares 48

3.2 Determinación de los ángulos significativos entre el balancín y brazo

pitman 51

3.2.1 Determinación de ángulos significativos entre brazo pitman y

balancín elevador, usando programa Auto CAD 51

3.2.2 Determinación analítica del ángulo mínimo entre brazo

pitman y balancín elevador 52 3.3 Cálculo de el balancín de una unidad Mark II tamaño

M-640D-365-144 54 3.3.1 Significado de la nomenclatura 54 3.3.2 Cálculo de la reacción en el Samson Post y del empuje del

brazo pitman 55

3.3.3 Cálculo del diagrama de fuerzas cortantes 56

(8)

III

3.3.5 Cálculo del balancín, cuando la manivela está horizontal

y apuntando en dirección contraria al árbol del pozo. 60 3.3.6 Cálculo del esfuerzo normal máximo, usando la teoría de las

cargas oblicuas 61 3.4 Cálculo del balancín para una unidad de bombeo mecánico

M-640D-305-144 65 3.5 Cálculo del balancín para una unidad de bombeo mecánico

M-456D-365-120 y una unidad M-456D-305-144 71 3.6 Cálculo del balancín para una unidad de bombeo mecánico

M-160D-173-86 71 3.7 Cálculo del balancín para una unidad de bombeo mecánico

M-114D-143-86. 76 3.8 Comparación entre el análisis matemático por resistencia y el método del elemento finito, usando el programa ANSYS V8.0 80

3.9 Sumario 84

CAPÍTULO 4 CONSTRUCCIÓN DEL BALANCÍN ELEVADOR

USANDO PLACAS DE ACERO SOLDADAS 86

4.1. Cálculo del balancín elevador de una unidad M-640D-365-144 y

M-456D-365-120, usando placas de acero y soldadura 88 4.2. Cálculo del balancín elevador de las unidades M-640D-305-144 y M-456D-305-144 usando placas de acero y soldadura. 90 4.3. Cálculo del balancín elevador para unidades M-160D-173-86,

usando placas de acero y soldadura. 91 4.4. Cálculo del balancín elevador para unidades M-114D-143-86

usando placas de acero 93 4.5. Cálculo del cordón de soldadura para construir el balancín elevador de unidades M-640D-365-144 94 4.6. Cálculo del cordón de soldadura para construir el balancín elevador de unidades M-640D-305-144. 96 4.7. Cálculo del cordón de soldadura para el balancín elevador de

unidades M-456D-365-120. 97 4.8. Cálculo del cordón de soldadura para construir el balancín elevador de unidades M-456D-305-144. 97 4.9. Cálculo del cordón de soldadura para construir el balancín elevador

(9)

SU IMPORTACIÓN

IV

4.10. Cálculo del cordón de soldadura para construir el balancín elevador de unidades M-114D-143-86 98

4.11 Sumario 99

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS

103

ANEXOS

ANEXO A Pandeo: la teoría básica de la flexión 106 ANEXO B Esfuerzo flexionante, la teoría básica de la flexión 111

ANEXO C Cargas oblicuas, cargas repetidas, teorías de falla 125

ANEXO D Círculo de Mohr y teorias de falla 130

ANEXO E Uniones soldadas 150

ANEXO F Vigas “I” de patín ancho tipo WF

ANEXO G Propiedades típicas de materiales Ferrosos

166 168 ANEXO H Par torsional sobre balancín elevador por rotura de muñón 170

REFERENCIAS 171

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO 1.

1.1 Sistema de bombeo neumático. 3

1.2 Sistema de bombeo hidráulico. 5

1.3 Sistema de bombeo electrocentrífugo. 6

1.4 Motor eléctrico y cabezal del bombeo de cavidad progresiva 7 1.4a Cabezal y equipo subsuperficial del bombeo de cavidad

progresiva

7

1.5 Sistema de Bombeo Mecánico 8

1.6 Árbol de conexiones superficiales de un pozo de bombeo

Mecánico. 12

(10)

V

1.8 Preventor-Estopero

1.9 Varilla pulida 15

1.10 Grampas 16

1.11 Varilla de succión 17

1.12 Bomba sub superficial 18

1.13 Unidad convencional 20

1.14 Unidad aerobalanceada 21

1.15 Unidad Mark II 22

1.16 Balancín elevador de la unidad de bombeo mecánico MarkII en buenas condiciones. 23 1.17 Balancín elevador de unidad Mark II con torcedura plástica 24

1.18 Impacto sobre una de las patas del poste maestro 24

1.19 Fractura en estructura soporte 25

1.20 Desprendimiento en muñón derecho 25

1.21 Fractura en soldadura 26

1.22 Tuercas de anclajes que tendieron a arrancarse 26

CAPÍTULO 2

2.1 Patrón típico de cargas en el balancín, durante un ciclo de bombeo, divido en cuatro zonas 30 2.2 Comparación del movimiento del balancín y manivela desde los 0 hasta los 90°, en la unidades clase I y III 34 2.3 Comparación del movimiento del balancín y manivela, desde los

135°, hasta los 180° en unidades clase I y clase III

35

2.4 Comparación en las unidades clase I y clase III, del movimiento

del balancín y manivela desde los 225°, hasta los 270° 36 2.5 Comparación en las unidades clase I y clase III, del movimiento

del balancín y manivela, desde los 315° hasta los 360°. 37

CAPÍTULO 3

3.1Ensamble de unidad de bombeo mecánico Mark II, dimensiones

generales 45

(11)

SU IMPORTACIÓN

VI

3.3 Ángulo mínimo entre el balancín y el brazo pitman 52

3.4 Diagrama de cuerpo libre del balancín en posición horizontal,

UBM M-640D-365-144 54

3.5 Diagrama de fuerzas cortantes, UBM M-640D-365-144.

56 3.6 Diagrama de momentos flexionantes UBM M-640D-365-144

57 3.7 Círculo de Mohr para el cálculo de los esfuerzos principales

UBM M-640D-365-144 59

3.8 Diagrama de cuerpo libre del balancín en el caso más desfavorable

UBM M-640D-305-144 61

3.9 Diagrama de cuerpo libre del balancín en posición horizontal, para El cálculo de BP y SP, UBM M-640D-305-144

65

3.10Diagrama de fuerzas cortantes cuando el balancín está en

posición horizontal UBM M-640D-305-144 66

3.11Diagrama de momentos flexionantes con el balancín en posición

horizontal, UBM M-640D-305-144 67

3.12Diagrama de cuerpo libre del balancín, cuando la manivela está en posición horizontal y apuntando en sentido contrario al árbol

del pozo, UBM M-640D-305-144 68

3.13Diagrama de cuerpo libre de el balancín para una unidad de

bombeo mecánico M-160D-173-86 72

3.14Diagrama de fuerzas cortantes UBM M-160D-173-86 72

3.15Diagrama de momentos flexionantes UBM M-160D-173-86 73

3.16Diagrama de cuerpo libre del balancín con la manivela en posición horizontal en sentido contrario al árbol del pozo,

UBM M-160D-173 -86 73 3.17Diagrama de cuerpo libre del balancín de una unidad

M-114D-143-86 76

3.18Diagrama de fuerzas cortantes UBM M-114D-143-86 77

3.19Diagrama de momentos flexionantes UBM M-114D-143-86 77

3.20 Diagrama de cuerpo libre del balancín de una unidad M-114D-143- 86,con la manivela en posición horizontal, apuntando en sentido contrario del árbol del pozo 78

3.21Esfuerzos de Von Mises, método del elemento finito 81

3.22 Diagrama de momentos flexionantes, método del elemento finito 82 3.23 Deflexiones registradas a lo largo de la viga, método del elemento

(12)

VII

CAPÍTULO IV

4.1 Ensamble “I” con cordón de soldadura 86

4.2 Perfil de un balancín de unidad M-640D-365-144 y M-456D-365-144,

usando placas soldadas 89

4.3 Perfil de un balancín de unidad M-640D-305-144 y M-456D-305-144,

usando placas soldadas 90

4.4 Perfil “I” de un balancín de unidad M-160D-173-86, usando placas

soldadas 92

4.5 Perfil “I” de balancín de unidad M-114D-143-86 93

4.6 Cateto “a” de cordón de soldadura 95

4.7 Balancín ensamblado con placas de acero y cordones de soldadura 101

ANEXO A

A.1 Viga simple o libremente soportada 106

A.2 Viga libremente empotrada 106

A.3 Viga sobresaliente o en voladizo 106

A.4 Diagrama de cuerpo libre de porción de viga en equilibrio 107

ANEXO B

B.1 Dimensiones de las secciones transversales de vigas 112

B.2 Plano de las cargas 114

B.3 Secciones A-A y B-B de una viga 116

B.4 Porción de viga flexionada 116

B.5 Gradiente de esfuerzos normales 118

B.6 Resultante de esfuerzos de compresión 119

B.7 Esfuerzos variables en una superficie 120

B.8 Eje neutro pasando a través del centroide de una superficie 121

(13)

SU IMPORTACIÓN

VIII

ANEXO C

C.1 Cargas oblícuas 125

C.2 Esfuerzo máximo, esfuerzo mínimo y esfuerzo medio en una prueba

de fatiga 128

C.E Límite de fatiga de un acero de bajo carbono 129

ANEXO D

D.1 Varilla colgada del techo y cargada axialmente 131

D.2 Circulo de Mohr 132

D.3 Esfuerzos cortantes 133

D.4 Esfuerzos en secciones de varilla cargada axialmente 134

D.5 Circulo de Mohr para describir la condición de esfuerzo el punto B 135

D.6 Prisma aislado en el punto B 138

D.7 Círculo de Mohr mostrando planos a 45º 139

D.8 Tres círculos de Mohr para dar solución completa 142

D.9 Máximo esfuerzo cortante indicado en un circulo de Mohr 146

D.1 Condición tridimensional general de esfuerzo 147

ANEXO E

E.1 Electródos actuales 150

E.2 Electródo desnudo 151

E.3 Estructura del electrodo 152

E.4 Electrodo completo 154

E.5 Formación de una conexión soldada 155

E.6 Tipos de juntas con soldadura 156

E.7 Soldadura de ranura y soldadura de tapón 156

E.8 Soldaduras de filete 157

E.8 Análisis de soldaduras de filete 158

E.9 Pasos para la inspección con líquidos penetrantes 162

(14)

IX

E.11 Cambio en el flujo de corrientes de Eddy 165

ÍNDICE DE TABLAS

3.1 Dimensiones generales UBM’S Mark II, disponibles en el mercado 46

3.2 Especificaciones de las unidades MARK II 47

3.3 Tabla de dureza y prueba de lima 49

3.4 Vigas “I” necesarias para vigueta central UBM’S M-II 85

4.1.Especificaciones de placas usadas para construir con soldadura

el balancín elevador de los seis tamaños de unidades MARK II 87 4.2.Resumen del material necesario para construcción de balancines

utilizando placas de acero y soldadura

(15)

PETROLERA PETROLERA MARK II PARA SUSTITUIR SU IMPORTACIÓN

SIMBOLOGÍA

UBM Unidad de Bombeo Mecánico

UBM Mark II Unidad de Bombeo Mecánico Mark II TP Tubería de Producción

TR Tubería de Revestimiento rpm Revoluciones por minuto

θ Ángulo

TRP Terminación y reparación de pozos

α Factor de impulso o factor de aceleración

PPRL Carga Pico en el balancín o en la varilla pulida MPRL Carga mínima en el balancín o en la varilla pulida Wr Peso de la sarta de varillas

Wf Peso del fluido

PMS Punto muerto superior PMI Punto muerto inferior

SP Reacción del poste maestro, sobre la vigueta central BP Empuje del brazo pitman

V Fuerza cortante sobre una sección transversal del Balancín Elevador

M Momento flexionante AWS American Welding Society

ASTM American Society for Testing Materials

Endurancia Esfuerzo repetitivo después del cual el material sufre

Fatiga

Rc

1

Rango de cargas en la unidad clase I

Rc

2

Rango de cargas en la unidad clase III

(16)

RESUMEN

Cuando se perfora un pozo petrolero en un yacimiento que tiene suficiente energía de presión, el pozo fluye por si solo, convirtiéndose en un pozo fluyente. Cuando el yacimiento ha disminuido su presión por explotación, es necesario recurrir a “sistemas artificiales de explotación” para lograr hacer fluir el crudo a la superficie.

Dentro de los sistemas artificiales de explotación, el sistema de bombeo mecánico es uno de los más utilizados a nivel mundial. Dicho sistema, cuenta con una equipo superficial, denominado “Unidad de Bombeo Mecánico”, la cual es accionada por medio de un motor que puede ser de combustión interna o eléctrico; la unidad transmite la energía proporcionada por el motor a una bomba sub-superficial ahogada en el hidrocarburo dentro del pozo.

El movimiento alternativo para que la bomba tome el hidrocarburo y lo mande a presión a la superficie, se logra por el mecanismo de la unidad superficial, la cual transforma el movimiento rotatorio del motor en movimiento alternativo cíclico. El elemento final que efectúa esta transformación es un elemento de máquina esbelto y de sección recta “I”, denominada “balancín elevador”. La transformación del movimiento rotatorio en movimiento alternativo, se logra por un mecanismo de transmisión de potencia por bandas - caja reductora - dos manivelas laterales a la caja – dos bielas.

.

Mientras que por un extremo las bielas se conectan a la manivela por medio de rodamientos denominados “muñones”, por el otro conectan a la parte posterior del balancín por medio de una viga perpendicular al mismo denominada “compensador” o “brazo compensador”. Cuando por diversas razones un rodamiento del muñón falla, una de las bielas no transmite el movimiento alternativo mientras que la otra si. Se presenta entonces un momento torsional perpendicular al eje longitudinal del balancín, el cual tuerce a la misma plásticamente y fractura el cojinete central alrededor del cual oscila cayendo el balancín al suelo. La unidad entonces queda fuera de servicio, el pozo deja de producir, se tiene que recurrir a otra unidad en buen estado para recuperar un balancín en buen estado, con todas las

(17)

PETROLERA MARK II PARA SUSTITUIR SU IMPORTACIÓN

ogaciones por salarios y además requiere la transportación , y en algunos casos, tomando la otra unidad de otro pozo con menor producción, el cual queda sin producir de manera indefinida.

El presente trabajo expone una alternativa de solución al problema, ya que normalmente los fabricantes no están interesados en surtir esta parte de la unidad en forma independiente, quedando dicha máquina como simple banco de refacciones.

La solución propuesta consiste en calcular la sección recta del balancín, usando la teoría básica de la flexión para vigas, la teoría de las cargas oblicuas, el circulo de Mohr, y la teoría de falla de Von Mises Hencky,y utilizar para el diseño la carga pico en el balancín, de acuerdo a las condiciones dinámicas que maneja en su ciclo operativo. Como se verá, los resultados que arrojan estos cálculos dan dimensiones de la sección transversal iguales a las de los balancines originales, con acero suave al carbono C1020 Normalizado. Este acero es utilizado en las construcciones civiles y por lo tanto puede ser adquirido en el país, con todas las ventajas que esta acción trae consigo.

En el capítulo I se presenta la clasificación de los pozos productores de crudo, tanto fluyentes como de sistemas artificiales, con una descripción detallada del sistema de bombeo mecánico.

En el capítulo II se efectúa el análisis dinámico de la carga pico en el balancín de una unidad de bombeo mecánico Mark II.

En el capítulo III se efectúa el cálculo de la sección recta del balancín de las unidades de bombeo mecánico Mark II, tamaños:

M-640D-365-144 M-640D-305-144 M-456D-365-120 M-456D-305-144 M-160D-173-86 M-114D-143-86

La selección de estos tamaños de unidades, se debe a que son las más utilizadas en el área de los pozos productores de Poza Rica Veracruz y en general en PEMEX, y se despliega una tabla con los resultados obtenidos, en

(18)

la que se puede comparar con las dimensiones de los balancines originales.

Para validar los resultados anteriores, se realizó, al final del Capitulo, un Análisis Numérico, usando el Software ANSYS, V8.0, seleccionándose el balancín de Tamaño Nominal 24”x9”, que se describe en las secciones 3.3.2 y 3.3.4.

En el capítulo IV se lleva a cabo el diseño del balancín utilizando placas de acero suave, ensambladas con soldadura, para formar el perfil “I”, tipo WF; por ultimo se tiene una sección en que se hacen comentarios y recomendaciones referentes al estudio realizado.

(19)

ABSTRACT

The present study outlines the calculation method to determine the area of the cross section of an “I” beam made of C1020 plain carbon steel, to be used as the walking beam of an oilwell Mark II mechanical pumping unit, in replacement of the original walking beam, when it fails as it suffers plastic torsion, in order to avoid importations of this part. It also displays the economical and social advantages for Mexico derived from the no importation of these spare parts.

For the design of this walking beam, the basic flexure theory for beams and a dynamic approach are considered and it is explained as follows.

In chapter I, there is an explanation of the different types of oilwells, from oilwells that flow by means of the pressure energy of the reservoir, to the artificial system oilwells, having at the end of the chapter a detailed decription of the mechanical pumping system and the different types of mechanical pumping units with an emphasis in the mark II unit.

In chapter II, a dynamic approach to the problem is described, in order to obtain the peak load on the walking beam.

In chapter III the basic flexure theory for beams is used for the calculations of the cross section of the walking beam, considering a safety factor in accordance with the type of behavior it has. To validate the Analytical Results, at the end of the Chapter a numerical Analysis is made, Using the Software ANSYS, V8.0, selecting for that, the 24”x9” Nominal size walking beam.

In chapter IV the problem is solved using steel plates assembled with welding.

After chapter IV there are some conclusions about the application of the theory used in this work, in the possible design of the walking beam of other types of mechanical pumping units.

At the end of this work there is an appendix, with the theory applied in the solution of the problem.

(20)

XV

INTRODUCCIÓN

La que habría de convertirse en una de las principales ciudades productoras de crudo en el país, la ciudad de Poza Rica Veracruz, obtuvo el título de ranchería en los primeros meses del año 1873. Con el impulso proporcionado por los Gobiernos Federales, este lugar fue creciendo y el día 26 de diciembre de 1935, se le dio el nombramiento de congregación Manuel Ávila Camacho.

A raíz de la expropiación petrolera, el 18 de marzo de 1938, se mantuvo como uno de los principales campos productores de crudo, distinguiéndose por la calidad del mismo, que no contiene parafina y otros elementos residuales, por lo cual, fue la base para la producción de todos los lubricantes que se producen en el país, sirviendo también para la obtención de combustibles.

Durante muchos años, la principal actividad petrolera se basó únicamente en la explotación del crudo procedente de los pozos, quemándose el gas asociado al mismo en los “quemadores” de las baterías de separadores que rodeaban a la ciudad, al grado de que en ese periodo el “alumbrado de la ciudad” se basó únicamente en dichos quemadores, por lo tanto, no usando el potencial económico que estaba implícito en el aprovechamiento del mismo.

(21)

XVI

Sin embargo, con la declaración de la expropiación, a través de los años en la década de los 50’s, se inicia la utilización de los sistemas artificiales de explotación de pozos petroleros, uno de los cuales y que en la actualidad es el más importante en la región norte, es el sistema de bombeo mecánico, el cual tiene como fuente de energía un motor eléctrico o de combustión interna.

El objetivo principal del sistema de bombeo mecánico, es proporcionar movimiento alternativo por medio de una sarta de varillas al pistón de una bomba subsuperficial, a fin de elevar el fluido dentro del pozo hasta la superficie, y de allí a la batería de separadores, donde se recolectará en unos tanques, para su posterior aprovechamiento en las refinerías.

Las sarta de varillas es accionada alternativamente por el balancín elevador, también llamada “vigueta central”, de una Unidad de Bombeo Mecánico (UBM), normalmente de fabricación Americana. Este balancín va apoyado en un rodamiento llamado “cojinete central”, alrededor del cual oscila. En el extremo delantero, el balancín a través de la cabeza de caballo y del cable colgador (ver figuras 1.13-1.15), levanta la sarta de varillas junto con el aceite procedente del pozo, el cual es impulsado por el pistón hueco de la bomba subsuperficial, el cual va conectado a la sarta de varillas.

Por el otro extremo, el balancín es jalado o empujado según el modelo de unidad, por dos bielas llamadas “brazos Pitman”; estos, son accionadas por una manivela, llevándose a cabo la acción sobre el balancín central, a través de otra vigueta en este caso transversal – horizontal, llamada “compensador,” conectada al balancín central por medio de un rodamiento llamado “rodamiento del compensador”.

(22)

XVII

superficial mencionado líneas arriba. Este pistón bombea el aceite hacia arriba en cada movimiento ascendente. Durante el siguiente medio ciclo, la sarta de varillas desciende junto con el pistón de la bomba para volver a succionar el aceite e irlo llevando a la descarga del pozo.

Actualmente, en el distrito Poza Rica se tiene la problemática de la operación interrumpida en las unidades de bombeo mecánico. Una parte de estos paros se deben a fallas (ver Premisas, pagina XIX y figuras 1.17 a 1.22 y Comentarios al pié de las figuras) en el balancín central. Este problema se genera debido a que los fabricantes no están interesados en surtir balancines como refacción; en todos los casos suministran la unidad completa y no los diversos elementos de su estructura. Además de esto, las refacciones de origen extranjero tienen que vencer una gran cantidad de obstáculos de aduana; lo anterior retrasa su entrega hasta en dos años Estos problemas ocasionan grandes pérdidas en producción de hidrocarburos para PEMEX exploración y producción de este distrito. Estas ineficiencias se reducirían si se contara con refacciones de fabricación nacional.

En este trabajo se desarrolla un método de cálculo para diseñar el balancín central de las unidades Lufkin Mark II de fabricación Americana( ver Fig. 1-15), lo anterior con el propósito de sustituirlas por vigas “I” tipo WF, las cuales pueden ser adquiridas de fabricación nacional, o construidas por la misma empresa usuaria con placas de acero y soldadura. Por esta razón, el nombre de este trabajo lleva el título de:

“DISEÑO DEL BALANCÍN ELEVADOR DE UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO PETROLERA MARK II, PARA SUSTITUIR SU

IMPORTACIÓN”.

(23)

XVIII

determinación del Ángulo Crítico entre balancín elevador y brazo pitman ( bielas), y el programa Autocad para comprobación de resultados, ángulo que produce los máximos esfuerzos normales y cortantes sobre las secciones rectas del balancín; y el método del .elemento finito para la comprobación de resultados referentes a esfuerzos, se presentará el cálculo del balancín elevador de las unidades Mark II, porque son las que se tienen en mayor número en PEMEX Exploración Producción. Los tamaños de unidades que se consideran para diseñar su balancín son los siguientes:

M-640D-365-144 M-640D-305-144 M-456D-305-144 M-456D-365-120 M-160D-173-86 M-114D-143-86

Para saber el significado de estas nomenclaturas ver tabla “Nomenclatura de las Unidades de Bombeo Mecánico” en pagina 54 de este trabajo.

El desarrollo de este estudio se llevó a cabo en los pozos de bombeo mecánico del activo de producción Poza Rica, PEMEX Exploración Producción, ubicado en la región norte de Petróleos Mexicanos.

El tiempo necesario para llevar a cabo a la práctica este trabajo de tesis, puede ser variable, según las necesidades imperantes, ya que por ser un programa que depende de la producción de cada pozo, es susceptible de modificarlo.

En el capítulo I, se presenta la clasificación de los pozos productores de crudo, tanto fluyentes como de sistemas artificiales, con una descripción detallada del sistema de bombeo mecánico.

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XIX

En el capítulo III, se efectúa el cálculo de la sección recta del balancín de las unidades de bombeo mecánico Mark IImencinadas en la página XVI de este trabajo.

La selección de estos tamaños de unidades, se debe a que son las más utilizadas en el área de los pozos productores de Poza Rica Veracruz, y en general en PEMEX, y se presenta una tabla con los resultados obtenidos, en la que se puede comparar con las dimensiones de los balancines originales.

En el capítulo IV se presentan el diseño del balancín utilizando placas de acero, ensambladas con soldadura, para formar el perfil “I”, tipo WF; por ultimo se presenta una sección en que se hacen comentarios y recomendaciones referentes al estudio realizado.

JUSTIFICACIÓN

Considerando una producción promedio diaria de 30 metros cúbicos por pozo, sabiendo que un metro cúbico tiene 6.29 barriles, que cada barril tiene un precio aproximado en el mercado internacional de 58 dólares y que el tipo de cambio actual es de alrededor de 11.50 pesos por dólar, las pérdidas diarias por producción diferida por pozo es de:

30 x 6.29 x 58 x 11.50 = $ 125862.90 Pesos Mexicanos por día

Con este trabajo se busca disminuir al mínimo este tipo de pérdidas al proporcionar una guía en el proceso de diseño, sirviendo también como medio de consulta a generaciones venideras o a cualquier interesado en el tema.

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XX

ininterrumpida de las unidades de bombeo mecánico que se requieren para la extracción del crudo.

OBJETIVOS

• Sustituir la importación del balancín central de la unidades de bombeo mecánico (U.B.M.) Mark II, utilizadas en la extracción de crudo en la Industria Petrolera Nacional

• Presentar un método de cálculo para el aprovechamiento de las vigas

estructurales “I”, tipo WF de fabricación nacional, a fin de ser acondicionadas como balancín elevador de las U.B.M. Mark II.

• Desarrollar un método de cálculo que puede ser ampliado para el diseño del balancín de otros modelos de U.B.M.

• Minimizar las pérdidas de producción diferida en los pozos productores, cuya U.B.M. tenga problemas en su balancín.

• Incrementar la entrada de divisas al país por la exportación de crudo.

• Disminuir los costos del mantenimiento correctivo de las U.B.M al contar con refacciones más económicas de fabricación nacional.

• Incrementar la creación de fuentes de trabajo en el país, al aumentar la demanda de vigas “I”, tipo WF de acero estructural.

PREMISAS

En el desarrollo industrial del país, son de suma importancia los yacimientos petrolíferos, y los sistemas artificiales para la explotación de los pozos petroleros.

En la actualidad PEMEX tiene operando redes de transporte, distribución y comercialización de hidrocarburos y sus derivados en todo el país. Pero si se

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XXI

bombeo mecánico y que todo puede ser ineficiente si estos no trabajan en una forma continua; dándose la falla en los balancines elevadores (viguetas centrales) de las mismas, se podrá observar la importancia de contar con refacciones de fabricación Nacional, de menor costo que las originales de la unidad y sin problemas de aduana para su adquisición.

Cuando una de la bielas (brazos Pitman), se suelta de su muñón (ver figura Anexo G, Pág. 151 ) que la conecta a la manivela y la otra biela sigue conectada, el momento de torsión alrededor del eje longitudinal de el balancín central producido por este percance, hace que la misma se tuerza plásticamente ( ver figuras 1.17 – 1.22 y comentarios al pie de las mismas), quedando entonces fuera de servicio toda la unidad. Mientras se sustituye el balancín central por algún otro que esté montado en una unidad fuera de servicio, se producen pérdidas de producción en el pozo; pero si debido a problemas de importación (que es lo normal) no se cuenta con otro que sirva de refacción; entonces el problema se agrava, ya que habrá que esperar de uno a dos años para que lo surtan, que es el tiempo normal que toma el suministro de refacciones de importación, considerando desde que se elabora una requisición, hasta a que se recibe lo solicitado. En otras ocasiones, y con el propósito de seguir produciendo, se cambia la unidad por otra similar que este operando en un pozo que sea de menor producción que el que nos interesa; con lo cual, literalmente “se tapa un hoyo, destapando otro”, persistiendo el problema de producción diferida en el nuevo pozo fuera de servicio.

Es por demás mencionar que si se considera una viga que tenga menor costo, y sobre todo un menor tiempo de recepción, se podría optimizar todo el proceso de explotación artificial de un pozo que cuente con Unidad de Bombeo Mecánico.

HIPÓTESIS DEL TRABAJO

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XXII

para sustituirlo y seguir produciendo.

La hipótesis de este trabajo se basa en el razonamiento de que si en México se aprovecha el potencial humano procedente de los cursos de postgrado, es posible diseñar en México partes de máquinas (En este caso el balancín central de las unidades de bombeo mecánico petroleras), para disminuir costos de producción y aumentar la eficiencia de operación de los equipos industriales y sobretodo, liberarse de la dependencia tecnológica en el área de la producción petrolera que es base de la economía de México.

TIPO DE INVESTIGACIÓN

El proceso de la investigación utilizado en este trabajo se considera de tipo documental, de campo, descriptivo, ilustrativo, analítico y con auxilio de computadora. Las técnicas de investigación empleadas en el procesamiento de la Información son: documental, analítica, bibliográfica, de observación y experiencia propia.

(28)

1

CAPÍTULO 1

GENERALIDADES SOBRE POZOS PRODUCTORES (9) (14) (15)

1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS POZOS PRODUCTORES

1.1.1 POZOS FLUYENTES.

• Un pozo se considera fluyente, cuando el aceite brota por acción de la energía natural del yacimiento. Es importante observar que durante la vida productiva de los yacimientos petrolíferos, suele declinar la presión a la que se encuentran sometidos los fluidos, debido principalmente a la extracción de los hidrocarburos, lo cual origina un abatimiento en la producción de los pozos. Una vez declinada la presión del yacimiento, es necesario utilizar un sistema artificial de producción petrolera, recurriendo al uso de energía externa para elevar el aceite a la superficie. Esencialmente existen cinco sistemas:

Sistema de Bombeo Neumático Sistema de Bombeo Hidráulico

Sistema de Bombeo Electrocentrífugo

Sistema de Bombeo Rotativo o de cavidad progresiva Sistema de Bombeo Mecánico

1.1.2 SISTEMA DE BOMBEO NEUMÁTICO

El Bombeo Neumático fue el primer sistema artificial utilizado en forma masiva en los pozos del Distrito Poza Rica. Consiste en inyectar al espacio anular entre la tubería de producción y la tubería de revestimiento,

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DISEÑO DEL BALANCÍN ELEVADOR DE UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO PETROLERA MARK II PARA SUSTITUIR SU IMPORTACIÓN

2

calibradas y espaciadas a diferentes profundidades, de tal manera que al dejar pasar el gas a la tubería de producción, cuando se llega a la presión de calibración, se logran disminuir la densidad de la mezcla de los fluidos procedentes de los yacimientos que se desplazan a través de la tubería de producción, y en consecuencia se logra elevar la producción del yacimiento a la superficie. Este sistema, sin embargo, tiene los siguientes inconvenientes:

• Debido al uso de gasoductos a alta presión, es extremadamente

peligroso para las zonas urbanas.

• El gas es un fluido contaminante del entorno ecológico.

• En la actualidad, el gas guarda una posición estratégica como

combustible.

Como ventajas importantes de este sistema se puede mencionar las siguientes: • Es ideal para pozos cuya presión de fondo no ha sido agotada

• Se obtiene una información exacta de las fallas sub- superficiales, mediante la interpretación de gráficas de flujo de gas.

• Es silencioso en su operación

• No hay que darle mantenimiento a equipo superficial • El gas motriz puede ser reciclado

• Se obtiene buena eficiencia en su operación y por lo tanto es

económico

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3

APAREJO DE VALVULAS DE INYECCIÓN DE GAS

”

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4

1.1.3 SISTEMA DE BOMBEO HIDRÁULICO

En el sistema de Bombeo Hidráulico, se hace funcionar una Bomba colocada en el fondo del Pozo y montada en la tubería de producción. de un fluido motriz es inyectado a presión desde la superficie a través de una tubería paralela a la de producción.

Este sistema se aplicó en el Activo de Producción Poza Rica en dos ocasiones:

La primera durante la década de los 60’s, utilizando aceite a presión como elemento motriz; sin embargo, los resultados no fueron satisfactorios debido a las constantes fallas del equipo sub– superficial, así como el superficial de bombeo del fluido motriz; lo cual requería la utilización continua de los equipos (torres) de reparación de pozos para el mantenimiento del equipo sub superficial, y de operarios mecánicos para la eliminación de la falla en el equipo de bombeo superficial. Además se presentó la dificultad de medir con precisión el aceite producido, ya que tanto el motriz como este último se mezclan al salir del pozo.

(32)

5 Conexiones Superficiales

Cabezales de Distribución

Estación de bombeo Almacenamiento de fluido

motriz

Equipo Subsuperficial

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6

1.1.4 SISTEMA DE BOMBEO ELECTROCENTRÍFUGO

Este sistema, lo integra una bomba conectada a la tubería de producción dentro del pozo, la cual se encuentra ahogada en el aceite y es impulsada eje a eje por un motor eléctrico que recibe la energía por medio de un cable flejado a la tubería de producción; es apropiado para manejar altos gastos de producción en pozos con elevados porcentajes de agua y baja relación gas- líquido.

Este sistema se probó en las áreas de Poza Rica y San Andrés en los años de 1980, 1981 y 1999; con resultados no satisfactorios debido a las constantes fallas en el cable conductor y empate eléctrico subsuperficial. Es de hacer mención, que un porcentaje considerable de las fallas en el cable y empate, se deben a machucones inevitables que se realizan durante la introducción del aparejo, figura 1.3.

Motor Eléctrico Empate Eléctrico Sello

Bomba Subsuperficial Conductor eléctrico

Blindado Transformador

Tablero de Control Conexiones Superficiales

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7

1.1.5 SISTEMA DE BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA

El sistema de bombeo de Cavidad progresiva consta básicamente de un cabezal motriz, y para transmitir la potencia hacia la bomba sub superficial, se tiene una sarta de varillas. La energía para poner en operación este sistema, la proporciona un motor eléctrico superficial, cuya capacidad varia de acuerdo a la profundidad y producción del pozo donde se pretenda instalar el sistema. Se probó en los pozos de Poza Rica durante los años de 1983, 1984 y 1996, con resultados no satisfactorios debido a las continuas fallas que se presentaron en el elastómero que cubre interiormente al estator (camisa) de la bomba subsuperficial, figura 1.4.

Estopero

Sarta de varillas Tubería de producción (T.P.)

Tubería de revestimiento

Rotor Elastómero del

estator Varilla pulida Grampa de la varilla pulida

Fig.1.4 Motor Eléctrico y Cabezal del Bombeo de Cavidad Progresiva(8)

(35)

8

1.1.6 SISTEMA DE BOMBEO MECÁNICO

El sistema de Bombeo Mecánico en general está dividido en dos partes :La Unidad de Bombeo Mecánico superficial, la cual transforma el movimiento rotatorio de un motor eléctrico o de Combustión Interna a un movimiento reciprocante; una sarta de varillas de acero y una Bomba Sub- superficial, sumergida en el fluido del pozo.

A la fecha, este sistema ha probado ser el más adecuado para las zonas urbanas. La unidad de bombeo mecánico ha resultado ser un equipo para trabajo continuo durante décadas. El uso de este sistema se continúa incrementando, teniendo la ventaja adicional de ser el idóneo para los pozos que se encuentran en la última etapa de explotación, figura 1.5.

ÁRBOL DE CONEXIONES SUPERFICIALES

BOMBA SUBSUPERFICIAL

ANCLA MECÁNICA SARTA DE VARILLAS

UNIDAD DE BOMBEO

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9

1.2 ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS

De lo expuesto anteriormente, se concluye que los sistemas artificiales que siguen operando con éxito en Poza Rica y en general en el mundo son: el Sistema de Bombeo Mecánico y el Sistema de Bombeo Neumático.

El sistema de Bombeo Mecánico, debido a su operación silenciosa, el no uso de ductos de gas a presión y la sencillez del mantenimiento de las unidades de Bombeo Mecánico, lo hace ideal para sustituir al sistema de bombeo neumático en los pozos localizados en áreas con gran densidad de población, en los que además de las anteriores ventajas se requieren instalaciones no contaminantes del medio ambiente.

Por las causas anteriores y debido a las características de muchos yacimientos petroleros con tantos años de explotación, el sistema artificial del futuro es el de Bombeo Mecánico.

En nuestro país, el sistema de bombeo neumático que inicialmente era el idóneo, va siendo desplazado paulatinamente por el sistema de Bombeo Mecánico, aunque en los campos alejados de los núcleos poblacionales, por muchos años seguirá redituando beneficios.

Por lo anteriormente expuesto los sistemas: de bombeo electro- centrífugo, de bombeo hidráulico y el de bombeo de cavidad rotativa, prácticamente han dejado de utilizarse en las actividades de producción.

1.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ARTIFICIAL DE BOMBEO MECÁNICO.

1.3.1 ASPECTOS GENERALES

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10

procedimiento artificial de recuperación de hidrocarburos, por medios mecánicos exclusivamente.

Este sistema se utiliza generalmente en pozos cuya presión natural para elevar el aceite hasta la superficie es insuficiente y la relación gas-aceite es baja. Cabe agregar, que en general, las causas que originan la insuficiencia del yacimiento para subir su producción a la superficie pueden ser:

1) La disminución de la presión de fondo del yacimiento, ya sea por ser característica de él o por sobre explotación del mismo.

2) El incremento de agua en el yacimiento. 3) La baja permeabilidad de la formación.

Se entiende por baja permeabilidad de un yacimiento, a la falta o deficiente comunicación entre los poros de la roca productora en donde se encuentran los hidrocarburos.

Como se explicó en el artículo anterior, en el sistema de bombeo mecánico se tiene una bomba subsuperficial de émbolo ahogada en seno de hidrocarburo dentro del pozo, la cual es accionada por medio de una sarta de varillas que se extienden hasta la superficie, las que a su vez son movidas por una Unidad de Bombeo Mecánico, mejor conocida como “bimba”. Esta UBM tiene por objeto proporcionar por medio de la sarta de varillas a la bomba subsuperficial, la energía necesaria para elevar el fluido dentro del pozo hasta la superficie, y de ahí a la batería de separadores.

Se puede decir entonces en general, que los componentes principales de un Sistema de Bombeo Mecánico son de dos tipos, a saber:

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11

1.3.2 ELEMENTOS DE QUE CONSTA EL EQUIPO SUPERFICIAL

1) Unidad de Bombeo Mecánico.

Su función primordial es la de transmitir la potencia necesaria a la sarta de varillas llamadas de succión y éstas a su vez a la bomba subsuperficial. Esto produce en el émbolo de la bomba movimientos alternativos con lo que se extrae la producción del yacimiento hasta la superficie (ver tipos de UBM’S Fig. 1.13- 1.15).

2) Balancín elevador.

Componente de la UBM que por medio de un movimiento oscilatorio, transmite potencia a la sarta de varillas de succión, a través de otro elemento llamado “Cabeza de Caballo” o “cabeza de Mula”, que va en uno de sus extremos, de la cual pende un cable llamado “cable colgador”, que por medio de una grampa transmite el movimiento a la “varilla pulida”, la cual a su vez al estar roscada a la sarta de varillas de succión, transmite el movimiento a ellas, las que a su vez en el fondo del pozo , mueven un pistón hueco de la bomba subsuperficial, que impulsa el aceite a la superficie (ver Fig. 1.13- 1.15).

3) Árbol de Conexiones Superficiales en el Pozo.

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12

producción a la batería de separadores proporcionando un enlace entre el equipo superficial y el subsuperficial. En la figura 1.6 se presenta un dibujo de este equipo, con los nombres de cada uno de los elementos que lo integran.

Fig. 1.6 Árbol de Conexiones Superficiales en un pozo de bombeo mecánico(14)

1.- Cruceta.

2.- Niple de 3"(7.62cm) de diámetro extremos roscados largo 7"(17.78cm). 3.- Tée de 3"(7.62cm) de diámetro.

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13

6.- Reducción botella de 3"(7.62cm) a 2"(5.08cm) de diámetro. 7.- Reducción botella de 2"(5.08cm) a 1 1/2 "(3.8cm) de diámetro. 8.- Válvula de aguja de 1/2"(1.27cm) de diámetro.

9.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo de 3"(7.62cm). 10.- Válvula de compuerta "FW' de 2"(5.08cm) de diámetro.

11.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 4"(10.16cm). 12.- Check de baja de 125psi(8.80Kg/cm2)(880281N/m2) 2"(5.08cm) de diám. 13.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 6"(15.24cm). 14.- Tée de 2"(5.08cm) de diámetro.

115.-Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 4"(10.16cm). 16.- Tapón de 2"(5.08cm) de diámetro.

17.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 19"(48.26cm). 18.- Codo de 90' de 2"(5.08cm) de diámetro.

19.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 21"(53.34cm). 20.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 8"(20.32cm). 21.- Tuerca unión de golpe 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados 2000 psi.

(140Kg/cm2)(140x105N/m2).

22.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 8"(20.32cm). 23.- Válvula de compuerta FIP, 2"(5.08cm) de diámetro 1000 psi (70Kg/cm2)

roscada.

24.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 8"(20.32cm). 25- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 15” (38.1cm). 26.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 6"(15.24cm). 27.- Válvula check de alta 800 PSI(56.33Kg/cm2), 2"(5.08cm) de diámetro. 28.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 6"(15.24cm). 29.- Niple de 2"(5.08cm) de diámetro extremos roscados largo 7"(17.78cm). 30.- Cople de extremos roscados 2"(5.08cm) de diámetro.

4) Mecanismos de Seguridad y Control.

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14

vigilar y controlar las manifestaciones del fluido al ser conducido por las conexiones superficiales del pozo. Estos mecanismos son dos: un “preventor” y un “estopero”; el primero cierra automáticamente cuando se presenta una rotura en la línea de descarga del pozo que conduce el crudo a la “batería de separadores”, evitando así derrames de crudo y fugas de gas que podrían provocar una explosión.

El estopero que va en la parte superior del árbol, sella el interior de la TP con la varilla pulida, de tal manera que evita derrames por la parte superior del árbol a la atmósfera.

Existen otros dispositivos de protección y control, que paran la unidad en caso de un ”atorón” de la sarta de varillas, o en caso de rotura de la línea de descarga del pozo, o en caso de corto circuito en el motor eléctrico de la unidad.

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15

5) Motor de la Unidad de Bombeo Mecánico.

El motor, que va montado sobre la base de la unidad, acciona a la misma para producir el movimiento oscilatorio de que se ha hablado, puede ser eléctrico o de combustión interna, y por medio de una transmisión de bandas, transmite potencia a la caja reductora de la unidad, conjunto que baja la velocidad angular del motor, hasta lograr unas 11 rpm., lo cual se convierte en alrededor de once emboladas por minuto en la bomba subsuperficial (más o menos según la producción del pozo). Cuando se desea cambiar esta relación, normalmente se cambia la polea del motor, ya sea para aumentarla o para disminuirla.

6) Varilla Pulida,

Es la unión directa entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial, pasa a través de las conexiones superficiales del árbol, el diámetro y longitud utilizado normalmente en los pozos del Activo de Producción Poza Rica es de 1 ½”∅(3.81cm) x 22’(6.7m) de longitud y está fabricada en acero aleado al manganeso, níquel y molibdeno. Superficialmente la varilla pulida tiene acabado espejo con el propósito que no dañe los sellos del estopero fijo al árbol de válvulas (ver figura 1.9).

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6) Grampas.

Este dispositivo (ver fig.1.10) sirve para conectar por apriete al block del cable colgador a la varilla pulida y carga el peso de la sarta y del hidrocarburo producido por el pozo. Estas grampas pueden usar uno, dos o tres tornillos para el apriete, dependiendo del peso a levantar, incrementándose por supuesto la seguridad con el aumento del número de los mismos. Por razones económicas, es recomendable el uso de un solo tornillo para pozos someros y conforme aumenta la profundidad es preferible la utilización de grampas con mayor número de tornillos.

Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 55000

lb.(25000Kg) Máxima carga recomendada 25000

lb(11363Kg)

Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 35000

lb.(15909Kg) Máxima carga recomendada 25000

lb(11363Kg)

Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 75000

lb.(34090Kg) Máxima carga recomendada 40000

lb(18181Kg)

Fig. 1.10 Grampas. (4)

1.3.3 ELEMENTOS DE QUE CONSTA EL EQUIPO SUB-SUPERFICIAL

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• Sarta de Varillas de succión.

Es el enlace entre los mecanismos superficiales y los mecanismos sub- superficiales para transmitir la potencia necesaria a fin de lograr subir la producción del yacimiento a la superficie.

Fig.1.11 Varilla de Succión. (3)

• Bomba Sub - superficial:

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Fig. 1.12 Bomba Sub- superficial (9)

• Tubería de Producción (TP).

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• Ancla Mecánica o Empacador (5).

El ancla mecánica es un mecanismo provisto de un dispositivo necesario para fijarse firmemente a la TR a determinada profundidad y va roscada a la sarta de la tubería de producción (T.P.); su función principal es la de

impedir el movimiento de la tubería de producción (T.P.) durante el movimiento alternativo de bombeo. Para llevar a cabo lo anterior, cuenta con un conjunto de uñas aceradas que se fijan a la Tubería de Revestimiento (TR), según se dijo.

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Fig.1.13. Unidad convencional

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1.4 EXPLICACIÓN DEL CONTENIDO DE LAS FIGURAS 1.16-1.22 QUE SE MUESTRAN A CONTINUACIÓN

En las figuras de la 1.16 a la 1.22, se muestra gráficamente como es el balancín en buenas condiciones (fig 1.16) y como queda el balancín después de haber sufrido una torcedura plástica y haber caído por rotura del cojinete del poste maestro,(fig. 1.17). La fig. 1.18 muestra el cojinete izquierdo fracturado que trae como consecuencia la caída del balancín.

La fig 1.18 y 1.19 muestran el golpe que recibe la estructura del poste maestro, por el impacto del balancín en su caída.

En la fig. 1.20 se observa el cojinete izquierdo fracturado, que causó la caída del balancín, y el derecho con el rodamiento todavía fijo a la manivela.

La fig. 1.21 muestra la estructura angular que da rigidez al balancín, con su soldadura desprendida.

Por último la figura 1.22 muestra a los anclajes del poste maestro que tendieron a arrancarse, por el par torsional que causó el desprendimiento del balancín.

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Figura 1.21 se observa como se fracturó la soldadura de la estructura que da rigidez a la Vigueta Central.

Figura 1.22 se observa como la pata derecha y las tuercas tendieron a arrancarse, debido al par torcional producido por la vigueta al caer al Fig. 1.21 Se observa como se fracturó la soldadura de la estructura que da rigidez al balancín elevador

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CAPÍTULO 2

DETERMINACIÓN DE LA CARGA PICO SOBRE EL BALANCÍN DE UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO MARK II (9)

2.1 MOVIMIENTO BÁSICO DE BOMBEO DE UN SISTEMA NO ELÁSTICO SIMPLE.

Las fuerzas que intervienen en un sistema de varillas elásticas en movimiento son complejas, por lo que, a fin de entender los conceptos básicos de bombeo con varillas de succión, es conveniente empezar por dividir el movimiento en sus dos componentes más simples y considerar que en la carrera ascendente la carga de varillas y fluido, está concentrada en una masa no elástica, como una enorme pelota en el fondo de la sarta, y que en la carrera descendente, la carga de varillas sola, equivale a una pelota de menor tamaño o peso.

Por ejemplo, se supone momentáneamente que la sarta de varillas está concentrada en una masa de 6000 lb. (2727.27Kg.)(26754.5N) de peso y la carga de fluido en una segunda masa de 4000 lb(1818.18Kg)(17836.3N), para un total de 10000 lb(4545.45Kg)(44590.8N)de carga en la carrera ascendente despreciando las cargas por fricción. Ahora se aplica una fuerza ascendente de 10000 lb(4545.45Kg)(44590.8N) en la varilla pulida, contra las 10000lb(4545.45Kg.) (44590.8N) del peso concentrado de varillas y fluido. Entonces, el sistema permanece en equilibrio, debido a que la varilla pulida jala hacia arriba con la misma fuerza con que las varillas y fluido jalan hacia abajo. Las fuerzas simplemente permanecen estáticas.

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una cierta aceleración. Esta componente de fuerza adicional ascendente se llama factor de impulso o factor de aceleración ( α ) y se expresa como uno ( 1.0 ) mas algún porcentaje de la carga estática. En el caso anterior, agregar un 10% a la carga estática de varillas y fluido, equivale a multiplicar por 1.1. Un factor de impulso de 0.2 seria equivalente a multiplicar dicha carga por 1.2, lo que significa que la fuerza total ascendente en la varilla pulida es el peso estático de varillas y fluido, mas un 20% de fuerza adicional sobre la carga estática, a fin de acelerar las varillas y fluido hacia arriba con una cierta velocidad de bombeo. Para bombear más rápidamente es necesario aplicar una fuerza ascendente igual al peso estático de varillas y fluidos más 30% ó 40% de dicho peso, para obtener un impulso o factor de aceleración de 1.3 ó 1.4 respectivamente.

El producto del peso estático de las varillas y fluido por el factor de impulso, da como resultado, aproximadamente, la carga máxima (carga pico) aplicada en la

varilla pulida y el balancín central, considerando una masa concentrada, como se considera en un sistema de bombeo mecánico en un pozo somero con cargas ligeras

2.2 PATRON TÍPICO DE CARGAS EN EL BALANCÍN DURANTE UN CICLO DE BOMBEO DIVIDIDO EN CUATRO ZONAS DE MOVIMIENTO

Todos los sistemas de bombeo mecánico que operan a una velocidad finita, tienen como característica común el patrón típico de cargas ilustrado en la fig. 2.1, despreciando los efectos de las fuerzas de fricción y armónicas. De esta forma Iniciando en el fondo de la carrera de la varilla pulida y moviéndose hacia arriba se tiene:

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componente de la fuerza de inercia se suma a la carga estática de la masa de Varillas y fluido.

Debido a que la máxima aceleración hacia arriba ocurre en esta zona, normalmente el producto de la masa compuesta de varillas y fluido por la máxima aceleración, da como resultado la carga pico o carga máxima en la varilla pulida.

Zona 2.- Es la parte de la carrera ascendente que se extiende desde cerca del punto medio hasta el tope de la carrera. En esta zona, aun se tiene la máxima carga de varillas y fluido, pero se está desacelerando, consecuentemente, la componente de inercia de la masa de varillas y fluido, se está restando del total del peso estático.

Zona 3.- Se inicia en la parte superior de la carrera descendente, desplazándose hacia abajo hasta un punto cerca de la mitad de la carrera. En esta zona únicamente se tiene el peso de las varillas flotando menos el componente de inercia. Normalmente es en esta zona donde ocurre la máxima aceleración hacia abajo.

Zona 4.- Se inicia en algún lugar cerca de la mitad de la carrera descendente y se extiende hasta el fondo de la carrera. En esta zona, las varillas flotando se desaceleran en preparación para detenerse en el fondo de la carrera, entonces, el componente de inercia se suma al peso de las varillas.

(57)

30 I1 III

I IV

Wr

+α

Wr

Wf

+α

Wr

-α Wr

Wf

-α

.

Fig. 2.1 Patrón típico de cargas en el balancín, durante un ciclo de bombeo, dividido en cuatro zonas

Esta simplificación en la práctica, no es completamente verdadera, debido a que es una columna elástica de varillas y fluido, las fuerzas armónicas constantemente se suman y restan a las fuerzas estáticas y de inercia, de tal forma que las cargas exactas en la varilla pulida pueden predecirce únicamente utilizando modelos matemáticos complejos.

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31

complejo. Sin embargo, en cualquiera de los casos, el concepto de las cuatro zonas es muy importante para entender apropiadamente el desplazamiento de las fuerzas en un sistema de bombeo.

2.3 DIVISIÓN DEL TRABAJO MECÁNICO EN UN SISTEMA DE DE BOMBEO MECÁNICO.

Prácticamente en todas las aplicaciones de bombeo mecánico, el fluido se produce por la combinación de dos fuerzas separadas:

1) Energía del yacimiento.

2) Energía suministrada por el sistema de producción artificial.

La división del trabajo en el que un porcentaje es aportado por el yacimiento y otro, por el sistema de bombeo, cambia continuamente y en ocasiones, radicalmente. Por ejemplo, para un pozo en particular, supóngase que en un momento dado, el 60% de la energía necesaria para elevar el fluido y vencer la fricción, es proporcionada por el yacimiento, y que el 40% restante es proporcionado por el sistema de producción artificial. Varias horas después en el mismo pozo, se bombea sin haber variado la velocidad de bombeo, ni la longitud de carrera, y entendiéndose además la misma cantidad de fluidos producidos, ocurre exactamente lo contrario, es decir, 60% de la energía requerida es la contribución del sistema de bombeo y el 40% es del yacimiento. De lo anterior se establece lo siguiente: la energía para elevar el fluido y vencer la fricción es igual a la energía proporcionada por el yacimiento, más la energía suministrada por el sistema de producción artificial.

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proporciona el yacimiento se puede determinar únicamente si se tiene la información para calcularla. Como: nivel de fluido, su gradiente, presión anular, etc.

Consecuentemente, si no se reconoce esta división de trabajo, es difícil evaluar el verdadero comportamiento del sistema de bombeo mecánico.

2.4 GEOMETRÍA DE LA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO.

La geometría de todas las unidades de bombeo mecánico cae dentro de dos clases:

• La de clase “I”, que tiene el reductor de engranes colocado en la parte trasera con apoyo a la mitad del balancín, está representada por la unidad convencional. En la Fig. 2.2 se aprecia el apoyo (F) cerca del centro, el esfuerzo del motor principal (E) aplicado en un extremo del balancín y la resistencia de la carga del pozo (R) está presente en el extremo opuesto del balancín.)

• La de clase III, con el reductor de engranes colocado al frente, representada por las unidades Mark II y balanceada por aire.

Las diferentes distribuciones de palancas y localización de los cojinetes en el balancín con relación a la flecha de la manivela, dan como resultado las distintas geometrías. Para ilustrar la diferencia, en la Fig. 2.2 se presenta un modelo de unidad clase III, con el cojinete desplazado de la vertical con respecto a la flecha de la manivela y otro modelo de unidad convencional, con el cojinete directamente arriba de la flecha de la manivela.

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de la unidad de clase III se queda atrás del de la unidad convencional, dando por resultado una menor aceleración desde el fondo, cuando se está elevando la máxima masa de varillas y fluido. Esta aceleración reducida de la primera unidad producirá, en la mayoría de los casos, una menor carga pico sobre el balancín en comparación con la producida por la unidad convencional.

En el caso de que la máxima carga pico soportada por la varilla pulida y el balancín central, sea excesiva en cualquiera de las unidades, la velocidad de bombeo debe reducirse.

En la Fig.2.2 a los 90° de rotación de la manivela, la unidad convencional ha pasado su periodo de aceleración ascendente. A continuación reduce su velocidad preparándose para detenerse en la parte superior de la carrera. La unidad clase III no iniciará su desaceleración hasta que haya pasado la marca de los 90°.

A los 135° de desplazamiento de la manivela, en la Fig.2.3, la carrera de la unidad de clase III (Mark II) aún viene atrasada con respecto a la unidad clase I.

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Fig. 2.5 Comparación del movimiento del balancín y manivela, desde los 315° hasta los 360°, en las Unidades clase I y clase III. A los 315º la unidad III ya va adelante, a los 360º llegan iguales; por lo que desacelera más.