Bombeo
Mecánico
INTRODUCCIÓN
El sistema de bombeo mecánico es el método mas utilizado como levantamiento artificial. Aproximadamente el 80% de los pozos en los diferentes campos que usan sistemas artificiales, tienen instalado con bombeo mecánico.
El bombeo mecánico es un procedimiento de succión y transferencia casi continua del petróleo hasta la superficie.
El balancín o bimba de producción, imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas de succión que a su vez mueve el pistón de la bomba, colocada en la tubería de producción, a cierta profundidad del fondo del pozo, donde las válvulas de la bomba permiten que el aceite entre al cilindro de la bomba y posteriormente pase a la tubería de producción. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo hacia la superficie.
Los fluidos fluyen de una
región de alta presión a una
de baja presión
La cantidad de flujo en el
fondo
del
pozo
es
determinada por el gasto de
flujo que fluye frente a la
formación.
Existen diferentes sistemas artificiales entre ellos el bombeo mecánico reciprocante.
Su función es extraer fluidos mediante un movimiento ascendente-descendente, que se transmite por medio de la sarta de varillas a la bomba colocada dentro de la TP en el fondo, cerca del yacimiento.
Los fluidos que se acumulan en la TR llegan a la superficie a través de la TP.
Varillas de succión Cabeza l Bomba subsuperficial UBM
Varillas de succión Cabezal Bomba subsuperficial UBM
Unidad de Bombeo Mecánico.
Cabezal y Conexiones Superficiales
Sarta de Varillas.
Bomba Reciprocante.
Un bajo índice de productividad.
Que no haya producción de arena, si la hay que sea muy
baja.
Que exista una presión de fondo fluyendo suficiente para que
los fluidos alcancen un nivel estático en el pozo.
Que no haya depósito de parafinas.
Que la Pwf > Pb a la profundidad de colocación de la bomba.
SUPERFICIAL
Motor
Reductor de engranes
Unidad de bombeo
SUBSUPERFICIAL
Bomba
Sarta de varillas
EQUIPO
MOTOR ELÉCTRICO
Bajo costo inicial.
Menor costo de
mantenimiento
Facilidad para ajuste en
un sistema de
automatización
MOTOR DE COMBUSTIÓN
Control de velocidad más
flexible.
Menor costo de
combustible.
Tipo de Motores
Función: Reducir la velocidad del motor principal a
una velocidad de bombeo adecuada.
Sujeto a una torsión máxima.
La polea de la unidad recibe la potencia del motor
principal a través de bandas.
FUNCIONES:
Transfiere la energía del motor principal a la
sarta de varillas.
Convierte el movimiento rotatorio del motor a
uno oscilatorio
Reduce la velocidad del motor a una velocidad
adecuada de bombeo
Mantiene la verticalidad de la varilla pulida.
Para mover la bomba de fondo se utilizan las
UBM’s, su función es convertir el movimiento rotativo de un motor en un movimiento
reciprocante.
Existen diferentes tipos de unidades, entre otras
: Rotaflex, Hidroneumáticas, de balancín (bimba)
En una Bimba el motor mediante
el reductor de engranes hace girar las manivelas y que a su vez mueven el balancín.
En una UBH el motor mueve una
bomba hidráulica para que
mediante el sistema hidráulico se muevan en forma reciprocante unos cilindros (gatos hidráulicos)
Unidades de Bombeo Mecánico
El peso de la sarta de succión, la bomba y
de la columna de fluidos desequilibran la fuerza necesaria para el movimiento reciprocante, es decir, se requiere mucha fuerza para levantar el aparejo, y solo la gravedad para bajar.
Para disminuir este esfuerzo, el peso del
aparejo se equilibra o balancea con masas de acero (contrapesos), en el caso de la bimba y en el caso de la UBH con la fuerza que proporciona el nitrógeno a presión.
Una vez balanceado, solo es necesaria
poca fuerza para subir y bajar la bomba en el fondo, esto reduce por mucho el consumo de energía necesaria, de ahí la importancia de un buen balanceo.
Unidades de Bombeo Mecánico
EL SISTEMA TRABAJA MÁS Y LAS CARGAS SON MÁS ALTAS CUANDO EL NIVEL FLUIDO ESTA MÁS CERCA A LA SUCCIÓN DE LA BOMBA.
En el cabezal del pozo se
utilizan válvulas para el
control y manejo de los
fluidos,
así
como
accesorios
para
la
operación del equipo de
bombeo mecánico y el
aparejo de producción.
- CLASE I Unidad Convencional
- CLASE III Aerobalanceada y MARK II
VENTAJAS
Tiene bajo costo de
mantenimiento
Costos menores que otro tipo
de unidades.
Es usualmente mejor con
varillas de fibra de vidrio.
Puede girar en el sentido de las
manecillas del reloj y contrario.
Puede bombear más rápido que
la Mark II sin problemas.
Requiere menos contrabalanceo
que la Mark II.
DESVENTAJAS
En muchas aplicaciones, no es
tan eficiente como la Mark II.
Puede requerir una caja de
velocidades mayor que otro tipo de unidades (especialmente con varillas de acero).
Compensador Cable Colgador Guarda Bandas (Tolva) Contra Peso Reductor de Engranes Freno Muñón Brazo Pitman (Bielas) Patín Escalera Poste Sampson Motor Principal
Cable del Freno
Palanca del Freno Balancín Cabeza de Caballo Manivela Cojinete Central Barra Portadora o elevador Varilla Pulida
VENTAJAS
Tiene bajo torque en muchos
casos (con varillas de acero).
Puede bajar costo (5 a 10 %)
comparada con el siguiente tamaño de la unidad convencional.
DESVENTAJAS
En muchas aplicaciones, no
puede bombear tan rápido como la Convencional, porque puede causar problemas de fallas en las varillas.
Puede girar solamente en
sentido contrario a las manecillas del reloj.
Puede causar más daño a las
varillas y bomba en caso de fluido pesado.
Puede someter a la sarta de
varillas en el fondo del pozo a severa compresión que puede
causar fallas por pandeo.
VENTAJAS
Es más compacta y más
fácil para balancear que
otras unidades.
Los
costos
de
transportación son menores
que otras unidades.
Puede girar en el sentido
de las manecillas del reloj o
sentido contrario.
DESVENTAJAS
Es más complicada y
requiere
mayor
mantenimiento (compresor
de aire, cilindro de aire).
La condensación de agua en
el cilindro puede causar
problemas.
La caja de velocidades
puede ser dañada si el
cilindro pierde presión de
aire.
El API ha desarrollado un método estándar para identificar y describir las
unidades de bombeo. Por ejemplo, para la unidad C - 320D-256- 100
TIPO DE UNIDAD:
C CONVENCIONAL M MARK II A AEROBALANCEADA
TORSIÓN MÁXIMA QUE PUEDE TOLERAR LA FLECHA DEL REDUCTOR DE ENGRANES EXPRESADA EN 10³ (pg.lb) LA LETRA D INDICA QUE TIENE UN DOBLE REDUCTOR DE ENGRANES. CARGA MÁXIMA QUE SOPORTA LA VARILLA PULIDA EXPRESADA EN 10² (lb). MÁXIMA LONGITUD DE CARRERA DE LA VARILLA PULIDA EXPRESADA (pg)
Designación de Unidades
Es el eslabón entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial.
En un momento del ciclo las cargas que soporta son: Peso del fluido
Peso de las varillas Cargas de aceleración Carga por vibración Fuerza de flotación Fuerzas de fricción
Función
Reducir los requerimientos de torsión en el reductor de
engranes.
Reducir el tamaño del motor principal (hp´s).
El efecto de contrabalanceo puede obtenerse colocando
contrapesos en el balancín, biela o manivela.
El contrapeso tiene un peso aproximadamente igual al peso de
las varillas más la mitad del peso del fluido.
Unidad de bombeo con y sin contrabalanceo. Se desprecian las fuerzas de flotación, inercia y dinámicas. Wr = 10,000 lbs. Y Wf = 4,000 lbs.
UNIDAD SIN
CONTRABALANCEO CONTRABALANCEO UNIDAD CON
Carrera ascendente (Wr+Wf) – 0 = 14000 lbs. Carrera descendente (-Wr+ 0 ) = -10000 lbs. Carrera ascendente (Wr+Wf) – 12000 = 2000 lbs. Carrera descendente (-Wr+ 12000 ) = 2000 lbs.
Ejemplo
Función
Desplazar los fluidos del yacimiento desde el fondo del pozo hasta la superficie por el interior de la tubería de producción.
Componentes 1) Barril de trabajo 2) Émbolo 3) Válvula viajera 4) Válvula de pie
Bomba Subsuperficial
Válvula viajera Válvula estacionaria Émbolo Cilindro de trabajo y camisa
Partes Básicas que Componen la Bomba Subsuperficial del Sistema de Levantamiento por Bombeo Mecánico
NOMENCLATURA DE LAS BOMBAS RECIPROCANTES DE SUBSUELO
LA AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE (API) HA DISEÑADO UN MÉTODO PARA DESIGNAR LOS DISTINTO TIPOS Y DISEÑOS DE BOMBAS
Bomba de Inserción:
En la TP se coloca la zapata candado.
La bomba completa (barril y pistón) se bajan dentro de la TP con las varillas.
Bombas de tubería:
El barril y la zapata candado se baja con la TP.
La válvula de pie puede bajarse con en la zapata o con el émbolo. El émbolo se baja después con las varillas.
Está compuesta de dos partes principales: el émbolo y el barril cada uno con una válvula Ciclo de bombeo:
Émbolo hacia abajo cerca del final de la
carrera, el fluido pasa a través del la
válvula viajera, el peso de la columna es soportado en la válvula de pie.
Émbolo hacia arriba arrastrando los
fluidos arriba de la válvula viajera, la válvula de pie admite fluidos del
yacimiento.
Émbolo hacia arriba cerca del fin de la
carrera, válvula de pie abierta y viajera cerrada.
Émbolo hacia abajo, válvula de pie
cerrada por la compresión, la válvula viajera se abre por el mismo efecto.
La Bomba Reciprocante
Sarta de Varillas
La sarta de varillas de succión es un sistema vibratorio
complejo mediante el cual el equipo superficial transmite energía o movimiento a la bomba subsuperficial.
La selección de la sarta de varillas depende de la profundidad
del pozo y las condiciones de operación de este.
Su diseño consiste en seleccionar la sarta más ligera y por lo
tanto más económica, sin exceder el esfuerzo de trabajo de las propias varillas.
El esfuerzo de trabajo depende de la composición química de
las varillas, propiedades mecánicas y fluido bombeado.
Ejemplo: Varilla API No. 86
86
8/8 (1”)
7/8”
6/8” (3/4”)
(a) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del fondo de la carrera.
(b) El émbolo sube, cerca del fondo de la carrera.
(c) El émbolo sube cerca de la parte superior de la carrera.
(d) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del tope de la carrera.
•
Buena eficiencia.
•
Optimización y Controles.
•
Bajo costo de mantenimiento.
•
Desplazamiento Positivo.
•
Materiales para disminuir problemas de
Corrosión.
•
Flexibilidad - Ajustar Producción
a través de carrera y EPM.
Ventajas
Varillas de succión Cabezal Bomba subsuperficial UBM•
Desgaste de varillas y TP en pozos
desviados.
•
Altas Relaciones
Gas-Aceite.
•
Limitación de la varillas para manejar
las cargas-volumen.
•
Decrece con la profundidad.
•
Cuestiones estéticas y ambientales.
Limitaciones
Varillas de succión Cabezal Bomba subsuperficial UBMRango Tipico Máximo* Profundidad 100 - 11,000’ TVD 16,000’ TVD Volumen 5 - 1500 BPD 2000 BPD Temperatura 100° - 350° F 550° F Desviación 0 - 20° 0 - 90° <15°/100’
Corrosión Bueno a Excelente
con materiales especiale s
Manejo de Gas Aceptable a Bueno
Manejo de Solidos Aceptable a Bueno
Densidad Fluido 6 a 35 ° API
Servicio ERTP
Tipo de motor Gas o Eléctrico
Aplicaciones Marinas Limitada
*Se requiere analisis especial
Rango de Aplicación
Varillas de succión Cabezal Bomba subsuperficial UBMUBH (desventajas) • Supervisión diaria.
• Menor vida útil de las partes componentes.
• Poco conocimiento por ser un sistema artificial
relativamente nuevo (paradigma).
UBH VS BIMBA
UBH (ventajas)
• Cambios de carrera pulg a pulg.
• No necesita preparación especial de terreno.
• Pueden instalarse en pozos con cabezal desviado.
• Se transporta fácilmente.
• Pueden realizarse pruebas de carga. • Baja inversión inicial.
• Mayor versatilidad en pozos de diferente profundidad.
• Mayor seguridad en la instalación en zonas pobladas.
Bimba
Movimiento más uniforme en carreras.
Menor supervisión.
Cuenta con solo tres partes móviles.
Mayor vida útil de las partes.
En algunas aplicaciones puede ser más eficiente (MARK
II, Equipos no sobredimensionados).
Patrón típico de cargas
•
Zona 1
Máxima carga, inicia carrera ascendente varillas y fluido con aceleración máxima, la inercia se suma a la carga estática. Desde el fondo hasta media carrera
ascendente.
•
Zona 2
parte de la carrera ascendente hasta el tope, máxima mase de varillas y fluido, en desaceleración, la inercia se resta a la carga estática.
•
Zona 3
Inicia la carrera descendente desde el tope, hasta media carrera descendente, solo se tiene le peso de la sarta flotando menos la inercia, máxima aceleración descendente.
•
Zona 4
de media carrera descendente hacia el fondo de la carrera, el peso de la varilla flotando se desacelera, la inercia se suma al peso de las varillas
Wv Wl Wv Wl W v Wv a=max,v=0 a=0,v=max a=max,v=0 1 2 3 4
Selección del tamaño bomba
• Desplazamiento teórico de la bomba PD = 0.1484 x Ap x Sp x N
Donde Ap = área pistón Sp = Carrera pistón
N = velocidad de bombeo
• La Eficiencia Volumétrica se conoce hasta que se define el gasto deseado.
Ev = q / PD
La eficiencia normalmente se estima mediante la experiencia local
• De aquí dp2 = .1166 (Ev)PD / Sp N
Donde dp = diámetro del pistón
Diseño de sarta de varillas
• Esfuerzo Máximo: Pude seleccionarse asignado a cada sección un
esfuerzo máximo si se pasa de este valor, se selecciona una de mayor tamaño.
• Esfuerzos Iguales: es mas utilizado y consiste en considerar
esfuerzos iguales en la parte superior de cada sección, dependiendo de la longitud de la sarta y el émbolo usado.
• Los factores que intervienen que forman la carga total del la
sarta:
1. El peso muerto de la sarta
2. La carga por aceleración
3. La fuerza de flotación
4. La carga de fluido
Diseño de sarta de varillas
• El peso muerto esta dado por la suma de todas las varillas y
accesorios de la sarta
• La carga por aceleración puede calcularse mediante la ecuación
de Mills:
α = S N2 / 70,500
• Fuerza de Flotación está dada por el empuje del líquido
desplazado por la sarta sumergida en un fluido dado: Ff = -0.127 Wr dens
• Carga de fluido esta dada por el peso del fluido soportado por el
área del émbolo
Diseño de sarta de varillas
• La Fricción es difícil determinar sin un análisis de la geometría y
materiales del pozo, por lo que normalmente se desprecia
• La elongación es un factor para determinar factores como el
espaciamiento, sobre viaje del émbolo etc.
• er = Er Wf L
Donde: Er es la elasticidad del material
Contrabalanceo
• A fin de reducir las dimensiones de la unidad se colocan
contrapesos en el sistema con un peso aproximadamente igual al peso de las varillas mas la mitad del peso del fluido:
• Idealmente el contrabalanceo es:
Torsión en la UBM
• La torsión máxima en el reductor de engranes está dado
por la carga máxima menos el contrabalanceo por la mitad de la carrera:
• Idealmente el torque es:
