SISTEMAS BOMBEO MECANICO (BMC) Y NEUMÁTICO (BN) INTRODUCCION
El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma.
El manejo de los fluidos en superficie provenientes de un yacimiento de petróleo o gas, requieren de la aplicación de conceptos básicos relacionado con el flujo de fluidos en tuberías en sistemas sencillos y en red de tuberías, el uso de válvulas accesorios y las técnicas necesarias para diseñar y especificar equipos utilizados en operaciones de superficie.
Los fluidos de un yacimiento de petróleo son transportados a los separadores, donde se separan las fases líquidas y gaseosas. El gas debe ser comprimido y tratado para su uso posterior y el líquido formado por petróleo agua y emulsiones debe ser tratado para remover el agua y luego ser bombeado para transportarlo a su destino.
El propósito de este trabajo es proporcionar los conceptos básicos para el entendimiento del sistema de bombeo mecánico y neumático (gas lift).
1 OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Familiarizarnos y obtener conocimientos acerca del sistema de Bombeo Mecánico (BMC) y Bombeo Neumático o Gas Lift (BN) como método alterno de producción para pozos de petróleo, proporcionando los conocimientos básicos de levantamiento artificial, principios de funcionamiento, componentes y herramientas de fondo y superficie, selección de equipos y accesorios así como las operaciones fundamentales que incide en la producción y que obtengan una visión integral de ambos Sistemas de Producción, además del proceso de Diseño.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Dar a conocer una serie de conceptos claves relacionados con el bombeo mecánico, así como el origen, principio de funcionamiento y aplicación de este sistema de levantamiento artificial, ventajas, desventajas, como además algunos aspectos básicos de Levantamiento artificial.
Instruir a nuestros compañeros de todos los equipos involucrados tanto en la parte de subsuelo, las herramientas usadas, así como en la parte de superficie, desde el concepto, funcionamiento, componentes, características, tipos y todo lo necesario para manejar los términos.
Enseñar las herramientas de subsuelo más usadas para dar un buen diagnóstico sobre un pozo con algún daño en particular.
Dar a conocer como se forma una carta dinamométrica, así como analizar e interpretar las diferentes formas de bombeo tanto normal como con dificultad y análisis de la falla.
Conocer lo posible del bombeo mecánico y neumático
2 BOMBEO MECANICO CONVENCIONAL (BMC) 2.1 DEFINICIÓN
Es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecánico está compuesto básicamente por las siguientes partes: unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas, bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo). Un equipo de bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una perforación.
Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático. Un motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de un eje de metal. El otro extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de metal que se mueve hacia arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo.
El balancín de producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento se asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción o de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.
La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre petróleo a la bomba.
La repetición continua del movimiento ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo
hacia la superficie. Como en el bombeo mecánico hay que balancear el ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede ubicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la manivela. Otra modalidad es el balanceo neumático, cuya construcción y funcionamiento de la recámara se asemeja a un amortiguador neumático; generalmente va ubicado en la parte delantera del balancín. Este tipo de balanceo se utiliza para bombeo profundo.
2.1.1 VENTAJAS
Fácil de operar y de hacer mantenimiento
Se puede cambiar fácilmente de la rata de producción por cambio en la velocidad de bombeo o stroke.
Puede bombear el pozo a una muy baja presión de entrada para obtener la máxima producción.
Usualmente es la más eficiente forma de levantamiento artificial.
Se puede fácilmente intercambiar de unidades de superficie.
2.1.2 DESVENTAJAS
Es problemático en pozos con alta desviación.
No puede ser usada en pozos off shore por los grandes equipos de superficie y la limitada capacidad de producción es comparada con otros métodos.
No puede funcionar con excesiva producción de arena.
La eficiencia volumétrica cae drásticamente cuando se tiene gas libre.
La rata de producción cae con la profundidad comparado con otros métodos de levantamiento artificial
Es obstrusivo en áreas urbanas.
2.2 EQUIPO SUPERFICIAL
La unidad de superficie de un equipo de bombeo mecánico tiene por objeto transmitir la energía desde la superficie hasta la profundidad de asentamiento de la bomba de subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el fondo hasta la superficie. Estas unidades pueden ser de tipo balancín o hidráulicas. Los equipos que forman los equipos de superficie se explican a continuación:
2.2.1 Unidad de Bombeo (Balancín)
Es una máquina integrada, cuyo objetivo es de convertir el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad apropiada con la finalidad de accionar la sarta de cabillas y la bomba de subsuelo. Algunas de las características de la unidad de balancín son:
a) La variación de la velocidad del balancín con respecto a las revoluciones por minuto de la máquina motriz.
b) La variación de la longitud de carrera.
c) La variación del contrapeso que actúa frente a las cargas de cabillas y fluidos del pozo.
Para la selección de un balancín, se debe tener los siguientes criterios de acuerdo a la productividad y profundidad que puede tener un pozo:
Productividad
a) Los equipos deben ser capaces de manejar la producción disponible.
b) Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y equipos de bombeo de pozo.
c) Factibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie adecuada.
Profundidad
a) La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensión, de elongación y del peso.
b) Afecta las cargas originadas por los equipos de producción del pozo.
c) Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos recorridos.
La disponibilidad de los balancines va a depender fundamentalmente sobre el diseño de los mismos.
Los balancines sub-diseñados, limitan las condiciones del equipo de producción y en consecuencia la tasa de producción del pozo. Los balancines sobre-diseñados, poseen capacidad, carga, torque y carrera están muy por encima de lo requerido y pueden resultar muchas veces antieconómicos.
2.3 EQUIPO SUBSUPERFICIAL
El equipo de sub-superficial o de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de producción y bomba de subsuelo.
Tubería de Producción
La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se esta bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la resistencia, generalmente la tubería de producción es menos crítica debido a que las presiones del pozo se han reducido considerablemente para el momento en que el pozo es condicionado para bombear.
Cabillas o Varillas de Succión
La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de las mismas en el sistema de bombeo mecánico son: transferir energía, soportar las cargas y accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas son:
a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también pueden manufacturarse de 30 pies.
b) Se dispone de longitudes de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general “niples de cabilla” que se utilizan para complementar una longitud determinada y para mover la localización de los cuellos de cabillas, a fin de distribuir el desgaste de la tubería de producción.
c) Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas.
De acuerdo a las especificaciones de la API, las cabillas de acero sólido es del tipo de cabillas más utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados para acomodar las roscas, un diseño que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha. Todos los efectos negativos inciden en la vida útil de las uniones de las cabillas de succión, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la cabilla, lo cual es ocasionado por un incorrecto enrosque de la misma. Entre las principales fallas podemos encontrar: tensión, fatiga y pandeo. En la producción de crudos pesados por bombeo mecánico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este tipo de problema (pandeo), la corta duración de los cuellos y la tubería debido al movimiento reciproco- vertical o reciprocante (exclusivo en el bombeo mecánico) del cuello en contacto con la tubería causando un desgaste o ruptura de ambas. Para el pandeo (Buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por cabilla según sea la severidad. Hay cabillas que tienen centralizadores permanentes.
Entre los tipos de cabillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y fibra de vidrio. Las cabillas continuas (Corod) fueron diseñadas sin uniones para eliminar totalmente las fallas en el PIN (macho) y la hembra para incrementar la vida de la sarta. La forma elíptica permite que una gran sarta de cabillas sea enrollada sobre rieles especiales de transporte sin dañarlas de manera permanente. Otra ventaja de este tipo de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API.
Ventajas
a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión.
b) La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción.
c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de cabillas.
Desventajas
a) Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales.
b) En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la misma requiere de la entrada de una cabria convencional.
Anclas de Tubería
Este tipo está diseñado para ser utilizados en pozos con el propósito de eliminar el estiramiento y compresión de la tubería de producción, lo cual roza la sarta de cabillas y ocasiona el desgaste de ambos. Normalmente se utiliza en pozos de alta profundidad. Se instala en la tubería de producción, siendo éste el que absorbe la carga de la tubería. Las guías de cabillas son acopladas sobre las cabillas a diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores de un elevado desgaste de tubería.
Bomba de Subsuelo
Es un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual es accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los componentes básicos de la bomba de subsuelo son simples, pero construidos con gran precisión para asegurar el intercambio de presión y volumen a través de sus válvulas. Los principales componentes son: el barril o camisa, pistón o émbolo, 2 o 3 válvulas con sus asientos y jaulas o retenedores de válvulas.
Pintón
Su función en el sistema es bombear de manera indefinida. Está compuesto básicamente por anillos sellos especiales y un lubricante especial. El rango de operación se encuentra en los 10K lpc y una temperatura no mayor a los 500°F.
Funciones de la Válvula
a) Secuencia de operación de la válvula viajera: permite la entrada de flujo hacia el pistón en su descenso y posteriormente hacer un sello hermético en la carrera ascendente permitiendo la salida del crudo hacia superficie.
b) Secuencia de operación de la válvula fija: permite el flujo de petróleo hacia la bomba, al iniciar el pistón su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del sistema bomba-tubería, cuando se inicia la carrera descendente del pistón.
2.4 TIPOS DE UNIDADES DE BOMBEO (BALANCINES) Balancines convencionales
Estos poseen un reductor de velocidad (engranaje) localizado en su parte posterior y un punto de apoyo situado en la mitad de la viga.
Balancines de geometría avanzada
Estos poseen un reductor de velocidad en su parte delantera y un punto de apoyo localizado en la parte posterior del balancín. Esta clase de unidades se clasifican en balancines mecánicamente
balanceados mediante contrapesos y por balancines balanceados por aire comprimido. Los balancines de aire comprimido son 35% más pequeñas y 40% más livianas que las que usan manivelas. Se utilizan frecuentemente como unidades portátiles o como unidades de prueba de pozo (costa afuera).
2.5 ANALISIS COMPARATIVO DE LAS UNIDADES DE BOMBEO (DIFERENCIAS) Unidades de Bombeo. Unidades convencionales, MarkII y Air- Balanced.
Características de las Unidad de Bombeo
Convencional Balanceada por aire Mark II
1. Muy eficiente 1. La de menor eficiencia 1. Muy eficiente 2. Muy confiable debido a
su diseño simple
2. La más compleja de las unidades
2. Igual que la convencional
3. La más económica 3. La más costosa 3. Moderadamente costosa Bombeo mecánico Mark II
Contrapeso estático
Contrapeso centrifugo
2.6 Cartas dinamométricas
Las cartas dinamométricas registradas en superficie, en pozos producidos con Bombeo mecánico brindan información esencial para el diseño y diagnóstico del sistema de extracción. El concepto de dinamometría lleva consigo la interpretación en superficie de lo que está pasando en el fondo de pozo. El uso principal de la carta dinamométrica de la bomba es el de identificar y analizar los problemas de fondo de pozos.
Carta dinamométrica de superficie
Representa la medición de las cargas en las varillas de bombeo en distintas posiciones a lo largo de un ciclo completo de bombeo. Las cargas generalmente son representadas en Libras y el desplazamiento en pulgadas.
Carta dinamométrica de la bomba (fondo)
Representa las cargas calculadas en distintas posiciones de la bomba a lo largo de un ciclo de bombeo y representa las cargas que la bomba aplica sobre la parte inferior de la sarta de varillas de bombeo.