SISTEMAS SISTEMAS ARTIFICIALES DE ARTIFICIALES DE

PRODUCCIPRODUCCIÓÓNN

Bombeo MecBombeo Mecáániconico

FACTORES PARA ELEGIR UN SAP

� Propiedades de los fluidos

� Estado mecánico del pozo

� Pruebas de producción

� Aforos y/o condiciones de operación

� Registros de presión/temperatura

� Disponibilidad de la fuente de energía

� 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

Cabezal

Bombasubsuperficial

UBM

Bombeo Mecánico Reciprocante

Varillas de succión

Cabezal

Bombasubsuperficial

UBM

� Unidad de Bombeo

� Mecánico.

� Cabezal y Conexiones

� Superficiales.

� Sarta de Varillas.

� Bomba Reciprocante.

Componentes Principales

� 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.

APLICACIÓN

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.

Reductor de Engranes

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.

Unidad Superficial

• 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 reciprocanteunos 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

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.

Cabezal y Conexiones Superficiales

- CLASE I Unidad Convencional

- CLASE III Aerobalanceada y MARK II

Geometría de las Unidades

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).

Unidad Convencional

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.

Unidad Mark II

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.

Unidad Aerobalanceada

� 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 IIA AEROBALANCEADA

TORSIÓN MÁXIMA QUE PUEDE TOLERAR LA FLECHADEL REDUCTOR DE ENGRANES EXPRESADAEN 10³ (pg.lb)

LA LETRA D INDICAQUE TIENE UNDOBLE REDUCTORDE ENGRANES.

CARGA MÁXIMAQUE SOPORTA LAVARILLA PULIDAEXPRESADA EN10² (lb).

MÁXIMA LONGITUD DECARRERA DE LAVARILLA PULIDAEXPRESADA (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

Varilla Pulida

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.

Contrabalanceos de la Unidad

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

UNIDAD CON CONTRABALANCEO

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

� FunciónDesplazar los fluidos del yacimiento desde el fondo del pozo hasta la superficie por el interior de la tubería de producción.� Componentes

1) Barril de trabajo2) Émbolo3) Válvula viajera4) Válvula de pie

Bomba Subsuperficial

Válvula

viajera

Válvula

estacionaria

Émbolo

Cilindro de trabajo y camisa

Partes de la Bomba Subsuperficial

A) Bomba de inserción. Se puede conectar a la sarta de varillas sin sacar la T.P. a la superficie, sólo se saca la sarta de varillas.

B) Bomba de tubería de revestimiento. Es una versión de la anterior sólo que esta se ancla en la T.R. Manejan grandes volúmenes en pozos someros y de bajo IPR.

C) Bomba de tubería de producción. La diferencia con la de inserción es la forma en como se coloca el barril. Este va conectado en el extremo inferior de la T.P. y se introduce al pozo como parte de la sarta de producción. El barril en la de inserción se ensambla a la bomba subsuperficial y se introduce por el interior de la T.P. como una unidad en la sarta de varillas.

Clasificación de las Bombas

Materiales usados� Barril� Acero aleación� Bronce� Hi-brin� Nitreline� Hi-hard� Krom-i-dee� Silverine

� Pistón� Acero aleación� Bronce� Co-hard� Superhard� Cromado

� Válvulas� Stellita� C.T.

� Varillas� Acero aleaciones� Mg, si, ni, vn, cu, br, cr,

mo� Fibra de vidrio

Nomenclatura API

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.

Tipos de Bomba

• 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.

� Se utiliza sarta de varillas telescopiadas.

Ejemplo: Varilla API No. 86

86

8/8 (1”)

7/8”

6/8” (3/4”)

Número de Varilla API

Clases de varilla

� Clase K� Resistente a corrosión, Ni-Mo 82ksi

� Clase C� Resistente a corrosión, trabajo pesado, C-Mn 90ksi

� Clase D� Trabajo extra pesado no H2S, Ni-Cr-Mo 115ksi

� Clase T66 y EL (no API)� Resistente a corrosión, Aleación Especial 140-160ksi

Materiales usados

• Barril• Acero aleación• Bronce• Hi-brin• Nitreline• Hi-hard• Krom-i-dee• Silverine

• Pistón• Acero aleación• Bronce• Co-hard• Superhard• Cromado

• Válvulas• Stellita• C.T.

• Varillas• Acero aleaciones• Mg, si, ni, vn, cu, br, cr,

mo• Fibra de vidrio

Válvula

viajera

Válvula

estacionaria

Émbolo

Tubería de producción

Varillas de succión

Cilindro de trabajo y camisa

(a) (b) (c) (d)

Ciclo de Bombeo Mecánico

(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.

Ciclo de Bombeo Mecánico

� 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

Bombasubsuperficial

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

Bombasubsuperficial

UBM

Rango Tipico Máximo*

Profundidad 100 - 11,000’ TVD 16,000’ TVD

Volumen 5 - 1500 BPD 5000 BPD

Temperatura 100°- 350°F 550°F

Desviación 0 - 20° 0 - 90°

<15°/100’

Corrosión Bueno a Excelente con materiales especiales

Manejo de Gas Aceptable a Bueno

Manejo de Solidos Aceptable a Bueno

Densidad Fluido >8°API

Servicio ERTP

Tipo de motor Gas o Electrico

Aplicaciones Marinas Limitada

Eficiencia Sistema 45%-60%

*Se requiere analisisespecial

Rango de Aplicación

Varillas de succión

Cabezal

Bombasubsuperficial

UBM

• UBH (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.

• BimbaMovimiento más parejo 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).

UBH VS. BIMBA

Patrón típico de cargas

• Zona 1Máxima 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 2parte de la carrera ascendente hasta el tope, máxima mase de varillas y fluido, en desaceleración, la inercia se resta a la carga estática.

• Zona 3Inicia 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 4de 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

Wv

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 bombaPD = 0.1484 x Ap x Sp x N

Donde Ap = área pistónSp = 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 sarta2. La carga por aceleración3. La fuerza de flotación4. La carga de fluido5. Las fuerzas de fricción

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 émboloWf = 0.433 γ(long Ap –0.294 Wr)

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 materialL la longitud de la sarta

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:

Ci= 0.5 Wf + Wr (1 - 0.127 γ)

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:

Tmax= Wmax - .95 Ci (S/2)