Bombeo mecánicoEl bombeo mecánico es un procedimiento de succión y transferencia casi continua del petróleo hasta la superficie, considerando que el yacimiento posee una determinada presión, la cual es suficiente para que el petróleo alcance un determinado nivel en el pozo. Su principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la bomba sub superficial a través de una sarta de varillas y mediante la energía suministrada por un motor.

Este sistema artificial puede operar eficientemente sobre un amplio rango de características de producción de pozo, es considerado para elevar volúmenes moderados desde profundidades someras y volúmenes pequeños desde profundidades intermedias. Tiene su principal aplicación en el ámbito mundial en la producción de crudos pesados y extra pesados, aunque también se usa en la producción de crudos medianos y livianos. No se recomienda en pozos desviados y tampoco es recomendable cuando la producción de sólidos y/o la relación gas – líquido sea muy alta, ya que afecta considerablemente la eficiencia de la bomba.

Partes y Funcionamiento

El bombeo mecánico consiste esencialmente en dos partes:

Unidad de bombeo y sarta de varillas

El motor primario (eléctrico frecuentemente) es la fuente primordial de potencia para toda la operación de bombeo, el cual se conecta a la caja reductora o de engranajes la cual reduce la velocidad pero gana torque para poder mover la biela y la manivela que transmiten el movimiento de vaivén al balancín el cual convierte estos movimientos de vaivén en movimientos oscilatorios pero lineales para la varilla pulida, la cual está conectada a la sarta de varillas la cual permite el funcionamiento de la bomba sub superficial.

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.

La sarta de varillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de sub superficial. La sarta de varillas transmite energía desde el equipo de superficie hacia la bomba sub superficial y soporta el peso del fluido además su propio peso.

Equipo sub superficial

El equipo sub superficial es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombeo. La API ha certificado las varillas, las tuberías de producción y bomba de subsuelo. La bomba es una bomba de pistón de desplazamiento positivo y reciprocante, desde su profundidad de instalación hasta la superficie, que funciona por diferenciales de presión mediante bolas y válvulas, que permiten la entrada y sello de fluido en ciclos periódicos sincronizados. Las bombas sub superficiales bombean el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático. La bomba consiste en un tubo dentro del cual se mueve un pistón cuyo extremo superior está unido a las varillas de bombeo. El movimiento de las varillas en conjunto con el mecanismo de válvulas permite la producción del crudo. La bomba aloja dentro o

se enrosca en el extremo de la tubería de producción y se asienta en el fondo con el uso de empacadores.

Durante la carrera ascendente, el pistón sube a través de la camisa de la bomba, el fluido por encima de la válvula móvil la mantiene cerrada, cuando la presión dentro del barril de la bomba es menor que la presión en la función de la bomba, la válvula fija se abre, permitiendo que ingrese el fluido en el barril.

Cuando la unidad de bombeo alcanza el PMS (punto máximo superior) el pistón alcanza también el punto superior de su carrera, cuando la unidad de bombeo comienza su carrera descendente, la sarta de varilla se mueve hacia abajo, como también el pistón de la bomba.

Si el barril se llenó completamente en la carrera ascendente, el pistón tendrá contacto con el fluido inmediatamente en la carrera descendente. Como el pistón recién está comenzando a descender su movimiento será muy lento al momento de producir.

La presión en el barril de la bomba (ente la válvula fija y la móvil) aumenta mientras el pistón sigue bajando, esto sucede hasta que la misma excede la presión sobre la válvula viajera. La válvula viajera se abre debido al fluido en el barril de la bomba, de este modo atraviesa la válvula viajera y sube al espacio anular entre el diámetro mayor de la varilla y diámetro menor de la tubería de producción.

Mientras la acción de la bomba continúa, el pistón alcanza el punto inferior de su carrera, se detiene brevemente y comienza nuevamente su movimiento ascendente. Mientras continúa este movimiento la válvula de pie se abrirá nuevamente y el fluido del pozo ingresará al barril de la bomba.

Partes

Motor Manivela Contrapeso Anclas de tubería Balancín Cabeza de caballo Varillas de succión Rienda Vástago pulido Prensa estopa Cabezal Tubería de Producción Válvula viajera Bomba Válvula fija Yacimiento

Descripción de las partes

Motor

La función del motor de la Unidad de Bombo Mecánico es suministrar a la instalación energía mecánica la cual eventualmente es transmitida a la bomba y usada para levantar el fluido. El motor seleccionado para una instalación debe tener suficiente potencia de salida para levantar el fluido a la tasa deseada desde el nivel de fluido de trabajo en el pozo.

Caja reductora de velocidad

Este dispositivo permite cambiar por medio de engranajes la alta velocidad angular entregada por el motor a un mayor torque suficiente para permitir el movimiento del balancín.

La distancia entre la unión de crack o caja reductora y la biela determina la longitud de la carrera de la sarta de varillas.

Manivela

Es la responsable de trasmitir el movimiento de la caja reductora a la biela del balancín, que está unida a ellos por pines se están sujetas al eje de baja velocidad de la caja de engranajes y cada una de ellas tienen un número igual de orificios, los cuales representan una determinada carrera del balancín, en ellos se colocan los pines de sujeción de las bielas.

Pesas o contrapeso

Se utiliza para balancear las fuerzas desiguales que se originan sobre el motor durante a las carreras ascendente y descendente del balancín a fin de reducir la potencia máxima efectiva y el momento de rotación. Estas pesas generalmente, se colocan en la manivela y en algunas unidades sobre la viga principal, en el extremo opuesto a la cabeza de caballo.

Poste Sampson

El balancín es soportado cerca del centro de gravedad por una estructura llamada el poste Sampson el cual debe ser suficientemente rígido y fuerte para soportar por lo menos el doble de la carga máxima de la varilla pulida. Su soporte central soporta el balancín, éste soportará los esfuerzos causados por la carga del pozo por un extremo y la fuerza de las bielas por el otro.

Balancín

Es una máquina integrada, cuyo objetivo es convertir el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad apropiada con la finalidad de accionar la sarta de varillas 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 varillas y fluidos del pozo.

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.

Clasificación de los 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 fuera).

Cabeza de caballo

Es instalada en el balancín y soporta la varilla pulida, la cual se mueve en línea tangente al arco de la cabeza de caballo.

Vástago pulido

La relación directa entre la sarta de varillas y el equipo de superficie es el vástago pulido. Los vástagos pulidos están disponibles en tres tamaños, el tamaño para cualquier instalación depende del tamaño del tubing y del diámetro de las varilla de succión en el tope de la sarta de varillas.

Factores que contribuyen a la carga neta del vástago pulido:

Carga del fluido. Peso muerto de las varillas de succión. Aceleración de la carga de las varilla de succión. Fuerzas de flotación sobre las varillas de succión sumergidas en el fluido. Fuerzas de fricción.

Abrazadera del varillón.

Cerca del final superior del varillón pulido esta una abrazadera del varillón el cual es soportado por la barra cargadora. La barra cargadora a su vez es soportada por cables flexibles conocidos como riendas que pasan por encima de la cabeza del balancín hasta el final del balancín.

Varillas de succión.

Las principales características de las varillas 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 varilla” 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.

Tubería de Producción.

La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se está 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.

Empacador 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 varillas 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 varillas son acopladas sobre las varillas a diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores de un elevado desgaste de tubería.

Bomba de Subsuelo.

La bomba recibe el fluido desde la formación hacia dentro de la sarta de producción y levanta el fluido hacia la superficie. La bomba es un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual es accionada por la sarta de varillas 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.

Funcionamiento de una bomba de subsuelo

La válvula estacionaria 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. En la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula viajera permite que entre petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente mantiene el flujo.

Desplazamiento de la Bomba y Tasa de Producción del Sistema de Bombeo Mecánico

Pozos con condiciones gaseosas o liquidas espumosas frecuentemente tendrían un 25 % a 50% de eficiencia.

Pozos gaseosos con clara separación de gas de formación en el hueco tendrían de 50% a 70%.

Para pozos con buena separación en el hueco y amplia sumergencia de la bomba, las eficiencias serian de 70 % a 80 % .

Para pozos con nivel alto de fluido y con no interferencia de gas, la eficiencia volumétrica puede alcanzar hasta 100%.

Pistón.

Su función en el sistema es bombear de manera indefinida. Está compuesto básicamente por anillos, sellos especiales y un lubricante especial.

Carrera efectiva del pistón

El volumen de petróleo manejado durante cada stroke del pistón de la bomba no depende de la longitud de la carrera del vástago pulido si o del movimiento relativo del pistón.

Las carreras del pistón y del vástago pulido difieren debido a que las varillas y el tubing se estiran, por el sobre viaje del pistón debido a la aceleración. La carga del fluido es transmitida alternadamente puesto que la válvula estacionaria y la viajera se abren y cierran durante el ciclo de bombeo originando deformaciones en las varillas y tubing.

En la carrera descendente la válvula estacionaria está cerrada y la viajera abierta. En la carrera ascendente la válvula viajera se cierra y la estacionaria se abre.

Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico

Es un procedimiento analítico mediante cálculos, gráficos y/o sistemas computarizados para determinar el conjunto de elementos necesarios en el levantamiento artificial de pozos accionados por cabilla. La función de este procedimiento es seleccionar adecuadamente los equipos que conforman el sistema de bombeo mecánico a fin de obtener una operación eficiente y segura con máximo rendimiento al menor costo posible.

Paso 1: Seleccionar el tamaño de la bomba, el diámetro óptimo del pistón, bajo condiciones normales. Esto va a depender de la profundidad de asentamiento de la bomba y el caudal de producción (Ver Tabla 1). Paso 2: La combinación de la velocidad de bombeo (N) y la longitud de la carrera o embolada (S), se selecciona de acuerdo a las especificaciones del pistón. Se asume una eficiencia volumétrica del 80%. (Ver gráfico 1).

Paso 3: Se debe considerar una sarta de cabillas (se debe determinar el porcentaje de distribución si se usa más de dos diámetros de cabilla) y el diámetro de pistón, se determina un aproximado de la carga máxima para el sistema en estudio. (Ver gráfico 2).

Paso 4: Chequear el valor de factor de impulso para la combinación velocidad de bombeo (N) y longitud de carrera (S) establecidos en el Paso 2 (Ver Tabla 2).

Paso 5: Cálculo de la carga máxima en la barra pulida. Para este propósito será necesario obtener cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los pasos previos. Primero se determinará el peso de las cabillas por pie y la carga del fluido por pie. (Ver Tabla 3). Ahora se calcula el peso de las cabillas en el aire (Wr), la carga dinámica en las cabillas (CD) y la carga del fluido (CF) a la profundidad objetivo.Wr = peso cabillas (lb/ft) x Prof. (ft)CD = F.I. x Wr (lb) -----> Donde F.I. (Factor de Impulso)CF = peso fluido (lb/ft) x Prof. (ft)Carga máxima barra pulida = CD + CF

Paso 6: Cálculo de la carga mínima de operación (CM), el contrabalanceo ideal y torque máximo.CM = Disminución de la carga debido a la aceleración (DC) – fuerza de flotación (FF)DC = Wr x (1-C) -----> Donde C = (N^2 x S)/70500FF = Wr x (62,5/490) -----> Valor constantePara el contrabalanceo ideal se debe proporcionar suficiente efecto de contrabalanceo para darle suficiente valor de carga, el cual va a ser el promedio entre el máximo (carga máx. barra pulida) y el mínimo recién calculado.Entonces,Contrabalanceo ideal = promedio de carga (entre máx. y min) – la carga mínima.Torque máx. = Contrabalanceo ideal x Punto medio de la longitud de carrera (S/2).

Paso 7: Estimación de poder del motor eléctrico. Conocida la profundidad de operación, °API del crudo y el caudal requerido de producción, se obtiene una constante que es multiplicada por el caudal de producción (Ver gráfico 3). Este valor obtenido es los HP necesarios justos para levantar el caudal requerido. Lo que se recomienda es que este valor obtenido se incremente de 2 a 2,5 veces para tener un factor de seguridad.

Paso 8: Cálculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de P sería el valor de caudal de producción si la bomba trabaja al 100% de eficiencia. El diseño de la bomba debe tener al menos el 80% de eficiencia. En crudos pesados debe tener un máximo de 18 strokes/minutos (promedio 15° API).P = C S NP = Desplazamiento de la bombaC = Constante de la bomba, depende del diámetro del pistónN = Velocidad de bombeo (SPM)

Paso 9: Profundidad de asentamiento de la bomba (Método Shell, Ver Tabla 3). Esto dependerá enormemente de la configuración mecánica del pozo. Si este método no cumple, por lo general se asienta a 60 o 90 pies por encima del colgador. Otras bibliografías hacen referencia que se asienta 300 pies por debajo del nivel de fluido.

Existen variados diseños de bombeo mecánico, por lo que estos se clasifican de la siguiente manera:

Las unidades de bombeo tipo balancín cuenta con dos geometrías diferentes, las cuales son:Clase I (Convencional)Clase II (Mark II y Aero balanceada)

Ventajas y desventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de PetróleoVentajas del Sistema de Bombeo Mecánico de PetróleoFácil de operar y de hacer mantenimientoSe puede cambiar fácilmente de rate 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.Se puede usar motores a gas como movedores primarios si la electricidad no esta disponible.Se puede usar la bomba con el control apagado para minimizar la carga del fluido, costos de electricidad y las fallas de varilla.Puede ser monitoreada remotamente con un sistema de control de supervisión de bomba.Se puede usar computadoras modernas de análisis dinamométrico para la optimización del sistema.Desventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de PetróleoEs 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.El rate de producción cae con la profundidad comparado con otros métodos de levantamiento artificialEs obstrusivo en áreas urbanas.

Bibliografía- Bookaman, V. y De Abreu, C.: “El Pozo Ilustrado”, Fondo Editorial del Centro Internacional de Educación y Desarrollo (FONCIED), Primera edición en CD-ROM, Caracas, 1998.- Clases de Introducción a la Ingeniería de Petróleo, Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ingeniería - Escuela de Petróleo, Prof. Lizbeth Miranda, 2008.-Ing. Javier Martínez, Marco., “Apuntes de sistemas artificiales de producción” Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Veracruzana, Pozo Rica, Veracruz, 2014.