Operación de Bombeo Mecánico III

OPERACIÓN DE BOMBEO MECÁNICO III

OPERACIÓN DE BOMBEO

MECÁNICO III

PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN ACTIVO DE PRODUCCIÓN POZA RICA

OPERACIÓN DE EXPLOTACIÓN


CONSEJO EDITORIAL Abelardo Córdova Hernández Manuel de Jesús Coronado Zárate Mario Alcántara Aguilar RECOPILACIÓN Y ADAPTACIÓN Mario Arturo Hernández Cortés REVISIÓN TÉCNICA Ing. Rodolfo García Vázquez Ing. Alejandro Sánchez Rodríguez COLABORACIÓN Juan Adolfo Raga Martínez Seguridad Industrial y Protección Ambiental PROCESAMIENTO DE TEXTO Instituto Mexicano del Petróleo REVISIÓN DE ESTILO Instituto Mexicano del Petróleo EDICIÓN Instituto Mexicano del Petróleo DISEÑO GRÁFICO Instituto Mexicano del Petróleo Primera edición: 26 de Febrero de 2001 D.R. Petróleos Mexicanos Administración del Activo de Producción Poza Rica Poza Rica, Ver. Hecho en México




ÍNDICE

PRÓLOGO........................................................................................... OBJETIVOS......................................................................................... INTRODUCCIÓN.................................................................................. 1. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE BOMBEO MECÁNICO..........................

1.1 Equipo Superficial de Bombeo Mecánico.................................... 1.2 El Motor Principal....................................................................... 1.3 Conexiones Superficiales...............................................................

1.3.1 Partes Principales............................................................... 1.4 Bomba Subsuperficial de Bombeo................................................ 1.5 Sarta de Varilla de Succión........................................................... 1.6 Tubería de Producción y Accesorios para Bombeo Mecánico.... Evaluación........................................................................................

2. CONCEPTOS DE APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE LAS INSTALACIONES DE

BOMBEO MECÁNICO........................................

2.1 Principio de Flotación o de Arquímedes....................................... 2.2 Patrón Típico de Cargas en la Varilla Pulida Durante el Ciclo de

Bombeo..................................................................................... 2.3 División de Trabajo en un Sistema de Producción Artificial............ 2.4 Geometría de las Unidades de Bombeo Mecánico....................... 2.5 Aceleración en la Varilla Pulida...................................................... 2.6 Movimiento Básico de Bombeo en un Sistema no Elástico Simple. 2.7 Contrabalanceo de la Unidad de Bombeo Mecánico................. 2.8 Torsión.....................................................................................

2.8.1 Factores de Torsión........................................................... 2.9 Movimiento Armónico Simple........................................................ Evaluación........................................................................................

3. CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE LA BOMBA,

DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS Y CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO........................................................................................

3.1 Selección del Tamaño de la Bomba.............................................

3.1.1 Ejemplos para la Selección del Tamaño de la Bomba...... 3.2 Diseño de la Sarta de Varillas.........................................................

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3.2.1 Factores que Contribuyen a Formar la Carga Total de la

Varilla Pulida......................................................................... 3.3 Carrera Efectiva del Émbolo.......................................................... 3.4 Potencia de Arranque Necesaria..................................................

3.4.1 Ejemplo de Cálculo............................................................. Evaluación........................................................................................

4. DISEÑO DE INSTALACIÓN DEL SISTEMA ARTIFICIAL DE BOMBEO

MECÁNICO....................................................................................

4.1 Método CRAFT-HOLDEN............................................................. 4.1.1 Ejemplos de Aplicación......................................................

4.2 Método API-RP-11L.................................................................... 4.2.1 Ejemplos de Aplicación......................................................

Evaluación........................................................................................ ANEXOS.............................................................................................

a) Nomenclatura para Diseño de Instalaciones de Bombeo Mecánico.....

b) Tablas para Diseño de Instalaciones de Bombeo Mecánico.... c)Gráficas para Diseño de Instalaciones de Bombeo Mecánico.. d) Catálogo Lufkin.................................................................... e) Tablas y Conversiones............................................................

APÉNDICE........................................................................................... GLOSARIO.......................................................................................... BIBLIOGRAFÍA.....................................................................................

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PRÓLOGO

PRÓLOGO

Este manual fue elaborado, con el propósito de preparar un nuevo tipo de trabajador petrolero, más apto y versátil, con una mentalidad positiva y que, independientemente de los riesgos que la globalización presenta, logre que la industria pueda enfrentar al futuro con éxito.

En nuestra organización, se necesita un cambio cultural que involucre a trabajadores, mandos medios y administradores; para ello, se requiere del desarrollo de un programa de capacitación que considere los diferentes procesos en los que están involucrados los trabajadores. Sólo así se garantizará, el mínimo necesario de conocimientos, para realizar la función que les fue encomendada, sin descuidar los aspectos de seguridad industrial, dado que la vida humana es insustituible y nada es tan importante que justifique la ejecución de alguna actividad en condiciones inseguras.

La búsqueda de nuevas opciones para realizar el trabajo diario debe hacerse a través del conocimiento, la experiencia y los recursos que cada actividad requiera.

Nadie que no pertenezca al Activo de Producción Poza Rica, puede saber más de las actividades que ahí se desarrollan, que los propios trabajadores de esa área. Por tal razón, fue seleccionado un grupo de personas, cuya trayectoria laboral se distinguió por su profesionalismo, amor a la empresa y deseo de superación personal. Este grupo fue asignado a tiempo completo, para aportar su conocimiento y experiencia, a las generaciones futuras, a través de manuales operativos. Estos manuales, producto de las vivencias desarrolladas durante muchos años de servicio, les permitirán desarrollar su labor con eficiencia, seguridad y respeto al medio ambiente.

ABELARDO CÓRDOVA HERNÁNDEZ ADMINISTRADOR DEL

ACTIVO DE PRODUCCIÓN POZA RICA

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OBJETIVOS

OBJETIVOS • El personal operativo conocerá los factores que intervienen en un el diseño de una

instalación de bombeo mecánico de un pozo.

• Calculará el desplazamiento teórico de la bomba, la carrera efectiva del pistón y el

peso de la sarta de varillas.

• Seleccionará el tamaño adecuado de la bomba de acuerdo al índice de

productividad del pozo, por ende, la eficiencia volumétrica y el gasto en la

superficie.

• Interpretará la geometría de las unidades de bombeo mecánico para seleccionar el

tipo de unidad adecuado al pozo, de acuerdo al resultado del cálculo de la torsión

y carga máxima.

• Conocerá cómo efectuar el balanceo y la selección del tamaño del motor principal

en las unidades de bombeo mecánico.

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INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

El presente manual está integrado por información extraída de textos de Ingeniería Petrolera.

Este trabajo ha sido diseñado para el personal operativo de campo, su

contenido se ha simplificado para que sea más entendible y práctico. Sus objetivos son proporcionar el conocimiento acerca de los factores que intervienen y deben tomarse en cuenta en el diseño de una instalación de bombeo mecánico de un pozo y despejar las dudas de cómo y por qué se instalan diferentes tipos de unidades de Bombeo Mecánico en los pozos. Existen conceptos que se deben conocer para poder entender el diseño de la instalación de bombeo mecánico, tales como: patrón típico de cargas en la varilla pulida durante el ciclo de bombeo, geometría de las unidades de bombeo mecánico, aceleración en la varilla pulida, contrabalanceo de la unidad de bombeo mecánico, torsión, factores de torsión, principio de flotación o de Arquímedes y el movimiento armónico simple. Dentro de los diseños de instalaciones de bombeo mecánico existen dos métodos que se aplican en el Activo de Producción Poza Rica, éstos son el método Craft-Holden y el API-RP-11L; el primero se efectúa en menor porcentaje, el segundo, es el que más se aplica, ya que éste en comparación con el método Craft-Holden da más tolerancia en el cálculo de la torsión que puede soportar el reductor de engranes de las unidades de bombeo mecánico. Estos métodos se presentan en este manual con ejemplos de aplicación, sintetizando el procedimiento de cada uno y utilizando las tablas de los anexos para hacer más sencillo el procedimiento del diseño en las instalaciones de bombeo mecánico en un pozo. El personal operativo, aplicará el contenido de este manual en la práctica de campo, de tal manera que será capaz de calcular las emboladas necesarias y la carrera exacta en las unidades de bombeo mecánico, así como el espaciamiento adecuado entre la válvula viajera y válvula de pie para evitar el candado de gas en el interior de la bomba, reflejándose todo esto en una eficiencia más alta, un punto óptimo de operación y una producción mayor del pozo.

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE BOMBEO MECÁNICO

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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE

BOMBEO MECÁNICO




El Sistema artificial de explotación de bombeo mecánico tiene como objetivo elevar los fluidos a la superficie cuando el pozo ha dejado de fluir por la presión natural de yacimiento. Partiendo desde el nivel dinámico y un nivel neto del pozo, se efectuarán los cálculos necesarios para el diseño de la instalación con un mínimo de:

Torsión. • • • • • • • •

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Carga en la varilla pulida. Rango de cargas en las varillas. Requerimientos de potencia del motor principal. Costos de combustible o energía. Costo de mantenimiento de la unidad. Roturas de varillas. Producción diferida por rotura de varillas o por reparación y mantenimiento de la unidad. Costo de instalación. Costo inicial.

Adicionalmente, el Sistema de Bombeo Mecánico debe ser resistente, de larga vida, eficiente, fácil y barato de transportar; silencioso, no contaminante, y seguro de instalar y de operar. Las partes esenciales del sistema de bombeo mecánico son: 1) El equipo superficial de bombeo (U.B.M.) y las conexiones superficiales. 2) La bomba subsuperficial impulsada por varillas y sus accesorios. 3) La sarta de varillas de succión. 4) La tubería de producción (T.P.) y accesorios para bombeo mecánico. 1.1 EQUIPO SUPERFICIAL DE BOMBEO MECÁNICO Su función es transferir energía del motor principal a la sarta de varillas de succión a través de la U.B.M. Para hacer esto, el equipo debe cambiar el movimiento rotatorio del motor principal, a un movimiento reciprocante en las varillas de succión y debe reducir la velocidad del motor principal a una velocidad adecuada de bombeo. La reducción de velocidad se logra en el reductor de engranes, y al resto del equipo concierne el cambio de movimiento rotatorio en reciprocante. La unión directa entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial, es la varilla pulida. La varilla pulida está disponible en tres tamaños y para cualquier instalación en particular, ese tamaño depende del diámetro de la tubería de producción y del diámetro de las varillas de succión en la parte superior de la sarta la varilla pulida pasa a través de un estopero y el fluido que ha sido elevado pasa a

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través de una conexión tipo “T” hacia las conexiones superficiales y éstas a su vez a una línea de descarga hasta la batería de separación. La varilla pulida va unida al cable colgador a través de una grampa o mordaza que sujeta a la misma después de recuperar el peso de la sarta de varillas, procurando darle el espaciamiento mínimo entre la válvula viajera y válvula de pie para evitar que la bomba tenga el más bajo nivel de engasamiento y a la vez no golpee la válvula guía con el conector (que no se escuche golpeteo en la superficie). El peso de la sarta de varillas, del fluido y las tensiones y fricciones en la misma, son soportadas por la grampa o mordaza que aprieta a la varilla pulida. Esta grampa o mordaza recarga sobre el elevador, que es sostenido por el cable colgador. Este cable colgador va sujeto a la cabeza de caballo colocado en el extremo del balancín. El diseño apropiado de estos componentes, la nivelación y la alineación de la U.B.M. con respecto al árbol del pozo, aseguran el viaje vertical de la varilla pulida a través del estopero, reduciendo el desgaste de los hules, manteniendo un buen sello y evitando fugas de fluido en la superficie. El poste Sampson sostiene al balancín en cierto punto de éste, dependiendo de la geometría de la U.B.M., el movimiento del balancín se transmite por medio de la biela, la cual recibe el movimiento de la manivela; la distancia de la flecha del reductor al cojinete de la biela (muñón), define la longitud de carrera de la varilla pulida. La mayoría de las unidades tiene tres orificios para el muñón, en ocasiones, algunos cuentan con cuatro (en el Activo de Producción Poza Rica) y se definen como una carrera mínima, intermedia y máxima, con su respectiva medida de longitud en pulgadas, excepto en la unidad hidroneumática Tieben, sin embargo, el objetivo es el mismo. Los tipos de unidades con que cuenta el Activo Producción Poza Rica son:

a) Unidad Convencional En la U.B.M. convencional (ver figura 1), su balanceo es a través de contrapesos y su rotación (vista del lado izquierdo de la unidad), es en contra del sentido de las manecillas del reloj; puede operar en sentido contrario pero no se debe, ya que la rotación de los dos lados dá lubricación a los engranes del reductor.

b) Unidad Mark II

En la U.B.M. Mark II (ver figura 3), su balanceo es a través de contrapesos y su rotación (vista del lado izquierdo de la unidad), es conforme a las manecillas del reloj, ya que su sistema de lubricación en el reductor es exclusivamente para esta rotación.

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NO PUEDE OPERAR EN ROTACIÓN CONTRARIA PORQUE DAÑARÍA CONSIDERABLEMENTE EL REDUCTOR.

c) Unidad Aerobalanceada

En la U.B.M. aerobalanceada (ver figura 2), el balanceo es a través de aire suministrado por un motocompresor hacia un cilindro amortiguador. El motocompresor se calibra a un paro y a un arranque automático, dependiendo del peso de la sarta de varillas para que el motor principal opere sin esfuerzos. Su rotación y el sistema de lubricación del reductor es igual al de la unidad convencional.

Las partes principales de la unidad aerobalanceada son iguales a las de las

unidades Mark II y Convencional, excepto el motocompresor y el cilindro amortiguador que son partes exclusivas de la unidad aerobalanceada.

d) Unidad Hidroneumática Tieben

La Unidad Tieben (ver figuras 4 y 5) se compone de dos sistemas básicos:

• Sistema Hidráulico.- Consta de un Cilindro Hidráulico de efecto doble (1), una

Válvula de Control Direccional de cuatro vías (2) y una Bomba Maestra de Engranes (3). Este sistema proporciona el movimiento necesario, ascendente y descendente, para el funcionamiento de la Bomba subsuperficial (ver figura 32).

• Sistema de Balanceo Hidroneumático.- Consta de un Cilindro Hidráulico de

efecto simple (4), un paquete de Tanques de Nitrógeno (6), un Cilindro Hidroneumático de efecto doble (5) (acumulador), y una Bomba Auxiliar de Engranajes (7) ver figura 5. Este balanceo funciona en base a dos magnitudes: una constante y otra variable.

• La Constante.- Es la cantidad de fluido hidráulico necesario para ocupar la mitad

de los dos cilindros, por debajo de cada émbolo y el tubo que los comunica: 5 galones en unidades de 60” de Carrera, 10 galones en unidades de 120” y 15 galones en las de 180”.

• La Variable.- Es la cantidad de nitrógeno que se aplica a los tanques y a la parte

superior del acumulador, la cual será proporcional al peso de la sarta de varillas de succión, junto con la columna de crudo. Este sistema equivale a los contrapesos de las unidades convencionales y Mark II, y al cilindro neumático de las unidades aerobalanceadas.

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La presión del nitrógeno sobre la parte superior del émbolo del acumulador equivale al peso de la sarta. El sistema hidráulico descrito al principio, se encarga de romper este equilibrio en uno y otro sentido alternativamente, o sea, en la carrera ascendente y en la descendente. r

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Fig.4 Unidad de Bombeo Mecánico Hidroneumática (Tieben)

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Fig.5 Unidad de Bombeo Mecánico Hidroneumática (Tieben)

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1.2 EL MOTOR PRINCIPAL

La función del motor principal es proporcionar a la instalación energía mecánica que eventualmente será transmitida a la bomba y usada para elevar el fluido. El motor principal seleccionado para una unidad dada, debe, por supuesto, tener suficiente potencia para elevar el fluido al ritmo deseado desde el nivel de trabajo del fluido en el pozo. El motor principal puede ser una máquina de combustión interna (gas natural o diesel) o puede ser un motor eléctrico. La selección del tipo de motor principal depende de los recursos locales, del suministro y costo del combustible (diesel, gas natural) o energía eléctrica, de la capacidad para el mantenimiento y de la existencia de personal experimentado. El uso de motores eléctricos facilita el análisis del comportamiento de la unidad de bombeo en dos aspectos:

1. Permite medir con un amperímetro de gancho, el rango de trabajo y así observar cuando existe una pérdida o sobrecarga del peso en la sarta de varillas sin interferir con la operación del pozo.

2. Tienen un bajo costo inicial, menor costo de mantenimiento y son más fáciles

de ajustar a un sistema automático. Por otra parte, las máquinas de gas tienen la ventaja de un control de velocidad más flexible y pueden operar en un rango más amplio de condiciones de carga. El costo del combustible puede ser inferior al de la energía eléctrica, aunque conforme se incrementan los costos del combustible, esta condición puede invertirse. Cualquier diseño para la instalación del bombeo mecánico, debe considerar el comportamiento de todos los elementos del sistema y las interacciones entre ellos. Sin embargo, aún existen aspectos de ingeniería de este sistema de producción artificial que no han sido resueltos satisfactoriamente, por lo que es necesario comprender el proceso de bombeo, debido a la tendencia de bombear pozos cada vez más profundos.

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Motores de Combustión Interna y Eléctricos a) Motores de combustión interna Se llama motor de combustión interna a todo motor en el cual la materia que trabaja es producto de la combustión del aire y del combustible; esta combustión generalmente se lleva a cabo en el cilindro de trabajo. Entre los motores de combustión interna, se tienen:

1. Motores diesel o motores por compresión. 2. Motores de gasolina o motores de explosión por chispa.

1. Motores Diesel o Motores por Compresión

Se llama motor diesel a todo motor de combustión interna en el cual el combustible se inyecta cuando la compresión está a punto de terminarse, y el combustible entra en ignición, únicamente debido al calor producido por la compresión del aire carburante. En este tipo de motores sólo se aspira aire inicialmente y se comprime unas 16 veces su volumen inicial, quedando, por lo tanto, contenido en muy poco espacio. Al hallarse de esta forma comprimido, el aire aumenta mucho su densidad, así como su presión y temperatura, llegando a alcanzar valores de 600º C. Al final de esta compresión, cuando el cilindro está aproximadamente en el punto muerto superior, se inyecta dentro del cilindro un combustible pesado que puede ser aceite crudo, residuos de refinería o aceites destilados, el cual, al entrar en contacto con el aire muy caliente que se halla comprimido, produce la combustión, quemándose las partículas de combustible a medida que van entrando en la cámara. Al mismo tiempo que esto ocurre, el émbolo se va moviendo, aumentando el volumen de la cámara de combustión.

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Fig.6 Motor de Combustión Interna a Diesel

Fig.7 Principio de Funcionamiento del Motor de Combustión Interna a Diesel

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2. Motor de Gasolina o Motor de Explosión por Chispa

En este tipo de motores se aspira una mezcla de aire–carburante, la cual comprime unas 6 veces su volumen inicial. La combustión se provoca mediante una chispa eléctrica que salta y enciende la mezcla.

Fig.8 Motor de Combustión Interna a Gasolina

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Fig.9 Principio de Funcionamiento del Motor de Combustión Interna a Gasolina

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b) Motor Eléctrico Es una máquina que convierte la energía eléctrica en movimiento rotatorio o energía mecánica, con objeto de que efectúe un trabajo útil. Los motores elementales funcionan a base de interacción de dos campos magnéticos: uno se produce alrededor de un conductor que lleva corriente y otro es un campo magnético fijo. Un motor práctico debe producir movimiento rotatorio continuo. Esto lo hace originando una fuerza de giro o par, sobre un conductor que lleva corriente, al cual se le ha dado forma de espiral. Cuanto mayor sea el par, más trabajo útil puede desempeñar el motor. Entre los motores eléctricos se tienen:

1. Motor de corriente continua. 2. Motor de inducción de corriente alterna.

Motor de Velocidad Variable.

La no tan evidente ventaja a largo plazo que tiene el sistema ASD, es su efecto cabal en el equipo de bombeo. Inherente al acoplamiento magnético es el “colchón” magnético entre el motor y la salida, que se traduce en menos esfuerzo en las guías del émbolo y cajas de velocidad. Se puede añadir un dispositivo para el control del torque, para disminuir aún más el esfuerzo sobre el equipo. MOTORES ELÉCTRICOS 1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

Los campos magnéticos en estos motores son producidos por devanados estacionarios llamado estator y por devanados rotatorios en el núcleo del rotor. El circuito de un extremo a otro de los devanados del inducido en el motor típico de corriente continua, se completa mediante escobillas de carbón estacionarias. Las escobillas están en contacto con los segmentos del colector, que se conectan en los devanados del rotor. Cuando se suministra potencia a la armadura a través de las escobillas, también se origina un flujo magnético alrededor de la armadura. Este flujo es el que interactúa con el campo magnético donde está suspendida la armadura para producir el par que hace funcionar el motor.

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El principio de funcionamiento del motor de corriente continua (C.C.) consiste

en la circulación por las bobinas de la armadura o inducido, de una corriente que hace que este se magnetice generando una atracción entre los polos de la armadura y los polos del campo del signo contrario, haciendo girar la armadura.

Los motores y los dínamos de C.C., tienen esencialmente los mismos componentes y se parecen mucho en su aspecto exterior, la diferencia radica en que el dínamo de C.C., convierte la energía mecánica en energía eléctrica, y el motor de C.C. convierte energía eléctrica en energía mecánica. Este tipo de máquinas de C.C., tropiezan con ciertas dificultades por el trabajo de conmutación que requiere escobillas, portaescobillas, carbones, líneas neutras etc; no así los motores de C.A. 2. MOTOR DE INDUCCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

Los motores de corriente alterna son los más empleados debido a su robustez, simplicidad, ausencia de colector y a las características de funcionamiento tan adecuadas para el trabajo a velocidad constante. El motor funciona basándose en el principio de que, cuando un flujo magnético corta a un conductor cerrado, se induce corriente en él. Estos reaccionan con el flujo y crean una fuerza en la dirección del movimiento del campo magnético, de acuerdo con el principio de la acción motriz, si gira el flujo y corta a un disco o cilindro conductor, se desarrolla un par y el disco o cilindro tiende a girar en el mismo sentido que el flujo al conductor, anulándose las corrientes inducidas y por lo tanto, el par. Deberá pues, haber deslizamiento entre el campo giratorio y el conductor. En el motor de inducción existe un órgano fino llamado estator y otro giratorio llamado rotor. La acción del campo magnético induce corriente en el rotor al atravesar los conductores de éste, generando un campo magnético que reacciona con el campo del estator, ejerciendo en el rotor una torsión que lo hace girar. Los tipos de rotores que se utilizan en los motores de inducción son: el rotor de jaula de ardilla y el rotor de enbobinado. En el Activo de Producción Poza Rica éstos son los rotores más utilizados. Por su versatilidad, son ideales para trabajar a velocidades constantes determinadas por la frecuencia de la C.A. aplicada a sus terminales pueden diseñarse para trabajar con una línea de C.A. monofásica ó polifásica, no importando, pues el principio es el mismo: la corriente alterna aplicada al motor produce un campo magnético giratorio, el cual a su vez hace girar al rotor.

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En el Activo de Producción Poza Rica, se utilizan los motores de corriente alterna para los trabajos en diferentes secciones y departamentos, debido a su versatilidad, costo y economía. El motor Econo-Pac II, del cual estaremos hablando, se utiliza para realizar el trabajo mecánico, mediante un juego de bandas y poleas sincronizadas, alineadas por su cara interna. El motor eléctrico Econo-Pac II (ver figura 10) es el único que cuenta con cuatro pares de arranque, los cuales se utilizan de acuerdo al diseño y condiciones que se requieran.

Fig.10 Motor Eléctrico Econo-Pac II El motor eléctrico, parte principal de la U.B.M., se puede modificar en sus conexiones para realizar el trabajo que se requiera, aumentando o disminuyendo el amperaje.

También cuenta con un tablero de control para proteger su buen funcionamiento, con piezas especiales como son: el contactor, relevador, transformador, timer, tablilla, conexiones, relay sobre corriente con elementos bimetálicos, los cuales se abren por el paso excesivo de amperaje protegiendo así el motor, cuenta en su interior del devanado con termosensores de calor conectados en serie al mismo tiempo con el tablero. Se encuentra equipado con dos resistencias precalentadoras, evitando así la presencia de humedad, estas trabajan cuando el motor se encuentra desenergizado. Tamaño del Motor 1, 2, 3,...,5 del cual se requiera. (Ver tabla 20 en anexo)

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Motor de Velocidad Variable

Este tipo de motor presenta tres elementos esenciales que accionan juntos para operar una U.B.M., de acuerdo a las necesidades del pozo son: 1. Acoplamiento magnético entre el motor y la flecha motriz de la unidad de fuerza. 2. Controles electrónicos ajustables de velocidad para la carrera ascendente y la carrera

descendente de la U.B.M dentro del mismo ciclo. 3. Sistema de retroalimentación que monitorea el motor y sus salidas, ajustándolas para

mantener más eficientes los niveles de operación.

Por estos elementos, el motor de velocidad variable se operará primero y después el embrague, esto permite que la flecha reciba el esfuerzo con una velocidad constante del motor; posteriormente se le da la velocidad adecuada de bombeo, ya sea en la carrera ascendente o descendente y aumentando o disminuyendo las emboladas por minuto de acuerdo a la producción del pozo. 1.3 CONEXIONES SUPERFICIALES

Las conexiones superficiales tienen la función de conducir los hidrocarburos producidos por el pozo a la línea de descarga y por ende, hasta la batería de separación; todas ellas deben ser para presiones no menores de 1000 lbs/plg2, elaboradas en tubería de 2”∅ efectuando corte y cuerda a fin de adecuarlas a las longitudes necesarias; debido a que las dimensiones varían de acuerdo a cada instalación, generalmente serán elaboradas al momento de ser instaladas en un pozo de reciente conversión al sistema de bombeo mecánico. Cuando se trate de un reacondicionamiento se instalarán las mismas conexiones superficiales que tenía el pozo antes de la intervención con el equipo de terminación y reparaciones de pozos (R.T.P.).

Dos accesorios superficiales (varilla pulida y grampa), tienen la función de

transmitir el movimiento alternativo a la sarta de varillas de succión; otros dos accesorios (Estopero y Preventor) tienen la función de dar seguridad, a fin de evitar derrames de hidrocarburos al medio ambiente y las válvulas de retención o check cuya función es dejar pasar los fluidos en una sola dirección, evitando su regreso al interior del pozo y así en superficie, se complementa el ciclo ideal de bombeo.

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Fig.11 Árbol de Válvulas y Conexiones Superficiales

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1.3.1 Partes Principales Nomenclatura de Accesorios y Conexiones Superficiales ACCESORIOS 1.- Varilla Pulida de 1 ½”∅.

2.- Grampa para varilla pulida de 1 ½”∅ con uno, dos o tres tornillos dependiendo la profundidad del pozo.

3.- Estopero, con hules para varilla pulida de 1 ½” ∅ y rosca inferior estándar de 3” ∅ macho.

4.- Preventores con roscas de 3” ∅ con conexión hembra en un extremo y conexión macho en el otro, roscas “v” estándar.

CONEXIONES

5.- Tee de 3” ∅, de acero al carbón 3000 lbs/plg2, rosca estándar.

6.- Brida colgadora de 6” de diámetro exterior, rosca macho superior de 3” ∅. Rosca hembra inferior de 2 7/8” ∅ hembra, roscas estándar.

7.- Válvula lateral de tubería de revestimiento de 2” ∅ 3000 lbs/plg2 bridada.

8.- Válvula de 2” ∅ 1000 lbs/plg2, rosca hembra en los extremos, estándar.

9.- Tee de 2” ∅ 1000 lbs/plg2, rosca estándar.

10.- Reducción botella de 2” ∅ a ½” ∅, rosca estándar.

11.- Válvula de aguja de ½” ∅ 5000 lbs/plg2, rosca estándar.

12.- Válvula check de 2” ∅ 1000 lbs/plg2, rosca estándar.

13.- Codo de 2” ∅ 1000 lbs/plg2, rosca estándar.

14.- Tuerca unión de golpe 2” ∅ 1000 lbs/plg2, rosca estándar.

15.- Válvula de flote de 2” ∅ 1000 lbs/plg2, bridada o roscada.

16.- Reducción botella de 3” x 2” ∅ rosca estándar.

17.- Niple de 2” ∅ para 2000 lbs/plg2 de trabajo, rosca estándar.

18.- Niple de ½” ∅ para 2000 lbs/plg2 de trabajo, rosca estándar.

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Fig.12 Árbol de Válvulas y Conexiones Superficiales

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GRAMPAS

Este dispositivo (ver figura 13) sirve para sujetar la varilla pulida por apriete. Se coloca en forma permanente cuando se le ha dado el espaciamiento adecuado a la bomba subsuperficial para que la U.B.M. quede operando en condiciones normales después de que se efectúo una intervención con el equipo de R.T.P. a un pozo.

También se utiliza para movimientos que se efectúan con la sarta de varillas, ya sea para eliminar un golpe en la bomba subsuperficial, sacar un registro dinamométrico o reanclar una bomba. Cuando quedan permanentes las grampas recargan sobre el elevador o block cargador y junto con el cable colgador soportan todo el peso de la sarta de varillas y el peso del fluido. Estas grampas pueden usar uno, dos o tres tornillos para el apriete, incrementándose la seguridad con el número de los mismos. Es recomendable el uso de grampas con menos tornillos para pozos someros, conforme aumenta la profundidad es preferible la utilización de grampas con mayor número de tornillos.

Acero forjado y tratado térmicamente

Probada a 75000 lbs. Máxima carga

recomendada 40000 lbs


Probada a 55000 lbs. Máxima carga

recomendada 25000 lbs


Probada a 35000 lbs. Máxima carga recomendada

25000 lbs

Fig.13 Grampa Johnson-Fagg

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VARILLA PULIDA

Es la unión directa entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial,

pasa a través de las conexiones verticales del árbol. El diámetro utilizado en el Activo de Producción Poza Rica es de 1 ½”∅. Está fabricada en acero aleado al manganeso, níquel y molibdeno. Superficialmente, la varilla pulida tiene acabado espejo con el propósito de no dañar los sellos del estopero fijo al árbol de válvulas en el movimiento ascendente y descendente de la U.B.M.

Fig.14 Varilla Pulida

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ESTOPERO

Mecanismo de seguridad que se localiza en la parte superior del árbol de válvulas para pozos con sistema de bombeo mecánico, sobre la TEE de 3”Ø y cuya función principal es la de contener los fluidos para que no se manifiesten a su exterior por medio de un conjunto de sellos construidos con materiales resistentes al rozamiento, los cuales se van a ajustar al diámetro de la varilla pulida de 1 ½” Ø, cuando ésta tenga un movimiento ascendente o descendente proporcionado por la unidad de bombeo mecánico (U.B.M.); debido a este movimiento, los sellos sufren desgaste por lo que es necesario sustituirlos periódicamente y solamente se pueden cambiar con la U.B.M. inoperante.

En la actualidad se han diseñado estoperos provistos de un mecanismo de preventor con la finalidad de mejorar su función dentro de los mecanismos de seguridad en el árbol de bombeo mecánico. Los estoperos más utilizados en el Activo de Producción Poza Rica son: Estopero preventor Hércules DPSB Estopero preventor Ratigan 176

Fig.15 Estopero Preventor Hércules DPSB

Tornillos del preventor

Sellos del preventor

Conos selladores del estopero Estopero

Preventor

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Fig.16 Estopero Preventor Ratigan 176 PREVENTORES

Son mecanismos de seguridad que han sido diseñados para impedir, en caso

necesario, el paso de fluidos al exterior. Sólo se pueden accionar cuando la U.B.M. no está operando, debido a que en su interior tiene unos sellos de hule llamados “Rams”, que aprietan a la varilla pulida para sellar y evitan el paso del hidrocarburo.

En el caso del preventor doble “E” LP-15, los “Rams” pueden sellar aún sin

varilla pulida debido a que tienen un rango de diámetros de 0 a 1 ½” ∅. Los preventores son vitales para llevar acabo el cambio de hules (sellos) del estopero colocado en la parte más alta del árbol; también son vitales para evitar la salida del hidrocarburo a la atmósfera, cuando por alguna rotura de la varilla pulida ésta se precipite al interior del pozo junto con las sarta de varillas. En este percance el preventor ideal es el doble “E” LP-15.

Están instalados en el árbol de válvulas para bombeo mecánico, sobre la brida colgadora las marcas de preventores más utilizadas en el Activo de Producción Poza Rica son: doble “E” LP-15, ratigan 212 y Hubber Hércules 530.

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Fig.17 Preventor Doble “E” LP-15

Fig.18 Preventor Ratigan 212

Fig.19 Preventor Hércules 530

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VÁLVULAS DE RETENCIÓN El objetivo principal de este tipo de válvulas, comúnmente conocidas como check, es el de permitir el paso de un flujo por una línea en una sola dirección, impidiendo así, el regreso del fluido cuando se presenten contrapresiones altas. Los tipos de válvulas de retención son:

• De pistón • De charnela

Fig.20 Válvula de Retención de Pistón Fig.21 Válvula de Retención de

Charnela El Reductor de Engranes Su función es reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de bombeo adecuada. Es necesario determinar exactamente la probable torsión máxima a la que estará sujeto el reductor de engranes, ya que el método API usa la torsión máxima como base para el rango de las unidades de bombeo. La designación del API para una unidad es simplemente la torsión máxima permisible en el reductor de engranes en miles de pulgadas-libras. Por ejemplo: una unidad API tamaño 114, tiene un rango de torsión máximo de 114,000 plg-lbs. El API tiene estandarizados 16 rangos de torsión máxima, que varían desde 6.4 hasta 1,824 miles de plg-lbs. La polea del reductor de engranes es el elemento que recibe la potencia del motor principal a través de bandas. La relación del diámetro de la polea del reductor de engranes al diámetro de la polea del motor, y la reducción de velocidad en el reductor de engranes, determinan la reducción total de velocidad del motor principal hasta la varilla pulida. Los tamaños disponibles de poleas de la unidad y el número y tipo de bandas que deben usarse, pueden determinarse de las especificaciones del fabricante de unidades de bombeo.

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1.4 BOMBA SUBSUPERFICIAL DE BOMBEO Tipos de Bombas

Sus funciones son: admitir el fluido de la formación al interior de la tubería de producción y principalmente elevar el fluido admitido hasta la superficie. Las bombas subsuperficiales movidas por varillas se dividen en tres tipos:

a) Bombas de tubería de producción. b) Bombas de inserción. c) Bombas de tubería de revestimiento.

a) BOMBAS DE TUBERÍA DE PRODUCCIÓN

Las bombas de tubería de producción, por ser de un diámetro mayor, pueden manejar volúmenes más grandes de líquidos que las bombas de inserción, sin embargo, la carga de fluido sobre la unidad de bombeo no debe ser mayor. La desventaja de estas bombas estriba en que el barril forma parte de la misma tubería de producción, para efectuar alguna reparación o reposición de partes es necesario extraer la tubería de producción completa; lo que significa una operación más complicada, y por consiguiente, más costosa. Un factor importante que debe tomarse en cuenta es el alargamiento de las varillas por la carga de fluido, lo que se traduce en una disminución en la carrera efectiva del émbolo, siendo más crítica a medida que aumenta la profundidad del pozo. Las bombas de tubería de producción operan mejor en pozos que tienen alto nivel de fluidos y en donde la verticalidad del mismo haya sido comprobada.

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b) BOMBAS DE INSERCIÓN

Se les denomina bombas de inserción porque el conjunto total de la bomba (barril, émbolo y válvula estacionaria) que va conectado en el extremo inferior de la sarta de varillas se inserta en un niple de asiento (zapata-candado) instalado en la tubería de producción. Esto representa una ventaja sobre las bombas de tubería de producción, ya que para hacer una reparación o sustitución de la bomba no es necesario extraer la tubería de producción. La bomba de inserción se desancla y se extrae con la sarta de varillas (figura 22). Este tipo de bomba es la que más se utiliza en el Activo de Producción Poza Rica.

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CAMISA DE LA BOMBA

SELLO BABBITT

EXTENSIÓN INFERIOR

EXTENSIÓN SUPERIOR

COPAS O SELLOS

VARILLA DE SUCCIÓN

CANDADO CONECTOR

VÁLVULA GUÍA DE LA VARILLA DEL ÉMBOLO

MANDRIL DE COPAS

ÉMBOLO O PISTÓN

VÁLVULA VIAJERA

VÁLVULA DE PIE

NARIZ DE ANCLAJE

Fig.22 Bomba Subsuperficial de Inserción

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c) BOMBAS DE TUBERÍA DE REVESTIMIENTO

Este tipo de bombas son sólo una versión más grande de las bombas de inserción. Materiales Utilizados en la Fabricación de la Bomba

Cualquier bomba subsuperficial, movida por varillas, está constituida de los siguientes elementos esenciales: 1) Barril de trabajo. 2) Émbolo. 3) Válvulas.

Los costos de producción de aceite se incrementan notablemente por fallas frecuentes de la bomba subsuperficial, tanto por los costos de extracción del equipo como por la producción diferida. Por esta razón, es de primordial importancia que de acuerdo con las condiciones del pozo, se seleccione correctamente el tipo de bomba por usar, tomando en cuenta las características de los materiales utilizados en su fabricación. 1) BARRIL DE TRABAJO Materiales utilizados en su construcción • HI-BRIN. Diseño para pozos con alto contenido de arena y gas sulfhídrico. Se

fabrica utilizando un proceso de endurecimiento denominado “nitrocicle”. • NITRELINE. Barril construido para alta resistencia mecánica y alta resistencia a la

corrosión. Lleva el mismo proceso de endurecimiento que el anterior (“proceso nitrocicle”). Uso general.

• HI-HARD. El barril se fabrica con un contenido de cromo del 5% y con el proceso de endurecimiento “nitrocicle”. Proporciona alta resistencia a la abrasión y a la corrosión por CO2.

• KROM-I-DEE. El barril lleva una capa de endurecimiento de cromo proporcionándole alta resistencia a la abrasión y a la corrosión. Se recomienda usarlo en pozos que producen arena y CO2.

• SILVERLINE. Este barril se recomienda usarlo en pozos con fluidos no corrosivos y en donde la arena no sea un problema serio.

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2) ÉMBOLO

Existen dos tipos de émbolo: metal a metal o de empaque suave.

Los émbolos metal a metal se fabrican con superficie lisa o ranurada. Aparentemente no existe ninguna diferencia en utilizar un émbolo de superficie lisa o de superficie ranurada. Una posible ventaja del émbolo ranurado sobre el émbolo liso es que una partícula sólida puede alojarse mejor en la ranura del émbolo evitando que se raye. Un aceite de baja viscosidad (de 1 a 20 cp) puede bombearse con un émbolo metal a metal y con un ajuste de –0.001 plg. Un aceite de alta viscosidad (más de 400 cp) que probablemente lleve arena en suspensión, puede manejarse con un émbolo metal a metal con un ajuste de –0.005 plg. Los émbolos con empaquetadura suave pueden ser con copas o con anillos. En pozos con profundidades mayores de 7000 pies se usan émbolos metal a metal. Materiales utilizados en su construcción: • CO-HARD. Émbolo resistente a la corrosión y a la abrasión. • SUPER HARD. Hierro-níquel. Resistente a la corrosión de H2S. • ACERO CON RECUBRIMIENTO DE CROMO. Altamente resistente a la corrosión por

CO2 y a fluidos arenosos. • ÉMBOLOS CON EMPAQUE SUAVE. Son resistentes a la corrosión por CO2 y H2S. Se

recomienda usarlos a profundidades menores de 5000 pies. • ÉMBOLOS DE COPAS. Se recomienda usarlos para bombeo de aceite y agua con

bajo contenido de arena. Las copas se expanden en la carrera ascendente por la diferencia de presión y se contraen en la carrera descendente disminuyendo la fricción con el barril. La dureza del material, así como el número de copas deben seleccionarse de acuerdo con la profundidad de la bomba.

• ÉMBOLOS DE ANILLOS. Constan de las mismas partes que el émbolo de copas,

sólo que los anillos son flexibles y los espaciadores son en forma de “L”. Los anillos son de hule resistente al aceite.

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• ÉMBOLO CON COMBINACIÓN DE COPAS Y ANILLOS. Se recomienda usarlo para la

limpieza de pozos sucios o después de un fracturamiento. Es muy efectivo para bombear fluidos que contienen granos de arena tan fina que no pueden ser retenidos por empaques de grava o cedazos.

• ÉMBOLO CON VÁLVULA SUPERIOR. Se usa en pozos profundos cuyo contenido de

gas sea muy bajo. • ÉMBOLO CON VÁLVULA DE FONDO. Se usa en pozos gaseosos colocando la válvula

viajera lo más cercano a la válvula de pie, para evitar el candado de gas. • ÉMBOLO CON VÁLVULA EN LA PARTE SUPERIOR Y EL FONDO. Este arreglo

combina las ventajas descritas con los dos émbolos anteriores. 3) VÁLVULAS a) Válvula de pie (de entrada).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en

admitir los fluidos producidos por el pozo durante la carrera ascendente y evitar el regreso de los mismos hacia el espacio anular en la carrera descendente.

b) Válvula viajera (de salida).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en desalojar los fluidos hacia la superficie durante la carrera ascendente y durante la carrera descendente permitir el paso del fluido alojado en la camisa de la bomba a través del mismo al punto muerto inferior, dando inicio a un nuevo ciclo de bombeo.

Materiales utilizados en su construcción: • La stellita y el carburo de tungsteno son materiales apropiados cuando los fluidos

del pozo son altamente corrosivos por H2S o CO2 y cuando se maneja mucha arena, ya que estos materiales son muy resistentes a la abrasión.

Principios de Funcionamiento de una Bomba Subsuperficial y el Ciclo de Bombeo En términos generales es como sigue: Cuando el émbolo inicia su carrera ascendente, se cierra la válvula viajera por el peso del aceite sobre ésta; la válvula de pie se abre y da paso al aceite del pozo, llenando la camisa de la bomba.

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Al descender el émbolo, se abre la válvula viajera y da paso al aceite de la camisa de la bomba hacia arriba, llenando el interior del émbolo, y cerrando la válvula de pie que impide que se regrese el aceite al pozo. El émbolo es accionado desde la superficie por una Unidad de Bombeo Mecánico (U.B.M.), por medio de la varilla pulida y las varillas de succión, de manera que al levantar el émbolo desaloja hacia la superficie un volumen de aceite igual al contenido en la camisa de la bomba, cuyo volumen va a ser igual al producto del área de la sección transversal interior de la camisa, multiplicado por la carrera del pistón, aproximadamente, ya que siempre se tiene alguna presencia de volumen de gas en el fluido procedente del yacimiento. El número de emboladas por minuto, dependerá de los cálculos que se hagan de las condiciones del pozo, tanto en capacidad de producción como profundidad del mismo, ya que unas veces estará limitada esa velocidad por la recuperación del yacimiento, falta de aceite y otras por la profundidad del pozo. Ciclo del Comportamiento Ideal de Bombeo (ver figura 23) 1. En el Punto A, la válvula viajera cierra y se inicia la carrera ascendente del pistón. 2. Del Punto A al Punto B la carga de fluido es transferida de la tubería de T.P., a la

sarta de varillas de succión. 3. En el Punto B la válvula estacionaria abre y permite la entrada de fluidos del pozo

a la cámara de compresión de la bomba. 4. De punto B al punto C la carga de fluido es elevada por el émbolo, al mismo

tiempo que se está llenando la cámara de compresión. 5. En el Punto D se inicia la carrera descendente y cierra la válvula estacionaria, la

válvula viajera permanece cerrada. 6. En el Punto E, abre la válvula viajera y la carga es transferida de la sarta de

varillas a la tubería de producción. 7. Del Punto E al punto F, se desplaza el fluido de la cámara de compresión a la T.P. 8. Se repite el ciclo.

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Fig.23 Ciclo Ideal de Bombeo 1.5 SARTA DE VARILLA DE SUCCIÓN La función de la sarta de varillas de succión es: transmitir el movimiento de bombeo superficial y la potencia a la bomba subsuperficial. También incluye, si es necesario, la sarta de tubería de producción, dentro de la que operan las varillas de succión, la cual conduce hasta la superficie los fluidos bombeados. Las varillas de succión disponibles en el mercado son de cinco diferentes diámetros estándar. Su diseño consiste esencialmente en determinar la sarta más ligera, y por lo tanto, la más económica, que pueda utilizarse sin exceder el esfuerzo de trabajo de las propias varillas. El máximo esfuerzo de trabajo para las varillas depende de su composición química y propiedades mecánicas, además de la naturaleza del fluido bombeado, es decir, si éste es o no corrosivo. Como regla general, es deseable mantener el esfuerzo de las varillas por debajo de las 30000 lbs/plg2, sin embargo, la experiencia en diferentes áreas productoras puede indicar límites más bajos. Cuando las bombas están colocadas a profundidades mayores de 3500 pies, generalmente es recomendable usar sartas telescopiadas, es decir, consistentes en diferentes diámetros de varillas. Las varillas de diámetro más pequeño se colocan en el fondo de la sarta, inmediatamente arriba del émbolo, ya que la carga en las varillas es más grande. A menores profundidades donde la carga en las varillas es más grande, se usan mayores diámetros. Este arreglo resulta con una carga más pequeña en el equipo superficial, que la que se obtendrá con una sarta de un solo diámetro y representa un ahorro en el costo de las varillas de succión.

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Límite de Inversión de Esfuerzo sobre la Varilla Pulida Se ha asumido la ley de Hooke para determinar el límite elástico en las sartas, esto es para cuando el esfuerzo de tensión aplicado da como resultado la deformación (elongación) de la sarta; el esfuerzo de tensión al cual esta falla ocurre es cuando el material llega a su límite proporcional. El límite proporcional no puede ser usado convencionalmente, sin embargo, puede ser usado como un criterio para establecer el esfuerzo de tensión máximo de trabajo permisible de la sarta, entonces se repite el ciclo de transmisión de esfuerzo de cargas en las varillas dando como resultado la fatiga y falla de las mismas, lo cual ocurre generalmente abajo del límite proporcional. Podemos considerar el límite de la duración, al máximo esfuerzo de tensión cuando puede ser aplicado para un número infinito de cargas o esfuerzos de tensión de inversión. Sin embargo, se ha determinado el límite de la duración de un material, el cual, obviamente, no puede hacerse para soportar un número infinito de cargas. Para el acero, se ha encontrado que el límite de duración puede ser tomado como un máximo esfuerzo de tensión, el cual permite 10,000000 (diez millones) de inversiones antes de que falle el material. El límite de duración de la sarta depende de: • Los componentes que presenta el acero (carbón, manganeso, silicón, níquel,

cromo y molibdeno). • De los agentes corrosivos que se presentan en los fluidos del pozo (ácido

sulfhídrico, dióxido de carbono, oxígeno). • El rango de esfuerzos de tensión en las varillas.

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Características del acero de las varillas de succión Composición metálica de la sarta de varillas de succión. El principal componente de la sarta de varillas de succión es el acero. Muchas varillas contienen arriba del 90% de acero en su composición, pero esto les da una consistencia suave y débil, por lo que es recomendable agregar otros elementos para proporcionar al acero la fuerza necesaria que debe tener, así como otras propiedades. Los diferentes materiales que pueden ser agregados para lograr una cierta aleación con acero son los siguientes: • Carbón.- Este elemento es agregado para incrementar la fuerza, la dureza y la

susceptibilidad para tratamiento con calor, sin embargo, al incrementarse el contenido de carbón la resistencia a la corrosión, la ductibilidad y el impacto a la resistencia tienden a decrecer.

• Manganeso.- Hace al acero menos quebradizo y actúa como un desoxidante para reducir la formación del óxido de acero, el cual tiende a debilitar la aleación. Algunas varillas contienen arriba del 1% de manganeso.

• Silicón.- Es muy parecido al manganeso, es útil como un desoxidante en la refinación de aceros de alto grado. Algunas varillas contienen alrededor de 0.15 al 0.35% de este elemento.

• Níquel.- Es agregado para combatir las condiciones corrosivas encontradas en los pozos de aceite, también tienen un efecto de endurecimiento sobre el acero para evitar la disolución del fierro.

• Vanadio.- Incrementa el endurecimiento del acero aún cuando se presente en pequeñas cantidades, fomenta una estructura granular buena y retarda el ablandamiento del acero cuando se somete a altas temperaturas.

• Cobre.- Es agregado para resistir los ambientes corrosivos. Los aceros que contienen más del 0.6% de cobre tienen una tendencia muy pronunciada hacia el endurecimiento precipitado.

• Boro.- Es usado para incrementar el endurecimiento del acero, es muy poderoso y únicamente se agrega en porcentajes del 1%.

• Cromo.- Contribuye al endurecimiento del acero y mejora la resistencia a la corrosión del acero en el aire y en otros medio-ambientes, aunque el níquel es más efectivo.

• Molibdeno.- Es uno de los agentes más potentes que se agrega como elemento de aleación, aunque no es tan efectivo como el carbón, es un refuerzo en la sarta de varillas para evitar su respuesta al tratamiento con el calor.

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Clases de varillas

• Clase K.- Son varillas de níquel-molibdeno. Son resistentes a la corrosión y su resistencia mínima a la tensión es de 82000 lbs/plg2.

• Clase C.- Son varillas de aleación carbón-manganeso. Son para trabajo pesado y medio; su inhibición contra la corrosión es muy efectiva, su resistencia mínima a la tensión es de 90000 lbs/plg2. En la mayoría de los pozos se utiliza este tipo de varilla.

• Clase D.- Son varillas de aleación níquel-cromo-molibdeno. Su resistencia mínima a la tensión es de 115000 lbs/plg2. Estas varillas se utilizan donde las varillas tipo C quedan en punto crítico, generalmente para pozos de alta producción y que no manejen ácido sulfhídrico. Este tipo de varilla es el más usual en el Activo de Producción Poza Rica.

• La sarta telescopiada que se utiliza en el activo de Producción Poza Rica está compuesta por diámetros de 1”, 7/8”y ¾”.

Se utilizan 3 medidas (ver figura 24):

− ¾”∅ su peso es de 1.63 lbs por pie. − 7/8” ∅ su peso es de 2.16 lbs por pie. − 1” ∅ su peso es de 2.85 lbs por pie.

* Todas las varillas miden 25 pies de longitud.

Acoplamiento de varilla de bombeo

Varillas de bombeo API

Fig.24 Varilla de Succión y Cople

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1.6 TUBERÍA DE PRODUCCIÓN Y ACCESORIOS PARA BOMBEO

MECÁNICO La tubería de producción es aquella por la cual se conducen los líquidos y gases producidos por el pozo hasta la superficie, tanto en pozos fluyentes como en pozos con sistema artificial de explotación. En pozos fluyentes, el diámetro menor de la tubería de producción permite una elevación más eficiente utilizando la expansión del gas extraído con el aceite. En pozos con sistema artificial de bombeo neumático, también el diámetro menor es recomendable para elevar el bache de aceite con la expansión del gas inyectado a la tubería de producción (T.P.) a través de una válvula operante de un aparejo para bombeo neumático, instalado en unos mandriles y distribuidos de acuerdo a un diseño en la misma tubería de producción. En los pozos con sistema artificial movidos por varillas como el bombeo mecánico y de cavidad progresiva, la sarta de varilla se instala en el interior de la tubería de producción; el diámetro varía de acuerdo al diámetro de la bomba y por ende de la producción. En los pozos con el sistema de cavidad progresiva, el movimiento de las varillas va a ser rotatorio y se aplica en pozos de profundidad somera (3000 pies) y verticales. En los pozos con bombeo mecánico el movimiento de las varillas va a ser reciprocante. Es aplicable en pozos de profundidad somera y de mayor profundidad. En todos los casos anteriores, la tubería de producción debe tener un sello hermético, ya que en caso de tener alguna fuga considerable repercute en el buen funcionamiento del sistema artificial, dejando, a veces, hasta de fluir cuando las fugas se presentan en la parte superior del nivel dinámico y en pozos fluyentes una reducción en la producción. Otras de las funciones de la tubería de producción (T.P.) es la de proteger la tubería de revestimiento con un empacador, evitando el paso de fluidos corrosivos al espacio anular, ya sea producidos por el pozo o inyectados al mismo por estimulaciones con ácido, fracturas con arena o ácidos.

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Las presiones altas que podrían dañar a la tubería de revestimiento son manejadas a través de la tubería de producción, ya que ésta es probada en las intervenciones con equipo de terminación y reparación de pozos a una presión de 3000 lbs/plg2, y en algún caso hasta 5000 lbs/plg2, su presión de trabajo va a ser menor del 50% de la prueba. La tubería de producción, normalmente se presenta en diámetros de 2 3/8”, 2 7/8” y 3 ½”; en el Activo de Producción Poza Rica el diámetro de tubería más usual es de 2 7/8”. En el diseño de instalación de bombeo mecánico, la tubería de producción se instala con 2 mecanismos: ancla mecánica y empacador (ver figura 25). En ambos casos la tubería de producción va tensionada para darle un buen desplazamiento a la sarta de varillas, disminuyendo el desgaste por fricción, tanto en la tubería como en la sarta de varillas y aumentando la carrera efectiva del pistón. ACCESORIOS DE LA TUBERÍA DE PRODUCCIÓN CON BOMBEO MECÁNICO En el sistema artificial de Bombeo Mecánico se utilizan dos diseños (ver figura 25) con distintos accesorios que son: a) Con Ancla Mecánica b) Con Empacador El ancla mecánica es un mecanismo que va alojado a determinada profundidad del pozo en la sarta de tubería de producción (T.P.), ligeramente debajo de la bomba. Este mecanismo no lleva hules como el empacador, es por esto que existe comunicación entre la tubería de revestimiento (T.R.) y la tubería de producción. Su objetivo principal es sujetar la tubería de producción ya tensionada. Esto hace que en el ciclo de bombeo no se mueva la T.P., y así aumenta la eficiencia de la bomba por no disminuir la carrera efectiva del pistón. Esta condición de que no tenga movimiento disminuye el desgaste de las varillas, de la tubería de producción (T.P.) y de la tubería de revestimiento (T.R.). El diseño con ancla mecánica por lo regular se instala en pozos que todavía conservan buena presión de fondo. Esta presión evita en algunas ocasiones que el fluido utilizado en una circulación inversa para el lavado de la bomba, no se pierda en la formación y así se efectúe una circulación franca y por ende un lavado efectivo de la bomba.

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El diseño consta básicamente de: 1. Varillas de succión. 2. Bomba subsuperficial. 3. Tubo barril con niple sello y zapata candado. 4. Separador de gas. 5. Ancla mecánica.

El empacador es un mecanismo que en el diseño de bombeo mecánico va a cumplir con el mismo objetivo del ancla mecánica de tener tensionada la tubería de producción, con la diferencia que el empacador lleva hules que no permiten la comunicación entre la tubería de producción (T.P.) y la tubería de revestimiento(T.R.) y esto hace que los fluidos producidos por el pozo fluyan solamente por la T.P. El bombeo mecánico se utilizan para aislar una probable rotura en la tubería de revestimiento (T.R.) y en pozos con formación muy depresionada para poder garantizar una circulación inversa en el lavado de la bomba subsuperficial.

El diseño consta básicamente de: 1. Varillas de succión. 2. Bomba subsuperficial. 3. Tubo barril con niple sello y ancla mecánica. 4. Niple ventana con tapón ciego. 5. Niple ventana. 6. Zapata conectora. 7. Empacador semipermanente. 8. Niple de asiento con válvula de pie.

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B Trico 2 1/2” X 1 3/4” X 22”

Varilla de succión

Zona de Disparos

N.A C/VEMP. 415-01

EMP. SEMIPERM.

Z. Conectora

C.T. CiegoNiple ventana

Zapata candadoNiple ventana

N. de Sellos 2 7/8”

TP 2 7/8”

TR 9 5/8 J56 36 lbs/pie

Varilla de succión

Zona de Disparos

B L N C

TR 6 5/8” N.8024-28 lbs/pie

Bomba H.F. 2 1/2” X 1 3/4” X 24”

A MEC

Z. CAND.

N S

TP 2 7/8” 8hrr

TR 9 5/8 N-80 40 lbs/pie

Fig.25 Ancla Mecánica - Empacador

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EVALUACIÓN

EVALUACIÓN

I. Anote en el paréntesis la letra “F” si el enunciado es falso o “V” si es verdadero. 1. El sistema de bombeo mecánico tiene como objetivo

producir cierta cantidad de fluido por día con: mínima torsión, carga en la varilla pulida, rango de cargas en las varillas, requerimiento de potencia en el motor principal, costos de combustible o energía eléctrica, costos de mantenimiento en la unidad, roturas en las varillas, producción diferida por reparación en el equipo subsuperficial y mantenimiento en el equipo superficial, costo de la instalación y costo inicial.

( )

2. Las conexiones superficiales, la bomba subsuperficial y sus

accesorios, la sarta de varillas y la tubería de producción son partes esenciales del sistema de bombeo mecánico.

( )

3. El equipo superficial de bombeo mecánico está compuesto por

conexiones superficiales y por bomba de inserción. ( )

4. El motor principal pertenece al equipo subsuperficial. ( ) 5. Las grampas, los preventores, los checks y el estopero

preventor son equipo superficial. ( )

6. La bomba de inserción y las varillas de succión pertenecen al

equipo subsuperficial. ( )

7. La bomba de tubería es la más utilizada en el Activo de

Producción Poza Rica. ( )

8. La válvula de entrada en una bomba subsuperficial de

inserción es la válvula viajera . ( )

57



EVALUACIÓN II. Describa el ciclo ideal de bombeo.

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EVALUACIÓN III. Conteste brevemente lo que se le pide.

1. ¿Cuántas clases de varillas de succión existen?

2. ¿Cuál es la varilla de succión más usual en el Activo de Producción Poza Rica?

3. ¿Qué es la tubería de producción?

4. ¿Qué diámetro de tubería de producción es la más utilizada en el Activo de Producción Poza Rica?

5. ¿Cuántos tipos de unidad se utilizan en el Activo de Producción Poza Rica?

6. Explique el balanceo de cada una de las unidades de bombeo mecánico.

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CONCEPTOS DE APLICACIÓN EN EL DISEÑO DE LAS INSTALACIONES DE BOMBEO MECÁNICO

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CONCEPTOS DE APLICACIÓN EN

EL DISEÑO DE LAS

INSTALACIONES DE BOMBEO

MECÁNICO




Los temas y conceptos siguientes deben estudiarse con mayor atención, ya que

su objetivo es facilitar la comprensión básica de los principios en que se fundamenta el sistema de bombeo mecánico.

2.1 PRINCIPIO DE FLOTACIÓN O DE ARQUÍMEDES El principio de flotación es una consecuencia de las leyes de la mecánica de fluidos. Cuando un cuerpo está total o parcialmente sumergido en un fluido (líquido o gas) en reposo, el fluido ejerce una presión hidrostática proporcional a la profundidad de cada punto que esté en contacto con el fluido, las presiones ejercidas sobre las caras laterales se neutralizan mutuamente, en cambio, la presión es mayor en las partes sumergidas a mayor profundidad que la presión aplicada sobre la cara superior del cuerpo. Lo resultante de todas las fuerzas es una fuerza de flotación, esta fuerza actúa verticalmente hacia arriba y es llamada el empuje sobre el cuerpo sumergido. La magnitud y el sentido de esta fuerza de flotación puede encontrarse de la siguiente manera: la presión sobre cualquier parte de la superficie del cuerpo, independientemente del material del que esté hecho, suponiendo que el cuerpo o una parte de él está sumergido, se reemplaza por un fluido igual al que lo rodea, este fluido experimentará la presión que actuaba sobre el cuerpo sumergido y permanecerá en reposo, por lo que la fuerza de flotación que actúa en sentido ascendente en el cuerpo, será igual a su peso y actuará verticalmente hacia arriba a través de su centro de gravedad, de aquí se determina el principio de flotación o de Arquímedes el cual dice:

“Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido recibe un

empuje vertical ascendente con una fuerza de flotación que es igual al peso del fluido desalojado por dicho cuerpo”. Una vez determinada la fuerza de flotación y según su magnitud se tiene lo siguiente:

a) Cuando el peso del cuerpo es menor que el empuje ascendente y se encuentra en el fondo, el cuerpo sube a la superficie y flota, es decir, desaloja menor cantidad de líquido que su volumen.

b) Cuando el peso del cuerpo es igual al empuje ascendente, el cuerpo queda en equilibrio dentro del líquido.

c) Cuando el peso del cuerpo es mayor que el empuje ascendente, éste se hunde pero aparentemente disminuye su peso.

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2.2 PATRÓN TÍPICO DE CARGAS EN LA VARILLA PULIDA DURANTE EL

CICLO DE BOMBEO Todos los sistemas de bombeo mecánico que operan a una velocidad finita, tienen como característica común el patrón típico de cargas, dividido en cuatro zonas de movimiento (ilustrado en la figura 26) eliminando los efectos de las fuerzas de fricción y armónicas. Iniciando en el fondo de la carrera de la varilla pulida y moviéndose hacia arriba, se tiene: Zona 1.- Es la parte de la carrera donde la máxima carga de varillas y fluido se

levantan del fondo con máxima aceleración. Esta zona se extiende desde el fondo hasta algún punto cerca de la mitad de la carrera ascendente. En esta zona, el 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 carga 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, aún se tiene la máxima masa de varillas y fluido, pero se está desacelerando; consecuentemente, el 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 algún 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 su preparación para detenerse en el fondo de la carrera, entonces, el componente de inercia se suma al peso de las varillas.

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Donde: a= Aceleración v= Velocidad

Wr= Peso de las varillas Wf= Peso del fluido

Fig.26 Patrón Típico de Cargas

Todo lo anterior es una simplificación de un tema complejo, debido a que se supuso una masa no elástica de varillas y fluidos, considerando inercia simple y despreciando las fuerzas de fricción y armónicas que están involucradas.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo dividido en cuatro zonas de movimiento. Esta simplificación en la práctica, no es completamente verdadera, debido a que en 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 producirse únicamente utilizando modelos matemáticos complejos.

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En un pozo con bombeo mecánico de profundidad somera a media, donde las cargas de varillas y fluido actúan como una masa concentrada, el patrón típico de cargas se considera aproximadamente verdadero. En pozos profundos, aunque dicho patrón puede ser verdadero en muchos casos, hay ocasiones en que las fuerzas armónicas modifican las cargas básicas de inercia y estáticas para producir un desplazamiento de fuerzas con un patrón de comportamiento muy 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 mecánico. 2.3 DIVISIÓN DE TRABAJO EN UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN ARTIFICIAL 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 de 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 proporcionada 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 teniéndose 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 requerida 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. La carta dinamométrica tomada en la varilla pulida, registra con exactitud cuánta energía proporciona la unidad de bombeo para elevar la columna de fluidos y vencer la fricción en el instante de tomar la carta. Sin embargo, la energía que proporciona el yacimiento se puede determinar únicamente si se tiene la información para calcularla, como: nivel del 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.

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2.4 GEOMETRÍA DE LAS UNIDADES DE BOMBEO MECÁNICO La unidad de bombeo es un mecanismo que imparte movimiento reciprocante a la varilla pulida. En la actualidad existen varios tipos de unidades de bombeo. Los componentes en casi todas las unidades son los mismos, lo que varía es el diseño. Los diferentes tipos de unidades de bombeo se clasifican de acuerdo con la distribución y localización de los elementos que integran el equipo superficial. De acuerdo con esto se distinguen geometrías diferentes que se clasifican en:

a) CLASE I b) CLASE III

a) CLASE I

Este tipo de unidades 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 figura 27 se aprecia el apoyo (F) cerca del centro, el esfuerzo del motor principal (E) aplicado en el extremo del balancín y la resistencia de la carga del pozo (R) está aplicada en el extremo opuesto del balancín. • La unidad de bombeo convencional, ya sea con contrapesos en el extremo del

balancín, ha sido el tipo de unidad más usado en los campos petroleros. La rotación de los contrapesos hace que el balancín pivotee sobre el eje del rodamiento central, moviendo la varilla pulida hacia arriba y hacia abajo a través de sus diferentes conexiones. Los contrapesos localizados en la manivela, son bloques pesados de hierro fundido. Estos contrapesos pueden moverse a lo largo de la manivela para producir mayor o menor efecto de contrapeso.

b) CLASE III

Este tipo de unidad tiene el reductor de engranes colocado al frente y está representada por las unidades Mark II y aerobalanceada. En la figura 28, puede observarse que para ambas unidades el esfuerzo (E) y la resistencia (R) se aplican en el mismo extremo del balancín con relación al apoyo (F), que se encuentra en el otro extremo.

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R

E

F

ResistenciaApoyo

Esfuerzo

Fig.27 U.B.M. Convencional Clase I

RE

FRF E

Resistencia

Esfuerzo

Apoyo

ResistenciaApoyo

Esfuerzo

U.B.M. Aerobalanceada U.B.M. Mark II

Fig. 28 Clase III

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• Unidad aerobalanceada. Aparte de las ventajas de diseño y eficiencia que tiene este tipo de unidad, tiene más aplicaciones, principalmente para el bombeo profundo, en bombeo de altos volúmenes con carreras largas, en bombeo de crudos pesados, etc. En muchos casos no hay más alternativa que el uso de estas unidades, porque sería impráctico el uso de unidades con contrabalanceo rotativo aún en los tamaños más grandes. Por ejemplo, la unidad convencional de mayor tamaño que se construye hoy en día, es la C-1824D-365-192. En el tipo de unidad Mark II, la más grande es la M-1824D-427-216. En cambio, la unidad aerobalanceada se fabrica hasta el tamaño A-2560D-470-240. Esta unidad tiene 240 plg. de carrera máxima con un torque de 2,560,000 lbs-plg, o sea, casi el doble de capacidad de torque que la más grande unidad Mark II.

• Unidad Mark II. Esta es la llamada unidad con montaje frontal, en la cual se

distinguen las siguientes características de diseño:

a) El compensador, que está colocado directamente encima del reductor, se desplaza hacia delante cerca de la cabeza del balancín. Esto produce una carrera ascendente y descendente de 195º y 165º respectivamente. Asimismo, la carrera ascendente de 195º reduce la aceleración cuando la carga es máxima y, por lo tanto, se reduce la carga máxima en la varilla pulida. Otra ventaja de colocar el compensador hacia delante, es que se obtiene una ventaja mecánica al levantar la carga y se reduce la ventaja mecánica durante la carrera descendente, es decir, el factor máximo de torque durante la carrera ascendente se disminuye y durante la carrera descendente se incrementa.

b) Los contrapesos están colocados en forma descentrada (con un cierto ángulo)

en la manivela. Esto produce un torque de contrabalanceo que al principio de la carrera ascendente se “retarda” del torque del pozo, por 7 ½º aproximadamente. En forma similar, al inicio de la carrera descendente, el torque de contrabalanceo queda “adelantado” aproximadamente 7 ½º.

Con las modificaciones anteriores, se consigue que la unidad trabaje igual

durante la carrera ascendente y descendente de la varilla pulida y al mismo tiempo se reduzcan las carreras. Además, se obtiene un sistema de UNITORQUE que produce una reducción del torque máximo requerido hasta en un 40%.

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La carga descendente y la desaceleración más rápida de esta unidad, resulta en una mayor carrera efectiva del émbolo. Esta característica requiere que en muchas ocasiones se reduzca ligeramente la velocidad de bombeo, cuando la carga mínima en la varilla pulida cae debajo de cero durante la inversión del movimiento en el fondo de la carrera. La carrera descendente más lenta de la unidad convencional, generalmente produce una menor carrera efectiva del émbolo. La unidad Mark II reduce la carga máxima más de lo que reduce la carga mínima, lo que significa que normalmente se tendrá un rango menor de cargas que con la unidad convencional, lo que tiende a aumentar la vida de las varillas y a reducir la pérdida de producción debido al menor mantenimiento por fallas de varillas. Esto se reflejará en un ahorro en costos operacionales; otra reducción que se tiene en este tipo de unidades es en el costo de electricidad, ya que como la demanda de torque es más uniforme, generalmente, se requiere el uso de un motor más pequeño, el cual, si es eléctrico, requerirá menor energía. COMPARACIÓN DEL MOVIMIENTO ENTRE UNIDADES MARK II Y CONVENCIONAL

Las diferentes distribuciones de palancas y localización del cojinete en el balancín con relación a la flecha de la manivela, dan como resultado las distintas geometrías. Para ilustrar la diferencia en la Figura 29 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.

Fig.29 Comparación entre Unidades Clase I y Clase III Ambas unidades están en posición de iniciar la carrera ascendente.

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En la figura 30, se aprecia que al iniciar la carrera ascendente, el movimiento de la varilla pulida de la unidad Clase III se queda atrás 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 la varilla pulida en comparación con la producida por la unidad convencional. En el caso de que la máxima carga pico soportada por la varilla pulida sea excesiva en cualquiera de las unidades, la velocidad de bombeo debe reducirse.

Fig.30 Representación al Inicio del Movimiento Ascendente En la figura 31, 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°.

Fig.31 Representación del Movimiento a los 90º

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A los 135° de desplazamiento de la manivela, en la figura 32, la carrera de la unidad Clase III aún viene atrasada con respecto a la unidad Clase I.

Fig.32 Representación del Movimiento de la Manivela a los 135º La unidad convencional alcanza la parte superior de la carrera a los 180°, como se muestra en la figura 33, entonces empieza a descender. La unidad Clase III no llegará al tope de la carrera ascendente hasta que la manivela se haya desplazado 195° de rotación, que es el punto señalado en el círculo a la izquierda de la biela.

Fig.33 Representación del Movimiento de la Manivela a los 180º

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En la figura 34, a los 225°, se muestra la unidad Clase III cuando ha iniciado la carrera descendente. La unidad convencional ha realizado casi una cuarta parte de su viaje en descenso. De manera que la unidad Clase III debe acelerarse para alcanzar a la convencional al terminar el ciclo.

Fig.34 Representación del Movimiento de la Manivela a los 225º A los 270°, en la figura 35, la unidad Clase III ha rebasado la carrera de la convencional y rápidamente empieza a reducir su velocidad.


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La longitud de la carrera de las dos unidades, casi es la misma a los 315° de desplazamiento de la manivela (figura 36).

INICIO DE LACARRERA

ASCENDENTE


Al complementarse el ciclo de la manivela, las dos unidades llegan simultáneamente al fondo de la carrera descendente como se muestra en la figura 37.

Fig.37 Representación al Final del Movimiento

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La carrera descendente y la desaceleración más rápida de la unidad Clase III generalmente resulta en una mayor carrera efectiva del émbolo de la bomba en el fondo del pozo. Esta característica requiere que en muchas ocasiones se reduzca ligeramente la velocidad del bombeo, cuando la carga mínima en la varilla pulida cae debajo de cero durante la inversión del movimiento en el fondo de la carrera. La carrera descendente más lenta de la unidad convencional, generalmente produce una menor carrera efectiva del émbolo. RANGO DE CARGAS EN LA UNIDAD CONVENCIONAL Suponiendo un factor de impulso o de aceleración de 1.4, es decir, el componente de inercia sobre la carga de la varilla pulida es 40% del peso estático de varillas y fluido. Entonces, se tiene que: Carga Pico PPRL = (Wr + Wf) (1+∝) Donde:

Wr = Peso de las varillas. Wf = Peso del fluido. ∝ = Facto de aceleración.

Valores:

Wr = 6000 lbs Wf = 4000 lbs ∝ = 0.4

PPRL = (6000 + 4000) (1.4) = 14000 lbs Carga Mínima MPRL = (Wr) (1-∝) MPRL = (6000) (1-0.4) = 3600 lbs Rango de Cargas Rc1 = 14000 – 3600 = 10400 lbs

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RANGO DE CARGAS EN LA UNIDAD MARK II Debido a que la unidad Mark II se mueve hacia arriba con 40% menos aceleración que la unidad convencional, su factor de impulso es (1+0.6 ∝) y en la carrera descendente es (1-1.4 ∝). Teniéndose: PPRL = (Wr + Wf) (1 + 0.6 ∝) PPRL = (6000 + 4000) (1.24) = 12400 lbs MPRL = (Wr) [1-(1.4 ∝)] MPRL = (6000) [1-(1.4x0.4)] = 2640 lbs Rc2 = 12400 – 2640 = 9760 lbs La diferencia en el rango de carga entre las dos unidades es: Rc1 – Rc2 = 640 lbs, menor rango en la unidad Mark II. El menor rango de cargas de la unidad Mark II tiende a aumentar la vida de las varillas y a reducir la pérdida de producción debido al menor mantenimiento por fallas de varillas. La unidad Mark II reduce la carga pico más de lo que reduce la carga mínima, lo que significa que normalmente tendrá un menor rango de cargas. Sin embargo, en aplicaciones en las que dicho rango no se reduce, la carrera descendente más rápida da como resultado una alternativa deseable que puede visualizarse fácilmente en el diagrama de Goodman (figura 38), mediante el siguiente ejemplo: Un rango de cargas de 10000 lbs resultantes de una carga pico de 18000 lbs que cae hasta una carga mínima de 8000 lbs es más benéfico para la sarta de varillas que un rango de cargas de 10000 lbs resultante de una carga pico de 20000 lbs y una carga mínima de 10000 lbs. El diagrama de Goodman es una gráfica que relaciona la carga pico en la varilla pulida con un rango de cargas permisible, es decir, la diferencia entre las cargas pico y mínima. Cuando la carga pico en la varilla pulida es menor, el rango de cargas permisible dentro del que las varillas puede operar con seguridad, es mayor.

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Diagrama Modificado de Goodman

En cuanto al diseño de la sarta de varillas, se debe tomar en cuenta un factor que influye sobre el nivel de resistencia del acero llamado límite de resistencia a la fatiga, este factor es el rango de esfuerzos bajo el cual pueden operar las varillas dentro del límite de esfuerzos permisibles. El diagrama modificado de Goodman relaciona la carga máxima en la varilla pulida con el rango de cargas permisible, es decir, la diferencia entre la carga máxima y carga mínima.

Para la tensión máxima, la ecuación Atop

Wmax=Smax da los valores reales en la

varilla superior de la sarta, dicho cálculo está basado en la carga máxima que se tiene en esa varilla entre el área de su sección transversal. Este valor nunca debe exceder el rango de tensión permisible. El cálculo de la tensión mínima se realiza con la misma ecuación pero considerando la carga mínima.

Aunque hay situaciones en que se necesitan usar otros grados de varilla, generalmente se usan varillas API grado “C”. Las varillas API grado “D”, se usan cuando la capacidad de la varilla API grado “C” se excede, y cuando no hay ácido sulfhídrico presente.

Las varillas API grado “C” deben tener una resistencia mínima a la tensión de 90000 lbs/plg2 y las varillas API grado “D” deben tener una resistencia mínima a la tensión de 115000 lbs/plg2. Elaboración del Diagrama Goodman

Paso 1. Determine la resistencia mínima a la tensión (T) de las varillas, utilizando únicamente el grado API, los valores mínimos que a continuación se muestran han sido establecidos por API. El ejemplo, corresponde a un grado API “D” con una resistencia mínima a la tensión de 115000 lbs.

Grado API Fuerza mínima de tensión (lbs/plg2) C 90000 D 115000 K 85000

Paso 2. Coloque líneas horizontales y verticales sobre papel gráfico, después

coloque una línea de 45 grados entre éstas. Esta línea de 45 grados establece el estrés mínimo. Construya una escala de estrés en la línea central.

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Paso 3. Utilizando la escala de estrés coloque el punto T/1.75 en la línea de 45

grados donde 2lbs/plg 65714.281.75

115000 tanto lopor 115000,T == .

Paso 4. Sobre la línea central vertical, localice el punto T/4. Trace una línea

entre este punto y el punto establecido en el paso 3. Esta línea define el estrés

máximo permisible para un factor de servicio de 1. ( 2lbs/plg 287504

115000 T == ).

Paso 5. Coloque el estrés mínimo sobre la línea de 45°. Utilice la escala de

estrés mostrada en la línea central vertical.

Paso 6. El estrés máximo permisible es leído directamente arriba en la línea para este concepto estrés máximo permisible.

Paso 7. Localice el estrés máximo (calculado o medido). Si este estrés es mayor que el estrés máximo permisible, las varillas estarán sobrecargadas. Si el estrés máximo actual es menor que el estrés máximo permisible, las varillas no estarán sobrecargadas.

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El Diagrama de Goodman permite la consideración de ambos rangos, de estrés máximo y de estrés permisible. Es una afirmación pictórica del hecho de que niveles de picos mayores son permisibles si los rangos de estrés son bajos. Al contrario, si el rango de estrés es alto, el estrés pico permisible, debe ser reducido.

Fig.38 Diagrama Modificado de Goodman (de API RP II BR) Efectos de la Geometría de las Unidades de Bombeo Mecánico Sin considerar las fuerzas armónicas en la sarta de varillas, y suponiendo que la unidad está bombeando todo el fluido disponible del pozo a una cierta velocidad de bombeo, existen tres factores que controlan el movimiento de la carrera descendente y la velocidad de bombeo:

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1) Longitud de carrera. 2) Fuerzas que retardan la carrera descendente. 3) Geometría de la unidad.

Cuando la unidad está elevando el fluido, hay varios factores importantes que

deben reconocerse. Primeramente, el ciclo de bombeo se divide en dos partes: Productivo y No Productivo. La parte productiva del ciclo ocurre durante la carrera ascendente cuando se eleva la columna de fluido, y el no productivo durante la carrera descendente que tiene como función principal regresar a las varillas y el émbolo a su posición en el fondo, de modo que la columna de fluido pueda ser elevada nuevamente. El regreso más rápido de las varillas en esta parte del ciclo no productivo hace que la carrera ascendente productiva se presente más pronto. La carrera ascendente es productiva por dos razones:

a) Es el tiempo durante el cual la columna de fluido se eleva. b) Es el tiempo durante el cual el fluido del pozo entra al barril de la bomba.

Por lo tanto, la producción es posible tanto por la elevación de la columna de

fluido durante la carrera ascendente, como por el tiempo que dura ésta mientras que la bomba se carga. Es decir, mayor tiempo en la carrera ascendente, mayor tiempo de llenado y más cantidad de fluido que entra al barril para que sea elevado. Frecuentemente los operadores piensan que la unidad de bombeo eleva a las varillas y fluido durante la carrera ascendente y luego forza las varillas hacia abajo durante la carrera descendente. La forma en que realmente trabaja la unidad es: Durante la carrera ascendente eleva las varillas y el fluido; durante la carrera descendente, la fuerza de gravedad jala a las varillas hacia abajo en contra de las fuerzas de fricción y la flotación. Esto es fácil de entender debido a que los cables de acero en la cabeza de caballo trabajan únicamente a tensión y no son capaces de empujar las varillas hacia abajo. En la unidad de bombeo mecánico hay cuatro características importantes de movimiento:

1) Aceleración máxima desde el fondo para elevar la carga total de varillas y fluido.

2) El tiempo que dura la carrera ascendente, es el mismo durante el que se llena el barril de la bomba.

3) Aceleración máxima al iniciar la carrera descendente. 4) Velocidad máxima en la carrera descendente. Debe tomarse como referencia

que la velocidad angular de la manivela es constante.

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2.5 ACELERACIÓN EN LA VARILLA PULIDA Debido a la colocación de la manivela y la biela, las dos clases de geometrías tienen características de aceleración en la varilla pulida, que son totalmente opuestas. La velocidad angular constante de la manivela en la unidad convencional (Clase I), hace que la inversión de movimiento de la varilla pulida en el fondo, se realice con aceleración relativamente alta y la inversión de movimiento en la parte superior, con aceleración relativamente baja. En las unidades Mark II y balanceadas por aire (Clase III), las características de aceleración son opuestas. Esta geometría hace que el sistema realice la inversión de movimiento en el fondo con baja aceleración y en la parte superior con un poco más de aceleración que en la unidad convencional. Como conclusión, el movimiento reciprocante de las unidades de bombeo mecánico Clase I y Clase III, presenta valores máximos de aceleración al inicio de la carrera ascendente y de la descendente, lo cual puede entenderse fácilmente al compararlo con el movimiento armónico simple. Supóngase que la varilla pulida se está moviendo hacia arriba y hacia abajo con movimiento armónico simple. Esto significa que la máxima aceleración se presenta cuando se inicia el movimiento ascendente de la varilla pulida y, la máxima aceleración se presenta nuevamente al inicio del movimiento descendente con valores iguales. En el movimiento armónico simple, la máxima velocidad en la carrera ascendente es igual a la máxima velocidad en la carrera descendente y se presenta a la mitad de la carrera. El tiempo en que se realizan ambas carreras es exactamente el mismo. Sin embargo, el movimiento armónico simple no se logra y no es necesariamente deseable. En la unidad convencional, la manivela gira con velocidad angular constante, acelera hacia arriba con la máxima carga de varillas y fluido más rápido que en el movimiento armónico simple, pero en el punto superior de la carrera, la aceleración hacia abajo es menor que en el movimiento armónico simple. En las unidades balanceadas por aire y Mark II, las características de movimiento se invierten. Éstas mueven la máxima carga de varillas y fluido hacia arriba con aceleración o menor movimiento armónico simple, mientras que en la parte superior de la carrera, el movimiento hacia abajo tiene mayor aceleración que el movimiento armónico simple.

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Regresando al concepto de la masa concentrada, la carga pico en la varilla pulida está controlada por la magnitud de la aceleración en el fondo de la carrera ascendente. Mayor aceleración, mayor carga pico, y en consecuencia, se incrementa el esfuerzo en las varillas y la carga en la estructura de la unidad. En el levantamiento de la máxima carga de varillas y fluido desde el fondo, al componente de inercia se suma el peso estático. Al invertirse el movimiento en la parte superior de la carrera, el componente de inercia se resta del peso de las varillas flotando es decir, el valor de la carga pico en la varilla pulida y en la estructura, se tiene al invertirse el movimiento en el fondo de la carrera, mientas que el valor mínimo de carga se tiene al invertir el movimiento en la parte superior de la carrera. 2.6 MOVIMIENTO BÁSICO DE BOMBEO EN 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 del 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, 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 lbs y la carga de fluido en una segunda masa de 4000 lbs, para un total de 10000 lbs de carga en la carrera ascendente, despreciando las cargas por fricción. Ahora se aplica una fuerza ascendente de 10000 lbs en la varilla pulida, contra las 10000 lbs 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. Sin embargo, si la fuerza aplicada en la varilla pulida es cualquier valor mayor que las 10000 lbs, la masa concentrada de varillas y fluido empezará a moverse hacia arriba con una cierta aceleración, debido a la mayor fuerza o jalón de la varilla pulida. Entonces, si se aplica un 10% adicional a la fuerza con que jala a la varilla pulida, es decir 10000 + 1000 = 11000 lbs, la carga de varillas y fluido se moverá hacia arriba con una cierta aceleración. Este componente de fuerza adicional ascendente se llama factor de impulso o factor de aceleración (∝) y se expresa como uno (1.0) más 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 sería equivalente a multiplicar dicha carga por 1.2, lo que significa

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que la fuerza total ascendente en la varilla pulida es el peso estático de varillas y fluido, más un 20% de fuerza adicional de la carga estática, a fin de acelerar a 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 por una masa concentrada, como se considera en un sistema de bombeo mecánico en un pozo somero con cargas ligeras. 2.7 CONTRABALANCEO DE LA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO Uno de los aspectos más importantes del diseño de la instalación, es la selección del contrabalanceo necesario para reducir el tamaño del motor principal y los requerimientos de torsión en el reductor de engranes. En un sistema de bombeo mecánico, se requiere que el trabajo de la varilla pulida para elevar la columna de fluido, sea ejecutado únicamente durante la primera mitad del ciclo de la manivela, es decir, en la carrera ascendente. Si la unidad no estuviera contrabalanceada, el trabajo total requerido sería realizado por el motor principal durante la carrera ascendente, al estar elevando las varillas y el fluido, mientras que en la segunda mitad del ciclo, en la carrera descendente, el motor quedaría muerto conforme la fuerza de gravedad jala las varillas y el émbolo de la bomba hacia abajo, para regresarlos a su posición inicial. Entonces, en una unidad no contrabalanceada, todo el trabajo útil del motor principal sería realizado durante la carrera ascendente y sería nulo en la carrera descendente. Se requeriría un motor principal y reductor de engranes relativamente grandes para producir fluidos en una forma eficiente. A fin de reducir el tamaño del motor y del reductor de engranes, se colocan contrapesos en el sistema con un peso aproximadamente igual al peso de las varillas, más la mitad del peso del fluido. Durante la carrera ascendente, al elevar el peso combinado de varillas y fluido, el motor recibe ayuda del efecto de contrabalanceo, lo que resulta en una fuerza desbalanceada equivalente a la mitad de peso del fluido, que es el único peso que se requiere elevar. Lo anterior se representa con la siguiente ecuación:

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Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = fuerza desbalanceada.

( )2

Wf2

WfWrWfWr =

+−+

En la carrera descendente, el efecto de contrabalanceo se opone al regreso de

las varillas flotando y nuevamente el resultado es una fuerza desbalanceada, equivalente a la mitad del peso del fluido. Esto se representa con la ecuación: Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada

2WfWr

2WfWr =−

+

Entonces, con el efecto de contrabalanceo se logra que los requerimientos de trabajo y de torsión, para el motor principal y el reductor de engranes respectivamente, sean aproximadamente iguales en la carrera ascendente y en la descendente. En una unidad de bombeo mecánico no contrabalanceada, durante la carrera ascendente, el motor y el reductor de engranes deben manejar una carga en la varilla pulida, equivalente al peso de las varillas más el peso del fluido, por otra parte, en la unidad apropiadamente contrabalanceada, durante la carrera ascendente y la descendente, el motor y el reductor se enfrentan a una carga de únicamente la mitad del peso del fluido. Consecuentemente, la forma de lograr reducir el tamaño del motor y del reductor requeridos, es mediante el contrabalanceo de la unidad. Desde el punto de vista mecánico, cuando la unidad eleva las varillas desde el fondo hasta la parte superior de la carrera, se entrega energía potencial al sistema. Cuando la fuerza de gravedad jala las varillas hacia abajo, la misma cantidad de energía potencial es cedida. Entonces, el trabajo mecánico que ejecutan las varillas en un ciclo completo de la manivela es de cero. En la unidad no contrabalanceada, el motor realizará un trabajo relativamente duro en la carrera ascendente para elevar las varillas y el fluido, mientras que en la carrera descendente no hay forma de ayudar a almacenar energía potencial en el sistema.

84




En la unidad contrabalanceada el motor recibe ayuda durante la carrera ascendente por la caída de los contrapesos, cuando se está elevando la máxima carga de varillas y fluido. Durante la carrera descendente, la fuerza de gravedad que jala a las varillas, ayuda a que el motor principal eleve los contrapesos, por lo que se almacena energía potencial en el sistema. A continuación se presenta un ejemplo para una unidad de bombeo cuando no está contrabalanceada y cuando sí lo está. Las fuerzas de fricción, flotación y dinámicas se desprecian. Datos: Peso de las varillas (Wr) = 10000 lbs Peso del fluido (Wf) = 4000 lbs

lbs 120002

400010000

2Wf

Wr nceoContrabala =+=

+

Unidad no contrabalanceada Carrera ascendente: Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = fuerza desbalanceada (10000 + 4000) – (0) = 14000 lbs Carrera descendente: Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada (0) – (10000) = - 10000 lbs Unidad contrabalanceada Carrera ascendente: Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = fuerza desbalanceada (10000 + 4000) – (12000) = 2000 lbs Carrera descendente: Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada (12000) – (10000) = 2000 lbs El peso del contrabalanceo en efecto, almacena energía durante la carrera descendente cuando la demanda de potencia es baja y libera energía durante la carrera ascendente, efectuando parte del trabajo de elevación del fluido y varillas.

85




Para evitar una posible mal interpretación de terminología, es necesario diferenciar entre efecto de contrabalanceo, que es la contribución neta del sistema de contrabalanceo sobre la varilla pulida y contrabalanceo o contrapeso, que es el peso o sistema de pesos usado para obtener el efecto de contrabalanceo. El efecto de contrabalanceo está determinado por el peso real del contrapeso, por su posición y por la geometría de la unidad superficial. Un efecto de contrabalanceo puede obtenerse colocando los contrapesos en el balancín, en la biela o en la manivela. En algunos casos, particularmente en unidades grandes, el aire a presión se usa para obtener el efecto de contrabalanceo deseado. Ejemplo de Aplicación CONTRABALANCEO DE LA U.B.M. Datos: Peso de las varillas (Wr) 12000 lbs. Peso del fluido (Wf) 6000 lbs.

lbs 150002

6000 12000

2Wf

Wr nceoContrabala =+=

+

Unidad no contrabalanceada Carrera ascendente: Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada 12000 + 6000 – 0 = 18000 lbs. Carrera descendente Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = Fuerza desbalanceada 0 – 12000 = - 12000 lbs. Unidad contrabalanceada Carrera ascendente Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada (12000 + 6000) – 15000 = 3000 lbs. Carrera Descendente Contrabalanceo – Carga en la Carrera Descendente = Fuerza desbalanceada (15000) – 12000 = 3000 lbs.

86




2.8 TORSIÓN La torsión se define como la fuerza que actúa en el extremo de un brazo de palanca, multiplicada por la longitud del brazo y que tiende a producir una rotación y un trabajo. Cuando este concepto se aplica a las unidades de bombeo mecánico, la torsión se refiere al número de pulgadas-libras de fuerza aplicado a la manivela por la flecha del reductor de engranes, esta torsión es producida por el jalón de la biela, debido a las cargas del pozo y a un efecto opuesto del contrabalanceo. Básicamente, la torsión neta en la flecha del reductor de engranes es la diferencia entre la torsión impuesta por la carga del pozo y la impuesta por el contrabalanceo en cualquier posición de la manivela. La torsión neta máxima es llamada torsión pico y su valor corresponde a aquel para el que está diseñado el reductor de engranes (consultar especificaciones de los fabricantes de unidades de bombeo mecánico). Como se mencionó anteriormente, en una unidad apropiadamente contrabalanceada, los contrapesos ayudan al motor principal suministrando suficiente torsión extra para elevar teóricamente, el peso total de las varillas más la mitad del peso de la columna de fluido. El contrabalanceo apropiado también reduce las inversiones de torsión, que pueden ocurrir durante la porción media de la carrera ascendente y de la descendente. Cuando los contrapesos están en la parte superior de su ciclo, contribuyen a que la torsión sea cero al iniciar el proceso de elevación (figura 39). La torsión suministrada por los contrapesos se incrementa conforme éstos se mueven hacia la posición de 90°, en la que se tiene la torsión máxima efectiva. A partir de esta posición, la torsión efectiva disminuye hasta que los contrapesos llegan a los 180° de desplazamiento, en donde la torsión vuelve a ser de cero. En la segunda parte del ciclo, que es la carrera descendente, la torsión impuesta por los contrapesos se considera positiva, debido a que éstos deben ser elevados. Entonces es cuando en el sistema se almacena energía que será utilizada posteriormente en la carrera ascendente del ciclo. La torsión efectiva suministrada por los contrapesos en cualquier posición del ciclo de bombeo, se ilustra en la Figura 39. En el eje horizontal de la gráfica se tiene el grado de rotación de la manivela y de los contrapesos.

87




360°270° 180° Grados de Rotación de la Manivela

90°0

Fig.39 Curva de Torsión en una Unidad Convencional. El grado de rotación de ambos es idéntico debido a que giran como una sola pieza sobre el mismo brazo de palanca en las unidades Clase I. En el eje vertical se tiene la torsión suministrada por los contrapesos en miles de pulgadas-libras. Nótese que aproximadamente a la mitad de este eje se tiene la línea de torsión cero. La carrera ascendente es la parte de la curva de torsión que está por debajo de la línea de cero, y se considera negativa debido a elevar la carga existente sobre la varilla pulida. La curva de torsión por arriba de la línea cero, corresponde a la carrera descendente y es positiva como se consideró anteriormente. En las unidades Clase III, el contrabalanceo está colocado afuera de la línea central de la manivela, así que cuando ésta se encuentra en la posición del fondo de la carrera, el contrapeso aún está siendo elevado para almacenar energía potencial. Esto da como resultado que la curva de torsión de las unidades Clase III, sea diferente de la curva para la unidad convencional. La comparación de las curvas de torsión para las dos clases de unidades, (como se muestra en la figura 40), donde se aprecia que el contrapeso colocado fuera de la línea central de la manivela, mueve a la curva de torsión de la unidad Clase III 30° a la derecha de la curva graficada para la unidad convencional. Esta diferencia de torsión por contrabalanceo se refleja en la torsión neta impuesta sobre el reductor de engranes, y consecuentemente, en la demanda de potencia del motor principal.

88




La comparación de la torsión neta impuesta sobre el reductor de engranes de unidades de bombeo mecánico de idéntico tamaño y operando bajo las mismas condiciones en un solo peso, es una forma de diferenciar el comportamiento de dichas unidades. Para calcular la torsión neta, se deben obtener las cargas sobre la varilla pulida de cada una de las unidades bajo condiciones de operación. Los datos de carga sobre la varilla pulida, se obtienen mediante un dinamómetro que se instala en el equipo superficial para construir una carta dinamométrica (figura 41).

360° 270° 180° Grados de Rotación de la Manivela

90°0

Fig.40 Comparación de Curvas de Torsión

89




Carga en Miles de Libras

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

12

8

4

0

Desplazamiento de la Varilla

Fig.41 Carta Dinamométrica Superficial 2.8.1 Factores de Torsión Uno de los conceptos más importantes en el sistema de bombeo mecánico es el factor de Torsión. La razón de su importancia se debe a que sin él, sería imposible determinar la carga de torsión exacta que la sarta de varillas impone sobre el reductor de engranes en cualquier posición de la manivela. La figura 41 es un diagrama real de cargas vs. desplazamiento de la varilla pulida, obtenida durante una prueba de campo con una unidad convencional. Para convertir las cargas registradas en la varilla pulida a datos de torsión por carga, el diagrama se marca cada 15° de desplazamiento de la manivela. Entonces, las cargas sobre la varilla pulida, en cada marca, se multiplican por el factor de torsión para obtener la torsión por carga impuesta sobre el reductor de engranes en cada uno de esos puntos del ciclo de bombeo. El factor de torsión utilizado, es la relación de la torsión por carga sobre el reductor de engranes a la carga sobre la varilla pulida. El Instituto Americano del Petróleo (API), requiere que para cada tamaño de unidad existente en el mercado, los fabricantes publiquen una lista de factores de torsión, ver figura 42.

90




FACTORES DE TORSIÓN

POSICIÓN DE LA

MANIVELA

PARA POZO DIRIGIDO

PARA CONTRA

PESO

1 0 0.00 0.0 2 - 9.11 + 6.95 3 - 16.50 + 13.48 4 - 22.15 + 19.05 5 - 25.15 + 23.35 6 - 27.20 + 26.05 7 90 - 26.97 + 26.95 -275013 plg-lbs torsión en el red. de eng.8 - 24.70 + 26.05 10197 lbs carga en la varilla pulida 9 - 21.00 + 23.35 10 - 16.12 + 19.05 11 - 10.68 + 18.48 12 - 5.24 + 6.95 13 180 0.00 0.00 14 + 4.82 8.95 15 + 9.20 - 13.48 16 + 13.40 - 19.05 17 + 17.80 - 23.35 18 + 21.90 - 26.05 19 270 + 25.80 - 26.95 20 + 28.50 - 26.05 21 + 28.90 - 23.35 22 + 25.80 - 19.05 23 + 19.15 - 19.48 24 - 10.01 0.00

Fig.42 Factores de Torsión

91




Los resultados de multiplicar las cargas en la varilla pulida por los factores de torsión dados por el fabricante, se grafican como se muestra en la figura 43, la curva senoidal corresponde a la torsión por contrabalanceo que se mencionó anteriormente, y la otra curva, representa los valores de torsión por carga para la unidad convencional.

360 ° 270 ° 90 ° 180° Grados de Rotación de la Manivela

0

Torsión enMiles deplg-lbs

Fig.43 Curva de Torsión en una Unidad Convencional

La suma aritmética de los valores de torsión indicados por ambas curvas, da como resultado una tercera curva, que muestra la carga de torsión neta impuesta sobre el reductor de engranes (Figura 44). Las áreas negativas en ésta o cualquier otra unidad de bombeo mecánico, indican desgaste parcial de energía del motor principal y son indeseables.

360°270° 0 90° 180°Grados de Rotación de la Manivela


92



Fig.44 Curva de Torsión en una Unidad Convencional


La figura 45, es un diagrama de cargas vs. desplazamiento de la varilla pulida, obtenido de una unidad Clase III, durante la misma prueba de campo mencionada, bajo idénticas condiciones de trabajo.

Fig.45 Carta Dinamométrica Superficial en una Unidad Clase III La diferencia entre esta gráfica y la de la unidad convencional se debe principalmente a las distintas geometrías de las unidades. En consecuencia, la curva de torsión neta para la unidad Clase III, es diferente de la curva de torsión neta de la unidad Clase I (figura 46), aunque ambas unidades estén efectuando la misma cantidad de trabajo en la varilla pulida.

Torsión en Miles de plg-lbs

90°

Carrera Ascendente Car180°

Grados de rotación de la manivela rera

Rango del Reductor de engranes

93



Fig.46 Unidad Convencional

270°

Descendente
360°


270° 360°

Carrera Ascendente Carrera Descendente

0° 90° 180°Grados de rotación de la manivela


Fig.47 Unidad Mark II Para determinar las cargas correspondientes a los ángulos de la manivela, es importante saber que en la carrera ascendente el ángulo variará de 0º a 180º y en la carrera descendente variará de 180º a 360º. De acuerdo a los valores de torque instantáneo a lo largo de todo el ciclo de bombeo y en las distintas posiciones de la manivela, se puede determinar cuando la instalación está contrabalanceada adecuadamente, le falta contrabalanceo o está sobre contrabalanceada.

94




El torque máximo en la carrera ascendente es mucho mayor que en la carrera descendente como se observa en la figura 48.

° ° ° ° °°°°°°° °

TOR

SIÓ

N (

10

00

LB

S-P

LG)

Fig.48 Curva de Torsión para un Pozo Bajo Contrabalanceado

95




El torque máximo en la carrera ascendente es menor que en la carrera descendente, como se observa en la figura 49.

TOR

SIÓ

N (

10

00

LB

S-P

LG)

° ° ° °°°°°°° ° °

Fig.49 Curva de Torsión para un Pozo Sobre-Contrabalanceado

96




Los torques, tanto en la carrera ascendente como descendente, son aproximadamente iguales, como se observa en la figura 50.

Fig.50 Curva de Torsión para un Pozo Correctamente Contrabalanceado Balanceo Estructural

Es la distribución de esfuerzos que actúan sobre los apoyos de la unidad para que se mantenga en equilibrio y se obtenga una operación eficiente de la misma.

El contrabalanceo calculado en las instalaciones de bombeo mecánico, se efectúa a un punto óptimo cuando la unidad de bombeo mecánico ya está operando en condiciones normales y aportando fluido de formación.

97




El operario electricista con un amperímetro de gancho verifica el amperaje del

motor principal que esté en los parámetros (que no presente picos), independientemente del tamaño del motor, en caso de que presente picos se mueven los contrapesos de la unidad hacia adelante o hacia atrás de la posición que tengan en la manivela, también, si se requiere, se puede disminuir el peso de los contrapesos por otros pequeños o aumentar el peso de los mismos con unos contrapesos auxiliares.

En caso necesario se tendrá que cambiar el motor a un tamaño menor o mayor dependiendo el caso, definitivamente en superficie cualquier diseño debe adaptarse a las condiciones de operación del pozo.

2.9 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE En cuanto al bombeo mecánico se refiere, es importante aclarar la forma en que se lleva a cabo el movimiento que permite el bombeo óptimo. El movimiento que describe el ciclo de la manivela mostrado en la Figura 51 es un movimiento uniforme y periódico llamado movimiento armónico simple. Es un movimiento periódico, ya que se repite idénticamente el movimiento en una sucesión de intervalos iguales de tiempo, siguiendo una circunferencia y recorriendo la misma trayectoria una y otra vez con la misma velocidad. Supóngase que una proyección perpendicular P’ – P es dibujada desde el eje vertical D – B, en la circunferencia donde termina en punto P y si el punto P viaja alrededor de la manivela un ciclo con una velocidad angular constante, el punto P’ se mueve hacia abajo en el eje vertical D – B periódicamente con un movimiento armónico simple. Con este tipo de movimiento, el punto P’ inicia en forma descendente del tope hacia abajo y en forma ascendente desde el fondo hacia arriba con el mismo valor de aceleración máxima. La aceleración de P’ al alcanzar la posición O a la mitad del eje vertical es cero, debido a que cambia de aceleración a desaceleración. La velocidad de P’ es cero en ambos casos, en el tope y en el fondo de su viaje (puntos B y D), pero en el punto O es la máxima y su aceleración es cero.

98




La manivela se conecta a un miembro rígido llamado “biela”, como lo muestra la figura 51, el cual transmite movimiento al balancín para efectuar el movimiento de bombeo. La conexión superior de la biela (v) llamada ecualizador (Yoke transversal), se mueve verticalmente hacia arriba y hacia abajo en una línea recta, dicho movimiento no es un movimiento armónico simple aún cuando la manivela gira a una velocidad angular constante. Como el punto P describe un movimiento uniforme alrededor del ciclo de la manivela, el ecualizador describe un movimiento reciprocante que puede diferir substancialmente del movimiento armónico simple del punto P’. Esto es debido a la angulosidad del mecanismo biela – manivela. El ángulo más pequeño entre la manivela y la biela es cuando la manivela está horizontal, que es una de las más grandes divergencias del movimiento del ecualizador desde que el movimiento armónico simple fue descrito por el punto P’. Por eso, sólo una longitud infinita de la biela podrá desarrollar un movimiento armónico simple del ecualizador.

Fig.51 Movimiento Armónico Simple

99




En la figura 52, cuando el perno de la manivela (P) se mueve alrededor del ciclo de A a B y de ahí a C, el ecualizador se mueve verticalmente desde a’ a b’, lo cual corresponde al viaje del perno de la manivela (P) de C a D y de regreso a A. Esto es debido a que el viaje del ecualizador está en función de los componentes verticales de la manivela (BP) y la biela (PV). En los cuadrantes superiores del ciclo de la manivela, los componentes verticales viajeros de la manivela y de la biela son sumados en los dos cuadrantes inferiores restados. Esta modificación del movimiento armónico simple de la manivela-biela, puede tener un efecto importante sobre la velocidad y las características de aceleración del ecualizador transmitidas al balancín. Esto es, debido a que el punto P viaja en el ciclo a una velocidad anular constante, el tiempo necesario para cubrir cada uno de los cuadrantes es el mismo. Sin embargo, la distancia que el ecualizador desarrolla de b’ a a’ es mucho más larga que de a’ a d’, aún así, las velocidades del fondo y del tope del ciclo son cero, además, la aceleración es substancialmente mayor de b’ a a’ que de d’ a a’. Esta anomalía cinemática tiene consecuencias importantes. Dado que el perno de la manivela cubre los dos cuadrantes superiores del ciclo, el ecualizador se mueve hasta el tope de su carrera con una desaceleración máxima relativamente alta y comienza a descender con una aceleración máxima igualmente alta. Pero como también el perno de la manivela cubre los dos cuadrantes inferiores del ciclo, el ecualizador desacelera hacia el fondo de la carrera con un valor máximo relativamente menor, mientras que la aceleración hacia arriba tiene un valor similar al anterior, con lo que se reduce la aceleración máxima relativamente menor, mientras que la aceleración hacia arriba tiene un valor similar al anterior, con lo que se reduce; la aceleración del ecualizador juega un papel muy importante en la selección de la varilla, en la estructura de la misma y en los valores de los rangos de carga de la varilla para diferentes geotermias de bomba.

100




B

Fig.52 Movimiento Manivela Biela

101



EVALUACIÓN

EVALUACIÓN

I. Escriba sobre la línea, las palabras que complementen correctamente las

siguientes oraciones. 1. Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un ______________ recibe un

empuje _____________ con una fuerza de ______________ que es igual al peso del fluido _____________ por dicho cuerpo.

2. La torsión se define como la _____________ que actúa en el _____________ de

un brazo de ______________ multiplicada por la longitud del ______________ y que tiende a producir una ______________ y un trabajo.

II. En el siguiente cuestionario escriba dentro del paréntesis una V si el concepto es

verdadero o una F si es falso. 1.- En el Bombeo Mecánico el fluido se produce por la combinación de

dos fuerzas: Energía del yacimiento y energía suministrada por el sistema de producción artificial.

( )

2.- La geometría de las unidades de Bombeo Mecánico se clasifican en 3

clases: Clase I, Clase II, Clase III. ( )

3.- La Clase I está representada por las unidades: Mark II e

Hidroneumática Tieben. ( )

4.- En la carrera ascendente la unidad Mark II es más lenta que la

unidad convencional. ( )

. 5.- La carrera ascendente es productiva igual que la carrera

descendente. ( )

103



EVALUACIÓN III. Coloque dentro del paréntesis la letra que relacione correctamente las

siguientes columnas.

( )

Es la parte de la carrera donde la máxima carga de varillas y fluido se levantan del fondo con la máxima aceleración y se extiende hasta cerca de la mitad de la carrera ascendente.

A.- ZONA I

( )

En esta zona, las varillas flotando se desaceleran en su preparación para detenerse en el fondo de la carrera.

B.- ZONA II

( ) En esta zona, aún se tiene la máxima masa de varillas y fluido pero se esta desacelerando, consecuentemente el componente de inercia de la masa de varillas y fluido se está restando del total del peso estático.

C.- ZONA III

( ) En esta zona únicamente se tiene el peso de las varillas flotando menos el componente de inercia, en esta zona ocurre la máxima aceleración hacia abajo.

D.- ZONA IV

104



EVALUACIÓN IV. Resuelva los siguientes problemas de acuerdo al siguiente planteamiento: Contrabalanceo = Wr + Wf

2 DONDE: Wr = Peso total de la santa de varilla (lbs) Wr = Peso del fluido (lbs) CARRERA ASCENDENTE= Wr+Wf–CONTRABALANCEO= FUERZA DESBALANCEADA CARRERA DESCENDENTE= CONTRABALANCEO-Wr= FUERZA DESBALANCEADA VALORES. 1.- Wr = 18000 (lbs) Wf = 7000 (lbs) VALORES 2.- Wr = 16000 (lbs) Wf = 6000 (lbs)

105



EVALUACIÓN VALORES 3.- Wr = 17000 (lbs) Wf = 8000 (lbs)

106



CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE LA BOMBA, DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS Y CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO

3

CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN

DEL TAMAÑO DE LA BOMBA,

DISEÑO DE LA SARTA DE

VARILLAS Y CARRERA

EFECTIVA DEL ÉMBOLO




109



3.1 SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE LA BOMBA Para una profundidad de colocación de la bomba y un volumen de producción dado, existe un tamaño apropiado de ésta que es el resultado de mantener una carrera efectiva del émbolo y una velocidad de operación moderada. El factor más importante a considerar en la selección de una bomba es el volumen de fluido que es capaz de desplazar por cada pulgada de carrera del émbolo, el cual depende del diámetro de la bomba. El desplazamiento teórico de la bomba en el fondo (PD) es determinado por:

( )

=

plg/bls 9702min/día 1440

minutoembolada

N embolada

plg Sp plg ApPD 2

PD = 0.1484 Ap Sp N (BPD) barriles por día Donde: Ap = Área de la sección transversal del émbolo (plg2) Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg) N = Velocidad de bombeo, embolada /min. (spm) Otra forma de calcular el desplazamiento teórico de la bomba es mediante una constante de bombeo (K), la cual es obtenida de acuerdo al tamaño del émbolo y es determinada por la siguiente ecuación: K = 0.1484 Ap PD = K Sp N El valor de K, se puede obtener directamente de la tabla 1 (Anexo), con el diámetro del émbolo. El gasto de producción en la superficie (q) es menor que el desplazamiento teórico de la bomba, debido a la eficiencia volumétrica de la bomba (Ev), la cual es calculada como la relación de gastos. Ev = (q/PD)(100) q = (Ev)(PD)/100


110



La eficiencia volumétrica es un factor muy importante a considerar en la solución de los problemas, desafortunadamente se conoce hasta que se define el gasto de producción deseado. La liberación de gas es un factor muy significativo en la estimación de la eficiencia volumétrica, ya que por ejemplo: en pozos con alta relación gas-líquido se tienen eficiencias muy bajas, del 25% al 50%, en aquellos donde existe una buena separación del gas de formación se tendrán eficiencias del 50% al 70%, en pozos con una buena separación y buena sumergencia de la bomba las eficiencias serán del orden del 70% al 80% y para pozos sin gas pero con un alto nivel de fluido las eficiencias volumétricas pueden aproximarse al 100%. Generalmente, la eficiencia volumétrica de la bomba es estimada mediante la experiencia local. Para la selección del tamaño óptimo del émbolo a un gasto de producción deseado y una cierta profundidad, es importante considerar que se deben obtener altas eficiencias y prevenir cargas innecesarias en la sarta de varillas y el equipo superficial. Para realizar una selección preliminar del tamaño del émbolo, cuando la carrera de la varilla pulida es menor de 74 plg. se puede usar la tabla 5 apéndice A. 3.1.1 Ejemplos para la Selección del Tamaño de la Bomba 1. Calcular la constante de bombeo para un diámetro de émbolo de 2” si: K = 0.1484 Ap

4 dp

Ap2π

=

Donde:

Ap = Área de la sección transversal del émbolo (plg2) K = Constante de la bomba (BPD/plg/spm) dp = Diámetro del émbolo (plg)


Valores:

π = 3.1416 dp = 2”∅ K = (0.1484)(Ap)

4pd

0.1484K2

=

π

( )

=

42

0.1484K2π

K = 0.466 BPD/plg/spm

Otra forma de resolver este problema, es mediante la Tabla 1 del Anexo, donde, de acuerdo con el diámetro del émbolo se obtiene el área correspondiente a éste y el valor de la constante, de tal forma que para este diámetro se tiene que: K = 0.466 BPD/plg/spm 2. Calcular la constante para un émbolo de 1 ¾”Ø

=

4dp

0.1484K2π

Donde:

dp = diámetro del émbolo (plg2)

Valores:

dp = 1.75”∅=1 ¾”∅ π = 3.1416 K = (0.1484)(Ap)

=

4dp

0.1484K2π

111




( )

=

41.75

0.1484 K2π

K= 0.357 BPD/plg/spm

3. Calcular la constante para un émbolo de 1 ½”Ø

=

4dp

0.1484K2π

Donde:


Valores:

dp = 1.50”∅ =1 ½”∅. π = 3.1416

=

4dp

0.1484K2π

K = (0.1484)(Ap)

( )

=

41.50

0.1484K2π

K = 0.262 BPD/plg/spm

4. Calcular la constante para un émbolo de 2 ¼” Ø.

=

4dp

0.1484K2π

Donde:


112




Valores:

dp = 2.250”∅ =2 ¼”∅ π = 3.1416 k = (0.1484)(Ap)

=

4dp

0.1484K2π

( )

=

42.250

0.1484K2π

K= 0.590 BPD/plg/spm

5. El pozo Poza Rica 101 en el Activo de Producción Poza Rica tiene instalada una

bomba cuyo émbolo es de 1 ½” Ø, una U.B.M. operando con una velocidad de bombeo de 11 spm y una carrera efectiva del émbolo de 108”; produce en superficie 240 BPD de un fluido cuya densidad es de 0.850.

Calcular el desplazamiento total de bomba (PD) y su eficiencia volumétrica (EV). PD= (K) (Sp) (N)

De la tabla 1 anexo, se tiene que para émbolo de 1 ½”Ø, K= 0.262 BPD/plg/spm, entonces:

K = Constante de la bomba (BPD/plg/spm) Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg) N = Velocidad de bombeo (spm)

Valores:

K = 0.262 (BPD/plg/spm) Sp = 108 (plg) N = 11 (spm) PD = (K) (SP) (N) PD = (0.262) (108) (11) PD = 311 BPD/día

113




La eficiencia volumétrica (EV) es:

EV= (q/PD) (100)

Donde: q = Gasto o producción en superficie (BPD) PD = Desplazamiento teórico de la bomba en el fondo (BPD) 100 = Tanto por ciento

Valores: q = 240 (BPD) PD = 311 EV= (q/PD) (100) EV= (240/311) (100) EV= 77.17 %

6. Un pozo equipado con una bomba cuyo émbolo es de 1 ½”, con velocidad de

bombeo de 20 spm y una carrera efectiva del émbolo de 55”, produce en la superficie 210 BPD de un fluido cuya densidad relativa es igual a 0.85. Calcular el desplazamiento total de la bomba (PD) y su eficiencia volumétrica (EV).

PD = (K) (Sp) (N)

De la Tabla 1 Anexo, para émbolo de 1 ½”, K = 0.262 BPD/plg/spm.

Donde:

K = Constante de la bomba (BPD/plg/spm) Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg) N = Velocidad de bombeo (spm) Valores: K = 0.262 (BPD/plg/spm) Sp = 55 (plg) N = 20 (spm)

114




PD = (K) (Sp) (N) PD = (0.262) (55) (20) PD = 288 BPD en la bomba

La eficiencia volumétrica (EV) es:

EV = (q/ Pd) (100) Donde :

q = Gasto o producción en superficie (BPD) PD = Desplazamiento teórico de la bomba en el fondo (BPD) 100 = Tanto por ciento

Valores: q = 210 (BPD) PD = 288

EV = (q/ Pd) (100) EV = (210 / 288) (100) EV = 72.91%

7. Si el desplazamiento total de la bomba (PD) es de 250 BPD y la eficiencia

volumétrica (EV) es del 75%. Calcular el gasto (q) de producción en la superficie. q= (PD) (EV/100)

Donde: PD = Desplazamiento teórico de la bomba (BPD) EV = Eficiencia volumétrica de la bomba

Valores:

PD = 250 (BPD) EV = 75% q = (PD) (EV/100) q = 250 BPD (75/100) q = 187.5 BPD en la superficie

115




8. Una bomba será instalada en un pozo cuyo nivel dinámico está a 4000 pies y se

desea que produzca 400 BPD de fluido en la superficie. La experiencia local indica que la eficiencia de la bomba es del 80%.

¿Qué tamaño de bomba recomendaría para este pozo? Para una selección preliminar, se utiliza la Tabla 2 del Anexo, en la cual se recomienda un tamaño de bomba de 2” ó 2¼”. Además, la determinación del tamaño exacto depende de otros factores y otras consideraciones. 3.2 DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS Como las varillas no sólo sostienen su propio peso sino también el peso del fluido, la carga en la sarta de varillas se incrementa progresivamente desde el fondo del pozo hacia la superficie, por lo que a mayores profundidades de bombeo (más de 3500 pies), es más usual instalar una sarta de varillas telescopiadas. Estas sartas consisten en varillas de dos o más diámetros y diferente longitud, con los tamaños más grandes hacia la superficie donde las cargas sobre la sarta son mayores, el uso de sartas telescopiadas da como resultado una disminución de cargas y costos. Así como para prever una distribución más uniforme de los esfuerzos en las varillas. Existen dos métodos para diseñar una sarta de varillas telescopiadas, éstos son: 1. Esfuerzo máximo.- Consiste en asignar a cada sección de la sarta un esfuerzo

máximo, si se pasa de este valor máximo, se selecciona una varilla de mayor diámetro.

2. Esfuerzos iguales.- Es el método más usado, y consiste en diseñar la sarta de

varillas de tal manera que los esfuerzos sean iguales en la parte superior de cada sección. La Tabla 3 del Anexo, presenta los valores y porcentajes de las varillas que pueden utilizarse según el tamaño de la bomba, estos porcentajes pueden calcularse también con las ecuaciones que resultan de aplicar este método, estas ecuaciones han sido obtenidas y se presentan en la Tabla 4 del Anexo.

116




117



Una vez definido el porcentaje de cada sección de varilla, se calcula la longitud de

cada una de ellas considerando que:

LR L i1 = También considérese que: ∑ Li = L i = 1, 2, 3, ... n, Donde:

Ri − Porcentaje fraccional de cada sección de varilla (%). L – Longitud total de la sarta de varillas (pies). L1,2,3...n – Longitud de cada sección de varillas (pies). ∑ − Sumatoria de todas las secciones de varillas (pies).

La carga máxima (Wmáx) y mínima (Wmín) que se espera durante el ciclo de bombeo en la sarta de varillas deben ser determinadas correctamente para poder seleccionar el equipo superficial adecuado que pueda manejar estas cargas. La cuantificación de las cargas en la varilla pulida serán más o menos reales, dependiendo de los datos con los que se disponga. Para el cálculo de estas cargas, se han propuesto diferentes expresiones, en este manual se enuncian las que son más confiables y que pueden utilizarse en un amplio rango de velocidades de bombeo. 3.2.1 Factores que contribuyen a formar la Carga Total de la Varilla Pulida. Dentro del ciclo de bombeo se presentan cinco factores que contribuyen a formar la carga total de la varilla pulida, estos factores son: 1) El peso muerto de la sarta de las varillas (Wr) y está dado por:

Wr = ∑ mi Li i = 1, 2, 3, ..., n

Donde:

mi = Peso unitario de cada sección de varillas (lbs/pie). Li = La longitud de cada sección de la sarta de varillas (pie).


Ejemplo de Aplicación

En un pozo del Área P. Alemán en el Activo de Producción Poza Rica será colocada una bomba con un émbolo de 1 ¼” ∅ a una profundidad de 8500 pies, usando una sarta de varillas telescopiadas compuesta por una sección de 1”, 7/8” y ¾”, y cada varilla de succión mide 25 pies de longitud. Consultando la tabla 3 del anexo determinar lo siguiente:

a) El número de varilla y el porcentaje proporcionado a cada sección de varillas. b) La longitud de cada sección de varillas. c) El número de varilla equivalente a cada sección de varillas. d) El peso estático de cada sección de varillas. e) El peso estático del total de la sarta de varillas.

a) De acuerdo a la tabla 3 del anexo corresponde el No. de varilla 86.

1ª R1 = 1” = 24.3% 2ª R2 = 7/8” = 24.5% 3ª R3 = ¾” = 51.2% R1, R2, R3, porcentaje fraccional de cada sección de varillas respectivamente.

b) Longitud de cada sección (L1,2,3...n).

L1,2,3...n = (L)(R1/100) L1 = (8500) (0.243) = 2065.5 pies L2 = (8500) (0.245) = 2082.5 pies L3 = (8500) (0.512) = 4352 pies

c) Número de varillas por sección.

L1 = 2065.2 ÷ 25 = 83 varillas L2 = 2082.5 ÷ 25 = 83 varillas L3 = 4352 ÷ 25 = 174 varillas

Observación: todas las varillas miden 25 pies de longitud.

118




d) El peso unitario de cada sección de varillas (mi) de acuerdo a la tabla 5 del anexo

se tiene que: La varilla de 1” = 2.88 lbs-pie La varilla de 7/8” = 2.16 lbs-pie La varilla de ¾” = 1.63 lbs-pie

Entonces:

Wr 1,2,3..n = (L1)(m1) Wr1 = 2065.5 x 2.88 = 5948.64 (lbs) Wr2 = 2082.5 x 2.16 = 4498.2 (lbs) Wr3 = 4352 x 1.63 = 7093.76 (lbs)

e) Peso total de la sarta de varillas(Wr) es:

Wr = ∑ Wr1 + Wr2 + Wr3

Wr = 5948.64 + 4498.2 + 7093.76 = 17540.6 lbs.

También se puede calcular el peso total de la sarta de varillas mediante los datos tomados de la tabla 3 del anexo, donde se considera un promedio de peso por unidad del total de la sarta de varillas.

119




120




De la tabla 3 del anexo, a una sarta de varillas telescopiadas para un diámetro de bomba de 1 ¾”∅ corresponde el número de varilla 86 y de la misma tabla el peso promedio de las varillas (mr) es de 2.185 lbs-pie.

Wr = (L)(mr) Donde :

Wr = Peso total de la sarta de varillas (lbs). L = Longitud total de la sarta de varillas (pies). mr = Peso promedio de las varillas (lbs-pie).

Valores:

L = 8500 pies mr = 2.185 lbs-pie Wr = (L)(mr) Wr =(8500)(2.185) Wr = 18572.5 lbs

2) La carga por aceleración de la sarta de varillas

Las cargas máximas y mínimas por aceleración están dadas por:

Carga máxima por aceleración = Wr ∝ Carga mínima por aceleración = - Wr ∝

Donde: ∝ = Factor de aceleración. El factor de aceleración es calculado mediante la ecuación de Mills:

70500SN2

∝=


Ejemplo de Aplicación Factor de Aceleración (α)

70500SN2

=α

Donde:

α = Factor de aceleración (Adimensional). S = Carrera de la varilla pulida (plg). N = Velocidad de bombeo (spm).

Valores:

S= 144 plg. N= 12 spm Factor= 70500

70500)N(S)( 2

=α

( )( )70500

12144 2

=α

0.2941=α

121





70500)(S)(N2

=α

Valores:

S= 168 plg. N= 11 spm Factor= 70500

70500)(S)(N2

=α

( )( )70500

11168 2

=α

.28830=α Ejemplo de Aplicación

70500)(S)(N2

=α

Valores:

S= 120 plg N= 12 spm Factor= 70500

70500)(S)(N2

=α

( )( )70500

12120 2

=α

0.2451=α

122




3) Fuerza de flotación de las varillas

Considerando que la densidad de las varillas es de 490 lbs/pie3, el volumen de la sarta de varillas y consecuentemente el volumen del fluido desplazado (Vd) por la sarta es: Vd = Wr/490 lbs/plg3 La densidad del fluido desplazado en función de la densidad relativa es: 62.4 G lbs/pie

Donde: G = Densidad relativa del fluido. La fuerza de flotación de las varillas (Ff), es decir, el peso del fluido desplazado es entonces: FE = - (Wr/490) (62.4 G) Ff = - 0.127 Wr G El signo negativo de la ecuación anterior indica que la fuerza de flotación es siempre ascendente.

Ejemplo de Aplicación Fuerza de Flotación de las varillas o peso del fluido desplazado (Ff).

Ff = (-0.127) (Wr)(G)

Donde: -0.127 Factor. Wr = Peso estático de las varillas en el aire (lbs). G = Densidad relativa del fluido.

123




Valores:

Wr = 10300 lbs G = 0.870 Factor = -0.127 Ff = (-0.127)(Wr)(G) Ff = (-0.127)(10300)(0.870) Ff = -1138 lbs


Ff = (-0.127) (Wr)(G)

Valores:

Wr = 14820 lbs. G = 0.820 Factor = -0.127

Ff = (-0.127) (Wr)(G) Ff = (-0.127)(14820) (0.820) Ff = -1543 lbs


Ff = (-0.127) (Wr)(G)

Valores: Wr = 11350 lbs. G = 0.835 Factor = 0.127

Ff = (-0.127) (Wr) (G) Ff = (-0.127) (11350) (0.835) Ff = -1203 lbs.

124




4) La carga del fluido para determinar las cargas en la varilla, será el peso del fluido

que es soportado por el área neta del émbolo. De acuerdo a esto, el volumen de la columna de fluido (Vc), teniendo como base el área del émbolo y la longitud total de la sarta de varillas será:

Vc = L Ap/144 pie3 El volumen del fluido (Vf) va a ser la diferencia entre el volumen de la columna

de fluido sobre el émbolo, menos el volumen desplazado por la sarta (Vd), es decir: Vf = (L Ap/144) – (Wr/490) Entonces la carga del fluido (Wf) será: Wf = 62.4 G [(L Ap/144) – (Wr/490)] Wf = 0.433 G (L Ap – 0.294 Wr) La carga del fluido sobre la varilla pulida es únicamente durante la carrera ascendente.

Ejemplo de Aplicación Wf = (0.433) (G) [(L) (AP) – (0.294) (Wr) ] Donde:

Wf = Peso del fluido calculado. 0.433 = Factor diferencial por la profundidad (L) por la densidad

relativa ∆p = 0.433 GL. 0.294 = Factor.

G = Densidad relativa del fluido. Ap = Área de la sección transversal del émbolo (plg2).

L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la bomba (pies).

Wr = Peso estático de la sarta de varilla en el aire (lbs).

125




Valores:

Factor = 0.433 G = 0.870 L = 4985 pies

AP = 2.405 plg2 Factor = 0.294

Wr = 8125.5 lbs Wf = (0.433) (G) [(L)(AP) – (0.294) (Wr)] Wf = (0.433) (0.870) [(4985) (2.405) – (0.294) (8125.5)] Wf = 3616.42 lbs.

Ejemplo de aplicación

Wf = (0.433) (G) [(L)(AP) – (0.294) (Wr)]

Donde:

Wf = Peso del fluido calculado. 0.433 = Factor diferencial por la profundidad (L) por la densidad relativa

∆p = 0.433 GL. 0.294 = Factor.

G = Densidad relativa del fluido. AP = Área de la sección transversal del émbolo (plg2).

L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la bomba (pies).

Wr = Peso estático de la sarta de varillas en el aire (lbs). Valores :

Factor = 0.433 G = 0.820 L = 3975 pies

Ap = 3.142 plg2 Factor = 0.294 Wr = 6479.25 lbs. Wf = (0.433)(G) [(L) (AP) – (0.294) (Wr)] Wf = 0.433 (0.820) [(3975) (3.142) –(0.294) (6479.25)] Wf = 3758.17 lbs.

126




Ejemplo de Aplicación Valores:

Facto r = 0.433 G = 0.833 L = 4376 pies Ap = 1.767 plg2

Factor = 0.294 Wr = 7132.88 lbs. Wf = (0.433) (G) [(L) (Ap) – (0.294) (Wr)] Wf = (0.433) (0.835) [(4376) (1.767) – (0.294) (7132.88)] Wf = 2037.48 lbs.

5) La carga por fricción (F fric) en instalaciones que ya están en operación se puede

estimar en carta dinamométrica, dado que no se tiene un dato exacto sobre ella, por lo que generalmente se elimina.

Para elevar una carga dada, la varilla pulida ejerce una fuerza ascendente mayor que el peso muerto de las varillas y el fluido juntos, esta fuerza es conocida como carga máxima de la varilla pulida y está compuesta de dos partes (1) el peso muerto de las varillas y del fluido, (2) un componente adicional de fuerza. Esta fuerza adicional es el llamado factor de aceleración (∝), el cual es expresado como una fricción o porcentaje del peso muerto de las varillas y del fluido. La carga máxima se tiene cuando se inicia la carrera ascendente, que es cuando la carga de las varillas más el fluido se comienzan a levantar con una aceleración máxima. La carga mínima se tiene cuando se inicia la carrera descendente; ya que en esta zona únicamente se tiene el peso de las varillas flotando, menos el factor de aceleración. Las ecuaciones de Mills para determinar la carga máxima y mínima de la varilla pulida son las siguientes:

127




Para la unidad convencional (Clase I) Wmáx = Wf + Wr (1 + ∝) – Ff + Ffric Wmín = Wr (1-∝) – Ff – fric. Sólo para propósitos de derivación en el desarrollo de la ecuación del efecto de contrabalanceo ideal, las fuerzas de flotación y de fricción son consideradas, pero comúnmente son desechadas. En el cálculo de la carga máxima y en el cálculo de la carga mínima se elimina la fuerza de fricción, entonces: Wmáx = Wf + Wr (1 + ∝) (lbs) Wmín = Wr (1 - ∝ - 0.127 G ) (lbs) •

•

Para unidad aerobalanceada (Clase III) Wmáx =m Wf+Wr(1+0.7α) (lbs)

El 0.7 es porque esta unidad utiliza únicamente el 70% de la aceleración para revertir la carrera de la varilla pulida comparada con la unidad convencional. Wmín. =Wr(1-1.3α-0.127 G) (lbs)

Para unidad Mark II (Clase III) Wmáx = Wf+Wr(1+0.6α) (lbs) Wmín = Wr(1-1.4α - 0.127 G) (lbs) Ejemplo de Aplicación para el Cálculo de Carga Máxima (Wmáx ) y Mínima (Wmín) en la Varilla Pulida Ecuaciones de Mills. Wmáx = Wf+Wr(1+α)= lbs Wmín = Wr(1-α-0.127 G)= lbs Donde:

Wmáx = Carga máxima en la varilla pulida (lbs). Wmín = Carga mínima en la varilla pulida (lbs).

128




Wf = Peso del fluido calculado (lbs). Wr = Peso muerto de la sarta de varillas (lbs). α = Factor de aceleración.

0.127 = Factor. G = Densidad relativa del fluido.

• Unidad Convencional

Wmáx = Wf+Wr (1+α) Wmín = Wr (1-α-0.127 G)

Valores:

Wf = 3616.42 lbs Wr = 8125.5 lbs α = 0.2941

Factor = 0.127 G = 0.870 Wmáx = Wf+Wr (1+α) Wmáx = 3616.42+8125.5 (1+0.2941) Wmáx = 14131.62 lbs Wmín = Wr [1-α-0.127)(G)] Wmín = 8125.5 [1-0.2941-(0.127)(0.870)] Wmín = 4838 lbs

• Unidad aerobalanceada (Clase III)

Wmáx = Wf+Wr [1+(0.7)(α)] Wmáx = 3616.42+8125.5 [1+(0.7)(.2941)] Wmáx = 13414.71 lbs Wmín = Wr (1-1.3α-0.127 G) Wmín = 8125.5[1-(1.3)(0.2941)-(0.127)(0.87)] Wmín = 4121.09 lbs

• Unidad Mark II (Clase III)

Wmáx = Wf + Wr (1+0.6α) Wmáx = 3616.42+8125.5 [1+(0.6)(0.2941)] Wmáx = 13175.74 lbs

129




Wmín = Wr [1-1.4α-0.127G] Wmín = 8125.5 [1-(1.4)(.2941)-(0.127)(0.870)] Wmín = 3882.120 lbs

Levantar una carga máxima con alta aceleración ocasiona una mayor carga estructural, lo que a su vez produce una mayor tensión en las varillas. Es por esta razón que se debe checar que la tensión máxima prevista no sea mayor que la tensión máxima de trabajo permisible. La tensión máxima en la parte superior de toda la sarta de varillas (de un solo diámetro o telescopiadas), va a ser calculada dividiendo la carga máxima de la varilla pulida entre el área de la sección transversal de la varilla superior.

topA máx W

max S = Donde:

A top = Área de la varilla superior (plg2). Ejemplo de Aplicación de la Tensión Máxima en la parte Superior de la Sarta de Varillas (Smax)

topAWmax

Smax =

Donde:

Wmáx = Carga máxima en la varilla pulida. A top = Área de la varilla superior.

Valores: Wmáx = 13175.74 lbs. Para la unidad Mark II A top = ¾” =0.442 plg2

362.29809442.0

74.13175===

topAWmax

Smax lbs/plg2

130




367.29809=Smáx lbs/plg2

El criterio de comparar la tensión máxima a la que estará sometida la sarta de varillas diseñada, es tan importante que si ésta es mayor que la tensión de trabajo permisible (usualmente es de 30000 lbs/plg2), la sarta de varillas tendrá que ser rediseñada. La tensión a la cual ocurren fallas en la varilla es el llamado límite proporcional del material, este límite no es un criterio para establecer la tensión máxima de trabajo permisible para las varillas, ya que se tienen ciertas fallas por fatiga, las cuales generalmente ocurren a tensiones por debajo del límite proporcional. Entonces se considera el endurecimiento límite como la tensión máxima que puede aplicarse a un miembro. El límite de endurecimiento para las varillas depende de: (1) los componentes presentes en el acero, (2) los agentes corrosivos presentes en el fluido y (3) el rango de tensión al que están sujetas las varillas. La Tabla 17 del Apéndice, resume los grados de acero más usados, dando su composición y su límite de endurecimiento. Ejemplo del Diseño de la Sarta de Varillas Una bomba con émbolo de 2”Ø será colocada a 8500 pies usando una sarta de varillas telescopiadas compuesta por una sección de ¾”, 7/8” y 1”. Cada varilla de succión es de 25 pies de longitud. Determinar la longitud de cada sección de la sarta de varillas para que se logre cubrir la profundidad de colocación de la bomba. De acuerdo con la tabla 3 del apéndice, se tiene que la varilla que maneja la combinación de ¾”, 7/8” y 1”, es la No. 86 y además, para un émbolo de 2Ø”, se tiene que:

R1 = 33.9% varilla de ¾”. R2 = 33.2% varilla de 7/8”. R3 = 32.8% varilla de 1”.

Entonces:

L1 = 8,500 (0.339) = 2881.5 pies. L2 = 8,500 (0.332) = 2822 pies. L3 = 8,500 (0.328) = 2788 pies.

131




Pero considerando que la longitud de cada varilla es 25 pies, entonces la longitud de cada sección será de:

L1 = 2875 pies. L2 = 2825 pies. L3 = 2800 pies.

Ejemplo de aplicación para diseñar una sarta de varillas telescopiadas utilizando la tabla No.4 del Anexo.

En un pozo del campo petrolero Papantla, será instalada una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”Ø, utilizando una sarta de varillas telescopiada consistente en varillas de ¾”, 7/8” y 1” de diámetro, considerando que todas las varillas miden 25 pies de longitud. Determinar la longitud de cada sección de la sarta de varillas. Ri = Li/L ; Li = (Ri)(L)

De acuerdo a la tabla 4 del Anexo se tiene que las relaciones de longitud que corresponden a estas sartas de varillas combinadas, son: R1 = 0.664-0.0894 Ap R2 = 0.181+0.0478 Ap R3 = 0.155+0.0416 Ap

Para este diámetro de émbolo de acuerdo a la tabla 1 del Anexo, el valor de Ap es igual a 2.405 plg2. Entonces: Li = (R1)(L) Donde

Li1,2,3 = Longitud de cada sección de varillas (pies). R1 = Porcentaje fraccional de cada varilla (%). L = Longitud total de la sarta de varillas (pies).

Valores:

R1 =0.664-0.0894 Ap R2 = 0.181+0.0478 Ap R3 = 0.155+0.0416 Ap L = 8500 pies

Ap = 2.405 plg2

132




Li = (R1)(L) L1 = [0.664-(0.0894)(2.405)](8500) = 3816.44 pies L2 = [0.181+(0.0478)(2.405)](8500) = 2515.65 pies L3 = [0.155+(0.0416)(2.405)](8500) = 2167.90 pies

Las longitudes se requieren en múltiplos de 25 (pies), ya que todas las varillas

de succión miden 25 pies, entonces:

L1 = 3800 pies L2 = 2525 pies L3 = 2175 pies

3.3 CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO El volumen de aceite manejado durante cada carrera del émbolo no depende de la longitud de carrera de la varilla, si no de un movimiento relativo del émbolo en el barril de trabajo. Este movimiento es conocido como carrera efectiva del émbolo y difiere significativamente de la carrera de la varilla pulida. Esta diferencia se debe a las elongaciones en la varilla (er) y en la tubería (et), así como también a la sobrecarga del émbolo (ep) como resultado de la aceleración. La carrera efectiva del émbolo, es la carrera de la varilla pulida disminuida por los efectos de elongación en las varillas y la tubería, debido a la carga del fluido e incrementada por el efecto de la sobrecarga del émbolo como resultado de la aceleración. Por lo tanto la carrera efectiva del émbolo es: Sp = S + ep – (et + er) (1)

Donde todos los términos involucrados en la ecuación anterior deberán estar expresados en pulgadas. ELONGACIONES DE LA TUBERÍA (et) Y LA VARILLA (er)

Dado que las válvulas viajera y de pie, abren y cierran durante el ciclo de bombeo, la carga del fluido es transferida alternativamente de la tubería a la sarta de varillas, lo que ocasiona deformaciones elásticas periódicas. Durante la carrera descendente, cuando la válvula de pie está cerrada y la válvula viajera está abierta, la carga del fluido está sobre la tubería, lo que provoca una cierta elongación en este miembro, en cambio, al inicio de la carrera ascendente, cuando la válvula viajera está cerrada y la válvula de pie está abierta, se origina una elongación en las varillas.

133




134



La restauración de la longitud original de la tubería ocasiona que el barril de trabajo se mueva hacia arriba y la elongación de las varillas provoca que el émbolo se mueva hacia abajo. Sin embargo, la carrera efectiva del émbolo disminuye en una cantidad igual a la suma de las elongaciones. Para una deformación elástica, se tiene una relación constante entre la tensión aplicada al cuerpo de la varilla y el esfuerzo interno de la misma; esta relación es el llamado “módulo de elasticidad” (E), el cual depende del tipo de material manejado. (2) E

interno EsfuerzoTensión

= Si la tensión es una fuerza (F) aplicada sobre una unidad de área (A), entonces: Tensión = F/A (lbs/plg2) (3) El esfuerzo interno es un cambio fraccional en la longitud.

L 12einterno Esfuerzo = (4)

donde:

e = Elongación del elemento de análisis (plg). L = Longitud del elemento de análisis (pie).

Sustituyendo las ecuaciones (3) y (4) en la ecuación (2):

AeL F 12

L e/12F/A

E == (5)

Entonces, la elongación del elemento de análisis será:

(6)

AEL F 12

e = Donde la fuerza (F), debido a la carga del fluido, resulta de la presión

diferencial (∆p) que se tenga a través del émbolo y que actúa sobre el área total del émbolo (Ap).

F = ∆p Ap (7)


Si se considera que la bomba se coloca a la profundidad del nivel dinámico (D), la presión diferencial será la presión de una columna de fluido de densidad relativa (G) a una profundidad L. ∆p = 0.433 G L (8) Para un caso más general, la presión bajo el émbolo debido a la columna de fluido en la T.R., será mayor de (L-D), entonces: ∆p = 0.433 G L – 0.433 G (L-D) ∆p = 0.433 GD (9) Sustituyendo la ecuación anterior en la ecuación (7): F = 0.433 G D Ap (10) Sustituyendo la ecuación (10) en la ecuación (6):

( ) AE

L ApD 0.433G12e =

AEL ApD 5.20G

e = (11)

Entonces, de acuerdo con la ecuación anterior, la elongación de la varilla será:

ArEL ApD 5.20G

er = (12)

y la elongación de la tubería será:

(13) En el caso de una sarta de varillas telescopiadas la ecuación (12) se

aplicará a cada sección, de tal forma que la elongación de las varillas será:

t AEL ApD 5.20G

et =

(14)

+= ...

AL

AL

E

ApD G 5.20e

2

2

1

1

135




Estos valores de elongación también pueden calcularse con las siguientes fórmulas: er = Er WfL (15) et = Et WfL (16) SOBRECARRERA DEL ÉMBOLO Además de las elongaciones de la tubería y las varillas se debe considerar la elongación originada por el peso de las varillas flotando en el fluido, debido a la aceleración de las mismas en cada carrera del émbolo, esta elongación es llamada sobrecarrera del émbolo. En una sarta, el peso de la varilla va aumentando gradualmente desde cero en el fondo hasta Wr en la parte superior. En promedio, el peso de la sarta que origina la elongación es de Wr/2 y en términos de longitud será de L/2. De tal forma que la elongación de las varillas como resultado de su propio peso, al final de la carrera descendente (ed) y de acuerdo con la ecuación (6) será:

(17)

( ) ArE

L/2 Wr Wr 12ed

α+=

Recordando que, en la carrera descendente se tiene la máxima carga por aceleración (+Wr a) y que cerca del tope de la carrera ascendente, justo cuando las varillas comienzan a bajar, se tiene la mínima carga por aceleración (-Wr a), entonces la elongación de las varillas al final de la carrera ascendente (eu) será:

(18)

( ) ArE

L/2 Wra Wr 12eu

+=

La elongación neta, resultante de la aceleración o de la sobrecarga del émbolo es: (19)

ArEL Wr 12

e ee uduα

=−= y si el peso de la sarta es:

Wr = pr L Ar/144 (20) Donde pr es la densidad del acero de las varillas y es aproximadamente 490 lbs/pie3.

136




Sustituyendo la ecuación (20) en la ecuación (19):

(21)

EL 40.8

144L A 490

ArEL 12

e2

rp

αα=

=

Finalmente, se tiene la ecuación plantada por Marsh-Coberly, basada en la ecuación 3.3.1 en la cual, sustituyendo las ecuaciones (12), (13) y (21) se tiene que para sarta de varillas de un solo diámetro:

+−+=

Ar1

A1

EL ApGD 5.20

E L 40.8

SSpt

2 α (22)

y para la sarta de varillas de varios diámetros (telescopiada)

+++−+=

3

3

2

2

1

1

T

2

ArL

ArL

ArL

AL

ED)(Ap)(5.20)(G)(

E)(α((40.8)(L

SSp (23)

Ejemplo de Aplicación En un pozo del campo petrolero Tajín se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” ∅ en el interior de una tubería de producción (T.P.) de 2 7/8” ∅ a una profundidad de 3500 pies, se considera que el nivel de fluido en la tubería de revestimiento “T.R.” está a la profundidad de colocación de la bomba con un gasto o producción en la superficie de 150 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.825, la U.B.M. deberá operar con una carrera en la varilla pulida de 100” a una velocidad de bombeo de 11 (spm) y la sarta de varillas será de un solo diámetro de ¾”. Calcular la carrera efectiva del pistón (SP) considerando la tubería de producción (T.P.) desanclada y anclada. Datos:

Dp = Diámetro del émbolo = 1 ¾” ∅ Dtp = Diámetro de la tubería de producción (T.P.) = 2 7/8” ∅

L = Profundidad de colocación de la bomba = 3500 (pies) Dr = Diámetro de las varillas de succión = ¾” N = Número de emboladas por minuto = 11 (SPM) S = Longitud de la carrera de la U.B.M. = 100” q = Gasto o producción = 150 B.P.D. G = Densidad relativa del fluido = 0.825 D = Nivel dinámico del fluido = 3500 (pies)

137




Cálculo con la Tubería de Producción (TP) desanclada. De la tabla 5 del Anexo: Ar = Área de la varilla de succión = 0.442 (plg2) De la tabla 7 Anexo: At = 1.812 plg2 De la tabla 1 Anexo: Ap = 2.405(plg2)

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

+−+=

Ar1

At1

ELApDG5.20

EL40.8

SSp2 α

Donde:

At = Área de la sección transversal de la tubería de producción (T.P.) (plg2). Ar = Área de la sección transversal de la varilla de succión (plg2). S = Carrera de la U.B.M. (plg).

40.8 = Factor. L = Profundidad de colocación de la bomba (pies). ∝ = Factor de aceleración.

5.20 = Factor. G = Densidad relativa del fluido. D = Nivel dinámico del fluido (pies).

Ap = Área transversal del émbolo (plg2). E = Módulo de elasticidad para el acero en la varilla pulida.

138




1.- Cálculo del factor de aceleración ∝.

70500SN2

=α

Donde:

S = Carrera de la varilla pulida = 100 (plg) N = Velocidad de bombeo = 11 (spm)

70500 = Factor

70500SN 2

=α ( ) ( )

7050011 100 2

=α ∝ = 0.1716 2.- Cálculo de la carrera efectiva del pistón (Sp).

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

+−+=

Ar1

At1

ELApDG5.20

EL40.8

SSp2

α

Valores: S = 100 plg L = 3500 pies ∝ = 0.1716 G = 0.825 D = 3500 pies Ap = 2.405 plg2 E = 30 x 106 At = 1.812 plg2 Ar = 0.442 plg2

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

+−+=

Ar1

At1

ELApDG5.20

EL40.8

SSp2

α

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )66

2

10 x 303500 2.405 3500 0.825 5.20

10 x 30

0.1716 3500 40.8100Sp −+=

+

0.4421

1.8121

Sp = 100 + 2.8588 – (4.2129) (2.8143) Sp = 102.8588 – 11.8564 Sp = 91 plg

139




3.- Cálculo de la carrera efectiva del pistón (Sp) con la tubería de producción (T.P)

anclada donde los términos que involucran a (At) el valor es At = O se eliminan entonces:

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

−+=Ar1

ELApDG5.20

EL40.8

SSp2 α

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

−+=0.442

110 x 30

35002.40535000.8255.2010 x 30

0.1716350040.8100Sp 66

2 Sp = 100 + 2.8588 – (4.2129) (2.2624) Sp = 102.8588 – 9.5314 Sp = 93.32 Plg Ejemplo de Aplicación carrera efectiva del pistón con una sarta de varillas telescopiada y la tubería de producción (T.P.) desanclada.

+++−+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

AtL

EGDAp 5.20

E40.8L

SSPα

Donde:

SP = Carrera efectiva del émbolo (plg). S = Carrera de la varilla pulida (plg).

40.8= Factor. L = Longitud total de la sarta de varilla o profundidad de colocación de

la bomba (pies). ∝ = Factor de aceleración (lbs/plg2). E = Módulo de elasticidad para el acero.

5.20 = Factor. G = Densidad relativa del fluido.

Ap = Área transversal del émbolo (plg2). A t = Área t ransversa l de la tuber ía de producc ión (p lg2) .

Ar 1,2,3 = Área transversal de la o las varillas de succión (plg2). L1,2,3 = Longitud de cada sección de la sarta de varillas (plg2).

140




Valores:

S = 144” Factor = 40.8

L = 8500 lbs ∝ = 0.2883

Factor = 5.20 G = 0.820 D = 8500 pies

Ap = 1.227 plg2 = émbolo 1 ¼” At = 1.812 plg2

Ar1 = 0.781 plg2 = 1” ∅ Ar2 = 0.601 plg2 = 7/8” ∅ Ar2 = 0.442 = ¾”∅

E = 30x106 lbs/plg2 L1= 2065.5 pies 1” ∅

L2 = 2082.5 pies 7/8” ∅ L3 = 4352 pies ¾”∅

+++−+=

Ar3L3

Ar2L2

Ar1L1

AtL

EGDAp 5.20

E40.8L

SSp2α

( )( )( ) ( )( )( )( )

66

2

10 x 301.22785000.8205.20

10 x 300.2883850040.8

144Sp −+=

+++

0.4424352

0.6012082.5

0.7812065.5

1.8128500

Sp = 172.32-0.001482379 [ ] 20646.84 Sp = 172.32-30.60 Sp = 141.72 plg

Ejemplo de aplicación considerando la tubería de producción anclada

eliminando de la fórmula los términos que involucren a At.

++−+=

Ar3L3

Ar2L2

Ar1L1

EGDAp 5.20

E40.8L

S Sp2α

( )( )( ) ( )( )( )( )66

2

10 x 301.22785000.8205.20

10 x 300.2883850040.8

144Sp −+=

++

0.4424352

0.6012082.5

0.7812065.5

141




Sp = 172.32-0.001482379 [ ] 15955.88 Sp = 172.32-23.65 Sp = 148.67 plg.

Para el caso de tubería anclada, no se tienen elongaciones en ella y por lo

tanto, en las ecuaciones anteriores, se desprecian los términos que involucran a At. 3.4 POTENCIA DE ARRANQUE NECESARIA En el movimiento del fluido en la bomba, se consideran dos potencias, la potencia hidráulica (Hh), que es una expresión muy útil para calcular el consumo de energía y la potencia por fricción (Hf). Para la potencia hidráulica, se tiene que si un gasto en barriles por día de un fluido con densidad relativa (G), se bombea desde una profundidad (L) en pies, la potencia involucrada será:

( ) ( ) ( )( ) ( )pie/min/hp lbs 33000 x min/día 1440

pieL bl/bl G 350 x bl/día qHh =

Hh = 7.36 x 10-6 q G L (hp) (1)

Esta ecuación considera que la bomba está colocada a la profundidad del nivel dinámico y que el efecto de presión en la tubería es despreciado. Una expresión más general, sería: Hh = 7.36 x 10-6 q G L N (hp) (2)

Donde, el nivel neto (LN), es una diferencia de presión expresada en longitud de columna hidráulica, la cual originará que el fluido viaje desde la bomba hasta la superficie. Se tienen dos niveles diferentes, uno debido a los efectos de presión en la T.R. (representa una fuerza que tiende a levantar el fluido) y otro a los efectos de presión en la T.P. (representa una fuerza contra la cual la bomba debe trabajar). En términos de longitud, el efecto de presión en la T.R. es la diferencia entre la profundidad de colocación de la bomba y la profundidad del nivel dinámico, es decir, L-I. El efecto de presión en la tubería Pt, se obtiene como un nivel equivalente a ésta y es:

(3)

( ) ( )( ) ( )pie

0.433GPt

lbs/pie G 62.4/pieplg 144 lbs/plg

Pt 3

222

==

142




Entonces, el nivel neto de acuerdo a las presiones manejadas, considera la

presión a la profundidad de colocación de la bomba menos la presión en la T.R. más la presión equivalente en la T.P.

( )

G 0.433P

DLLLN t+−−=

LN = D + 2.31 (Pt/G) (4) Ejemplo de Aplicación para calcular el Nivel Neto (LN) LN = D+2.31 (Pt/G) Donde:

LN = Nivel neto (pies). D = Nivel dinámico del fluido (pies).

2.31 = Factor. Pt = Presión en T.P. (lbs/plg2). G = Densidad relativa del fluido.

El nivel dinámico es igual al resultado de la resta de la profundidad de

colocación de la bomba menos la sumergencia de la bomba.

Valores: Profundidad de colocación de la bomba = 5320 pies

Sumergencia de la bomba = 325 pies D = 5320-325= 4995 pies

Factor = 2.31 Pt = 70 lbs/plg2 G = 0.870

LN = D+2.31 (Pt/G) LN = 4995+2.31 (70/0.870) LN = 5180.86 pies

143




• Profundidad de colocación de la bomba = 8500 pies

Sumergencia de la bomba = 400 pies Factor = 2.31 Pt = 90 lbs/plg2 G = 0.825 D = 8500-400=8100 pies LN = D+2.31 (PT/G) LN = 8100+2.31(90/0.825) LN = 8352 pies

• Profundidad de colocación de la bomba = 6100 pies

Sumergencia de la bomba = 950 pies Factor = 2.31 Pt = 110 lbs/plg2 G = 0.850 D = 6100-950 = 5150 pies

LN = D+2.31 (PT/G) LN = 5150+2.31 (110/850) LN = 5448 pies

Para la potencia por fricción se consideran las pérdidas de energía por la

fricción entre la bomba y la varilla pulida.

Empíricamente se ha encontrado que las pérdidas de energía por fricción en cada carrera pueden ser calculadas a partir de: 1/8 Wr x 2 S = 0.25 Wr S (lbs-plg) Si se considera una velocidad de bombeo de N (spm), la potencia por fricción, es:

( )( ) ( pie/min/hplbs 33000 x plg/pie 12

plg/minlbs SnWr 0.25Hf

−−

= )

Hf = 6.31 x 10-7 Wr S N (hp) (5) Ejemplo de Aplicación de Potencia por Fricción (Hf) 1. Hf = 6.31 x 10-7 Wr Sn

144




Donde:

Hf = Potencia por fricción (hp). 6.31 x 10-7 = Factor. Wr = Peso total de la sarta de varilla (lbs). S = Carrera de la U.B.M. (plg). N = Velocidad de bombeo (R.P.M).

Valores Factor = 6.31 x 10-7 Wr = 14000 lbs S = 144 plg N = 13 spm Hf = 6.31 x 10-7 Wr Sn Hf = 6.31 x 10-7 (14000)(144)(13) Hf = 16.53 Hp

2. Valores

Factor = 6.31 x 10-7 Wr = 11320 lbs S = 128 plg n = 13 spm

Hf = 6.31 x 10-7 Wr Sn Hf= 6.31 x 10-7 (11320)(128)(13) Hf = 11.88 hp

3. Valores:

Factor 6.31 x 10-7 Wr = 83652 lbs S = 144 plg n = 13 spm Hf =6.31 x 10-7 Wr Sn Hf = 6.31 x 10-7(8365)(144)(13) Hf = 9.88 hp

Finalmente, se tiene que la potencia total de la varilla pulida es la suma de la potencia hidráulica más la de fricción, sin embargo, la potencia total de arranque para el motor primario involucra la potencia total de la varilla pulida y un factor de seguridad que logre absorber las pérdidas de potencia sin equipo superficial adicional. Se considera un factor de 1.5 como bueno, de tal forma que la potencia de arranque necesaria para el motor primario (Hb) será:

Hb = 1.5 (Hh + Hf) (6)

145




Ejemplo de Aplicación de Potencia de Arranque del Motor (hb) Hb = 1.5 (Hh+Hf) Donde:

Hb = Potencia de arranque del motor (hp). 1.5 = Factor por pérdidas de potencia sin equipo superficial adicional. Hh = Potencia hidráulica (hp). Hf = Potencia por fricción (hp).

Valores:

Factor 1.5 Hh = 10.56 hp Hf = 16.53 hp Hb = 1.5 (Hh+Hf) Hb = 1.5 (10.56+16.53) Hb = 40.635

El fabricante recomienda una reducción del 25 % en la potencia especificada por él, debido al ciclo de carga. Entonces:

( ) hp 54.180.75

40.6350.251

40.635==

−

2. Valores:

Factores = 1.5 Hh = 12.52 hp Hf = 11.88 hp Hb = 1.5 (Hh+Hf) Hb =1.5 (12.52+11.88) Hb = 36.6

Se recomienda una reducción del 20% entonces:

( ) hp 45.750.8036.6

.020136.6

==−

146




3. Valores:

Factor 1.5 Hh = 11.16 hp Hf = 9.88 hp Hb = 1.5 (Hh+Hf) Hb = 1.5 (11.16+9.88) Hb = 31.56 hp El fabricante recomienda una reducción de 27% entonces:

( ) hp 43.230.7331.56

.27131.56

==−

Ejemplo de Aplicación de Potencia Hidráulica (Hh) 1. Hh = (7.36 x 10-6 )(q)(G)(LN)

Donde: Factor = 7.36 x 10-6. q = Gasto en superficie. G = Densidad relativa del fluido. LN = Nivel neto del Fluido.

Valores:

Factor = 7.36 x 10-6 q = 310 (BPD) G = 0.870 LN = 5320 (pies)

Hh = 7.36-10-6 (q)(G)(LN) Hh = (7.36 x 10-6 )(310)(0.870)(5320) Hh = 10.56 Hp

147




2. Hh = (7.36 x 10-6 )(q)(G)(LN)

Valores:

Factor 7.36 x 10-6 q = 425 (BDP) G = 0.825 LN = 4855 (pies) Hh = 7.36-10-6 (q)(G)(LN) Hh = 7.36 x 10-6 (425)(0.825)(4855) Hh = 12.52 Hp

3. Hh = (7.36 x 10-6) (q)(G)(LN)

Valores:

Factor = 7.36 x 10-6 q = 210 (BPD) G = 0.850 LN = 8500 (pies)

Hh = (7.36 x 10-6) (q)(G)(LN) Hh = 7.36 x 10-6 (210)(0.850)(8500) Hh = 11.16

148




3.4.1 Ejemplo de Cálculo Un pozo con bombeo mecánico tiene una bomba cuyo émbolo es de 1 ¾”∅ instalada a 4560 pies con una sarta de varillas de succión de ¾”∅. Si la tubería está anclada y se tiene una velocidad de bombeo de 20.5 spm, una carrera de varilla pulida de 64” y una producción de 355 BPD de fluido cuya densidad relativa es de 0.87, considerando que la profundidad de colocación de la bomba es la profundidad del nivel dinámico y que la presión en la tubería es despreciada. a) Calcule la mínima potencia relacionándola con la especificada por el fabricante,

para que se pueda usar este motor como motor primario, si el fabricante recomienda una reducción del 25% en la potencia especificada por él, debido a la carga del ciclo.

Hh = (7.36 x 10-6)(q)(G)(LN) Hh = (7.36 x 10-6 )( 355)( 0.87)(4,560) Hh = 10.36 hp

Para una velocidad de bombeo de 20.5 r.p.m., la potencia por fricción, es:

Hf = (6.31 x 10-7 )(Wr )(S)(N) De la tabla 5 del Anexo, m = 1.63 lbs/pie, entonces el peso de las varillas es:

Wr = L m = 4560 pies x 1.63 lbs/pie = 7433 lbs Hf = (6.31 x 10-7)(7433)(64)(20.5) Hf = 6.15 hp

Entonces, la potencia de arranque requerida por el motor primario será de:

Hb = 1.5 (Hh + Hf) Hb = 1.5 (10.36 + 6.15) Hb = 24.76 hp

Para que se tenga esta potencia, de acuerdo con la reducción que se

recomienda, el total debe ser de:

( ) hp 330.7524.76

0.25124.76

==−

149




b) Determine cuál es el nivel de fluido para este pozo si la presión en la tubería es

de 50 lbs/plg2 man., y la sumergencia de la bomba es de 250 pies. Considere que la T.R. está a la presión atmosférica. Si el nivel de fluido neto (LN) está dado por:

LN = D + 2.31 (Pt/G) D = Profundidad de colocación de la bomba-sumergencia. D = 4560 pies – 250 pies. D = 4310 pies.

Entonces:

LN = 4310 + 2.31 (50/0.87) LN = 4443 pies.

150



EVALUACIÓN

EVALUACIÓN

I.- Resuelva el siguiente problema.

En un Pozo del Campo Poza Rica se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ½” Ø en el interior de una tubería de producción de 2 ½” Ø a una profundidad de 6000 pies, la producción o el gasto en superficie es de 180 B.P.D., de un fluido con una densidad relativa de 0.825, donde el nivel dinámico de la tubería de revestimiento (T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba.

Se requiere instalar una U.B.M. que operará con una carrera en la varilla pulida

de 144”, a una velocidad de bombeo de 9 emboladas por minuto y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. Efectuar los cálculos considerando la T.P. anclada. Calcular lo siguiente: RESPUESTAS a) El desplazamiento teórico de la bomba (PD). b) La eficiencia volumétrica de la bomba (EV). c) Longitud de cada sección de varillas. (L1, L2, L3). d) Peso de cada sección de varillas (m1, m2 y m3). e) Peso total de la sarta de varillas Wr. f) Factor de aceleración (α). g) Carga del fluido sobre el émbolo (Wf). h) Carga máxima (Wmáx) y carga mínima (Wmín) sobre la varilla pulida. Tensión máxima en la parte superior de la sarta (Smáx).

151



DISEÑO DE INSTALACIÓN DEL SISTEMA ARTIFICIAL DE BOMBEO MECÁNICO

4

DISEÑO DE INSTALACIÓN DEL SISTEMA ARTIFICIAL DE BOMBEO

MECÁNICO




En el diseño de instalaciones de bombeo mecánico, existen diferentes procedimientos, a continuación se presentan dos que son los que más se utilizan en el Activo de Producción Poza Rica, cada uno con el desarrollo de los factores principales involucrados en el diseño de la unidad de bombeo mecánico. Los procedimientos son: I.- Método Craft Holden. II.- Método API-RP-11L. 4.1 MÉTODO CRAFT-HOLDEN La información que debe conocerse para determinar las cargas y desplazamientos de la bomba en el diseño de una instalación de bombeo mecánico son:

No. C O N C E P T O UNIDADES NOMENCLATURA1. Nivel de fluido (elevación neta). Pie ( D ) 2. Profundidad de la bomba. Pie ( L ) 3. Velocidad de bombeo. Emboladas por

minuto ( N )

4. Longitud de la carrera superficial. plg ( S ) 5. Diámetro del émbolo. plg ( dp ) 6. Densidad relativa del fluido. ( G ) 7. Diámetro nominal de la tubería de

producción y si está anclada o desanclada.

plg ( dtp )

8. Tamaño y diseño de las varillas de succión.

plg ( dr )

9. Geometría de la unidad.

155




Con esta información se puede calcular:

No. C O N C E P T O UNIDADES NOMENCLATURA1. Carrera del émbolo. Plg. ( Sp ) 2. Desplazamiento de la bomba. bls/día ( V ) 3. Carga máxima en la varilla pulida. lbs (W máx) 4. Carga mínima en la varilla pulida. lbs (W mín) 5. Torsión máxima en la manivela.

(Cuando también se conoce el factor de torsión de la unidad)

Plg-lbs o pie –lbs.

( T.P. )

6. Potencia en la varilla pulida. Hp ( Hp ) 7. Contrapeso requerido. lbs ( CBE )

La selección para el problema de diseño se logra a través del ensayo y error. Generalmente se requieren 3 pasos en el diseño de una instalación: 1. Se efectúa una selección preliminar de los componentes de la instalación. 2. Las características de operación de la selección preliminar se calculan utilizando

las fórmulas básicas, tablas y figuras presentadas más adelante. 3. El desplazamiento y cargas de la bomba se compararon con los volúmenes, rangos

de carga, esfuerzos y otras limitaciones de la selección preliminar. Puede ser necesario hacer otras selecciones y cálculos para no exceder las limitaciones de varios componentes de la instalación en su arreglo. Frecuentemente es necesario efectuar más de una selección de equipo antes de obtener la selección óptima. A continuación se presenta el análisis y desarrollo de los principales factores involucrados en el diseño de una unidad de bombeo mecánico. Así como también las tablas y figuras necesarias. ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOVIMIENTO DE VARILLAS DE SUCCIÓN El factor de aceleración por el que se debe multiplicar el peso muerto de las varillas (Wr) para obtener la máxima carga de aceleración es:

ga

∝= ( 1 )

156




157



c

2

rVp

=α

Tr 2

Vp cπ=

gN r4

g rVp 2

c2

c

2 π=∝=

Donde: ∝ a g

= = =

Factor de aceleración. Aceleración máxima experimentada por la sarta de varillas. Es la variación de la velocidad de un cuerpo por unidad de tiempo que suele medirse en m/seg2; su valor aproximado es de g = 9.81 m/seg2 (gravedad).

Considerando un movimiento armónico de las varillas, una partícula del cuerpo

se proyecta alrededor de un círculo de referencia cuyo diámetro es la longitud de la carrera de la varilla pulida; el tiempo para una revolución de la partícula alrededor del círculo es igual al tiempo de un ciclo completo de bombeo. La aceleración máxima al inicio de la carrera ascendente o descendente, es la misma que la de la partícula en movimiento.

( 2 )

Donde: Vp rc

= =

Velocidad de la partícula. Radio del círculo.

Si T es el tiempo de una revolución de la partícula:

( 3 )

Si N es el número de revoluciones por unidad de tiempo:

( 4 )

Sustituyendo ( 3 ) en ( 2 ) y después en ( 1 )

( 5 )

Donde:

∝ Vp Rc g N π

= = = = = =

Factor de aceleración. Velocidad de la partícula. Radio del círculo. Gravedad = Es la variación de velocidad de un cuerpo por unidad de tiempo, que suele medirse en m/seg2; su valor aproximado es de g = 9.81 m/seg2 ó 32.2 pie/seg2. Número de revoluciones por unidad de tiempo. 3.1416

Nr2VpT1N cπ==


158



2Src =

gSN 2 22π

∝=

70.500SN2

∝=

AFTensión =

Para un pozo que está en producción, N es la velocidad de bombeo, y rc se

relaciona con la carrera de la varilla pulida, S; es decir:

( 6 ) Entonces la ecuación ( 5 ) queda:

( 7 )

La longitud de la carrera de la varilla pulida es obtenida normalmente en pulgadas y la velocidad de bombeo en emboladas por minuto, por lo tanto:

( 8 )

Donde: π = 3.1416. S = Carrera de la varilla pulida. N = Velocidad de bombeo.

32.2 = Gravedad expresada en pie/seg2. La carrera efectiva del émbolo. Para una deformación elástica, esto es, una relación constante entre la tensión aplicada a un cuerpo y la fatiga resultante. E = Módulo de elasticidad = tensión/fatiga La tensión es una fuerza aplicada por unidad de área.

( 9 )

Donde: F = Fuerza (lbs). A = Área (plg2).

∝= 2

2

2

222

seg 3.6001min

xPg 12

pie 1x

pie/segPg/min

32.2N2π


159



La fatiga es un cambio pequeño en la longitud. ( 10 )

pieplg

le

Fatiga ==

Donde: e = Elongación = (plg) l = Longitud original (pies) Comúnmente la fuerza (F) es expresada en libras y el área de sección transversal (A) de un cuerpo bajo tensión en pulgadas cuadradas. La elongación (e) y la longitud original l del cuerpo, son expresadas en pulgadas y pies respectivamente, por lo tanto, la ecuación (10) se escribe:

12LeFatiga = ( 11 )

F = lbs. A = plg2 e = plg l = Ft L = pies

Sabiendo que:

eAFL 12

L e/12F/A

FatigaTensión

E === ( 12 )

Donde:

E = Módulo de elasticidad para el acero. F = Fuerza. A = Área. e = Elongación.

12 = Número de pulgadas equivalentes a un pie. L = Longitud de la sarta de varillas o profundidad de la bomba.


160



La elongación del cuerpo es:

EA

12FLe = ( 13 ) La fuerza debido a la carga del fluido es la presión diferencial a través del émbolo (con la bomba a una profundidad L), actuando sobre el área total del émbolo Ap. F = ∆p x Ap ( 14 ) Donde:

F Ap ∆p

= = =

Fuerza. Área total del émbolo plg2. Diferencial de presión o incremento de presión lbs/plg2.

Si se supone que la bomba está colocada al nivel de trabajo del fluido en el pozo, la presión diferencial es la presión de la profundidad (L) de una columna de fluido con la densidad relativa (G). ∆p = 0.433GL ( 15 ) Donde: G = Densidad relativa. L = Profundidad de una columna de fluido o de la bomba. ∆p = Diferencial de presión o incremento de presión lbs/plg2. Cuando el nivel de trabajo del fluido está a la profundidad D, se debe considerar la presión bajo el émbolo, debido a la columna en la tubería de revestimiento resultante: ∆p = 0.433GL – 0.433G (L-D) = 0.433 GD ( 16 ) De las ecuaciones (13), (14) y (16) se obtiene: e = 5.20 GD Ap L/EA ( 17 )

E e D L

Ap G

5.20

= = = = = = =

Módulo de elasticidad para el acero. Elongación del cuerpo. Nivel dinámico. Profundidad de la bomba. Área del émbolo. Densidad relativa del fluido. Resultado de 12x0.433


161



La ecuación general de elongación de cualquier cuerpo de área transversal A, específicamente para la tubería de producción: et = 5.20 GD Ap L/EAt = Elongación de la T.P. ( 18 ) Donde: et = Constante elástica de la tubería. At = Área de la sección transversal del espesor de la pared de la T.P. Para la sarta de varillas: er = 5.20 GD Ap L/EAr = Elongación para sarta de varillas de un solo diámetro. ( 19 ) Donde: er = Constante elástica de las varillas. Ar = Área de la sección transversal de las varillas. En el caso de sartas de varillas de varios diámetros, se aplica la ecuación (19) para cada tramo de un mismo diámetro. La elongación total es: er = (5.20 GD Ap/E) (L1/A1 + L2/A2 + L3/A3) = Elongación para sarta de varillas de varios diámetros. (20)

L1

L2

L3

A1

A2

A3

= = = = = =

Longitud de la 1ª sección de varillas. Longitud de la 2ª sección de varillas. Longitud de la 3ª sección de varillas. Área de la sección transversal de la 1ª sección de varillas. Área de la sección transversal de la 2ª sección de varillas. Área de la sección transversal de la 3ª sección de varillas.

Además de la elongación causada por la carga de fluido, resulta una elongación adicional por la carga de las varillas dada por su propio peso y por la carga de aceleración. La elongación de las varillas en promedio está dada por su peso (Wr/2) considerando la masa total de las varillas concentrada en L/2 y la elongación resultante de esta carga, al final de la carrera descendente será:

( )EAr

L/2 WrWr 12ed

∝+=

( 21 )


Donde: ed

Wr ∝ L E Ar

= = = = = =

Elongación de la sarta de varillas al final de la carrera descendente plg. Peso muerto de las varillas. Factor de aceleración. Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la bomba. Módulo de elasticidad para el acero. Área de la sección transversal de las varillas.

La elongación al final de la carrera ascendente será:

( ) ArE

L/2 WrWr 12eu

∝−=

( 22 ) eu = Elongación de la sarta de varillas al final de la carrera ascendente o al inicio de la carrera descendente plg. La elongación neta resultante de la aceleración o el sobreviaje del émbolo es:

ArEL Wr 12

euedepα

=−= ( 23 )

Donde: ep ed

eu

= = =

Sobre carrera del émbolo. Elongación de la sarta de varillas al final de la carrera descendente plg. Elongación de la sarta de varillas al final de la carrera ascendente.

El peso de la sarta de varillas es: Wr = ρr L Ar/144 ( 24 ) Donde: Wr = Peso muerto de la sarta de varillas. ρr = Densidad de las varillas = 490 lbs/pie3. 144 = Las unidades de Ar están dadas en plg2 y las otras a pies; se efectúa la

conversión de plg2 a pie2, lo que equivale elevar al cuadrado 12 plg2, que es lo que tiene un pie2 sustituyendo la ecuación (24) en la (23).

EL

40.8144Ar L Ar 490

E

L12ep

2∝=

∝= ( 25 )

162




EL

40.8ep2∝

=

Donde: ep ∝ E Ar

L

= = = = =

Sobrecarrera del émbolo. Factor de aceleración. Módulo de elasticidad para el acero. Área de la sección transversal de las varillas. Longitud de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la bomba.

Algunos autores prefieren el uso de: ep = 32.8 L2 ∝/E = Elongación del émbolo en su carrera efectiva. ( 26 ) La diferencia entre la ecuación 25 y 26 (aproximadamente 25%) tiene poco efecto en el cálculo de la carrera efectiva del émbolo. La carrera efectiva del émbolo, como se ha visto, es la carrera de la varilla pulida disminuida por los efectos de alargamiento de las varillas y de T.P. resultante de la carga de fluido e incrementada por el sobreviaje del émbolo; entonces, la carrera efectiva del émbolo es: Sp = S + ep – (et + er) ( 27 ) Donde: Sp S ep et

er

= = = = =

Carrera efectiva del émbolo. Carrera de la varilla pulida. Sobrecarrera del émbolo. Elongación de la T.P. Elongación de la varilla pulida.

Combinando las ecuaciones (18), (20), (25) y (27):

++++−

∝+=

AnLn

AL

AL

AL

AtL

E ApGD 5.20

EL 40.8

SSp3

3

2

2

1

12

... ( 28 )

Sp S

40.8 L ∝

5.20 G

= = = = = = =

Carrera efectiva del émbolo. Carrera de la varilla pulida. Factor dado en la ecuación (25). Longitud de la sarta de varillas. Factor de aceleración. Factor dado de las ecuaciones. Densidad relativa del fluido.

163




+−

∝+=

Ar1

At1

E ApLGD 5.20

EL 40.8SSp

2

490Wr

DensidadPesoVolumen ==

D Ap

L/At

= = =

Nivel del fluido. Área de la sección transversal del émbolo. Longitud de la T.P. sobre el área de la sección transversal del espesor de la pared de la T.P.

L/A1 = Longitud de la primera sección de varillas sobre el área transversal de la

primera sección (diámetro de la 1ª sección de varillas). L/A2 = Longitud de la segunda sección de varillas sobre el área transversal de la

segunda sección (diámetro de la 2ª sección de varillas). E = Módulo de elasticidad para el acero. En caso de una sarta de un solo diámetro:

( 29 )

En caso de T.P. anclada, no existen los alargamientos de T.P. y las ecuaciones 28 y 29 se manejan eliminando los términos que involucran At. CÁLCULO DE LAS CARGAS EN LA VARILLA PULIDA El Peso de una Sarta de Varillas de Diámetro Variable está Dada por: Wr = M1 L1 + M2 L2 + M3 L3 ( 30 ) Wr = Peso muerto de las varillas. M1 = Peso por pie de las varillas (varía según el diámetro). L1 = Longitud de la primera sección (L2 segunda sección, L3 tercera sección). Las cargas máxima y mínima de aceleración de las varillas, están dadas por: Wr = ∝ Carga máxima de aceleración. ( 31 ) -Wr = ∝ Carga mínima de aceleración ( 32 ) El volumen de la sarta de varillas y en consecuencia, el volumen de fluidos desplazados (asumiendo que la densidad de las varillas sea de 490 lbs/pie3) es:

( 33 )

164




165



La densidad del fluido desplazado es de 62.46 lbs/pie3 y entonces, la fuerza de

flotación está dada por:

( ) 0.127WrG 62.46- 490Wr

Fuerza −= ( 34 ) 62.46 = Densidad de fluido desplazado lbs/pie3 0.127 = De la división de 62.46 ÷ 490 = -0.127 El volumen de una columna que tiene como base el émbolo y como altura la sarta de varillas es: Volumen = L Ap/144 ( 35 ) Donde:

L Ap

144

= = =

Longitud de cada sección de varillas. Área de la sección transversal del émbolo Plg2 . Factor equivalente un pie cuadrado.

El volumen de fluido se obtiene de la diferencia de 35 y 33. Volumen de fluido = L Ap/144 – (Wr/490) = volumen de fluido s/varillas. (36) Donde:

Wr 490

L Ap

144

= = = = =

Peso muerto de las varillas (lbs). Densidad de las varillas (lbs/pie3). Longitud de cada sección de varillas (pie). Área transversal del émbolo (plg2). Factor equivalente a 1 pie2.

Entonces la carga del fluido es: Wf = 62.46 G [(L Ap/144) – (Wr/490)] Wf = 0.433 G [L Ap – 0.294 Wr] ( 37 ) Donde: 62.4 G = Densidad del fluido desplazado = (lbs/pie3)


Wf 0.433 0.294

G L

Ap 144 Wr

= = = = = = = =

Carga de fluido. De la operación 62.4 ÷ 144. De la operación 144 ÷ 490. Densidad relativa del fluido (adimensional). Longitud de cada sección de varillas (pie). Área transversal del émbolo (plg2). Factor equivalente a 1 pie2. Peso muerto de las varilla (lbs).

La carga máxima sobre la varilla pulida que ocurre sobre la carrera ascendente es: Wmáx = Wf + Wr + Wr ∝ + F ( 38 ) Donde: Wmáx = Carga máxima sobre la varilla pulida. (lbs). Wf = Carga de fluido. (lbs). Wr = Peso muerto de las varillas. (lbs). ∝ = Factor de aceleración. F = Carga por fricción. La carga mínima ocurre durante la carrera descendente: Wmín = Wr – Wr ∝ - 0.127 Wr G – F ( 39 ) G = Densidad relativa del fluido. Como el término fricción (F) no puede calcularse matemáticamente con certidumbre, generalmente se elimina, resultando entonces: Wmáx = Wf + Wr (1.0 + ∝) ( 40 ) Wmín = Wr (1.0 - ∝ - 0.127 g) ( 41 ) Wmáx = Carga máxima sobre la varilla pulida o de varillas (lbs). Wmín = Carga mínima sobre la varilla pulida o de varillas (lbs). 0.127G = Factor dado en ecuación ( 34 ) Diseño de la sarta de varillas de succión (tabla 5 del Anexo). Con el concepto “los esfuerzos en la parte superior de cada sección son iguales” y las siguientes suposiciones: 1. Condiciones estáticas (no se consideran cargas por aceleración).

166




167



2. La densidad relativa del fluido es 1.0 3. La carga de fluido actúa sobre el área total del émbolo. 4. La bomba está colocada a nivel del fluido. Se tiene que: Wf = 0.433 L Ap Considérese una sarta de 2 secciones de longitud total (L= L1 + L2). L1 pie; A1 plg2; M1 lbs/pie; R1 = L1/L. L2 pie; A2, plg2; M2 lbs/pie; R2 = L2/L. M1 = Peso unitario de 1ª sección de varillas lbs/pie. M2 = Peso unitario de 2ª sección de varillas lbs/pie. R1 = Porcentaje fraccional de la 1ª sección de varillas (%). R2 = Porcentaje fraccional de la 2ª sección de varillas (%). El esfuerzo en la parte superior de la sección inferior es:

1

11

1

11

AMRL L Ap 0.433

AM LL Ap 0.433 +

=+

( 42 ) Asimismo, el esfuerzo en la parte superior de la sección superior es:

2

22111

1

2211

AMRL MRL Ap0.433

AM LMLL Ap 0.433 ++

=++

( 43 ) Si los esfuerzos en la parte superior de cada sección son iguales:

2

2211

1

11

ARMR M Ap0.433

AR M Ap0.433 ++=+

( 44 ) A1 = Área de las varillas de la 1ª sección. A2 = Área de las varillas de la 2ª sección.


168



Para tamaños de émbolos y varillas seleccionadas, la longitud de cada sección puede determinarse usando la ecuación (44), teniendo en cuenta que: R1 + R2 = 1.0 ( 45 ) Para más de 2 secciones, la ecuación (45) varía sólo en su grado de complejidad, en cuyo caso: R1 + R2 + R3 + R4 = 1.0 ( 46 ) Desplazamiento de la Bomba y Ritmo de Producción El desplazamiento teórico de la bomba está dado por:

( ) 0.1484/blsplg 9702

min/día 1440min.

Emboladas N

EmboladaPlg

Sp Plg ApV 32 =

=

9702 = Factor dado de 159 litros (1 barril petrolero) entre una plg3 = 2.54 cm. = 16.38 cm3.

díabls

V = 0.1484 Ap Sp N (47)

V = Desplazamiento teórico de la bomba.

/blsplg 9702min/día 1440

30.1484 Factor dado entre Ap = Área de la sección transversal del émbolo (plg2). Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg). N = Velocidad de bombeo (spm). Para un émbolo de diámetro dado, el término 0.1484 Ap es independiente de las condiciones superficiales de operación y es llamado: constante de la bomba (k). V = K SP N; bls/día/plg/spm. (48) K = Constante de la bomba (ver tabla 1 del Anexo).


169



La eficiencia volumétrica de la bomba, es la relación entre el fluido realmente

manejado y el desplazamiento de la bomba:

VVV E

q Vó V Eq ó

Vq

E == (49)

Donde: EV

q V

= = =

Eficiencia volumétrica (%). Gasto o producción en la superficie bls/día. Desplazamiento teórico de la bomba = bls/día.

Diseño del Contrabalanceo El contrabalanceo ideal (Ci), debería ser tal, que el motor principal acarrearía el mismo promedio de cargas en las carreras ascendente y descendente: Wmáx – Ci = Ci – Wmín ( 50 ) El efecto de contrabalanceo ideal es: Ci = 0.5 (Wmáx + Wmín) ( 51 ) Sustituyendo (38) y (39) en (51) Ci =0.5 Wf + Wr (1-0.127G) ( 52 ) Donde: Ci = Contrabalanceo ideal

0.5 Wf = Un medio de la carga de fluido. Wr = Peso muerto de las varillas.

G = Densidad relativa del fluido. Cálculo de la Torsión

Generalmente una unidad puede estar contrabalanceada dentro del 10 al 5% del valor ideal, suponiendo que el contrabalanceo es de 95% del ideal, la expresión para predecir la torsión máxima es: Tp = (Wmáx – 0.95 ci) (S/2) ( 53 )


Donde: Donde:

( )de/du NeduVb

Nu ==π

Zdude NeNu/ZN ==

Zdude NeNu/ZN ==

T


170



( )de/du NeduVb

Nu ==π

Tp = Torque máximo (lbs/plg). Wmax = Carga máxima en la sarta de varillas (lbs).

0.95 = 95 % del contrabalanceo ideal. ci = Contrabalanceo ideal (lbs). S = Carrera de la varilla pulida (plg).

Reducción de Velocidad del Motor Principal al Cigüeñal La potencia es transmitida de la polea de la máquina de diámetro (de), a la polea de la unidad de diámetro (du) por medio de bandas, si la velocidad del motor es Ne (rpm), la velocidad de la banda es: Vb = π deNe (plg/min). ( 54 ) Vb = Velocidad de la banda plg/min. La velocidad de la polea de la unidad es:

( 55 )

Nu = Velocidad de bombeo de la unidad. Si la relación de engranes en el reductor de engranes es “Z”, la velocidad de bombeo es:

( 56 )

Donde: N = Velocidad de bombeo (spm). Nu = Velocidad de bombeo de la unidad (rpm). Z = Relación de engranes en el reductor. Ne = Velocidad de bombeo del motor primario (rpm). Requerimientos de Potencia del Motor Principal Son dos cargas de potencia que se consideran en el movimiento de fluido de la bomba a la superficie:

170




171



1.- Potencia hidráulica ( )

−

=/hp

minpielbs 33000x

díamin1440

pieL x blslbs G 350 x

díabls q

Hh (57)

Hh = 7.36 x 10-6 q GL (Hp) Donde: Hh = Potencia hidráulica (hp). q = Gasto de producción (bls/día). G = Densidad relativa del fluido. L = Longitud total de cada sección de la sarta de varillas (pie).

La ecuación (57) supone que la bomba está al nivel de trabajo del fluido y desprecia el efecto de presión de la T.P. en forma más general. Hh = 7.36 x 10-6 q G Ln ( 58 ) Ln = Elevación neta expresada en pies a través de la cual pasa el fluido desde la

bomba a la superficie.

Deben considerarse los efectos de la presión de la columna en T.R. y los de presión en la T.P.

(pieG 0.433

Pt

pielbs G 62.4

pieplg 144 x

plglbs

Pt

3

2

2 2

=

) ( 59 )

Ln = L – (L-D) + (Pt/0.433 G) = D + (2.31 Pt/G) Pt = Efectos de la presión en la T.P. en pies de fluido. (L-D) = Efectos de la presión en la T.R. en pies de fluido. D = Nivel de fluido en T.R. (pies). G = Densidad relativa del fluido.


172



2) Potencia de pérdidas de energía por fricción. Se manifiesta entre la bomba y la varilla pulida.

Empíricamente, las pérdidas de energía por fricción pueden estimarse de la siguiente forma:

lbs)(plg SWr 0.252SWr x 81

= (60) Para una velocidad de bombeo de N spm, la potencia por fricción:

(Hp) SNWr 10 x 6.31/hp

minlbspie

33000 x pieplg

12

minlbs - plg

SNWr 0.25Hf 7−=

−

= (61)

Hf = 6.31 x 10-7 Wr SN Donde: Hf = Potencia por fricción (hp). Wr = Peso de las varillas en el aire (lbs). S = Carrera de la varilla pulida (plg). N = Velocidad de bombeo (spm).

La potencia total en la varilla pulida, debe ser la suma de las potencias hidráulica y de fricción; la potencia al freno debe ser dicha suma de potencias y un factor de seguridad, para cubrir pérdidas de potencia impredecibles: Hb = 1.5 (Hh + Hf) ( 62 ) Donde: Hb = Potencia total en la varilla pulida. Hh = Potencia hidráulica (hp). Hf = Potencia por fricción (hp). 1.5 = Factor de seguridad por pérdidas de potencia. La liberación de gas es un factor muy significativo en la estimación de la eficiencia volumétrica, ya que por ejemplo: en pozos con alta relación gas-líquido se tienen eficiencias muy bajas como el 25% al 50%, en aquellos donde existe una buena separación del gas de formación se tendrán eficiencias del 50% al 70%, en pozos con una buena separación y buena sumergencia de la bomba las eficiencias


serán del orden del 70% al 80% y para pozos sin gas, pero con un alto nivel de fluido, las eficiencias volumétricas pueden aproximarse al 100%. Generalmente, la eficiencia volumétrica de la bomba es estimada mediante la experiencia local. Para la selección del tamaño óptimo del émbolo a un gasto de producción deseado y una cierta profundidad, es importante considerar que se deben obtener altas eficiencias y prevenir cargas innecesarias en la sarta de varillas y el equipo superficial. Para realizar una selección preliminar del tamaño del émbolo, cuando la carrera de la varilla pulida es mayor de 74 plg, se puede usar la Tabla 2 en anexo. 4.1.1 Ejemplos de Aplicación Ejemplo de Aplicación 1

En un pozo del Campo Petrolero de Tajín, se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”∅ a una profundidad de 4275 pies; en el interior de una tubería de producción (T.P.) de 2” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 283 (BPD) de un fluido con una densidad relativa de 0.825, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba, efectuar los cálculos de diseño para una U.B.M. que deberá operar con una velocidad de 18 (SPM), una carrera en la varilla pulida de 64” y deberá mover una sarta de varillas de un solo diámetro correspondiente a ¾”. Solución: Datos:

Dp dtp

L dr N S q G

= = = = = = = =

Diámetro del émbolo = 1 ¾”. Diámetro de la T.P. 2”. Profundidad de colocación de la bomba 4275 pies.Diámetro de las varillas de succión ¾”. Número de emboladas por minuto = 18 spm. Longitud de la varilla pulida = 64”. Gasto producido = 283 bls/día. Densidad relativa del fluido producido = 0.825.

173




174



• Como el nivel de fluido es bajo, se considera que la bomba está colocada al nivel

del fluido de trabajo, teniéndose entonces: D = Nivel de fluido de trabajo = L = 4275 pies. T.P. DESANCLADA De la tabla 5 en anexo. Ar = Área de la varilla de succión = 0.442 plg2. M = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión 1.63 lbs/pie. • Todas las varillas de succión miden 25 pies de longitud. De la tabla 1. Ap = Área del émbolo = 2.405 plg2 K = Constante de la bomba = 0.357 bls/día/plg/spm De la tabla 7 en anexo. At = Área de la sección transversal del espesor de la pared de la T.P. = 1.304 plg2. 1. Cálculo del Factor de Aceleración (α).

70.500SN2

∝= Donde:

70500 factor S = Longitud de la varilla pulida = 64 plg. N = Número de emboladas por minuto.

( )0.2941

705001864 2

=∝= 2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo (Sp)

+−+=

Ar1

Az1

EGDApL 5.20

E40.8L

64SP2

α


175



Donde:

E ep L ∝ At Ar e D

Ap G

= == = = = = = = =

Módulo de elasticidad para el acero = 30 x 106 lbs/plg2.

Elongación del émboloE

L40.8ep

2∝= .

Profundidad de colocación de la bomba = 4275 pies. Factor de aceleración = 0.2941. Área de la sección transversal del espesor de pared de T.P. = 1.304 plg2.Área de la sección transversal de las varillas ¾ plg. = .442 plg2. Elongación de un cuerpo en movimiento 5.20 factor. Nivel del fluido = 4275 pies. Área del émbolo = 2.405. Densidad relativa del fluido producido.= 0.825.

+

0.4421

1.3041( ) ( )( )( )( )

66

2

30x1042752.40542750.8255.20

30x10(0.294)427540.8

64Sp −+= Sp = 64 + 7.3098 – 6.2852(3.0293) = 64 + 7.3098 – 19.0398 = 52.2699 3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba.

PD = k Sp N

Donde: K = Constante de la bomba = 0.357. Sp= Carrera efectiva del émbolo = 52.2699. N = Embolada por minuto = 18. PD = 0.357 (52.2699) (18) = 335.8867 bls/día.

4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba (Ev)

Ev = q/v (100) Donde:

q = Barriles producidos en superficie = 283 bls/día. V = Desplazamiento teórico de la bomba en el fondo = 335.8867 bls/día.

0.8425335.8867

bls/día 283Ev ==

Ev = 0.8425 x 100 Ev = 84.25 %


5. Cálculo del Peso de las Varillas (Wr) de un solo Diámetro.

Wr = L x Wrm.

Donde: Wrm = Peso de varillas por unidad lbs/pie=1.63. L = Longitud total de la sarta de varillas.

Wr = 4275 (1.63) = 6968.25 lbs. 6. Cálculo del Peso de Fluido (Wf).

Wf = (0.433)(G)[(L)(Ap)-(0.294)(Wr)] 0.433 factor de presión diferencial por la profundidad L por la densidad relativa = ∆p = 0.433 GL

Donde: 0.294 = Factor. Ap = Área de la sección transversal del émbolo = 2.405 G = Densidad del fluido = 0.825. Wr = Peso de las varillas en el aire = 6968.25 lbs.

Wf = (0.433)(0.825)[(4275) (2.405) – (0.294)(6968.25)] Wf = (0.357225)(8232.7045) Wf = 2941 lbs.

7. Cálculo del Efecto de Contrabalanceo Ideal (Ci).

Ci = (0.5)(Wf)+(Wr)[1 – (0.127)(G)]

Donde: 0.127= Factor dado de la densidad del fluido desplazado que es de 62.4 G lbs/pie3 entre la densidad de las varillas que es de 490 lbs/pie3. Wf = Peso del fluido = 2941 lbs. Wr = Peso de las varillas = 6968.25 lbs. G = Densidad del fluido = .825

Ci = (0.5)(2941)+(6968.25)[(1 –(0.127)(0.825)] Ci = 7708.65 lbs.

8. Cálculo de la Carga Máxima (Wmáx).

Wmáx = Wf +(Wr)(1.0 + ∝)

Donde: ∝ = Factor de aceleración = 0.2941 Wf = Peso de fluido = 2941 lbs.

176




Wr = Peso de las varillas = 6968.25 lbs.

Wmáx = 2941+ (6968.25)(1.0 + 0.2941) Wmáx = 2941+9017.6123 Wmáx = 11958.61 lbs.

9. Cálculo de la Potencia Hidráulica (Hh).

Hh = 7.36 x 10-6 q GL

Donde: 7.36 x 10-6 = factor q = Producción en la superficie = 283 bls/día. G = Densidad relativa del fluido = .825 L = Longitud de la sarta de varillas o profundidad de la bomba = 4275 pies.

Hh = 7.36 x 10-6 (283) (0.825) (4275) = 7.346 hp 10. Cálculo de la Potencia de Fricción (Hf).

Hf = 6.31 x 10-7 Wr S N

Donde: Wr = Peso de la sarta de varillas = 6968.25 lbs. S = Longitud de la varilla pulida = 64 plg. N = Velocidad o emboladas por minuto = 18 6.31 x 10-7 = Factor de potencia de fricción.

Hf = 6.31 x 10-7 (6968.25) (64) (18) = 5.065 Hp 11. Cálculo de la Potencia Total (Hb).

Hb = 1.5 (Hh + Hf) Donde:

Hh = Potencia hidráulica = 7.36 hp Hf = Potencia por fricción = 5.065 hp 1.5 = Factor de potencia total.

Hb = 1.5 (7.346 + 5.065) = 18.62 Hp

12. Cálculo de la Torsión Pico (TP).

Tp = [Wmáx – (0.95)(Ci)] (S/2)

177




178



Donde: TP = [11958.61–(0.95)(7708.61)] (64/2) TP = [11958.61-7323.2175](32) TP = 148332.56 plg-lbs

De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos). Unidad seleccionada C-160D-143-64 Donde: C = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que

significa unidad balanceada por aire; B, balanceada por balancín o “M”, Mark II unitorque.

160 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 143 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 64 = Longitud de la carrera en pulgadas. T.P. Anclada Los cálculos se efectuarán de la misma forma, con la consideración de At = 0.0 1) ∝ = 0.2941

−

∝+=

Ar1

E5.20GDApL

E40.8L

SSp 2)2

( ) ( ) ( )( )( )( )

66

2

30x1042752.40542750.8255.20

30x100.2941427540.8

64Sp −+=

0.442

1

Sp= 64 + 7.3098 – 6.2852 (2.2624) = 57.0899 plg 3) V = 0.357 (57.0899) (18) = 366.859 bls/día 4) Ev = 283/366.859 x 100= 77.14% 5) Wr = 6968.25 lbs 6) Wf = 2941 lbs 7) Ci = 7708.65 lbs


8) Wmáx = 11958.61 lbs 9) Hh = 7.346 hp 10) Hf = 5,065 hp 11) Hb = 18.62 hp 12) TP = 148333.77 plg-lbs Unidad seleccionada C – 160D-143-64 ∝ = Factor de aceleración Sp = Carrera efectiva del émbolo Plg. V = Desplazamiento teórico de la bomba bls/día. Ev = Eficiencia volumétrica de la bomba % Wr = Peso de las varillas lbs. Wf = Peso de fluido lbs. Ci = Contrabalanceo ideal lbs. Wmáx = Carga máxima lbs. Hh = Potencia hidráulica hp Hf = Potencia por fricción hp Hb = Potencia total hp TP = Torsión pico plg-lbs. Ejemplo de Aplicación 2

En un pozo del Campo Petrolero de Papantla se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”∅ a una profundidad de 8500 pies, en el interior de una tubería de producción (T.P.) de 2 7/8” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 350 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.870, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de diseño para una U.B.M. que deberá operar con una velocidad de 13 (SPM), una carrera en la varilla pulida de 168” y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. DATOS:

dp = Diámetro del émbolo = 1 ¾” ∅ = 1.75” dtp = Diámetro de la tubería de producción (T.P.) 2 7/8”∅

L = Profundidad de colocación de la bomba = 8500 pies dr = Sarta de varillas telescopiadas diámetros 1”, 7/8” y ¾”

179




N = Número de emboladas o velocidad de bombeo = 13 (spm) S = Longitud de la varilla pulida o carrera de la U.B.M.=168” q = Gasto en superficie 350 BPD. G = Densidad relativa del fluido 0.870 D = Nivel de fluido 8500 pies.

Tubería de producción desanclada De la tabla 5 (Anexo). Ar1 = 1” = 0.785 plg2 Ar2 = 7/8” = 0.601 plg2 Ar3 = ¾” = 0.442 plg2 m1 = 2.88 lbs/pie m2 = 2.16 lbs/pie m3 = 1.63 lbs/pie

Donde:

M = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión lbs/pie • Todas las varillas de succión miden 25 pies Ar = Área de lado las varillas de succión

De la tabla 1(Anexo). Ap = 2.405 plg2 K = 0.357 bls/día/plg/spm

Donde:

Ap = Área del émbolo (plg2) K = Constante de la bomba (bls/día/plg/spm)

De la tabla 7 (Anexo).

At = 1.812 (plg2)

Donde:

At = Área de la sección transversal del espesor de la pared de la tubería de producción (T.P.).

180




1. Cálculo del factor de aceleración (∝)

70500SN2

∝=

Donde:

S = Longitud de la varilla pulida (plg). N = Velocidad de bombeo o emboladas (spm). 70500 = factor. Valores: S = 168 plg N = 13 spm

( )( )70500

13168 2

∝=

∝ = 0.4027 2. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (sp).

( )( )( ) ( )( )( )( )

+++−

∝+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

AtL

EApDG5.20

EL40.8

SSp

Donde:

S = Longitud de la varilla pulida o carrera de la U.B.M. (plg). 40.8 = Factor. L = Longitud de la sarta de varillas o colocación de la bomba (pies). ∝ = Factor de aceleración. E = Módulo de elasticidad para el acero de la varilla pulida. 5.20 = Factor. G = Densidad relativa del fluido. D = Nivel del fluido pies. Ap = Área del émbolo (plg2). At = Área de la sección transversal de la tubería de producción. Ar = Área transversal de la o las varillas Ar1, Ar2, Ar3. Ltp = Longitud de la tubería a la profundidad de colocación de la bomba (pies).

181




L1 = Longitud de la 1ª sección de varillas. L2 = Longitud de la 2ª sección de varillas. L3 = Longitud de la 3ª sección de varillas.

De acuerdo a la tabla 3 (Anexo).

Corresponde la varilla No. 86 compuesta por varillas de 1”, 7/8” y ¾”

L1 = 29.4% de 8500 pies = 2499 pies de varilla de 1”∅ L2 = 30.0% de 8500 pies = 2550 pies de varilla de 7/8” L3 = 40.6% de 8500 pies = 3451 pies de varilla de ¾”

Valores:

S = 168 plg Factor = 40.8 L = 8500 pies ∝ = 0.4027 E = 30 x 106m lbs/plg2 Factor 5.20 G = 0.870 D = 8500 pies Ap = 2.405 plg2 At = 1.812 plg2 L1 = 2499 pies L2 = 2550 pies L3 = 3451 pies Ar1 = 0.785 plg2 Ar2 = 0.601 plg2 Ar3 = 0.442 plg2

( )( )( ) ( )( )( )( )

+++−

∝+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

AtL

EApDG5.20

EL40.8

SSp

( )( )( ) ( )( )( )( )66 10 x 30

2.40585000.8705.2010 x 30

0.40277225000040.8168Sp −+=

+++

0.4423451

0.6012550

0.7852499

1.8128500

Sp = (168 + 39.56) – (0.003082729) (19924.98)

Sp = 207.56 – 61.42 = 146.14”

182




3. Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba (PD).

PD = K Sp N

Donde: K = Constante de la bomba BPD/plg/spm. Sp = Carrera efectiva de la bomba (plg). N = Emboladas o velocidad de bombeo (spm).

Valores:

K = 0.357 BPD/plg/spm Sp = 146.14 plg N = 13 spm PD = (K) (Sp) (N) PD = (0.357) (146.14) (13) PD = 678.23 BPD

4. Cálculo de la eficiencia volumétrica de la bomba (EV)

EV = q/PD

Donde:

q = Gasto en superficie o producción del pozo (BPD). PD = Desplazamiento teórico de la bomba en el fondo (BPD).

Valores:

q = 350 PD = 678.23 EV = q/PD EV = 350/678.23 EV = 51%

183




5. Cálculo del peso de las varillas (Wr) de 3 diámetros.

Wr = (L1) (m1) + L2 (m2) + (L3) (m3)

Donde:

L1 = Longitud de la 1ª sección (pies) L2 = Longitud de la 2ª sección (pies) L3 = Longitud de la 3ª sección (pies) Wrm = Peso de varilla por unidad

Valores de la tabla 5.

m1 la varilla de 1” = 2.88 lbs/pie m2 la varilla de 7/8” = 2.16 lbs/pie m3 la varilla de ¾” = 1.63 lbs/pie

De la tabla 3.

L1 = 29.4% de 8500 = 2499 pies de varilla de 1” L2 = 30% de 8500 = 2550 pies de varilla de 7/8” L3 = 40.6% de 8500 = 3451 pies de varilla de ¾” Wr = (L1) (m1) + (L2) (m2) + (L3) (m3) Wr = (2499) (2.88) + (2550) (2.16) + (3451) (1.63) Wr = 7197.12 + 5508 + 5625.13 Wr = 18330.25 lbs.

6. Cálculo del Peso de Fluido (Wf).

Wf = 0.433 G (LAP – 0.294 Wr)

Donde:

Wr = Peso total de la sarta de varilla. 0.433 = Factor de presión diferencial por la profundidad (L) por la densidad relativa. 0.294 = Factor L = Longitud total de la sarta de varillas. Ap = Área de la sección transversal del émbolo (plg2). G = Densidad relativa del fluido.

184




Valores:

Factor = 0.433 G = 0.870 L = 8500 (pies) 0.294 = Factor Wr = 18330.25 lbs Ap = 2.405 plg2

Wf = (0.433) (G) [(L) (Ap) – (0.294) (Wr)]

Wf = (0.433) (.870) [(8500) (2.405) – (0.294) (18330.25)] Wf = (.37671) (20442.5 – 5389.09) Wf = (.37671) (15053.41) Wf = 5670.76 (lbs)

7. Cálculo del efecto de Contrabalanceo Ideal (Ci).

Ci = 0.5 Wf + Wr (1.0 – 0.127G)

Donde:

0.5 = Es el 50% del peso de fluido. Wf = Peso de fluido (lbs). Wr = Peso total de la sarta de varillas (lbs). 1.0 = 10% del peso de varillas y fluido. 0.127 = Factor dado entre la densidad del fluido desplazado.

62.46 lbs/pie3 y la densidad de las varillas 490 lbs/pie3. G = Densidad relativa del fluido.

Valores:

Wf = 5670.76 lbs Wr = 18330.25 lbs G = 0.870 Ci = (0.5) (Wf) + Wr (1.0 – (0.127) (G)) Ci = (0.5) (5670.76) + (18330.25) [1.0 – (0.127) (0.870)] Ci = 2835.38 + (18330.25) (.88951) Ci = 19140.32 lbs

185





Wmáx = Wf + Wr (1.0 + ∝)

Donde:

Wf = Peso del fluido. Wr = Peso de la sarta de varillas. 1.0 = 10% del peso de fluido y varillas. ∝ = Factor de aceleración.

Valores:

Wf = 5670.76 lbs Wr = 18330.25 lbs ∝ = 0.4027

Wmáx = Wf + Wr (1.0 + ∝) Wmáx = 5670.76 + 18,330.25 (1.0 + 0.4027) Wmáx = 5670.76 + 25711.84 Wmáx = 31,382.26 lbs


Hh = (7.36 x 10-6) (q) (G) (L)

Donde:

7.36 x 10-6 = Factor q = Gasto o producción en superficie. G = Densidad relativa del fluido. L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la

bomba.

Valores:

q = 350 BPD G = 0.870 L = 8500 pies Hh = (7.36 x 10-6) (q) (G) (L) Hh = (7.36 x 10-6) (350) (0.870) (8500) Hh = 19.04 Hp

186




10. Cálculo de la Potencia por Fricción (Hf).

Hf = (6.31 x 10-7) (Wr) (S) (N)

Donde:

6.31 x 10-7 = Factor. Wr = Peso de la Sarta de Varillas. S = Carrera de la varilla pulida.

Valores:

Wr = 18330.25 lbs. S = 168 plg. N = 13 emboladas x minuto. Hf = (6.31 x 10-7) (Wr) (S) (N) Hf = (6.31 x 10-7) (18330.25) (168) (13) Hf = 25.26 Hp

11. Cálculo de la Potencia Total (Hb).

Hb = 1.5 (Hh + Hf)

Donde:

1.5 = Factor de seguridad para cubrir pérdidas de potencia impredecibles. Hh = Potencia hidráulica (Hp). Hf = Potencia por fricción (Hp).

Valores:

Hh = 19.04 Hp Hf = 25.26 Hp Hb = 1.5 (Hh + Hf) Hb = 1.5 (19.04 + 25.26) Hh = 66.45 Hp

12. Cálculo de la Torsión Pico (Tp).

Tp = (Wmáx – 0.95 Ci) (S/2) 187




Donde:

Wmáx = Carga máxima. 0.95 = 95% del contrabalanceo ideal. S = Carrera de la varilla pulida (plg). Ci = Contrabalanceo ideal (lbs).

Valores:

Wmáx = 31382.26 lbs S = 168 plg Ci = 19,140.32 lbs Tp = (Wmáx – (0.95) (Ci) (S/2)

Tp = [31,382.26 – (0.95) (19,140.32)] (168/2) Tp = (31,382.26 – 18,183.30) (84) Tp = (13,198,96) (84) Tp = 1,108712.64 plg-lbs.

De acuerdo al resultado de la torsión y carga sobre la varilla pulida se

selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos).

Unidad seleccionada: C-1280 D-365-192

Donde: M = Corresponde a una unidad Mark II, también puede iniciar con A = que

significa unidad balanceada por aire, B = balanceada por balancín o C = Convencional.

1280 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 427 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 192 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas.

188




TP anclada.

Los cálculos se efectuarán de la misma manera con los términos que involucran a At igual a 0.0, se eliminan. 1. = ∝ = 0.4027 ( )( )( ) ( )( )( )( )

++−

∞+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

EApDG5.20

EL40.8

S2. SP ( )( )( ) ( )( )( )( )

++−+=

0.4423451

0.6012550

0.7852499

10 x 302.40585000.8705.20

10 x 300.40277225000040.8

168SP 66 3. Sp = 207.56 – (0.003082729) (15234.04)

Sp = 207.56 – 46.96 Sp = 160.59 plg

4. PD = (K) (Sp) (N)

PD = (0.357) (160.59) (13) PD = 745.298 BPD

5. Ev = (q/Pd) x 100

Ev = (350/745.298) x 100 Ev= 46%

6. Wr = 18330.25 lbs 7. Wf = 5670.76 lbs 8. Ci = 19140.32 lbs 9. Wmáx = 31382.26 lbs 10. Hh = 19.04 Hp 11. Hf = 25.26 Hp 12. Hb = 66.45 Hp 13. Tp = 1,108712.64 plg-lbs Unidad seleccionada: C-1280 D-365-192 Donde: C = Corresponde a una unidad convencional, también puede iniciar con A = que

significa unidad balanceada por aire, B = balanceada por balancín o M = Mark II unitorque.

189




1280 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 365 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 192 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas. Ejemplo de Aplicación 3

En un pozo del Campo Petrolero de Poza Rica, se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”∅ a una profundidad de 6232 pies; en el interior de una tubería de producción (T.P.) de 2 7/8” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 230 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.870, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de diseño para una U.B.M. que deberá operar con una velocidad de 13 (SPM), una carrera en la varilla pulida de 100” y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7/8” y ¾” de diámetro.

DATOS:

dp = Diámetro del émbolo = 1 ¾”∅ = 1.75” dtp = Diámetro de la tubería de producción (TP) 2 7/8”∅ L = Profundidad de colocación de la bomba = 6232 pies dr = Sarta de varillas telescopiadas diámetros = 1” 7/8” y ¾” N = Número de emboladas o velocidad de bombeo = 13 spm S = Longitud de la varilla pulida o carrera de la U.B.M. = 100 plg q = Gasto en superficie 230 BPD D = Nivel dinámico del fluido = 6232 pies G = Densidad relativa del fluido = 0.870

Tubería de Producción (T.P.) Desanclada.

De la tabla 5 (Anexo). Ar1 = 1” = 0.785 plg2 Ar2 = 7/8” = 0.601 plg2 Ar3 = ¾” = 0.442 plg2 m1 = 2.88 lbs/pie m2 = 2.16 lbs/pie m3 = 1.63 lbs/pie

Donde:

M = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión (lbs/pie). Ar = Área de las varillas de succión. Todas las varillas miden 25 pies de longitud.

190





Ap = 2.405 plg2

K = 0.357 bls/día/plg/spm

Donde:

Ap = Área del émbolo (plg2). K = Constante de la bomba bls/día/plg/spm


At = 1.812 plg2

Donde:

At = Área de la sección transversal del espesor de la pared de la tubería de producción (TP) 2 7/8” ∅.

1. Cálculo del Factor de Aceleración (∝).

70500SN2

∝=

Donde:

S = Longitud de la varilla pulida (plg2). N = Velocidad de bombeo (spm). 70500 = Factor.

Valores:

S = 100 plg N = 13 spm Factor = 70500

( )( )70500

NS 2

∝=

70500)13)(100( 2

∝=

∝ = 0.2397

191




2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo (Sp).

( )( )( ) ( )( )( )( )

+++−

∝+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

AtL

EApDG5.20

EL40.8

SSp

Donde:

S = Carrera de la varilla pulida (plg). 40.8 = Factor. L = Longitud de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la bomba

(pies). ∝ = Factor de aceleración. 5.20 = Factor. G = Densidad relativa del fluido. D = Nivel dinámico (pies). Ap = Área del émbolo (plg2). At = Área transversal del espesor de la tubería de producción T.P. (plg2). L1 = Longitud de la primera sección de varillas (pies). L2 = Longitud de la segunda sección de varillas (pies). L3 = Longitud de la tercera sección de varillas (pies). Ar = Área transversal de la o las varillas Ar1, Ar2, Ar3, etc. E = Módulo de elasticidad para el acero de la varilla pulida (lbs/plg2).

Valores:

S = 100 plg Factor = 40.8 L = 6232 pies ∝ = 0.2397 Factor 5.20 G = 0.870 D = 6232 pies Ap = 2.405 plg2 At = 1.812 plg2 Ar1 = 0.785 plg2

Ar2 = 0.601 plg2 Ar3 = 0.442 plg2 L1 = 29.4% x 6232 = 1832.20 pies de varilla de 1” L2 = 30.0% x 6232 = 1869.60 pies de varilla de 7/8” L3 = 40.6% x 6232 = 2530.19 pies de varilla de ¾” E = 30 x 106 lbs/plg2

192




( )( )( ) ( )( )( )( )

+++−

∝+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

AtL

EApDG5.20

EL40.8

SSp

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )

+++−+=

442.019.2530

0.6011869.60

0.7851832.20

1.8126232

10 x 302.40562320.8705.20

10 x 300.2397623240.8

100Sp 66

2

Sp = 100 + 12.66 – (.002260184) (14608.52) Sp = 112.66 – 33 Sp = 79.66 plg

3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba = (PD).

PD = (K) (Sp) (N)

Donde: K = Constante de la bomba bls/día/plg/spm. Sp = Carrera efectiva del pistón. N = Velocidad del bombeo (spm).

Valores:

K = 0.357 bls/día/plg/spm SP = 79.66 plg N = 13 (spm)

PD = (K) (SP) (N) PD = (0.357) (79.66) (13) PD = 369.70 BPD

4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba (EV).

EV = q/PD

Donde:

q = Gasto en superficie o producción del pozo. PD = Desplazamiento teórico de la bomba.

193




Valores:

q = 230 BPD PD = 369.70 (BPD) Ev = (q/PD) x 100 Ev = (230/369.70) x 100 Ev = 62.2 %

5. Cálculo del Peso de la Sarta de Varillas (Wr)

Wr = (L1) (m1) + (L2) (m2) + (L3) (m3)

Donde:

L1 = Longitud de la 1ª sección de varillas correspondiente a 1”. L2 = Longitud de la 2ª sección de varillas correspondiente a 7/8”. L3 = Longitud de la 3ª sección de varillas correspondiente a ¾”. m1 = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión, 1ª sección. m2 = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión, 2ª sección. m3 = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión, 3ª sección.

Valores:

L1 = 1832.20 pies de varilla de 1” L2 = 1869.60 pies de varilla de 7/8” L3 = 2530.19 pies de varilla de ¾” m1 = 2.88 lbs/pie de varilla 1” m2 = 2.16 lbs/pie de varilla 7/8” m3 = 1.63 lbs/pie de varilla ¾”

Wr = (L1) (m1) + (L2) (m2) + (L3) (m3)

Wr = (1832.20) (2.88) + (1869.60) (2.16) + (2530.19) (1.63) Wr = 5276.73 + 4038.33 + 4124.20 Wr = 13439.26 lbs

6. Cálculo del Peso del Fluido (Wf).

Wf = 0.433 G [ (L) (Ap) – (0.294) (Wr) ]

194




Donde:

0.433 = factor de presión diferencial por la profundidad (L) por la densidad

relativa Ap = 0.433 GL. 0.294 = Factor. Ap = Área de la sección transversal del émbolo (plg2). L = Longitud total de la sarta de varillas. G = Densidad relativa del fluido. Wr = Peso total de la sarta de varillas.

Valores:

G = 0.870 Ap = 2.405 plg2 L = 6232 pies Wr = 13439.26 lbs

Wf = 0.433 G [ (L) (Ap) – (0.294) (Wr) ] Wf = (0.433 (0.870) [(6232) (2.405) – (0.294) (13439.26)] Wf = (0.433) (0.870) (14987.96 – 3951.14) Wf = 4157.68 lbs

7. Cálculo del efecto de Contrabalanceo Ideal (Ci).

Ci = (0.5) (Wf) + (Wr) [(1.0 – (0.127) (G)]

Donde:

0.5 = Factor para determinar el 50% del fluido. Wf = Peso del fluido. Wr = Peso total de la sarta de varillas. 1.0 = Equivalente al 10% del peso de fluido y sarta de varillas. 0.127 = Factor dado entre la densidad del fluido desplazado 62.46 lbs/pie3 y la

densidad de las varillas 490 lbs/pie3. G = Densidad relativa del fluido.

195




Valores:

Wf = 4157.68 (lbs) Wr = 13439.26 (lbs) G = 0.870 Ci = (0.5) (Wf) + (Wr) (1.0 – (0127) (G)) Ci = (0.5) (4157.68) + (13439.26) [1.0 – (0.127) (.870)] Ci = 2078.84 + 11954.35 Ci = 14033.19 lbs


Wmáx = Wf + Wr (1.0 + ∝)

Donde:

Wf = Peso del Fluido (lbs). Wr = Peso total de la sarta de varillas (lbs). 1.0 = Equivalente al 10% del peso del fluido y varillas. ∝ = Factor de aceleración.

Valores:

Wf = 4157.68 lbs Wr = 13439.26 lbs ∝ = 0.2397

Wmáx = Wf + Wr (1.0 + ∝) Wmáx = 4157.68 + 13439.26 (1.0 + 0.2397) Wmáx = 20818.33 lbs


Hh = (7.36 x 10-6) (q) (G) (L)

Donde:

7.36 x 10-6 = Factor. q = Gasto en superficie o producción (BPD). G = Densidad relativa del fluido. L = Longitud total de la sarta de varilla (pie).

196




Valores:

q= 230 BPD G = 0.870 L = 6232 pies Hh = (7.36 x 10-6) (q) (G) (L) Hh = (7.36 x 10-6) (230) (0.870) (6232) Hh = 9.17 Hp

10. Cálculo de la Potencia por Fricción (Hf).

Hf = (6.31 x 10-7) (Wr) (S) (N)

Donde:

6.31 x 10-7 = Factor. Wr = Peso total de la Sarta de Varillas (lbs).

S = Carrera de la varilla pulida (plg). N = Velocidad de bombeo (spm).

Valores:

Wr = 13439.26 (bs S = 100 plg N = 13 spm Hf = (6.31 x 10-7) (Wr) (S) (N)

Hf = (6.31 x 10-7) (13439.26) (100) (13) Hf = 11.02 Hp

11. Cálculo de la Potencia Total (Hb).

Hb = 1.5 (Hh + Hf)

Donde: 1.5 = Factor de seguridad para cubrir pérdidas de potencia impredecibles. Hh = Potencia hidráulica (Hp). Hf = Potencia por fricción (Hp).

197




Valores:

Hh = 9.17 Hp Hf = 11.02 Hp Hb = 1.5 (Hh + Hf) Hb = 1.5 (9.17 + 11.02) Hb = 30.28 Hp


Tp = [Wmáx – (0.95) (Ci)] (S/2)

Donde:

Wmáx = Carga máxima. 0.95 = 95% del contrabalanceo ideal.

S = Carrera de la varilla pulida. Ci = Contrabalanceo ideal.

Valores:

Wmáx = 20818.33 lbs

S = 100 plg Ci = 14033.19 lbs

Tp = [Wmax – (0.95) (Ci)] (S/2)

Tp = [(20818.33 – (0.95) (14033.19)] (100/2) Tp = (20818.33 – 13331.53) (50) Hp = (7486.79) (50) Tp = 374339.97 lbs-plg

De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima de la varilla

pulida, se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos).

Unidad seleccionada: C-456 D-256-100

198




Donde: C = Corresponde a una unidad convencional, también puede iniciar con A = que


456 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 256 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 100 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas. Tubería de Producción (T.P.) Anclada Los cálculos se efectúan de la misma manera. Los términos que involucran a At igual a 0.0, se eliminan. 1∝= 0.2397 ( )( )( ) ( )( )( )( )

++−+=

0.4422530.19

0.6011869.60

0.7851832.20

10 x 302.4056232.8705.20

10 x 300.2397623240.8

100 66

2

1. Sp

Sp = 112.66 – (.002260184) (11169.23) Sp = 112.66 – 25.24 Sp = 87.42 plg

2. PD = (K) (Sp) (N)

PD = (0.357) (87.42) (13) PD = 405.7 BPD

3. Ev = (q/PD) x 100

Ev = (230/405.7) x 100 Ev = 56.6%

4. Wr = 13439.26 lbs 5. Wf = 4157.68 lbs. 6. Ci = 14,033.19 lbs 7. Wmáx = 20,818.33 lbs 8. Hb 9.17 Hp 9. Hf 11.02 Hp 10. Hb 30.28 Hp 11. TP 374339.97 lbs-pie

199




De acuerdo a los resultados de torsión y carga máxima en la varilla pulida se

selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos). Unidad selecionada: C-456 D-256-100

donde: C = Corresponde a una unidad convencional, también puede iniciar con A = que



En un pozo del Campo Petrolero de Tajín se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”∅ a una profundidad de 5100 pies en el interior de una tubería de producción (T.P.) de 2 7/8” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 180 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.825, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de diseño para una U.B.M. que deberá operar con una velocidad de 13 (spm), una carrera en la varilla pulida de 86” y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. DATOS:

dp = Diámetro del émbolo = 1 ¾” = 1.75” dtp = Diámetro de la tubería de producción (T.P.)= 2 7/8” ∅ L = Profundidad de colocación de la bomba = 5100 pies dr = Sarta de varillas telescopiadas diámetros = 1 7/8” y ¾” N = Número de embolada o velocidad de bombeo = 13 (spm) S = Longitud de la varilla pulida o carrera de la U.B.M. = 86” q = Gasto en superficie = 180 B.P.D. D = Nivel dinámico del fluido = 5100 pies G = Densidad relativo del fluido = 0.825

Tubería de Producción (T.P.) desanclada. De la tabla 5 (Anexo).

200




Ar1 = 1” = 0.785 plg2 Ar2 = 7/8” = 0.601 plg2 Ar3 = ¾” = 0.442 plg2 m1 = 2.88 lbs/pie m2 = 2.16 lbs/pie m3 = 1.63 lbs/pie

Donde:

Ar = Área de las varillas de succión (plg2). m = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión (lbs/pie) todas las

varillas miden 25 pies.


Ap = 2.405 plg2 K = 0.357 lbs/día/plg/spm

Donde:

Ap = Área del émbolo (plg2). K = Constante de la bomba (bls/día/plg/spm).


At = 1.812 plg2

Donde:

At = Área de la sección transversal del espesor de la pared de la tubería de producción (T.P) 2 7/8” ∅.

1. Cálculo del factor de aceleración (∝). ( )( )

70500NS 2

∝=

Donde:

S = Carrera de la varilla pulida (plg). N = Velocidad de bombeo (spm). 70500 = Factor.

201




Valores:

S = 86 plg N = 13 spm Factor = 70500

( )( )70500

NS 2

∝=

( )( )70500

16986∝=

∝ = 0.2061

( )( )( ) ( )( )( )( )

+++−

∝+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

AtL

EApDG5.20

EL40.8

SSp 2. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (Sp).

Donde:

S = Carrera de la varilla pulida (plg). 40.8 = Factor. L = Longitud total de la sarta de varilla (pies). ∝ = Factor de aceleración. 5.20 = Factor. G = Densidad relativa del fluido. D = Profundidad del nivel del fluido pies. Ap = Área del émbolo (plg2). E = Módulo de elasticidad para el acero de la varilla pulida. At = Área la sección transversal del espesor de la pared de la tubería de

producción (TP) 2 7/8” ∅. L1, L2, L3 = Longitud de la 1ª, 2ª y 3ª sección de varillas respectivamente. Ar1, Ar2, Ar3 = Área de las varillas de succión de la 1ª, 2ª, y 3ª sección

respectivamente.

Valores:

S = 86 plg L = 5100 pies ∝ = 0.2061 G = 0.825

202




D = 5100 pies Ap = 2.405 plg2 E = 30 x 106 At = 1.812 (plg2) L1 = 29.4% de 5100 pies = 1499.4 pies de varilla de 1” L2 = 30.0% de 5100 pies = 1530 pies de varilla de 7/8” L3 = 40.6% de 5100 pies = 2070.6 pies de varilla de ¾” Ar1 = 0.785 plg2 Ar2 = 0.601 plg2 Ar3 = 0.442 plg2

( )( )( ) ( )( )( )( )

+++−

∝+=

3

3

2

2

1

12

ArL

ArL

ArL

AtL

EApDG5.20

EL40.8

SSP

( )( )( ) ( )( )( )( ) +++−+=

0.6011530

0.7851499.4

1.8125100

10 x 302.40551000.8255.20

10 x 300.2061510040.8

86Sp66

2

0.4422070.6

Sp = 86 + 7.29 – (.001753966) (11955) Sp = 93.29 – 20.96 Sp = 72.32 plg


PD = (K) (Sp) (N)

Donde:

K = Constante de la bomba (bls/día/plg/spm). Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg). N = Velocidad de bombeo (spm).

Valores

K = 0.357 bls/día/plg/spm Sp = 72.32 plg N = 13 spm

PD = (K) (Sp) (N) 203




PD = (0.357) (72.32) (13) PD = 335.63 BPD

4. Cálculo de la eficiencia volumétrica (EV).

EV = q/PD (100)

Donde:

q = gasto en superficie o producción BPD PD = Desplazamiento teórico de la bomba BPD

Valores:

q = 180 BPD PD = 335.63 BPD EV = q/PD (100) EV = 180/335.63 (100) EV = 53.6%

5. Cálculo del peso de las varillas (Wr).

Wr = (L1) (m1) + (L2) (m2) + (L3) (m3)

Donde: L1 = Longitud de la 1ª sección de varillas (pies). L2 = Longitud de la 2ª sección de varillas (pies). L3 = Longitud de la 3ª sección de varillas (pies). m1 = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión 1ª sección. m2 = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión 2ª sección. m3 = Peso por unidad de longitud de la varilla de succión 3ª sección.

Valores:

L1 = 1499.4 pies de varilla de 1” L2 = 1530 pies de varilla de 7/8” L3 = 2070.6 pies de varilla de ¾” m1 = 2.88 lbs/pie correspondiente a varilla de 1” m2 = 2.16 lbs/pie correspondiente a varilla de 7/8” m3 = 1.63 lbs/pie correspondiente a varilla de ¾”

204




Wr = (L1) (m1) + (L2) (m2) + (L3) (m3) Wr = (1499.4) (2.88) + (1530) (2.16) + (2070.6) (1.63) Wr = 4318.27 + 3304.80 + 3375.07 Wr = 10998.14 lbs

6. Cálculo del peso del fluido

Wf = (0.433) (G) [(L) (Ap) – (0.294) (Wr)]

Donde:

0.433 = Factor de presión diferencial por la profundidad. (L) por la densidad relativa Ap = 0.433 GL. G = Densidad relativa del fluido. L = Longitud total de la sarta de varillas (pies). Ap = Área del émbolo (plg2). 0.294 = Factor. Wr = Peso total de la sarta de varillas (Wr).

Valores:

G = 0.825 L = 5100 pies Ap = 2.405 plg2 Wr = 10998.14 lbs Wf = (0.433) (O.825)[( 5100)(2.405)-(0.294)(10998.14)] Wf = (0.357225) (12265.5 – 3233.45) Wf = (0.357225) (9032.05) Wf = 3226.47 lbs

7. Cálculo del efecto de contrabalanceo (Ci).

Ci = (0.5) (Wf) + (Wr) [(1.0 – (0.127 x G)]

Donde:

0.5 = Factor para determinar el 50% del fluido. Wf = Peso del fluido (lbs). Wr = Peso total de la sarta de varillas (lbs). 1.0 = 10% del peso de fluido y varillas. 0.127 = Factor. G = Densidad relativa del fluido.

205




Valores:

Wf = 3226.47 lbs Wr = 10998.14 lbs G = 0.825 Ci = (0.5) (3226.47) + (10998.14) [(1-(0.127) (0.825)] Ci = 1613.235 + 10998.14 (0.8952) Ci = 1613.235 + 9845.53 Ci = 11458.76 lbs

8. Cálculo de la carga máxima (Wmáx).

Wmáx = Wf + Wr (1.0 + ∝)

Donde:

Wf = Peso del fluido (lbs). Wr = Peso de la sarta de varillas (lbs). ∝ = Factor de aceleración. 1.0 = Al 10% del peso de varillas y fluido.

Valores:

Wf = 3226.47 lbs Wr = 10998.14 lbs ∝ = 0.2061 Wmáx = Wf + Wr (1.0 + ∝) Wmáx = 3226.47 + 10998.14 (1.0 + 0.2061) Wmáx = 16491.32 lbs

9. Cálculo de la potencia hidráulica (Hh).

Hh = (7.36 x 10-6) (q) (G) (L)

Donde: 7.36 x 10-6 = Factor. q = Gasto en superficie o producción (BPD). G = Densidad relativa del flujo. L = Longitud total de la sarta de varillas (pies).

206




Valores:

q = 180 BPD G = 0.825 L = 5100 pies Hh = (7.36 x 10-6) (q) (G) (L) Hh = (7.36 x 10-6) (180) (0.825) (5100) Hh = 5.57 Hp.

10. Cálculo de la potencia por fricción (Hf)

Hf = (6.31 x 10-7) (Wr) (S) (N)

Donde:

6.31 x 10-7 = Factor. Wr = Peso de la sarta de varillas lbs. S = Carrera de la varilla pulida plg. N = Velocidad de bombeo spm.

Valores:

Wr = 10998.14 lbs S = 86 plg N = 13 spm Hf = (6.31 x 10-7) (Wr) (S) (N) Hf = (6.31 x 10-7) (10998.14) (86) (13) Hf = 7.75 Hp

11. Cálculo de la potencia total (Hb).

Hb = (1.5) (Hh + Hf)

Donde:

1.5 = Factor de seguridad para cubrir pérdidas de potencia impredecibles. Hh = Potencia hidráulica (Hh). Hf = Potencia por fricción (Hf).

207




Valores:

Hh = 5.57 Hp Hf = 7.75 Hp Hb = (1.5) Hh + Hf Hb = (1.5) (5.57 + 7.75) Hb = 20 Hp


Tp = [Wmáx – (0.95) (Ci)] (S/2)

Donde:

Wmáx = Carga máxima (lbs). 0.95 = 95% del contrabalanceo ideal. Ci = Contrabalanceo ideal (lbs). S = Carrera de la varilla (plg).

Valores:

Wmáx = 16491.32 lbs Ci = 11459.03 lbs Ci = 86 plg Tp = (Wmáx – (0.95) (Ci) (S/2) Tp = [(16491.32 – (0.95) (11459.03)] (86/2) Tp = (16491.32 – 10886.07) (43) Tp = (5605.24) (43) Tp = 241025.32 lbs-plg

De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máxima en la varilla pulida se

selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos). Unidad seleccionada: C-320D-246-86

Donde: C = Corresponde a una unidad convencional también puede iniciar con A = que


208




320 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 246 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 86 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas. Tubería de producción (T.P.) anclada.

Los cálculos se efectuarán de la misma manera con los términos que involucran (At) es igual a 0.0, se eliminan. 1. = 0.2061 2. Sp

( )( )( ) ( )( )( )( ) +−+=

0.7851499.4

10 x 302.40551000.8255.20

10 x 300.2061510040.8

86 66

2

+

442.06.2070

601.01530

Sp = 93.29 – (0.001753966) (9140.43) Sp = 93.29 – 16.03 Sp = 77.26 plg

3. PD = (0.357) (77.26) (13)

PD = 358.56 BPD 4. EV = 180/358.56

EV = 50% 5. Wr = 10998.14 lbs 6. Wf = 1148.09 lbs 7. Ci = 10419.85 lbs 8. Wmax = 16491.32 lbs 9. Hh = 5.57 Hp 10. Hf = 7.75 Hp 11. Hb = 20 Hp 12. TP = 241025.32 lbs-plg

De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos).

Unidad seleccionada: C-320D–246-86

Donde:

209




C = Corresponde a una unidad convencional, también puede iniciar con A = que


320 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 246 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 86 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas. 4.2 MÉTODO API-RP-11L Para facilitar la comprensión de esta parte, a continuación se definirán las variables que intervienen en las fórmulas, figuras y tablas. Sp Carrera del émbolo, plg. PD Desplazamiento de la bomba, bls/día. PDRL Carga máxima en la varilla pulida, lbs. MPRL Carga mínima en la varilla pulida, lbs. PT Torsión máxima, lbs/plg. PRHP Potencia en la varilla pulida, hp. CBE Contrapeso requerido, lbs. Ap Área del émbolo plg2. Ar Área de la varilla plg2. H Nivel del fluido, pie. L Profundidad de la bomba, pie. N Velocidad de bombeo, spm. S Longitud de la varilla pulida, plg. D Diámetro del émbolo de la bomba, plg2. G Densidad relativa del fluido (Agua=1.0). Wr Peso por unidad de longitud de las varillas en el aire, lbs/pie. Er Constante elástica de las varillas, plg/lbs. Fc Factor de frecuencia útil en el diseño de varillas. Et Constante elástica de la TP plg/lbspie. Fo Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo, lbs. Kr Constante de resorte del total de la sarta de varillas. 1.0/Kr Constante elástica para el total de la sarta de varillas, plg/lbs. Skr Libras de carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas una

cantidad igual a la carrera de la varilla pulida, (S). No Frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro, spm. No’ Frecuencia natural de la sarta de varillas combinada, spm. Kt Constante de resorte de la TP no anclada. 1.0/kt Constante elástica para la TP no anclada, plg/lbs. Wrf Peso total de las varillas en fluido, lbs.

210




Wr Peso total de las varillas en el aire; lbs. F1 Factor de PPRL. F2 Factor de MPRL. T Torsión en la manivela, lbs/plg. F3 Factor de PRHP. Ta Factor de ajuste de torsión para valores de Wrf/Skr diferentes de 0.3. ESQUEMA Para hacer más fácil la comprensión de las fórmulas utilizadas en el diseño, a continuación se presenta una figura en la que se señalan los factores: Fo, F1, F2, Wrf y S. SIGNIFICADO DE LOS PARÁMETROS ADIMENSIONALES: N/No, N/No′, y Fo/Skr

1) N/No = Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro.

2) N/No ′= Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas.

El valor de No′, la frecuencia natural de la sarta de varillas combinada, generalmente es de 30 vibraciones por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez será mayor de 20 SPM, por lo tanto, el valor de N/No′ variará entre 0.0 y 0.6. La frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas N/No ′ se define como:

4La FcNo′=

En donde:

Fc

a Fc

= = =

Constante de proporcionalidad que depende del diseño de varillas, también conocido como factor de frecuencia. Velocidad del sonido en el acero. 1.0 si la sarta de varillas es de un solo diámetro.

211




Fc 245000NL

NN

=

K

K1

SF

Teóricamente a = 17000 pie/seg. Prácticamente a = 16300 pie/seg = 978000 pie/min.

pul

alael a Par

est Eje

pulvel

a FcNL 4

NoN

=′

o′

212



L AE

r =

++= ...

A

L

AL

E1

r 21

1 2

0.1kro

=

SkrFo1.0

SSp −=

3) Fo/Skr = Relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varilla

ida.

El parámetro adimensional Fo/Skr representa el alargamiento de varillas. El rgamiento real inducido por la carga de fluido, Fo es Fo/Kr, entonces, (Fo/Kr)/S es largamiento de varillas expresado en fracción de la carrera de la varilla pulida.

a sartas de un solo diámetro:

Para sartas de diámetro variable:

El término Fo/Skr da el alargamiento de las varillas causado por la aplicación ática de la carga de fluido en porcentaje de la carrera de la varilla pulida.

mplo:

Significa que el alargamiento de varillas es el 10% de la carrera de la varilla

ida. A velocidades muy bajas, el alargamiento adimensional de las varillas y la ocidad de bombeo se relacionan de la forma siguiente:


213



Los cálculos de torsión se realizaron usando el cociente:

0.3f=

Skr

Wr

Si el valor es = 0.3, se debe hacer la corrección indicada en la figura 7 de anexos. DEFINICIONES ADICIONALES Carrera del émbolo:

Sp = [(Sp/S) x S] - [Fo x 1/Kt]

Si la tubería de producción está anclada 1/kt = 0

El término (Sp/S) se obtiene de la figura 1 (Anexo C). Desplazamiento de la bomba:

D = Diámetro del émbolo PD = 0.1166 x Sp x N x D2 METODO API Definiciones Adicionales. Carrera del émbolo Sp = [(Sp/S) x S] - [Fo x 1/Kt] Donde: Si la tubería de producción está anclada 1/Kt = 0 El término (Sp/S) se obtiene de la figura 1 (Anexo C). Sp = Carrera del émbolo (Plg). S = Longitud de la varilla pulida (plg). Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (lbs). 1/kt = Constante elástica para el total de la sarta de varillas (plg/lbs). Sp/S = Factor de la carrera del émbolo.


Desplazamiento de la bomba PD = 0.1166 x Sp x N x D2 Donde: D = Diámetro del émbolo de la bomba (plg). Sp = Carrera del émbolo (plg). N = Velocidad de bombeo (spm). PD = Desplazamiento de la bomba (Bls/día). También se puede obtener mediante la fórmula siguiente: PD = K Sp N Donde: El valor de K se obtiene de la tabla 1 (Anexo). Máxima carga en la varilla pulida. Se muestra en dos formas: 1. Para quienes prefieren expresar la carga de fluido como función del área neta del

émbolo:

PPRL = 0.433 L (Ap-Ar) + Wra + Wra (SN2/70500)

Donde:

PPRL = Carga máxima en la varilla pulida (lbs). 0.433 = ∆p = 0.433 GL es la presión a la profundidad (L) de una columna de fluido, con la densidad relativa (G).

2. Otra aproximación que da idénticos resultados, define la carga de fluido como

función del área total del émbolo:

PPRL = 0.433 L (Ap) + Wrf + Wra (SN2/70500)

214




Donde: Ap = Área del émbolo (plg2). N = Velocidad de Bombeo (spm). Wrf = Peso de las varillas en el fluido (lbs). Wra = Peso de las varillas en el aire (lbs). S = Longitud de la varilla pulida (plg). O bien:

PPRL = Fo + Wrf + Wra (NS2/70500) Donde:

Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (lbs). Para unidades con geometría especial:

PPRL = Fo + Wrf + 0.6 Wra (SN2/70500)

Para unidades balanceadas con aire.

PPRL = Fo + Wrf + 0.7 Wra (SN2/70,500)

Obviamente el método convencional para la predicción de PPRL, toma en cuenta la aceleración de la sarta de varillas, pero no así, los efectos armónicos de la vibración de la sarta. El método API para la predicción de PPRL ocupa la ecuación:

PPRL = Wrf + (F1/Skr) Skr Donde:

F1/Skr = Factor de carga pico en la varilla pulida. El término adimensional F1/Skr se obtiene de la figura 3 (Anexo C). En esta figura se toma en cuenta el efecto armónico de la sarta de varillas, así como los efectos normales de aceleración.

215




El método API no introduce ningún factor para tomar en cuenta las unidades

con geometría especial. Mínima carga en la varilla pulida. La fórmula convencional para la mínima carga en la varilla pulida para unidades de geometría convencional es:

MPRL = Wrf – Wra (SN2/70500) Para unidades de geometría especial:

MPRL = Wrf – 1.4 Wra (SN2/705000) Para unidades balanceadas por aire:

MPRL = Wrf – 1.3 Wra (SN2/70500)

Nuevamente la desaceleración de la sarta es considerado, pero los efectos dinámicos no lo son. El método API para la predicción de la carga mínima en la varilla pulida es:

MPRL = Wrf – (F2/Skr) Skr

Donde: F2/Skr = Factor de carga mínima en la varilla pulida. Skr = Libras necesarias para alargar el total de la sarta de varillas a una

cantidad igual a la carrera de la varilla pulida. Wrf = Peso de las varillas en el fluido.

El término adimensional F2/Skr se obtiene de la figura 4 (Anexo C).

En esta figura se consideran los efectos normales de desaceleración, más los efectos armónicos de las varillas.

216




217



Torsión Máxima

El método convencional para el cálculo de la torsión máxima en unidades con geometría convencional es:

( ) G x 2S

x MPRLPPRL=PT

Donde:

PT PPRL MPRL G S

= = = = =

Torsión máxima (lbs-plg). Carga máxima en la varilla pulida (lbs). Carga mínima en la varilla pulida (lbs). Densidad relativa del fluido. Longitud de la varilla pulida (plg).

El método API para el cálculo de la torsión máxima es:

PT = (2T/S2Kr) + Skr x S/2 x Ta Donde:

PT = Torsión máxima (lbs-plg). Skr = Libras necesarias para alargar el total de la sarta de varillas una

cantidad igual a la carrera de la varilla pulida. Ta = Factor de ajuste de torsión para valores de Wrf/Skr diferentes de

0.3. Kr = Constante de resorte del total de la sarta de varillas. S = Longitud de la varilla pulida. 2T/S2Kr = Factor de torsión máxima (figura 5, Anexo C).

Tanto el método convencional como el API para el cálculo de la máxima

torsión, suponen que las cargas máxima y mínima ocurren a los 75° y 285° de la posición de la manivela, respectivamente.

Otra posición es que no exista golpeteo o interferencia de gas. El API-RP-11L no incluye la predicción de torsión máxima para unidades con geometría especial. El método API también supone que la eficiencia mecánica de la unidad de bombeo es 100%, algunos métodos convencionales hacen la misma suposición, aunque uno de los mayores fabricantes usa una eficiencia mecánica de 93%.


Una suposición más en el método API y en el convencional es, que la unidad siempre esté perfectamente balanceada. Potencia en la varilla pulida

PRHP = (F3/Skr) x Skr x S x N x 2.53 x 10-6 Donde:

F3/Skr Skr S N

= = = =

Factor de potencia en la varilla pulida. Libras de carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad igual a la carrera de la varilla. Longitud de la varilla pulida (plg). Velocidad de bombeo (spm).

2.53 x 10-6 = Módulo de elasticidad para el acero (módulo de Young)

Contrapeso requerido.

CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo)

Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs). Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (lbs). 1.06 = Factor.

4.2.1 Ejemplos de Aplicación Ejemplo de aplicación 1 DISEÑO DE UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO MÉTODO A.P.I. RP-11L Para un pozo en el campo petrolero Tajín, se tiene una bomba con un émbolo de 1 ¾ plg instalada en una tubería de producción (T.P.) de 2”∅ con 4275 pies de varillas de succión de ¾ plg; se sabe que el nivel de fluido es bajo, cuando se bombea a 18 SPM con una longitud de carrera de 64 plg, la producción es de 283 BPD de un fluido con densidad relativa de 0.825. Efectuar los cálculos necesarios para poder seleccionar una U.B.M. Realizar los cálculos para una tubería de producción desanclada y anclada.

218




SOLUCIÓN DATOS:

dp = Diámetros del émbolo = 1 ¾ plg dtp = Diámetro de la T.P. = 2 plg H = Nivel del fluido = 4275 pies L = Profundidad de la bomba = 4275 pies N = Velocidad de bombeo = 18 spm S = Longitud de la varilla pulida (carrera de UBM) = 64 plg G = Densidad relativa del fluido = 0.825 * = Sarta de varillas de un solo diámetro ¾” de diámetro.

Solución considerando la tubería de producción (T.P.) desanclada.

• Tipo de varillas = 100% de ¾ plg TP DESANCLADA De la Tabla 3 (Anexo) 1 Wr = 1.63 (lbs/pie) (Tabla 5 columna 3 del Anexo) 2 Er = 0.883 x 10-6 (Plg/lbs-pie) (Tabla 3 columna 4 del Anexo) 3 Fc = 1.0 (Tabla 3 columna 5 del Anexo) De la Tabla 7 (Anexo). 4 Et = 0.500 x 10-6 (Plg/lbs-pie) (tabla 7 columna 5 del Anexo) Wr = Peso de las varillas = 1.63 lbs/pie Er = Constante elástica = 0.883 x 10-6 plg/lbs-pie Fc = Factor de frecuencia = 1.0 Et = Constante elástica de la T.P. = 0.500 x 10-6 plg/lbs-pie I CÁLCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES 1. Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (Fo).

Fo = (0.340) (G) (D2) (H)

219




Donde:

0.340 = Factor. G = Densidad relativa del fluido. D2 = Diámetro del émbolo (plg2). H = Nivel del fluido (pies).

Valores:

G = 0.825 D2 = 1.752

H = 4275

Fo = (0.340) (G) (D2) (H) Fo = (0.340) (0.825) (1.752) (4275)= 3672.36 lbs.

2. Cálculo de la Constante elástica para el total de la Sarta de Varilla (1/Kr).

1/kr = (Er) (L)

Donde:

1/kr = Constante elástica para el total de la sarta de varillas. Er = Constante elástica de la varilla. L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de colocación de

la bomba.

Valores:

Er = 0.883 x 10-6 L = 4275 pies 1/kr = Er x L 1/kr = (0.883 x 10-6) x 4275 = 3.775 x 10-3 Plg/lbs

3. Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas, una

cantidad igual a la carrera de la varilla pulida (SKr).

SKr = S/(1/Kr)

220




Donde:

S = Carrera de la varilla pulida. 1/Kr = Constante elástica para el total de la sarta de varillas.

Valores: S = 64 Plg 1/Kr = 3.775 x 10-3

SKr = S/(1/Kr) SKr = 64/3.775 x 10-3 = 16954.43 lbs

4. Cálculo de relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varilla pulida

(Fo/SKr).

(Fo/SKr)

Donde:

Fo = Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo. SKr = Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas

una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida (SKr).

Valores:

Fo = 3672.36 lbs SKr = 16954.43 lbs (Fo/SKr) Fo/SKr = 3672.36/16954.43 = 0.217

El parámetro dimensional Fo/SKr representa el alargamiento de varillas. El

alargamiento real reducido por la carga de fluido Fo es Fo/Kr. Entonces, (Fo/Kr)/S es el alargamiento de varillas expresado en fracción de la carrera de la varilla pulida. 5. Cálculo de relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de

varillas de un solo diámetro (N/No).

N/No = (N)(L)/245000

221




Donde:

N = Velocidad de bombeo o embolada por minuto (s.p.m.) L = Profundidad de la bomba (pies). 245000 = Factor saliente entre la velocidad del sonido en el acero

(prácticamente = 16.300 pie/Seg) = 978.000 pie/Min.

Valores:

N = 18 s.p.m. L = 4275 pies 245000 = Factor N/No = (N)(L)/245000 N/No = (18)(4275)/245000 = 0.314

6. Cálculo de la relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta

de varillas combinadas (N/N2´).

N/N2´= (N/N2´)/Fc Donde:

N/No = Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro.

Fc = Constante de proporcionalidad que depende del diseño de varillas, también conocido como factor de frecuencia.

Valores:

N/No= 0.314 Fc = 1.00 N/No′= (N/No)/Fc

N/No′= 0.314/1.00 = 0.314 El valor de No′, la frecuencia natural de la sarta de varillas combinado,

generalmente es de 30 vibraciones por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez será mayor de 20 spm, por lo tanto, el valor de N/No′ variará entre 0.0 y 0.6

222




7. Cálculo de la constante elástica para la T.P. no anclada (1/Kt).

1/Kt = (Et )(L)

Donde: 1/Kt = Constante elástica para la T.P. no anclada. Et = Constante elástica de la T.P. L = Profundidad de la bomba.

Valores: Et = 0.500 x 10-6 Plg/lbs/pie L = 4275 pies 1/Kt = (Et )(L) 1/Kt = (0.500 x 10-6)(4275) = 2.14 x 10-3 (Plg/lbs)

II. CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO (SP) Y

DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA (PD).

Sp/S = 0.875; (figura 1 del Anexo C, con los datos (N/No′) y (Fo/SKr)

1. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (SP).

SP = [(Sp/S)(S)]–(Fo)(1/Kt)

Donde: Sp/S = Factor de la carrera del émbolo. S = Carrera del émbolo. 1/Kt = Constante elástica para la T.P. no anclada. Fo = Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo.

Valores:

Sp/S = 0.875 S = 64 plg Fo = 3672.36 1/Kt = 2.14 x 10-3

223



SP = [(Sp/S)(S)] – (Fo)(1/Kt) = (0.875)(64) – (3672.36)(2.14 x 10-3)


Sp = 48.14 plg 2. Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba (PD).

PD = (0.1166)(Sp)(N)(D2)

Donde: 0.1166 = Factor. Sp = Carrera efectiva del émbolo. N = Velocidad de bombeo. D2 = Diámetro del émbolo.

Valores:

0.1166 = Factor Sp = 48.14 plg N = 18 SPM D2 = 1.752 PD = (0.1166)(Sp)(N)(D2) PD = (0.1166)(48.14)(18)(1.752) = 309.42 bls/día

• Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de K de la tabla 1 K= 0.357

Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N = 0.357 x 48.14 x 18 = 309.34 bls/día

NOTA: Si este gasto no se aproxima al que desea, se repetirá a partir del punto 5 de cálculo de las variables no-dimensionales variando el valor de N.

III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES 1. Cálculo del peso de las varillas en el aire (W).

W = (Wr)(L)

Donde:

Wr = Peso por unidad de las varillas (lbs-pie). L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la

bomba (pies). 224




Valores:

Wr = 1.63 lbs-pie. L = 4275 pies.

W = (Wr)(L) W = (1.63)(4275) = 6985.25 lbs

2. Cálculo del peso de las varillas en el fluido (Wrf).

Wrf = W [ 1-(0.128)(G) ]

Donde:

G = Densidad relativa del fluido. W = Peso total de las varillas en el aire (lbs). 0.128 = Factor de flotación determinado dividiendo la densidad del fluido

desplazado es 62.4 G lbs/pie3 entre la densidad de las varillas, asumiendo que sea de 490 lbs/pie3.

Valores:

G = 0.825 W = 6985.35 lbs 0.128 = Factor

Wrf = W [ 1-(0.128)(G) ] Wrf = 6985.35 [ 1-(0.128)(0.825) ] Wrf = 6247.70 lbs

3. Cálculos de torsión (Wrf/Skr).

Donde: Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs). SKrf = Libras de carga necesarias para alargar el total de la sarta de

varillas una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida.

Valores:

Wrf = 6247.70 lbs SKrf = 16954.43 lbs

225




Wrf/SKr = 6247.70/16954.43 = 0.3685 IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES EN LA DETERMINACIÓN DE: PPRL = Carga máxima en la varilla pulida. MPRL = Carga mínima en la varilla pulida. PT = Torsión máxima. PRHP = Potencia en la varilla pulida.

1 F1/SKr = 0.45 (de la figura 3, en Anexo) 2 F2/SKr = 0.20 (de la figura 4, en Anexo) 3 2T/S2Kr = 0.36 (de la figura 5, en Anexo) 4 F3/SKr = 0.28 (de la figura 6, en Anexo) 5 Ta = 1.00 (de la figura 7, en Anexo)

V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN 1. Carga máxima en la varilla pulida (PPRL).

PPRL = Wrf + (F1/SKr) x SKr Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs). F1/SKr = Factor de carga pico en la varilla pulida. SKr = Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la

sarta de varillas; una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida.

Valores:

Wrf = 6247.70 lbs

F1/SKr = 0.45 SKr = 16954.43

PPRL = Wrf + (F1/SKr)(SKr) PPRL = 6247.70 + (0.45)(16954.43) PPRL = 13877 lbs

2. Carga mínima en la varilla pulida (MPRL).

MPRL = Wrf – (F2/SKr)(SKr)

Donde: Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs).

226




F2/SKr = Factor de carga mínima en la varilla pulida. SKr = Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la

sarta de varillas una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida.

Valores: Wrf = 6247.70 lbs F2/SKr = 0.20 SKr =16954.43

MPRL = WrF – (F2/SKr)(SKr) MPRL = 6,247.70 – (0.20)( 16954.43) MPRL = 2857 lbs

3. Torsión máxima (PT)

PT = (2T/S2Kr) (SKr)(S/2) (Ta)

Donde: 2T/S2Kr = Factor de torsión máxima. SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de la sarta de varillas una

cantidad igual al de la varilla pulida. S = Carrera de la varilla pulida (plg). Ta = Factor de ajuste de torsión para valores de Wrf/Skr diferentes de 0.3

Valores: 2T/S2Kr = 0.36 SKr = 16954.43 lbs

S/2 = La mitad de la carrera del émbolo = plg 32=264

Ta = 1.0 PT = (2t/S2Kr) (SKr)((S/2) (Ta) PT = (0.36)(16954.43)(32)(1.0) PT = 195315 lbs-plg

4. Potencia en la varilla pulida (PRHP).

PRHP = (F3/SKr)(SKr)(S)(N)(2.53 x 10-6)

227




Donde:

F3/SKr = Factor de potencia en la varilla pulida. SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de la sarta de

varillas, una cantidad igual al de la varilla pulida. S = Carrera de la varilla pulida (plg). N = Velocidad de bombeo (spm).

2.53 x 10-6 = Módulo de young.

Valores: F3/SKr = 0.28

SKr = 16954.43 lbs S = 64 plg N = 18 spm

PRHP = (F3/SKr) (SKr)(S)(N)(2.53 x 10-6) PRHP = (0.28)(16954.43) (64)(18)( 2.53 x 10-6) PRHP = 13.836 hp

5. Contrabalanceo (CBE)

CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo)

Donde: 1.06 = Factor. Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs). ½ Fo = carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (lbs).

Valores: Wrf = 6247.70 (lbs) ½ Fo = 3672.36/2 CBE = 1.06 (WrF + ½ Fo ) CBE = 1.06 x (6247.7 + 3672.36/2) CBE = 8569 lbs

228




De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálago Lufkin (en anexos).

Unidad seleccionada C-228D-200-74

donde: C = Corresponde a una unidad Convencional, también puede iniciar con A = que

significa unidad balanceada por aire, B = balanceada por balancín o M = Unidad de unitorque Mark II.

228 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 200 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 74 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas. T.P. ANCLADA Punto No. 7 del paso I el valor de 1/Kt = 0 por la misma condición de Et. Cálculo de SP y DP 1. Sp = (Sp/S)(S)

Donde: Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg).

Sp/S = Factor de la carrera del émbolo. S = Carrera del émbolo(plg).

Valores:

Sp/S = 0.875 S = 64 (Plg) 0.875 con los datos (N/No) y (Fo/SKr)

Sp = (Sp/S)(S) Sp = (0.875)(64) Sp = 56 Plg

229




2.P.D = (0.1166)(Sp)(N)(D2)

Donde:

PD = Desplazamiento teórico de la bomba (BPO). Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg). N = Velocidad de bombeo (spm). D2 = Diámetro del émbolo (plg2).

Valores:

Sp = 56 Plg N = 18 SPM D2 = 1.752 correspondiente a 1 3/42plg = 3.0625 plg2

PD = (0.1166)(Sp)(N)(D2 ) PD = (0.1166)(56)(18)(1.752 ) PD = 360 bls/día • Se puede utilizar la siguiente fórmula: Tomando el valor de K de la Tabla 1,K = 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N = 0.357 x 56 x 18 = 359.856 = 360 bls/día • En los demás puntos los resultados son idénticos, utilizando el catálogo Lufkin (en

anexos) se selecciona la unidad: C-228D-200-74 Donde: C = Corresponde a una unidad Convencional, también puede iniciar con A = que

significa unidad balanceada por aire, B = balanceada por balancín o M = Unidad de unitorque Mark II.

228 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 200 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 74 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas.

230




Ejemplo de Aplicación 2

En un pozo del Campo Petrolero de Tajín se tiene una profundidad de 5100 pies en dónde será instalada una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” ∅ en el interior de una Tubería de Producción (T.P.) de 2 7/8”∅, una densidad relativa del fluido de 0.825, y donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar diseño para una U.B.M. que deberá operar con una velocidad de 13 s.p.m. y una carrera en la varilla pulida de 86” dando un gasto o producción en superficie de 180 BPD. Este diseño contempla una sarta de varillas telescopiadas compuesta de 3 secciones con diferentes diámetros 1”,7/8” y ¾”.

dp = Diámetro del émbolo = 1 ¾”Ø dtp = Diámetro de la tubería de producción (T.P.) = 2 7/8”Ø H = Nivel del fluido = 5100 (pies) L = Profundidad de la bomba = 5100 (pies) N = Velocidad de bombeo = 13 (spm) S = Carrera de la varilla pulida = 86 (plg) G = Densidad relativa del fluido = 0.825 * = Sarta de varillas telescopiada = 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. Solución considerando la tubería de producción (T.P.) desanclada.

I. Cálculo de las variables no-dimensionales. 1. Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (Fo).

Fo = (0.340) (G) (D2) (H)

Donde:


Valores:

Factor 0.340 G = 0.825 D = 1.75 plg2

231




H = 5100 pies Fo = (0.340) (G) (D2) (H) Fo = (0.340) (0.825) (1.752) (5100) Fo = 4381.05 lbs

2. Cálculo de la constante elástica para el total de la sarta de varillas (1/Kr).

1/Kr = (Er) (L)

Donde:

Er = Constante elástica de las varillas. L = Profundidad de colocación de la bomba o longitud total de la sarta de

varillas.

Valores:

Er = 0.699 x 10-6 plg/lb-pie L = 5100 pies 1/Kr = (Er) (L) 1/Kr = (0.699 x 10-6) (5100) 1/Kr = 3.5649 x 10-3 plg/lb

3. Cálculo para las libras necesarias para alargar el total de la sarta de varillas; una

cantidad igual a la carrera de la varilla pulida (Skr).

SKr = S/(1/Kr)

Donde: S = Carrera de la varilla pulida. 1/Kr = Constante elástica para el total de la sarta de varillas.

Valores:

S = 86 plg 1/Kr = 3.5649 x 10-3 plg/lb SKr = S/(1/Kr)

232




SKr = 86/(3.5649 x 10-3) SKr = 24124.09 lbs

4. Cálculo de relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varilla pulida (Fo/Skr).

Fo/SKr

Donde:

Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área del émbolo. SKR = Carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad

igual a la carrera de la varilla pulida.

Valores:

Fo = 4381.05 lbs. SKr = 24124.09 lbs. Fo/Skr = 4381.05/24124.09 = 0.1816

5. Cálculo de relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de


N/No = (N) (L)/245000

Donde:

N = Velocidad de bombeo. L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de colocación de la

bomba.

Valores:

N = 13 spm L = 5100 pies Factor: 245000 N/No = (N) (L)/245000 N/No = (13) (5100)/245000 N/No = 0.270

233




6. Cálculo de la relación de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas

combinadas (N/No′).

N/No′ = (N/No)/Fc

( )( )( )( ) 0.232

1.164245000510013

245000FcNL

No'N

===

Donde:

N/No = Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de

varillas de un solo diámetro. Fc = Factor de frecuencia para varillas combinadas (No. 86).

Valores:

N/No = 0.270 Fc = 1.164 N/No′ = (N/No)/Fc

N/No′ = 0.270/1.164

N/No′ = 0.232 7. Cálculo de la constante elástica para la T.P. no anclada (1/kt).

1/Kt = (Et) (L)

Donde:

Et = Constante para la T.P. no anclada. L = Profundidad de colocación de la bomba (pies).

Valores:

Et = 0.221 x 10-6 plg/lb-pie L = 5100 pies 1/kt = (Et) (L) 1/kt = (0.221 x 10-6) (5100)

234




1/kt = 1.1271 x 10-3 plg/lbs

II. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (Sp) y desplazamiento teórico en el fondo de la bomba (PD).

1. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (Sp).

Sp = [ (Sp/S) (S) – (Fo) (1/KT) ]

Donde:

Sp/S = Factor de la carrera del émbolo. S = Carrera de la varilla pulida. Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo. 1/Kt = Constante elástica para la TP.

Valores:

Sp/S = .875 S = 86 plg Fo = 4381.05 lbs 1/Kt = 1.1271 x 10-3 Sp = [ (Sp/S) (S) – (Fo) (1/Kt) ] Sp = [ (.875) (86)] – [(4381.05) (1.1271 x 10-3) ] Sp = 70.3121 plg


PD = (0.1166) x (Sp) (N) (D2)

Donde:

0.1166 Factor Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg). N = Velocidad de bombeo (spm). D = Diámetro del émbolo.

Valores:

Sp = 70.3121 plg N = 13 D = 1.752

235




Factor = 0.1166 PD = (0.1166) (Sp) (N) (D2) PD = (0.1166) (70.3121) (13) (1.752) PD = 326.39 BPD

III. Cálculo de los parámetros no-dimensionales 1. Cálculo del peso de las varillas en el aire (W).

W = (Wr) (L)

Donde:

Wr = Peso de las varillas por pie de acuerdo a la tabla No. 3 (lbs/pie). L = Longitud total de la sarta de varillas (pies).

Valores:

Wr = 2.185 lbs/pie L = 5100 pies W = (Wr) (L) W = (2.185) (5100) W = 111435 lbs


Wrf = W [ 1 – (0.128) (G) ]

Donde:

W = Peso total de la sarta de varillas en el aire (lbs). G = Densidad relativa del fluido. 0.128 = Factor de flotación determinado dividiendo la densidad del fluido desplazado, que es 62.4 G lbs/pie3 entre la densidad de las varillas, asumiendo que sea de 490 lbs/pie3.

Valores:

W = 11143.5 lbs G = 0.825 Factor = 0.128

236




Wrf = W [ 1 – (0.128) (G) ] Wrf = 11143.5 [ 1 – (0.128) (0.825) ] Wrf = 9966.74 lbs


Wrf/SKr

Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el aire (lbs). SKr = Libras necesarias para alargar el total de la sarta de varillas a un

porcentaje igual a la carrera de la varilla pulida.

Valores:

Wrf = 9966.74 lbs. SKr = 24124.09 lbs. Wrf =/SKr = 9966.74/24124.09 = 0.4131

NOTA: Si el valor de Wrf/SKr es mayor de 0.3, efectuar el ajuste en la tabla No. 12

(Anexo b); si el valor es menos de .03 el ajuste se vuelve negativo. Ejemplos de Aplicación de la Obtención de los factores útiles en la determinación de:

PPRL = Carga máxima en la varilla pulida. MPRL = Carga máxima en la varilla pulida. Pt = Torsión máxima. PRHP = Potencia en la varilla pulida.

1 F1/SKr = 0.36 (de la figura 3, Anexo C) 2 F2/SKr = 0.14 (de la figura 4, Anexo C) 3 2T/S2Kr = 0.34 (de la figura 5, Anexo C) 4 F3/SKr = 0.28 (de la figura 6, Anexo C) 5 Ta = 1.03 (de la figura 7, Anexo C)

237




1. Carga máxima en la varilla pulida (PPRL).

PPRL = Wrf + (F1/SKr) (SKr)

Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el fluido = 6247.70 lbs F1/SKr = Carga pico en la varilla pulida 0.36

SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad igual al de la varilla pulida = 16954.43 lbs

Valores:

Wrf = 9966.74 lbs

F1/SKr = 0.36 SKr = 24124.09 lbs

PPRL = Wrf + (F1/SKr) (SKr) PPRL = 9966.74 + (0.36) (24,124.09) PPRL = 18651.41 lbs


MPRL = Wrf – (F2/SKr) (SKr) Donde:

WrF = Peso total de las varillas en el fluido = 6247.70 lbs F2/SKr = Carga mínima en la varilla pulida = 0.14 SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de la sarta de varillas

una cantidad igual al de la varilla pulida = 16954.43 lbs

Valores:

Wrf = 9966.74 lbs F2/Skr) = 0.14 SKr = 24124.09 lbs MPRL = Wrf – (F2/SKr) (SKr) MPRL = 9966.74-(0.14) (24124.09) MPRL = 6589.36 lbs

238




3. Torsión máxima (PT).

PT = (2T/S2Kr) (SKr) (S/2) (Ta) Donde:

2T/S2Kr = Factor de torsión máxima = 0.34

SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad igual al de la varilla pulida = 16954.43 lbs

Valores:

2T/S2Kr = 0.34 SKr = 24124.09 lbs S/2 = 86/2 = 43 plg Ta = 1.03 PT = (2t/S2Kr) (SKr) (S/2) (Ta) PT = (0.34) (24124.09) (43) (1.03) PT = 363275.02 plg-lbs


PRHP = (F3/SKr) (SKr) (S) (N) (2.53 x 10-6)

Donde:

F3/SKr = Factor de potencia en la varilla pulida. SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de la sarta de varillas

una cantidad igual al de la varilla pulida = 16954.43 lbs S = Carrera del émbolo = 64 Plg N = Velocidad de bombeo o emboladas por minuto = 18 spm

2.53 x 10-6 = Módulo de Young (factor)

Valores:

F3/SKr = 0.28 SKr = 24124.09 lbs S = 86 plg N = 13 spm

239




Módulo de Young = 2.53 x 10-6

PRHP = (F3/SKr) (SKr) (S) (N) (2.53 x 10-6) PRHP = (0.28) (24124.09) (86) (13) (2.53 x 10-6) PRHP = 19.10

5. Contrabalanceo (CBE).

CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo)

Donde:

Wrf = Peso total de la sarta de varillas en el fluido = 6247.7 (lbs) ½ Fo = La mitad de la carga diferencial de fluido sobre el área total del

émbolo. 1.06 = Factor

Valores:

Factor = 1.06 Wrf = 9966.74 lbs Fo = 4381.05 ÷ 2 = 2190.52 lbs CBE = 1.06 (Wrf + ½ fo) CBE = 1.06 (9966.74 + 2190.52) CBE = 12886.70 lbs

De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla

pulida se seleciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos). Unidad seleccionada:

C-456D-305-120

donde: M = Corresponde a una unidad Mark II, también puede iniciar con A = que significa

unidad balanceada por aire, B = balanceada por balancín o C = Convencional. 456 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 305 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 120 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas.

240




Ejemplo de Aplicación 3

En un pozo del Campo Petrolero Poza Rica se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”Ø a la profundidad de 6232 (pies) en el interior de una tubería de producción (T.P.) de 2 7/8 ∅, dando un gasto o producción en superficie de 250 (BPD) de fluido con una densidad de 0.870, se considera que el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) está a la profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos necesarios para determinar el tipo de U.B.M. que operará con una carrera en la varilla pulida de 100” a una velocidad de 13 (spm), moviendo una sarta de varilla telescopiada compuesta de 1”,7/8” y ¾” de diámetro. Datos:

D = Diámetro del émbolo = 1 ¾”Ø dtp = Diámetro de la tubería de producción (T.P.) = 2 7/8”Ø H = Nivel del fluido = 6232 pies L = Profundidad de la bomba = 6232 pies N = Velocidad de bombeo = 13 spm S = Carrera de la varilla pulida = 100 plg G = Densidad relativa del fluido = 0.870 * = Sarta de varillas telescopiada = 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. Solución considerando la tubería de producción (T.P.) desanclada.

I. Cálculo de las variables no-dimensionales

1. Cálculo de la carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (Fo).

Fo = (0.340) (G) (D2) (H)

Donde:


Valores:

Factor = 0.340 G = 0.870

241




D = 1.752 plg2 H = 6232 pie Fo = (0.340) (G) (D2) (H) Fo = (0.340) (.870) (1.752) (6232) Fo = 5645.49 lbs

2. Cálculo de la constante elástica para el total de la sarta de varillas (1/kr).

1/Kr = (Er) (L)

Donde:


varillas.

Valores:

Er = 0.699 x 10-6 L = 6232 pies 1/kr = (Er) (L) 1/kr = (0.699 x 10-6) (6232) 1/kr = 4.3561 x 10-3

3. Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas una

cantidad igual a la carrera de la varilla pulida.

SKr = S/(1/Kr)


242




Valores:

S = 100 plg 1/Kr = 4.3561 x 10-3

SKr = S/(1/Kr) SKr = 100/(4.3561 x 10-3) SKr = 22956.84lbs


(Fo/SKr).

Fo/SKr

Donde:

Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área del émbolo. SKR = Carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas una cantidad


Valores:

Fo = 5645.49 lbs SKr = 22956.84 lbs Fo/SKr = 5645.49/22956.84 =0.246

5. Cálculo de Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de


N/No = (N) (L)/245000 Donde:


bomba.

Valores:

N = 13 spm L = 6232 pies

243




Factor = 245000

N/No = (N) (L)/245000 N/No = (13) (6232)/245000 N/No = 0.330


de varillas cambiadas (N/No′).

N/No′ = (N/No)/Fc

Donde:


Fc = Factor de frecuencia para varillas combinadas (tabla 3, Anexo).

Valores:

N/No = 0.330 Fc = 1.164 N/No′ = (N/No)/Fc

N/No′ = 0.330/1.164

N/No′ = 0.283 7. Cálculo de la constante elástica para la T.P. no anclada (1/kt).

1/Kt = (Et) (L)

Donde:

Et = Constante para la T.P. (tabla 7 columna 5). L = Profundidad de colocación de la bomba (pies).

Valores:

Et = 0.221 x 10-6 plg/lb-pie L = 6232 pies 1/kt = (Et) (L)

244




1/kt = (0.221 x 10-6) (6232) 1/kt = 1.3772 x 10-3

II. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (Sp) y desplazamiento teórico en el

fondo de la bomba (PD). 1. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (Sp).

Valores:

S = 100 plg Fo = 5645.49 lbs 1/Kt = 1.3772 x 10-3 SP/S = 0.83 SP = [ (SP/S) (S) ]– [ (Fo) (1/Kt) ] SP = [ (0.83) (100) ] – [(5645.49) (1.3772 x 10-3) ] SP = 75.22 plg


PD = (0.1166) x (SP) (N) (D2)

Donde:

0.1166 Factor. SP = Carrera efectiva del émbolo (plg). N = Velocidad de bombeo (spm). D = Diámetro del émbolo.

Valores:

Factor = 0.1166 SP = 75.22 plg N = 13 rpm D = 1.752 plg2

PD = (0.1166) (SP) (N) (D2) PD = (0.1166) (75.22) (13) (1.752) PD = 349.18 BPD

III. Cálculo de los parámetros no-dimensionales. 1. Cálculo del peso de las varillas en el aire (W).

245




W = (Wr) (L)

Donde:

Wr = Peso de las varillas por pie de acuerdo a la tabla No. 3, Anexo (lbs/pie). L = Longitud total de la sarta de varillas (pies).

Valores:

Wr = 2.185 lbs/pie L = 6232 pies W = (Wr) (L) W = (2.185) (6232) W = 13617 lbs


Valores:

W = 13617lbs G = 0.870 Factor = 0.128 Wrf = W [ 1 – (0.128) (G) ] Wrf = 13617 [ 1 – (0.128) (0.870)] Wrf = 12100.61 lbs


Valores:

Wrf = 12100.61 lbs SKr = 22956.84 lbs Wrf/SKr = 12100.61/22956.84 = 0.527

NOTA: Si el valor de Wrf/SKr es mayor de 0.3 efectuar el ajuste en la tabla No. 12

(Anexo), si el valor es menos de 0.3 el ajuste se vuelve negativo. IV. Obtención de los Factores útiles en la Determinación de: PPRL = Carga máxima en la varilla pulida. MPRL = Carga mínima en la varilla pulida.

246




PT = Torsión máxima. PRHP = Potencia en la varilla pulida.

1 F1/SKr = 0.46 (de la figura 3, Anexo) 2 F2/SKr = 0.22 (de la figura 4, Anexo) 3 2T/S2Kr = 0.37 (de la figura 5, Anexo) 4 F3/SKr = 0.31 (de la figura 6, Anexo) 5 Ta = 1.00 (de la figura 7, Anexo)

V. Cálculo de las Características de Operación. 1. Carga máxima en la varilla pulida.

PPRL = Wrf + [ (F1/SKr) (SKr) ]

Valores: Wrf = 12100.61 lbs F1/SKr = 0.46 SKr = 22956.84 lbs PPRL = Wrf + [ (F1/SKr) (SKr) ] PPRL = 12100.61 + [ (0.46) (22956.84) ] PPRL = 22660.75 lbs


MPRL = Wrf – (F2/SKr) (SKr)

Valores: Wrf = 12,100.61 lbs F2/Skr = 0.22 SKr = 22956.84 lbs MPRL = Wrf – (F2/SKr) (SKr) MPRL = 12100.61-(0.22)(22956.84) MPRL = 7050.1 (lbs)


PT = (2T/S2Kr) (SKr) (S/2) (Ta)

247




Valores: 2T/S2Kr = 0.37 SKr = 22956.84 lbs S/2 = 100/2 = 50 plg Ta = 1.0 PT = (2T/S2Kr) (SKr) (S/2) (Ta) PT = (0.37) (22956.84) (50) (1.0) PT = 424701.54 lbs-plg


PRHP = (F3/SKr) (SKr) (S) (N) (2.53 x 10-6)

Valores: F3/SKr = 0.31 SKr = 22956.84 lbs S = 100 plg N = 13 rpm

Módulo de Young = 2.53 x 10-6 PRHP = (F3/SKr) (SKr) (S) (N) (2.53 x 10-6) PRHP = (0.31) (22956.84) (100) (13) (2.53 x 10-6) PRHP = 23.4 hp


CBE = (1.06) (Wrf + ½ Fo)

Valores:

Factor = 1.06 Wrf = 12100.51 lbs ½ Fo = 5645.49 ÷ 2 = 2822.74 lbs CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) CBE = 1.06 (12100.61 + 2822.74) CBE = 15818.75 lbs

248




De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos). Unidad seleccionada: C-640 D - 305-120

donde: C = Corresponde a una unidad convencional, también puede iniciar con A = que



En un pozo del campo petrolero Presidente Alemán se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1¾”Ø a la profundidad de 8500 (pies) en el interior de una tubería de producción (T.P.) 2 7/8”Ø, dando en superficie un gasto o producción de 350 BPD de un fluido con una densidad de 0.870, y donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar diseño para una U.B.M. que deberá operar con una velocidad de 13 spm, una carrera en la varilla pulida de 168” y deberá mover una sarta de varillas telescopiada compuesta por 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. Datos:

D = Diámetro del émbolo = 1 ¾”Ø dtp = Diámetro de la tubería de producción (TP) = 2 7/8”Ø H = Nivel del fluido = 8500 pies L = Profundidad de la bomba = 8500 pies N = Velocidad de bombeo = 13 spm S = Carrera de la varilla pulida = 168 plg G = Densidad relativa del fluido = 0.870 * = Sarta de varillas telescopiada = 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. Solución considerando la tubería de producción (T.P.) desanclada

249




I. Cálculo de las variables no-dimensionales. 1. Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (Fo).

Fo = (0.340) (G) (D2) (H)

Donde:


Valores:

Factor = 0.340 G = 0.870 D = 1.752 plg2 H = 8500 pies.

Fo = (0.340) (G) (D2) (H) Fo = (0.340) (0.870) (1.752) (8500) Fo = 7700.04 lbs

2. Cálculo de la Constante elástica para el total de la Sarta de Varilla (1/kr).

1/Kr = (Er) (L)

Donde:


varillas.

Valores:

Er = 0.699 x 10-6 L = 8500 pies 1/kr = (Er) (L) 1/kr = (0.699 x 10-6) (8500)

250




1/kr = 5.9415 x 10-3 plg/lbs 3. Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas una

cantidad igual a la carrera de la varilla pulida (Skr).

SKr = S/(1/Kr)


Valores:

S = 168 plg 1/Kr = 5.9415 x 10-3

SKr = S/(1/Kr) SKr = 168/5.9415 x –3 SKr = 28275.68 lbs


(Fo/SKr).

Fo/SKr

Donde:

Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área del émbolo. Skr = Carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas una cantidad


Valores:

Fo = 7700.04 lbs SKr = 28275.68 lbs Fo/SKr = 7700.04/28,275.68 = 0.272

5. Cálculo de Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de


N/No = (N) (L)/245000

251




Donde:


bomba.

Valores:

N = 13 spm L = 8500 pies Factor = 245000 N/No = (N) (L)/245,000 N/No = (13) (8500)/245,000 N/No = 0.451


de varillas cambiadas (N/No’).

N/No′ = (N/No)/Fc

Donde:


Fc = Factor de frecuencia para varillas combinadas (No. 86).

Valores:

N/No = 0.451 Fc = 1.164 N/No′ = (N/No)/Fc

N/No′ = 0.451/1.164

N/No′ = 0.387 7. Cálculo de la constante elástica para la T.P. no anclada (1/Kt).

1/Kt = (Et) (L)

252




Donde:

Et = Constante para la TP no anclada. L = Profundidad de colocación de la bomba (pies).

Valores:

Et = 0.221 x 10-6 plg/lbs-pie L = 8500 pies 1/Kt = (Et) (L) 1/Kt = (0.221 x 10-6) (8500) 1/Kt = 1.8785 x 10-3 plg/lbs

II. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (Sp) y desplazamiento teórico en el

fondo de la bomba (PD).

Sp/S = 0.970 (figura 1 (Anexo C) con los datos de (N/No′) y (Fo/SKr) 1. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (SP).

Sp = [ (Sp/S) (S) – (Fo) (1/Kt) ]

Donde:

Sp/S = Factor de la carrera del émbolo. S = Longitud de la carrera de la varilla pulida (plg). Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área del émbolo (lbs). 1/Kt = Constante elástica para la TP no anclada.

Valores:

Sp/S = 0.970

S = 168 plg Fo = 7700.04 lbs

1/Kt = 1.8785 x 10-3

Sp = [ (SP/S) (S) – (Fo) (1/Kt) ] Sp = [ (0.970) (168) – (7700.04) (1.8785 x 10-3) ] Sp = 148.49 plg

253





PD = (0.1166) x (SP) (N) (D2)

Donde:

0.1166 = Factor Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg). N = Velocidad de bombeo (spm). D = Diámetro del émbolo.

Valores:

Factor = 0.1166 Sp = 148.49 plg N = 13 D = 1.752 (plg2) PD = (0.1166) (SP) (N) (D2) PD = (0.1166) (148.49) (13) (1.752) PD = 689.3 BPD

III. Cálculo de los Parámetros no-dimensionales 1. Cálculo del peso de las varillas en el aire (W).

W = (Wr) (L)

Donde:

Wr = Peso de las varillas por pie de acuerdo a la tabla No. 3 (lbs/pie). L = Longitud total de la sarta de varillas (pies).

Valores:

Wr = 2.185 (lbs/pie) L = 8500 pies W = (Wr) (L) W = (2.185) (8500) W = 18,572.5 (lbs)

254





Wrf = W [ 1 – (0.128) (G) ]

Donde:

W = Peso total de la sarta de varillas en el aire (lbs). G = Densidad relativa del fluido. 0.128 = Factor de flotación determinado dividiendo la densidad del fluido

desplazado, que es 62.4 G lbs/pie3 entre la densidad de las varillas asumiendo que sea de 490 lbs/pie3.

Valores:

W = 18572.5 lbs G = 0.870 Factor = 0.128 Wrf = W [ 1 – (0.128) (G) ] Wrf = 18572.5 [ 1 – (0.128) (0.870) ] Wrf = 16504.26 lbs


Wrf/SKr

Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el aire (lbs). SKr =Libras necesarias para alargar el total de la sarta de varillas a un

porcentaje igual a la carrera de la varilla pulida.

Valores: Wrf = 16504.26 lbs SKf = 28275.68 lbs Wrf/Skr = 16504.26/28275.68 = 0.5836

IV. Obtención de los factores útiles en la determinación de: PPRL = Carga máxima en la varilla pulida. MPRL = Carga mínima en la varilla pulida.

255




PT = Torsión máxima. PRHP = Potencia en la varilla pulida.

1 F1/SKr = 0.65 (ver figura 3, Anexo) 2 F2/SKr = 0.31 (ver figura 4, Anexo) 3 2T/S2Kr = 0.48 (ver figura 5, Anexo) 4 F3/SKr = 0.44 (ver figura 6, Anexo) 5 Ta = 0.95 (ver figura 7, Anexo)

V. Cálculo de las características de operación

1. Carga máxima en la varilla pulida (PPRL).

PPRL = Wrf + (F1/SKr) x (SKr)

Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs). F1/SKr = Factor de carga pico en la varilla pulida. SKr = Libras necesarias para alargar el total de la sarta de varillas una

cantidad igual al de la varilla pulida (lbs). Valores:

Wrf = 16,504.26 (lbs) F1/SKr = 0.65 SKr = 28,275.68 lbs PPRL = Wrf + [ (F1/SKr) (SKr)] PPRL = 16,504.26 + [ (.65) (28,575.68) ] PPRL = 35,078.452 (lbs)


MPRL = Wrf – [ (F2/SKr) (SKr) ]

Donde:

Wrf = Peso total de la sarta de varillas en el fluido (lbs). F2/SKr = Factor de carga mínima en la varilla pulida. SKr = Libras necesarias para alargar el total de la sarta una cantidad igual al

de la varilla pulida (lbs).

256




Valores:

Wrf = 16,504.36 lbs F2/SKr = 0.31 SKr = 28.275.68 MPRL = Wrf – [ (F2/SKr) (SKr) ] MPRL = 16.504.36 – [ (0.31) (28275.68) ] MPRL = 7738.89 lbs


PT = (2T/S2Kr) (SKr) (S/2) (Ta)

Donde:

2T/S2Kr = Factor de torsión máxima. SKr = Libras necesarias para alargar el total de la sarta una cantidad igual al

de la varilla pulida (lbs). S/2 = La mitad de la carrera de la varilla pulida (plg). Ta = Factor de ajuste de torsión máxima.

Valores:

2T/S2Kr = 0.48

SKr = 28275.68 lbs S/2 = 168/2 = 84 plg Ta = 0.95

PT = (2t/S2Kr) (SKr) (S/2) (Ta) PT = (0.48) (28275.68) (84) (0.95) PT = 1083071.64 plg-lbs


PRHP = (F2/SKr) (SKr) (S) (N) (2.53 x 10-6) Donde:

F2/SKr = Factor de potencia en la varilla pulida. SKr = Libras necesarias para alargar la sarta de varillas una cantidad

igual a la carrera de la varilla pulida (lbs). S = Longitud de la varilla pulida (plg).

257




N = Velocidad de bombeo (spm). 2.53 x 10-6 = Módulo de elasticidad para el acero (módulo de Young “E”)

Valores:

F3/SKr = 0.44 SKr = 28275.68 plg S = 168 plg N = 13 spm Módulo de Young = 2.53 x 10-6

PRHP = (F3/SKr) (SKr) (S) (N) (2.53 x 10-6) PRHP = (0.44) (28,275.68) (168) (13) (2.53 x 10-6) PRHP = 68.74 HP


CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo)

Donde:

1.06 = Factor Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs). Fo = Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo (lbs).

Valores:

Factor = 1.06

Wrf = 16,504.26 Fo = 7700.04/2 = 3850.02

CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) CBE = 1.06 (16504.26 + 3850.02) CBE = 21575.53 lbs

De acuerdo a los resultados de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida, se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin (en anexos).

258




Unidad seleccionada:

C-1280 D-365-192

Donde: M = Corresponde a una unidad Mark II, también puede iniciar con A = que

significa unidad balanceada por aire, B = balanceada por balancín o C = Convencional.

1280 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras D = Reductor de engranes con doble reducción.

427 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 192 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas.

259



EVALUACIÓN

EVALUACIÓN

I.- Resuelva el siguiente problema:

En un pozo del Campo P. Alemán se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¼ “Ø en el interior de una tubería de producción (T.P.) de 2 ½” Ø a la profundidad de 8500 pies, la producción o gasto en superficie es de 150 (B.P.D.) de un fluido con una densidad relativa de 0.850, se considera el nivel dinámico en la tubería de revestimiento (T.R.) a la profundidad da colocación de la bomba. Efectuar los cálculos con los métodos Craff-Holden y A.P.I. para una unidad de bombeo que deberá operar con una carrera en la varilla pulida de 144”, a una velocidad de bombeo de 8 emboladas por minuto y deberá de mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 1”, 7/8” y ¾” de diámetro. • Efectuar los cálculos con los métodos Craff-Holden y A.P.I. considerando la T.P.

anclada y desanclada

261



ANEXOS

ANEXOS



ANEXOS

a) NOMENCLATURA PARA DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBEO

MECÁNICO

A - Área situada entre la parte inferior de

la curva cerrada y la l ínea de carga cero, en la carta dinamométrica

Plg2

Am - Amperaje que maneja el motor amper AN - Área neta del émbolo Plg2 AP - Área de la sección transversal del

émbolo Plg2

Ar - Área de la sección transversal de la vari l la

Plg2

A top - Área de la vari l la superior Plg2 Au - Área comprendida dentro de la curva

cerrada en la carta dinamométrica Plg2

B - Factor de aumento para la distribución de fuerzas

Adim.

Bg - Factor de volumen del gas M3 g (a) CV. M3 g (a) CS.

Bo - Factor de volumen del aceite M3 o (a) CV. m3 o (a) CS.

C - Contrabalanceo total lbs CBE - Contrapeso requerido lbs CDT - Carga dinámica total Pie Cs - Contrabalanceo estructural Lbs Cw - Efecto de contrabalanceo estructural

debido a un contrapeso lbs

D - Profundidad del nivel dinámico pie d - Distancia de la flecha del reductor de

engranes al centro de gravedad del contrapeso

plg

de - Diámetro de la polea del motor plg dp - Diámetro del émbolo plg dt - Diámetro de la tubería plg du - Diámetro de la polea de la unidad plg E - Módulo de elasticidad para el acero lbs/plg2

Eb - Eficiencia de la bomba % Eb máx. - Eficiencia máxima de la instalación de

bombeo %

265



ANEXOS

Eb mín. - Eficiencia mínima de la instalación de bombeo

%

Eb tot - Eficiencia total de la instalación de la instalación de bombeo

%

ed - Elongación de la sarta al f inal de la carrera descendente

plg

ep - Sobrecarrera del émbolo plg Er - Constante elástica de la vari l la Plg/lbs/pie er - Elongación de la vari l la pulida plg Et - Constante elástica de la tubería Plg/lbs/pie et - Elongación de la tubería Plg eu - Elongación de la sarta al inicio de la

carrera descendente Plg

Ev - Eficiencia volumétrica de la bomba % F - Carga por fricción de la vari l la lbs Fc - Factor de frecuencia Adim. Ff - Fuerza de flotación lbs

F fric - Fuerza de fricción lbs Fo - Carga diferencial del f luido sobre el

área total del émbolo lbs

Fp - Fuerza en la biela lbs FS - Factor de servicio Adim. F1 - Factor de la carga máxima Adim. F2 - Factor de la carga mínima Adim. F1 - Factor de la potencia en la vari l la

pulida Adim

Gm - Gradiente de presión de la mezcla lbs/plg2/pie H - Capacidad de carga Pie/etapa ha - Elevación neta pie Hb - Potencia de arranque necesaria para el

motor primario hp

Hf - Potencia por fricción hp Hh - Potencia hidráulica hp hl - Distancia de la l ínea de carga cero al

punto que representa la carga máxima en la carta dinamométrica

pg

Hp - Potencia de la vari l la pulida hp Hpf - Potencia al freno de la bomba hp hu - Distancia de la l ínea de carga cero al

punto que representa la carga mínima en la carta dinamométrica

plg

IP - Índice de productividad BPD/lb/plg2

266



ANEXOS

Js - Constante de resorteo o muelleo para la sarta de vari l las

Adim.

j - Longitud de la manivela plg K - Constante de bombeo BPD/plg/spm L - Longitud de cada sección de la sarta

de vari l la pie

Li - Longitud de la curva cerrada en la carta dinamométrica

pie

Ll - Longitud de la curva cerrada en la carta dinamométrica

plg

LN - Nivel neto del f luido pie LT - Profundidad total del pozo pie L1 - Distancia del punto de apoyo al

extremo del cojinete plg

L2 - Distancia del punto de apoyo a la brida plg M - Masa de la mezcla lbm/bl o M - Pendiente de la curva Sa (M=0.5625) Adim.

Mg - Masa de gas lbs g/bl o mi - Peso unitario de cada sección de la

sarta de vari l las lbs/pie

Mo - Masa de aceite lbs o/lbs o mr - Peso unitario promedio de la sarta de

vari l las lbs/pie

Mw - Masa de agua lbs w/bl o N - Velocidad de bombeo spm

ND - Nivel dinámico pie NE - Nivel estático pie Ne - Velocidad de bombeo del motor

primario

spm No - Frecuencia natural de la sarta de

vari l las de un solo diámetro spm

No’ - Frecuencia natural de la sarta de vari l las combinada

spm

N/No - Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de vari l las de un solo diámetro

Adim.

NTE - Número total de etapas requeridas Adim. Nu - Velocidad de bombeo de la unidad rpm o - Punto que representa la f lecha del

reductor de engranes

OC - Distancia de la l ínea C (efecto de contrabalanceo) a la l ínea de carga cero, leída en la carta dinamométrica

plg

267



ANEXOS

OE - Distancia de la l ínea de carga cero hasta el punto del ángulo 0 en la carrera ascendente, leída en la carta dinamométrica

plg

OF - Distancia de la l ínea de carga cero hasta el punto del ángulo 0 en la carrera descendente, leída en la carta dinamométrica

plg

P - Punto que representa el cojinete del punto de apoyo en la unidad de bombeo mecánico

Pb - Presión de burbujeo lbs/plg2 PD - Desplazamiento teórico de la bomba BPD

Fdesc - Presión de descarga de la bomba lbs/pg2 PGI - Porcentaje de gas que pasa a través de

la bomba %

PIMP - Profundidad del intervalo medio perforado

pie

PIP - Presión de succión de la bomba lbs/plg2 Psuc - Presión de succión de la bomba lbs/plg2

Pt - Efecto de presión en la tubería de producción

lbs/plg2

Pw - Presión de bombeo en el fondo lbs/plg2 Pwf - Presión de fondo fluyendo lbs/plg2, pie Pwh - Presión en la cabeza del pozo lbs/plg2, pie Py - Presión de yacimiento lbs/plg2 q - Gasto de producción BPD

qd - Gasto deseado BPD qo - Gasto de aceite BPD

Qo máx. - Gasto de aceite máximo BPD r - Distancia a lo largo de la manivela

desde el cigüeñal hasta el cojinete de la biela

plg

RGA - Relación gas aceite Pie3/bl Ri - Porcentaje fraccional de cada sección

de vari l la %

Rs - Relación de solubil idad Pie3 g/bl o Rsc - Relación de solubil idad corregido Pie 3 g/bl o S - Carrera de la vari l la pulida Pg Sa - Tensión máxima permisible lbs/plg2 Sm - Fuerza de tensión mínima lbs/plg2

S máx. - Tensión máxima de la vari l la lbs/plg2 S mín. - Tensión mínima de la vari l la lbs/plg2

268



ANEXOS

Sp - Carrera efectiva del émbolo Plg Skr - Libras de carga necesarias para alargar

el total de la sarta de vari l las una cantidad igual a la carrera de la vari l la pulida

Edim.

SUM - Sumergencia de la bomba pie T - Tensión intantánea en el reductor de

engranes lbs

Ta - Factor de ajuste de tensión para valores de Wrf/Skr diferentes de 0.3

TF1 - Factor de torque máximo en la carrera ascendente

TF2 - Factor de torque máximo en la carrera descendente

TF máx. - Factor de torque máximo para la unidad convencional y Mark II

Tp - Torque máximo lbs-plg Ty - Temperatura del yacimiento °F vb - Velocidad de la banda Plg/min. vc - Volumen de columna de fluido Pie3 vd - Volumen de fluido desplazado por la

sarta Pie3

Vf - Volumen de fluido obtenido al restar al volumen de la columna de fluido el volumen ocupado por las vari l las

Pie3

Vs - Voltaje superficial requerido volts Vu - Volumen unitario de la mezcla lbs W - Peso instantáneo de la sarta de vari l las lbs Wc - Peso del contrapeso lbs Wd - Carga diferencial del f luido neto lbs Wf - Peso del f luido calculado lbs

Wfm - Peso del f luido medido lbs Wmáx. - Carga máxima en la sarta de vari l las lbs Wmin. - Carga mínima en la sarta de vari l las lbs

SN - Carga neta de la vari l la pulida lbs Wrf - Peso total de las vari l las en el f luido lbs

Wrfm - Peso de las vari l las más el f luido medido

lbs

Wrm - Peso de las vari l las medido lbs x - Distancia del centro de gravedad al f i lo

exterior del contrapeso plg

Y - Constante del dinamómetro lbs/plg

269



ANEXOS

y - Distancia del f i lo exterior del contrapeso al f inal de la manivela

plg

Z - Relación de engranajes z - Factor de desviación del gas Adim. α - Factor de aceleración β - Ángulo entre el balancín y la horizontal

Ap Área de la sección transversal del émbolo

Plg2

∆P - Diferencial de presión o incremento de presión

lbs/plg2

∆Pf - Caída de presión por fricción a lo largo de la tubería de producción

pie

∆Pfd - Caída de presión por fricción a lo largo de la l ínea de descarga

Pie/1000 pie

ρm - Densidad de la mezcla Lbm/pie3 π - Densidad relativa del f luido Adim. πm - Densidad relativa promedio del f luido

manejado Adim.

πw - Densidad relativa del agua Adim. φ - Angulo fase entre las vibraciones

naturales y forzadas de la sarta de vari l las

θ - Ángulo entre la manivela y la vertical ρr - Densidad del acero (490 lb/pie) Γ - Factor de amortiguamiento T1 - Periodo de vibraciones naturales T2 - Periodo de vibraciones forzadas

1/kr - Constante elástica para el total de la sarta de vari l las

Plg/lbs

1/kt - Constante elástica para la TP no anclada

Plg/lbs

270



ANEXOS

b) TABLAS PARA DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBEO MECÁNICO

TABLA No. 1

DATOS DEL ÉMBOLO

DIÁMETRO

Plg Dp

ÁREA Plg2

Ap

CONSTANTE DE LA BOMBA BPD/plg/spm

K 1 0.785 0.116

1 1/16 0.886 0.131 1 ¼ 1.227 0.182

1 ½ 1.767 0.262 1 ¾ 2.405 0.357

1 25/32 2.408 0.369 2 3.142 0.466

2 ¼ 3.976 0.590 2 ½ 4.909 0.728

2 ¾ 5.940 0.881 3 ¾ 11.045 1.639 4 ¾ 17.721 2.630

271



ANEXOS

TABLA No. 2

DIÁMETROS DE ÉMBOLO RECOMENDADOS PAR CONDICIONES ÓPTIMAS. NIVEL DE FLUIDO

NETO pie

GASTO – BPD – Ev = 80 X

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2000 1 ½ 1 ¾ 2 2 ¼ 2 ½ 2 ¾ 2 ¾ 2 ¾ 2 ¾ 2 ¾ 1 ¼ 1 ½ 1 ¾ 2 2 ¼ 2 ½ 3000 1 ½ 1 ¾ 2 2 ¼ 2 ½ 2 ½ 2 ¾ 2 ¾ 2 ¾ 2 ¾ 1 ¼ 1 ½ 1 ¾ 2 2 ¼ 2 ¼ 2 ½ 4000 1 ¼ 1 ¾ 2 2 ¼ 2 ¼ 2 ¼ 2 ¼ 2 ¼ 1 ½ 1 ¾ 2 2 5000 1 ¼ 1 ¾ 2 2 ¾ 2 ¼ 2 ¼ 1 ½ 1 ¾ 1 ¾ 2 6000 1 ¼ 1 ½ 1 ¾ 1 ¾ 1 ¼ 1 ½ 7000 1 ¼ 1 ½ 1 1/8 1 ¼ 8000 1 ¼ 1 1/8 Esta tabla, se considera únicamente para carreras de varilla mayores de 74 plg.

272



ANEXOS

TABLA No. 3

DATOS DE LA BOMBA Y LAS VARILLAS

SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO No. DE VARILLA

DIA. DEL ÉMBOLO

Pg dp

PESO DE LAS VAR.

Lb-pie mr

CONSTANTE

ELÁSTICA Pg/Lb pie X 10-6,Er

FACTOR DE FRECUENCI

A Fc

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

44 Todos 0.726 1.990 1.000 - - - - - 100.0 54 1.06 0.906 1.668 1.138 - - - - 44.6 55.4 54 1.25 0.929 1.633 1.140 - - - - 49.5 50.5 54 1.50 0.957 1.584 1.137 - - - - 56.4 43.6 54 1.75 0.990 1.525 1.122 - - - - 64.6 35.4 54 2.00 1.027 1.460 1.095 - - - - 73.7 26.3 54 2.25 1.067 1.391 1.061 - - - - 83.4 16.6 54 2.50 1.108 1.318 1.023 - - - - 93.5 6.5 55 Todos 1.135 1.270 1.000 - - - - 100.0 - - - - 64 1.06 1.164 1.382 1.229 - - - 33.3 33.1 33.5 64 1.25 1.211 1.319 1.215 - - - 37.2 35.9 26.9 64 1.50 1.275 1.232 1.184 - - - 42.3 40.4 17.3 64 1.75 1.341 1.141 1.145 - - - 47.4 45.3 7.4 65 1.06 1.307 1.138 1.098 - - - 34.4 65.6 - 65 1.25 1.321 1.127 1.104 - - - 37.3 62.7 - 65 1.50 1.343 1.110 1.110 - - - 41.8 58.2 - 65 1.75 1.369 1.090 1.114 - - - 46.9 53.1 - 65 2.00 1.394 1.070 1.114 - - - 52.0 48.0 - 65 2.25 1.426 1.045 1.110 - - - 58.4 41.6 - 65 2.50 1.460 1.018 1.099 - - - 65.2 34.8 - 65 2.75 1.497 0.990 1.082 - - - 72.5 27.5 - 65 3.25 1.574 0.930 1.037 - - - 88.1 11.9 - 66 Todos 1.634 0.883 1.000 - - - 100.0 - - 75 1.06 1.566 0.997 1.191 - - 27.0 27.4 45.6 - 75 1.25 1.604 0.973 1.193 - - 29.4 29.8 40.8 - 75 1.50 1.664 0.935 1.189 - - 33.3 33.3 33.3 - 75 1.75 1.732 0.892 1.174 - - 37.8 37.0 25.1 - 75 2.00 1.803 0.847 1.151 - - 42.4 41.3 16.3 - 75 2.25 1.875 0.801 1.121 - - 46.9 45.8 7.2 -

273



ANEXOS

274



Continuación de Tabla 3 SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO No. DE

VARILLA DIA. DEL ÉMBOLO

Pg dp

PESO DE LAS VAR.

Lb-pie mr

CONSTANTE


FACTOR DE FRECUENCI

A Fc

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

76 1.06 1.820 0.816 1.072 - - 28.5 71.5 - - 76 1.25 1.814 0.812 1.077 - - 30.6 69.4 - - 76 1.50 1.733 0.804 1.082 - - 33.8 66.2 - - 76 1.75 1.855 0.795 1.088 - - 37.5 62.5 - - 76 2.00 1.880 0.785 1.093 - - 41.7 58.3 - - 76 2.25 1.908 0.774 1.096 - - 46.5 53.5 - - 76 2.50 1.934 0.764 1.097 - - 50.8 49.2 - - 76 2.75 1.967 0.751 1.094 - - 56.5 43.5 - - 76 3.25 2.039 0.722 1.078 - - 68.7 31.3 - - 76 3.75 2.119 0.690 1.047 - - 82.3 17.7 - - 77 Todos 2.224 1.000 1.000 - - 100.0 - - - 85 1.06 1.883 0.873 1.261 - 22.2 22.4 22.4 33.0 - 85 1.25 1.943 0.841 1.253 - 23.9 24.2 24.3 27.6 - 85 1.50 2.039 0.791 1.232 - 26.7 27.4 26.8 19.2 - 85 1.75 2.138 0.738 1.201 - 29.6 30.4 29.5 10.5 - 86 1.06 2.058 0.742 1.151 - 22.6 23.0 54.3 - - 86 1.25 2.087 0.732 1.156 - 24.3 24.5 51.2 - - 86 1.50 2.133 0.717 1.162 - 26.8 27.0 46.3 - - 86 1.75 2.185 0.699 1.164 - 29.4 30.0 40.6 - - 86 2.00 2.247 0.679 1.161 - 32.8 33.2 33.9 - - 86 2.25 2.315 0.656 1.153 - 36.9 36.0 27.1 - - 86 2.50 2.385 0.633 1.138 - 40.6 39.7 19.7 - - 86 2.75 2.455 0.610 1.119 - 44.5 43.3 12.2 - - 87 1.06 2.390 0.612 1.055 - 24.3 75.7 - - - 87 1.25 2.399 0.610 1.958 - 25.7 74.3 - - - 87 1.50 2.413 0.607 1.062 - 27.7 72.3 - - - 87 1.75 2.430 0.603 1.066 - 30.3 69.7 - - - 87 2.00 2.450 0.598 1.071 - 33.2 66.8 - - - 87 2.25 2.472 0.594 1.075 - 36.4 63.6 - - - 87 2.50 2.496 0.588 1.079 - 39.9 60.1 - - - 87 2.75 2.523 0.582 1.082 - 43.9 56.1 - - - 87 3.25 2.575 0.570 1.084 - 51.6 48.4 - - - 87 3.75 2.641 0.556 1.078 - 61.2 38.8 - - - 87 4.75 2.793 0.522 1.038 - 83.6 16.4 - - -

ANEXOS

Continuación de Tabla 3 SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO No. DE

VARILLA DIA. DEL ÉMBOLO

Pg dp

PESO DE LAS VAR.

Lb-pie mr

CONSTANTE


FACTOR DE FRECUENCI

A Fc

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

88 Todos 2.904 0.497 1.000 - 100.0 - - - - 96 1.06 2.382 0.670 1.222 19.1 19.2 19.5 42.3 - - 96 1.25 2.435 0.655 1.224 20.5 20.5 20.7 38.3 - - 96 1.50 2.511 0.633 1.223 22.4 22.5 22.8 32.3 - - 96 1.75 2.607 0.606 1.213 24.8 25.1 25.1 25.1 - - 96 2.00 2.703 0.578 1.196 27.1 27.9 27.4 17.6 - - 96 2.25 2.806 0.549 1.172 29.6 30.7 29.8 9.8 - - 97 1.06 2.645 0.568 1.120 19.4 20.0 60.3 - - - 97 1.25 2.670 0.563 1.124 20.8 21.2 58.0 - - - 97 1.50 2.707 0.556 1.131 22.5 23.0 54.5 - - - 97 1.75 2.751 0.548 1.137 24.5 25.0 50.4 - - - 97 2.00 2.801 0.538 1.141 26.8 27.4 25.7 - - - 97 2.25 2.856 0.528 1.143 29.4 30.2 40.4 - - - 97 2.50 2.921 0.515 1.141 32.5 33.1 34.4 - - - 97 2.75 2.989 0.503 1.135 36.1 35.3 28.6 - - - 97 3.25 3.132 0.475 1.111 42.9 41.9 15.2 - - - 98 1.06 3.068 0.475 1.043 21.2 78.8 - - - - 98 1.25 3.076 0.474 1.045 22.2 77.8 - - - - 98 1.50 3.089 0.472 1.048 23.8 76.2 - - - - 98 1.75 3.103 0.470 1.051 25.7 74.3 - - - - 98 2.00 3.118 0.468 1.055 27.7 72.3 - - - - 98 2.25 3.137 0.465 1.058 30.1 69.9 - - - - 98 2.50 3.157 0.463 1.062 32.7 67.3 - - - - 98 2.75 3.180 0.460 1.066 35.6 64.4 - - - - 98 3.25 3.231 0.453 1.071 42.2 57.8 - - - - 98 3.75 3.289 0.445 1.074 49.7 50.3 - - - - 98 4.75 3.412 0.428 1.064 65.7 34.3 - - - - 99 Todos 3.676 9.393 1.000 100.0 - - - - - 107 1.06 2.977 0.524 1.184 16.9 16.8 17.1 49.1 - - 107 1.25 3.019 0.517 1.890 17.9 17.8 18.0 46.3 - - 107 1.50 3.085 0.506 1.195 19.4 19.2 19.5 41.9 - -

275



ANEXOS

Continuación de Tabla 3

SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO No. DE VARILLA

DIA. DEL ÉMBOLO

Pg dp

PESO DE LAS VAR.

Lb-pie mr

CONSTANTE


FACTOR DE FRECUENCI

A Fc

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

107 1.75 3.158 0.494 1.197 21.0 21.0 21.2 36.9 - - 107 2.00 3.238 0.480 1.195 22.7 22.8 23.1 31.4 - - 107 2.25 3.336 0.464 1.187 25.0 25.0 25.0 25.0 - - 107 2.50 3.435 0.447 1.174 26.9 27.7 27.1 18.2 - - 107 2.75 3.537 0.430 1.156 29.1 30.2 29.3 11.3 - - 108 1.06 3.325 0.447 1.097 17.3 17.8 64.9 - - - 108 1.25 3.345 0.445 1.101 18.1 18.6 63.2 - - - 108 1.50 3.376 0.441 1.106 19.4 19.9 60.7 - - - 108 1.75 3.411 0.437 1.111 20.9 21.4 57.7 - - - 108 2.00 3.452 0.432 1.117 22.6 23.0 54.3 - - - 108 2.25 3.498 0.427 1.121 24.5 25.0 50.5 - - - 108 2.50 3.548 0.421 1.124 26.5 27.2 46.3 - - - 108 2.75 3.603 0.415 1.126 28.7 29.6 41.6 - - - 108 3.25 3.731 0.400 1.123 34.6 33.9 31.6 - - - 108 3.75 3.873 0.383 1.108 40.6 39.5 19.9 - - - 109 1.06 3.839 0.378 1.035 18.9 81.1 - - - - 109 1.25 3.845 0.378 1.036 19.6 80.4 - - - - 109 1.50 3.855 0.377 1.038 20.7 79.3 - - - - 109 1.75 3.867 0.376 1.040 22.1 77.9 - - - - 109 2.00 3.880 0.375 1.043 23.7 76.3 - - - - 109 2.25 3.896 0.374 1.046 25.4 74.6 - - - - 109 2.50 3.911 0.372 1.048 27.2 72.8 - - - - 109 2.75 3.930 0.371 1.051 29.4 70.6 - - - - 109 3.25 3.971 0.367 1.057 34.2 65.8 - - - - 109 3.75 4.020 0.363 1.063 39.9 60.1 - - - - 109 4.75 4.120 0.354 1.066 51.5 48.5 - - - -

276



ANEXOS

TABLA No. 4

DATOS PARA DISEÑAR UN APAREJO DE VARILLAS TELESCOPIADAS.

DIA. DE LA SARTA, pg

VALORES DE R

5/8 – 3/4 R1 = 0.759 - 0.0896 Ap R2 = 0.241 + 0.0896 Ap ¾ - 7/8 R1 = 0.786 - 0.0566 Ap R2 = 0.214 + 0.0566 Ap 7/8 - 1 R1 = 0.814 - 0.375 Ap R2 = 0.186 + 0.375 Ap 5/8 – ¾ - 7/8 R1 = 0.627 - 0.1393 Ap R2 = 0.199 + 0.0737 Ap R3 = 0.175 + 0.0655 Ap ¾ - 7/8 - 1 R1 = 0.664 - 0.0894 Ap R2 = 0.181 + 0.0478 Ap R3 = 0.155 + 0.0416 Ap ¾ - 7/8 – 1 – 1 1/8 R1 = 0.582 - 0.1110 Ap R2 = 0.158 + 0.0421 Ap R3 = 0.137 + 0.0364 Ap R4 = 0.123 + 0.0325 Ap

277



ANEXOS

TABLA No. 5

DATOS DE LA VARILLA DE SUCCIÓN.

DIÁMETRO plg

ÁREA Plg2

PESO lbs/pie

½ 0.196 0.72 5/8 0.307 1.16 ¾ 0.442 1.63 7/8 0.601 2.16 1 0.785 2.88

1 1/8 0.994 3.64

278



ANEXOS

TABLA No. 6

FACTOR DE ACELERACIÓN

Longitud de carrera de la varilla pulida (plg) spm 16 24 30 36 42 48 54 64 74 86 100 120 144 168 192 216 240

1 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.001 1.001 1.001 1.001 1.002 1.002 1.002 1.003 1.003 1.003 2 1.001 1.001 1.002 1.002 1.002 1.003 1.003 1.004 1.004 1.005 1.006 1.007 1.008 1.010 1.011 1.012 1.014 3 1.002 1.003 1.004 1.005 1.005 1.006 1.007 1.008 1.009 1.011 1.013 1.015 1.018 1.021 1.025 1.028 1.031 4 1.004 1.005 1.007 1.008 1.010 1.011 1.012 1.015 1.017 1.020 1.023 1.027 1.033 1.038 1.044 1.049 1.054 5 1.006 1.009 1.011 1.013 1.015 1.017 1.019 1.023 1.026 1.031 1.035 1.043 1.051 1.060 1.068 1.077 1.085 6 1.008 1.012 1.015 1.018 1.021 1.025 1.028 1.033 1.038 1.044 1.051 1.061 1.074 1.086 1.098 1.110 1.128 7 1.011 1.017 1.021 1.025 1.029 1.033 1.038 1.044 1.051 1.060 1.070 1.083 1.100 1.117 1.133 1.150 1.167 8 1.015 1.022 1.027 1.033 1.038 1.044 1.049 1.058 1.067 1.078 1.091 1.109 1.131 1.153 1.174 1.196 1.218 9 1.018 1.028 1.035 1.041 1.948 1.055 1.062 1.074 1.085 1.099 1.115 1.138 1.165 1.193 1.21 1.248 1.276 10 1.023 1.034 1.043 1.051 1.060 1.068 1.077 1.091 1.105 1.122 1.142 1.170 1.204 1.238 1.272 1.306 1.340 11 1.028 1.041 1.052 1.062 1.072 1.082 1.093 1.110 1.127 1.148 1.172 1.206 1.247 1.288 1.329 1.371 1.412 12 1.033 1.049 1.061 1.074 1.086 1.098 1.110 1.131 1.151 1.176 1.204 1.245 1.294 1.343 1.392 1.441 13 1.038 1.058 1.072 1.086 1.101 1.115 1.129 1.153 1.177 1.206 1.240 1.288 1.345 1.403 1.460 14 1.045 1.067 1.083 1.100 1.117 1.134 1.151 1.179 1.207 1.239 1.278 1.335 1.402 1.469 1.533 15 1.051 1.077 1.096 1.115 1.134 1.154 1.173 1.205 1.237 1.275 1.319 1.385 1.462 16 1.048 1.087 1.109 1.131 1.153 1.174 1.196 1.233 1.269 1.312 1.363 1.436 1.523 17 1.066 1.098 1.123 1.148 1.172 1.197 1.221 1.262 1.303 1.353 1.410 1.492 18 1.074 1.110 1.138 1.165 1.193 1.221 1.248 1.294 1.340 1.395 1.460 1.552 19 1.082 1.123 1.154 1.184 1.215 1.246 1.277 1.328 1.379 1.440 1.512 20 1.091 1.136 1.170 1.204 1.239 1.272 1.306 1.363 1.420 1.488 1.567 21 1.100 1.150 1.188 1.225 1.263 1.300 1.338 1.400 1.463 1.538 1.625 22 1.110 1.165 1.206 1.247 1.288 1.330 1.371 1.440 1.508 1.590 23 1.120 1.180 1.225 1.270 1.315 1.360 1.405 1.480 1.555 1.645 24 1.131 1.196 1.245 1.294 1.343 1.392 1.441 1.523 1.605 1.703

TABLA No. 7 DATOS DE LA TUBERÍA

DIA.

EXTERIOR plg

DIA. INTERIOR

plg

PESO lbs/pie

ÁREA At

Plg2

CONSTANTE ELÁSTICA

Plg/lbs pie X 10-6 , Et

1.900 1.610 2.90 0.800 0.500 2 3/8 1.995 4.70 1.304 0.307 2 7/8 2.441 6.50 1.812 0.221 3 ½ 2.992 9.30 2.590 0.154

4 3.476 11.00 3.077 0.130 4 1/2 3.958 12.75 3.601 0.111

279



ANEXOS

TABLA No. 8

FACTORES APROXIMADOS DE TORQUE MÁXIMO UNIDAD CONVENCIONAL

CARRERA DE LA VARILLA

plg FACTOR DE TORQUE

(TF máx.) 16 8.5 24 13.0 30 16.0 36 19.0 42 22.0 48 26.0 54 29.0 64 34.0 74 39.0 86 45.0 100 52.0 120 63.0 144 75.0 168 87.0

TABLA No. 9 FACTORES APROXIMADOS DE TORQUE MÁXIMO

UNIDAD MARK II

CARRERA DE LA VARILLA

plg

TF1

TF2

64 29 37 74 34 43 86 39 51 100 47 57 120 55 71 144 66 88 168 79 102

280



ANEXOS

TABLA No. 10 DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 40 CON 34 plg DE CARRERA

PROF.

BOMBA pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 1000-1100 2 ¾ 3 7/8 24 – 19 1100-1250 2 ½ 3 7/8 24 – 19 1250-1650 2 ¼ 2 ½ ¾ 24 – 19 1650-1900 2 2 ½ ¾ 24 – 19

1900-2150 1 ¾ 2 ½ ¾ 24 – 19 2150-3000 1 ½ 2 5/8 – ¾ 24 – 19 3000-3700 1 ¼ 2 5/8 – ¾ 22 – 18 3700-4000 1 2 5/8 – 3/4 21 - 18


PROF.

BOMBA pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 1150-1300 2 ¾ 3 7/8 24 – 19 1300-1450 2 ½ 3 7/8 24 – 19 1450-1850 2 ¼ 2 ½ ¾ 24 – 19 1850-2200 2 2 ½ ¾ 24 – 19

2200-2500 1 ¾ 2 ½ ¾ 24 – 19 2500-3400 1 ½ 2 5/8 – ¾ 23 – 18 3400-4200 1 ¼ 2 5/8 – ¾ 22 – 17 4200-5000 1 2 5/8 – 3/4 21 - 17

281



ANEXOS

TABLA No. 12

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 80 CON 48 plg DE CARRERA

PROF. BOMBA

pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 1400-1550 2 ¾ 3 7/8 24 – 19 1550-1700 2 ½ 3 7/8 24 – 19 1700-2200 2 ¼ 2 ½ ¾ 24 – 19 2200-2600 2 2 ½ ¾ 24 – 19

2600-3000 1 ¾ 2 ½ ¾ 23 – 18 3000-4100 1 ½ 2 5/8 – ¾ 23 – 18 4100-5000 1 ¼ 2 5/8 – ¾ 21 – 17 5000-6000 1 2 5/8 – 3/4 19 - 17


PROF.

BOMBA pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 1700-1900 2 ¾ 3 7/8 24 – 19 1900-2100 2 ½ 3 7/8 24 – 19 2100-2700 2 ¼ 2 ½ ¾ 24 – 19 2700-3300 2 2 ½ ¾ 23 – 18

3300-3900 1 ¾ 2 ½ ¾ 22 – 17 3900-5100 1 ½ 2 5/8 – ¾ 21 – 17 5100-6300 1 ¼ 2 5/8 – ¾ 19 – 16 6300-7000 1 2 5/8 – 3/4 17 - 16

282



ANEXOS

TABLA No. 14


PROF. BOMBA

pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 2000-2200 2 ¾ 3 7/8 24 – 19 2200-2400 2 ½ 3 7/8 23 – 19 2400-3000 2 ¼ 2 ½ ¾ - 7/8 23 – 19 3000-3600 2 2 ½ ¾ - 7/8 23 – 18

3600-4200 1 ¾ 2 ½ ¾ - 7/8 22 – 17 4200-5400 1 ½ 2 5/8 – ¾ - 7/8 21 – 17 5400-6700 1 ¼ 2 5/8 – ¾ - 7/8 19 – 15 6700-7750 1 2 5/8 – ¾ - 7/8 17 - 15


PROF.

BOMBA pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 2400-2600 2 ¾ 3 7/8 24 – 20 2600-3000 2 ½ 3 7/8 23 – 18 3000-3700 2 ¼ 2 ½ ¾ - 7/8 22 – 17 3700-4500 2 2 ½ ¾ - 7/8 21 – 16

4500-5200 1 ¾ 2 ½ ¾ - 7/8 19 – 15 5200-6800 1 ½ 2 5/8 – ¾ - 7/8 18 – 14 6800-8000 1 ¼ 2 5/8 – ¾ - 7/8 16 – 13 8000-8500 1 2 5/8 – ¾ - 7/8 14 - 13

283



ANEXOS

TABLA No. 16


PROF. BOMBA

pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 2800-3200 2 ¾ 3 7/8 23 – 18 3200-3600 2 ½ 3 7/8 21 – 17 3600-4100 2 ¼ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 21 – 17 4100-4800 2 2 ½ ¾ - 7/8 - 1 20 – 16

4800-5600 1 ¾ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 19 – 16 5600-6700 1 ½ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 18 – 15 6700-8000 1 ¼ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 17 – 13 8000-9500 1 1/16 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 14 - 11


PROF.

BOMBA pie

DIA. DEL ÉMBOLO

plg

DIA. DE LA TUB.

plg

DIA. DE LAS VAR.

plg

VELOCIDAD DE BOMBEO

spm 3200-3500 2 ¾ 3 7/8 – 1 18 – 14 3500-4000 2 ½ 3 7/8 - 1 17 – 13 4000-4700 2 ¼ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 16 – 13 4700-5700 2 2 ½ ¾ - 7/8 - 1 15 – 12

5700-6600 1 ¾ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 14 – 12 6600-8000 1 ½ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 14 – 11 8000-9600 1 ¼ 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 13 – 10 9600-11000 1 1/16 2 ½ ¾ - 7/8 – 1 12 - 10

284



ANEXOS

TABLA No. 18

LÍMITES DE DUREZA RECOMENDADOS PARA LA SARTA DE VARILLAS TIPO DE VAR.

GRADO DE ACERO AISI-SAE

LÍMITE DE DUREZA EN FLUIDOS CORROSIVOS, lbs/plg2

LÍMITE DE DUREZA EN FLUIDOS NO CORROSIVOS PARA DIFERENTES RANGOS DE TENSION lbs/plg2

CON H2S SIN H2S < 60% > 60% < 30% ACERO AL CARBÓN

C1033 30 000

C1035 30 000 C1036 30 000 C1038 30 000 C1039 30 000 C1010 30 000 C1012 30 000 C1013 30 000 TODO ACERO

Nn 1335 30 000 40 000

Ni-Cr 3310 40 000 Ni-Cr (Nayari) 22 000 30 000 30 000 40 000 Ni-No 4620 22 000 30 000 30 000 40 000 Ni-No 4621 22 000 30 000 30 000 40 000 Ni-No 4800 series 22 000

285



ANEXOS

TABLA No. 19

FACTORES DE SERVICIO

Servicio API C API D No corrosivo 1.00 1.00 Agua salada 0.65 0.90 Ácido sulfhídrico 0.50 0.70

TABLA No. 20 MOTORES ELÉCTRICOS ECONO-PAC II

TAMAÑO TIPO CAPACIDAD MODELO (U.B.M.)

1 5-A 10 HP 114 2 11-A 21 HP 160 3 25-A 50 HP 456 4 35-A 70 HP 456-640 5 45-A 86 HP 640

286



ANEXOS

c) GRÁFICAS PARA DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBEO MECÁNICO

´

Fig.1

287



ANEXOS

Fig.2

288



ANEXOS

Fig.3

289



ANEXOS

´

Fig.4

290



ANEXOS

´ ´

Fig.5

291



ANEXOS

Fig.6

292



ANEXOS

Fig.7

293



ANEXOS

Fig.8

294



d) CATÁLOGO LUFKIN EXPLICACIÓN DE LAS DESIGNACIONES DE UNIDADES DE BOMBEO

Tipo de Unidad de Bombeo

A – Balanceada por Aire

C-228D-246-66 Longitud de Carrera máxima en Pulgadas

B – Balanceada de Balancín

B-P- Montada con Pasador

Balanceada de Balancín

Clasificación de Carga de Varilla Pulida en Cientos de Libras

C – Convencional C-P- Montada con Pasador

Clasificación de Torque Pico en Miles de Libra-Pulgadas

D – Reductor de Engranaje de doble Reducción

Convencional M – Mark II Unitorque

LP – Bajo Perfil

ESPECIFICACIONES DE UNIDADES DE BOMBEO CONVENCIONALES

CONTRABALANCEO DE UNIDADES CONVENCIONALES

Ejemplo: Una unidad C-640D-305-144 con 4 contrapesos No. OARO y cuatro pesos

auxiliares No. OAS tendrían un efecto de contrabalanceo máximo de 23385 lbs. En la carrera de 144 plg. Este efecto incluye un desequilibrio estructural de –520 lbs. Si se desea el efecto de contrabalanceo de 106 plg, restar el desequilibrio estructural del efecto en la carrera de 144 plg. y multiplicar esta diferencia por la relación de 144-106, luego sumar el desequilibrio estructural a este producto. Así el efecto de contrabalanceo en la carrera de 106 ” (23385)- (-520) x 144/106 + (-520) = 23905 x 144 / 106-520= 31955 lbs. El desequilibrio estructural con un signo (-) indica un conjunto de balancín que es pesado en el extremo del pozo. El desequilibrio estructural sin el signo (-) indica un conjunto de balancín que es pesado en el extremo del engranaje del reductor. *Usar sólo un peso auxiliar por cada contrapeso en el lado de la cubierta de la correa en las unidades 912D, 320D, 160D y 40D. *Usar sólo un peso auxiliar por cada contrapeso en el lado de la cubierta de la correa en las unidades 920D y 228D. *Usar sólo un peso auxiliar por cada contrapeso en el lado de la cubierta de las unidades 160D.

CONTRABALANCEO DE UNIDADES CONVENCIONALES

Ejemplo: Una unidad M-456D-144 con 4 contrapesos No. OARO y 4 pesos auxiliares No. OS tendrán un efecto de contrabalanceo máximo de 25,080 lbs en la carrera de 144”. El desequilibrio estructural con un signo (-) indica un conjunto balancín que es pesado en el extremo del pozo.

ESPECIFICACIONES DE UNIDADES DE BOMBEO AEREOBALANCEADA

ANEXOS

e) TABLAS Y CONVERSIONES

Tablas de Equivalencias y Conversiones

Multiplique Por Para obtener

“A” Acres 4047 Metros cuadrados Atmósferas 76 Cm. de mercurio Atmósferas 33.9279 Pies de agua a 62° F Atmósferas 10333 Kg. por m. cuadrado Atmósferas 14.7 Lbs por pulgada cuadrada

“B” Barril de petróleo 42 Galones Barril de petróleo 159 Litros Barril de petróleo 0.159 Metros cúbicos Britis Thermal Units 0.252 Calorías BTU 778.2 Pies-lbs BTU 107.6 Kg-m BTU por minuto 0.0235 H.P. BTU por minuto 0.0176 Kilowatts BTU por hr. 1 Tons. refrigeración

“C” Calorías 3.968 BTU Calorías 426.8 Kg-m Calorías 3087.77 Pies-lbs Calorías por minuto 0.0935 H.P. Calorías por minuto 0.0697 Kilowatts Centímetros 0.3937 Pulgadas Centímetros cuadrados 0.1550 Pulgadas cuadradas Centímetros cúbicos 0.06102 Pulgadas cúbicas Caballos (caldera) 33472 BTU por hr. Caballos (caldera) 9.804 Kilowatts Circular Mils 0.00051 Milímetros cuadradas

“G” Galones 3.785 Litros Galones por minutos 0.063 Litros por seg. Gramos 0.0352 Onzas Gramos 0.0.322 Onzas (troy) Gramos por cm. cúbico 62.43 Lbs por pie cúbico Gramos por cm. cúbico 0.036 Lbs por pulgada cúbicas

307



ANEXOS


“H” Hectárea 2.4711 Acres Horse-Power 33000 Pies-lbs por minuto Horse-Power 550 Pies-lbs por segundo H.P. 76.04 Kg-m por segundo H.P. 0.745 Kilowatts H.P. 1.0133 C.V. H.P. – hora 2544 BTU H.P. – hora 641.24 Calorías H.P. – hora 273745 Kg-m. H.P. – hora 1980000 Lbs-pie

“K” Kilogramos 2.20462 Libras Kg.-m 0.002342 Calorías Kg.-m 0.0093 BTU Kg.-m 7.233 Pies-lbs Kg. por m. 0.672 Libras por pie Kg. por m. cuadrado 0.2048 Lbs por pie cuadrado Kg. por m. cúbico 0.0624 Lbs por pie cúbico Kg. por cm. cuadrado 14.22 Lbs por pulg. cuadrada Kg. por cm. cuadrado 10 Lbs por pie cúbico Kg. por cm. cuadrado 32.81 Pies columna de agua Kg. por cm. cuadrado 735.5 Milímetros de Hg. Kg. por cm. cúbico 36.13 Lbs por pulg. cúbica Kilómetros 3281 Pies Kilómetros 0.6214 Millas Kilómetros cuadrados 0.3861 Millas cuadradas Kilómetros cuadrados 247.1 Acres Kilowatts 56.86 BTU por minuto Kilowatts 14.33 Cal. Por minuto Kilowatts 1.341 H.P. Kilowatts – hr 859.8 Calorías Kilowatts – hr 3412 BTU

“L” Libras 7000 Gramos Libras 453.6 Gramos Libras por pulgada 178.6 Gramos por cm. Libras por pie 1.488 Kg. por metro

308



ANEXOS


Libras por pulg. cuadrado 0.0703 Kg. por cm. Cuadrado Libras por pulg. cuad. 0.703 M. columna de agua Libras por pulg. cuad. 2.307 Pies columna de agua Libras por pulg. cuad. 51.7 Milímetros de Hg. Libras por pie cuad. 4.882 Kg. por m. cuadrado Libras por pulg. cúb. 27.68 Kg. por dm. cúbico Libras por pie cúb. 16.02 Kg. por m. cúbico Litros 0.03531 Pies cúbicos Litros 61.02 Pulgs. cúbicas Litros 0.2642 Galones “M” Metros 3.281 Pies Metros 39.37 Pulgadas Metros 1.094 Yardas Metros cuadrados 10.76 Pies cuadrados Metros cúbicos 35.31 Pies cúbicos Millas 1.6093 Kilómetros “O” Onzas 28.35 Gramos Onzas (troy) 31.10 Gramos “P” Pulgadas 2.54 Centímetros Pulg. Cuadrados 6.45 Cm. cuadrados Pulg. Cúbicos 16.39 Cm. cúbicos Pulg. De mercurio 345.3 Kg. por m. cuadrado Pies 30.48 Centímetros Pies cuadrados 929 Cm. cuadrados Pies cúbicos 28.32 Litros Pies-lbs 0.1382 Kg-m Pies-lbs 0.00129 BTU Pies-lbs 0.00032 Calorías Pies-lbs 1.356 Joules “R” Radiales 57.3 Grados (ángulo)

309



ANEXOS


“T”

Temp. (Grados C)+ 273 1 Grados Kelvin Temp. (Grados C) 1.8(°C)+32 Grados Fahrenheit Temp. (Grados F) 0.555(°F-32) Grados Centígrados Toneladas métricas 2204.62 Libras Toneladas (Long.) 2240 Libras Toneladas (Long.) 1016.06 Kg Toneladas (Short) 2000 Libras Toneladas (Short) 907.2 Kg Toneladas Refrigeración 12000 BTU por hr.

“Y” Yardas 91.44 Centímetros

“V” Varas 0.84 Metros

310



ANEXOS

Equivalentes Decimales y Métricos de Fracciones Comunes de Pulgada

Fracciones de pulg.

Decimales de pulg.

Milímetros Fracciones De pulg.

Decimales De pulg.

Milímetros

1/64 0.01562 0.397 33/64 0.51562 13.097 1/32 0.03125 0.794 17/32 0.53125 13.494

3/64 0.04687 1.191 35/64 0.54687 13.891 1/16 0.0625 1.588 9/16 0.5625 14.288

5/64 0.07812 1.984 37/64 0.57812 14.684 3/32 0.09375 2.381 19/3 0.59375 15.081

7/64 0.10937 2.778 39/64 0.60937 15.478 1/8 0.1250 3.175 5/8 0.625 15.875

9/64 0.14062 3.572 41/64 0.64062 16.272 5/32 0.15625 3.969 21/32 0.65625 16.669

11/64 0.17187 4.366 43/64 0.67187 17.066 3/16 0.1875 4.763 11/16 0.06875 17.463

13/64 0.20312 5.159 45/64 0.70312 17.859 7/32 0.21875 5.556 23/32 0.71875 18.256

15/64 0.23437 5.953 47/64 0.73437 18.653 ¼ 0.2500 6.350 ¾ 0.75 19.050

17/64 0.26562 6.747 49/64 0.76562 19.447 9/32 0.28125 7.144 25/32 0.78125 19.844

19/64 0.29687 7/541 51/64 0.79687 20.241 5/16 0.3125 7.938 13/16 0.8125 20.638

21/64 0.32812 8.334 53/64 0.82812 21.034 11/32 0.34375 8.731 27/32 0.84375 21.431

23/64 0.35937 9.128 55/64 0.85937 21.828 3/8 0.3750 9.525 7/8 0.875 22.225

25/64 0.39062 9.922 57/64 0.89062 22.622 13/32 0.40625 10.319 29/32 0.906625 23.019

27/64 0.42187 10.716 59/64 0.92187 23.416 7/16 0.4375 11.113 15/16 0.9375 23.813

29/64 0.45312 11.509 61/64 0.95312 24.209 15/32 0.46875 11.906 31/32 0.96875 24.606

31/64 0.48437 12.303 63/64 0.98437 25.003 1/2 0.5 12.700 1.000 25.400

311



ANEXOS

Tabla para Conversión de Presiones

Kg/cm2 A lbs/Plg2 lbs/Plg3 A Kg/cm2

Kg/cm2 lbs/Plg2 Kg/cm2 lbs/Plg2 lbs/Plg2 Kg/cm2 lbs/Plg2 Kg/cm2

0.5 7.11 10.5 149.31 10 0.703 155 10.898

1.0 14.22 11.0 156.42 20 1.410 160 11.250

1.5 21.33 11.5 163.53 30 2.110 165 11.601

2.0 28.44 12.0 170.64 40 2.810 170 11.953

2.5 35.55 12.5 177.75 50 3.510 175 12.304

3.0 42.66 13.0 184.86 60 4.220 180 12.656

3.5 49.77 13.5 191.97 70 4.920 185 13.007

4.0 56.88 14.0 199.08 80 5.620 190 13.359

4.5 63.99 14.5 206.19 90 6.330 195 13.710

5.0 71.10 15.0 213.30 100 7.031 200 14.062

5.5 78.21 15.5 220.41 105 7.383 210 14.765

6.0 85.32 16.0 227.51 110 7.734 220 15.468

6.5 92.43 16.5 234.63 115 8.086 230 16.171

7.0 99.54 17.0 241.74 120 8.437 240 16.871

7.5 106.65 17.5 248.85 125 8.789 250 17.578

8.0 113.76 18.0 255.96 130 9.140 260 18.281

8.5 120.87 18.5 263.07 135 9.492 270 18.984

9.0 127.98 19.0 270.18 140 9.843 280 19.687

9.5 135.09 19.5 277.29 145 10.195 290 20.390

10.0 142.20 20.0 284.40 150 10.547 300 21.093

312



ANEXOS

Factores de Conversión Circunferencia de un círculo = Diámetro X 3.1416 = Radio X 6.2832 Radio de un círculo = Circunferencia X 0.159155 Diámetro de un círculo Circunferencia X 0.31831 Lado de un triángulo equilátero Inscrito

=

Diámetro del círculo X 0.86

Lado de un cubo inscrito = Radio de la esfera X 1.1547 Lado de un cuadrado inscrito = Diámetro del círculo X 0.7071 = Circunferencia del círculo X 0.225 Superficie del círculo = Radio 2 X 3.1416 = Diámetro 2 X 0.7854 = Circunferencia del círculo X 0.225 Área de un cuadrado = Lado al cuadrado = Lado 2

Área de un triángulo = Base X ½ altura Área de un rectángulo = Base X altura Área de un paralelogramo = Base X altura Área de un trapezoide = Altura X semisuma de las bases Área de una parábola = 2/3 base X altura del triángulo exterior Área del trapecio = Area de los dos triángulos que lo forman Área de un polígono regular = La mitad de la perpendicular del centro de uno de

los lados X suma de los lados = Perímetro X ½ apotema Área de un sector = ½ del radio X arco. Área de una elipse = ½ del diámetro menor X ½ del diámetro mayor Superficie de una esfera = Circunferencia X diámetro = Diámetro 2 X 3.1416 Superficie de un cubo = Área de un lado X 6 Superficie de un cilindro = Área de ambos extremos + (longitud X

circunferencia) Superficie de una zona o superficie de un segmento de la esfera

=

6.2832 X radio de la esfera del cual se corto X altitud de la zona.

Superficie de un cono truncado = ½ (suma de las circunferencias de ambos lados) X altura inclinada + área de ambos extremos

Volumen de una esfera = Superficie X 1/6 de diámetro = Diámetro 3 X 0.5236 Volumen del cubo = Lado 3 (lado al cubo) Volumen del cilindro o prisma = Superficie de un extremo X largo Volumen de un cono o pirámide = Área de la base X 1/3 de la altura Volumen de un cono truncado o pirámide = 1/3 de altura X área de ambos extremos + raíz

cuadrada del área de ambos extremos multiplicados Volumen de una cuña = Área de la base X ½ altura Volumen de un segmento esférico de una base

=

½ altura X 3.1416 X radio de la base al cuadrado + ½ altura 3 X 3.1416

313



ANEXOS

Formación de los Múltiplos y Submúltiplos Decimales de la Unidad

Su Formación Resulta de las Tablas Siguientes: Múltiplos FACTOR DE

MULTIPLICACIÓN PREFIJO QUE SE ESCRIBE

ANTES DE LA UNIDAD SÍMBOLO QUE SE

ESCRIBE ANTES DEL SÍMBOLO DE LA UNIDAD

1012 1 000 000 000 000 tera T 109 1 000 000 000 giga G 106 1 000 000 mega M 103 1 000 kilo k 102 100 hecto h 101 10 deca da Submúltiplos

FACTOR DE

MULTIPLICACIÓN

PREFIJO QUE SE ESCRIBE ANTES DE

LA UNIDAD

SÍMBOLO QUE SE ESCRIBE ANTES DEL

SÍMBOLO DE LA UNIDAD 10-1 = 0.1 deci d 10-2 = 0.01 centi c 10-3 = 0.001 mili m 10-6 = 0.000 001 micro µ 10-9 = 0.000 000 001 nano n 10-12 = 0.000 000 000 001 pico p 10-15 = 0.000 000 000 000 001 femto f 10-18 = 0.000 000 000 000 000 001 atto a Ejemplos: 1 megámetro (Mm) = 106 metros (m) 1 micrómetro (µm) (micra 0µ) = 10-6 metros (m)

314



ANEXOS

Factores de Conversión y Datos

1 Pie de agua salada = 64 a 64.4 libras 1 Pie de agua fresca = 62.43 libras 1 Tonelada de agua fresca = 35.88 pies cúbicos Gravedad específica X 0.0278115 = Toneladas por pies cúbicos aprox. 35.96 ÷ gravedad específica = Pies cúbicos por tonelada aprox. Una atmósfera = 14.7 libras por pulg.2 aprox. B.T.U. por libra X 0.5556 = Calorías Calorías por gramo X 1.8 = B.T.U. Centímetros X 0.3937 = Pulgadas Pulgadas X 2.54 = Centímetros Circunferencia X 0.31831 = Diámetro Diámetro X 3.1416 = Circunferencia Centímetros cúbicos X 0.061024 = Pulgadas cúbicas Pulgadas cúbicas X 16.387 = Centímetros cúbicos Metros cúbicos X 35.3148 = Pies cúbicos Pies cúbicos X 0.0283167 = Metros cúbicos Metros cúbicos X 264.17 = Galones americanos Litros X 61.0258 = Pulgadas cúbicas Pulgadas cúbicas X 0.004329 = Galones americanos Galones americanos X 231 = Pulgadas cúbicas Pies X 0.3048 = Metros Pies cúbicos X 7.4805 = Galones americanos Pies cúbicos X 6.2288 = Galones imperiales Gramos X 0.064798918 = Gramos Gramos X 15.432356 = Gramos Onzas X 28.349527 = Gramos Gramos X 0.00220462 = Libras Libras X 453.592 = Gramos Galones imperiales X 1.20094 = Galones americanos Galones imperiales X 4.54596 = Litros Galones imperiales X 277.42 = Pulgadas cúbicas Galones americanos X 0.83268 = Galones imperiales Kilogramos X 2.20462 = Libras Toneladas grandes X 1016.047 = Kilogramos Litros X 0.264178 = Galones americanos Litros X 0.219975 = Galones imperiales Toneladas grandes X 2240 = Libras Galones americanos X 3.785332 = Litros Toneladas métricas X 2204.6223 = Libras Toneladas métricas X 0.98421 = Toneladas grandes Toneladas grandes X 1.01605 = Toneladas métricas Toneladas métricas X 1000 = kilogramo

315



GLOSARIO

GLOSARIO



GLOSARIO

ACERO.- Aleación maleable de hierro y carbón, que también contiene cantidades apreciables de manganeso y otros elementos. AGUA LIBRE.- Es el porcentaje de agua que mecánicamente puede separarse de la emulsión (muestra). AGUA TOTAL.- Es el volumen total de agua presente en una emulsión de petróleo. ALEACIÓN.- Sustancia sólida con propiedades metálicas compuestas por dos o más elementos. ALMA.- Núcleo del cable de acero. Consiste de un arreglo de torones enrollados en sentido opuesto a los torones exteriores del cable. AMPERE.- Unidad fundamental de corriente eléctrica. El símbolo del ampere es A. ANCLA.- Cualquier dispositivo que asegura o fija un equipo. AYUDANTE.- Tramo de tubo de fierro de diferentes diámetros y longitudes. BALANCÍN.- Miembro horizontal de acero de una unidad de bombeo mecánico, que tiene un movimiento de balanceo o reciprocante. BARRIL.- Medida de volumen para productos petroleros. Un barril es equivalente a 42 galones americanos ó 0.15899 metros cúbicos; un metro cúbico equivale a 6.2897 barriles. BARRILETE.- Pieza tubular de acero de la bomba de varillas de succión dentro de la cual se coloca una camisa cuidadosamente ajustada y pulida. En este tipo de bomba el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo dentro de la camisa, y ésta se encuentra dentro del barril. BARRILES POR DÍA.- Volumen de flujo de un pozo; cantidad total de aceite y otros fluidos producidos o procesados por día. BIELA (PITMAN).- Brazo que conecta la manivela con el balancín en una unidad de bombeo, por medio del cual el movimiento rotatorio se convierte en movimiento reciprocante. BOMBA DE FONDO.- Cualquier bomba de varillas de succión hidráulica o centrífuga instalada cerca o en el fondo del pozo que se utiliza para elevar los fluidos.

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GLOSARIO

BOMBA DE INSERCIÓN.- Bomba de varillas de succión que se coloca dentro de un pozo como una unidad completa. BOMBA DE TUBERÍA.- Bomba de varillas de succión en la que el barril está sujeto a la tubería de producción. BOMBA DE VARILLAS DE SUCCIÓN.- Arreglo en el fondo del pozo, empleado para elevar el fluido a la superficie por medio de la acción reciprocante de la sarta de varillas de succión. Los componentes básicos son: el barril de trabajo, la camisa, el pistón, las válvulas y el ancla. Los dos tipos de bombas de varillas de succión son la bomba de tubería de producción, en la cual el barril se conecta a aquella, y la bomba de inserción, la cual se corre dentro del pozo como una unidad completa, a través de la tubería de producción. BOMBA PARA POZO.- Cualquier bomba superficial o subsuperficial que se emplea para elevar los fluidos de un yacimiento a la superficie. BOMBA RECIPROCANTE.- Bomba que emplea un pistón que se mueve dentro de un cilindro. El cilindro está equipado con válvulas de succión y de descarga. En la embolada de admisión, la válvula de succión se abre y el fluido entra al cilindro. En la embolada de escape, la válvula de succión cierra y la de descarga abre haciendo que el fluido se force fuera del cilindro. BOMBA.- Dispositivo que incrementa la presión a un fluido o lo eleva a un nivel más alto. Existen varios tipos de bombas como las reciprocantes, centrífugas, rotatorias, a chorro, de varillas de succión, hidráulicas, de lodo, sumergibles y de fondo. BOMBEO ARTIFICIAL.- Cualquier método utilizado para elevar el aceite a la superficie a través de un pozo después de que la presión del yacimiento ha declinado hasta el punto en el cual ya no producirá por medio de energía natural. Las formas más comunes son: el bombeo mecánico, neumático, hidráulico y el electrocentrífugo. BOMBEO MECÁNICO.- Método de bombeo en el que una bomba de fondo está localizada cerca del fondo del pozo, conectada a una sarta de varillas de succión. Se emplea para elevar los fluidos de éste a la superficie. El peso de la sarta de varillas y del fluido se compensa por medio de contrapesos colocados en un balancín reciprocante o en la manivela de la unidad de bombeo mecánico o por presión de aire en un cilindro colocado en el balancín.

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GLOSARIO

BRIDA O CABLE COLGADOR.- Cable en una unidad de bombeo que pasa sobre la cabeza de caballo del balancín y está conectado a la barra portadora para soportar colocando en la varilla pulida y también la grampa soporta todo el peso total de la sarta de varillas. CABALLOS DE FUERZA.- Es la unidad de potencia en el sistema de unidades inglés de ingeniería. Un caballo de fuerza (hp) es igual a 550 libras por pie sobre segundo ó 746 watts. El caballo de fuerza es una unidad de magnitud conveniente para medir la potencia generada por una máquina. CABEZA DE CABALLO.- Sección curva del balancín de una unidad de bombeo mecánico, localizada arriba del pozo y de la cual se suspende la brida. CAÍDA DE PRESIÓN.- Pérdida de presión que resulta de la fricción que sufre un fluido al pasar por una tubería, válvula, conexión u otro dispositivo. CAMISA, BARRIL.- El cilindro o camisa en la cual el émbolo de una bomba de varillas de succión sube y baja. CAPACIDAD MÁXIMA.- Rendimiento máximo de un sistema o una unidad como una refinería, planta de gasolina, unidad de bombeo o pozo productor. CARGA DE CONTRAPESO.- Es el peso en libras que se coloca en los contrapesos de las unidades de bombeo mecánico, convencional y Mark II, para proporcionar una distribución equilibrada de cargas y mantener al motor trabajando dentro del amperaje normal (que no se force). CARGA MÁXIMA.- Es la máxima carga en libras, que puede soportar la varilla pulida, está compuesta por el peso de las varillas y peso del fluido debido a la aceleración en su carrera ascendente. CANDADO DE GAS.- Es la interrupción del funcionamiento eficiente de la bomba, causado por la existencia excesiva de gas en la misma. CARGA MÍNIMA.- Es la mínima carga en libras que soporta la varilla pulida y consiste en el peso de las varillas flotando en el líquido, debido a la fuerza de gravedad y aceleración en su carrera descendente. CARGA, PESO.- 1) En mecánica, es el peso o presión ejercida en un objeto. 2) En motores, es la cantidad de trabajo que realiza un motor.

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GLOSARIO

CARRERA DEL ÉMBOLO.- La longitud del movimiento, en pulgadas, de un pistón en una bomba reprocicante del punto muerto superior al punto muerto inferior. COJINETE DE LA BIELA.- Cojinete entre la biela y la manivela (muñón) COLGADORES DE VARILLAS.- Dispositivo empleado para colgar varillas de succión en el mástil o en la torre. CONTRAPRESIÓN.- Presión que se mantiene en un equipo o en un sistema, a través del cual fluye un fluido. CONTRAPRESO DEL BALANCÍN.- Pesos en una unidad de bombeo mecánico que se instala al final del balancín, el cual se encuentra del lado opuesto a la vertical del pozo. El contrapeso del balancín compensa o balancea el peso de las varillas de succión y la bomba instalada dentro del pozo. COPLE DE VARILLA DE SUCCIÓN.- Cople con rosca interna empleado para unir varillas de succión. CORRIENTE ALTERNA.- Corriente eléctrica que invierte la dirección de flujo a intervalos regulares. CORROSIÓN.- Cualquiera de los complejos procesos químicos o electroquímicos por los cuales el metal se destruye al reaccionar con su medio ambiente. CHECK.- Válvula de retención que permite el paso del flujo en un solo sentido. DENSIDAD API.- Es la medida de densidad de los productos líquidos del petróleo, derivado de la densidad relativa de acuerdo con la siguiente ecuación:

5.1315.141−=

GIDensidadAP

G= Densidad relativa La densidad API se expresa en grados; la densidad relativa de 1.0 es equivalente a 10° API.

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GLOSARIO

DENSIDAD ESPECÍFICA.- El cociente del peso de un volumen dado de una sustancia, a una temperatura dada, y peso de un volumen igual de una sustancia patrón a la misma temperatura. La determinación de la densidad específica de un líquido se hace comparándola con el agua y la de un gas comparándola con el aire o hidrógeno. DENSIDAD RELATIVA.- El cociente de la masa de un volumen dado de una sustancia y la masa de un volumen igual de una sustancia patrón, como el agua o el aire. En unidades convencionales de medición, la gravedad específica es similar a la densidad relativa. DENSIDAD.- Masa o peso de una sustancia por unidad de volumen. DINAMÓMETRO.- Es un instrumento que permite evaluar las cargas o pesos de la sarta de varillas a través del esfuerzo de la varilla pulida representado en una carta superficial y el comportamiento de la bomba subsuperficial en una carta de fondo. ECÓMETRO.- Es un instrumento, cuyo principio está basado en la acústica y nos permite determinar la profundidad del nivel del líquido en un pozo. EFICIENCIA VOLUMÉTRICA.- Volumen real de fluido bombeado por una bomba, dividido entre el volumen desplazado por un pistón o pistones, otro dispositivo, en la bomba. La eficiencia volumétrica generalmente se expresa como un porcentaje. ELEVADORES DE VARILLAS.- Dispositivos empleados para sacar o meter varillas de succión. Tiene una asa colocada en el gancho de varillas. ELONGACIÓN.- Estiramiento de las varillas por velocidad y peso. EMBOLADA.- Ciclo de bombeo (cierre de un círculo en dirección o en contra de las manecillas del reloj). EMPACADOR.- Dispositivo que cierra el espacio anular entre las tuberías de revestimiento y de producción, se instala cerca del fondo del pozo. EMPACADOR.- Herramienta que va dentro del pozo, consista de un dispositivo de sello, un dispositivo colgador y un paso interior para los fluidos. Se emplea para bloquear el flujo de fluidos a través del espacio anular entre la tubería de producción y la de revestimiento. Generalmente se coloca con la sarta de tubería de producción a cierta distancia arriba del intervalo productor.

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GLOSARIO

EMULSIÓN.- Es la mezcla líquida de dos sustancias no miscibles, una de las cuales se haya dispersa en la otra en forma de gotas (agua en aceite). ESPACIAMIENTO.- Distancia que se deja entre la válvula de pie y viajera. FLOTACIÓN.- Pérdida aparente de peso de un objeto inmerso en el fluido. Si el objeto flota, el peso del volumen de fluido desplazado por la parte sumergida es igual al peso de esa sección del objeto. FONDO DEL POZO.- Parte más baja o profunda de un pozo. Perteneciente al fondo de un pozo. FRENO DEL TAMBOR.- Dispositivo que detiene el movimiento del tambor por medio de fricción. FRENO MECÁNICO.- Freno que es accionado por mecanismos tales como palancas o ejes que tiene conectados. FRENO.- Dispositivo que detiene el movimiento de un mecanismo generalmente por medio de fricción. FRICCIÓN.- Resistencia al movimiento creada cuando dos superficies se ponen en contacto. Cuando la fricción se presenta, el movimiento entre las superficies produce calor. FUERZA DE TENSIÓN.- Fuerza desarrollada por un material que soporta una carga de tensión. GOLPE ASCENDENTE.- Cuando el émbolo del pistón golpea en el interior de la bomba en su punto muerto superior, provocando un posible desanclamiento de la misma. GOLPE DE FLUIDO.- Es el impacto errático del pistón de la bomba contra el fluido cuando ésta opera con un vacío parcial en el cilindro, con gas atrapado o cuando el pozo no está produciendo. GOLPE DESCENDENTE.- Cuando la sarta de varillas golpea en su punto muerto inferior el adaptador con la válvula guía de la varilla del émbolo, ocasionado por la elongación de las varillas.

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GLOSARIO

GRADIENTE DE PRESIÓN.- Escala de diferencias de presión en la cual hay una variación uniforme de ésta de un punto a otro. El gradiente de una columna de agua dulce es de 0.1 kg/cm2 por metro de elevación (0.433 lbs/plg2/pie). ÍNDICE DE PRODUCTIVIDAD.- Medida indicativa de la cantidad de aceite o gas que es capaz de producir un pozo. Se expresa como J = q/(Pws-Pwf). INSTITUTO AMERICANO DEL PETRÓLEO.- 1) Organización norteamericana petrolera, comercial, fundada en 1920 que fija las normas que deben satisfacer los equipos de perforación y producción; es reconocida como la más importante en esta labor. Tiene departamentos de transportación, refinación y mercados en Washington D.C. y el departamento de producción en Dallas. 2) Jerga: Indicativo de un trabajo hecho correctamente, como “su trabajo es exactamente API”. LÍMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA.- Es el máximo nivel de esfuerzo, bajo ciertas condiciones establecidas, en o bajo el cual el metal soportará un número de esfuerzos infinitos sin fallar. Se expresa en lbs/plg2. MADRINA.- Varilla pulida corta de una pulgada y media de diámetro, existen de diferentes longitudes. MANIVELA.- Pieza de hierro que se repliega dos veces en ángulo recto y que colocada en la extremidad del eje de una máquina, sirve para imprimirle movimiento de rotación. En el caso del bombeo mecánico, la fuerza motriz se ejerce en la extremidad de este brazo a través del sistema biela-manivela. MOMENTO.- Efecto de torsión creado por una fuerza F que actúa a una distancia perpendicular S de un centro de rotación; es el producto de una fuerza y una distancia a un eje particular o punto. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA.- Motor de ignición en el cual la fuerza necesaria para mover el mecanismo proviene de una mezcla aire – combustible dentro de los cilindros del motor. MOTOR DE DOS TIEMPOS.- Motor en el cual el pistón se mueve del punto muerto superior al punto muerto inferior y regresa al anterior para completar un ciclo. De esta forma, el cigüeñal debe girar una revolución ó 360°.

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MOTOR DIESEL.- Motor de combustión interna de alta presión. En un motor diesel del aire se inyecta y comprime en los cilindros a muy altas presiones; la ignición ocurre conforme el combustible se inyecta dentro del aire comprimido y calentado. La combustión tiene lugar dentro del cilindro, arriba del pistón; la expansión de los productos de combustión imparte su fuerza al pistón.

GLOSARIO

MOTOR.- Dispositivo hidráulico, de aire o eléctrico, empleado para hacer un trabajo. NIVEL DE FLUIDO.- Profundidad de la columna de fluido en la tubería de producción o de revestimiento de un pozo. El nivel estático de fluido se toma cuando el pozo no está produciendo y está estabilizado. El nivel dinámico o de bombeo, es el punto al cual llega el nivel estático cuando el pozo está produciendo. NIVEL DINÁMICO.- Es el nivel de recuperación por la presión del yacimiento. NIVEL ESTÁTICO DEL LÍQUIDO.- El nivel del líquido en un pozo cuando está cerrado. P.G.- Producción general. PÉRDIDA DE PRESIÓN.- Reducción en la presión que ejerce un fluido contra una superficie, que generalmente ocurre debido a que el fluido se está moviendo contra dicha superficie. PESO DE CONTRALANCEO.- Peso aplicado para compensar una carga o fuerza. En las unidades de bombeo mecánico, los pesos de contrabalanceo se usan para compensar el peso de las varillas de succión y del aceite extraído. PISTÓN.- Pieza cilíndrica deslizante que es movida o que se mueve contra la presión de un fluido, dentro de un recipiente cilíndrico de confinamiento. POLEA.- Rueda con canto acanalado, empleada para jalar o elevar. PONY.- Varilla corta de succión de una pulgada de diámetro, existen de 2, 4, 6 y 8 pies de longitud. PORCENTAJE DE AGUA.- Es la cantidad de agua mezclada con el aceite. POSTE MAESTRO.- Miembro de una unidad de bombeo mecánico que soporta el balancín. PRESIÓN (PRESSURE).- La fuerza que un fluido ejerce uniformemente en todas direcciones dentro de un recipiente, tubería, pozo, etc. La presión se expresa en términos de fuerza ejercida por unidad área, como kg/cm2 a lbs/plg2. PRESIÓN DE BOMBEO.- La presión del fluido alcanzado debido a la acción de una bomba.

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GLOSARIO

PRESIÓN DE FONDO.- Es la presión que se registra en la zona de los disparos. PRESIÓN DE YACIMIENTO.- Es la presión acumulada en el yacimiento en su estado original. PRESIÓN ESTÁTICA DE FONDO.- Es la presión en el fondo de un pozo cuando las válvulas de superficie en el pozo están completamente cerradas. La presión es provocada por los fluidos que existen en la formación en el fondo del pozo. PRESIÓN ESTÁTICA.- La presión, cuando el pozo está completamente cerrado, registrada en un manómetro instalado en las válvulas de control de la superficie. Cuando un pozo se está perforando, la presión estática debe ser cero, debido a que la presión ejercida por el fluido de perforación debe ser igual o mayor que la presión ejercida por las formaciones atravesadas. En un pozo fluyente, la presión estática debe ser mayor a cero. PRESIÓN ESTÁTICA.- Presión ejercida por un fluido sobre una superficie que está en descanso en relación al fluido. PRESIÓN HIDROSTÁTICA.- Fuerza ejercida por un fluido en reposo; se incrementa directamente con la densidad y la profundidad; se expresa en lbs/plg2. La presión hidrostática del agua dulce es de 0.433 lbs/plg2/pie. PRESIÓN MANOMÉTRICA.- Presión ejercida por un fluido en el interior de un recipiente o sistema, expresada en kilopascales, kilogramos sobre centímetro cuadrado o libras sobre pulgada cuadrada. La presión manométrica más la presión atmosférica es igual a la presión absoluta. PRESIÓN MÁXIMA PERMISIBLE.- La mayor presión que puede aplicarse con seguridad a una estructura, tubería o reciprocante. Una presión mayor a ésta puede provocar una falla o explosión. PRESIÓN.- La fuerza que un fluido ejerce uniformemente en todas direcciones dentro de un recipiente, tubería, pozo, etc., la presión se expresa en términos de fuerza ejercida por unidad de área, como kg/cm2 o lbs/plg2. PREVENTOR PARA VARILLAS.- Dispositivo de arietes empleado para cerrar el espacio anular alrededor de la varilla pulida o varilla de succión en un pozo con bombeo mecánico.

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GLOSARIO

PRODUCCIÓN.- 1) Es la parte de la industria petrolera que se encarga de producir los fluidos del pozo hacia la superficie, separarlos, almacenarlos, medirlos y prepararlos para su transportación. 2) Volumen de aceite o gas producido en un periodo dado. PUNTO MUERTO INFERIOR.- Es la posición donde termina la carrera descendente de la U.B.M. PUNTO MUERTO SUPERIOR.- Es la posición donde termina la carrera ascendente de la U.B.M. RAMS.- Juego de hules (2) que pueden ser vulcanizados o en hule vitón y alojados en el interior del preventor. RANGO DE CARGA.- En el bombeo mecánico, es la diferencia entre la carga máxima y la carga mínima en la varilla pulida. RELACIÓN GAS-ACEITE.- Es la cantidad de gas producido en pies cúbicos con cada barril de aceite. RELACIÓN GAS-ACEITE.- Medida del volumen de gas producido con el aceite, expresada en metros cúbicos de gas por metro cúbico de aceite (pies cúbicos de gas por barril de aceite). Proporciona una lenta rotación a la sarta de varillas, distribuyendo el desgaste en las varillas y en la tubería de producción. SARTA DE VARILLAS.- Sarta de varillas de succión. La longitud total de las varillas de succión, consta de una serie de varillas conectadas entre sí. La sarta de varillas sirve como un eslabón mecánico de la unidad de bombeo en la superficie con la bomba cerca del fondo del pozo. SARTA TELESCOPIADA.- Tubería de perforación, de producción o de varillas de succión, formadas por secciones de diámetros distintos: el diámetro mayor se encuentra en la parte superior y disminuyen hacia abajo. SARTA.- La longitud total de la tubería de revestimiento, producción o perforación, o varillas de succión que se corren en un pozo. SEDIMENTOS.- Material sólido presente en el aceite crudo, como arenas, tierras, etc.

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GLOSARIO

SENO DE AGUA O DIESEL.- Dejar el pozo lleno en la T.P. de uno de estos dos líquidos. T.P.- Tubería de producción. T.R.- Tubería de revestimiento. TENSIÓN.- De o relacionado a la tensión. TENSIÓN.- La condición de un cable, una tubería o una varilla que se estira entre dos puntos. TIEBEN.- Unidad de bombeo mecánico hidroneumática. TORSIÓN (torque).- La fuerza de rotación que se aplica a un eje u otro mecanismo rotatorio para hacer que gire o que tienda a hacerlo. La torsión se mide en unidades de longitud por fuerza como lbs-plg. U.B.M.- Unidad de Bombeo Mecánico. UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO.- Máquina diseñada específicamente para bombear con varillas de succión, la cual utiliza un miembro horizontal (balancín), el cual sube y baja por medio de una manivela rotatoria para producir un movimiento reciprocante. UNIDAD DE BOMBEO.- La máquina que imparte el movimiento reciprocante a una sarta de varillas de succión, que se extiende a la bomba de desplazamiento positivo en el pozo. Generalmente a una viga movida por una biela y una manivela conectada a un reductor de velocidad. UNIDAD.- Una o varias piezas de equipo que ejecutan una función completa, como una unidad de bombeo mecánico. VÁLVULA DE PIE.- Válvula de contrapresión colocada en la succión de una bomba y que permite que ésta permanezca llena de líquido cuando no está operando. VÁLVULA DE PIE.- Válvula fija de canica y asiento, colocada en el extremo inferior del barril de trabajo de una bomba de varillas de succión. La válvula de pie y su jaula no se mueven como lo hace la válvula viajera.

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GLOSARIO

VÁLVULA VIAJERA.- Una de las dos válvulas en un sistema de bombeo con varillas de succión. La válvula viajera sigue el movimiento de la sarta de varillas de succión. Al subir las varillas, la canica de la válvula se asienta, soportando la carga del fluido. Al bajar las varillas, la canica se separa del asiento, permitiendo la entrada del fluido dentro de la columna de producción. VÁLVULA.- Dispositivo utilizado para controlar el gasto del flujo en una línea, para abrirla o cerrarla completamente o como un dispositivo de seguridad automático o semiautomático. Algunas de las válvulas más empleadas son las válvulas de compuerta, de globo, de aguja, de retención y la de seguridad o de alivio. VARILLA CORTA.- Varilla de succión menor de 25 pies de largo. VARILLA PULIDA.- La varilla colocada en el extremo superior de una sarta de varillas de succión, empleada para elevar fluidos por bombeo mecánico. Tiene un diámetro uniforme y está pulida para sellar perfectamente en el estopero preventor colocado en la parte superior del pozo. VARILLAS DE SUCCIÓN.- Varilla especial de acero de bombeo. Varias varillas se conectan para formar el eslabón mecánico desde la unidad de bombeo en la superficie hasta la bomba. Las varillas de succión se enroscan en cada extremo y se fabrican en dimensiones estándar y con las especificaciones del metal establecidas por la industria petrolera. Las longitudes varían alrededor de 25 a 30 pies, los diámetros varían de ½” a 1 1/8”. También existe una varilla continua de succión que lleva el nombre de Corod. Ver Corod continuous rod. VARILLAS ROTAS.- Varillas de succión que se han roto y separado de un pozo en bombeo debido a la corrosión, carga inadecuada, varillas dañadas, etc. VISCOSIDAD.- Es la resistencia que opone un fluido a deslizarse sobre sí mismo. YACIMIENTO.- Es un cuerpo de roca donde se acumula el hidrocarburo, sus características deben ser: porosidad, permeabilidad y continuidad. ZONA DE DISPAROS.- Es la vía de comunicación entre el pozo y el yacimiento.

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BIBLIOGRAFÍA

BIBLIOGRAFÍA Díaz Zertuche Héctor, Apuntes del curso “PRODUCCIÓN DE POZOS II”, Facultad de Ingeniería UNAM, México 1986. Catálogo Lufkin, “LUFKIN INDUSTRIES INC.”, Unidades de Bombeo, Tejas 1990-1991. Díaz Zertuche Héctor, “CURSO DE BOMBEO MECÁNICO”, Sistemas Artificiales, UNAM. Hernández Cortés Mario Arturo, “OPERACIÓN DE BOMBEO MECÁNICO I y II”, Proyecto Elaboración de Manuales, 2000. Manual de BOMBEO MECÁNICO, Unidad Hidromecánica (TIBEN), OilPatch Enterprises Internacional S.A. de C.V. 1996. MATEMÁTICAS I, Instituto Mexicano del Petróleo, 2000.

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Operación de Bombeo Mecánico III

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