Parte III Diseño
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PARTE III. DISEO BCP.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP.
3.1 INFORMACION PREVIA REQUERIDA PARA EL DISEO.Datos de Yacimiento:
Presin esttica del yacimiento.
Presin de burbujeo.
Viscosidad del petrleo.
Profundidad del intervalo abierto.
Tasa de produccin estimada.
Temperatura del yacimiento.
Gravedad especfica del fluido
Gravedad del gas.
Volumen de gas en solucin.
Declinacin.
Reservas.
Datos de Completacin.
Profundidad y desviacin del pozo.Diseo de revestidores (profundidad, peso y dimetro).
Dimetro, peso y profundidad de tubera de produccin.
Datos de Produccin:
Presin de tubera en superficie.
Relacin gas petrleo.
Porcentaje de agua y sedimentos.
Gravedad API.
Manejo de fluidos indeseables (arena, emulsiones, gas, H2S, etc.)
Presin de fondo fluyente.
Tasa de produccin.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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3.2. PROCEDIMIENTO DEL DISEO Y SELECCIN DEL SISTEMA BCP.
Consiste en el diseo de completaciones de pozos productores de petrleoy Gas para producir mediante el mtodo de Levantamiento Artificial por Bombeo
de Cavidad Progresiva (BCP), determinando profundidad, especificaciones
tcnicas de los equipos requeridos, as como las condiciones de operacin para
producirlo a su potencial.
3.3. DISEO Y SELECCIN DE LOS COMPONENTES DELSISTEMA.
3.3.1 Equipos de Subsuelo.
3.3.1.1. Bomba de Cavidades Progresivas (BCP).
a. Dimensiones del Estator.
Para conocer si el estator de la bomba es compatible con el revestidor de
produccin se emplea la siguiente regla:
100,0 DriftdMAX .
Donde:
estatordelmximoDimetropudMAX lg)(
revestidordelernoDiametropuDrift intlg)(
No se debe usar un estator cuyo dimetro externo sea mayor al dmx. En los
catlogos de los Fabricantes tambin se muestran los dimetros de los
revestidores compatibles con los modelos de Bomba.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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b. Seleccin del Elastmero.
Para la seleccin del elastmero a utilizar es necesario realizar lo siguiente:
1. Caracterizacin fsico qumica en la fase lquida. (Anlisis S.A.R.A.).
2. Estudio de compatibilidad entre el elastmero y el crudo.
1. Realizar caracterizacin fsico qumica en la fase lquida. (Anlisis
S.A.R.A.), mediante el cual se determina: Viscosidad, Gravedad API, Contenido
de Saturados, Aromticos, Resinas, Asfaltenos.
La tabla anexa, le indicar de una forma cualitativa al analista el elastmero a usar
en su aplicacin:
PROPIEDAD
BAJO
CONTENIDO DE
NITRILO
NBR
NITRILO
ESTNDAR
NBR
ALTO
CONTENIDO DE
NITRILO
NBR
NITRILO
HIDROGENADO
HNBR
FLUOROELAS
TMERO
Propiedades
mecnicas Muy buenas Buenas Promedio Muy buenas Promedio
Resistencia
trmica
mxima (F)
200 200 210 380 500
Temperatura
de servicio
promedio(F)
180 180 180 350 450
Resistencia
abrasin
Muy Buena Buena Promedio BuenaPromedio/
PobreResistencia
aromticosPobre Promedio Buena Promedio Muy Buena
Resistencia
crudos agrios
Promedio/
PobrePromedio Promedio Buena Promedio
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Resistencia a
H2S
Promedio/
PobrePromedio Muy Pobre Buena Promedio
Resistencia a
agua
Promedio/
Pobre
Promedio/
Pobre Pobre Promedio Buena
Resistencia al
ampollamiento
por gas
Buena Promedio Buena Buena Promedio
TABLA. SELECCIN CUALITATIVA DEL ELASTMERO
En el anexo XX (pag 11 manual Geremia) se muestra una gua para la seleccin
del elastmero para estatores de BCP.
2. Realizar un estudio de compatibilidad entre el elastmero y el crudo mediante
el cual se evala la capacidad mecnica inicial del elastmero y la variacin de las
propiedades mecnicas en muestras envejecidas.
PROPIEDADES MECNICAS MNIMAS REQUERIDAS
Hinchamiento 3 5 %
Dureza Shore A 55 a 70 puntos
Resistencia Tensil Mayor a 15 Mpascal
Elongacin a la ruptura Mayor del 500%
Resistencia a la fatiga Mayor a 55 Mciclos
Resistencia al corte Mayor a 4 Kg/mm
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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VARIACI N EN LAS PROPIEDADES MEC NICAS
(MUESTRAS ENVEJECIDAS)
HinchamientoMenor o igual al 3%, utilizar Rotor EstndarDel 3 al 8 %, utilizar, Rotor Sub dimensionado
Mayor al 8%, descartar este elastmero
Elongacin 55 a 70 puntos
Resistencia Tensil Mayor a 15 Mpascal
Dureza Shore A Mayor del 500%
Resistencia a la fatiga Mayor a 55 Mciclos
TABLA XX. SELECCIN DEL ELASTMERO DE ACUERDO A SUS
PROPIEDADES MECANICAS
Los estudios indicados anteriormente son realizados por especialistas en el
rea de elastmeros quienes entregan un informe con los resultados obtenidos
(tipo de elastmero adecuado) al analista de produccin para su posterior
aplicacin, tal es el caso de PDVSA INTEVEP.
c. Seleccin del Rotor.
Para la seleccin del dimetro del rotor debe considerarse el hinchamiento por
efecto de la temperatura de fondo y composicin de los fluidos manejados. Otra
variable a considerar para la seleccin del dimetro del rotor es la viscosidad del
fluido a manejar por la bomba. Con estos datos se realiza una primera seleccin
del dimetro del rotor utilizando los catlogos de los fabricantes, las experiencias
en campo determinarn la seleccin definitiva.
Se dispone de tres tipos de rotores:
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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De Dimensin Estndar.
Subdimensionado.
Sobredimensionado.
En la Tabla XX (Variacin de las Propiedades Mecnicas Intevep) se muestran los
parmetros de seleccin del rotor en funcin del hinchamiento.
Para la seleccin del rotor a travs de la Grfica suministrada por el fabricante se
requiere conocer: Temperatura en F. y Viscosidad Dinmica ( f ) en cP.
Generalmente en aplicaciones petroleras se tiene como dato el valor de laViscosidad Cinemtica ( ) en Cst. Para encontrar el valor en cP se realiza lo
siguiente:
Se calcula la Gravedad Especfica del Crudo SG :
5.131
5.141
API
SG
Donde:
API: Es la Gravedad API del Crudo.
Se calcula la Densidad del Crudo :
SGk
Donde:
3012,999 m
kgk
*f
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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CinemticaidadViss
mcos:
2
DinmicaidadViscPf cos:
En la Fig. XX, se ubica el valor de Ty en el eje X y el valor de f en el eje de
las Y.
FIG. XX. GRAFICA PARA LA SELECCIN DEL DIAMETRO DEL ROTOR.
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150TEMPERATURA C
1
2
3
5
7
9
11
13
15
17
20
30
50
100
200
500
10002000
5000
20000
50000
VISCOSIDAD
cP
80 100 120 140 160 180 200 220240
260280 300
TEMPERATURA F
SOBREDIMENSIONADO ESTANDAR SUBDIMENSIONADO
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150TEMPERATURA C
1
2
3
5
7
9
11
13
15
17
20
30
50
100
200
500
10002000
5000
20000
50000
VISCOSIDAD
cP
80 100 120 140 160 180 200 220240
260280 300
TEMPERATURA F
SOBREDIMENSIONADO ESTANDAR SUBDIMENSIONADO
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d. Dimensiones del Niple de Paro.
El Niple de Paro es un accesorio de la bomba y su tamao depende de las
dimensiones de la Serie de la Bomba, generalmente es de 1 de longitud. Paraconocer las dimensiones en cada caso se debe ver el catalogo del fabricante.
e. Seleccin de la Bomba (Clculo del Indice de Productividad y Clculo de la
Capacidad Hidrulica de la BCP).
Clculo del ndice de Productividad: Se puede realizar a travs de cualquiera
de estas tcnicas:
Mtodo del Indice de Productividad.
PwfPs
QIP L
FIGURA XX. CURVA DE INDICE DE PRODUCTIVIDAD LINEAL
Donde:
LQ : Caudal de fluido. (BPD)
Ps= Presin Esttica de Yacimiento. (psi)
Pwf =Presin de Fondo Fluyente. (psi).
Pe
QMAXCAUDAL
PRESION
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Mtodo de la IPR (inflow performance relationship)
2
max
8.02.01
Ps
Pwf
Ps
Pwf
Q
QL
Donde, maxQ representa la tasa de flujo cuando la presin fluyente se hace igual a
cero.
FIGURA XX. CURVA DE VOGEL PARA EL DESEMPEO DE AFLUENCIA.
Clculo de la Capacidad Hidrulica de la BCP.
Dos de las variables a considerar en la seleccin de una bomba de cavidad
progresiva la constituyen su capacidad de levantamiento y desplazamiento
volumtrico.
Pwf/Ps
QL/QMAXCAUDAL
PRESION
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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FIG. XX. CONFIGURACION DEL POZO.
La siguiente expresin define la capacidad de levantamiento de la bomba:
Ps
Pd
Pwf
Dp
Nd
Gf
Gg
Gfa
PMP
0
PsepCHP
L
drev
dt
dcab
THP
Ps
Pd
Pwf
Dp
Nd
Gf
Gg
Gfa
PMP
0
PsepCHP
L
drev
dt
dcab
THP
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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PsucPdPp
donde:
Pd(psi) Presin de Descarga: Es la presin que debe vencer la bomba para
lograr transportar los fluidos hasta la estacin de flujo.
Psuc (psi) Presin de Succin: Est dada en funcin de la presin de fondo
fluyente, columna hidrosttica del fluido en el revestidor (desde las perforaciones
hasta la entrada de la bomba) y el P por friccin en el revestidor.
Clculo de la Presin de Succin:
CASINGFRICCIONPDpPMPgPwfPsuc )(*1045,1 4
Donde:
Psuc :Presin de Succin. (psi)
Pwf:Presin de Fondo Fluyente. (psi)
: Densidad del fluido (Kg/m3).
g: Aceleracin de Gravedad. (9.8 m/s2)
CASINGP puede ser calculado mediante la expresin:
4
3
)2
(
)(10*16.1
rev
Lf
CASING d
QDpPMPP
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Donde:
FIG XX . CONFIGURACION DEL POZO PARA EL CALCULO DE LA
PRESION DE SUCCION
CASINGP : Cada de Presin por Friccin en el Revestidor desde las Perforaciones
a la entrada de la Bomba. (psi).
f : Viscosidad del fluido. )(sm
kg
DpPMP : Longitud entre las Perforaciones y la Entrada de la Bomba. ( m )
LQ : Tasa de Produccin de Diseo. (
s
m3
)
drev: Dimetro del Revestidor. ( m )
PMP-Dp
drev
f
PMP-Dp
drev
f
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Clculo de la Presin de Descarga:
TUBERIFRICCIONfLINEAFRICCIONSEP PDpGPPPd )(
Donde:
Pd: Clculo de la Presin de Descarga. (psi)
SEPP : Presin del Separador. (psi)
LINEAFRICCIONP : Cada de Presin por Friccin en la Lnea de Flujo. (psi)
fG : Gradiente de Fluido Dinmico. (psi/pie).
Dp : Profundidad de la Bomba.(pie)
TUBERIFRICCIONP : Cada de Presin por Friccin en el espacio anular entre la
Tubera de Produccin Cabilla. (psi)
El trmino LINEAFRICCIONP puede ser calculado mediante la expresin:
4
3
)2
(
10*16.1
LF
f
LINEAFRICCION d
LQP
Donde:
LINEAFRICCIONP : Cada de Presin por Friccin en la Lnea de Flujo. (psi)
f : Viscosidad del fluido. )(sm
kg
L : Longitud de la Lnea de Flujo. ( m )
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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LQ : Tasa de Produccin de Diseo. (s
m3
)
LFd : Dimetro de la Lnea de Flujo. ( m )
El trmino )( DpGf puede ser obtenido a partir de correlaciones de flujo
multifsico vertical a la profundidad de la bomba. Para clculos manuales con una
menor precisin puede estimarse de la siguiente forma:
)(*10*45,1 4 psiDpgDpGf
Donde:
g: Aceleracin de Gravedad. (9.8 m/s2)
: Densidad del fluido (Kg/m3). La cual puede estimarse as:
SGk
Donde:
k: 999,012 Kg/m3.
SG : Gravedad especfica del fluido. (Adimensional) La cual puede calcularse as:
5.131
5.141
APISG
donde:
API : Es la Gravedad API del crudo.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Dp : Profundidad de la Bomba (m).
El trmino P puede ser calculado mediante la expresin:
rcartrcart
rcart
QDpP L
f
TUBERIAFRICCION
/ln
10*16.1222
44
3
donde:
TUBERIFRICCIONP : Cada de Presin por Friccin en el espacio anular entre la
Tubera de Produccin Cabilla. (psi)
f : Viscosidad del fluido. )(sm
kg
rt: Radio interno de la tubera de produccin. ( m )
rca : Radio de la Cabilla. ( m )
LQ : Tasa de Produccin de Diseo. ( sm
3
)
Dp : Profundidad de la Bomba. ( m )
Esta expresin calcula de manera bastante apropiada la cada de presin por
friccin a largo de la tubera de produccin, ya que considera dimetro interno de
la tubera de produccin, dimetro de las cabilla, viscosidad y profundidad de
asentamiento de la bomba.
Clculo del Diferencial de Presin en la Bomba:
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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PsucPdPp
Como factor de seguridad para determinar la Pp , se considera un 20 %
adicional, es decir:
PpPps *2.1
Seleccin de la Bomba:
Una vez obtenida la capacidad de levantamiento, la tasa de diseo
estimada y tomando consideracin que se recomienda que una velocidad de
operacin de la bomba de 250 rpm, se selecciona la bomba deseada segn los
grficos proporcionados por el fabricante (ver ANEXO: CARTA DE SELECCIN
DE LA BOMBA). Para realizar esta seleccin se deben ejecutar los siguientes
pasos:
Se ubica en el eje vertical de la tabla la capacidad de levantamiento calculada sPp
(considerando el factor de seguridad del 20%).
Se determina la produccin deseada referida a la velocidad (rpm) mxima de
diseo con la que se construy la tabla mediante la siguiente expresin:
Lt QtablaRPM
Q 250
)(
Se ubica la tasa calculada en el punto anterior en el eje horizontal de la
Grfica XX.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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La interseccin identifica la bomba a seleccionar.
El variar el criterio de velocidad de operacin del equipo a 250 RPM puede
determinar el uso de una bomba u otra. Es potestad del Analista tomar otro criterio
segn se est dispuesto a operar el equipo a mayor o menor velocidad, lo cual va
a depender de si se poseen accesorios y facilidades para manejar altas
velocidades.
Para la seleccin de la bomba (dimetro externo del estator), siempre se deben
considerar las limitaciones existentes por las dimensiones del revestidor y/o forro
ranurado presentes en el pozo (ver Tabla XX, Seccin Estator).
2000180016001400120010008006004002000
26024020018016014012040200 1008060 220 280 300 320
BFPD
m3/da1500
1700
2400
2100
2700
3000
100
120
160
140
180
200
Kg/cm2
PSI
500 RPM
28.40-50028.35-300
28.25-125
28.20-60
24.20-60
24.25-125
24.35-300
24.40-500
24.40-1200
3300
3900
3600
4200
4500
220
260
240
280
300
4800
320
29.45-700
32.40-1200
40.40-1200
48.40-1200
22.40-2500
2000180016001400120010008006004002000
26024020018016014012040200 1008060 220 280 300 32026024020018016014012040200 1008060 220 280 300 320
BFPD
m3/da1500
1700
2400
2100
2700
3000
100
120
160
140
180
200
1500
1700
2400
2100
2700
3000
100
120
160
140
180
200
Kg/cm2
PSI
500 RPM
28.40-50028.35-300
28.25-125
28.20-60
24.20-60
24.25-125
24.35-300
24.40-500
24.40-1200
3300
3900
3600
4200
4500
220
260
240
280
300
3300
3900
3600
4200
4500
220
260
240
280
300
4800
320
29.45-700
32.40-1200
40.40-1200
48.40-1200
22.40-2500
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Nota: En caso de que no se disponga de la grfica mencionada, y en cambio, se
tenga una tabla descriptiva de los tipos de bomba disponible, podra suceder que
nos encontremos con dos bombas diferentes que puedan manejar la misma tasa,pero diferente capacidad de levantamiento. En este caso la correcta bomba ser
aquella que cumpla con nuestro sPp .
3.3.1.2. Seleccin del Tipo de Tubera de Produccin.
Lo ms recomendable para la seleccin de las dimensiones de la tubera de
produccin es mantener el mismo dimetro a lo largo del pozo. En general, los
fabricantes definen para cada tipo de bomba tablas que relacionan la
compatibilidad entre la bomba, la cabilla y la tubera de produccin. Estas tablas
normalmente toman consideraciones especiales para que las dimensiones del
primer tubo conectado encima de la bomba permitan el movimiento excntrico
producido por el rotor y transmitido a la primera cabilla conectada a ste (donde el
movimiento excntrico se hace ms crtico). Ver anexo XX
3.3.1.3. Clculo de los esfuerzos de Tensin, Torsin y Dimensiones de la
Cabilla.
A continuacin se muestra el procedimiento para el clculo de cada uno:
Esfuerzo de tensin F, generado por su propio peso y un diferencial de la
bomba.
Seleccin del grado de la cabilla.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Depende de las caractersticas de los ambientes de operacin. En general en
ambientes corrosivos se requieren cabillas grado K y en ambientes no corrosivos
se utilizan cabillas grado C.
GRADO APLICACIN EN CAMPO
C Ambiente no corrosivos
K Ambientes corrosivos
D Altos requerimientos de cargas
TABLA XX .APLICACIN EN CAMPO DE LAS CABILLAS SEGN SU GRADO.
Dimensiones de la cabilla.
En la tabla anexa, podr observarse las dimensiones y caractersticas de las
cabillas ms usadas:
Dimetro Area Peso en Aire
Constante
Elacticidad Longitud
API (pulg) pulg2 (Wr) (lb/pie) (pulg/lbs/pie) pie
5/8 0,307 1,13 1.270 x 10-6 25 o 30
3/4 0,442 1,63 0.883 x 10 -6 25 o 30
7/8 0,601 2,2 0.649 x 10 -6 25 o 30
1 0,785 2,88 0,497x 10 -6 25 o 30
1 1/8 0,994 3,67 0.393x 10 -6 25 o 30
TABLA XX ESPECIFICACIONES DE CABILLAS.
Carga generada por la altura de la bomba.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Para determinar las cargas de tensin sobre las cabillas, generadas por la
profundidad de asentamiento de la bomba, se puede utilizar la siguiente ecuacin:
sPpdr
EFc
42
22
Donde:
Fc : Carga de tensin sobre las cabillas, generada por la profundidad de
asentamiento de la bomba (lbs).
E: Excentricidad Rotor - Estator. (pulg)
dr: Dimetro del Rotor (pulg)
Pp : Presin de Levantamiento (Head) (psi)
Carga generada por el propio peso de las cabillas sumergidas en el fluido a
la profundidad de la bomba
SGWrDpFp 127.01
Donde:
Fp :Carga generada por el propio peso de las cabillas sumergidas en el fluido a
la profundidad de la bomba. (lbs).
Dp : Profundidad de la Bomba. (pies)
Wr: Peso de las Cabillas. (Ver Tabla XX) (lbs/pie)
SG : Gravedad Especfica del fluido. (Adimensional.)
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Carga axial total soportada por las cabillas y transferida al cabezal (Fa ) (lbs)
FpFcFa Nota: Esta carga axial es un dato importante para conocer el tiempo de vida del
cabezal de rotacin.
Esfuerzo de tensin total soportado por las cabillas ( t )
Viene dado por:
Ac
Fat
Donde:
t : Esfuerzo de tensin total soportado por las cabillas. (psi)
Fa : Carga axial total soportada por la cabilla. (lbs)
Ac : Area seccional de la Cabilla. (pulg2) (Ver Tabla XX)
Esfuerzo mximo soportado ( )(max )
Se ubica en la siguiente Tabla segn el grado seleccionado previamente.
GRADOESFUERZO MAXIMO
SOPORTADO )(maxt [lpc]
C 90000
K 85000
D 115000
Tabla XX. ESFUERZO MXIMO POR TENSIN SOPORTADO
POR LAS CABILLAS SEGN SU GRADO.
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Esfuerzo mximo permisible ( )(per )
Se calcula con la siguiente expresin:
Fsmaxper t )()(
Donde:
)(per Esfuerzo mximo permisible (psi)
)(max : Esfuerzo mximo soportado. (psi)
Fs : Es un factor de servicio que se encuentra en la siguiente Tabla y que depende
del ambiente en el cual operen las cabillas.
AMBIENTE GRADO C GRADO D
Normal 1.0 1.0
Salino 0.65 0.9
H2S 0.5 0.7
TABLA XX. FACTORES DE SERVICIO DE LAS CABILLAS EN FUNCIN DE
SU GRADO Y AMBIENTE DE TRABAJO.
Finalmente, la seleccin de cabillas se realiza comparando el esfuerzo de tensin
t calculado, con los esfuerzos mximos permisible )(pert . La cabilla a utilizar
ser aquella cuyo t < )(pert .
Torsin generada por la resistencia al torque
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
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Para definir el esfuerzo de torsin se hace necesario calcular el torque total que
considera los efectos del torque mecnico y torque por friccin segn la siguiente
expresin:
fm TTT
Donde:
T: Torque Total.
Tm : Torque Mecnico.
Tf: Torque por Friccin.
Clculo del Torque Mecnico:
f
Pm
E
PVT
1000
010432,0
EstatordelPasodEV r
4 .
fE = 0.70 para el diseo (recomendado).
Clculo del Torque por Friccin.
Se realiza a travs de la siguiente expresin:
22
22 ***4
rcart
rcartDpT f
-
7/28/2019 Parte III Diseo
25/40
PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
25
: Velocidad Angular (rad/s)
f : Viscosidad del fluido (Kg/ms)
Dp : Profundidad de la Bomba. (m)
rt: Radio Interno de la Tubera de Produccin. (m)
rca : Radio de la Cabilla. (m)
fT = Torque por Friccin (Newton * m).
Esfuerzo Torsional ( )
3
4
.16*10*45,1
drT
Donde:
: Esfuerzo Torsional (psi)
T: Torque Total. (Newton * m)
dr: Dimetro del Rotor. (m)
Esfuerzo combinado total sobre las cabillas ( c )
22
tc
Donde:
c : Esfuerzo combinado total sobre las cabillas. (psi)
: Esfuerzo Torsional. (psi)
t : Esfuerzo de tensin total soportado por las cabillas. (psi)
-
7/28/2019 Parte III Diseo
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
26
Torque combinado (Tc )
16. 3 cdrTc
Donde:
Tc : Torque combinado. (lbs*pulg)
dr: Dimetro del Rotor. (pulg)
c : Esfuerzo combinado total sobre las cabillas (psi)
3.3.1.4. Seleccin del Ancla de Gas.
La eficiencia volumtrica de las B.C.P, al igual que en otros tipos de bomba es
afectada de manera significativa por la presencia de gas libre. Es por ello que en
los casos donde se espera tener fracciones de gas por encima de lo permisible a
la entrada de la bomba, se recomienda invertir esfuerzos en la colocacin de un
separador de gas.
En aquellos casos donde la separacin de gas natural no es suficiente y la
viscosidad del fluido lo permite se recomienda el uso de un separador esttico de
gas (ancla de gas). Uno de los factores por los cuales no se aplica un separador
dinmico en pozos con bombeo por cavidad progresiva es por que las velocidades
de rotacin alcanzadas son muy bajas y no permiten accionar eficientemente el
separador centrfugo.
3.3.2 Equipos de Superficie.
3.3.2.1. Clculo de Potencia y Seleccin del Motor.
-
7/28/2019 Parte III Diseo
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
27
Potencia del motor
Una vez seleccionada la bomba, se toma su curva de comportamiento
correspondiente. Esta curva de comportamiento varia dependiendo del fabricante,
pero en general con ella podemos calcular los requerimientos de potencia al motor
(HPc) y la velocidad de rotacin (RPM de la bomba) necesaria para producir la
tasa de diseo ( LQ ). (Ver FIG. XX).
CLCULO DE LOS REQUERIMIENTOS DE POTENCIA A PARTIR DE LA
CURVA DE LA BOMBA
0
3
6
9
12
15
18
100 RPM
200 RPM
300 RPM
400 RPM
500 RPM
100RPM
200RPM
300RPM
400RPM
500RPM
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
100
200
300
400
500
600
10
15
20
25
5
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
20 40 60 80 100 1200
0
m3/da
BFPDHP Kw
PSI
Kgf/cm2
0
3
6
9
12
15
18
0
3
6
9
12
15
18
100 RPM
200 RPM
300 RPM
400 RPM
500 RPM
100RPM
200RPM
300RPM
400RPM
500RPM
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
100
200
300
400
500
600
100
200
300
400
500
600
10
15
20
25
5
0
10
15
20
25
5
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
20 40 60 80 100 12020 40 60 80 100 1200
0
m3/da
BFPDHP Kw
PSI
Kgf/cm2
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
28
La potencia del motor considerando los esfuerzos combinados, tambin puede ser
calculada mediante la siguiente expresin:
63024
RPMTcHP
HP: Potencia del Motor.
Tc : Torque combinado. (lbs*pulg)
RPM: Velocidad.(RPM)
A la potencia calculada se deben aplicar los siguientes factores de seguridad
segn el caso.
Equipo accionado por motovariador mecnico (considera un factor de seguridad
de 20% correspondiente a prdidas por poleas, correas y rodamientos):
2.1 HPHPmv
Equipo accionado por motorreductor (considera un factor de seguridad de 10%
correspondiente a prdidas por rodamientos):
1.1 HPHPmr
3.3.2.2 Seleccin del Cabezal de Rotacin.
La seleccin del Cabezal de Rotacin se realiza con la carga axial Fa (lbs), con
este valor se va a la grfica del fabricante, (en este caso tomaremos de ejemplo la
Marca Geremia), para entrar en las grficas se tiene que convertir el valor de Fa
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
29
en lbs a Toneladas. En el catalogo del fabricante se tienen la grficas de
Velocidad de Rotacin (RPM) vs Vida til del Equipo, correspondiente a los
modelos de cabezales de rotacin, en la misma se observan los valores de laCarga Axial en Toneladas y se obtiene la Vida til del equipo de acuerdo a la
Velocidad de Rotacin. Ver Grfica XX.
CABEZAL DE ROTACION BV-9-1"
(9 TON. BEARING)
7
Ton8
Ton
9
Ton10
Ton
12
Ton
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
LIFE (HOURS*1000)
RPM
FIG. XX. GRAFICA DE VIDA UTIL DEL CABEZAL DE ROTACION
GEREMIA BV-9-1.
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
30
Esta seleccin solo considera los requerimientos de carga por diseo, pero es
importante resaltar que se debe verificar la compatibilidad del cabezal de rotacin
con el motor mediante la tabla suministrada por el fabricante, con lasespecificaciones del motor seleccionado. (Ver Tabla XX)
MODELO
DEL
CABEZAL DE
ROTACION
POTENCIA
(KW)
MODELO DEL MOTOR ACOPLE
SEW FLENDER FLENDER
BV-9-1
4 RF 80 DX 112 M4 EF 80-A 112 M4
A 180
N-EUPEX
7.5 RF 80 DX 132 M4 ZF 80-G 132 M4
9.2 RF 80 DX 160 M4
11 RF 80 DX 160 M4
15 RF 80 DX 160 LZ4
BV2-15-1 1/8
18.5 (25 HP) RF 90 DX 180 M4
22 (30 HP) RF 90 DX 180 L4A 200
N-EUPEX
30 (40 HP) RF 100 DV 200 L4
37 (50 HP) RF 100 DV 225 S4
3.4. PARAMETROS QUE AFECTAN EL DESEMPEO DE LA BOMBA.
FRACCION DE GAS LIBRE vs. PRESION.
La Fraccin de Gas Libre (Fg) a la entrada de la bomba es una variabledeterminante en el funcionamiento y en la factibilidad de aplicar el mtodo BCP y
adems es altamente dependiente de la Relacin Gas Petrleo (RGP), Rs,
Presin y Temperatura.
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
31
FIG. XX FRACCION DE GAS LIBRE VS. PRESION
En la figura se presenta:
Fraccin de Gas Libre (Fg) en funcin de la Presin de Entrada a la Bomba.
Sensibilidad a la Relacin Gas Petrleo (RGP).
Eficiencia de Separacin Constante.
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
pip (psig)
Fg
RGP=100
RGP=200
RGP=400
RGP=600
RGP=800
RGP=1000
Efi. Separacin = 50%
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
32
La figura muestra por ejemplo que para una diferencia de 400 (Lnea desde
el valor de RGP de 600 a 1000) puede llegar a representar una diferencia de 12%aproximadamente para una presin constante de 550 a una eficiencia de
separacin constante de 50 %.
En conclusin, para un valor constante de Presin de Entrada a la Bomba al
realizar sensibilidad a la Relacin Gas Petrleo (RGP) se observa que a medida
que esta aumenta el Porcentaje de Gas Libre a la Entrada de la Bomba tambin
aumenta, (todo esto a Presin de entrada a la Bomba y a una Eficiencia de
Separacin constante).
RELACIN GAS PETRLEO (RGP) vs. CAUDAL.
En esta seccin se presenta el efecto de la Relacin Gas Petrleo (la cual
es directamente proporcional a la Fraccin de Gas Libre a la Entrada de la Bomba)
en el Caudal de Petrleo producido.
En la figura se presenta:
Caudal de Petrleo (Qoil) en funcin de la Presin de Entrada a la Bomba.
Sensibilidad a la Relacin Gas Petrleo (RGP).
Eficiencia de Separacin Constante.
La figura muestra que para este caso una diferencia en la Relacin Gas
Petrleo (RGP) de 800 (Desde el valor de RGP de 400 a 1200) representa una
reduccin en la produccin de 100 BPD.
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
33
Fig. RELACIN GAS PETRLEO (RGP) vs. CAUDAL.
En conclusin, al realizar la sensibilidad a la Relacin Gas Petrleo (RGP)
se observa que medida que esta aumenta se reduce el Caudal de Petrleo quepuede ser manejado por la Bomba.
Este fenmeno ocurre ya que hay una mayor cantidad de gas a la entrada
de la bomba lo que reduce la eficiencia volumtrica, ya que el espacio de ocupa el
gas debera ocuparlo el crudo, (todo esto a una eficiencia de separacin
constante).
EFICIENCIA DE SEPARACIN VS. CAUDAL.
Como se explic anteriormente, el aumento en la Relacin Gas Petrleo (lo
que se traduce en un aumento del Porcentaje de Gas Libre a la entrada de la
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
1200 SCF/STB
800 SCF/STB
400 SCF/STB
RGP
(SCF/STB)
Qoil
(bnpd)
400 520
800 450
1200 420
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
1200 SCF/STB
800 SCF/STB
400 SCF/STB
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
1200 SCF/STB
800 SCF/STB
400 SCF/STB
RGP
(SCF/STB)
Qoil
(bnpd)
400 520
800 450
1200 420
-
7/28/2019 Parte III Diseo
34/40
PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
34
Bomba) reduce notablemente el Caudal de Petrleo Producido dada una
reduccin en la eficiencia volumtrica, todo esto a una eficiencia de separacin
constante, en esta seccin se evaluar la sensibilidad a dicha eficiencia deSeparacin.
En la figura se presenta:
Caudal de Petrleo (Qoil) en funcin de la Presin de Entrada a la Bomba
Diferentes valores de la Eficiencia de Separacin.
Relacin Gas Petrleo Constante.
EFICIENCIA DE SEPARACIN VS. CAUDAL.
La figura muestra que para este caso una diferencia en la Eficiencia de
Separacin de 60 % (Desde el valor de 30 a 90) representa un aumento en la
produccin de 170 BPD.
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
Efsep= 30%
Efsep= 60%
Efsep= 90%
Efic. Sep
(%)
Qoil
(bnpd)
30 380
60 45090 550
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
Efsep= 30%
Efsep= 60%
Efsep= 90%
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
Efsep= 30%
Efsep= 60%
Efsep= 90%
Efic. Sep
(%)
Qoil
(bnpd)
30 380
60 45090 550
-
7/28/2019 Parte III Diseo
35/40
PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
35
En conclusin, al realizar la sensibilidad a la Eficiencia de Separacin se
observa que medida que esta aumenta el Caudal de Petrleo tambin aumenta.
Este fenmeno ocurre ya que hay una reduccin en la cantidad de gas a la
entrada de la bomba lo que aumenta la eficiencia volumtrica, (todo esto a una
Relacin Gas Petrleo Constante), de all se determina la necesidad del uso de
separadores o manejadores de gas.
VELOCIDAD DE OPERACIN VS. CAUDAL.
En esta seccin se presenta el efecto de la velocidad de operacin en el
Caudal de Petrleo.
En la figura se presenta:
Caudal de Petrleo (Qoil) en funcin de la Presin de Entrada a la Bomba.
Diferentes valores de la Velocidad de Operacin.
Relacin Gas Petrleo Constante.
Eficiencia de Separacin Constante.
La figura muestra que para este caso una diferencia en la Velocidad de
Operacin de 400 r.p.m. (Desde el valor de 100 a 500) representa un aumento en
la produccin de 425 BPD.
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
36
En conclusin, al realizar la sensibilidad a la Velocidad de Operacin se
observa que medida que esta aumenta el Caudal de Petrleo tambin aumenta.
Fig. SENSIBILIDAD A LA VELOCIDAD DE OPERACIN VS. CAUDAL.
3.5. PROGRAMAS DE APOYO. COMPARACION DE SIMULADORES
COMERCIALES.
Una vez recopilados todos los datos e informacin necesaria para disear
un sistema de BCP se recomienda hacer uso de un programa desarrollado para
esa finalidad.
Actualmente se cuenta con los programas BCPI (PDVSA INTEVEP),
Win.Petro (PCM), el Screw-Pump (Griffin), el PC-Pump (C-Fer), etc.
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
100 r.p.m 300 r.p.m 500 r.p.m
N
(r.p.m)
Qoil
(bnpd)
100 125
300 350
500 550
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
100 r.p.m 300 r.p.m 500 r.p.m
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00
Caudal Oil(STB/day)
P
(psig)
100 r.p.m 300 r.p.m 500 r.p.m
N
(r.p.m)
Qoil
(bnpd)
100 125
300 350
500 550
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
37
El programa BCPI utiliza el anlisis nodal para determinar el punto de
funcionamiento ptimo (caudal mximo), compatible con la capacidad de
produccin del pozo y las posibilidades operacionales de la bomba sugerida por elusuario. Adicionalmente permite la asignacin arbitraria del caudal de crudo y de
la velocidad de rotacin, con valores inferiores a los determinados por el programa
en la etapa de optimizacin.
SIMULADOR BCPI. PRESELECCION.
Fig. BCPI PRESELECCION.
-
7/28/2019 Parte III Diseo
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
38
CARACTERISTICAS RESALTANTES:
SIRVE DE AYUDA PARA INGENIEROS DE POCA PERICIA EN EL AREA.
REALIZA PRESELECCION BASADA EN CRITERIOS DE DISEO.HERRAMIENTAS PARA ESTANDARIZACIN DE EQUIPOS.
SIMULADOR SIESE. PRESELECCION.
Fig. SIMULADOR SIESE. PRESELECCION
CARACTERISTICAS RESALTANTES:
SIRVE DE AYUDA PARA INGENIEROS DE POCA PERICIA EN EL AREA.
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7/28/2019 Parte III Diseo
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
39
REALIZA UNA PRESELECCION DEL ELASTOMERO EN FUNCIN DE
CARACTERISTICAS DEL CRUDO.
HERRAMIENTAS PARA ESTANDARIZACIN DE EQUIPOS.
PC PUMP. DISEO.
Fig. PC PUMP. DISEO
CARACTERISTICAS RESALTANTES:
-
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PARTE III. DISEO DEL SISTEMA BCP
INCLUSIN DE CABILLA CONTINUA ENTRE OTRAS
BASE DE DATOS DE EQUIPOS DE SUPERFICIE Y BOMBAS.
INCLUSION DE ELECTROBCP CON DISEO DEL CABLE.POZOS HORIZONTALES (NO MULTILATERALES).
IPR, FETKOVICH, VOGEL, ENTRE OTRAS CORRELACIONES.
CORRELACIONES DE FLUJO MULTIFASICO (ANSARI) Y BLACK OIL.
COMPARACIN DE EQUIPOS
Carac tersti ca BCPI (INTEVEP) PC-Pump (CFER)
Manejo de pozos
horizontales
Modelo muy sencillo, no
validado con datos reales.No considera desgaste.
Modelo validado con datos
de campo si consideradesgaste
Flujo en Tubera deProduccin
Pseudo fluido. Monofsicocon correccin pordensidad
Monofsico y multifsico.Utiliza los modelos ycorrelaciones de laUniversidad de Tulsa.
Base de datos debombas
Se limita a las curvas decomportamiento hidrulicode las bombas.
Incluye curvas hidrulicas yotros detalles geomtricossuministrados directamentepor los fabricantes (nodisponibles en catlogo).
Pre - Seleccin deElastmeros Sistema experto deSeleccin (SIESE) En discusin implantarinterface con el SIESE.Mtodo para estimarEficiencia deseparacin de fondode pozo
Es requerido como dato(en proceso desarrollo demodelo basado en datosde laboratorio)
Es requerido como dato. (Nose esta desarrollando ningnestudio al respecto)
InterfaseBasada en MS-DOS.Versin Beta basada enMS Windows.
Basada en MS Windows,ampliamente probada
Modelo del yacimiento
Curva IPR Vogel parapozos verticales y
Bendaklia y Azis paraHorizontales
Curva IPR Vogel y Fetkovichpara pozos verticales yBendaklia y Azis paraHorizontales.
Diseo de sistemasElectro-BCP
No poseePosee modulo de diseoactualizado.
LIQUIDO Y
GAS CON BAJA
PRESION
Lneade Gas
GAS CON
ALTAPRESION
AGUACRUDOEnte deFiscalizacin
LIQUIDOGAS CON
BAJA
PRESION
GAS CON
ALTAPRESION
Estacin deFlujo
Plantade
Compresin
Mltipl
e
LLXXX
Pozo