Sistemas artificiales de producción

Impartida por: Ing. Raúl Carmona Díaz

Wendy Gutierrez Pech Pamela Ramírez Badillo Juan Janet Dominguez Quiroz Aileen Mejenes García Montserrat Reyes

Ascencio

Presentado por:

Universidad Autónoma del

CarmenFacultad de

Ciencias Químicas y Petrolera

Las longitudes de emboladas en las

unidades de bombeo mecánico

Métodos operacionales para unidades de Bombeo Mecánico Convencionales

A. Longitud de recorrido del pistón

Para una sarta de tubería de producción anclada el recorrido del pistón es calculado mediante:

Si la tubería de producción no esta anclada, la elongación de la tubería de producción debida a la disminución de la carga de fluido en el recorrido del pistón esta dado por:

B.- Desplazamiento del pistón

Si se asume un 100% de eficiencia de llenado( es decir si el barril esta lleno completamente con liquido durante todo el recorrido), el volumen diario desplazado por la bomba puede ser calculado con base a la longitud de recorrido del pistón:

C.-Carga sobre la barra lisa

La carga máxima y mínima sobre la barra lisa durante el ciclo del bombeo:

Contrabalance en la unidades de

Bombeo Mecánico.

El efecto de contrabalance tiende a equilibrar las fuerzas generales en el ciclo de bombeo, debido a que en el ascenso se produce las condiciones de mayor trabajo al levantar la carga, por el aceleramiento de la sarta de cabillas durante la embolada.

El trabajo presenta un descenso menor si el contrabalance no es adecuado y se producirá un desequilibrio de fuerzas en el sistema y el consumo de energía es mucho mayor y desde luego pueden ocurrir daños en los equipos.

Su principal función es la de almacenar energía en la carrera descendente cuando la carga en el vástago pulido es baja y la de dar energía en la carrera ascendente cuando la carga en el vástago es alta, distribuyendo uniformemente las cargas y torques que debe sustentar al motor primario.

Contrabalance ideal (Ci).

El efecto sucede cuando el motor primario acarrea las mismas cargas promedio en la carrera ascendente y descendente.

El efecto de Ci es:

Donde:WMAX: carga máxima en el vástago pulido= lbsWMIN: carga mínima en el vástago pulido = lbsWF: carga del fluido= lbsWR: peso de la sarta de varillas= lbsG: gravedad especifica del fluido producido

Formula para el efecto de contrabalance usada en el método API.

Donde: WRF: peso total de las varillas en fluido=lbs Fo: carga de fluido diferencial en el area total del

pistón= lbs

Tipos de motores utilizados en el bombeo

mecánicoVentajas y desventajas

Unidad de motores Es el encargado de suministra la energía necesaria a la unidad

de bombeo para levantar los fluidos de pozo. Es motores pueden ser de combustión interna o eléctricos.

Los motores de combustión interna pueden ser de baja o alta velocidad; los de baja velocidad operan entre 200 y 600 rpm y poseen un cilindro, los de alta velocidad funcionan entre 800 y 1400 rpm.

En la actualidad el tipo de motor mas utilizado en la industria petrolera es el motor eléctrico, este posee también una velocidad constante (baja velocidad ) y una potencia que varia entre 5 y 100 hp, el motor de velocidad variable (alta velocidad) su potencia varia entre los 10 y 200 hp este ultimo utilizado para alto deslizamiento.

Clasificación de los motores eléctricos

Los motores eléctricos para bombas de cabillas son principalmente motores de inducción de tres fases. NEMA D (Nacional Electrical Manufacturers Association) clasifica los motores según el deslizamiento y las características de torque durante el arranque.

NEMA D es el motor de unidad de bombeo mas ampliamente reconocido.

Su rango de deslizamiento va desde 5% hasta 13%. Otros motores en el campo petrolero incluyen NEMA C con un máximo deslizamiento de 5% y NEMA B con un máximo deslizamiento de 3%.

Motores de ultra alto deslizamiento

Motores eléctricos especiales con deslizamiento mayor al 13% son denominados motores de ultra alto deslizamiento. Estos son diseñados para variaciones altas de velocidad y pueden ayudar a reducir los torques picos en la caja de engranaje y las cargas de las cabillas. Puedes calibrar los motores ultra de alto deslizamiento en diferentes modos dependiendo del deslizamiento y torque en el arranque deseado. El modo en bajo torque ofrece los más bajos torque en la arrancada y las variaciones de velocidad más grandes. El modo de alto torque ofrece los mayores torque en la arrancada y las variaciones de velocidad mas bajas. Motores de Ultra alto deslizamiento usualmente tienen un modo medio o bajo-medio con características entre los modos de bajo y alto torque.

Motores de gas Existen dos tipos de motores a gas. Motores de baja

velocidad con uno o dos cilindros, y motores multicilindros de alta velocidad. Motores de baja velocidad tienen velocidades de 700 rpm o menores y alto torque. Motores multicilindros pueden tener altas variaciones de velocidad (hasta un 35%) mas que motores de baja velocidad.

Motores de gas típicamente queman gas rentado y son generalmente más baratos que operar motores eléctricos. Sin embargo, los costos de capital y el mantenimiento son usualmente más altos que para motores eléctricos. Motores a gas son primordialmente utilizados en locaciones remotas sin disponibilidad de electricidad.

Consideraciones para el bombeo mecánico

En la realidad, diseñar sistemas de Bombeo Mecánico es un proceso de ensayo y error que usualmente resulta en un sistema que podría estar muy distante del ideal. Debido a que obtener un diseño ideal requiere de equipos y datos que bien no podrían estar disponibles, sólo los parámetros del sistema más obvios son usualmente considerados como:

Para una buena selección del equipo a utilizar es necesario conocer datos que soporten la decisión, entre estos datos podemos citar:

La tasa de producción esperada, las cargas a soportar por las cabillas, las cargas en la caja de engranajes de la unidad de bombeo, costos de energía, aporte del yacimiento.

A continuación se describen algunos de los factores más importantes a considerar:

Bomba de subsuelo Las bombas de subsuelo pertenecen a la familia de bombas

de desplazamiento positivo, del tipo reciprocante. Estas bombas son colocadas en el fondo del pozo, a profundidades que oscilan entre 200 y 7000 pies. La bomba de subsuelo es el primer elemento que se debe considerar al diseñar una instalación de bombeo mecánico para un pozo, ya que de acuerdo al tipo, tamaño y ubicación, se dimensiona el resto de los componentes del sistema.(a)El émbolo se mueve hacia

abajo cerca del fondo de la carrera.

(b) El émbolo sube, cerca del fondo de la carrera.

(c) El émbolo sube cerca de la parte superior de la carrera.

(d) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del tope de la carrera.

Tasa de producción

Se presenta el trabajo mostrado por “High-Rate Artificial Lift” en donde se observa los caudales manejados por bombeo mecánico en función de la profundidad. En el se muestra que la cantidad de fluido manejado es inversamente proporcional a la profundidad, estamos hablando que a 1000 pies de profundidad estaríamos en capacidad de manejar hasta 4000 barriles de fluido por día, en cambio para profundidades por encima de 7000 pies, apenas manejaríamos hasta 500 barriles de fluido diario.

Manejo de solidos Los sólidos pueden generar efectos indeseables en la

bomba, llegando al punto de paralizar el movimiento del pistón en el barril y a su vez crear incrementos de esfuerzos en cabillas y en la unidad de bombeo. Esto es debido a que la boma de subsuelo es un conjunto de componentes metálicos en movimiento con un ajuste específico.

Profundidad y Sarta de Cabillas

La sarta de cabillas es el medio de transporte de la energía desde el equipo de superficie hacia la bomba de subsuelo. Por supuesto, esta transmisión de energía esta influenciada por el comportamiento de la sarta, que a su vez depende de la profundidad.

Esto hace que la sarta de cabillas se comporte como un cuerpo flexible y su movimiento este influenciado por la inercia que se genera a partir del movimiento transmitido desde la unidad de bombeo. En este sentido el sistema de bombeo mecánico es sensible a la profundidad, y se debe tomar en cuenta al momento de diseñar.

Costo de Inversión El análisis económico soporta el diseño de un

sistema de levantamientoartificial, ya que evalúa los costos de la inversión con respecto a la producción del pozo y asegura un flujo positivo de caja en la operación.

Como ejemplo, la figura 1.3 compara los costos de inversión de tres tipos de levantamiento artificial (bombeo mecánico, bombeo hidráulico y bombeo electrosumergible) con respecto a la tasa de flujo manejada y a una profundidad común de 5000 pies.

De esta gráfica se puede decir que el Bombeo Mecánico se encuentra en ventaja, desde punto de vista económico, con respecto a los otros métodos de levantamiento para un rango de producción hasta 300 barriles por día, caudales mayores a este valor, es preferible utilizar otro sistema de levantamiento, en este caso bombeo hidráulico, y para el manejo de caudales por encima de 800 barriles por día, la mejor opción es el bombeo electrosumergible.

Costos de la energía y eficiencia del sistema

Cuando se realiza un diseño en levantamiento artificial es importante tomar energía y en cuenta cual debe ser la prioridad de diseño, es decir, si se requiere una eficiencia del configuración para la máxima producción de fluidos, o si se necesita un sistema configuración con el óptimo consumo de energía. Esto es válido cuando los costos de energía afectan de manera sensible la rentabilidad del proyecto.

Bombas subsuperficiales

Bombas subsuperficiales

¿Qué son las bombas subsuperficiales?La bomba subsuperficial son las que consiste en un barril metálico o pistón accionado desde la superficie y de dos válvulas selladoras que abren y cierran alternadamente cuando el émbolo se desplaza.

Tipos de bombas subsuperficial

Las bombas subsuperficiales accionadas por varillas para pozos productores de aceite, se pueden clasificar en tres grupos principales:

Bombas de tubería de revestimiento. Bombas de tubería de producción. Bombas de inserción.

Bombas de tubería de revestimiento

En éstas bombas no utiliza la tubería de producción, están ancladas con un empacador a la pared interior de la tubería de revestimiento.

Son aplicables en la producción de grandes volúmenes de fluido, ya que tiene mayor capacidad que cualquier otro tipo de bomba.

No son eficientes en pozos con alta producción de gas, la capacidad de las varillas limita su uso, su costo y reparación en comparación con otras bombas, es menos económico.

Este tipo de bombas son sólo una versión más grande de las bombas de inserción

Bombas de tubería de producción

Las bombas de tubería de producción pueden producir mayor cantidad de fluido que una bomba insertable, ya que el barril de trabajo es parte de la sarta de tubería y se puede usar un émbolo de mayor diámetro. Éstas bombas quedan conectadas en el extremo superior del barril con una zapata regular o bien con una zapata de extensión conectada al barril con un niple corto. Este arreglo es conveniente, pues deja toda la longitud del barril disponible para el desplazamiento del émbolo, además de que la arena u otros materiales que se acumulan en la parte inferior del barril no entran fácilmente al mismo.

Es eficiente en pozos con liberación de gas, ya que el fluido se produce por la tubería de producción, el gas puede escapar por el espacio anular producido entre la tubería de revestimiento y la tubería de producción, también se puede utilizar en pozos con aceite viscoso, pues permite el uso de barriles de mayor diámetro.

Como varillas y tuberías deben sacarse para cambiar o reparar las partes dañadas, la instalación de éstas bombas es generalmente para profundidades medias y volúmenes altos de producción.

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.

Se clasifican con respecto al diámetro de tubería de producción a la que van acopladas, de la siguiente manera:

Bombas de inserciónLas bombas insertables son introducidas junto con las varillas dentro de la tubería de producción. Tienen la ventaja de que son más fáciles de llevar a la superficie para su inspección y mantenimiento, ya que las partes que están sujetas a desgaste, se llevan a la superficie con solo sacar las varillas y la reinstalación se hace con la introducción de las mismas. Tienen menos área de trabajo para el émbolo en el mismo diámetro de tubería que para una bomba de tubería de producción y no son aplicables para bombear fluidos viscosos, en el caso de pozos de baja producción.

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. Es 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.

Tres tipos básicos de bombas de inserción

1.- Bombas de barril fijo y anclaje superior.

2.- Bombas de barril fijo y anclaje inferior.

3.- Bombas de barril viajero y anclaje inferior.

Bombas de barril fijo y anclaje superior

En este tipo de bomba el fluido es descargado inmediatamente arriba del anclaje, lo que evita que arena u otros materiales caigan en el interior de la bomba. Es eficiente en pozos con producción de gas. En la carrera descendente, la válvula estacionaria soporta la columna de fluido; y es recomendable en pozos pocos profundos ( menos de 800 metros de profundidad).

Bombas de barril fijo y anclaje inferior

En este tipo de bomba, el anclaje está en la parte inferior de la bomba, por lo que ésta bomba es aplicable en pozos profundos con nivel de fluido bajo.

Proporciona una mayor eficiencia cuando se opera en conjunto con un separador subsuperficial de gas.

Como el fluido es descargado arriba, existe la posibilidad de que algunos materiales se depositen en el interior o exterior de la bomba, por lo que es recomendable colocar sellos superiores.

Bombas de barril viajero y anclaje inferior.

En ésta bomba el barril es el que mueve y el émbolo permanece fijo, el barril está conectado a las varillas por un conector y contiene a la válvula viajera, que es grande en comparación con otros tipos de bombas. La válvula estacionaria está colocada en la parte superior del émbolo, el cual esta sostenido por un tubo hueco conectado al anclaje inferior, no es recomendable usarla en pozos con producción de gas.Es eficiente en pozos con arenamiento, ya que la acción turbulenta del fluido mantiene la arena en suspensión. En la carrera descendente el peso del fluido se deposita en la válvula estacionaria, así mismo el tubo que la sostiene debe soportar la carga, lo que elimina su uso en pozos profundos.

El Instituto Americano del Petróleo (API) en sus especificaciones para bombas de pozo petrolero, norma “II-A” , clasifica las bombas subsuperficiales en cinco grupos. A continuación se enlista dicha clasificación, así como las literales adoptadas.

1.- Bomba de tubería de producción con zapata regular.2.- Bomba de tubería de producción con zapata de extensión de niple.3.- Bomba de inserción barril fijo y anclaje superior.4.- Bomba de inserción barril fijo y anclaje inferior.5.- Bomba de inserción barril viajero y anclaje inferior.

Duración de la bomba subsuperficial

De acuerdo con los expedientes de mantenimiento, cuanto más dura la bomba, se tiene una mayor recuperación de aceite, por lo tanto es sumamente importante seleccionar correctamente la bomba requerida y usar materiales especiales si son necesarios.

En la mayoría de los campos con inyección de agua al yacimiento, los pozos producen con altos porcentajes de agua, por tal motivo se deben usar barriles pulidos y endurecidos con émbolos cromados. Este arreglo proporciona un buen resultado cuando se bombea gran cantidad de fluido.

Conclusión En conclusión se tiene que el funcionamiento del

bombeo mecánico consiste en una bomba que se baja dentro de la tubería de producción, la cual es accionada por medio de unas varillas que transmiten un movimiento desde el aparato de bombeo que consta de un balancín. La principal dificultad que presenta la implementación de este método es el hecho de que no puede ser utilizado a grandes profundidades debido a las grandes extensiones de varillas que deberían usarse.