Bombeo Hidraulico Xmas Tree

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Árbol de navidad con completación de bombeo hidráulico

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rbol de Navidad para Bombeo Hidrulico

Escuela Superior politcnica del litoralrbol de Navidad para Bombeo HidrulicoFacilidades de Superficie IIIntegrantes:Andrade Bravo Joselyn GabrielaArmijo Guamn Pedro DanielChele Bravo Abraham GregorioLligizaca Jorge RodrigoMurillo Zambrano YandryProfesor: Msc. Rommel ErazoEnero del 2016

Contenido1.Introduccin32.Objetivos33.Definiciones44.Desarrollo44.1.Fundamento de bombeo hidrulico44.2.Fluido Motriz54.3.Sistemas de operacin74.3.1.Sistema de fluido motriz abierto74.3.2.Sistema de fluido motriz cerrado74.4.Elementos de superficie84.4.1.Tubera de alta y baja presin.84.4.2.Unidad de potencia.84.4.3.Cabezal de distribucin o Manifold84.4.4.Cabezal de pozo84.5.Elementos de fondo104.5.1.Cavidad.104.5.2.Vlvula de pie (Standing Valve).104.5.3.Bomba.104.5.4.Camisas.104.6.Tipos de bombeo hidrulico104.6.1.Bombeo hidrulico tipo pistn104.6.2.Caractersticas del bombeo hidrulico tipo pistn104.6.3.Operacin de la bomba tipo pistn114.7.Bombeo hidrulico tipo jet124.7.1.Principio de funcionamiento134.7.2.Operacin bombeo hidrulico tipo jet144.7.3.Relaciones Boquilla / Gargantas en volumen y Presin bomba jet.144.7.4.Cavitacin en bombas jet164.8.Ventajas del sistema tipo jet respecto al tipo pistn164.9.Limitaciones del sistema jet respecto del pistn174.10.Factores que afectan a la operacin de bombas jet174.11.Limitaciones para bombas tipo jet174.12.Tipos de sistemas de subsuelo174.12.1.Sistema de bomba libre174.12.2.Sistema de bomba fija184.13.Ventajas y desventajas del sistema de bombeo hidrulico184.13.1.Ventajas184.13.2.Desventajas195.Parmetros a considerar en el diseo de un rbol de navidad con sistema de levantamiento tipo bombeo hidrulico205.1.Anlisis nodal205.2.Componentes del anlisis nodal215.3.Recorrido de los fluidos en el sistema225.4.Curvas de oferta y demanda de energa en el fondo del pozo: Curvas VLP/IPR o Inflow vs Outflow245.5.Anlisis nodal para la optimizacin de sistemas de bombeo hidrulico jet256.Ensamble de rbol de navidad para levantamiento por bombeo hidrulico266.1.Funciones266.2.Partes principales276.3.Ejemplos de Christmas tree307.Conclusiones318.Referencias329.Anexos33

1. IntroduccinLa produccin de hidrocarburos necesita de mecanismos de levantamiento artificial, cuando la energa natural del yacimiento ya no es la suficiente para poder extraer el hidrocarburo a superficie. Son muchos los mtodos utilizados para lograr la produccin del crudo, pero en nuestro trabajo hablaremos del bombeo hidrulico que es considerado por muchos como uno de los ms eficientes para la extraccin del crudo del subsuelo cuando es necesario un utilizar sistemas de levantamiento artificial. El sistema de bombeo hidrulico necesita de componentes en superficie, para poder ser utilizado y algunos ensamblajes para dar una mayor seguridad de este sistema empleado. Uno de los componentes que utiliza el sistema de bombeo y del que hablaremos en nuestro proyecto es el rbol de navidad para completacin con bombeo hidrulico. Luego de perforar el pozo y haber instalado las secciones del cabezal, se procede a instalar el rbol de navidad (Xmas-tree), lo que permite iniciar la produccin del pozo. Para seleccionar el tipo de rbol se considera: el tipo de Completacin, ubicacin de la locacin, presiones a manejar, tipo de empuje, etc. El rbol de navidad o Xmas-tree es un ensamblaje de arreglo de vlvulas y accesorios, ubicado en la parte superior del cabezal de pozo que sirve para el control y direccionamiento del fluido hacia otras reas de la estacin de produccin.Para disear el rbol de navidad es necesario de algunos parmetros como presiones, tipo de fluidos a producir, propiedad del fluido, etc; para lograr un buen dimensionamiento de los componentes que lleva el rbol de navidad y as lograr una buena operacin de extraccin. Con esto se lograr tener el menor dao en los equipos del sistema implementado.

2.Objetivos Definir sistema de levantamiento con bombeo hidrulico. Identificar los tipos de completaciones de un levantamiento con bombeo hidrulico. Presentar las caractersticas principales y parmetro de diseo de un rbol de navidad para un levantamiento con bombeo hidrulico.3.DefinicionesEl rbol de navidad para pozos de petrleo es un conjunto de vlvulas de compuerta, estranguladores y accesorios que controlan el flujo fluido (petrleo, gas o agua) durante la etapa de produccin. Tambin pueden usarse para controlar la inyeccin de Nitrgeno, agua u otros fluidos durante la etapa de recuperacin. Levantamiento artificial, se realiza cuando el pozo deja de producir por flujo natural; es una fuente externa de energa para equipara la oferta con la demanda de energa. La utilizacin de esta fuente tiene como objetivo levantar los fluidos desde el fondo del pozo hasta el separador. Bombeo hidrulico, el principio fundamental aplicado al bombeo en el subsuelo es la Ley de Pascal la misma que explica: Un fluido transmite en todas direcciones la presin que se ejerce sobre l con igual intensidad. En base a este principio y para conseguir la recuperacin de petrleo por medio del bombeo de los pozos, el procedimiento se lo realiza desde una estacin localizada en superficie, mediante una lnea principal llena de fluido presurizado, la misma que permitir transmitir energa hacia un cierto nmero de pozos ubicados dentro de un campo petrolero.4.Desarrollo4.1.Fundamento de bombeo hidrulico

Este sistema utiliza bombas fijas y bombas libres, siendo el sistema el ms econmico porque eliminan los costos de extraccin de la bomba y las bombas pueden deslizarse con la energa del fluido motriz. Este fluido motriz utilizado, debe ser completamente limpio para lo cual se requiere un control operacional en su tratamiento cauteloso. El principio fundamental en el que se basa el bombeo hidrulico es la ley de Pascal, que indica: la presin aplicada en cualquier punto sobre un lquido contenido en un recipiente se transmite con igual intensidad a cada porcin del lquido y a las paredes del recipiente que lo contiene". El uso de este principio permite transmitir la presin desde un sistema superficial central a travs de una tubera llena de lquido a cualquier nmero de puntos debajo de la superficie en un pozo.

Figura 1.- Fundamento de bombeo hidrulico (Tipo pascal)El lquido presurizado conocido como fluido motriz, es enviado a la bomba instalada en el fondo del pozo, a travs de una tubera, una bomba es una mquina hidrulica que transforma la energa con la que es accionada en energa hidrulica del fluido que mueve. Al incrementar la energa del fluido, se aumenta su presin, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas segn el principio de Bernoulli. Es decir la bomba se utiliza para incrementar la presin del fluido producido aadiendo energa al sistema hidrulico, para mover el fluido de una zona de menor presin o altitud a otra de mayor presin o altitud.4.2.Fluido MotrizLos fluidos empleados con ms frecuencia son agua o crudos livianos provenientes del pozo, pero todo depende de las condiciones del mismo. Por condiciones ambientales y de seguridad es preferible utilizar agua. Sin embargo, cuando se usan crudos livianos, es posible diluir los crudos pesados y extra pesados del fondo del pozo, disminuyendo su viscosidad. La inyeccin del fluido de potencia requiere de un sistema hidrulico instalado en superficie, que posee un equipo de tratamiento para eliminar el gas y los slidos indeseados que se encuentren en el fluido a ser inyectado. Es recomendable tratar fluidos que se utilizan como fluido motriz, el objetivo de tratar el fluido es mejorar la vida til de equipos de fondo y superficie. Adicionalmente se intenta hacer una separacin de aceite y agua para seleccionar el fluido motriz ms adecuado para las condiciones especficas. En general las caractersticas ideales que debe poseer un fluido motriz son las siguientes:

Caractersticas ideales del fluido motriz

API29

SG0.88

Agua (% volumen)0.1

Contenido de sedimentos (% peso)0.012

Contenido de sedimentos (% volumen)0.0052

BSW0.1

Contenido Sales (Lb/1000 bbls)8.8

Contenido de Azufre (% peso)0.723

Tabla 1, Caractersticas del fluido motriz idealCuando existe el riesgo de producirse problemas de corrosin, depositacin de asfaltenos, parafinas y la formacin de emulsiones, se debe de acondicionar el fluido motriz con una serie de aditivos que eviten que estos fenmenos deterioren partes del sistema y por ende disminuya la produccin. Para esto se inyecta los siguientes aditivos en determinados puntos del sistema: Inhibidor de corrosin (aprox. 10 m De la descarga de la bomba con una concentracin de 20ppm). Dispersante de slidos (Aprox. 5 m de la descarga de la bomba con unos 20 ppm). Antiescala en la succin del tanque de reposo con una concentracin de 20 ppm. Estos aditivos inyectados al fluido motriz actan de la siguiente manera. El inhibidor de corrosin y el dispersante se mezclan y reaccionan, formando una superficie tenso activa (especie de espuma de jabn), esta espuma circula por todo el sistema Power OIL (tubera de inyeccin, produccin, bombas de superficie, subsuelo, tubing, casing, etc) protegindolo de la corrosin y evitando que los slidos que lleva el fluido de retorno (inyeccin + produccin) se precipiten y obstruyan la tubera y la bomba de subsuelo. El antiescala forma una especie de pelculas a largo de la tubera evitando que el carbonato de calcio (escala) se pegue a las paredes de las misma y reduzca el dimetro de la tubera de produccin (retorno), adems, este qumico es el que desplaza la fase espumosa que forman los dos primeros.La inyeccin de demulsificantes se lo hace de manera directa a pozos con problemas de emulsin, inyectando el qumico desde la locacin a la lnea de flujo.4.3.Sistemas de operacinExisten bsicamente dos sistemas de operacin dentro del bombeo hidrulico: siendo el sistema de fluido motriz abierto y el sistema de fluido motriz cerrado. 4.3.1.Sistema de fluido motriz abiertoLa aplicacin de este sistema es la ms sencilla y econmica. En este sistema, el fluido motriz retorna a la superficie mezclado con el petrleo producido, ya sea por la tubera de descarga o por el espacio anular de las tuberas de revestimiento, produccin o inyeccin, dependiendo del equipo de fondo que se tenga. La aplicacin de este sistema presenta varias ventajas como: la adicin de fluido motriz limpio en pozos que contienen alto porcentaje de agua salada, con lo que se reduce dicho porcentaje y por lo tanto disminuye el efecto de corrosin. As mismo, la adicin de petrleo ligero puede reducir la viscosidad en pozos productores de petrleo pesado.4.3.2.Sistema de fluido motriz cerradoEste sistema es el mtodo ms completo que existe en la actualidad, en el cual, el fluido motriz retorna a la superficie, independientemente del petrleo producido, fluyendo nuevamente hasta el tanque de almacenamiento y formando un circuito cerrado. Esto se logra por medio de una tubera adicional que va alojada en un dispositivo mecnico llamado Cmara de Fondo, instalado en el fondo del pozo. En este sistema se utiliza un elemento de empaque en la unidad de bombeo, que permite aislar el fluido motriz del producido. Las principales ventajas son: la medicin exacta de los fluidos producidos por el pozo y la determinacin del desgaste sufrido por la unidad de bombeo al incrementarse el volumen de fluido motriz utilizado en la lubricacin de los pistones; esto ltimo facilita la programacin del mantenimiento de estas unidades.

4.4.Elementos de superficie4.4.1.Tubera de alta y baja presin. Utilizadas para la conduccin del fluido motriz hasta el pozo, y el retorno de la mezcla hasta la estacin. La tubera de alta presin soporta hasta 5000 psi, mientras las tuberas de baja presin tienen mrgenes de resistencia menores (500800 Psi). 4.4.2.Unidad de potencia.La potencia que requiere el sistema para la inyeccin del fluido motriz, es proporcionada por una unidad constituida por una bomba reciprocante del tipo triplex o quintuplex, accionada por un motor elctrico o de combustin interna. 4.4.3.Cabezal de distribucin o Manifold El fluido que proviene de la bomba superficial, es regulado mediante los dispositivos localizados en el conjunto denominado cabezal de distribucin o manifold. Los cabezales estn provistos de medidores de desplazamiento positivo que permiten determinar el volumen de fluido motriz inyectado, con lo que se puede calcular la eficiencia de operacin de las unidades de bombeo. Se tienen adems, vlvulas reguladoras de flujo, o bien vlvulas reguladoras de presin; las primeras controlan el volumen del fluido motriz inyectado, sin importar la presin de operacin que se tenga, y las segundas permiten controlar automticamente dicha presin de operacin.4.4.4.Cabezal de pozo Todo pozo posee un cabezal, dentro del bombeo hidrulico los cabezales de pozo tienen el mismo sistema de funcionamiento. El cabezal de pozo posee una vlvula MASTER, que est conectada directamente con la sarta de la tubera (tubing) y la tubera de revestimiento (casing), con las lneas de 36 inyeccin y produccin, por lo tanto pilotea el movimiento de cualquier fluido (motriz o retorno) en cualquier sentido dentro del pozo.

Figura 2, Componentes de superficie del sistema de bombeo hidrulico del Pozo Fanny - 169, Bloque 62.

Figura 3, Equipo de superficie para bombeo hidrulico

4.5.Elementos de fondo4.5.1.Cavidad. Es un conjunto de extensiones, camisas y acoples con agujeros dispuestos de manera especial para determinado tipo de bomba (pistn o jet). En el interior de la cavidad se aloja la bomba.4.5.2.Vlvula de pie (Standing Valve). Son necesarios en sistemas abiertos para crear el efecto U y prevenir que el lquido que est circulando regrese de nuevo al reservorio. 4.5.3.Bomba.En este tipo de instalaciones la unidad de bombeo no est conectada a ninguna de las tuberas, por lo que puede ser asentada por circulacin del fluido motriz y desasentada por circulacin inversa.4.5.4.Camisas.Son herramientas que van colocadas directamente en el intervalo de la zona o arena productora y que tiene como objetivo permitir que solo el fluido de la zona o arena en que dicho elemento se encuentra ingrese a travs de l y llegue hasta la cavidad; estas herramientas tienen la particularidad de abrirse o cerrarse con la ayuda de una herramienta auxiliar llamada Shifting tool4.6. Tipos de bombeo hidrulico4.6.1. Bombeo hidrulico tipo pistnEl bombeo hidrulico tipo pistn consiste de un sistema integrado de equipo superficial (motor y bomba reciprocante) acoplado a una tubera conectada al pozo; este equipo transmite potencia a una unidad instalada a una determinada profundidad (pudiendo ser sta el fondo del pozo) mediante accin hidrulica. El flujo de fluido motriz inyectado acciona este equipo subsuperficial, consistente de una bomba y un motor como elementos principales que impulsan el fluido de la formacin a la superficie, mantenindoles una presin adecuada. 4.6.2.Caractersticas del bombeo hidrulico tipo pistn1. Puede alcanzar mayores profundidades que otros sistemas. Debido a la flexibilidad de este sistema ha permitido la explotacin de pozos a profundidades hasta de 18000 pie. 2. La bomba subsuperficial se puede recuperar fcilmente. Una de las ventajas del bombeo hidrulico es la facilidad con que se instalan y recuperan las bombas subsuperficiales (Bomba tipo libre). Para recuperar una bomba, la circulacin se invierte en la sarta de produccin, a fin de desanclarla de su asiento. A continuacin se circula por la sarta del retorno del fluido motriz (o por el espacio anular) para llevarla a la superficie, donde cae en un receptculo para su correspondiente cambio. Para introducir una bomba la operacin se efecta a la inversa. 3. Buena flexibilidad de gastos de produccin. La instalacin de este tipo de bombeo es ideal cuando se tienen a gran profundidad, a baja presin y bajas relaciones gas-aceite, grandes volmenes de fluido por producir (hasta 5000 bl/da). 4. Puede operar en pozos direccionales. Es el sistema artificial de produccin mas indicado para operar en pozos direccionales, a diferencia del bombeo mecnico convencional, bombeo neumtico o electrocentrfugo, los cuales presentan ciertas desventajas. 5. Control del sistema de varios pozos desde un punto nico. Desde ese punto, el operador puede: a) Cerrar o abrir uno, cualquiera o todos los pozos, o la combinacin deseada de pozos. b) Graduar la velocidad de la bomba en cada pozo. c) Medir la velocidad de la bomba en cualquier pozo. 6. Fcil adicin de inhibidores. Debido al estricto control del fluido motriz, pueden agregrsele a ste, toda clase de inhibidores que sea necesarios en la superficie. 7. Manejo de crudos pesados. Esto estar en funcin de la capacidad de la bomba subsuperficial y de su eficiencia. Pero dado el amplio rango de bombas subsuperficiales existentes, el manejo de fluidos de alto peso especfico puede ser factible sin disminuir los ritmos de produccin preestablecidos.4.6.3.Operacin de la bomba tipo pistnLa operacin general de esta unidad puede ser descrita de la siguiente manera: el fluido motriz entra a la unidad por la parte superior hasta un extremo del cilindro motriz, forzando al pistn hacia el otro extremo; cuando el pistn termina su carrera, la vlvula motriz, accionada por la varilla de la vlvula cambia automticamente el sentido del fluido motriz, de tal forma que enva a ste a un extremo del cilindro y permite la salida por el otro extremo y as en forma alternativa. Este movimiento es transmitido al pistn de produccin, desplazando al fluido producido de la formacin, que entra por la parte inferior de la seccin de produccin, tal como se muestra en la figura.

Figura 4, Operacin bombeo hidrulico Tipo pistn

4.7. Bombeo hidrulico tipo jetEl bombeo hidrulico tipo jet es un sistema artificial de produccin especial, a diferencia del tipo pistn, no ocupa partes mviles y su accin de bombeo se realiza por medio de transferencia de energa entre el fluido motriz y los fluidos producidos. El fluido motriz a alta presin entra en la tobera de la bomba, la presin se reduce debido a la alta velocidad del fluido motriz.Esta reduccin de la presin hace que el fluido producido se introduzca en la cmara y se mezcla con el fluido motriz. En el difusor, la energa en forma de alta velocidad es convertida en una alta presin, suficiente para bombear el gasto de fluido motriz y fluido producido a la superficie. Por lo anterior, en el sistema de bombeo hidrulico tipo jet nicamente se tendr el sistema abierto de fluido motriz. (CABRERA.)

4.7.1. Principio de funcionamientoSe basa en el efecto Venturi, que consiste en el paso de un fluido a travs de un rea reducida, donde se produce un cambio de energa potencial a cintica originado a la salida del nozzle o boquila, provocando una succin del fluido de formacin. Estos fluidos entran en un rea constante llamada garganta, luego la mezcla de fluidos sufre un cambio de energa cintica a potencial a la entrada de un rea expandida llamada difusor, donde la energa potencial es la responsable de llevar el fluido hasta la superficie. La descripcin del principio de operacin de las bombas Jet se puede observar en la figura 5.

Figura 5, Principio de operacin Bomba Jet

4.7.2. Operacin bombeo hidrulico tipo jet El fluido motriz entra por la parte superior de la bomba y pasa a travs de la boquilla, que descarga un chorro en la cmara de entrada de los fluidos del pozo, la cual tiene comunicacin con la formacin. En la cmara de mezclado cuyo dimetro es mayor al de la boquilla, se mezclan los fluidos producidos y el fluido motriz. Al mismo tiempo que se efecta la mezcla, el fluido motriz pierde energa que es ganada por los fluidos del pozo. Despus, la mezcla pasa al difusor, que es la ltima seccin de trabajo, en donde la energa que en su mayor parte es conservada en forma de velocidad se convierte en presin esttica; cuando esta presin es mayor que la ejercida por la columna de fluidos en el espacio anular, se establece el flujo hacia la superficie. 4.7.3. Relaciones Boquilla / Gargantas en volumen y Presin bomba jet. La relacin entre el rea de la boquilla y el rea de la garganta, es una variable importante, porque determina el intercambio entre la cabeza de levantamiento y la tasa de flujo de produccin (Figura 5).

Donde:

Las bombas jet pueden ser equipadas con boquillas de dimetros entre 0,05 a 0.6 y gargantas con dimetros entre 0.8 a 1 (Anexo H), aunque los dimetros ms tiles estn entre 0,1a 0,3de boquilla y de 0,15 a 0,6 de garganta debido al nivel de levantamiento requerido y la capacidad de flujo en tuberas comunes en la industria. A la designacin de una boquilla y una garganta se le denomina GEOMETRA. Si para una tobera dada se selecciona una garganta de modo que el rea de la tobera (), sea del 60% del rea de la garganta (), existir un caudal de produccin grande y una cabeza de levantamiento pequeo, el rea (As) como se ilustra en la figura anterior sirve para que los fluidos del pozo pasen. Existirn grandes cabezas de levantamientos si entre la garganta y la tobera se selecciona un (As) pequeo. Como la energa de la tobera es transferida a un caudal ms pequeo que la tasa del fluido motriz, entonces existir un caudal de produccin ms bajo que el utilizado como fluido motriz. Boquillas de mayor dimetro proveen mayor potencia para producir mayores caudales o proveer mayor levantamiento en pozos profundos, si la boquilla no brinda suficiente energa con la mxima capacidad de presin del sistema de potencia de superficie, se requiere seleccionar una boquilla mas grande. Si para una boquilla dada se selecciona una garganta de modo que el rea de la boquilla (), sea del 60% del rea de la garganta (), existir un caudal de produccin grande y una cabeza de levantamiento pequeo, el rea (As) como se ilustra en la Figura 4 sirve para que los fluidos del pozo pasen. Existirn grandes cabezas de levantamientos si entre la garganta y la boquilla se selecciona un As pequeo. Como la energa de la boquilla es transferida a un caudal ms pequeo que la tasa del fluido motriz, entonces existir un caudal de produccin ms bajo que el utilizado como fluido motriz. La relacin de rea comnmente usada oscila entre 0.400 y 0.235. Relaciones mayores de reas a 0.400 son usados normalmente en pozos de gran profundidad con altos levantamientos o solamente cuando es baja la presin del fluido motriz disponible, pequeas reas anulares son ms propensas a cavitacin. Relaciones de reas menores a 0.235 son usadas en pozos pocos profundos o cuando es muy baja la presin de inyeccin, se requiere de una mayor rea anular para que pase el fluido reduciendo el potencial de cavitacin. Estas aportan una cabeza de levantamiento menor pero pueden producir ms volmenes de fluidos que el usado como fluido motriz.

Figura 6, Relacin tobera- garganta y produccin-levantamiento4.7.4. Cavitacin en bombas jetEl fluido es acelerado hasta una velocidad (200 a 300 pie/segundos) para entrar a la garganta, la presin esttica del fluido cae hasta llegar a la presin de vapor del fluido a altas velocidades. Esta baja presin causa que se formen las cavidades bajas de vapor (Cavitacin). Esto provoca choques de fluido de formacin en la garganta por lo que la produccin tiende a bajar cuando el caudal del fluido motriz y la presin aumentan. Se puede manifestar que con un caudal de flujo cercano a cero, desaparece la cavitacin debido a que las velocidades del fluido son bajas. Sin embargo bajo estas condiciones la diferencia de velocidades que existe entre el chorro que sale de la tobera y el fluido producido, hace que se produzca una zona de corte en los lmites de los dos fluidos. Esta zona de corte entre los fluidos genera vrtices (torbellinos) que tienen una presin reducida, por lo tanto se forman cavidades de vapor en el alma de los vrtices, permitiendo la erosin de las paredes de la garganta a medida que las burbujas de vapor colapsan debido al decaimiento del vrtice y el aumento de presin en el difusor de la bomba. 4.8. Ventajas del sistema tipo jet respecto al tipo pistn Elevada confiabilidad en el equipo subsuperficial, debido a la ausencia de partes mviles. Mayor tolerancia a la presencia de arena gracias a los materiales resistentes a la abrasin con que se fabrican la boquilla y garganta de la bomba. Es capaz de producir mayores volmenes que la reciprocante (Pistn).CaractersticaJetPistn

Producciones medias a altasX

Bajas presiones de fondoX

Alto GORX

Presencia de arena/ slidosX

Altos volmenes y tasas de produccin X

Tolerancia a fluidos abrasivos y corrosivosX

Fcil de reemplazarX

Costo de mantenimientoX

Tabla 2, Comparacin de la bomba tipo jet y la bomba tipo pistn4.9. Limitaciones del sistema jet respecto del pistn Requiere ms potencia que las de embolo La eficiencia disminuye notablemente con bajas presiones de entrada4.10. Factores que afectan a la operacin de bombas jet Por experiencia se determin que la bomba de tipo jet es muy sensistiva a cambio en las presiones de entrada; adems es afectada por la densidad, viscosidad y presencia de gas de los fluidos que la bomba admite y descarga. Corrosin, depsitos calcreos, calidad del petrleo motriz y elevadas temperaturas Requieren de 2000 a 3000 pies de profundidad del arreglo de fondo, el arreglo ms comn es el de tipo casing libre, que permite manejar grandes volmenes en pozos de poca profundidad.4.11. Limitaciones para bombas tipo jet Las instalaciones de superficie presentan mayor riesgo, por presencia de altas presiones. Problemas de corrosin. En pozos donde se tiene un alto corte de agua, se requiere inyectar qumicos para bajar la emulsin producida por la jet en los tanques de almacenamiento. Requiere de suficiente cantidad de flujo motriz, esto puede reducir la productividad ya que el fluido motriz usado es generalmente petrleo. La eficiencia de la bomba jet es (26 a 33%). Existen problemas de tratamiento donde se utiliza agua en el sistema de flujo motriz.4.12. Tipos de sistemas de subsueloExisten dos tipos de sistema: El sistema de bomba libre y el sistema de bomba fija.4.12.1. Sistema de bomba libre No requiere de unidad especial para correr y reversar la bomba, esta bomba se desplaza dentro de la sarta de tubera. Para colocar o correr la bomba, se inserta en la sarta de la tubera en la superficie y se la hace circular hasta el fondo, donde se la aloja en el conjunto de fondo (BHA) o tambin conocido como cavidad.Para recuperar la bomba, se inyecta fluido motriz por el espacio anular, esta inyeccin de afluido invertida hace que accione la vlvula de pie (Standing valve) y se presurice en el fondo desasentando la bomba de la cavidad, la presin queda atrapada en las copas que tiene la bomba en la parte superior y de esta forma permite circular hasta superficie para ser reemplazada en ciertos casos se requiere de una unidad especial swab para recuperarla.Es una ventaja este sistema de bomba libre por cuanto permite cambiar o reemplazar equipos sin necesidad de una unidad de reacondicionamiento. 4.12.2. Sistema de bomba fijaLa bomba de fondo se coloca con la tubera de fluido motriz y se coloca en el pozo como una parte integral de dicha sarta, cuando falla el equipo se tiene que cambiar utilizando una unidad de reacondicionamiento.

4.13. Ventajas y desventajas del sistema de bombeo hidrulico4.13.1. Ventajas Capaz de elevar grandes caudales de produccin a mayor profundidad. Aplicable a pozos direccionales Descensos y ascensos libre de la bomba sin intervencin de equipos. Proporciona gran flexibilidad para adaptarse a diferentes cambios de caudales cuando el pozo se encuentra produciendo. El rango de confiabilidad de trabajos en pozos direccionales es mayor. Mediciones de nivel de fluido, esttico y dinmico, as como las presiones de fondo son obtenidas fcilmente. Todos los pozos pueden accionarse desde una sola fuente de fluido motriz. Las bombas hidrulicas del tipo jet estn en la capacidad de manejar con facilidad grandes relaciones de gas y petrleo. Las bombas hidrulicas tipo jet por tener un nmero reducido de partes, su mantenimiento es mnimo y por esta razn su separacin se la puede realizar en la locacin. Las bombas hidrulicas tipo jet pueden producir altos volmenes y al mismo tiempo manejar slidos dentro de la produccin. Las bombas tipo pistn funcionan de manera eficiente a grandes profundidades en relacin con una bomba de varillas porque no existe problemas por estiramiento de la sarta. Este bombeo hidrulica permite agregar al sistema nuevos pozos y/o mejorar el potencial de energa en un sistema existente. El mtodo de extraccin de la bomba puede variar fcilmente mediante una simple operacin con vlvulas.4.13.2. Desventajas El complejo diseo de la bomba pistn hace que la operacin de trabajo sea la adecuada y el asesoramiento tcnico constante para optimizar la durabilidad (tiempo de vida) de los equipos de subsuelo. La reparacin de las bombas pistn se las realiza en un taller adecuado con los aparatos de control y calibracin exactos para chequear la tolerancia de cada una de sus partes. Como se trabaja con presiones de operacin altas el trabajo se lo debe realizar con gran cuidado ya que una mala operacin puede acarrear problemas con consecuencias graves. Para una eficiente operacin de las bombas hidrulicas se requiere que el fluido motriz sea limpio. Cuando los pozos producen con una bomba jet, adicionalmente el Bsw (%) es alto tendremos mayor consumo de qumicos (demulsificantes), las unidades de power oil trabajarn a mayores revoluciones por minuto por lo tanto se consumir mayor cantidad de combustible. Aumento de volumen bruto que debe ser tratado en la superficie para obtener el petrleo limpio necesario y continuar con la operacin.

5. Parmetros a considerar en el diseo de un rbol de navidad con sistema de levantamiento tipo bombeo hidrulicoSe debe considerar la presin de las lneas de alta presin del fluido motriz (3000 psi a 5000 psi generalmente) ya que este indicara la mnima presin que debern soportar los componentes del rbol de navidad para este tipo de bombeo. Los rangos de presin admitidos para los distintos componentes del rbol de navidad se presentan en los anexos adjuntos. Se debe considerar adems la profundidad de operacin; el tipo de bombeo hidrulico, ya se jet o pistn; el tipo de fluido motriz, que puede ser petrleo o agua; y la corrosin que puede suceder en las lneas como en los equipos de superficie debido a los fluidos a tratar.5.1.Anlisis nodalCon la aplicacin de esta tcnica se adeca la infraestructura tanto de superficie como de subsuelo, para reflejar en la fase de almacenamiento el verdadero potencial de produccin de los pozos asociados a los yacimientos del sistema total de produccin. En otras palabras, se logra cerrar la brecha existente entre la produccin obtenida de los pozos y la produccin que deberan exhibir de acuerdo a su potencial real de produccin. El anlisis nodal bsicamente consiste en detectar restricciones al flujo y cuantificar su impacto sobre la capacidad de produccin total del sistema. El anlisis nodal de un sistema de produccin, realizado en forma sistemtica, permite determinar el comportamiento actual y futuro de un pozo productor de hidrocarburos, y consiste en dividir este sistema de produccin en nodos de solucin para calcular cadas de presin, as como gasto de los fluidos producidos, y de esta manera, poder determinar las curvas de comportamiento de afluencia y el potencial de produccin de un yacimiento. Como resultado de este anlisis se obtiene generalmente un aumento en la produccin y el mejoramiento de la eficiencia de flujo cuando se trata de un pozo productor, peo cuando se trata de un pozo nuevo, permite definir el dimetro ptimo de las tuberas de produccin, del estrangulador, y lnea de descarga por el cual debe fluir dicho pozo, as como predecir su comportamiento de flujo y presin para diferentes condiciones de operacin. 5.2.Componentes del anlisis nodalEl procedimiento del anlisis nodal ha sido reconocido en la industria petrolera como un medio adecuado para el diseo y evaluacin, tanto en pozos fluyentes como en pozos que cuentan con un sistema artificial de produccin, debido a las necesidades energticas, y a los incentivos derivados del precio de los hidrocarburos. El proceso de produccin en un pozo de petrleo, comprende el recorrido de los fluidos desde el radio externo de drenaje en el yacimiento hasta el separador de produccin en la estacin de flujo. En la figura 7, se muestra el sistema completo con cuatro componentes identificados; yacimiento, Completacin, pozo y lnea de flujo superficial.Existe una presin de partida de los fluidos en dicho proceso que es la presin esttica del yacimiento y una presin final o de entrega que es la presin del separador en la estacin de flujo

Figura 7, Esquema del sistema de produccin de un pozo Fuente: Maggiolo, R. Optimizacin de la produccin mediante anlisis nodal.

5.3.Recorrido de los fluidos en el sistemaa. Transporte en el yacimientoEl movimiento de los fluidos comienza en el yacimiento a una distancia del pozo donde la presin es , viaja a travs del medio poroso hasta llegar a la cara de la arena o radio del hoyo donde la presin es . En este mdulo, el fluido pierde energa en la medida que el medio sea de baja capacidad de flujo presente restricciones en las cercanas del hoyo (dao, s) y el fluido ofrezca resistencia al flujo . Mientras ms grande sea el hoyo mayor ser el parea de comunicacin entre el yacimiento y el pozo aumentando el ndice de productividad del pozo. La perforacin de pozos horizontales aumenta sustancialmente el rea de drenaje y por lo tanto el ndice de productividad del pozo. b. Transporte en las perforacionesLos fluidos apartados por el yacimiento atraviesan la Completacin que puede ser un revestidor de produccin cementado y perforado, normalmente utilizado en formaciones consolidadas, o un empaque con grava, normalmente utilizado en formaciones poco consolidadas para el control de arena. En el primer caso la prdida de energa se debe a la sobrecompactacin o trituracin de la zona alrededor del tnel perforado y a la longitud de penetracin de la perforacin; en el segundo caso la prdida de energa se debe a la poca rea expuesta a flujo. Al atravesar la Completacin, los fluidos entran al fondo del pozo con una presin c. Transporte en el pozo Una vez dentro del pozo, los fluidos ascienden a travs de la tubera de produccin venciendo la fuerza de gravedad y la friccin con las paredes internas de la tubera. Finalmente llegando al cabezal del pozo-rbol de navidad con una presin d. Transporte en la lnea de flujo superficialAl salir del pozo, si es que existe un reductor de flujo en el cabezal ocurre una cada brusca de presin que depender fuertemente del dimetro del orificio del reductor, a la descarga del reductor la presin es la de la lnea de flujo luego atraviesa la lnea de flujo superficial llegando al separador en la estacin de flujo con una presin igual a la presin del separador donde se separa la mayor parte del gas del petrleo. Para predecir el comportamiento del sistema, se calcula la cada de presin en cada componente. Este procedimiento comprende la asignacin de nodos en varias de las posiciones claves dentro del sistema (Figura 8).

Figura 8, Componentes bsicos del sistema de anlisis nodal con sus respectivas cadas de presin a lo largo del sistema de produccin de un pozo. Fuente: Maggiolo, R. Optimizacin de la produccin mediante anlisis nodalTradicionalmente el balance de energa se realiza en el fondo del pozo, pero la disponibilidad actual de simuladores del proceso de produccin permite establecer dicho balance en otros puntos (nodos) de la trayectoria del proceso de produccin: cabezal del pozo, separador, etc. Para realizar el balance de energa en el nodo se asumen de manera conveniente varias tasas de flujo y para cada una de ellas se determina la presin con la cual el yacimiento entrega dicho caudal de flujo al nodo, y la presin requerida en la salida del nodo para transportar y entregar dicho caudal en el separador con una presin remanente igual a la presin del separador empleando el mtodo y correlacin de flujo multifsico que se considere adecuado dependiendo de las caractersticas de los fluidos. 5.4.Curvas de oferta y demanda de energa en el fondo del pozo: Curvas VLP/IPR o Inflow vs OutflowLa representacin grfica de la presin de llegada de los fluidos al nodo en funcin del caudal o tasa de produccin se denomina curva de oferta de energa del yacimiento (Inflow curve), y la representacin grfica de la presin requerida a la salida del nodo en funcin del caudal de produccin se denomina curva de demanda de energa de la instalacin (Outflow curve). Si se elige el fondo del pozo como el nodo, la curva de oferta es la IPR (Inflow Performance Relationship) y la demanda es la VLP (Vertical Lift Performance).

Figura 9, Comportamiento de produccin de un sistema. Fuente: Autores.

El balance de energa entre la oferta y la demanda puede obtenerse numrica o grficamente. Para realizarlo numricamente consiste en asumir varias tasas de produccin y calcular la presin de oferta y demanda en el respectivo nodo hasta que ambas presiones se igualen, el ensayo y error es necesario ya que no se puede resolver analticamente por la complejidad de las frmulas involucradas en el clculo de las presiones en funcin del caudal de produccin.

5.5.Anlisis nodal para la optimizacin de sistemas de bombeo hidrulico jetPara la optimizacin de los sistemas de bombeo hidrulico jet, se ha usado el software BNJet, desarrollado por el Instituo Mexicano del Petrleo y que permite realizar una simulacin con varias geometras de bombas de diversos fabricantes para las condiciones dadas de la Completacin y el pozo para poder identificar la mejor bomba para el caudal que se requiere producir y las caractersticas del sistema hidrulico del campo. Los datos requeridos por el programa son los siguientes:a. Prueba de produccin Presin esttica Presin de fondo fluyente Caudal de petrleo Presin de burbuja Temperatura de fondo Temperatura de cabeza b. Fluidos de produccin Densidad del aceite Densidad relativa del gas Densidad relativa del agua Relacin gas-petrleo Fraccin de agua producida Temperatura de medicin Presin de medicinc. Estado mecnicoTubera casing Profundidad (ft) Dimetro interno (in) Dimetro externo (in) Profundidad media de los disparos (ft) Profundidad de la bomba (ft)d. Tipo de instalacin Inyeccin por tubera de produccin Descarga por espacio anular

e. Datos de operacin Contrapresin de descarga Gasto mximo de operacin Presin mxima de operacin Temperatura de inyeccin

6. Ensamble de rbol de navidad para levantamiento por bombeo hidrulicoEl equipo primario esencial para utilizar en el bombeo hidrulico, ya sea tipo pistn o jet; es similar al que se utiliza en gas lift y por flujo natural, slo que se habilita una entrada del fluido motriz que viaja por el anular hasta el punto donde se ubica la bomba en fondo, para esto tambin se agrega una vlvula compuerta para permitir la entrada del fluido a travs del tubing head. El control del pozo y el control del flujo se realizan como en una configuracin de flujo natural.6.1.FuncionesLas funciones del rbol de navidad y tubing head para un pozo con bombeo Hidrulico tipo pistn o jet son: Inyecta fluido motriz a travs de la tubera de produccin en circulacin normal para correr con la bomba hidrulica de pistn y producir que el fluido del yacimiento se mezcle con el fluido motriz. Inyecta fluido motriz en el anular en circulacin inversa para apagar la bomba Contener y atrapar la bomba hidrulica durante la salida de la misma. Cerrar la tubera de fluido motriz, liberando presin en la tubera de produccin, y venteando el gas en la tubera durante el desmontaje de la bomba.6.2.Partes principales Las partes principales del rbol de navidad para Bombeo Hidrulico son: Cruz de flujo: Proporcionan una va de flujo del fluido de produccin y una interconexin entre la vlvula inferior, la vlvula superior, la vlvula lateral en las salidas para las lneas de flujo. Tree Cap: Es instalado en la parte superior con el objetivo de proporcionar una conexin al manmetro para medir la presin en cabeza y proveer un acceso rpido y flexible a travs de la parte interna del tubing a distintas herramientas. Vlvula Mster: Esta vlvula permite proveer flujo o cierre total en el pozo. Vlvula Wing: Se usa para controlar el paso de los fluidos hacia el sistema de recoleccin y ser un backup de la vlvula mster. Vlvula Swab: Permite acceso a la medicin de presin en cabeza del pozo y a la corrida de herramientas de fondo de pozo. Choke ajustable: Son vlvulas que restringen o controlan el paso de un fluido, y poseen un controlador externo que vara el rea transversal del orificio por donde pasa el fluido. Medidores de Presin (manmetros): Se utilizan para medir la presin de cabeza de pozo, esta se usa para para monitorear la productividad en los pozos y en las diferentes pruebas que se realizan.

Figura 10, Partes principales de cabezal y rbol de navidad para Bombeo Hidrulico.

Figura 11, Configuracin tpica de rbol de navidad de una sola sarta de produccin para un pozo con bombeo hidrulico tipo pistnFuente: Libro Advanced Well Completion EngineeringPartes:1. Vlvula removedora de parafinas2. Vlvula master3. Vlvula de produccin4. Vlvula de produccin 5. Vlvula de casing6. Vlvula de casing7. Vlvula de liberacin8. Vlvula de presin calibre9. Lubricador10. ReceptorTambin se utiliza otro tipo de rbol de navidad para pozos con bombeo hidrulico tipo pistn. Su distincin est en que todas las funciones del rbol navidad de una sarta de produccin pueden lograrse mediante el uso de una vlvula especial. 6.3.Ejemplos de Christmas treeExisten dos tipos sistemas para circulacin cerrada de fluido motriz en pozos con bombeo hidrulico, estos son, sistema concntrico de doble sarta y sistema paralelo de doble sarta. La separacin entre el fluido motriz y el fluido de produccin es caracterstica de estos.

Figura 13, Configuracin tpica de rbol de navidad concntrico de doble sarta de produccin para un pozo con bombeo hidrulico tipo pistnFuente: Libro Advanced Well Completion Engineering

Figura 14, Configuracin tpica de rbol de navidad paralelo de doble sarta de produccin para un pozo con bombeo hidrulico tipo pistnFuente: Libro Advanced Well Completion Engineering

7. ConclusionesSe puede concluir que se defini al sistema de Bombeo Hidrulico, as como los tipos que pueden ser jet o pistn y sus principales diferencias. El rbol de navidad tpico para este sistema de levantamiento es muy similar al de flujo natural, slo que se habilita una entrada para el fluido motriz que puede ser agua o petrleo, para esto se agrega una vlvula compuerta para permitir la entrada del fluido a travs del tubing head. Se presentaron adems las dimensiones y los rangos de presiones para los elementos del rbol navidad, las misma que ayuda en el diseo del mismo en base a la presin de inyeccin del fluido motriz.

8. Referencias[1] Tesis: Anlisis del diseo de la Completacin de fondo del pozo Sacha 37, evaluado mediante bombeo hidrulico con bomba jet claw. Autor: Juan Carlos Robalino Robayo. Lugar y Fecha de publicacin: Quito, octubre del 2006 (Universidad Tecnolgica Equinoccial).[2] Proyecto: Estudio del Sistema de bombeo hidrulico en el campo Lago Agrio para incrementar su produccin. Autores: Cristian Omar Collaguazo Lincango, Miriam Romero Figueroa. Lugar y fecha de publicacin: Quito, septiembre del 2011 (Escuela Politcnica Nacional). [3] Tema: Definicin de estndares operativos para cabezales de pozos y sistema de recoleccin de superficie. Autores: Erwin Humberto Lpez Carrillo, Sergio Andrs Parra Nio. Lugar y fecha de publicacin: Bucaramanga, 2007 (Universidad Industrial de Santander).[4] http://www.dspace.uce.edu.ec/bitstream/25000/775/1/T-UCE-0012-224.pdfTema: Estudio de los resultados del cambio de sistema de levantamiento hidrulico a electrosumergible en el campo Sacha y definicin de criterios para seleccin de pozos. Fecha de publicacin: Universidad Central del Ecuador, Quito, enero 2013. Autores: Jorge Fernando Guerrn Cortes Danny Caleb Robalino Lavayen. [5] Bradley, H.B. Petroleum Engineering Handbook. SPE 1992 [6] http://www.pdf-archive.com/2015/04/03/advanced-well-completion-engineering/advanced-well-completion-engineering.pdfLibro: Advanced Well Completion Engineering, Captulo 10 Well Head Assembly. Autor: Wan Repu. Publicado: 2011 (Traduccin al ingles). Versin original en chino publicado en junio 2008.[7] http://completioninfo.com/christmas_tree.html[8] CABRERA., J. A. (s.f.). http://www.oilproduction.net/.[9] Gmez Cabrera J. ngel; "Apuntes de Produccin de Pozos I Facultad de Ingeniera U.N.A.M. 1988.

9. Anexos Tees y crossMXIMA PRESIN DE TRABAJOPsiTAMAO NOMINALpulgadasDIMENSIONESpulgadas

VERTICALSALIDAABCD

2 1/162 1/163 1/23 1/22 1/162 1/16

2 9/162 1/163 1/242 9/162 1/16

20003 1/83 1/82 1/162 9/163 1/24 1/24 1/24 1/23 1/83 1/82 1/162 9/16

4 1/162 1/164 1/25 1/24 1/162 1/16

4 1/162 9/164 1/25 1/24 1/162 9/16

3 1/82 1/164 1/253 1/82 1/16

3 1/82 9/16553 1/82 9/16

30004 1/162 1/164 1/264 1/162 1/16

4 1/162 9/16564 1/162 9/16

4 1/163 1/8564 1/163 1/8

2 1/162 1/164 1/24 1/22 1/162 1/16

2 9/162 1/164 1/252 9/162 1/16

50003 1/83 1/82 1/162 9/165 1/25 1/25 1/25 1/22 1/162 9/162 1/162 9/16

4 1/162 1/166 1/26 1/24 1/162 1/16

4 1/162 9/166 1/26 1/24 1/162 9/16

3 1/161 13/164 1/25 7/81 13/161 13/16

3 1/162 1/164 1/25 7/82 1/162 1/16

10000 6BX4 1/161 13/164 1/26 7/81 13/162 1/16

4 1/162 1/164 1/26 7/82 1/162 9/16

4 1/162 9/165 1/86 7/84 1/163 1/16

2 9/161 13/165 1/25 1/22 9/161 13/16

2 9/162 1/165 1/25 1/22 9/162 1/16

15000 6BX3 1/161 13/166 5/166 5/163 1/161 13/16

3 1/162 1/166 5/166 5/163 1/162 1/16

3 1/162 9/166 5/166 5/163 1/162 9/16

Figura 4. Dimensiones de Tees y cruces para arboles de pozo.

Tree capsCONEXIN BRIDADA INFERIORinPRESIN DE TRABAJOpsi

DIMETRO DEL HUECOin

CONEXIN SUPERIOR ROSCADA

2 1/1620002 1/162 3/8 EUE

2 1/1650002 1/162 3/8 EUE

2 1/16100002 1/162 3/8 EUE

2 9/1620002 9/162 7/8 EUE

2 9/1650002 9/162 7/8 EUE

2 9/16100002 9/162 7/8 EUE

3 1/820003 1/83 1/2 EUE

3 1/830003 1/83 1/2 EUE

3 1/850003 1/83 1/2 EUE

Chokes ajustablesPRESIN DE TRABAJOpsi

TAMAO

inMXIMO DIMETRO DEL ORIFICIOinDIMENSIONESin

A

B

C

20002 1/1628 5/168 5/1626 13/16

30002 1/1629 5/169 5/1628 3/4

50001 13/161 13/162 1/163/4229 3/89 3/49 5/167 3/89 3/49 5/1621 13/162829 3/4

100002 9/163 1/83/43/46 7/89 3/46 7/89 3/421 3/829 3/8

150003 1/83 1/83/43/47 3/89 3/47 3/89 3/426 1/1629 3/8

Figura 5. Dimensiones de choke ajustable.

Vlvulas de compuertaPRESIN DE TRABAJOpsi

DIMETRO NOMINALinDIMENSIONES in

ABCD

2 1/1611 5/82 1/1615 1/145 1/4

2 9/1613 1/82 9/1616 1/166 1/16

20003 1/84 1/1614 1/817 1/83 1/84 1/1618 5/819 1/87 5/89 3/4

5 1/822 1/85 1/821 1/811 5/8

7 1/1626 1/87 1/1629 1/415 1/16

2 1/1614 5/82 1/1615 1/45 1/4

2 9/1616 5/82 9/1616 1/166 1/16

30003 1/84 1/1617 1/820 1/83 1/84 1/1618 5/819 1/87 5/89 3/4

5 1/824 1/85 1/821 1/211 5/8

7 1/1625 1/87 1/1629 1/413 1/16

2 1/1614 5/82 1/1615 1/45 1/4

2 9/1616 5/82 9/1616 1/166 1/16

50003 1/84 1/1618 5/821 5/83 1/84 1/1618 5/819 1/87 5/89 3/4

5 1/828 5/85 1/821 1/811 5/8

7 1/16327 1/1629 1/413 1/16

1 13/1618 1/41 13/1615 9/166 1/2

2 1/1620 1/42 1/1615 9/166 1/2

2 9/1622 1/42 9/16177 3/8

100003 1/824 3/83 1/820 5/89 3/16

4 1/1626 5/84 1/1622 5/811 1/2

5 1/828 5/85 1/825 5/815 1/16

7 1/16357 1/163220 3/8

1 13/16181 13/1615 9/166 1/2

2 1/16192 1/1615 9/166 1/2

150002 9/16212 9/16177 3/8

3 1/823 9/163 1/820 5/89 3/16

4 1/16294 1/1622 5/811 1/2

Figura 6. Dimensiones de vlvulas de compuerta.