BOMBEO MECANICODISEÑO Y OPTIMIZACION

Ing. Luis Alberto EmbusIng. Jorge Alberto Martínez

Ing. Mario Molano

GENERALIDADES

Una instalación típica de un sistema de bombeo mecánico incluye:

• Equipo de superficie (unidad de bombeo)• Motor primario• Varillas• Bomba de subsuelo

Cualquier diseño que se haga debe considerar estos cuatro componentes, y ninguno se debe diseñar independiente de los otros.

1. UNIDAD DE BOMBEO

1.2 DESIGNACIÓN API DE LA UNIDAD DE BOMBEO

El API ha desarrollado un método estándar para la descripción de las unidades de bombeo:

TIPO DE UNIDADC: ConvencionalA: Balanceadas por aireB: Con contrapeso en el balancínM: Mark IIRM: Reverse Mark

Máxima carga de diseño estructural en cientos de libras.

Máximo Recorrido en pulgadas.

Máximo torque en la caja reductora en miles pulg-lbs.

C - 320 - 256 - 100

1.3 GEOMETRÍA DE LAS UNIDADES DE BOMBEO

Existen básicamente tres tipos de geometría en las unidades de bombeo.

a. Tipo convencional: Estas tienen el punto de apoyo del balancín en su punto medio (sistema de palanca Clase I con geometría montada en la parte posterior y contrabalanceo por Crank). Se fabrican con diversas especificaciones, los recorridos varían de 12 a 192 pulg, y las cajas reductoras varían de 25.000 a 912.000 pulg-lb.

En las unidades convencionales el efecto del contrabalanceo se obtiene colocando contrapesos en el crank. Los contrapesos pueden moverse a lo largo del crank para producir un efecto de mayor o menor contrapeso.

Ventajas Desventajas• Bajo costo de mantenimiento (repuestos de fácil consecución).

• Velocidad de bombeo mas rápida que las unidades Mark II

• Requiere menor contrapesos que las Mark II.

• Requiere en proporción una caja reductora mas grande que otros tipos de unidades de bombeo, especialmente con varillas de acero.

• Las unidades Reverse Mark, son de geometría convencional, pero la caja reductora tiene la capacidad de reducir los requerimientos de torque y potencia, llevando con esto en muchos casos a disminuir el tamaño del motor requerido.

En estas unidades el punto de apoyo del balancín esta en uno de sus extremos (Sistema de palanca Clase III, geometria montada en el frente y contrabalanceo por aire). Son unidades mas livianas y compactas.

b. Unidades Balanceadas por Aire:

Ventajas Desventajas•Es más compacta y fácil de balancear que otras unidades.

•Tiene mayores aplicaciones, particularmente para el bombeo profundo y bombeo de altos volúmenes con carreras largas y bombeo de crudo pesado.

•Viene en tamaños mas grandes que otro tipo de unidades.

• Es mas compleja y requiere mayor mantenimiento (compresor de aire, cilindro de aire).

• La condensación de agua en el cilindro causa problemas de corrosión, desgaste y fugas.

• La perdida de presión de aire en el cilindro ocasiona daños en la caja reductora.

c. Tipo Mark II. En estas unidades el punto de apoyo del balancín esta en uno de sus extremos (Sistema de palanca Clase III, geometría montada en el frente y contrabalanceo en el crank). Están diseñadas con el objeto de mantener un torque neto uniforme en la caja reductora y en el motor.

La reducción en el torque máximo hasta de un 40% y la carga máxima en la varilla pulida es hasta de un 10% en condiciones ideales.

Las unidades Mark II están equipadas con contrapesos en el Crank. Estas unidades tienen longitudes de carrera que van desde 64 a 216 pulg, y cajas reductoras que varían de 114.000 a 1’280.000 pulg-lb.

VENTAJAS DESVENTAJAS

Tiene torques más bajos cuando se usan varillas de acero, comparado con la unidad convencional.

Cuesta entre 5 y 10% menos, comparada con la unidad convencional de mayor tamaño.

En muchas aplicaciones, no puede bombear tan rápido como la unidad convencional porque la rápida velocidad de la carrera descendente causa problemas de rompimiento de varillas.

Causa daño a las varillas y a la bomba en caso de golpe de fluido.

Somete el fondo de la sarta de varillas a compresión severa, lo que causa fallas por pandeo.

2. MOTOR PRIMARIO

La optima selección del tipo y tamaño de motor es uno de los aspectos mas importantes en el diseño de un sistema de bombeo mecánico. Hay dos tipos de motores usados principalmente:

• Motores eléctricos

• Motores de combustión interna

La función del motor primario es suministrar la energía que el sistema de bombeo necesita. La potencia del motor depende de la profundidad de la bomba, nivel de fluido, de la velocidad de bombeo y del balanceo de la unidad.

VENTAJAS DE LOS MOTORES ELECTRICOS

• Bajo costo del equipo.

• Fácil y bajo costo de mantenimiento.

• Encajan fácilmente en un sistema de automatización de un

campo petrolero.

VENTAJAS DE LOS MOTORES A GAS

• Flexibles en la velocidad.

• Pueden trabajar en un amplio rango de condiciones de carga.

• Los costos del combustible para motores a gas son mas económicos en comparación con los costos de energía para motores eléctricos.

3 SARTA DE VARILLAS

La sarta de varillas conecta la bomba de subsuelo con la varilla pulida, su principal función es transmitir el movimiento reciprocante de la varilla pulida a la bomba.

Las varillas están disponibles en acero y fibra de vidrio. Aprox. el 90% de las sartas son en acero, pero en algunos campos hay sartas combinadas de varillas en acero y fibra de vidrio.

El API especifica tres grados de varillas, K, C y D. La siguiente es la mínima y máxima resistencia a la tensión en PSI:Grado K (85.000 - 115.000)Grado C (90.000 - 115.000)Grado D (115.000 - 140.000)

3.1 TIPOS DE VARILLAS

a. Varillas de Fibra de Vidriob. Varillas de Acero

a. Características de las Varillas de Fibra de Vidrio:

• Diámetros de 1-1/2”, 1-1/4”, 1.2’’, 1-1/8”, 1”, 7/8” y 3/4”.

• Elaboradas en longitudes de 37.5 pies, también están disponibles de 25 y 30 pies.

• Reduce el numero de uniones y hace que la sarta sea más liviana, y por lo tanto reduce las cargas en la unidad de bombeo.

• Resistentes a la corrosión.

• Tres veces más liviana que el acero.

b. Características de las Varillas de Acero:

• Menor resistencia a la corrosión.

• Diámetros de 1-1/8”, 1”, 7/8”, 3/4”, 5/8”.

• Elaboradas en longitudes de 25 y 30 pies.

• Mas fáciles de pescar que las de fibra de vidrio.

• Menos elongables que las de fibra de vidrio.

Varillas No API:

En este tipo de varillas se encuentra la Electra (EL), Norris 97 (N-97), y las UPCO 50K. La resistencia a la tensión de estas varillas es de aprox. 200.000 psi, y un esfuerzo máximo de trabajo de 50.000 psi.

Por esta alta resistencia estas varillas son recomendadas para pozos con alta rata de producción o gran profundidad. Sin embargo estas varillas son mas susceptibles a la corrosión que las API.

3.3 DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS

• La selección del diseño adecuado de una sarta de varillas depende de la profundidad de la bomba, condiciones del pozo, producción deseada, y problemas de corrosión.

• Para minimizar costos y cargas por esfuerzos, en pozos con profundidades mayores a 3500 ft es recomendable utilizar sartas telescópicas. Estas sartas son usualmente diseñada con diámetros mayores en la parte superior y los diámetros menores en la parte inferior, para esto se puede utilizar el método API RP 11L, o el software RODSTAR.

• En el software Rodstar permite simular para un pozo diferentes diseños de sarta de varillas, y encontrar la mas adecuada de acuerdo a las condiciones del pozo.

Sinker Bars

Son varillas de amplio diámetro que se utilizan para adicionar peso en el fondo de la sarta, con el fin de ayudar a la sarta de varillas en el recorrido descendente y ayudarla a sobreponerse a los efectos de boyancia, y minimizar la compresión de la varillas en el fondo de la sarta.

El diámetro de las sinker bar varia de 1-1/4” a 2”.

Norris recomienda para pozos a mas de 4000 ft colocar sinker bar si el mínimo esfuerzo en el tope de cada de sección de la sarta es menor a 2000 psi, con el fin de evitar problemas de Buckling (pandeo).

3.4 FALLAS EN LAS SARTA DE VARILLAS

Diseño inadecuado de la sarta, especialmente en sartas telescópicas. Error en los disenos pueden causar distribución inadecuada de los esfuerzos. Para hacer un diseño adecuado se debe usar el Rodstar.

Inapropiado enrosque de las sartas causan problemas en las conexiones de pin o caja. Para reducir esto se debe usar el procedimiento de desplazamiento circunferencial descrito en el API 11BR.

Fluidos corrosivos disminuyen el área transversal de las varillas.

• Las varillas fallan frecuentemente cuando tienen contacto con el tubing en pozos desviados o que tienen alto dogleg. El uso de centralizadores reduce este problema.

• Malos manejos de la sarta en superficie causan rotura en el cuerpo de las varillas.

• El golpe de fluido severo también es otra causa de falla en las varillas.

4. BOMBAS DE SUBSUELO

4.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

4.2 DESIGNACION API DE LAS BOMBAS DE SUBSUELO

El API ha desarrollado un método para la designación de las bombas de subsuelo.

El ej. representa una bomba inserta de 1-1/4” para tubería de 2-3/8”. El barril tiene una longitud de 10 ft, el pistón 4 ft, y el total de las extensiones miden 2 ft. Barril de pared gruesa, anclaje tipo copas en el fondo.

20-125-RHBC-10-4-2

A continuación se describen cada uno de los pasos para la designación API de una bomba de subsuelo.

20-125-R H B C-10-4-2

Diámetro de la tubería15= 1.9” OD20= 2-3/8” OD25= 2-7/8” OD30= 3-1/2” OD

Diámetro ID de la bomba125= 1-1/4”150= 1-1/2”175= 1-3/4”200= 2”225= 2-1/4”250= 2-1/2”275= 2-3/4”

Tipo de barril para pistón metálicoH= de pared gruesa

W= de pared delgada

Tipo de barril para pistón soft packedS= de pared delgadap= de pared gruesa

Longitud total de las extensiones en pies

Longitud nominal del pistón en pies

Longitud del barril en pies

Tipo de anclajeC = CopasM = Metálico

Localización del anclajeA = en el TopeB = en el fondoT= Fondo, con barril viajero.

Tipo de bombaR = InsertaT = Tubería

4.3.1 BARRIL. Existen dos tipos de barriles.

• Barriles para bombas insertas• Barriles bara bombas de tubería.

4 Existen barriles de paredes delgadas para pozos poco y medianamente profundos, y barriles de pared gruesa para bombas de mayor diámetro o para utilizarla para pozos más profundos donde las cargas son mayores.

4.3 PARTES DE LA BOMBA

64000.1252.00

104850.2502.25

77850.1562.00

119700.2501.75

115700.1881.50

133500.1881.25

115400.1251.00

110000.1251.06

52400.1252.50

BOMBAS INSERTAS CON BARRIL DE PARED Delgada, ANCLAJE EN EL FONDO

Máx. Prof. Bomba (Pies)Espesor de la pared (Pulg)Diámetro del Pistón

BOMBAS INSERTAS CON BARRIL DE PARED GRUESA, ANCLAJE EN EL FONDO

Máxima Profundidad de Asentamiento de las Bombas

50900.253.75

41200.254.75

57700.253.25

66600.252.75

BOMBAS DE TUBERIA DE GRAN DIAMETRO

66600.252.75

96000.251.75

78700.252.25

Máx. Prof. Bomba (Pies)Espesor de la pared (Pulg)Diámetro del Pistón

BOMBAS DE TUBERIA

Cont. Máxima Profundidad de Asentamiento de las Bombas

4.3.2 Pistón. Según la sección de sellado se clasifican en:

• Metálicos • No Metálicos

La longitud del pistón metálico y no metálico se determina por una regla práctica de un (1 ft) de longitud de pistón por cada 1000 ft de profundidad de la bomba.

La tolerancia de los pistones va de menos cero a -0.005 pulgadas. Pistones Metálicos. Son generalmente usados en pozos profundos o en pozos donde la producción de sólidos no es significativa. Los sólidos abrasivos desgastan mucho más rápido estos pistones y son recomendables los pistones de empaques blandos.

PISTONES NO METALICOS (Soft packed)

4 Los pistones con empaque blando se adecuan mejor donde la calidad de lubricación sea pobre o no existente y donde los fluidos cargados de abrasivos se adhieran a los pistones de metal.

4 Los pistones no metálicos se dividen en tipo copas y tipo anillo. Los de tipo copa están fabricados en nylón y plástico.

4 La selección de estas copas se basa generalmente en la graveda específica y la temperatura del fluido.

4 Los pistones de este tipo son usados generalmente en pozos con profundidades menores a 3000 ft. Las ventajas de estos pistones es compensar el desgaste del barril y el bajo costo de los mismos.

TIPOS DE PISTONES

4.3.4 VALVULAS

La entrada y descarga de fluido por la cámara de compresión formada por el barril y el pistón son controladas por la válvula fija y la válvula viajera.

4 La acción del fluido llena la cámara a través de la válvula fija y la vacía a través de la válvula viajera.

4 Una bomba API de barril estacionario tiene la válvula viajera ensamblada al pistón y la válvula fija ensamblada en el barril.

4 El montaje de una de estas válvulas está compuesto de una bola y un asiento cuyo movimiento está limitado por una jaula.

Válvulas Dobles

4 Donde existe una presión de fluido lo suficientemente grande para cortar metal, se ha comprobado que el sistema de Válvulas Dobles funciona muy bien. Mientras más abrasivo sea el fluido mayor es la ventaja del sistema de la válvula doble.

4 La experiencia ha demostrado que dos válvulas en serie dan un servicio mucho más largo que una válvula simple, si la vida de ésta está determinada más por el desgaste o la erosión, que por la acción corrosiva del fluido.

1. Tipo Copa. Estos utilizan copas de plástico como elementos sellantes. Este tipo de anclaje es recomendado para cualquier profundidad. No se recomiendan copas por encima de los 248°F.

2. Tipo Mecánico. Estos están compuestos de resortes de acero de metal acanalado. No se recomiendan para medios de crudo ácido con sulfuro de hidrógeno, ya que éste ocasiona fallas prematuras.

CONJUNTO DE ANCLAJE

La función principal del conjunto de anclaje en las bombas API, es sellar las bombas a la tubería. Estos se clasifican en dos tipos:

4.4 METALURGIA PARA BOMBAS DE SUBSUELO EN BOMBEO MECANICO

CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA EN LA ESCOGENCIA DE LA METALURGIA

• Profundidad (Levantamiento neto de la bomba)

• Tipo de Arena producida por los fluidos

• Naturaleza corrosiva de los fluidos

• Presencia de H2S y/o CO2

• Presiones diferenciales y temperatura.

4.4.2 ELEMENTOS MAS USADOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA

El acero es la aleación más comúnmente usada en aplicaciones petroleras. Para realzar ciertas propiedades, los elementos de aleación juegan un papel importantísimo y mejoran ciertas cualidades de los aceros. Entre estos elementos tenemos:

CARBONO. Ingrediente esencial para todos los aceros, le da un potencial de endurecimiento, así mismo le proporciona resistencia a esfuerzos, dureza y lo hace susceptible a tratamientos térmicos.

SILICIO Y ALUMINIO: Son excelentes desoxidantes. Ayuda a la resistencia a la corrosión.

TITANIO. Aumenta la resistencia mecánica de la matriz.

MOLIBDENO. Mejora la templabilidad de los aceros y aumenta la resistencia al ataque por pitting en los aceros inoxidables.

NIQUEL. Incrementa el endurecimiento al acero. Incrementa la resistencia a la corrosión.

MANGANESO. Aumenta la templabilidad a bajo costo y retiene el azufre evitando la formación de sulfato de hierro. Hace el acero menos quebradizo.

CROMO. Da mayor dureza la acero. Mejora la resistencia a la corrosión en el aire y otros medios. En altas concentraciones mejora la resistencia mecánica a altas temperaturas y la resistencia a la abrasión.

TUNGSTENO. Incrementa la resistencia mecánica, formador de carburo y mejora la resistencia a la templabilidad.

4.4.4 PROCESOS ESPECIALES DE METALURGIA

a. Tuffr. Incrementa la resistencia al desgaste que producen en el acero la arena, el agua y/o el dióxido de carbono, en las bombas y/o sus partes. Consiste en someter al pistón a un rociado especial con llama fundente compuesta de Niquel, Boro, Cromo y Sílice. Endurecimiento del metal por medio de un tratamiento térmico.

b. Spray Metal. Es muy similar al tuffr, pero el proceso de calentamiento sólo se hace hasta conseguir un poco menos de dureza (48 – 52 Rc.). Los pistones de este tipo se desempeñan en ambientes moderamente corrosivos y abrasivos.

c. Flame Hardening. Proceso de endurecimiento del acero por medio del calentamiento de una superficie por encima del rango de transformación.

d. Carburización. Aumento del contenido de carbono de la superficie de los aceros, por calentamiento del metal, por debajo de su punto de fusión en contacto con material carbonaceo.

e. Nitridación. Proceso de endurecimiento en el cual los aceros de composición especial son calentados en presencia de amoniaco o de materiales nitrogenados.

f. Estelita. Aleación que contiene Cromo, Tungsteno, Carbono, Magnesio y sílice en una base de Cobalto. Protege a las jaulas del desgaste producto del continuo movimiento de las bolas.

4.4.5 METALURGIA UTILIZADA EN LAS DIFERENTES PARTES DE LA BOMBA

Metalurgia Utilizada en los Barriles.

CARACTERISTICASMETALURGIA

Se utiliza en condiciones promedio de bombeo con problemas ligeros de corrosión y abrasión.

Carbon Steel

Resistente al desgaste y a la corrosión ligera.Carbon Steel TuffrTemper

Posee mayor dureza interna, resistente a la abrasión y corrosión ligera o moderada.

Carbon Steel Carbonitrado (16)

Resistente a la abrasion y a materiales extranos, no debe usarse en pozos acidificados.

Chrome plated (7)

Recomendado en condiciones abrasivas y corrosion moderada.

STAINLESS STEEL CORROSION RESISTANT (67)

Se utiliza en condiciones no abrasivas y corrosión moderada a severa.

Brass (6)

Se utiliza en ambientes corrosivosStainless Steel

CARACTERISTICASMETALURGIA

Recomendados para condiciones de abrasión y sin presencia de corrosión por H2S.

Crhome Plated

Se utiliza para problemas severos de abrasión y corrosión.

Tuffr (Box-end 443, Pin end 642)

Resistente a la corrosión y abrasión.Spray Metal(252)

Resistente a la corrosión y en ambientes con abrasión suave.

Spray metal Pin Monel

Se utiliza en pozo con corrosión moderadaTuffr Pin Monel

Se utiliza en pozos con altos cortes de agua (mayor de 60%), condiciones abrasivas y corrosión baja.

Soft Pack (100)

Metalurgia utilizada en los Pistones

Bola y asiento en carburo de tungsteno, resistente a la abrasión y corrosión

Tungsten-Carbide (4)

Aleación de cobalto, cromo y tungsteno, resistente a la abrasión y corrosión.

Dumore (411)

CARACTERISTICASMETALURGIA

Bola y asiento en acero inoxidable. Pozos donde la abrasión y la corrosión no son predominantes.

Estándar Stainless (48)

Asiento tufrr temper y bola en acero inoxidable. Resistente al impacto, corrosión ligera y abrasión severa

Tuffr temper Stainless

Buena resistencia a la abrasión y corrosión. Recomendado donde existen problemas de magnetismo.

No. 7 Stainless

Bola en cerámica. Resistente a la corrosión severa no aptas en condiciones de abrasión media a alta.

Cerámica (49)

Bola y asiento en bronce. Se utiliza en pozos someros con fluidos ligeramente corrosivos.

Bronce

Alta resistencia a la corrosión y sin problemas de abrasión.

K-Mon-L

Metalurgia utilizada en las Válvulas

4.5 TIPOS DE BOMBA

Existen básicamente dos grandes tipos de bombas de subsuelo, están son:

• Bombas de varilla o insertas• Bombas de tubería

La principal diferencia entre las bombas insertas y las de tubería es la instalación del barril. En las bombas de tubería el barril es conectado en el fondo de la tubería y hace parte integral de la sarta de tubería. En las bombas insertas el barril hace parte de la bomba de subsuelo, y es corrido como una unidad con la sarta de varillas dentro del tubing.

TIPOS DE BOMBA API

4.5.1 Bombas insertas

Las bombas insertas son las más populares en la industria del petróleo, puesto que estas son las de más fácil instalación y servicio.

La instalación de estas bombas se realiza colocando la bomba en el extremo de la sarta de varillas, corriéndola a través del pozo hasta llegar asentar la bomba en la niplesilla que se encuentra en el fondo de la tubería de producción.

Las bombas insertas se clasifican en tres grandes grupos:• Barril fijo con anclaje superior• Barril fijo con anclaje inferior• Barril viajero con anclaje inferior

a. Bombas Insertas de Barril Fijo con anclaje inferior (RHB, RWB y RSB)

Hay tres designaciones de bombas en esta clasificación: RHB, RWB y RSB..

Son adecuadas para pozos con poco volumen. Es una buena bomba en pozos con alta proporción de gas y petróleo.

Es adecuada para bombear en pozos moderadamente profundos o con algún golpe de fluido, la carga del fluido es transferida de la válvula fija a la sarta de tubería en la carrera descendente para eliminar la carga de tensión en el barril.

c. Bombas Insertas de Barril Fijo y anclaje Superior (RWA, RHA y RSA)

Existen tres designaciones, de acuerdo al tipo de barril en esta clasificación: RWA, RHA y RSA.

Son una buena elección para pozos arenosos, puesto que el fluido es descargado encima del anclaje superior.

También permite que el barril actué como un segregador de gas y su longitud puede restarse del segregador de gas.

Esta bomba producirá fluido desde un nivel más bajo que una bomba de anclaje inferior.

4.5.2 Bombas de Tubería

El API las ha designado como TH o TP. Esta designación depende del tipo de pistón, y se caracterizan porque el barril es parte de la tubería de producción y esta conectado en el extremo inferior de la misma.

Este tipo de bomba se utiliza para manejar grandes volúmenes de crudo.

Una desventaja de este tipo de bombas, es que la tubería debe sacarse para hacerle servicio al barril, y esto ocasiona pérdidas adicionales de producción e incrementa los tiempos y los costos por servicios al pozo.

a. Bombas THSon bombas de tubería, con barril de pared gruesa, con pistones metálicos, para pozos profundos o de mediana profundidad.

Pueden obtenerse en diferentes tipos de metal para adaptarse a los tipos de fluido y las condiciones de servicio (profundidad del pozo, recorrido del pistón y producción deseada).

El diseño del barril de la bomba se hace funcionar generalmente con acoples superiores e inferiores. El pistón se baja en la sarta de varillas junto con la válvula fija.

Esta bomba es la mejor elección para alta producción con altos cortes de agua.

b. Bombas TP

Bomba de barril de pared gruesa y pistón con empaques blandos. El termino empaque blando se deriva del material utilizado para construir el pistón o la unidad viajera con las copas, anillos de ajuste o anillo flexite (marca registrada por H-F).

Se utiliza para bombear grandes volúmenes de fluido a profundidades moderadas, o puede usarse para bombear un pozo limpio después que ha sido tratado..

4.6 BOMBAS ESPECIALES

4.6.1 Para problemas de gas

b. Bombas dos etapas

Es una bomba inserta que se comporta como dos bombas en serie. En la carrera ascendente el fluido es llevado dentro de una cámara inferior, en la carrera descendente la mezcla de fluido y gas pasa a través de la válvula viajera y entra a una cámara mas pequeña.

En la siguiente carrera ascendente, el fluido es comprimido abriendo la válvula viajera y pasando al tubing. Esta acción efectivamente incrementa el radio de compresión de la bomba y puede ayudar a incrementar la eficiencia en pozos con interferencia de gas.

BOMBADOS ETAPAS

4.6.2 Para manejo de grandes volúmenes

b. Bombas de Tubería de Mayor Tamaño (Oversize)

Una bomba de tubería es considerada oversize cuando el diámetro externo del pistón es mayor que el diámetro interno de la sarta de tubería por encima de la bomba.

El pistón es bajado dentro del barril. Una desventaja de esta bomba, es que para poder inspeccionar alguna de sus partes se debe sacar la sarta de tubería y varillas.

La sarta de varillas puede ser extraída separadamente utilizando la herramienta “on and off”.

4.6.2 Para Manejo de arena

a. Bomba 3 Tubos

La bomba 3 tubos es una bomba inserta diseñada para una operación eficiente en la producción de fluido arenoso o sucio.

Esta compuesta por 3 tubos (un pistón y dos barriles), y tiene una tolerancia de 0.014” aproximadamente entre cada tubo.

El pistón viajero interior y el barril exterior se unen y se mueven alrededor del barril fijo, formando un sello largo de fluido entre los barriles. La mayor tolerancia entre los tubos hace la bomba menos vulnerable a que se pegue y mejora la vida de está en fluidos abrasivos permitiendo que la mayoría de partículas de arena pasen por el área de sellado.

La bomba de tres tubos tiene las ventajas tanto de las bombas de barril viajero como de barril fijo. Se puede usar en pozos de bajo fluido y es mas fácil de llenar porque el fluido solamente tiene que pasar por la válvula fija grande.

El barril viajero crea turbulencia del fluido alrededor del anclaje, lo que ayuda a evitar que la arena se asiente y se tenga que sacar la bomba.

Igualmente tiene una válvula viajera superior para evitar que la arena se asiente dentro de la bomba cuando el pozo se cierra.

b. Bomba Pampa

La bomba pampa es una bomba de ajuste hermético con un pistón largo y un barril relativamente corto o sección de liner. Su anclaje es inferior y el barril es viajero.

Fue diseñada para eliminar cualquier arena o material extraño que entre al pistón y el barril. Considerando la luz, su diseño utiliza un enfoque opuesto a la de la bomba de 3 tubos.

La bomba pampa es especialmente ideal para la producción de arena fina en fluidos de pozos y puede utilizarse a profundidades mayores que la bomba de 3 tubos.

4.7 PROBLEMAS MAS COMUNES EN LAS BOMBAS DE SUBUSELO

Los problemas más comunes que se presentan en las bombas se pueden clasificar en cuatro principalmente:

1. Problemas por corrosión

2. Problemas por abrasión

3. Problemas mecánicos

4. Problemas por restricciones de flujo

4.7.1 CORROSION

• La corrosión ocurre cuando dos o más reacciones electroquímicas se producen en la superficie de un metal.

• El factor principal para que se dé la la corrosión es la presencia de agua en el sistema. Otras variables que influyen en el proceso son:

pH (acidez), Poder de oxidación (potencial), Temperatura (transferencia de calor), Velocidad (caudal de fluido), concentración (constituyentes de la solución), Gases disueltos (Oxígeno, Gas Carbónico y Ácido Sulfhídrico)

4.7.2 ABRASION

La presencia de arena en los fluidos de producción puede ser causada por:

1. Formación poco consolidada en el yacimiento2. La rata de flujo de bombeo es demasiado alta y trabajos de

fracturamiento.

El problema de arena en el pozo desgasta las partes metálicas de las bombas ocasionando pérdidas de vida útil de las mismas.

Medidas para tener en cuenta en el diseño de la bomba en presencia de arena:• Utilización de bombas especiales• Instalación de filtros de arena• Utilización de empaquetaduras con grava• Metalurgia de la bomba.

4.7.3 PROBLEMAS MECANICOS

a. Golpe de Fluido (Fluid Pound)

El golpe de fluido puede causar los siguientes daños:

• Falla por fatiga en la unidad de bombeo

• Falla por fatiga en los dientes del engranaje y en los cojinetes de la unidad

• Falla por fatiga en la base de la unidad de bombeo.

• Falla por fatiga en la sarta varilla

• Daño en la válvula viajera y jaula

• El golpe de fluido acelera el deterioro de las roscas de la tubería causando pérdidas. Esta es la causa más frecuente de las fallas de la tubería por rupturas en las tuberías.

b. Interferencia de Gas

c. Golpe de Gas (Gas Pound)

El golpe de gas es muy similar al golpe de fluido, pero es diferente en los siguientes aspectos: no hay “pump offf” ni restricción de entrada.

El golpe de gas es causado por gas libre impidiendo que el barril se llene completamente.

d. Bloqueo por Gas (Gas lock)

Ocurre cuando la cámara de compresión entre la válvula viajera y la válvula fija es llenada por gas impidiendo que en la carrera descendente la válvula viajera se abra y no permita el paso de fluido hacia la tubería de producción

e. Fuga en Válvulas

4.7.4 Restricciones de Flujo

a.Incrustación (Scale)

Muchos pozos producen fluidos que causan la depositación de “scale” alrededor de áreas donde hay agitación y caídas de presiones.

Cuando la incrustación ocurre en forma lenta estos depósitos tienden a ser porosos, a poseer canales y su remoción con ácidos o removedores es fácil, pero los que tienen una depósitación rápida se tornan duros, densos y su remoción es complicada.

4.8 CALCULOS BASICOS PARA EL DISEÑO DE LA BOMBA DE SUBSUELO

A. Espaciamiento de la bomba

Una regla practica para calcular el espaciamiento de una bomba dejar 3” por cada 1000 ft de profundidad de la bomba.

Las varillas tienen dos clases de estiramiento:1. Alargamiento estático. 2. Estiramiento a una carga concentrada.

El espaciamiento se calcula con la siguiente ecuación:

rtp A

L

A

L

E

ApDG

E

LSS

**2.5*8.40 2

rT

pp A

L

A

L

E

ADG

E

LSS

**2.5*8.40 2

rtp A

L

A

L

E

ApDG

E

LSS

**2.5*8.40 2Donde:

L = Profundidad de la bomba, (pies)D = Profundidad del Nivel de Fluido en el Anular (Ft)G = Gravedad específica del fluido producidoE = Modulo de elasticidad = 30*106 (Psi)Ap = Area del pistón (pulg2) L1, L2, L3…= Longitud de las secciones de varilla (Pies)At = area seccional de la tubería (pulg2)A1, A2, A3… = Area seccional de varillas (pulg2) = Factor de AceleraciónN = Carreras por minuto, (SPM). S = Longitud de Carrera de la barra lisa (pulg)

Si la tubería está anclada, no hay alargamiento en la tubería.

Ajuste del Pistón.

La eficiencia de la bomba se ve afectada directamente por la luz entre el pistón y el barril. Esta tolerancia esta establecida por el tipo de pistón, que se puede encontrar fácilmente en tamaño base a –0.005”.

La selección de la tolerancia del pistón depende de varios factores, tales como:

Gravedad especifica del fluido.

Un crudo viscoso requiere mas luz que un crudo ligero. Debido a que la bomba debe de tener lubricacion y esta debe ser proporcionada por el fluido del pozo. Por lo menos el 2% del fluido debe ser usado por el piston para propositos de lubricacion y enfriamiento cuando se esten utilizando pistones metalicos.

• Longitud del pistón y/o barril

Entre mas largo el piston requiere mas luz.

32/1

8.0**69.2

**

Dh

vLBs A

32/1

8.0**69.2

**

Dh

vLBs A

Para hallar la tolerancia del pistón, se ha desarrollado la siguiente ecuación empirica:

Donde:S = Ajuste del pistón, (milesimas de pulgada).BA = Caudal de escurrimiento (Barriles por día)h = Profundidad de asentamiento de la bomba (pies)L = Longitud del pistón (pulg)V = Viscosidad cinematica (Centistokes)D = Diámetro nominal del pistón (pulgadas)

C. Escurrimiento del Fluido entre el Pistón y el Barril.

Como regla práctica y general se insiste que el escurrimiento debe ser el 2% del caudal producido para obtener una buena lubricación entre el pistón y el barril.

La siguiente ecuación puede usarse para determinar los escurrimientos a través del pistón de la bomba. La ecuación es:

7

3

10*)32.2(**

***1416.3

LV

CPDQ

Donde:Q = Escurrimiento, (pulg, cúbicas por minuto)D = Diámetro del pistón (Pulg)P = Presión diferencial del pistón (lb/pulg2)C = Tolerancia del Pistón (pulg)L = Longitud del pistón (pulg)V = Viscosidad Absoluta (Centipoises)

FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DE LAS BOMBAS DE SUBSUELO

Los factores que afectan la eficiencia de las bombas están agrupadas en cuatro categorías:

a. Condiciones de pozo. Profundidad, Presiones (THP, CHP y PWF), índice de productividad y nivel de fluido.

b. Condiciones mecánicas de pozo. profundidad y diámetro de la tubería, profundidad de asentamiento de la bombo, longitud de la carrera, velocidad de bombeo (SPM), sumergencia de la bomba y desviación del pozo.

c. Características de los fluidos. Viscosidad, temperatura, cantidad de gas en solución, gravedad del fluido, BSW, GOR, parafinas y asfaltenos, corrosión (CO2 y H2S).

d. Características de diseño y estado de reparación de las bombas.

REGISTRO DEL DINAGRAMA

DINAGRAMAS TIPO

ANALISIS DEL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO

Mediante el software Roddiag se analiza el desarrollo de los sistemas de Bombeo Mecánico.

El diagnostico del Roddiag esta basado en la solución matematica de la ecuación de onda. Este metodo permite modelar el comportamiento de la sarta de varillas y calcular las cargas en cualquier punto de la sarta de varillas.

En el Roddiag la ecuación de onda calcula la carta dinamometrica de fondo a partir de la carta de superficie tomada en la barra pulida.

Las cartas dinamometricas de fondo son mucho más facil de interpretar que las cartas de superficie, ya que dependen unicamente de la condición de la bomba.

Por ejemplo aunque en una carta de superficie se puede determinar el golpe de fluido, con la carta de subsuelo del Roddiag se puede calcular el stroke neto, carga de las varillas en cada una de la secciones, minimo esfuerzo en el fondo de cada sección, efecto del golpe de fluido en la caja reductora y otros parametros.

Antes de hacer la corrida en el Roddiag para cualquier pozo se deben completar todos los datos que pide el programa lo más exacto que sea posible. Esto con el fin de que el informe que nos presenta el programa sea confiable.

El Roddiag se puede utilizar como una herramienta de diagnostico para detectar practicamente todos los problemas de superficie y subsuelo del sistema. Estos incluyen:

• Tamaño incorrecto del motor• Sobrecargas en la caja reductora • Sobrecargas en la estructura de la unidad y las varillas• Daño en la válvula fija o viajera de la bomba• Llenado incompleto de la bomba.• Baja eficiencia de la bomba• Bomba golpeando arriba o abajo• Balanceo de la unidad• Stroke neto• Producción de fluido a través de la bomba

SIMULACION CON EL RODSTAR

El Rodstar se utiliza para predecir el comportamiento de un sistema de bombeo mecanico. La gran diferencia con otros metodos es que este incluye los efectos de inercia para los pozos del grupo 2 (<4000 ft, >2.25”).

Con este software se calcula los SPM y diametro del piston según la produccion esperada, a la vez que puede calcular automaticamente el mejor diseno de sarta de varillas. Tambien recomienda la unidad de bombeo basado en la produccion.

El Rodstar puede ayudar diferentes soluciones a un problema determinado que se tenga en le sistema de bombeo mecanico.

• Difícil manejo en pozos desviados.

• No se usa en pozo costa afuera, por el gran tamaño del equipo de superficie y su limitada capacidad de producción comparado con otros métodos.

• No se puede manejar producción excesiva de arena.

• Caída drástica de la eficiencia volumétrica cuando hay gas libre.

• Por razones de contaminación acústica, no es recomendable en áreas urbanas, cuando usan motores a gas.

DESVENTAJAS

Fácil operación y servicio. Factible variar la rata de

producción cambiando la velocidad de bombeo o la longitud del servicio.

Las unidades de superficie se pueden cambiar más fácilmente.

Se pueden usar motores a gas si no hay corrientes eléctricas.

Se puede bombear lentamente el pozo con una presión de entrada a la bomba muy baja, a fin de obtener una presión máxima.

Se utiliza un controlador de “pump off” para minimizar el golpe de fluido, costos de electricidad y daño de varillas

VENTAJAS

Ventajas y Desventajas del Sistema de Bombeo Mecánico