THETA ENTERPRISE, INC. Software Avanzado de Optimizacin para Bombeo por Cabillas Consultara y Entrenamiento John G. Svinos, Presidente.

OFICINA CENTRAL CORPORATIVA Ventas, Soporte Tcnico para RODSTAR, RODDIAG, XDIAG, CBALANCE y DYNOSTAR, T1 Dyno, Entrenamiento, y servicios de consultara. John G. Svinos Presidente Numero de telfono: (714) 526-8878 Nmero de Fax: (714) 526-8875 Numero efax: (714) 908-7287 Email: jsvinos@gotheta.com Rudy Nesmith Programador Senior. Nmero de Telfono: (714) 526-8878 Email: rnesmith@gotheta.com Theta Enterprise, Inc. 1211 West Imperial Hwy., Suite 105 Brea, CA. 92821-3733 USA

OFICINAS, DIVISION BAKERSFIELD XSPOC. Desarrollo y soporte Tcnico. Terry Treiberg Gerente de Divisin y Jefe de desarrollo de XSPOC Email: terry@xspoc.com Nmero de Telfono: (661) 633-2792 Numero efax: (240) 371-8016 Theta Enterprise, Inc. 1701 Westwind Drive Suite 226 Bakersfield, CA. 93301 USA.

Optimizacin De Bombeo Mecnico

Theta Enterprise, Inc. 1989-2005

Por:

JohnG. Svinos, Presidente Theta Enterprise, Inc.

1211 West Imperial Hwy., Suite 105 Bera, CA 92821-USA

Telfonos: (714) 526-8878, Fax: (714) 526-8875 http://www.gotheta.com

Traduccin al Espaol Ing. Herdly Escalaste Tsu. Cherry Cardona

Revision: Ing. Julian Sanchez

Maracaibo, Venezuela 2005

Direcciones de E_mail: John G. Svinos-Presidente: jvsvinos@gotheta.com Ferry Treiberg Gerente de desarrollo de XSPOC: terry@xspoc.com Orders: Sandy B. Rodrguez Gerente de Oficina: sandy@gotheta.com Soporte Tcnico del Software: Rudy Nesmith: rudy@gotheta.com

TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCION Fuentes de reduccin de rentabilidad Herramientas modernas de Optimizacin de bombeo mecnico Que esperar de este curso Tecnologas modernas Ventajas y desventajas del bombeo mecnico 1. REVISION DE FUNDAMENTOS 1.1 Tensin y Presin 1.2 Trabajo 1.3 Potencia 1.4 Energa 1.5 Torque y momento 2. EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS 2.1 UNIDAD MOTRIZ 2.1.1 Motores elctricos 2.1.2 Motores ultra de alto deslizamiento 2.1.3 Motores a gas 2.2 UNIDADES DE BOMBEO 2.2.1 Diseo de la Unidad 2.2.2 Geometra de la Unidad de bombeo 2.2.3 Nomenclatura de la Unidad de bombeo 2.2.4 Anlisis Kinematico de la unidad de bombeo 2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS 2.3.1 Contrapesos 2.4 BARRA PULIDA, ESTOPERAS Y LINEAS DE FLUJO. 2.4.1 Vlvulas de contrapresion 2.5 SARTA DE CABILLAS 2.6 TUBERIA DE PRODUCCION 2.7 BOMBA DE SUBSUELO 2.7.1 Accin de las vlvulas 2.7.2 Accin de las vlvulas y cargas de fluido 2.8 ANCLAS DE GAS 2.9 EQUIPO ADICIONAL DE FONDO DE POZO 3. EQUIPO DE FONDO 3.1 BOMBAS DE FONDO 3.1.1 Designacin API de las bombas 3.1.2 Bombas de tubera 3.1.2.1 Instalacin de la bomba 3.1.2.2 Cuando usar bombas de tubera 3.1.2.3 Cuando no usar bombas de tuberas 3.1.3 Bombas de cabillas insertables 3.1.3.1 Instalacin de la bomba 3.1.3.2 Cuando usar 3.1.3.3 Cuando no usar 3.2 BOLAS Y ASIENTOS 3.3 PISTONES

3.3.1 Pistones de empaque suave 3.3.2 Pistones metal-metal 3.4 BOMBAS ESPECIALES 3.4.1 Bomba insertable de tres tubos 3.4.2 Bombas de dos etapas 3.4.3 Vlvula de Carga 3.4.4 Bombas de vlvula upper ring 3.5 DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA Y ESCURRIMIENTO 3.5.1 Desplazamiento de la bomba y eficiencia volumtrica 3.5.2 Escurriento de fluido a travs del pistn 3.6 ANCLAS DE GAS 3.6.1 Tipos de anclas de gas. 3.6.2 Gua para el diseo de anclas de gas. 3.6.3 Diseo paso a paso para anclas de gas modificadas poor boy 3.6.4 ejemplo del diseo de ancla de gas modificada poor boy 4. MEDICIONES DE CAMPO 4.1 EL SISTEMA DEL DINAMOMETRO 4.2 USO DEL DINAMOMETRO COMO UNA HERRAMIENTO DE DIAGNOSTICO 4.2.1 Instalacin y remocin de los transductores de carga y posicin. 4.2.2 Chequeo de vlvulas en la vlvula fija y viajera. 4.2.3 Clculos del escurrimiento en la bomba desde la vlvula viajera. 4.2.4 Chequeo de la Vlvula fija. 4.2.5 Efecto en la medida del contrabalanceo. 4.2.6 Grafico de amperaje. 4.2.7 Longitud de la carrera y emboladas por minuto por minuto. 4.2.8 Data de la unidad de bombeo y Unidad motriz. 5. ANALISIS DE TORQUE 5.1 FACTOR TORQUE 5.2 CALCULO DEL TORQUE NETO EN LA CAJA DE ENGRANAJE 5.3 CAGAS EN LA BARRA PULIDA 5.4 MAXIMO MOMENTO DE CONTRABALANCEO 5.5 EJEMPLO DEL ANALISIS DE TORQUE 5.6 CALCULOS DEL FACTOR DE TORQUE 5.7 DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES 5.7.1 Tendencia del diagrama de cargas permisibles. 6. BALANCEO DE LA UNIDAD DE BOMBEO 6.1 BALANCEANDO LA UNIDAD CON AMPERAJE 6.1.1 Ventajas y desventajas de balancear la unidad con ampermetro 6.2 BALANCEANDO LA UNIDAD CON TABLAS Y GRAFICOS DE CONTRABALANCEO. 6.3 BALANCEANDO LA UNIDAD A TRAVES EL SOFWARE 6.3.1 CBALANCE contra el balanceo de la unidad a travs del ampermetro. 6.4 EFECTO DEL BALANCEO EN EL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA. 6.4.1 Factor de cargas cclicas.

7. SARTA DE CABILLAS DE SUCCION 7.1 GRADOS DE CABILLAS API 7.1.1 Tamaos de cabillas limitados por tubera 7.2 CARGAS EN LAS CABILLAS 7.3 CABILLAS DE ACERO NO API 7.4 CABILLAS DE FIBRA DE VIDRIO 7.4.1 Ventajas de las cabillas de fibra de vidrio 7.4.2 Desventajas de las cabillas de fibra de vidrio 7.5 ANALISIS DE TENSION EN LAS SARTAS DE CABILLAS 7.5.1 Diagrama de Goddman modificado 7.5.2 Factores de servicio

7.5.3 Ecuacin del diagrama modificado de Goodman para anlisis de tensin.

7.5.4 Anlisis de tensin en cabillas Electra 7.5.5 Anlisis de tensin en cabillas Norris 97, LTV HS, y UPCO 50K.

7.5.6 Anlisis de tensin en cabillas de fibra de vidrio 7.5.7 Anlisis de tensin con el mtodo MGS 7.6 BARRAS DE PESO 7.6.1 Por que usar barras de peso? 7.7 FALLAS EN CABILLAS DE SUCCION 8. DISEO DEL SISTEMA 8.1 DESARROLLO DEL METODO API RP11L 8.2 DESARROLLO DEL METODO DE LA ECUACION DE ONDA

8.3 CONSIDERACIONES EN EL DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS

8.3.1 Gua para el diseo de sistema de bombeo por cabillas 8.4 CALCULO DE LA TASA OBJETIVO DE PRODUCCION 8.4.1 Mtodo del IP constante 8.4.2 Usando el ndice de productividad 8.4.3 Mtodo de Vogels

8.4.4 Productividad del pozo por encima de la presin de burbujeo.

8.5 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS USANDO EL API RP11L

8.6 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS. 8.6.1 El programa RODSTAR 8.7 OTROS CALCULOS EN EL DISEO DEL SISTEMA 8.7.1 Fuerza para desasentar la bomba 8.7.2 Tamao de la barra pulida 8.7.3 Tamao de la polea del motor y longitud de las correas 8.7.4 Velocidades de bombeo mnimas y mximas. 9. ANALISIS DIAGNOSTICO

9.1 FUNDAMENTOS EN EL ANALISIS DIAGNOSTICO EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS

9.1.1 caractersticas de los pozos grupo 1 9.1.2 Caractersticas de los pozos grupo 2

9.1.3 Beneficios adicionales del anlisis diagnostico por computadora

9.2 ANALISIS DINAMOMETRICO DE FONDO PARA POZOS DEL GRUPO 1.

9.2.1 Accin de las vlvulas como una funcin de la presin del barril 9.2.2 Calculo de la presin de entrada de la bomba y el nivel de fluido

9.2.3 Calculo de las cargas de fluido y la carrera neta de la bomba 9.2.4 Lneas de ajuste para separar friccin de las verdaderas cargas de fluido

9.3 EXPLICACION DETALLADA DE LA FORMA DE LAS CARTAS DINAGRAFICAS DE FONDO 9.3.1 Interferencia por gas 9.3.2 Golpe de fluido 9.3.3 Fuga en la vlvula viajera o el pistn 9.3.4 Fuga en la vlvula fija 9.3.5 Tubera desanclada 9.3.6 Mal funcin del ancla de tubera 9.3.7 Golpe de bomba en la carrera descendente 9.3.8 Barril de la bomba colapsado (Abollado)-pistn atascado 9.3.9 Barril de la bomba desgastado o rajado 9.3.10 Altas aceleraciones de fluido (Inercia de fluido) 9.4 COMBINACION DE DOS O MAAS PROBLEMAS DE BOMBAS 9.5 ANALISIS DIAGNOSTICO CON EL SOFTWARE RODDIAG 9.5.1 Check List RODDIAG 9.5.2 Explicacin de los resultados del RODDIAG Picos y cargas mnimas de la barra pulida Potencia en la barra pulida Eficiencia del sistema Eficiencia volumtrica de la bomba Costo elctrico por barril Potencia mnima requerida por el motor Pesio de las cabillas en el fluido Cargas en la estructura de la Unidad Informacin de la tubera de produccin Informacin sobre bombas Clculos a partir de la carta dinagrafica de fondo Anlisis tensional de la sarta de cabillas Data de la unidad de bombeo Anlisis de torque

Tamao requerido por el motor para las condiciones existentes

Consumo de energa Grficos dinamometricos. 10. CONTROLADORES DE BOMBEO 10.1 Problemas con golpe de fluido 10.2 Temporizadores vs controladores de bombeo 10.3 Operacin de los controladores de bombeo 10.4 Mtodos para la deteccin del golpe de fluido

10.4.1 Mtodo de cargas en un punto 10.4.2 Mtodo del cuadrante. 10.4.3 Mtodo del rea. 10.4.4 Mtodo de la velocidad del motor.

10.5 Estado del arte en el monitoreo y control de sistemas con bombeo mecnico.

10.5.1 Sistemas stand-alone. 10.5.2 Sistemas de supervisin de controladores de bombeo

10.6 Sistema experto para diagnostico remoto de problemas. 10.6.1 Programa de computadora Xdiag. 10.6.2 Resumen de las caractersticas de Xdiag.

LISTA DE FIGURAS

Figura I-1. Efecto de la Eficiencia del sistema en los costos de electricidad. Figura I-2. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 90%. Figura I-3. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 95%. Figura I-4. Capacidad del bombeo Mecnico. Figura 1.1. Ejemplo de clculo de Torque. Figura 2.1. Sistema de bombeo Mecnico. Figura 2.2. Curvas de Torque-Velocidad. NEMA D vs Alto deslizamiento. Figura 2.3. Nomenclatura de Unidades de bombeo convencional. Figura 2.4. Nomenclatura de Unidades de bombeo Mark II. Figura 2.5. Nomenclatura de Unidades de bombeo balanceadas por aire. Figura 2.6. Definicin de desbalance Estructural. Figura 2.7. Definicin de ngulo de compensacin de la manivela. Figura 2.8. Operacin de las vlvulas de bomba de cabilla. Figura 2.9. Cargas de fondo sobre el pistn vs posicin para bomba llena. Figura 2.10. Operacin del ancla de gas (Poor boy). Figura 2.11. Equipo de fondo del sistema de bombeo. Figura 3.1. Designacin de bombas API. Figura 3.2. Bombas API. Figura 3.3. Operacin de la vlvula Charger. Figura 3.4. Operacin de la vlvula de anillos. Figura 3.5. Ancla de gas Natural. Figura 3.6. Operacin del ancla de gas tipo empacadura. Figura 4.1. Ejemplo de carta dinagrafica. Figura 4.2. Sistema Dinamometrico. Figura 4.3. Ejemplo del chequeo de vlvulas. Figura 4.4. Identificacin de manivelas Mark II (Por dentro de la manivela). Figura 5.1. Calculo del torque neto sobre la caja de engranaje. Figura 5.2. Definicin del factor de torque. Figura 5.3. Determinacin del torque neto sobre la caja de engranaje. Figura 5.4. Determinacin de cargas sobre la barra pulida para anlisis de torque. Figura 5.5. Medicin del Efecto de contrabalance. Figura 5.6. Carta dinagrafica para ejemplos de anlisis de torque. Figura 5.7. Grafico de torque para ejemplo de anlisis de torque. Figura 5.8. Ejemplo de carta dinagrafica con diagrama de cargas permisibles. Figura 5.9. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos para unidades Mark II con cabillas de acero. Figura 5.10. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos para unidades convencionales con cabillas de fibra de vidrio. Figura 5.11. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos para unidades Mark II con cabillas de fibra de vidrio. Figura 6.1. Grficos de amperaje para unidades en condiciones fuera de balance y balanceadas. Figura 6.2. Cuadros ejemplo de contrabalanceo para unidades Lufkin. Figura 6.3. Ejemplo de tablas de contrabalanceo para Unidades American. Figura 6.4. Ejemplo de reporte del software CBALANCE. Figura 6.5. Terminologa de la posicin de las contrapesas utilizada por CBALANCE.

Figura 7.1. Construccin del Diagrama API de Goodman modificado. Figura 7.2. Uso del diagrama API de Goodman modificado. Figura 7.3. Diagrama de tensin (Norris 97, LTV HS y UPCO 50K) Figura 7.4. Aumento de la tensin por causa de corrosin. Figura 8.1. ndice de productividad constante para curvas IPR. Figura 8.2. Curva IPR de Vogel. Figura 8.3. Diseo tradicional de ensayo y error. Figura 8.4. Sistema experto de diseo RODSTAR: Figura 9.1. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.2. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.3. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.4. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.5. Calculo de la presin de entrada en la bomba y nivel de fluido. Figura 9.6. Calculo de las cargas de fluido y embolada neta con modelo exacto de friccin. Figura 9.7. Determinacin de las cargas de fluido, embolada bruta y neta a partir de la carta de fondo calculada. Figura 9.8. Interferencia de gas con bomba espaciada demasiado arriba. Figura 9.9. Golpe de fluido. Figura 9.10. Fuga en la vlvula viajera o en el pistn. Figura 9.11. Fuga en la vlvula fija o estacionaria. Figura 9.12. Tubera desanclada o ancla de tubera no sujeta. Figura 9.13. Malfuncionamiento del ancla de tubera. Figura 9.14. Pistn golpeando en el fondo (Bomba llena). Figura 9.15. Baril de la bomba doblado o pistn atascado. Figura 9.16. Barril de la bomba rajado o gastado. Figura 9.17. Aceleracin alta de fluido (Bomba llena) Figura 9.18. Efecto de la profundidad de la bomba en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 1). Figura 9.19. Efecto de las emboladas por minuto en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 2). Figura 9.20. Efecto del tamao del pistn en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 3). Figura 9.21. Superposicin de cartas dinagraficas. Figura 9.22. Ejemplo de hoja de datos del RODDIAG. Figura 9.23.Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 1) Figura 9.24. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 2) Figura 9.25. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 3) Figura 10.1 Eventos que preceden el golpe de fluido como una condicin de estado estable. Figura 10.2. Operacin de controladores de bombeo. Figura 10.3. Mtodo de punto de carga para controladores de bombeo. Figura 10.4. Mtodo del cuadrante para controladores de bombeo. Figura 10.5. Mtodo del rea para controladores de bombeo. Figura 10.6. Limites mnimos y mximos para cargas en la barra pulida. Figura 10.7. Sistema centralizado de control.

INTRODUCCION El Bombeo mecnico es el ms comn de los mtodos de levantamiento

artificial. Aproximadamente el 95% de todos los pozos en los Estados Unidos

estn bajo levantamiento artificial. El Bombeo mecnico abarca cerca del 90%

de todos los pozos haciendo de este el mtodo primario de levantamiento

domestico. Beam Pumping (otra forma de llamar al bombeo por cabillas cuando

una unidad con viga viajera es usada) es el mas antiguo y apliamente usado

mtodo de levantamiento artificial costa adentro. Es usualmente el ms

econmico y el sistema ms fcil de mantener cuando es diseado y operado

apropiadamente.

Incrementar la eficiencia del sistema de bombeo mecnico ha sido

siempre importante. La figura I-1 muestra como la eficiencia del sistema y el

corte de agua afecta el costo de electricidad por barril de fluido producido. Si

bien este ejemplo grafico es para una bomba a una profundidad de 5000 pies y

costos de electricidad de 0.07 Kwh, las conclusiones sacadas de esto pueden

aplicarse a todos los sistemas de levantamiento artificial a pesar de la

profundidad y costos de energa.

La eficiencia del sistema es la relacin de la mnima energa requerida

para la produccin actual dividida entre la energa real consumida por el motor.

Un 50% de eficiencia del sistema es excelente y es la eficiencia mas alta que

puede esperarse tenga un sistema de bombeo mecnico convencional. Sin

embargo, pocos sistemas por bombeo mecnico realmente operan en un 50%

de eficiencia. Problemas comunes tales como golpe de fluido, pistn de la

bomba desgastado, fugas en la vlvula viajera o fija, y una unidad severamente

fuera de balance, pueden reducir la eficiencia del sistema hasta menos de un

30%. Una bomba severamente daada o una fuga en la tubera pueden

resultar en una eficiencia del sistema menor al 30%.

Como se muestra en la Figura I.1, a cada vez ms bajos cortes de agua,

los costos por electricidad pueden ser bajados lo suficiente para que el pozo

sea rentable. Sin embargo, a medida que aumenta el corte de agua, incluso

una pequea cada en la eficiencia tiene un gran impacto en los costos de

levantamiento. Como altos cortes de agua son muy comunes en la mayora de

los campos petroleros de hoy, permanecer cercanos a la lnea del 50% de

eficiencia es vital para la sobre vivencia econmica. Esto es obvio si se mira la

Figura I-2 y I-3. Estas figuras son derivadas a partir de la Figura I-1 para cortes

de agua desde 90% y 95% respectivamente. Como se muestra en la Figura I-2,

a medida que la eficiencia del sistema va bajando, el costo por barril de

petrleo se incrementa muy rpido de 0.92 $/bbl para eficiencias del 50% hasta

4.62 $/bbl para eficiencia del sistema igual a 10%. Como se muestra en la

Figura I-3 la tendencia se mantiene cierta para cortes de agua del 95%. Sin

embargo, los costos por barril son dos veces tan altos como para cortes de

agua del 90%.

Fuentes de Reduccin de Rentabilidad: Para optimizar el comportamiento de sistemas por bombeo mecnico es

importante identificar y entender los problemas que reducen la rentabilidad. Las

dos principales fuentes de reduccin de rentabilidad son baja eficiencia del

sistema y fallas en el equipo. Nosotros podemos subdividir este de la siguiente

manera:

Eficiencia baja del sistema:

Bomba desgastada. Golpe de fluido. Unidad desbalanceada. Mal diseo del tamao del motor.

Fallas del equipo:

Cabillas partidas. Fuga en tubera. Fallas en la bomba. Fallas en la caja de engranaje.

Este curso ensea las habilidades que se necesitan para encontrar,

corregir, prevenir y minimizar los problemas mencionados. La clave para

mejorar la rentabilidad es tenar el conocimiento y las herramientas para

incrementar la eficiencia y reducir las fallas del equipo. El entrenamiento

apropiado en los fundamentos del bombeo mecnico es necesario para

entender como trabaja el sistema, que puede salir mal, y que hacer sobre los

problemas comunes y los no tan comunes.

Herramientas Modernas en la Optimizacin de Bombeo Mecnico. Una buena comprensin de los fundamentos del bombeo mecnico y el

uso inteligente de las actuales tecnologas avanzadas de computadoras para

bombeo mecnico pueden cambiar el punto de vista en problemas de campo.

En vez de aceptar baja eficiencia, altos costos de energa, y fallas en el equipo

como un hecho cotidiano, podras entender y ser capaz de minimizar el impacto

de estos problemas. Grandes ahorros e incrementos en los ingresos son

posibles si puedes optimizar el comportamiento del sistema por bombeo

mecnico usando tecnologa moderna. Las principales herramientas para

optimizar el sistema son:

Software de Anlisis Diagnostico: Ayuda a detectar problemas con el sistema existente de bombeo. RODDIAG es un programa de computadora

desarrollado por Theta enterprise para este propsito. El capitulo del

Anlisis diagnostico describir el uso de tales programas de computadora.

Software Predictivo (diseo): Permite predecir el efecto de los cambios en el sistema existente, o predecir el comportamiento o las cargas del

nuevo sistema. El programa de computadora RODSTAR discutido en

Diseo del Sistema es la herramienta mas avanzada disponible para este

propsito.

Software para Balancear la Unidad de Bombeo: El nico comercialmente disponible programa de computadora ha sido desarrollado

por Theta Enterprise y es llamado CBALANCE. Este programa permite:1)

Encontrar el momento de contrabalanceo existente sin necesidad de medir

en el campo el efecto del contrabalanceo. 2) Determinar hacia donde

mover las pesas para balancear la unidad. 3) Determinar si las pesas

existentes son suficientes para balancear la unidad. 4) Decidir que tipo y

cuantas pesas ordenar al momento de comprar una unidad de bombeo

nueva.

Controladores de Bombeo: Incrementan la eficiencia del sistema y minimizan las fallas por fatiga. Los Controladores de bombeo minimizan

los efectos adversos del golpe de fluido, que es la ms comn de las

condiciones de operacin en pozos por bombeo mecnico. El capitulo de

controladores de pozos discute como estos controladores trabajan y como

estos pueden afectar el comportamiento del sistema.

Que debe esperar de este curso: Este curso esta diseado para ayudarte a entender los principios bsicos

del bombeo mecnico y para familiarizarte con la tecnologa moderna en

diagnostico. Te enseara como identificar problemas en las cabillas y como

mejorar su diseo. Este curso cubre los fundamentes y te brinda bases slidas

para incrementar tus conocimientos. Despus de completar este curso habrs

aprendido lo siguiente:

Como cada componente del sistema de bombeo trabaja y los efectos en el resto del sistema.

Como calcular el torque en la caja de engranaje, construir un diagrama de cargas permisibles, y balancear la unidad de bombeo.

Como grabar y usar cartas dinagraficas para detectar pozos y calcular las cargas tensinales de las cabillas API y no API de acero o fibra de

vidrio.

Como trabaja las bombas de cabillas, que tipo de bombas estn disponibles y cuando usarlas.

Como hacer clculos de productividad de pozos para ver si tu pozo puede producir mas fluido.

Las ventajas y desventajas de los mtodos de diseo API RP 11L, y el de la ecuacin de onda, sus limitaciones, y los rangos de aplicacin.

Como mejorar el diseo del sistema usando mtodos modernos basados en la ecuacin de onda y sistemas de tecnologa experta.

Como interpretar la forma de las cartas dinagraficas de fondo y entender la razn de la misma.

Diferenciar entre pozos profundos y someros y las herramientas que necesitas para disear y analizarlos apropiadamente. Tambin, cual es

el efecto de la inercia del fluido en pozos someros con altas tasas de

produccin.

Los problemas causados por el golpe de fluido, como funcionan los controladores de bombeo y como usarlos apropiadamente.

Los beneficios de usar programas de computadores Inteligentes y otras tcnicas modernas para optimizar el comportamiento del sistema.

Tecnologa moderna: En los aos recientes, la tecnologa de la computadora ha revolucionado

cada aspecto del bombeo mecnico. Ahora puedes usar computadoras para

disear, identificar, balancear, y monitorear sistemas de bombeo. Los

desarrollos ms recientes en tecnologa de computadora para bombeo

mecnicos incluyen simuladores muy precisos del sistema de bombeo y

programas de computadoras Inteligentes. Estos paquetes de herramientas

son el estado del arte de la tecnologa en una forma fcil de usar. Si bien esta

tecnologa es nueva, esta avanzando rpidamente. La necesidad de producir

los pozos de la forma ms rentable posible podra resultar en un incremento en

el uso de computadoras en los aos por venir. Todava la habilidad de los

poderosos programas de computadoras no ha podido eliminar la necesidad de

entender las bases del bombeo mecnico. Se ha simplemente cambiado el

nfasis en hacer manualmente clculos tediosos, a aplicar resultados. Este es

un paso en la direccin correcta debido a que mayor esfuerzo puede

dedicrsele a la optimizacin del comportamiento de pozos.

Sin el conocimiento de los principios bsicos del bombeo mecnico el

Ingeniero podra sentirte inseguro acerca de las tecnologas de punta de los

programas de computadoras, controladores de bombeo, monitoreo remoto, etc.

Estos podran parecer misteriosos y difciles de entender. Estos sentimientos

son comprensibles. Todava, estos representan solo falta de conocimiento o

entendimiento incompleto de los fundamentos del bombeo mecnico.

Este curso provee el conocimiento necesario para entender las

herramientas modernas de optimizacin del bombeo mecnico. Si se entienden

los fundamentos ac cubiertos entonces podrs racionalmente evaluar

cualquier nueva tecnologa que aparezca. As, Podrs confiar en tu propio juicio

en ves de creer en el de alguien ms o sentirte inseguro acerca de cosas que

no entiendes.

Bombeo Mecnico, Ventajas y Desventajas: Como cualquier otro mtodo de levantamiento artificial, el bombeo

mecnico tiene sus pros y contras que son importantes cuando se determina

que mtodo de levantamiento usar para una aplicacin particular. Uno de los

factores ms importantes a considerar es la mxima tasa de produccin que

deseas de tus pozos. La Figura I-4 muestra el rango de aplicacin del bombeo

mecnico. Como puede verse, dependiendo de la profundidad de la bomba, el

bombeo mecnico puede no cumplir con la capacidad de produccin deseada.

Como muestra la Figura I-4, la capacidad de produccin del bombeo mecnico

cae rpidamente con profundidad. Sin embargo, en el rango en el que puede

usarse el Bombeo Mecnico, es difcil superar su eficiencia, versatilidad y

facilidad de servicio.

Usualmente la decisin de que mtodo de levantamiento utilizar

depende de muchos factores que incluyen: Localizacin geogrfica,

disponibilidad de electricidad o gas, produccin de arena u otros slidos,

desviacin del pozo, acumulacin de escamas y parafinas, costos del equipo,

etc. Para ayudarte en tales dediciones, lo que sigue es un resumen de las

principales ventajas y desventajas del bombeo mecnico:

Ventajas Desventajas Fcil de operar y servicios Puede cambiarse fcilmente la tasa de

produccin cambiando la velocidad de

bombeo o la longitud de la carrera

Puedes disminuir la presin de entrada de la bomba para maximizar la

produccin.

Usualmente es el mtodo de levantamiento artificial ms eficiente.

Pueden intercambiarse fcilmente las unidades de superficie.

Pueden utilizarse motores a gas si no hay disponibilidad elctrica

Puedes usar controladores de bombeo para minimizar golpe de fluido, costos de

electricidad y fallas de cabillas.

Puede ser monitoreado de manera

Es problemtico en pozos desviados. No puede usarse costa afuera por el

tamao del equipo de superficie y la

limitacin en la capacidad de produccin

comparado con otros mtodos.

No puede manejar produccin excesiva de arena.

La eficiencia volumtrica cae drsticamente cuando se maneja gas

libre

Las tasas de produccin caen rpido con profundidad comparada con otros

mtodos de levantamiento artificial.

No es oportuno en reas urbanas.

remota con un sistema controlador de

bombeo.

Puedes usar modernos anlisis dinamometricos de computadora para

optimizar el sistema.

CAPITULO 1 REVISION DE FUNDAMENTOS Todos los temas, incluyendo el bombeo mecnico, estn basados en

principios y fundamentos. Estas ideas bsicas son necesarias para entender el

tema como las bases lo son para un edificio. Esto es porque, incluso si tu estas

familiarizado con los tpicos a seguir, es una buena idea darles un vistazo a

cualquier concepto que podras necesitar revisar para continuar con el resto de

los captulos. Tambin, mantn en mente que El diccionario de levantamiento

Artificial (Apndice B) al final de este manual contienen definiciones tiles de

trminos con los que podras no estar familiarizado.

1.1 TENSION Y PRESION: La tensin es definida como fuerza por unidad de rea, Por ejemplo, si

jalas una cabilla con un rea seccional de 1 plg2 con una fuerza de 1000 lbs,

entonces la tensin en la cabilla ser:

lpcoplbsp

lbsTension 1000lg/1000lg1

1000 22 ==

La tensin se refiere a slidos y es diferente a la presin (ver discusin

abajo). El concepto de tensin y cargas tensinales son importantes para

entender como disear y analizar las cabillas de succin.

Presin: Es tambin definida como fuerza por unidad de rea. Sin embargo, la presin se refiere al resultado de las fuerzas en las superficies de

un fluido. Por ejemplo, el gradiente de presin del

agua es de 0.433 lpc/pie. Si un tanque contiene

agua a una altura de 100 pies la presin en el fondo

el tanque ser de 43.3 lpc (100*0.433). Si el rea

del fondo del tanque es de 100 plg2 entonces la

fuerza aplicada en el fondo del tanque ser:

lbspplbsAPF 330.4lg100lg/3.43 22 ===

El flujo de fluidos es de una regin de alta presin a una de abaja presin. El

fluido del yacimiento fluye hacia el fondo del pozo debido a que esta es la zona

de baja presin. Una bomba de cabillas disminuye la presin en el fondo del

pozo al disminuir al mnimo el nivel de fluidlo por encima de si. Mientras mas

baja es la presin en el fondo del pozo, mayor ser la cantidad de fluido que

aportara la formacin al pozo y por supuesto a la bomba. La cantidad de fluido

en el pozo determinara el flujo de fluidos desde la formacin. Un alto nivel de

fluido sobre la bomba reduce la tasa de produccin debido a las grandes

presiones aplicadas sobre la formacin. Si se detiene la unidad de bombeo, el

nivel de fluido aumentara hasta que la presin del fondo del pozo sea igual a la

de la formacin. A este punto el flujo de fluidos desde la formacin se detendr. La presin de fondo de pozo a la cual el flujo de fluidos se detiene se denomina

presin esttica.

1.2 TRABAJO: El trabajo es la fuerza que se aplica contra un cuerpo durante una cierta

distancia. Por ejemplo, si se aplica una fuerza de 1000 lbs a un bloque para

moverlo 10 pies, entonces el trabajo hecho ser:

lbspiespieslbsDFW === 000.10101000 El trabajo es independiente del tiempo. Solo depende de la magnitud de

la fuerza y la distancia a travs de la cual la fuerza acta. En el ejemplo de

arriba el trabajo hecho fue de 10.000 pies-lbs, sin importar cuanto tiempo tomo

mover el bloque.

1.3 POTENCIA: La potencia muestra que tan rpido puede realizarse el trabajo. Cuanto

mas rpido se realice el trabajo, mayor ser la potencia requerida. En el

ejemplo de arriba, si te toma 10 segundos mover el bloque 10 pies, entonces la

potencia ser:

seglbspiesseg

lbspiestWPotencia /)(000.1

10000.10 ===

Comnmente se expresa la potencia en unidades de caballos fuerza (hp)

o watts (w). Como 1 hp es igual a 550 pies-lbs/seg., la potencia requerida en el

ejemplo anterior ser:

hpseglbspies

hpseg

lbspies 82.1/)(550

1)(000.1 =

Tambin, como 1 hp=747.7 W, la potencia en vatios para este ejemplo

ser:

W357.182.17.745 =

Si se quisiera mover el mismo bloque la misma distancia de 10 pies en

5 segundos, entonces se necesitara el doble de la potencia calculada

(1.82*2=3.64 hp). Por lo tanto, si se necesita una maquina para mover el

bloque, esta necesitara un motor con mas de 3.64 hp.

1.4 ENERGIA: Energa es la capacidad, o potencial para realizar un trabajo. Una batera

elctrica tiene energa debido a que puede hacer un trabajo cuando la conectas

a una maquina como un ventilador elctrico. El gas natural contiene energa

que puede ser convertida en trabajo cuando se quema en un motor a gas. Las

maquinas convierten la energa en trabajo til. Por ejemplo, un motor elctrico

convierte energa elctrica en el trabajo necesario para bombear crudo. La

eficiencia de una maquina es la relacin entre la energa necesaria para

realizar el trabajo y la cantidad de energa real consumida durante el trabajo.

El sistema de cabillas de succin es uno de los mtodos de

levantamiento artificial ms eficientes cuando es diseado y operado con

propiedad. La eficiencia mxima del sistema (Desde el motor hasta la bomba)

es usualmente un 45% o 55% dependiendo de la profundidad de la bomba,

condicin de la bomba, etc. Cerca de la mitad de la energa dentro del sistema

se pierde en calor, friccin y fuga de fluidos. Si la bomba esta defectuosa, si la

unidad esta severamente fuera de balance, o si la tubera tiene una fuga, las

prdidas de energa aumentan y la eficiencia del sistema disminuye.

1.5 TORQUE Y MOMENTO: Torque es una fuerza de torsin. La Figura 1.1 muestra la conexin de la

manivela al eje. Si se aplica una fuerza F de 1000 lbs a una distancia de 10 plg

desde el centro del eje, el eje podra experimentar un torque igual a:

xlbspplbsXFT lg000.10lg101000 ===

El momento es definido como la tendencia a causar rotacin alrededor

de un punto. En otras palabras es bsicamente lo mismo que el torque. En

bombeo por cabillas, el momento se refiere al torque en la caja de engranaje

producido por las contrapesas y la manivela de la unidad de bombeo. Para

calcular el torque en el eje debido a una aplicacin de una fuerza F, se debe multiplicar la fuerza por la distancia horizontal desde el centro del eje hasta el

punto donde se aplica la fuerza. Si la manivela en la Figura 1.1 rotara alrededor

del eje entonces el torque en el eje a cualquier posicin seria:

)( XsenDsenFDFT === Donde D es la distancia horizontal desde el centro del eje a la fuerza F.

La distancia X es la longitud de la manivela. Theta es el ngulo de la manivela tomando como punto de referencia las 12 en punto de las agujas del reloj. El

mximo torque o momento ocurre cuando theta es igual a 90 o 270 debido a

que en esta posicin el seno es igual a 1. Para cualquier otro ngulo es menor.

Por ejemplo, a 45 en torque en el eje es:

[ ] lbspsenT === lg070.707.71000)45(101000 Este es menor que el mximo momento calculado de 10.000 lbs-plg

calculado arriba cuando el crack esta horizontal (=90). Cuando el ngulo de la

manivela es 0 o 180 el torque en el eje es cero debido a que la distancia D va hasta cero.

Posicin de Mximo Torque

Figura 1.1. Ejemplo de Calculo de Torque

DIVISION DEL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO:

CAPITULO 2 EL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO La funcin del sistema de bombeo mecnico por cabillas es transmitir la

potencia hasta la bomba de fondo para levantar los fluidos del yacimiento hasta

la superficie. La bomba de cabillas, bombeando el fluido que fluye desde la

formacin hasta el fondo del pozo, disminuye la presin en el fondo el pozo. Un

diferencial de presin grande entre la formacin y el fondo el pozo incrementa

la tasa de produccin.

Como muestra la Figura 2.1, el sistema de bombeo por cabillas consiste

en equipo de superficie y de fondo. El equipo de superficie incluye la unidad

motriz (motor elctrico o motor a gas), unidad de bombeo, barra pulida, prensa

estopa, cabezal, y lneas de flujo. El equipo de fondo incluye el revestidor,

tubera de produccin, sarta de cabillas, bomba de fondo, ancla de gas

(opcional), niple de asentamiento, niple perforado y ancla de lodo (tubo de

barro). En este capitulo se examinara cada componente del sistema para

entender como trabaja y como afecta el resto del sistema.

2.1 UNIDAD MOTRIZ: La unidad motriz es tpicamente un motor elctrico o a gas. La mayora

de las unidades motrices son motores elctricos. Motores a gas son usados en

locaciones sin electricidad. La funcin de la unidad motriz es suministrar la

potencia que el sistema de bombeo necesita. La unidad motriz afecta el

consumo de energa y las cargas de la caja de engranaje. Los hp del motor

dependen de la profundidad, nivel de fluido, velocidad de bombeo y balanceo

de la unidad. El tamao de la unidad motriz se cubrir en el Capitulo de Diseo

del Sistema. Sin embargo, es importante entender que el tamao de la unidad

motriz puede tener un impacto significativo en la eficiencia del sistema. En la

mayora de los campos petroleros las unidades motrices estn usualmente

sobre dimensionadas. Esto garantiza que estarn disponible suficientes

caballos de fuerza en el sistema pero al precio de bajar la eficiencia. Motores

elctricos alcanzan sus eficiencias ms altas cuando las cargas estn cercas a

la potencia de la etiqueta (Placa del motor). Cuando un motor esta poco

cargado la eficiencia es menor.

Los motores elctricos y a gas son componentes de bajo torque y altos

rpm. La variacin de velocidad de la unidad motriz afecta la caja de engranaje,

las cargas en las cabillas y tambin la velocidad de bombeo. Variaciones de

velocidad altas de la unidad motriz reduce el torque neto en la caja de

engranaje. Por ejemplo, en la carrera ascendente donde la barra pulida soporta

las mayores cargas, el motor desacelera. Debido a esta reduccin de

velocidad, la inercia de los contrapesos (resistencia al cambio en velocidad)

ayuda a reducir el torque de la caja de engranaje liberando energa kinetica

almacenada. Esto tambin reduce las cargas picos en la barra pulida

reduciendo la aceleracin de la barra pulida. En la carrera descendente la

unidad acelera resultando en cargas mnimas sobre la barra pulida. Por lo

tanto, variaciones de velocidad altas en la unidad motriz "aplana las cartas

dinamograficas al compararse con unidades motrices de baja variacin de

velocidad. Esto resulta en rangos bajos de tensin y por ende en disminucin

de la fatiga en las cabillas.

La siguiente figura es un ejemplo de diferencias en las forma de las

cartas dinagraficas entre un motor NEMA D con una variacin de velocidad del

8% y un motor de alto deslizamiento con una variacin de velocidad del 35%.

Esto es para un pozo de 9000 pies con una unidad de bombeo Mark II.

2.1.1 Motores Elctricos: Los motores elctricos para bombas de cabillas son principalmente

motores de induccin de tres fases. NEMA D (Nacional Electrical

Manufacturers Association) clasifica los motores segn el deslizamiento y las

caractersticas de torque durante el arranque. El porcentaje de deslizamiento

es definido como:

)1.2(100)(

EcuacionSSS

Sg

flg =

Donde Sg es la velocidad sincrona del motor (usualmente 1200 rpm) y

Sn es la velocidad para cargas completas.

La variacin de velocidad es diferente del deslizamiento. Se define

como:

)2.2(100)(

max

minmaxvar EcuacionS

SSS =

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 mximo deslizamiento de 5% y

NEMA B con un mximo deslizamiento de 3%.

2.1.2 Motores de Ultra Alto Deslizamiento: Motores elctricos especiales con deslizamiento mayor al 13% son

denominados motores de ultra alto deslizamiento. Estos son diseados 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 ms bajos

torque en la arrancada y las variaciones de velocidad ms 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 caractersticas entre los modos de bajo y alto

torque.

Un dimencionamiento correcto del motor de ultra alto deslizamiento

podra tener una variacin de velocidad de hasta un 50%. Usualmente esto

resulta en torques ms bajos en la caja de engranaje y cargas en las cabillas

comparado a sistemas con unidades motrices de bajo deslizamiento. Un motor

ultra de alto deslizamiento debe ser correctamente dimensionado y aplicado

para las condiciones correctas del pozo para reducir el torque a travs de las

variaciones altas de velocidad. Un motor sobre diseado puede no cargarse lo

suficiente para variar la velocidad y podra realmente comportarse como un

motor NEMA D.

2.1.3 Motores a 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 tpicamente queman gas rentado y son generalmente

ms baratos que operar motores elctricos. Sin embargo, costos de capital y

mantenimiento son usualmente ms altos que para motores elctricos. Motores

a gas son primordialmente utilizados en locaciones remotas sin disponibilidad

de electricidad.

2.2 UNIDADES DE BOMBEO: La funcin de la unidad de bombeo es convertir el movimiento rotacional

de la unidad motriz al movimiento ascendente descendente de la barra pulida.

Una unidad de bombeo apropiadamente diseada tiene el tamao exacto de

caja de engranaje y estructura. Tambin tiene suficiente capacidad de carrera

para producir el fluido que deseas.

Si bien todas las unidades de bombeo tienen caractersticas comunes,

estas tambin tienen diferencias que podran influenciar significativamente el

comportamiento del sistema. Para maximizar la eficiencia del sistema necesitas

entender las ventajas y las desventajas de las diferentes geometras de las

unidades de bombeo para las condiciones de los pozos. Esto puede hacerse

simulando el sistema de bombeo con un moderno programa de diseo como el

RODSTAR que puede asertivamente modelar toda la geometra de las

unidades de bombeo. Con tales programas de computadora puede predecirse

la produccin, cargas, tensin, torque y consumo de energa para diferentes

geometras de unidades de bombeo para la aplicacin. Este es la manera mas

precisa de comparar unidades.

2.1.1.-Diseo de la Unidad. La API ha desarrollado un mtodo estndar para describir las unidades

de bombeo. Es como sigue:

La letra C significa unidad convencional, tal como la unidad mostrada en la Figura 2.1. La letra M significa una unidad Mark II y la letra A una unidad balanceada por aire. Tambin pueden verse otras combinaciones de letras

simples o dobles para nuevos tipos de unidades de bombeo tales como RM para unidades Lufkin Mark Reversas. El primer nmero es la designacin de la

capacidad de carga de la caja de engranaje en Miles libras-plg (torque), En el

ejemplo, la capacidad de la caja de engranaje es hasta 320.000 lbs-plg. El

segundo nmero es la capacidad de la estructura en cientos de libras. En el

ejemplo este rango significa que para evitar sobre cargas en la estructura de la

unidad, la barra pulida no debe exceder de 25.600 lbs. El ultimo numero

muestra el longitud mxima de la carrera de la unidad en pulgadas (100 plg en

el caso ejemplo). Las unidades de bombeo usualmente tiene desde 2 hasta 5

longitudes de carrera. Los catlogos de las unidades muestran todas las

longitudes de carrera disponibles.

2.2.2 Geometra de las Unidades de Bombeo: Las siguientes tres paginas muestran los tipos de unidades de bombeo

mas populares. Estas son:

1. Tipo convencional

2. Mark II

3. Balanceadas por Aire

Unidades de Bombeo Convencional Ventajas:

1. Costos de Mantenimiento bajos.

2. Cuesta menos que otras Unidades.

3. Usualmente es mejor que el Mark II con sarta de cabillas de fibra de vidrio.

4. Puede rotar en sentido horario y antihorario.

5. Puede bombear ms rpido que las Unidades Mark II sin problemas.

6. Requiere menos contrabalanceo que las Mark II.

Desventajas: 1. En varias aplicaciones no es tan eficiente como el Mark II u otros tipos de unidades. 2. Podra requerir cajas de engranaje ms grandes que otros tipos de unidad

(especialmente con cabillas de acero).

Unidades de Bombeo Mark II Ventajas:

1. Tiene menor torque en la mayora de los casos.

2. Podra costar menos (-5%, -10%) comparada con el siguiente tamao en una unidad convencional.

3. Es ms eficiente que las unidades convencionales en la mayora de los casos.

Desventajas: 1. En varias aplicaciones, no puede bombear tan rpido como una unidad convencional

debido a su velocidad en la carrera descendente. 2. Solo puede rotar en sentido antihorario. 3. En caso de existir golpe de fluido podra causar mas dao a la sarta de cabillas y la

bomba. 4. Puede colocar la base de la sarta de de cabillas en severa compresin causando fallas

por pandeo. 5. Puede experimentar torques mas altos que las unidades convencionales cuando se

usan cabillas de fibra de vidrio, adems, de la posibilidad de colocarlas en compresin.

Unidades de Bombeo Balanceadas por Aire Ventajas:

1. Es ms compacta y fcil de balancear que las otras unidades.

2. Los costos de transporte son mas bajos que otras unidades (debido a que pesa menos)

3. Vienen en tamaos ms grandes que cualquier otro tipo de unidad.

4. Puede rotar tanto en sentido horario como antihorario.

Desventajas:

1. Son ms complicadas y requieren mayor mantenimiento (compresor de aire, cilindro de aire).

2. La condensacin del aire en el cilindro puede constituir un serio problema.

3. La caja de engranaje podra daarse si el cilindro pierde la presin de aire. Otras caractersticas interesantes de las unidades balanceadas por aire son:

1. Perfecto contrabalanceo con el toque del dedo. 2. Longitudes de carrera de hasta 20 pies para pozos con alto potencial. 3. Fcil de Instalar.

Existen tambin otros varios tipos de unidad tales como las de bajo

perfil, hidrulicas, de carreras largas (tales como Rotaflex), y otras unidades de

geometra inusual. Sin embargo, la mayora de los pozos son bombeados con

los tres principales tipos de unidades mencionados. La razn principal de la

duracin de la popularidad de estas unidades de bombeo es por que estas han

sido usadas por ms tiempo que las otras y han probado ser confiables,

durables, y fciles de mantener. Dependiendo de la aplicacin, hay ventajas y

desventajas para cada tipo de unidad. Ninguna unidad puede reclamar para si

el mejor comportamiento en todas las aplicaciones. Por ejemplo, si el espacio

es limitado entonces una unidad balanceada por aire es la mejor opcin por lo

compacto de su diseo. Si se usan cabillas de fibra de vidrio entonces una

unidad convencional ser mejor que un Mark II como ser explicado luego. En

pozos profundos con cabillas de acero, una unidad Mark II puede tener el ms

bajo torque neto en la caja de engranaje, etc.

La manera mas precisa de encontrar la mejor geometra de unidad para

una aplicacin dada es usar programas predictivos de computadora tales

como el RODSTAR. Con estos programas se puede modelar la unidad de

bombeo usando kinematica (caractersticas de movimiento) de manera muy

precisa, de la misma forma te permite comparar el comportamiento de

diferentes unidades de bombeo para aplicaciones especificadas. Tambin

permite evaluar que sentido de rotacin es mejor aplicarle a la manivela (En

sentido de las agujas el reloj o en contra del sentido de las agujas).

2.2.3 Nomenclatura de las Unidades de Bombeo. Las Figuras 2.3, 2.4 y 2.5 muestran los nombres de los componentes de

las unidades de bombeo convencionales, Mark II y balanceadas por aire. Las

siguientes son definiciones de algunos trminos adicionales de las unidades de

bombeo:

Desbalance estructural: Es la fuerza que se necesita para que la barra pulida mantenga la viga viajera en una posicin horizontal con los brazos

pitman desconectados de los pins de la manivela. Esta fuerza es positiva

cuando acta hacia abajo y negativa cuando acta hacia arriba. Ver la Figura

2.6 para una explicacin visual del desbalance estructural. El desbalance

estructural para unidades convencionales puede ser o positivo o negativo. Para

unidades Mark II es siempre negativo.

Angulo de compensacin de la manivela: Este es el ngulo entre el

pin de la manivela y los brazos de las contrapesas. La Figura 2.7 muestra como

se puede medir el ngulo de fase de la manivela. Para unidades Mark II el

ngulo de fase es positivo. Para manivelas del tipo Torqmaster este es

negativo. Para la mayora de las unidades de bombeo convencionales el

ngulo de fase de la manivela es cero.

El propsito del ngulo de fase de la manivela es ayudar a reducir el

torque en la caja de engranaje mejorando la fase entre las cargas en la barra

pulida y el momento de las contrapesas.

REV

ERSE

MA

RK

LOW

PR

OFI

LE

CH

UR

CH

ILL

BEA

MPO

RTA

BLE

/TR

AIL

ER M

OU

NT

LUFK

IN

2.2.4 Anlisis Kinematico de las Unidades de Bombeo:

Para evaluar el comportamiento de los diferentes tipos de Unidades de

bombeo, es importante simular con precisin sus caractersticas kinematicas.

El informe de la SPE al final de este capitulo titulado Un anlisis Kinematico

exacto de las Unidades de bombeo describe un mtodo para calcular la posicin

de la barra pulida, velocidad, y aceleracin para cualquier ngulo de la

manivela. Este modelo kinematico puede usarse para calcular la posicin

angular, velocidad y aceleracin de cualquier parte de la unidad de bombeo.

Usando este mtodo kinematico se pueden comparar la velocidad de la

barra pulida y la aceleracin de diferentes unidades, Sin embargo, debe

mantenerse en mente que el comportamiento del sistema de las unidades de

bombeo depende en la interaccin de todos los componentes del sistema. La

geometra de las unidades de bombeo es un factor muy importante pero no es

el nico. Otros elementos incluyen la profundidad del pozo, tamao de la

bomba, diseo de la sarta de cabillas, material de las cabillas, y tipo de unidad

motriz. Por lo tanto, el modelo kinematico de la unidad de bombeo debe

combinarse con el mtodo predicativo de la ecuacin de onda para comparar

con exactitud unidades de bombeo para condiciones de pozo dadas.

La unidad de bombeo tiene una gran influencia en el comportamiento del

sistema. Afecta las cargas en la barra pulida, carrera en la bomba, tamao del

unidad motriz, torques picos, y consumo de energa. Un anlisis matemtico

detallado de la geometra de la unidad de bombeo esta ms all del alcance de

este curso. El mtodo del anlisis kinematico descrito en el informe # 12201 de

la SPE provee una explicacin detallada de cmo modelar unidades de

bombeo, calcular factores de torque, y cualquier otro valor relacionado con el

movimiento de la unidad.

2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS La funcin de la caja de engranaje es convertir torque bajos y altas rpm

de la unidad motriz en altos torque y bajas rpm necesarias para operar la

unidad de bombeo. Una reduccin tpica de una caja de engranaje es 30:1.

Esto significa que la caja de engranaje reduce los rpm a la entrada 30 veces

mientras intensifica el torque de entrada 30 veces.

2.3.1 Contrapesos Si la caja de engranaje tuviera que suplir todo el torque que la unidad de

bombeo necesita para operar, su tamao debera ser demasiado grande.

Afortunadamente, al usar contrapesos, el tamao de la caja de engranaje

puede ser minimizado.

Los contrapesos ayudan a reducir el torque que la caja debe suministrar.

Estos ayudan a la caja durante la carrera ascendente cuando las cargas en la

barra pulida son las ms grandes. En la carrera descendente, la caja de

engranaje levanta los contrapesos con la ayuda de las cargas de las cabillas,

quedando listos para ayudar nuevamente en la carrera ascendente. En otras

palabras, en la carrera ascendente, las contrapesas proporcionan energa a la

caja de engranaje (Al caer). En la carrera descendente estos almacenan

energa (subiendo). La condicin operacional ideal es igualar el torque en la

carrera ascendente y descendente usando la cantidad correcta del momento

de contrabalanceo. Cuando esto ocurre la unidad esta Balanceada.

Una unidad fuera de balance puede sobrecargar el motor y la caja de engranaje. Esto puede resultar en fallas costosas y perdidas de produccin si

no se corrige a tiempo. Para determinar si la unidad esta balanceada, debe

hacerse un anlisis de torque o registrar un grafico de amperaje del motor en la

carrera ascendente y descendente.

2.4 BARRA PULIDA, PRENSA ESTOPA Y LINEA DE FLUJO: La barra pulida conecta la unidad de bombeo a la sarta de cabillas y es

la nica parte de la sarta que es visible en la superficie. Como su nombre lo

dice, la barra pulida tiene una superficie lisa y brillante. La superficie de la barra

pulida previene el desgaste de las empacaduras del prensaestopa. Las

empacaduras del prensa estopa estn diseadas para prevenir fugas de fluido.

Si el pozo no produce suficiente petrleo para mantener lubricada la barra

pulida entonces un lubricador es usualmente instalado encima del prensa

estopa. Este lubricador prevendr daos en la prensa estopa y la barra pulida

con la constante lubricacin.

Las empacaduras del prensa estopa son apretadas para prevenir fugas

en el cabezal. Pero, si se aprietan demasiado, podran incrementarse las

perdidas de potencia en la barra pulida resultando en una mala interpretacin

de la carta dinagrafica por la distorsin de las cargas sobre la barra pulida. La

funcin principal de la barra pulida es soportar el peso de la sarta de cabillas,

bomba y fluido. Por lo tanto, la barra pulida experimenta cargas ms altas que

cualquier otra parte de la sarta.

Las lneas de flujo conectan el cabezal del pozo con el separador.

Aunque este curso no cubre los equipos ms all del cabezal, es importante

entender el efecto de la presin de la lnea de flujo en el sistema de bombeo

por cabillas. Como si discuti arriba, la barra pulida soporta el peso de la sarta

de cabillas y el fluido. Tambin, debe sobreponerse a la presin en la lnea.

Altas presiones en la lnea pueden resultar en altas cargas en la barra pulida y

una baja en la eficiencia. Estas cargas adicionales en la barra pulida

dependern del dimetro del pistn. Mientras ms grande sea el tamao del

pistn, ms grande ser el efecto de la presin de la lnea de flujo en el

sistema.

2.4.1 Vlvula de Contrapresin: En pozos con exceso de gas tendr que instalarse un orificio o pressure

back en la lnea de flujo. Esto es necesario para evitar cabeceo o interrupcin

de la produccin. Esto ocurre cuando:

Cuando el fluido producido se acerca a la superficie del pozo la presin

va en descenso. Esto causa expansin del gas dentro de la tubera de

produccin desalojando el lquido hacia la superficie. A medida que el gas

fuerza la salida del lquido hacia las lneas de flujo, la presin en la tubera

disminuye, y ms y ms gas podr expandirse.

Cabeceos causan ciclos de alta produccin seguidos por periodos de

baja produccin o ninguna produccin. Al comienzo del cabeceo, el gas en

expansin empuja el liquido dentro de las lneas de flujo y aumento la

produccin momentneamente. Sin embargo, el lquido que deja la tubera es

reemplazado por ms y ms gas libre. Eventualmente, la tubera queda seca, y

la produccin se detiene hasta que la tubera se llene con fluido nuevamente.

En un pozo de bombeo, el cabeceo es indeseable y debe ser controlado. La

forma mas comn de detener el cabeceo es usando un orificio o una vlvula de

desahogo de presin. Este dispositivo incrementa la presin en la lnea de flujo

para evitar el gas se expanda y cause cabeceo. Incrementar la presin en la

tubera 50-60 lpc es frecuentemente suficiente para detener el cabeceo. La

vlvula de presin de desahogo es diseada para cerrar cuando la presin de

tubera es baja y para abrir cuando la presin de la tubera aumenta. La bola en

este tipo de vlvula es mantenida cerrada con un resorte enrollado. Cuando la

presionen la tubera excede la tensin del resorte la vlvula se abre.

Si bien esto mantiene libre de cabeceo al pozo, debido a la presin

agregada al pistn, el sistema deber realizar un trabajo mayor. Esto sin duda

disminuye la eficiencia del sistema. Por lo tanto, vlvulas de presin de retorno

y orificios deben usarse solo cuando el pozo presenta cabeceo.

2.5 SARTA DE CABILLAS: La sarta de cabillas conecta la bomba de fondo con la barra pulida. La

funcin principal es transmitir el movimiento oscilatorio de la barra pulida a la

bomba. Esto proporciona la potencia necesaria por la bomba para producir

hidrocarburos. La resistencia, vida til y fuerzas friccinales de la sarta de

cabillas tiene un impacto significativo en la economa de un pozo.

Las cabillas de succin son hechas de acero o fibra de vidrio. La

mayora de las cabillas son fabricadas 100% en acero. Sartas parcialmente

acero y fibra de vidrio son tambin comunes en muchos campos petroleros.

Estas son principalmente utilizadas en localizaciones con problemas de

corrosin, para reducir cargas en la unidad de bombeo, para evitar la compra

de unidades excesivamente grandes o para incrementar la tasa de produccin.

Cabillas de acero son fabricadas en longitudes de 25 o 30 pies. Cabillas de

fibra de vidrio son construidas en longitudes de 25, 30 o 37,5 pies. El tamao

de cabillas de fibra de vidrio mas comn es 37.5 pies. Esto reduce el numero

de acoples haciendo la sarta tan ligera como sea posible. El rango del dimetro

de cabillas de acero va de 0.5 plg hasta 1.25 plg, para las de fibra de vidrio se

encuentran rangos desde 0.75 plg hasta 1.5 plg.

Cada cabilla de la sarta debe soportar las cargas de fluido y el peso de

las cabillas por debajo de ellas. Para minimizar los costos y las cargas

tensinales, la sarta de cabillas se disea usualmente de forma ahusada

(adelgazamiento en forma cilndrica-Ver Figura 2.1). Dimetros mayores de

cabillas son colocados en el tope y ms pequeos en la base. Dependiendo de

la profundidad, la sarta de cabillas va desde una (1) hasta cinco (5) secciones

ahusadas. Las secciones tpicas son 1-7/8-3/4 o 7/8-3/4. Barras de peso

(Cabillas de dimetro mayor para el fondo de la sarta) son comnmente usadas

para sobreponerse a las fuerzas de flotacin y minimizar la compresin en las

cabillas en la base de la sarta. En el diseo de las sartas de cabillas, un ensayo

para determinar el porcentaje en cada seccin debera resultar en las mismas

cargas tensinales al tope de cada seccin de cabillas. El diseo de sarta de

cabillas se discutir con ms detalle luego.

La sarta de cabillas tiene un impacto mayor en el comportamiento del

sistema. Afecta las cargas en la barra pulida y la caja de engranaje, consumo

de energa, torque en la caja de engranaje, carrera de fondo, y frecuencia de

fallas de las cabillas.

2.6 TUBERIA DE PRODUCCIN: El fluido se produce a travs del anular tubera-cabillas hasta la superficie. Cuando la tubera esta anclada al anular, esta tiene un efecto menor

en el comportamiento del sistema en la mayora de los casos. Si la tubera no

esta anclada entonces podra afectar las cargas sobre las cabillas y el

desplazamiento de la bomba debido a su estiramiento. El estiramiento de la

tuberia ser cubierto con ms detalle luego. Algunos problemas que pueden

afectar el comportamiento del sistema incluyen:

1. Restricciones de flujo debido a parafinas y escamas.

2. Cuellos de botella pueden ocurrir cuando la bomba tiene dimetros

mayores que el dimetro interno de la tubera.

3. Hoyos desviados que incrementan la friccin entre cabillas y tubera.

4. Tubera que es demasiado pequea para la tasa de produccin.

Todos estos problemas resultan en cargas ms altas en todos los

componentes del sistema. Tambin, fugas en tubera pueden disminuir

significativamente la eficiencia del sistema si no es detectada y corregida a

tiempo.

2.7 BOMBAS DE SUBSUELO: La tpica bomba por cabillas de succin es un arreglo embolo-cilindro. En la terminologa de campos petroleros el embolo es llamado pistn y el cilindro se le

conoce como barril de la bomba. El pistn tiene una vlvula de bola y asiento

llamado vlvula viajera debido a que viaja hacia arriba y hacia abajo con el

pistn. A la entrada del barril de la bomba existe otra vlvula llamada vlvula

fija debido a que esta fijada a la tubera y no se mueve. La Figura 2.8 muestra

un diagrama simplificado de las bombas de cabillas. Entender la operacin de

la bomba es esencial para la comprensin total del sistema incluyendo la

interpretacin de la forma de las cartas dinagraficas.

La operacin de la bomba afecta todos los componentes del sistema.

Esta influye en las cargas sobre la sarta de cabillas, unidad de bombeo, caja de

engranaje y motor. Sistemas con bombas de calibres grandes son muy

sensibles a la presin en la lnea de flujo, incluso pequeos aumentos en la

presin de la lnea podran incrementar significativamente las cargas en la

barra pulida.

2.7.1 Accin de las Vlvulas: Para entender como trabaja la bomba hay que darle un vistazo a la accin de las valvulas, asumiendo que la bomba esta llena con liquido

incompresible tal como petrleo muerto o agua. La Figura 2.8 muestra como se

comportan las vlvulas viajeras y fijas durante el ciclo de bombeo.

Carrera Ascendente: En la carrera ascendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia

arriba, la vlvula viajera cierra y levanta las cargas el fluido. Esto genera un

vaci en el barril de la bomba que causa la apertura de la vlvula fija

permitiendo que el fluido proveniente del yacimiento llene la bomba.

Carrera Descendente: En la carrera descendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia abajo, la vlvula fija se cierra y el fluido en el barril de la bomba empuja la

vlvula viajera abriendo esta. El pistn viaja a travs del fluido que se ha

desplazado hacia la bomba durante la carrera ascendente. Luego el ciclo se

repite.

Para un caso ideal de bomba llena y fluido incompresible, en la carrera

ascendente la vlvula viajera cierra, la fija abre y el fluido comienza a ser

bombeado a travs de la tubera hasta la superficie. En la carrera descendente,

la vlvula viajera abre y la fija cierra. Sin la accin de las vlvulas, la produccin

no seria posible. Si la vlvula fija no abre, el fluido no entrara a la bomba. Si la

vlvula viajera no abre entonces el fluido no entrara a la tubera.

2.7.2 Accin de las Vlvulas y Cargas de Fluido: La accin de las vlvulas es tambin importante para entender como las cargas de fluido son aplicadas al pistn de la bomba y la sarta de cabillas. Esto

es necesario para entender la caga sobre las cabillas, forma de la carta

dinagrafica y comportamiento de las cabillas de succin. Una carta dinagrafica

es un grafico de carga versus posicin. Si pudiera colocarse un instrumento

para medir las cargas justo arriba del pistn de la bomba, se terminara con una

carta dinagrafica de fondo. Para entender como seria la carta dinagrafica de la

bomba para bomba llena y porque veamos la Figura 2.9. Para este ejemplo la

tubera esta anclada (Se examinara el efecto del movimiento de la tubera en la

forma de la carta dinagrafica mas adelante).

Carrera ascendente: Al comienzo de la carrera ascendente, la vlvula viajera cierra (punto A de la Figura 2.9). A este punto la vlvula viajera levanta las cargas del fluido.

Estas cargas permanecen constantes durante el recorrido ascendente (del

punto A hasta B).

Carrera descendente: En la carera descendente, cuando el pistn comienza el movimiento hacia abajo, la vlvula viajera abre (punto C). En este punto la vlvula viajera se

libera de la carga de fluido y la presin el mismo se transfiere a la tubera a

travs de la vlvula fija. Por lo tanto, la vlvula viajera no lleva la carga de fluido

durante la carrera descendente (desde el punto C al D).

Las diferencias de carga entre los puntos A y D (o B y C) son las cargas

del fluido en el pistn. De acuerdo a la Figura 2.9 las cargas de fluido son

transferidas instantneamente desde D hasta A y desde B hasta C. Esto es

verdad solo al sumir incompresibilidad del fluido y bomba llena. Algunas veces

tal como cuando pozos con alta produccin de gas son bombeados, la

transferencia de cargas de fluido no son instantneas. La tasa de

levantamiento de carga depende de la integridad de la bomba, el tipo de fluido

bombeado, espaciamiento de la bomba, y si la tuberas esta o no anclada.

2.8 ANCLA DE GAS: La bomba de cabillas de succin esta diseada para bombear liquido. La presencia de gas en el lquido producido reduce la eficiencia de la bomba. En la

carrera descendente, la bomba comprime el gas hasta que la presin dentro

del barril es lo suficientemente alta para abrir la vlvula viajera. Dependiendo

de la cantidad de gas libre, una gran parte de la carrera ascendente puede

desperdiciarse en la compresin del gas antes que algn lquido sea producido.

Debido a esto, eficiencias volumtricas menores al 50% son comunes cuando

el gas entra a la bomba. En la carrera ascendente, como el gas entra a la

bomba, este ocupa una gran parte del volumen de la bomba. Esto reduce la

cantidad de lquido que puede entrar a la bomba. Las anclas de gas ayudan a

reducir la cantidad de gas libre que entra en la bomba. Esto ocurre al permitir la

separacin del gas y su flujo hacia la superficie a travs del anular revestidor-

tubera antes de su entrada a la bomba.

La Figura 2.10 muestra un diagrama simplificado de cmo trabaja el

ancla de gas. Forzando el fluido a moverse hacia abajo antes de entrar a la

bomba, la mayor parte del gas se separa y fluye hacia arriba entre el anular

revestidor-tubera. En pozos con problemas de interferencia de gas la entrada

de la bomba debe moverse por debajo de las perforaciones. Esto permitir la

separacin del gas que fluir hacia arriba antes que entrar entro de la bomba.

2.9 EQUIPO ADICIONAL DE BOMBEO: La Figura 2.11 muestra el equipo de subsuelo ms comnmente usado

en pozos con bombeo por cabillas. El sistema de separacin de gas incluye el

niple perforado, el ancla de gas y tubo de barro, y el tapn al final el tubo de

barro (bull plug). El bull plug y el niple perforado aseguran que ninguna basura

(sucio, swab rubber, etc) entren en la bomba. El tubo de barro esta conectado

al niple perforado y es la cmara que permite que el gas se separe desde el

liquido antes de entrar a la bomba. El niple perforado es donde el fluido entra a

la bomba.

El niple de asentamiento (o zapata) es un acople de tubera

especialmente diseado que es internamente ahusado (estrechamiento) y

permite asentar la bomba con un fuerte sello. Los niples de asentamiento

tienen por igual cierre mecnico o por copas de friccin. Cuando una bomba de

tubera es usada, la vlvula fija se fija en la base del pistn. Luego que la

vlvula fija se fija en el niple de asentamiento, la sarta de cabillas se gira en

contra de las agujas del reloj para liberar el pistn. Para bombas insertadas, el

ensamblaje completo de la bomba se fija a la sarta de cabillas. Luego es

bajada dentro de la tubera hasta que se fija en el niple de asentamiento. El

fondo de la bomba tiene un

ensamblaje que se acopla al

niple. Luego que la bomba se

asienta el pistn es espaciado

dentro del barril para evitar

golpear el tope o base del baril de

la bomba.

CAPITULO 3 EQUIPO DE FONDO. 3.1 Bombas de Fondo: Las bombas de subsuelos son uno de los componentes claves del

sistema de bombeo mecnico. El tamao del pistn de la bomba determina la

tasa de produccin, cargas en las cabillas, y cargas en todos los componentes

del sistema. En adicin a las cargas en las cabillas y la unidad de bombeo, la

vida de la bomba afecta la rentabilidad del pozo. Si los componentes de la

bomba se desgastan, la eficiencia de todo el sistema se reduce. La seleccin

de la bomba adecuada incrementa la eficiencia del sistema y extiende la vida

del equipo. Usualmente, una bomba grande y velocidades de bombeo bajas

pueden incrementar la eficiencia del sistema.

Este capitulo describe las bombas comnmente utilizadas y explica sus

ventajas y desventajas. Tambin describe varias bombas especiales y como

pueden ellas ser utilizadas en pozos problemas.

Existen bsicamente tres tipos de bombas. Estas son:

1. De tubera

2. Insertables

3. Bombas de revestidor (Large bore)

Indiferentemente del tipo, las bombas de subsuelo tienen los siguientes

componentes principales:

1. El pistn

2. El barril

3. La vlvula viajera

4. Vlvula fija

Las bombas son tanto de pared gruesa como de pared delgada. Las de

pared delgada son utilizadas en pozos poco profundos debido a su capacidad

limitada de las paredes a los esfuerzos. Barriles de pared gruesa son utilizados

en pozos ms profundos o bombas de dimetro grande que necesitan soportar

grandes cargas de fluido. La profundidad mxima de asentamiento depende de cual tipo de bomba es:

Tabla 3.1 Anclada en el Fondo, Bomba de Pared gruesa

Pistn (plg) Espesor de la pared Profundidad mxima

1.00 0.125 11.540

1.06 0.125 11.000

1.25 0.188 13.350

1.50 0.188 11.570

1.75 0.250 11.970

2.00 0.156 7.785

2.25 0.25 10.485

Anclado en el fondo, Barril de Pared delgada

2.00 0.125 6.400

2.50 0.125 5.240

Bombas de Tubera

1.75 0.25 9.600

2.25 0.25 7.870

2.75 0.25 6.660

Bombas de Revestiros

2.75 0.25 6.660

3.25 0.25 5.770

3.75 0.25 5.090

4.75 0.25 4.120

DESIGNACION API PARA LAS BOMBAS El Instituto Americano del Petrleo (API) ha desarrollado un mtodo para

designar las bombas de subsuelo. La designacin API proporciona una manera

concisa para describir las bombas. La Figura 3.1 muestra como el cdigo de la

bomba es definido usando un ejemplo. En este ejemplo el cdigo de la bomba

representa una bomba de 1-1/2 y tubera de 2-7/8. Es una bomba de cabillas

insertable con barril viajero, pared gruesa, y un ensamblaje de asentamiento

mecnico. El barril es de 30 pies de longitud, tiene un pistn de cinco pies, y

una extensin de cuatro pies de longitud.

La Figura 3.2 muestra los tipos ms comunes de bombas API. Luego de

mirar el sistema de cdigos de la Figura 3.1, las bombas de las Figuras 3.2

son:

Figura 3.1 Designacin API de las Bombas de Subsuelo RHA: Cabillas, Barril estacionario de pared gruesa, anclada en el tope. RLA: Cabillas, Barril estacionario, anclada en el tope. RWA: Cabillas, Barril estacionario de pared delgada, anclada en el tope. RSA: Cabillas, Barril estacionario de pared delgada, anclada en el tope, pistn de la bomba tipoo empacadura suave.

RHB: Cabillas, barril estacionario de pared gruesa, anclada en el fondo. RLB: Cabillas, barril estacionario, anclada en el fondo. RWB: Cabillas, barril estacionario de pared delgada, anclada en el fondo. RSB: Cabillas, barril estacionario de pared delgada, anclada en el fondo, empacadura suave.

RHT: Cabillas, Barril viajero de pared gruesa, anclada en el fondo.

RLT: Cabillas, Barril viajero, anclada en el fondo. RWT: Cabillas, barril viajero de pared delgada, anclada en el fondo. RST: Cabillas, barril viajero de pared delgada, anclada en el fondo, empacadura suave.

TH: De tubera, barril de pared gruesa. TL: De tubera, liner barrel puma. TP: De tubera, barril de pared gruesa, empacadura suave.

3.1.2 BOMBAS DE TUBERIA: Las bombas de tubera son principalmente utilizadas para altas tasas de

produccin en pozos poco profundos comparados con las bombas insertables.

Por lo tanto, pueden utilizarse dimetros de pistn mayores a los usados con

bombas insertables.

Instalacin de la bomba: El pistn de la bomba de tubera esta conectado en la base de la sarta

de cabillas. Las bombas de tubera pueden por igual tener vlvulas fijas

removibles o fijas. Para las vlvulas removibles, cuando la bomba es corrida

dentro del pozo, tiene la vlvula fija conectada en la base con un recuperador

de vlvula fija. Cuando la bomba golpea el fondo la vlvula fija cierra dentro del

sello del niple. Dependiendo del tipo de mecanismo del niple de asentamiento

el sello es igual mecnico o por copas de friccin. Luego que el niple de

asentamiento es colocado en sitio, es liberado girando la sarta de cabillas en

sentido antihorario. El barril para las bombas comunes de tubera es de plg

mas pequeo que el dimetro interno de la sarta de tuberas para permitir

espacio suficiente para bajar el pistn en la tubera. La bomba es espaciada

levantando el pistn una distancia suficiente desde el fondo para prevenir que

la bomba golpee en la carrera descendente. La vlvula fija no removible es

instalada en el fondo de la tubera cuando es inicialmente bajada en el pozo.

Esta vlvula es mucho ms grande que las de tipo insertable.

Cuando usar Bombas de tubera: Bombas de tubera son las bombas ms fuertes y grandes fabricadas.

selas para altas tasas de produccin en pozos someros. Estas bombas

permiten usar pistones ms grandes que las bombas insertables. La sarta de

cabillas puede ser conectada directamente al pistn sin requerir una cabilla de

recuperacin. Cuando se usa una vlvula fija no removible, la bomba puede ser

muy efectiva en pozos con crudo pesado y bajos niveles de fluido. Esto es

posible debido a la baja cada de presin a travs de las vlvulas fijas ms

grandes.

Cuando no usar bombas de tubera: La gran desventaja de las bombas de tubera es que se tiene que sacar

tanto las cabillas como la tubera en los servicios a la bomba. Debido a los

costos de estos trabajos, vlvulas de tubera son usadas en pocos pozos. Se

recomienda usar bombas de tubera solo si una bomba insertable no es lo

suficientemente grande para alcanzar la tasa de produccin deseada.

Bombas de tubera tampoco son una buena eleccin para pozos con

interferencia con gas debido a que requieren espaciamientos mayores entre el

pistn y la vlvula fija. Esto es para evitar daar el recuperador de la vlvula

fija. Cuando el gas llena este vaci reduce la eficiencia de la bomba debido a

que debe ser comprimido durante la carrera descendente y expandido durante

la carrera ascendente antes que la vlvula viajera pueda abrirse.

3.1.3 BOMBAS DE CABILLAS (INSERTABLES) Bombas de cabillas o insertables son populares debido a que ellas son

fciles de instalar y reparar. Existen varios tipos de bombas insertables

dependiendo de las condiciones el pozo, tasa de produccin, y profundidad del

pozo. La Figura 3.2 muestra las bombas de cabillas ms comunes que

incluyen:

1. Bombas de barril estacionario anclado en el fondo.

2. Bombas de barril viajero anclado en el fondo.

3. Bombas de barril estacionario anclado en el tope.

Un tipo especial de bomba insertable es la bomba de revestidor. Esta es

principalmente usada en pozos someros con altas tasas de produccin.

Instalacin de la Bomba: Bombas insertables se corren dentro del hoyo conectadas a la sarta de

cabillas. La base o tope de la bomba (dependiendo del tipo de bomba) tiene un

anclaje que cierra dentro de un niple de asentamiento en la base de la tubera.

El anclaje de la bomba esta compuesto por copas u o-rings. Estn diseados

para ajustar fuerte en el niple de asentamiento para prevenir fuga de fluido

desde la tubera hacia el anular. El anclaje puede tambin ser mecnico tal

como u resorte clips que cierra en sitio. Luego que la bomba es asentada es

espaciada levantando las cabillas.

Bombas de revestidor son instaladas en pozos sin tuberas. Estas se

conectan en la base de las cabillas cuando se instala. Una empacadura es

utilizada para anclar la bomba al revestidor y proporciona un pack-off entre el

barril de la bomba y el revestidor.

Cuando usar: Las bombas insertables son las mas fciles de reparar debido a que todo

el ensamblaje puede sacarse jalando la sarta de cabillas. A continuacin

algunas lneas guas para su uso:

Bombas de barril estacionario anclado en el fondo: selas en pozos con bajo nivel de fluido, pozos con gas (con ancla de gas), o pozos con bajo

nivel esttico. Esta bomba es tambin recomendada para pozos profundos.

Esta bomba con un pistn movil y carrera metal-metal es tambin

recomendada cuando el pozo produce yeso o bario. Esta es la ms comn de

las bombas.

Bomba de Barril viajero anclado en el fondo: Use este tipo de bombas en pozos con problemas de arena, pozos que utilizan temporizadores

o controladores de bombeo, y en pozos que presenta una frecuencia alta de

fallas del barril. Esta bomba es tambin recomendada en pozos con problemas

de corrosin. Esto es debido a que el movimiento del barril mantiene el fluido

en movimiento por lo que la arena no se aloja o deposita en la bomba

atascndola. Tambin, en pozos con problemas de corrosin el barril viajero

circula inhibidores de corrosin que de otra manera permanecera en el

espacio muerto entre la bomba y la tubera. Esto ayuda a proteger la parte de

debajo de la tubera y la parte exterior del barril de la bomba. Esta bomba es

ventajosa en pozos temporizados o con controladores de bombeo debido a que

la vlvula viajera en el tope del asiento del pistn no permite la entrada de

arena al barril cuando el pozo es parado.

Bomba de Barril estacionario anclada en el tope: selas en pozos con problemas de arena o bajo nivel de fluido, pozos con gas. Debido a que el

pozo esta anclado en el tope, solo una pequea cantidad de arena podra

acumularse alrededor de la bomba. Debido a esta caracterstica, esta bomba

es recomendada por encima de la de barril viajero cuando la produccin de

arena es un gran problema.

Bombas de Revestidor: Utilcelas en pozos someros que producen altas tasas de produccin, baja corte de gas y no estn desviados.

Cuando no Utilizar: Bombas de Barril estacionario anclado en el fondo: No use en pozos

con problemas de arena o pozos que tiene temporizadores o controladores de

bombeo. Esto es debido a que la arena acumulada entre la bomba y la tubera

puede atascar la bomba. Tampoco utilice en pozos con problemas de corrosin

que deben ser tratados con inhibidores qumicos. Esto es debido a que los

inhibidores de corrosin no alcanzan el espacio muerto entre las paredes

externas de la bomba y la parte baja de la tubera. Esta regin desprotegida

experimenta fallas frecuentes por corrosin.

Bombas de Barril viajero anclado en el fondo: No utilice en pozos profundos o pozos con bajo nivel de fluido esttico. Estas bombas requieren

una cada de presin mayor entre el pozo y el barril de la bomba y el tubo de

produccin puede explotar bajo las pesadas cargas de fluido en pozos

profundos.

Bombas de Barril estacionario ancladas en el tope: No utilice en pozos con golpe de fluido o que son muy profundos. Esto es debido a que

estas bombas son ms susceptibles a reventarse o partirse que otras.

Bombas de revestidor: No las utilice en pozos desviados debido a que la friccin entre las cabillas y el revestidor causa fallas frecuentes de cabillas.

Tampoco utilice en pozos que producen mucho gas. Debido a que todo el gas

tiene que ir a travs de la bomba su eficiencia volumtrica podra ser

sustancialmente reducida.

3.2 BOLAS Y ASIENTOS: Ambas vlvulas, la viajera y la fija de las bombas de subsuelo son

combinaciones bolas y asiento. El ensamblaje bola y asiento esta en una jaula

que permite el flujo de fluidos mientras mantiene la bola en posicin de asentar

apropiadamente. Algunas veces desgaste en los anillos de la jaula causa que

la bola golpee el asiento fuera del centro. Esto acelera el desgaste de la

bomba. Para combatir este problema puede usarse anillos extra resistentes

que soporten deformacin del metal.

Dependiendo de las condiciones del pozo podra ser necesario usar

materiales diferentes para alargar la vida til de las bolas y asientos. En pozos

con ambientes poco agresivos, sin produccin de arena, bolas y asientos de

acero inoxidable son una buena eleccin considerando los bajos costos de

estas. Cuando se esta en presencia de produccin de fluidos abrasivos,

podran necesitarse bolas y asientos de carbono o cermica para extender la

vida de la bomba.

En pozos con problemas severos de abrasin, tales como produccin

excesiva de arena, operadores de campo han encontrado que la bolas de

cermica en asientos de carbono incrementan la vida de la bomba. Sin

embargo, estas son considerablemente ms costosas que las convencionales.

Para prolongar la vida de la bomba, pueden usarse ensamblajes de doble bolas

y asientos para las vlvulas fijas y viajeras para reducir la erosin por corte del

fluido. Sin embargo, debido a los costos adicionales de vlvulas dobles estas

son recomendadas solo en pozos con severos problemas de corte por fluidos.

3.3 PISTONES: Existen dos tipos de pistones: metal-metal y empaque suave. Empaque

suave son menos costosos al momento de comprar o repararlos. Sin embargo,

estos no son tan eficientes como los de metal-metal y no pueden bombear en

pozos profundos. La longitud del pistn varia entre 6 y 12 plg por cada 1000

pies de profundidad de la bomba. Esta longitud varia tambin dependiendo de

la viscosidad del fluido, temperatura de fondo, dimetro del pistn y espacio

libre entre el pistn y el barril. Por ejemplo, si se utiliza un pistn de 8 plg por

cada 1000 pies entonces a un pozo de 6000 pies necesitara un pistn de 4

pies.

3.3.1 Pistones de empaque suave:

Los pistones de empaque suave pueden ser por igual de tipo copa o tipo anillo,

o una combinacin de ambos. Pistones tipo anillos tiene cualquier composicin

o anillos de flexite. Debido al gran espacio libre entre el pistn y el barril,

bombas con empaques suaves presentan mayores perdidas por escurrimiento

y por lo tanto menores eficiencias volumtricas que los de metal-metal.

Pistones tipo copas: Pistones tipo copa usan la presin del fluido para expandirse en la

carrera ascendente y proveer el sello entre el pistn y el barril. Las copas son

fabricadas con diferentes tipos de materiales sintticos para diferentes

aplicaciones. Estos son tpicamente usados en pozos de menos de 3000 pies.

Las ventajas de estos pistones incluyen la habilidad de compensar el desgate

del barril y tener bajos costos de reparacin.

Pistones tipo anillo: Pueden usarse pistones tipo anillo para lograr fits pequeos entre el

pistn y el barril de la bomba. Estos pistones son ms comunes que los de tipo

copa debido a que son los apropiados para profundidades de hasta 7000 pies.

Pistones tipo anillo de flexite tiene anillos impregnados de grafito que son

autolubricantes. Estos pistones son excelentes para pozos con altos cortes de

agua y con problemas de corrosin.

3.3.2 Pistones metal-metal: Los pistones metal-metal son por igual lisos o ranurados (Figura b).

Estos son usados en pozos profundos o en pozos

que producen sin slidos. Debido al pequeo

espacio entre el pistn y el barril (desde 0.001 hasta

0.005), los pistones de metal permiten eficiencias de

la bomba ms altas que los de empaque suave. Sin

embargo, cuando el pozo produce slidos, estos

pistones pueden no ser los indicados para el trabajo

debido a que el desgaste seria ms rpido que con

pistones de empaque suave.

3.4 BOMBAS ESPECIALES: Debido a la variedad de la condiciones de pozo que podran encontrarse,

una bomba API no siempre producira de manera eficiente. En esta situacin

podra considerarse usar bombas especiales diseadas para problemas

especficos de fondo. Problemas de pozo para los cuales hay bombas

especiales disponibles incluyen: golpe de fluido, interferencia de gas, erosin

por slidos, y crudo pesado.

Se necesita estar conciente de las ventajas y desventajas de las bombas

especiales. Bombas que son muy complicadas podran crear ms problemas

de los que resuelven. Pruebas de campo en algunos pocos pozos se

recomiendan para determinar si una bomba especial podra trabajar bien bajo

sus condiciones particulares de produccin.

3.4.1 Bomba insertable de tres tubos: Pozos que producen arena en cantidad u otros materiales abrasivos es

causa de atascamiento y fallas frecuentes en las bombas. La bomba de tres

tubos evita muchos de estos problemas que tienen las bombas convencionales

con la arena. Estas bombas utilizan tres tubos telescopicos sueltos que se

ajustan en lugar del barril y el pistn de las bombas convencionales. Mayores

espacios entre la tubera mejora la vida de las bombas reduciendo el desgaste

por arena. El incremento en la vida de la bomba es debido a que ms

partculas de arena circulan a travs del rea sellada. El movimiento del fluido

afuera del tubo viajero impide que la bomba se arene.

Esta bomba es recomendada para pozos que producen grandes

volmenes de arena. Sin embargo, esta bomba requiere velocidades mayores

a los 10 spm y debe estar completamente sumergida en fluido. Por lo tanto, no

es recomendada para pozos con bajo nivel de fluido.

3.4.2 Bombas de dos e