sistema bombeo mecánico
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El bombeo mecánico es un procedimiento de succión y transferencia casi continua del petróleo hasta la superficie.
La unidad de superficie imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción, a cierta profundidad del fondo del pozo.
Este método consiste fundamentalmente en una bomba de subsuelo de acción reciprocante, abastecida con energía suministrada a través de una sarta de varillas. La energía proviene de un motor eléctrico o de combustión interna, la cual moviliza una unidad de superficie mediante un sistema de engranajes y correas.
El Bombeo Mecánico Convencional tiene su principal aplicación en el ámbito mundial en la producción de crudos pesados y extra pesados, aunque también se usa en la producción de crudos medianos y livianos.
No se recomienda en pozos desviados y tampoco es recomendable cuando la producción de
sólidos y/o la relación gas – líquido sea muy alta, ya que afecta considerablemente la eficiencia de la bomba.
Componentes de un Sistema de Bombeo Mecánico1. El Motor
2. Equipo de bombeo de superficie: Estructura y balancín; Motor; Caja reductora.
3. Tubería o tubing
4. Sarta de varillas
5. Bomba de Subsuelo
Motor de la Unidad de Bombeo MecánicoLa función del motor de la Unidad de Bombo Mecánico es suministrar a la instalación energía mecánica la cual eventualmente es transmitida a la bomba y usada para levantar el fluido. El motor seleccionado para una instalación debe tener suficiente potencia de salida para levantar el fluido a la tasa deseada desde el nivel de fluido de trabajo en el pozo.
Estructura del Balancín PetroleroEste componente se encarga de soportar los componentes de superficie del sistema de bombeo mecánico, también se encarga de transfiere energía para el bombeo del pozo desde el motor hacia la parte superior de las varillas, haciendo que este deba cambiar el movimiento rotatorio del motor a un movimiento reciprocante.
Caja reductora de velocidadEste dispositivo permite cambiar por medio de engranajes la alta velocidad angular entregada por el motor a un mayor torque suficiente para permitir el movimiento del balancín (como en el campo de Unipetro ABC).
Vastago pulido - Varillón pulidoLa relación directa entre la sarta de varillas y el equipo de superficie es el varillon pulido o vástago pulido. Los vástagos pulidos están disponibles en tres tamaños, el tamaño para cualquier instalación depende del tamaño del tubing y del diámetro de las varilla de succión en el tope de la sarta de varillas.
Otros componentes de superficie del Bombeo Mecánico
Cerca del final superior del varillon pulido esta una abrazadera del varillon el cual es soportado por barra cargadora. La barra cargadora a su vez es soportada por cables flexibles conocidos como riendas que pasan por encima del cabezal del balancín (horse head) hasta el final del balancín (walking beam).
Balancin PetroleroEl balancín petrolero (walking beam) es soportado cerca del centro de gravedad por una estructura llamada el poste maestro (Sampson Post); el movimiento es transmitido al walking bem por la viela (Pitman) y este a su vez es movido por el crack.
La distancia entre la unión de crack y la viela determina la longitud de la carrera del varillon.
Funcion del Balancin Petrolero
La principal función es almacenar energía en al carrera descendente, y entregar energía en la carrera ascendente.
Equipos de subsuelo
Sarta de VarillasTransmite energía desde el equipo de superficie hacia la bomba de subsuelo. Las varillas soportan el peso del fluido además de su propio peso.
Bomba de SubsueloLas funciones de la bomba son:
Recibir el fluido desde la formación hacia dentro de la sarta de producción.
Levantar el fluido hacia la superficie .
Componentes principales de la bomba de subsuelo Barril de trabajo
Pistón
Stading valve (válvula estacionaria)
Traveling valve (válvula viajera)
Funcionamiento de una bomba de subsueloLa válvula estacionaria permite que el petroleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería. En la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula viajera permite que entre petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente mantiene el flujo.
Carrera efectiva del pistónEl volumen de petróleo manejado durante cada stroke del pistón de la bomba no depende de la longitud de la carrera del vástago pulido si o del movimiento relativo del pistón en el working barrel.
Las carreras del pistón y del vástago pulido difieren debido a que las varillas y el tubing se estiran, por el sobreviaje del pistón debido a la aceleración. La carga del fluido es transmitida alternadamente puesto que la válvula estacionaria y la viajera se abren y cierran durante el ciclo de bombeo originando deformaciones en las varillas y tubing.
En la carrera descendente la válvula estacionaria está cerrada y la viajera abierta. En la carrera ascendente la válvula viajera se cierra y la estacionaria se abre.
Cargas del vástago pulidoCinco factores contribuyen a la carga neta del vástago pulido:
Carga del fluido.
Peso muerto de las varillas de succión.
Aceleración de la carga de las varilla de succión.
Fuerzas de flotación sobre las varillas de succión sumergidas en el fluido.
Fuerzas de fricción.
Desplazamiento de la Bomba y Tasa de Producción del Sistema de Bombeo Mecánico
Pozos con condiciones gaseosas o liquidas espumosas frecuentemente tendrían un
25 % a 50% de eficiencia.
Pozos gaseosos con clara separación de gas de formación en el hueco tendrían de
50% a 70%.
Para pozos con buena separación en el hueco y amplia sumergencia de la bomba, las
eficiencias serian de 70 % a 80 % .
Para pozos con nivel alto de fluido y con no interferencia de gas, la eficiencia
volumétrica puede alcanzar hasta 100%.
Ventajas y desventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de Petróleo
Ventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de Petróleo Fácil de operar y de hacer mantenimiento
Se puede cambiar fácilmente de rate de producción por cambio en la velocidad de
bombeo o stroke.
Puede bombear el pozo a una muy baja presión de entrada para obtener la máxima
producción.
Usualmente es la más eficiente forma de levantamiento artificial.
Se puede fácilmente intercambiar de unidades de superficie.
Se puede usar motores a gas como movedores primarios si la electricidad no esta
disponible.
Se puede usar la bomba con el control apagado para minimizar la carga del fluido,
costos de electricidad y las fallas de varilla.
Puede ser monitoreada remotamente con un sistema de control de supervisión de
bomba.
Se puede usar computadoras modernas de análisis dinamométrico para la
optimización del sistema.
Desventajas del Sistema de Bombeo Mecánico de Petróleo Es problemático en pozos con alta desviación.
No puede ser usada en pozos off shore por los grandes equipos de superficie y la
limitada capacidad de producción es comparada con otros métodos.
No puede funcionar con excesiva producción de arena.
La eficiencia volumétrica cae drásticamente cuando se tiene gas libre.
El rate de producción cae con la profundidad comparado con otros métodos de
levantamiento artificial
Es obstrusivo en áreas urbanas.
Es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal
característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la
bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y mediante la energía
suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecánico esta compuesto
básicamente por las siguientes partes: unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas,
bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo). Un equipo de
bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un
movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una
perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una
bomba que bombea aire a un neumático. Un motor, usualmente eléctrico, gira un par
de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de una eje de metal. El otro
extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de metal
que se mueve hacia arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener una longitud de
cientos de metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. El
balancín de producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento se
asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a
la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de
producción o de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.
La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera
descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que
el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la carrera ascendente, la
válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el
petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre
petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento
ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo hacia la
superficie. Como en el bombeo mecánico hay que balancear el
ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede
ubicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la manivela.
Otra modalidad es el balanceo neumático, cuya construcción y
funcionamiento de la recámara se asemeja a un amortiguador
neumático; generalmente va ubicado en la parte delantera del
balancín. Este tipo de balanceo se utiliza para bombeo profundo.
Equipo de Subsuelo
El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental
de todo el sistema de bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de
producción y bomba de subsuelo.
Tubería de Producción. La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido
que se esta bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la
resistencia, generalmente la tubería de producción es menos crítica debido a que las
presiones del pozo se han reducido considerablemente para el momento en que el pozo
es condicionado para bombear.
Cabillas o Varillas de Succión. La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de
bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de
las mismas en el sistema de bombeo mecánico son: transferir energía, soportar las
cargas y accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas
son:
a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también pueden manufacturarse de 30
pies.
b) Se dispone de longitudes de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general
“niples de cabilla” que se utilizan para complementar una longitud determinada y para
mover la localización de los cuellos de cabillas, a fin de distribuir el desgaste de la
tubería de producción.
c) Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas.
De acuerdo a las especificaciones de la API, las cabillas de acero sólido es del tipo de
cabillas más utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados
para acomodar las roscas, un diseño que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha.
Todos los efectos negativos inciden en la vida útil de las uniones de las cabillas de
succión, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la cabilla, lo
cual es ocasionado por un incorrecto enrosque de la misma. Entre las principales fallas
podemos encontrar: tensión, fatiga y pandeo. En la producción de crudos pesados por
bombeo mecánico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este
tipo de problema (pandeo), la corta duración de los cuellos y la tubería debido al
movimiento reciproco-vertical o reciprocante (exclusivo en el bombeo mecánico) del
cuello en contacto con la tubería causando un desgaste o ruptura de ambas. Para el
pandeo (Buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por cabilla
según sea la severidad. Hay cabillas que tienen centralizadores permanentes.
Entre los tipos de cabillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y
fibra de vidrio. Las cabillas continuas (Corod) fueron diseñadas sin uniones para
eliminar totalmente las fallas en el PIN (macho) y la hembra para incrementar la vida
de la sarta. La forma elíptica permite que una gran sarta de cabillas sea enrollada
sobre rieles especiales de transporte sin dañarlas de manera permanente. Otra ventaja
de este tipo de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API.
Ventajas
a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión.
b) La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un
solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción.
c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de
cabillas.
Desventajas
a) Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales.
b) En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la
misma requiere de la entrada de una cabria convencional.
Anclas de Tubería. Este tipo esta diseñado para ser utilizados en pozos con el
propósito de eliminar el estiramiento y compresión de la tubería de producción, lo cual
roza la sarta de cabillas y ocasiona el desgaste de ambos. Normalmente se utiliza en
pozos de alta profundidad. Se instala en la tubería de producción, siendo éste el que
absorbe la carga de la tubería. Las guías de cabillas son acopladas sobre las cabillas a
diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores
de un elevado desgaste de tubería.
Bomba de Subsuelo. Es un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual
es accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los componentes básicos de la
bomba de subsuelo son simples, pero construidos con gran precisión para asegurar el
intercambio de presión y volumen a través de sus válvulas. Los principales
componentes son: el barril o camisa, pistón o émbolo, 2 o 3 válvulas con sus asientos y
jaulas o retenedores de válvulas.
Pintón. Su función en el sistema es bombear de manera indefinida. Esta compuesto
básicamente por anillos sellos especiales y un lubricante especial. El rango de
operación se encuentra en los 10K lpc y una temperatura no mayor a los 500°F.
Funciones de la Válvula
a) Secuencia de operación de la válvula viajera: permite la entrada de flujo hacia el
pistón en su descenso y posteriormente hacer un sello hermético en la carrera
ascendente permitiendo la salida del crudo hacia superficie.
b) Secuencia de operación de la válvula fija: permite el flujo de petróleo hacia la
bomba, al iniciar el pistón su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del
sistema bomba-tubería, cuando se inicia la carrera descendente del pistón.
Equipos de Superficie
La unidad de superficie de un equipo de bombeo mecánico tiene por objeto transmitir
la energía desde la superficie hasta la profundidad de asentamiento de la bomba de
subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el fondo hasta la superficie. Estas
unidades pueden ser de tipo balancín o hidráulicas. Los equipos que forman los equipos
de superficie se explican a continuación:
Unidad de Bombeo (Balancín). Es una máquina integrada, cuyo objetivo es de convertir
el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad
apropiada con la finalidad de accionar la sarta de cabillas y la bomba de subsuelo.
Algunas de las características de la unidad de balancín son:
a) La variación de la velocidad del balancín con respecto a las revoluciones por minuto
de la máquina motriz.
b) La variación de la longitud de carrera.
c) La variación del contrapeso que actúa frente a las cargas de cabillas y fluidos del
pozo.
Para la selección de un balancín, se debe tener los siguientes criterios de acuerdo a la
productividad y profundidad que puede tener un pozo:
Productividad
a) Los equipos deben ser capaces de manejar la producción disponible.
b) Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y
equipos de bombeo de pozo.
c) Factibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie adecuada.
Profundidad
a) La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensión, de
elongación y del peso.
b) Afecta las cargas originadas por los equipos de producción del pozo.
c) Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos
recorridos.
La disponibilidad de los balancines va a depender fundamentalmente sobre el diseño de
los mismos. Los balancines sub-diseñados, limitan las condiciones del equipo de
producción y en consecuencia la tasa de producción del pozo. Los balancines sobre-
diseñados, poseen capacidad, carga, torque y carrera están muy por encima de lo
requerido y pueden resultar muchas veces antieconómicos.
Clasificación de los Balancines
Balancines convencionales. Estos poseen un reductor de velocidad (engranaje)
localizado en su parte posterior y un punto de apoyo situado en la mitad de la viga.
Balancines de geometría avanzada. Estos poseen un reductor de velocidad en su
parte delantera y un punto de apoyo localizado en la parte posterior del balancín. Esta
clase de unidades se clasifican en balancines mecánicamente balanceados mediante
contrapesos y por balancines balanceados por aire comprimido. Los balancines de aire
comprimido son 35% más pequeñas y 40% mas livianas que las que usan manivelas. Se
utilizan frecuentemente como unidades portátiles o como unidades de prueba de pozo
(costafuera).
http://www.youtube.com/watch?v=1CpeXhpaYcM
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