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SISTEMAS ARTIFICIALES DE CONTROLTRANSCRIPT
SISTEMAS ARTIFICIALES DE EXPLOTACIÓN
presentación de
BOMBEO MECÁNICO
El Sistema artificial de explotación deBombeo Mecánico tiene como objetivoelevar los fluidos a la superficie cuando elpozo ha dejado de fluir por la presiónnatural de yacimiento. Partiendo desde elnivel dinámico y un nivel neto del pozo,se efectuarán los cálculos necesarios parael diseño de la instalación con un mínimode:
Torsión Carga en la varilla pulida
Rango de cargas en las varillas Requerimientos de potencia del motor principal
Costos de combustible o energía Costo de mantenimiento de la unidad
Roturas de varillas Producción diferida por rotura de varillas o por reparación y mantenimiento de la unidad
Costo de instalación Costo inicial
Adicionalmente, el Sistema de Bombeo
Mecánico debe ser resistente, de larga vida,
eficiente, fácil y barato de transportar;
silencioso, no contaminante, y seguro de
instalar y de operar.
Las partes esenciales del sistema de bombeo
mecánico son:
El equipo superficial de bombeo (U.B.M.)
y las conexiones superficiales.
La bomba subsuperficial impulsada por
varillas y sus accesorios.
La sarta de varillas de succión.
La tubería de producción (T.P.) y
accesorios para bombeo mecánico.
EQUIPO SUPERFICIAL DE BM
UNIDAD DE BM Y CONEXIONES SUPERFICIALES
Un
idad
co
nve
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on
al d
e B
M
La función del motor principal esproporcionar a la instalación energíamecánica que eventualmente serátransmitida a la bomba y usada para elevar elfluido. El motor principal seleccionado parauna unidad dada, debe, por supuesto, tenersuficiente potencia para elevar el fluido alritmo deseado desde el nivel de trabajo delfluido en el pozo. El motor principal puede seruna máquina de combustión interna (gasnatural o diesel) o puede ser un motoreléctrico.
Motor Principal
Las conexiones superficiales tienen la función de conducir los hidrocarburosproducidos por el pozo a la línea de descarga y por ende, hasta la batería deseparación; todas ellas deben ser para presiones no menores de 1000 lbs/plg2,elaboradas en tubería de 2” efectuando corte y cuerda a fin de adecuarlas a laslongitudes necesarias; debido a que las dimensiones varían de acuerdo a cadainstalación, generalmente serán elaboradas al momento de ser instaladas en un pozode reciente conversión al sistema de bombeo mecánico.
Conexiones Superficiales
1.- Varilla Pulida de 1 ½” .2.- Grampa para varilla pulida de 1 ½” con uno, dos otres tornillos dependiendo la profundidad del pozo.3.- Estopero, con hules para varilla pulida de 1 ½” y roscainferior estándar de 3” macho.4.- Preventores con roscas de 3” con conexión hembraen un extremo yconexión macho en el otro, roscas “v” estándar.5.- Tee de 3” , de acero al carbón 3000 lbs/plg2, roscaestándar.6.- Brida colgadora de 6” de diámetro exterior, roscamacho superior de 3” . Rosca hembra inferior de 2 7/8”hembra, roscas estándar.7.- Válvula lateral de tubería de revestimiento de 2”3000 lbs/plg2 bridada.8.- Válvula de 2” 1000 lbs/plg2, rosca hembra en losextremos, estándar.9.- Tee de 2” 1000 lbs/plg2, rosca estándar.10.- Reducción botella de 2” a ½” , rosca estándar.11.- Válvula de aguja de ½” 5000 lbs/plg2, roscaestándar.12.- Válvula check de 2” 1000 lbs/plg2, rosca estándar.13.- Codo de 2” 1000 lbs/plg2, rosca estándar.14.- Tuerca unión de golpe 2” 1000 lbs/plg2, roscaestándar.15.- Válvula de flote de 2” 1000 lbs/plg2, bridada oroscada.16.- Reducción botella de 3” x 2” rosca estándar.17.- Niple de 2” para 2000 lbs/plg2 de trabajo, roscaestándar.18.- Niple de ½” para 2000 lbs/plg2 de trabajo, roscaestándar.
Este dispositivo, mostrado en la figura, sirve para sujetar la varilla pulida porapriete. Se coloca en forma permanente cuando se le ha dado elespaciamiento adecuado a la bomba subsuperficial para que la Unidad deBombeo Mecánico quede operando en condiciones normales después deque se efectúo una intervención a un pozo. También se utiliza paramovimientos que se efectúan con la sarta de varillas, ya sea para eliminar ungolpe en la bomba subsuperficial, sacar un registro dinamométrico oreanclar una bomba.
Mordaza.
VARILLA PULIDA
Es la unión directa entre la sarta de varillas desucción y el equipo superficial, pasa a travésde las conexiones verticales del árbol. Estáfabricada en acero aleado al manganeso,níquel y molibdeno.
Superficialmente, la varilla pulida tieneacabado espejo con el propósito de no dañarlos sellos del estopero fijo al árbol de válvulasen el movimiento ascendente y descendentede la Unidad de Bombeo Mecánico.
Mecanismo de seguridad que se localiza en laparte superior del árbol de válvulas para pozoscon sistema de bombeo mecánico, sobre la TEEde 3”Ø y cuya función principal es la decontener los fluidos para que no se manifiestena su exterior por medio de un conjunto desellos construidos con materiales resistentes alrozamiento, los cuales se van a ajustar aldiámetro de la varilla pulida de 1 ½” Ø, cuandoésta tenga un movimiento ascendente odescendente proporcionado por la UBM; lossellos sufren desgaste por lo que es necesariosustituirlos periódicamente y solamente sepueden cambiar con la Unidad de BombeoMecánico inoperante.
Los estoperos más utilizados:
Estopero preventor Hércules DPSBEstopero preventor Ratigan 176
ESTOPERO
PREVENTORES
Son mecanismos de seguridad que han sidodiseñados para impedir, en caso necesario, elpaso de fluidos al exterior. Sólo se puedenaccionar cuando la Unidad de BombeoMecánico no está operando, debido a que en suinterior tiene unos sellos de hule llamados“Rams”, que aprietan a la varilla pulida parasellar y evitan el paso del hidrocarburo.
En el caso del preventor doble “E” LP-15, lossellos de hule, pueden sellar aún sin varillapulida debido a que tienen un rango dediámetros de 0 a 1 ½” . Los preventores sonvitales para cambiar los sellos del estoperocolocado en la parte más alta del árbol; y paraevitar la salida del hidrocarburo a la atmósfera,cuando por alguna rotura de la varilla pulidaésta se precipite al interior del pozo junto conlas sarta de varillas. En este percance elpreventor ideal es el doble “E” LP -15. Estosmecanismos están instalados en el árbol deválvulas para bombeo mecánico, sobre la bridacolgadora. Las marcas de preventores son:doble “E” LP -15, ratigan 212 y Hubber Hércules530.
El objetivo principal de este tipo de válvulas, comúnmente conocidas como check, es el de permitir el paso de un flujo por una línea en una sola dirección, impidiendo así, el regreso del fluido cuando se presenten contrapresiones altas. Los tipos de válvulas de retención son:
De pistón. De charnela.
Válvula de Retención
Su función es reducir la velocidad del motor principal a unavelocidad de bombeo adecuada. Es necesario determinarexactamente la probable torsión máxima a la que estará sujeto elreductor de engranes, ya que el método delInstituto Americano del Petróleo (API por sus siglas en inglés) usala torsión máxima como base para el rango de las unidades debombeo.
Reductor de engranes
LA BOMBA SUBSUPERFICIAL DE BM
BOMBA Y ACCESORIOS
TIPOS DE BOMBA
Sus funciones son: admitir el fluido de la formación al interior de la tubería de producción y principalmente elevar el fluido admitido hasta la superficie.
Las bombas subsuperficiales movidas por varillas se dividen en tres tipos:
a) Bombas de tubería de producción.
b) Bombas de inserción.
c) Bombas de tubería de revestimiento.
BOMBAS DE INSERCIÓN
Se les denomina bombas de inserciónporque el conjunto total de la bomba(barril, émbolo y válvula estacionaria) queva conectado en el extremo inferior de lasarta de varillas se inserta en un niple deasiento (zapata-candado) instalado en latubería de producción. Esto representa unaventaja sobre las bombas de tubería deproducción, ya que para hacer unareparación o sustitución de la bomba no esnecesario extraer la tubería de producción.La bomba de inserción se desancla y seextrae con la sarta de varillas.
Cualquier bomba subsuperficial, movida por varillas, está constituida de lossiguientes elementos esenciales:
1) Barril de trabajo.2) Émbolo.3) Válvulas.
1) Barril de trabajoMateriales utilizados en su construcción
HI-BRIN. Diseño para pozos con alto contenido de arena y gas sulfhídrico. Se fabricautilizando un proceso de endurecimiento denominado “nitrocicle”.NITRELINE. Barril construido para alta resistencia mecánica y alta resistencia a lacorrosión. Lleva el mismo proceso de endurecimiento que el anterior (“procesonitrocicle”). Uso general.HI-HARD. El barril se fabrica con un contenido de cromo del 5% y con el proceso deendurecimiento “nitrocicle”. Proporciona alta resistencia a la abrasión y a la corrosiónpor CO2.KROM-I-DEE. El barril lleva una capa de endurecimiento de cromo proporcionándolealta resistencia a la abrasión y a la corrosión. Se recomienda usarlo en pozos queproducen arena y CO2.SILVERLINE. Este barril se recomienda usarlo en pozos con fluidos no corrosivos y endonde la arena no sea un problema serio.
2) Émbolo.
Materiales utilizados en su construcción:CO-HARD. Émbolo resistente a la corrosión y a la abrasión.SUPER HARD. Hierro-níquel. Resistente a la corrosión de H2S.ACERO CON RECUBRIMIENTO DE CROMO. Altamente resistente a la corrosiónpor CO2 y a fluidos arenosos.ÉMBOLOS CON EMPAQUE SUAVE. Son resistentes a la corrosión por CO2 y H2S.Se recomienda usarlos a profundidades menores de 5000 pies.ÉMBOLOS DE COPAS. Se recomienda usarlos para bombeo de aceite y agua conbajo contenido de arena. Las copas se expanden en la carrera ascendente por ladiferencia de presión y se contraen en la carrera descendente disminuyendo lafricción con el barril. La dureza del material, así como el número de copas debenseleccionarse de acuerdo con la profundidad de la bomba.ÉMBOLOS DE ANILLOS. Constan de las mismas partes que el émbolo de copas,sólo que los anillos son flexibles y los espaciadores son en forma de “L”. Losanillos son de hule resistente al aceite.ÉMBOLO CON COMBINACIÓN DE COPAS Y ANILLOS. Se recomienda usarlo parala limpieza de pozos sucios o después de un fracturamiento. Es muy efectivopara bombear fluidos que contienen granos de arena tan fina que no pueden serretenidos por empaques de grava o cedazos.
2) Émbolo.
ÉMBOLO CON VÁLVULA SUPERIOR. Se usa en pozos profundos cuyo contenidode gas sea muy bajo.ÉMBOLO CON VÁLVULA DE FONDO. Se usa en pozos gaseosos colocando laválvula viajera lo más cercano a la válvula de pie, para evitar el candado de gas.ÉMBOLO CON VÁLVULA EN LA PARTE SUPERIOR Y EL FONDO. Este arreglocombina las ventajas descritas con los dos émbolos anteriores.
3) Válvulas.
a) Válvula de pie (de entrada).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en admitirlos fluidos producidos por el pozo durante la carrera ascendente y evitar el regresode los mismos hacia el espacio anular en la carrera descendente.
b) Válvula viajera (de salida).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en desalojarlos fluidos hacia la superficie durante la carrera ascendente y durante la carreradescendente permitir el paso del fluido alojado en la camisa de la bomba a travésdel mismo al punto muerto inferior, dando inicio a un nuevo ciclo de bombeo.
La stellita y el carburo de tungsteno son materiales apropiados cuando los fluidos delpozo son altamente corrosivos debido a la presencia de ácido sulfhídrico (H2S) obióxido de carbono (CO2) y cuando se maneja mucha arena, ya que estos materialesson muy resistentes a la abrasión.
CICLO DE BOMBEO
LA SARTA DE VARILLAS DE SUCCIÓN
VARILLA PULIDA Y VARILLAS DE SUCCIÓN
Su función es: transmitir el movimiento de bombeosuperficial y la potencia a la bomba subsuperficial.También incluye, si es necesario, la sarta de tubería deproducción, dentro de la que operan las varillas desucción, la cual conduce hasta la superficie los fluidosbombeados.
Las varillas de succión disponibles en el mercado son decinco diferentes diámetros estándar. Su diseño consisteesencialmente en determinar la sarta más ligera, y por lotanto, la más económica, que pueda utilizarse sin excederel esfuerzo de trabajo de las propias varillas.
El máximo esfuerzo de trabajo para las varillas dependede su composición química y propiedades mecánicas,además de la naturaleza del fluido bombeado, es decir, siéste es o no corrosivo. Como regla general, es deseablemantener el esfuerzo de las varillas por debajo de las30000 lbs/plg2, sin embargo, la experiencia en diferentesáreas productoras puede indicar límites menores.
La sarta de varillas de succión
Cuando las bombas están colocadas aprofundidades mayores de 3500 pies,generalmente es recomendable usarsartas telescopiadas, es decir,consistentes en diferentes diámetrosde varillas.
Las varillas de diámetro más pequeñose colocan en el fondo de la sarta,inmediatamente arriba del émbolo,ya que la carga en las varillas es másgrande..
La sarta de varillas de succión
El principal componente de lasarta de varillas de succión esel acero. Muchas varillascontienen arriba del 90% deacero en su composición, peroesto les da una consistenciasuave y débil, por lo que esrecomendable agregar otroselementos para proporcionaral acero la fuerza necesariaque debe tener, así como otraspropiedades.
Características del acero de las varillas de succión
Clase K.- Son varillas de níquel-molibdeno. Sonresistentes a la corrosión y su resistencia mínimaa la tensión es de 82000 lbs/plg2.
Clase C.- Son varillas de aleación carbón-manganeso. Son para trabajo pesado y medio; suinhibición contra la corrosión es muy efectiva, suresistencia mínima a la tensión es de 90000lbs/plg2. En la mayoría de los pozos se utilizaeste tipo de varilla.
Clase D.- Son varillas de aleación níquel -cromo-molibdeno. Su resistencia mínima a la tensión esde 115000 lbs/plg2. Estas varillas se utilizandonde las varillas tipo C quedan en punto crítico,generalmente para pozos de alta producción yque no manejen ácido sulfhídrico.
Clases de varillas
TUBERÍA DE PRODUCCIÓN
ACCESORIOS PARA BM
La tubería de producción debe ser:
ConfiableSeguraQue proporcione un sello herméticoGarantizar la integridad de la tubería derevestimiento con un empacador
Se presenta en diámetros de 2 3/8”, 2 7/8” y 3½”
En el diseño de instalación de bombeomecánico, la tubería de producción se instalacon 2 mecanismos: ancla mecánica yempacador. En ambos casos la tubería deproducción va tensionada para darle un buendesplazamiento a la sarta de varillas,disminuyendo el desgaste por fricción, tanto enla tubería como en la sarta de varillas yaumentando la carrera efectiva del pistón.
Tubería de producción y accesorios
Accesorios de la tubería de producción
a) Con Ancla Mecánica
b) Con Empacador
El ancla mecánica es un mecanismo que va alojado a determinada profundidad del pozo en lasarta de Tubería de Producción, ligeramente debajo de la bomba. Este mecanismo no lleva hulescomo el empacador. Su objetivo principal es sujetar la tubería de producción ya tensionada. Estohace que en el ciclo de bombeo no se mueva la Tubería de Producción, y así aumenta la eficienciade la bomba por no disminuir la carrera efectiva del pistón. Si la Tubería de Producción no tienemovimiento, entonces disminuye el desgaste de las varillas. El diseño con ancla mecánica por loregular se instala en pozos que todavía conservan buena presión de fondo. Esta presión evita queel fluido utilizado en una circulación inversa para el lavado de la bomba, se pierda en laformación, y así se efectúa una circulación franca y por ende un lavado efectivo de la bomba.
El empacador es un mecanismo que en el diseño de la Unidad de Bombeo Mecánico va a cumplircon el mismo objetivo del ancla mecánica, tener tensionada la tubería de producción, con ladiferencia que el empacador lleva hules que no permiten la comunicación entre la Tubería deProducción y la Tubería de Revestimiento y esto hace que los fluidos producidos por el pozofluyan solamente por la Tubería de Producción. En el bombeo mecánico se utilizan para aislar unaprobable rotura en la Tubería de Revestimiento y en pozos con formación muy depresionada parapoder garantizar una circulación inversa en el lavado de la bomba subsuperficial.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES PARA SELECCIÓN Y DISEÑO DE BM
División de trabajo en un SAP
Prácticamente en todas las aplicaciones de bombeo mecánico el fluido se extrae por lacombinación de dos energías separadas:
1) Energía del yacimiento.
2) Energía suministrada por el sistema de producción artificial.
La porción de trabajo en el que un porcentaje es aportado por el yacimiento y otro porel sistema de bombeo, cambia continuamente y, en ocasiones, radicalmente. Laenergía requerida para elevar el fluido y vencer la fricción, es igual a la energíaproporcionada por el yacimiento, más la energía suministrada por el sistema deproducción artificial.
La carta dinamométrica tomada en la varilla pulida, registra con exactitud cuántaenergía proporciona la unidad de bombeo para elevar la columna de fluidos y vencerla fricción en el instante de tomar la carta. Sin embargo, la energía que proporciona elyacimiento se puede determinar únicamente si se tiene la información para calcularla,como: nivel del fluido, la división de trabajo, presión anular, etc. Consecuentemente, sino se conoce la división de trabajo, es difícil evaluar el verdadero comportamiento delsistema de bombeo mecánico.
PATRON TIPICO DE CARGAS
Rango de cargas UBMC
Suponiendo un factor de impulso o de aceleración de 0.4, es decir, el componente de inerciasobre la carga de la varilla pulida es 40% del peso estático de varillas y fluido.
Se tiene que:
Carga Pico PPRL =(Wr + Wf) (1+ α)
Carga Mínima MPRL =(Wr) (1- α )
Rango de Cargas Rc1=PPRL – MPRL
Se supone momentáneamente que la sarta de varillas está concentrada en una masa de 6000 lbsy la carga de fluido en una segunda masa de 4000 lbs, para un total de 10000 lbs de carga en lacarrera ascendente, despreciando las cargas por fricción. Ahora se aplica una fuerza ascendentede 10000 lbs en la varilla pulida, contra las 10000 lbs del peso concentrado de varillas y fluido. Elsistema permanece en equilibrio, debido a que la varilla pulida jala hacia arriba con la mismafuerza con que las varillas y fluido jalan hacia abajo.
Sin embargo, si la fuerza aplicada en la varilla pulida es cualquier valor mayor que las 10000 lbs, lamasa concentrada de varillas y fluido empezará a moverse hacia arriba con una ciertaaceleración, debido a la mayor fuerza o jalón de la varilla pulida. Entonces, si se aplica un 10%adicional a la fuerza con que jala a la varilla pulida, es decir 10000 + 1000 = 11000 lbs, la carga devarillas y fluido se moverá hacia arriba con una cierta aceleración. Este componente de fuerzaadicional ascendente se llama factor de impulso o factor de aceleración ( α) y se expresa comouno (1.0) más algún porcentaje de la carga estática.
Contrabalanceo de la UBM
Uno de los aspectos más importantes del diseño de la instalación, es la selección delcontrabalanceo necesario para reducir el tamaño del motor principal y los requerimientos detorsión en el reductor de engranes.
En un sistema de bombeo mecánico, se requiere que el trabajo de la varilla pulida para elevar lacolumna de fluido, sea ejecutado únicamente durante la primera mitad del ciclo de la manivela,es decir, en la carrera ascendente. Si la unidad no estuviera contrabalanceada, el trabajo totalrequerido sería realizado por el motor principal durante la carrera ascendente, al estar elevandolas varillas y el fluido, mientras que en la segunda mitad del ciclo, en la carrera descendente, elmotor quedaría muerto conforme la fuerza de gravedad jala las varillas y el émbolo de la bombahacia abajo.
Entonces, en una unidad no contrabalanceada, todo el trabajo útil del motor principal seríarealizado durante la carrera ascendente y sería nulo en la carrera descendente. Se requeriría unmotor principal y reductor de engranes relativamente grandes para producir fluidos en una formaeficiente.
A fin de reducir el tamaño del motor y del reductor de engranes, se colocan contrapesos en elsistema con un peso aproximadamente igual al peso de las varillas, más la mitad del peso delfluido.
Ejemplo de contrabalanceo en la UBM
Datos:
Wr = 12000 lbs.
Wf = 6000 lbs.
Unidad no contrabalanceada
Carrera ascendente:
Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada
12000 + 6000 – 0 = 18000 lbs.
Carrera descendente
Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = Fuerza desbalanceada
0 – 12000 = - 12000 lbs.
Unidad contrabalanceada
Carrera ascendente
Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada
(12000 + 6000) – 15000 = 3000 lbs.
Carrera Descendente
Contrabalanceo – Carga en la Carrera Descendente = Fuerza desbalanceada
(15000) – 12000 = 3000 lbs.
Consideraciones para la selección y diseño
La selección de la unidadadecuada, se realiza deacuerdo con lascaracterísticas que tiene elpozo como son:
Profundidad, Varillas, Diámetro del émbolo, Carga máxima y carga
mínima en la varilla pulida, Diámetro de la tubería de
producción, Carrera en la unidad de
bombeo mecánico, Densidad relativa del
fluido, Profundidad de la bomba
y Profundidad del nivel
dinámico.
SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE LA BOMBA
Para una profundidad de colocación de la bomba y un volumen deproducción dado, existe un tamaño apropiado de ésta, el factor másimportante a considerar en la selección de una Unidad de BombeoMecánico, es el volumen de fluido que es capaz de desplazar por cadapulgada de carrera del émbolo, el cual depende del diámetro del émbolo.
𝑷𝑫 = 𝑨𝑷 𝒑𝒖𝒍𝒈𝟐 𝑺𝑷𝒑𝒖𝒍𝒈
𝒆𝒎𝒃𝑵(
𝒆𝒎𝒃
𝒎𝒊𝒏)(
𝟏𝟒𝟒𝟎𝒎𝒊𝒏
𝒅𝒊𝒂
𝟗𝟕𝟎𝟐𝒑𝒖𝒍𝒈
𝒃𝒍𝒔
)
𝑷𝑫 = 𝟎. 𝟏𝟒𝟖𝟒 𝑨𝑷𝑺𝑷𝑵(𝑩𝑷𝑫)
𝑲 = 𝟎. 𝟏𝟒𝟖𝟒 𝑨𝑷
Ap=𝝅 𝒅𝟐
𝟒
E𝐯 = (𝒒
𝑷𝑫)(𝟏𝟎𝟎)
𝑷𝑫 = 𝑲𝑺𝑷𝑵(𝑩𝑷𝑫)
Selección del tamaño de la bomba
La liberación de gas es un factormuy significativo en laestimación de la eficienciavolumétrica, en pozos con altarelación gas –líquido se tieneneficiencias muy bajas, del 25%al 50%, en aquellos dondeexiste una buena separacióndel gas de formación se tendráneficiencias del 50% al 70%.
Para la selección del tamañoóptimo del émbolo a un gastode producción deseado y unacierta profundidad, esimportante considerar que sedeben obtener altas eficienciasy prevenir cargas innecesariasen la sarta de varillas y elequipo superficial.
Ejemplos:
4.- Un pozo equipado conuna bomba cuyo émboloes de 1 ½ pulg, con unavelocidad de bombeo de20 spm y una carreraefectiva del émbolo de 55pulg produce en lasuperficie 210 BPD de unfluido cuya densidadrelativa es igual a 0.85.Calcular eldesplazamiento teóricode la bomba y sueficiencia volumétrica(Ev).
1.- Calcular la constante de bombeo para undiámetro de émbolo de 2”Ø si: K = 0.1484 Ap
2.- Un pozo tiene instalada una bomba cuyoémbolo es de 1 ½” Ø, la UBM operando con unavelocidad de bombeo de 11 spm y una carreraefectiva del émbolo de 108 plg; produce ensuperficie 240 BPD de un fluido cuya densidad esde 0.850 g/cm3. Calcular el desplazamientoteórico de la bomba (PD) y su eficienciavolumétrica (EV).
3.- Si el desplazamiento teórico de la bomba es de250 BPD y la eficiencia volumétrica es del 75%.Calcular el gasto de producción en la superficie.
DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS
A mayores profundidades de bombeo (más de 3500pies), es más usual instalar una sarta de varillastelescopiadas.
Existen dos métodos para diseñar una telescopiadas,éstos son:
Esfuerzo máximo.- Consiste en asignar a cada sección dela sarta un esfuerzo máximo, si se pasa de este valormáximo, se selecciona una varilla de mayor diámetro.
Esfuerzos iguales.- Es el método más usado, y consisteen diseñar la sarta de varillas de tal manera que losesfuerzos sean iguales en la parte superior de cadasección.
DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS
FACTORES QUE CONTRIBUYEN A FORMAR LA CARGA TOTAL DE LA VARILLAPULIDA.
Dentro del ciclo de bombeo se presentan cinco factores que contribuyen a
formar la carga total de la varilla pulida, estos factores son:
1. El peso muerto de la sarta de varillas.
2. La carga por aceleración de la sarta de varillas.
3. La fuerza de flotación de las varillas.
4. La carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida.
5. La carga por fricción.
1.- EL PESO MUERTO DE LA SARTA DE VARILLAS (WR),
1) El peso muerto de la sarta de varillas (Wr), y está dado por:
Wr = ∑ mi Li i = 1, 2, 3, ..., nWr = ∑ mi Li i = 1, 2, 3, ..., n
1.- En un pozo será colocada una bomba con un émbolo de 1 ¼” a una profundidad de 8500 pies, usando una sarta devarillas telescopiadas compuesta por una sección de 1”Ø, 7/8”Ø y ¾”Ø, y cada varilla de succión mide 25 pies de longitud.
Consultando la sig. tabla , determinar lo siguiente:a) El número de varilla y el porcentaje proporcionado a cada sección de varillas.b) La longitud de cada sección de varillas.c) El número de varilla equivalente a cada sección.d) El peso estático de cada sección de varillas.e) El peso estático del total de la sarta de varillas.
a) De acuerdo a la tabla corresponde el No. de varilla 86.1ª R1 = 1” Ø = 24.3 %2ª R2 = 7/8” Ø = 24.5 %3ª R3 = ¾” Ø = 51.2 %R1, R2, R3, es el porcentaje fraccional de cada sección de varillas respectivamente.
b) Longitud de cada sección.Li = Ri LTL1 = (8500) (0.243) = 2065.5 piesL2 = (8500) (0.245) = 2082.5 piesL3 = (8500) (0.512) = 4352 pies
c) Número de varillas por sección. Observación: todas las varillas miden 25 pies de longitud.L1 = 2065.2/25 = 83 varillasL2 = 2082.5/25 = 83 varillasL3 = 4352/25 = 174 varillas
d) El peso unitario de cada sección de varillas (mi)La varilla de 1”Ø = 2.88 lbs-pieLa varilla de 7/8”Ø = 2.16 lbs-pieLa varilla de ¾”Ø = 1.63 lbs-pie
Entonces:Wri = (Li)(mi)Wr1 = (2065.5) (2.88) = 5948.64 (lbs)Wr2 = (2082.5) (2.16) = 4498.2 (lbs)Wr3 = (4352) (1.63) = 7093.76 (lbs)
e) Peso total de la sarta de varillas(Wr) es:Wr = Wr1 + Wr2 + Wr3Wr = 5948.64 + 4498.2 + 7093.76 = 17540.6 lbs.
1.- EL PESO MUERTO DE LA SARTA DE VARILLAS (WR),
DATOS DE LA VARILLA DE SUCCIÓN
DIAM. PULG AREA PULG2 PESO lbs/pie
1/2 0.196 0.720
3/8 0.307 1.160
3/4 0.442 1.630
7/8 0.601 2.160
1 0.785 2.880
1 1/8 0.994 3.640
EJEMPLO
2. Una sarta de varillas telescopiadas de 8500 pies, el diámetro deuna bomba de 1 ¾” , corresponde el número de varilla 86 y de lamisma tabla, el peso promedio de las varillas (mr) es de 2.185 lbs -pie. Calcular el peso de la sarta de varillas.
Valores:LT = 8500 piesdp = 1 ¾”Ømr = 2.185 lbs-pieWr = (LT)(mr)Wr = (8500)(2.185)Wr = 18572.5 lbs
2. LA CARGA POR ACELERACIÓN DE LA SARTA DE VARILLAS
Las cargas máximas y mínimas por aceleración están dadas por (Wr ∞) y –(Wr ∞ ),respectivamente.
El factor de aceleración es calculado mediante la ecuación de Mills:
Una Unidad de Bombeo Mecánico opera con una carrera de 144 plg y una velocidad de bombeo de 12 spm. Calcular el factor de aceleración.
Valores:
3.- FUERZA DE FLOTACIÓN
La fuerza de flotación de las varillas (Ff), es decir, el peso del fluido desplazado es entonces:
Ff = - 0.127 * Wr * Dens. Liq.
El signo negativo de la ecuación anterior indica que la fuerza de flotación es siempreascendente.
Ejemplos de Aplicación
1. Calcular la fuerza de flotación de las varillas o peso del fluido desplazado, a un pozo con unpeso total de sarta de varillas de 10300 lbs, con un fluido cuya densidad relativa es de 0.870.
Valores:Wr = 10300 lbsG = 0.870Ff= (-0.127)(Wr)(G)Ff= (-0.127)(10300)(0.870)Ff= -1138 lbs
4.- CARGA DEL FLUIDO QUE SE EJERCE SOBRE LA VARILLA PULIDA
Es el peso del fluido que es soportado por el área neta del émbolo.
De acuerdo a esto, el volumen de la columna de fluido (Vc), teniendo como base el área delémbolo y la longitud total de la sarta de varillas será:
Wf = 62.4 G [(LT Ap/144) – (Wr/490)Wf = 0.433 G (LT Ap – 0.294 Wr)
EJEMPLO
Calcular la carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida, a un pozo que tiene un fluidocon densidad relativa de 0.835. El pozo tiene bomba con émbolo de 1 ½”Ø, la sarta devarillas tiene un peso de 7132.88 lb y una longitud de 4376 pie.
A un émbolo de 1 ½”Ø le corresponde un área de la sección transversal de la bomba de1.767 plg2.
Valores:LT = 4376 piesWr = 7132.88 lbsdP = 1 ½”ØAP = 1.767 plg2G = 0.835Wf = (0.433) (G) [(LT)(AP) – (0.294) (Wr)Wf = (0.433) (0.835) [(4376) (1.767) – (0.294) (7132.88)Wf = 2037.48 lbs.
5. CARGA POR FRICCIÓN
La carga por fricción (F fric) en las Unidades de Bombeo Mecánico que ya están enoperación se puede estimar en carta dinamométrica. Dado que no se tiene un dato exactosobre ella, por lo que generalmente se elimina.𝑾𝑴𝒂𝒙 = 𝑾𝒇 +𝑾𝒓 𝟏 +∞ − 𝑭𝒇 + 𝑭𝒇𝒓𝒊𝒄 𝑾𝑴𝒊𝒏 = 𝑾𝒓 𝟏 −∞ − 𝑭𝒇 − 𝑭𝒇𝒓𝒊𝒄
Sólo para propósitos de derivación en el desarrollo de la ecuación del efecto decontrabalanceo ideal, las fuerzas de flotación y de fricción son consideradas, perocomúnmente son desechadas. Entonces:
𝑾𝑴𝒂𝒙 = 𝑾𝒇 +𝑾𝒓 𝟏 +∞ 𝑾𝑴𝒊𝒏 = 𝑾𝒓 𝟏 −∞− 𝟎. 𝟏𝟐𝟕 𝑮
Levantar una carga máxima con alta aceleración ocasiona una mayor carga estructural, loque a su vez produce una mayor tensión en las varillas. Es por esta razón que se debeverificar que la tensión máxima prevista, no sea mayor que la tensión máxima de trabajopermisible. La tensión máxima en la parte superior de toda la sarta de va rillas (de un solodiámetro o telescopiadas), va a ser calculada dividiendo la carga máxima de la varilla pulidaentre el área de la sección transversal de la varilla superior.
𝑺𝑴𝒂𝒙 = 𝑾𝑴𝒂𝒙/𝑨𝒕𝒐𝒑
Ejercicios
1.- Diseño de la Sarta de VarillasUna bomba con émbolo de 2”Ø será colocada a 8500 pies usando una sarta de varillas telescopiadascompuesta por una sección de ¾”, 7/8” y 1” . Cada varilla de succión es de 25 pies de longitud.Determinar la longitud de cada sección de la sarta de varillas para que se logre cubrir la profundidadde colocación de la bomba.2.- Carga por aceleraciónLa UBM tiene una carrera de 168 pulg y una velocidad de bombeo de 11 spm. Calcular el factor deaceleración.3.- Carga del fluidoUna UBM tiene una bomba con diámetro del émbolo de 2”Ø, operada por una sarta telescopiada conun peso de 6479.25 lbs y una longitud de 3975 pies, el fluido tiene una densidad relativa de 0.820, eldiámetro de la tubería de producción es de 2 7/8”. Calcular la carga del fluido que se ejerce sobre lavarilla pulida.4.- Diseño de varillas telescopiadasEn un pozo será instalada una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”Ø, utilizando una sarta devarillas telescopiada consistente en varillas de ¾”, 7/8” y 1” de diámetro, considerando que todas lasvarillas miden 25 pies de longitud. Determinar la longitud de cada sección de la sarta de varillas.5.- Cálculo de carga Máxima (Wmax) y Mínima (Wmin) en la Varilla PulidaCalcular la carga máxima y mínima que se ejerce sobre la varilla pulida, a un pozo que tiene un fluidocon densidad relativa de 0.870, el peso de la sarta de varillas es de 8125.5 lbs, y el peso del fluido esde 3616.42 lbs y un factor de aceleración de 0.2941. Calcule también la tensión máxima en la partesuperior considerando una sarta de varillas de un solo diámetro el cual es de ¾”.
CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO
El volumen de aceite manejado durante cada carrera del émbolo no depende de la longitudde carrera de la varilla, si no de un movimiento relativo del émbolo en el barril de trabajo.Este movimiento es conocido como carrera efectiva del émbolo y difieresignificativamente de la carrera de la varilla pulida. Esta diferencia se debe a laselongaciones en la varilla (er) y en la tubería (et), así como también a la sobrecarga delémbolo (ep) como resultado de la aceleración.
La carrera efectiva del émbolo, es la carrera de la varilla pulida disminuida por los efectosde elongación en las varillas y la tubería, debido a la carga del fluido e incrementada por elefecto de la sobrecarga del émbolo como resultado de la aceleración. Por lo tanto la carreraefectiva del émbolo es:
Sp = S + ep – (et + er)
Ecuación planteada por Marsh-Coberly para varillas de un solo diámetro y telescopiadas:
DIAMETRO EXT (PULG)
DIAMETRO INT (PULG)
PESO (lbs/pie) AREA At (pulg2)
1 8/9 1.610 2.900 0.800
2 3/8 1.995 4.700 1.304
2 7/8 2.441 6.500 1.812
3 1/2 2.992 9.300 2.590
4 3.476 11.000 3.077
4 1/2 3.958 12.750 3.601
Datos de la TP
EJERCICIO
1.- En un pozo se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” en el interior de una tubería deproducción de 2 7/8” a una profundidad de 3500 pies, se considera que el nivel de fluido en la tubería derevestimiento está a la profundidad de colocación de la bomba con un gasto o producción en la superficiede 150 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.825, la UBM deberá operar con una carrera en lavarilla pulida de 100 plg, a una velocidad de bombeo de 11 spm y la sarta de varillas será de un solodiámetro de ¾”. Calcular la carrera efectiva del pistón (Sp) considerando la tubería de produccióndesanclada y anclada.
Datos:dp = 1 ¾”dtp = 2 7/8”LT = 3500 piesdr = ¾”N = 11 spmS = 100 plgq = 150 BPDG = 0.825D = 3500 piesE= 30 X 106 Lbs/pg2Cálculo de la carrera efectiva del pistón (Sp) con la tubería de producción anclada, donde los términos queinvolucran a At se eliminan, ya que al estar la tubería de producción anclada, ésta no tiene elongacionesprovocadas por el movimiento, entonces el valor es At = O
EJERCICIO
Carrera efectiva del pistón con una sarta de varillas telescopiada y la tubería deproducción desanclada.
2. En un pozo, tiene instalado un émbolo de 1 ¼”Ø,el cual es operado por una sarta devarillas telescopiadas de 1”Ø, 7/8”Ø y ¾”Ø dentro de una tubería de producción de 27/8”Ø, con una longitud de 8500 pies; el nivel dinámico en la tubería de revestimiento seconsidera a la misma profundidad de colocación de la bomba. La Unidad de BombeoMecánico opera con una carrera en superficie de 144 plg con un factor de aceleración de0.2883; y el fluido del pozo tiene una densidad relativa de 0.820. calcular la carreraefectiva del pistón.
POTENCIA DE ARRANQUE
La potencia total de la varilla pulida es la suma de la potencia hidráulica más la de fricción,sin embargo, la potencia total de arranque para el motor primario involucra la potencia totalde la varilla pulida y un factor de seguridad que logre absorber las pérdidas de potencia sinequipo superficial adicional.Se considera como bueno un factor de seguridad de 1.5, de tal forma que la potencia dearranque necesaria para el motor (Hb) será:
Hb = 1.5 (Hh + Hf) (hp)Hf = 6.31 x 10-7 Wr S N (hp)Hh = 7.36x10-6 (q)(G)(LN) (hp)
LN = D + 2.31 (Ptp/G) (pies)
EJEMPLO PARA CALCULAR EL NIVEL NETO (LN)
El nivel dinámico es igual al resultado de la resta de la profundidad de colocación de labomba menos la distancia en la que se encuentra sumergida ésta en el fluido (sumergenciade la bomba).
Calcular el nivel neto a un pozo con una profundidad de colocación de la bomba de 5320pies la cual se encuentra sumergida 325 pies, el fluido del pozo tiene una densidad relativade 0.870 y la presión en la tubería de producción es de 70 lbs/plg2.
Valores:Profundidad de colocación de la bomba = 5320 piesDistancia a la que se encuentra sumergida la bomba = 325 pies
D = 5320 – 325 = 4995 piesPtp = 70 lbs/plg2G = 0.870LN = D + 2.31 (Ptp/G)LN = 4995+2.31 (70/0.870)LN = 5180.86 pies
EJEMPLO DE APLICACIÓN PARA POTENCIA POR FRICCIÓN (Hf)
Un pozo, tiene una Unidad de Bombeo Mecánico operando con una carrera de 144 plg yuna velocidad de bombeo de 13 spm. El peso total de la sarta de varillas es de 14000 lbs.Calcular la potencia por fricción con la cual opera la Unidad de Bombeo Mecánico.
Valores:
Wr = 14000 lbsS = 144 plgN = 13 spmHf = 6.31 x 10-7 Wr S NHf = 6.31 x 10-7 (14000)(144)(13)Hf = 16.53 hp
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE POTENCIA HIDRÁULICA (Hh)
Un pozo del área Poza Rica con sistema artificial de explotación de bombeo mecánico,produce en superficie 310 BPD de un fluido con densidad relativa de 0.870. el nivel neto seencuentra a 5320 pies. Calcular la potencia hidráulica.
Valores:q = 310 BPDG = 0.870LN = 5320 pies
Hh = 7.36x10-6 (q)(G)(LN)Hh = (7.36 x 10-6 )(310)(0.870)(5320)Hh = 10.56 hp
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE POTENCIA DE ARRANQUE DEL MOTOR (HB)
Una Unidad de Bombeo Mecánico opera con una potencia hidráulica de 10.56 hp y unapotencia por fricción de 16.53 hp. Calcular la potencia de arranque necesaria del motor.
Valores:Hh = 10.56 hpHf = 16.53 hpHb = 1.5 (Hh+Hf)
Hb = 1.5 (10.56+16.53)Hb = 40.63 hp
El fabricante recomienda un margen de maniobra o tolerancia del 25 % en la potenciaespecificada por él, debido al ciclo de carga. Entonces:
(40.63) (1.25)= 50.7 hp
El resultado de este cálculo, es la potencia necesaria que debe tener el motor principal para poner en operación la Unidad de Bombeo Mecánico.
EJEMPLO DE CÁLCULO
Un pozo con bombeo mecánico tiene una bomba cuyo émbolo es de 1 ¾” instalada a 4560pies con una sarta de varillas de succión de ¾” . Si la tubería está anclada y se tiene unavelocidad de bombeo de 20.5 spm, una carrera de varilla pulida de 64 plg y una producciónde 355 BPD de fluido cuya densidad relativa es de 0.870, considerando que la profundidad decolocación de la bomba esta a la profundidad del nivel dinámico, y que la presión en latubería de revestimiento es despreciada.
a) Calcule la mínima potencia relacionándola con la especificada por el fabricante, para quese pueda utilizar este motor, si el fabricante recomienda una tolerancia o margen demaniobra del 25% en la potencia especificada por él, debido a la carga del ciclo.
Consultando la tabla del peso unitario, se observa que la varilla de ¾” tiene un peso de 1.63lbs/pie. Entonces:Wri = (LT) (mi)Wr1 = (4560) (1.63)Wr1 = 7432.8 lbs
La potencia hidráulica será:Hh = (7.36 x 10-6)(q)(G)(LN)Hh = (7.36 x 10-6 )( 355)( 0.870)(4560)Hh = 10.36 hp
CONTINUACIÓN
Para una velocidad de bombeo de 20.5 spm, la potencia por fricción, es:Hf = (6.31 x 10-7 )(Wr )(S)(N)Hf = (6.31 x 10-7)(7432.8)(64)(20.5)Hf = 6.15 hp
Entonces, la potencia de arranque requerida por el motor primario será de:Hb = 1.5 (Hh + Hf)Hb = 1.5 (10.36 + 6.15)Hb = 24.76 hp
Para que se tenga esta potencia, de acuerdo con la tolerancia que se recomienda, el totaldebe ser de:(24.76) (1.25)= 30.95 hp
El resultado de este cálculo, es la potencia necesaria que debe tener el motor principal paraponer en operación la Unidad de Bombeo Mecánico.
CONTINUACIÓN.
b) Determine cuál es el nivel de fluido para este pozo, si la presión en la tubería deproducción es de 50 lbs/plg2 manométrica., y la distancia que se encuentra sumergida labomba es de 250 pies.
Considere que la tubería de revestimiento está a la presión atmosférica.D = (Profundidad de colocación de la bomba) – (distancia que se encuentra sumergida labomba en el fluido)D = 4560 pies – 250 pies.D = 4310 pies.
El nivel de fluido neto (LN) está dado por:.LN = D + 2.31 (Ptp/G)LN = 4310 + 2.31 (50/0.870)LN = 4443 pies.
MÉTODOS EMPLEADOS EN LA SELECCIÓN DE UBM
En el diseño de instalaciones de bombeo mecánico, existen diferentes procedimientos, acontinuación se presentan dos que son los que más se utilizan, cada uno con el desarrollode los factores principales involucrados en el diseño de la unidad de bombeo mecánico.
Los procedimientos son:
I.- Método Craft Holden.II.- Método API-RP-11L.
MÉTODO CRAFT-HOLDEN
La selección para el problema de diseño se logra a través del ensayo y error:
1. Se efectúa una selección preliminar de los componentes de la instalación.2. Las características de operación de la selección preliminar se calculan utilizando lasfórmulas básicas, tablas y figuras.3. El desplazamiento y cargas de la bomba se compararon con los volúmenes, rangos decarga, esfuerzos y otras limitaciones de la selección preliminar.
Puede ser necesario hacer otras selecciones y cálculos para no exceder las limitaciones devarios componentes de la instalación en su arreglo. Frecuentemente es necesario efectuarmás de una selección de equipo antes de obtener la selección óptima.
MÉTODO CRAFT-HOLDEN
El método contempla realizar los siguientes cálculos:1. α2. Sp3. Pd4. Ev de la bomba5. Wr6. Wf7. Determinar el Ci (contrabalanceo ideal)
8. Wmax9. Hh10. Hf11. Hb (potencia total)
12.Tp (Torsión Pico)
De acuerdo al resultado de la Tp y Wmax se selecciona la unidad adecuada para nuestropozo.
EJEMPLOS DE APLICACIÓN
1. En un pozo se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” a unaprofundidad de 4275 pies; en el interior de una tubería de producción de 2 3/8” dediámetro, la producción o gasto en superficie es de 283 BPD de un fluido con unadensidad relativa de 0.825, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento seconsidera a la misma profundidad de colocación de la bomba, efectuar los cálculos deselección para una UBM. que deberá operar con una velocidad de 18 spm, una carreraen la varilla pulida de 64 plg y deberá mover una sarta de varillas de un solo diámetrocorrespondiente a ¾”.
Datos:dp= 1 ¾”dtp= 2”LT= 4275 piesdr= ¾”N= 18 spmS= 64”q= 283 bls/diaG= 0.825
Continuación
Como el nivel de fluido es bajo, se considera que la bomba está colocada al nivel del fluidode trabajo, teniéndose entonces:
D = LT = 4275 pies.Se tiene que, para la varilla de ¾” :Ar = 0.442 plg2.m = 1.63 lbs/pie.
Todas las varillas de succión miden 25 pies de longitud.Se tiene que, para un émbolo de 1 ¾” :Ap = 2.405 plg2K = 0.357 bls/día/plg/spm
De la tabla se obtiene el valor para el área de la sección transversal de la pared de la tuberíade producción.
At = 1.304 plg2.
Continuación
Cálculos para la tubería de producción desanclada.1. Cálculo del Factor de Aceleración.
𝛼 =𝑆𝑁2
70500
𝛼 =64∗182
70500=0.2941
2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo.
𝑆𝑝 = 𝑆 +40.8∗𝐿𝑡2∗𝛼
𝐸-5.20∗𝐺∗𝐷∗𝐴𝑝∗𝐿𝑡
𝐸
1
𝐴𝑡𝑝+
1
𝐴𝑟
Sp = 64 + 7.3098 – 6.2852(3.0293) = 64 + 7.3098 – 19.0398Sp = 52.27 plg
Continuación3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba.PD = K Sp NPD = 0.357 (52.27) (18)PD = 335.88 bls/día.
4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba.Ev = q/PD (100)Ev = 0.8425 x 100Ev = 84.25 %
5. Cálculo del Peso de las Varillas de un solo Diámetro.Wr = LT x miWr = 4275 (1.63) = 6968.25 lbs.
6. Cálculo del Peso de Fluido.Wf = (0.433)(G)[(LT)(Ap)-(0.294)(Wr)]Wf = (0.433)(0.825)[(4275) (2.405) – (0.294)(6968.25)]Wf = (0.357225)(8232.7045)Wf = 2940.92 lbs.
7. Cálculo del Efecto de Contrabalanceo Ideal.
Ci = (0.5)(Wf)+(Wr)[1 – (0.0635)(G)]Ci = (0.5)(2940.92)+(6968.25)[(1 –(0.0635)(0.825)]Ci = 1470.46 + 6968.25 (1- 0.05238)Ci = 1470.46 + 6968.25 (0.94761)Ci = 1470.46 + 6603.18Ci = 8073.64 lbs.
Continuación
8. Cálculo de la Carga Máxima.Wmáx = Wf +(Wr)(1.0 + ∞)Wmáx = 2940.92+ (6968.25)(1.0 + 0.2941)Wmáx = 2940.92 + 9017.6123Wmáx = 11958.53 lbs.
9. Cálculo de la Potencia Hidráulica.Hh = 7.36 x 10-6 q G LTHh = 7.36 x 10-6 (283) (0.825) (4275)Hh = 7.34 Hp
10. Cálculo de la Potencia por Fricción.Hf = 6.31 x 10-7 Wr S NHf = 6.31 x 10-7 (6968.25) (64) (18)Hf = 5.065 Hp
11. Cálculo de la Potencia Total.Hb = 1.5 (Hh + Hf)Hb = 1.5 (7.34 + 5.06)Hb = 18.6 Hp
Continuación12. Cálculo de la Torsión Pico.
Tp = [Wmáx – (0.95)(Ci)] (S/2)Tp = 11958.53 – (0.95)(8073.64)] (64/2)Tp = [11958.53 –7669.95](32)Tp = 137,234.56 lbs-plg
De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida seselecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A.
Unidad seleccionada: C-160D-143-64Donde:C = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” quesignifica unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque.160 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras.D = Reductor de engranes con doble reducción.143 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras.64 = Longitud de la carrera en pulgadas.
Continuación
Cálculos para la tubería de producción anclada.Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada,pero con la consideración de que el área de la sección transversal de la pared de la tuberíade producción es At = 01. Cálculo del Factor de Aceleración.
𝛼 =𝑆𝑁2
70500
𝛼 =64∗182
70500=0.2941
2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo.
𝑆𝑝 = 𝑆 +40.8∗𝐿𝑡2∗𝛼
𝐸-5.20∗𝐺∗𝐷∗𝐴𝑝∗𝐿𝑡
𝐸
1
𝐴𝑟
Sp= 64 + 7.3098 – 6.2852 (2.2624)Sp= 57 plg
Continuación3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba.PD = K Sp NPD = 0.357 (57) (18)PD = 366.28 bls/día.
4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba.Ev = q/PD (100)Ev= (283/366.28) * 100
Como los valores de Sp, PD, y Ev no se ocupan en las otras formulas, no es necesario hacer nuevamente los cálculos, porlo que los resultados desde el punto 4 en adelante son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada.Por la tanto:5. Wr = 6968.25 lbs6. Wf = 2940.92 lbs7. Ci = 8073.64 lbs8. Wmáx = 11958.53 lbs9. Hh = 7.34 Hp10. Hf = 5.065 Hp11. Hb = 18.6 Hp12. Tp = 137,234.56 lbs-plg
De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando elcatálogo Lufkin. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidadseleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada,cambia el valor de la carrera efectiva del pistón, el desplazamiento teórico de la bomba y le eficiencia volumétrica. Porlo tanto:Unidad seleccionada: C-160D-143-64
TAREA
1.- En un pozo se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” a unaprofundidad de 8500 pies, en el interior de una tubería de producción de 2 7/8” de diámetro,la producción o gasto en superficie es de 350 BPD de un fluido con una densidad relativa de0.870, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la mismaprofundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de selección para una Unidadde Bombeo Mecánico que deberá operar con una velocidad de 13 spm, una carrera en lavarilla pulida de 168 plg y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3secciones de 1”, 7/8” y ¾” de diámetro.
2.- En un pozo, se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” a unaprofundidad de 6232 pies; en el interior de una tubería de producción de 2 7/8” de diámetro,la producción o gasto en superficie es de 230 BPD de un fluido con una densidad relativa de0.870, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la mismaprofundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de selección para una Unidadde Bombeo Mecánico que deberá operar con una velocidad de 13 spm, una carrera en lavarilla pulida de 100 plg y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3secciones de 1”, 7/8” y ¾” de diámetro.
MÉTODO API
El objetivo principal de la siguiente tabla es obtener los datos principales para la selección de la Unidad de BombeoMecánico adecuada, a partir de los datos que tiene el pozo, utilizando el método API.Datos conocidos del pozoNivel de Fluido H = _________________ piesProf. de la Bomba LT = _________________ piesDiam. de la Tub. Prod. dt = _________________ plg ¿Está anclada? Si O No OVelocidad de Bombeo N = _________________ spmCarrera S = _________________ plgDiam. del Émbolo D = _________________ plgDiam. de las varillas que dr1 = _________________ plgcomponen la sarta dr2 = _________________ plgdr3 = _________________ plgDensidad Relativa (fluido) G = _________________Todos los datos anteriores deben ser conocidos de acuerdo con las características de cada pozo, si no se llegara allenar alguno de los espacios en blanco, no se podría efectuar el cálculo necesario para la selección de la unidadrequerida.Consultando las tablas 3 y 7 del anexo A, pueden obtenerse los siguientes valores:A partir de las características del pozo que se llenaron en los espacios en blanco, se obtienen los valoresfundamentales para la selección de la unidad, como es: el peso de la sarta de varillas, módulo de elasticidad de lasvarillas y de la tubería de producción.1. mr = _________________ lbs/pie2. Er = _________________ x 10-6 plg/lbs-pie3. Fc = _________________4. Et = _________________ x 10-6 plg/lbs-pieCon la obtención de estos valores, puede iniciarse los cálculos necesarios para la selección de la Unidad de BombeoMecánico adecuada a las características del pozo.
MÉTODO API
A continuación se presentan las formulas necesarias para hacer los cálculos en la selección de la unidad,únicamente debe llenar los espacios en blanco y efectuar las operaciones necesarias, hasta obtener elresultado.Cálculo de las variables no dimensionales5. Fo = 0.340 x G x D2 x H = 0.340 x ________ x (________)2 x ________ =________ lbs6. 1/Kr = Er x LT = _________ x ________ = _________ lbs/plg7. SKr = S/(1/Kr) = ________ _________ = ________ lbs8. Fo/SKr = ________ ________ = ________9. N/No = (N x LT)/245000 = (________ x _________) 245000 = ________10. N/No’ = (N/No)/Fc = ________ ________ = ________11. 1/Kt = Er x LT = ________ x ________ = ________ lbs/plgConsultando los datos de la figura 1 del anexo B, se puede calcular la carrera efectiva del pistón y eldesplazamiento teórico de la bomba.En la figura 1 del anexo B, con los valores de la relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de lasarta de varillas combinadas y, con la relación del peso total de la sarta de varillas en el fluido y las libras decarga necesaria para alargar la sarta de varillas una cantidad igual a la varilla pulida,se obtiene el valor delfactor de la carrera del émbolo.12. Sp/S = ________13. Sp = [(Sp/S) x S] – [Fo x 1/Kr] = [_______x_______]–[_______x_______]= ______ plg14. PD = 0.1166 x Sp x N x N2 = 0.1166 x_______x_________ x_________ = ______ BPDNOTA.- Si el desplazamiento teórico de la bomba falla para satisfacer los requerimientos conocidos oanticipados, deberá hacer los ajustes apropiados con los datos que se asumen en los pasos 1 al hasta el 14.Cuando el desplazamiento calculado de la bomba es aceptable, se procederá con los cálculos de selección.Determinación de los parámetros no dimensionales15. Wr = mr x LT = _________ x _________ = _________ lbsEste resultado es el peso total que componen la sarta de varillas de acuerdo con laprofundidad de la misma.16. Wrf = Wr x [1 – (0.128 x G)] = ________ x [1 – (0.128 x ________)] = __________ lbs
MÉTODO API
El resultado anterior, es el peso de las varillas sumergidas en el fluido. Como se observa, el resultado esmenor al punto N° 15 debido al efecto de flotación o Principio de Arquímedes.17. Wrf/SKr = _________ __________ = __________Si el valor anterior es mayor de 0.3, se deberá efectuar el ajuste en la figura 7 del anexo B; si el valor esmenor a 0.3, el ajuste se vuelve negativo. Consultando los datos de las figuras 3, 4, 5, 6 y 7 del anexo B,se obtienen los siguientes valores:18. F1/SKr = ________19. F2/SKr = ________20. 2T/S2Kr = ________21. F3/SKr = _________22. Ta = _________Los resultados anteriores, son los factores para determinar las características con las cuales debe operarla Unidad de Bombeo Mecánico. A continuación se realizarán los cálculos necesarios para la selección dela unidad.Solución para las características de operación23. PPRL = Wrf + [(F1/SKr) x SKr] = ________ + [(________ x _______)] = _________lbs24. MPRL = Wrf – [(F2/SKr) x SKr] =________ - [(________ x ________)] = ________lbsLa obtención de los valores anteriores, es la carga máxima y mínima que soportará la Unidad de BombeoMecánico, es decir, las libras de peso de las varillas y del fluido.25. PT = (2T/S2Kr) (SKr)(S/2)(Ta)=_______x_______x (_____ 2)x_____= _______lbs-plgEl valor de la torsión máxima obtenido con el cálculo anterior, son las libras por pulgadas de torsión quedebe soportar la caja reductora de engranes de la Unidad de Bombeo Mecánico. Para efectos deoperación y de acuerdo a las tablas del apéndice cortesía de industrias Lufkin, se debe seleccionar unaunidad que soporte un mayor número de lbs-plg de las que se obtuvieron por medio de los cálculos, estopara tener un factor de tolerancia en la caja reductora de engranes.26. PRHP=(F3/SKr)(SKr)(S)(N)(2.53 x 10-6)=____x____x____x____x____x 2.53 x 10-6PRHP= _________
MÉTODO API
Con el valor de la potencia en la varilla pulida, se puede seleccionar de acuerdo con latabla 19 del anexo A, el tamaño del motor que deberá operar la Unidad de BombeoMecánico.
27. CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) = 1.06 x [_____ x (1/2 _______)] = ________ lbsLa obtención del contrapeso requerido, es el peso necesario que debe tener la manivelade la Unidad de Bombeo Mecánico para que no exista desbalanceo, es decir, que falte osobre peso en la manivela de la unidad, provocando que el motor llegue a forzarse y aconsecuencia de esto, un mayor consumo de energía en el motor.
COSTOS
Descripción Unidad Precio Unitario
Bomba Sub-superficial marca Trico de 1 ½” a 2 ½” , tolerancia entre barril y pistón de0.003”, equipada con barril de acero recubierto de cromo en su diámetro interior, depared gruesa con válvulas de Carburo de Tugsteno, diseño especial con doble anclaje,inferior mecánico y superior de tres copas de material plástico, válvula “Top-Ring” paraevitar candado de gas, accesorios de acero endurecido para uso en ambiente conpresencia de CO2 y H2S, incluyendo zapata candado, niple sello y tres juegos de copasextras.
Pieza $49,571.44
Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase “D” con cople liso de ¾”x 25 pies de longitud.
Pieza $486.40
Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase “D” con cople liso de7/8” x 25 pies de longitud.
Pieza $612.71
Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase “D” con cople liso de 1”x 25 pies de longitud.
Pieza $887.70
Varilla pulida marca Trico o calidad igual o superior, de acero de aleación, carbón,manganeso, cromo molibdeno con acabado espejo aproximado de 8 a 32 micrones deacuerdo a especificaciones API con capacidad de 95,000 a 160,000 lbs de carga a latensión de 1 ½” x 22 pies.
Pieza $9,364.45
Mordaza para varilla pulida de 1 ½” con 3 orificios serie 10 de 40,000 lbs de carga. Pieza $1,222.58
Cople combinación API para varillas de succión de ¾” a 7/8” marca Trico Pieza $379.59
Cople combinación API para varillas de succión de 7/8” a 1” marca Trico Pieza $533.29
Brida colgadora marca “Wellhead Inc.” Modelo W2F, 3M 7 1/16” , ranura para junta deacero RTJ-45, rosca macho de 3” ext. x 2 ½” y rosca caja para colgar tubería de 2 7/8”según designación API, incluyendo 12 espárragos de 1 1/8” diam x 9” long., 24 tuercas yuna junta de acero R-45.
Pieza $11,851.20
COSTOS
Preventor de doble empaque marca “DOBLE E” para varillapulida de 1 ½” , modelo LP 15, incluyendo 5 juegos deempaques.
Pieza $7,412.82
Estopero preventor marca “KVF” o calidad igual o superior parala varilla pulida de 1 ½” , 3” , incluyendo 5 juegos de empaques.
Pieza $3,780.32
Tee roscada marca “KVF” calidad igual o superior, acero al carbónde 3,000 lbs/plg2 de 3x3x2” con tapón ciego
Pieza $1,594.66
Niple de 3” marca Capitol, calidad igual o superior, 6” longitudroscado en ambos extremos, acero al carbón de 3,000 lbs/plg2.
Pieza $172.48
Cople de 3” marca Trico, calidad igual o superior, de acero alcarbón de 3,000 lbs/plg2.
Pieza $532.38
Unidad de Bombeo Mecánico Pieza Pieza $1,500,000.00
COSTOSCon las siguientes características de un pozo, se efectuará el análisis de costos para la instalación de losaccesorios nuevos para el sistema Artificial de Explotación de Bombeo Mecánico.Datos:D = 2”dtp = 2 7/8”LT = 6000 piesdr = 1”, 7/8” y ¾”H = 6000 piesN = 13 spmS = 168 plgq = 350 BPDG = 0.870Consultando la tabla, se tiene que para un diámetro de émbolo de 2” y una sarta compuesta por varillasde 1” , 7/8” y ¾” , corresponde una varilla No. 86 con los siguientes porcentajes para cada sección:R1 = 32.8 %R2 = 33.2 %R3 = 33.9 %Entonces:Li = (Ri/100) x LT i = 1, 2, 3 .... nL1 = (32.8/100) x (6000) = 1968 pies de varilla de 1”L2 = (33.2/100) x (6000) = 1992 pies de varilla de 7/8”L3 = (33.9/100) x (6000) = 2034 pies de varilla de ¾”
COSTOS
Como cada una de las varillas de succión miden 25 pies de longitud. Con ello sabrá cuantasvarillas necesitará de cada diámetro para satisfacer las condiciones de profundidad total dela sarta de varillas.L1 = 1968/25 = 78.72, por aproximación se emplearán 79 varillas de 1”L2 = 1992/25 = 79.68, por aproximación se emplearán 79 varillas de 7/8”L3 = 2034/25 = 81.32, por aproximación se emplearán 82 varillas de ¾”De acuerdo con la tabla de los precios unitarios se tiene que:No de Varillas Precio Unitario Total79*$887.70= $70,128.379*$612.71= $48,404.0982*$786.70 =$64,509.4TOTAL=$183,041.79Para unir las varillas de un diámetro inferior a uno superior, se utilizan coplesadaptadores, en este caso se utilizarán dos coples adaptadores, uno de ¾” a 7/8” y otro de7/8” a 1”.Cople combinación Precio Unitario Total¾” a 7/8” $379.507/8” a 1” $533.29TOTAL $912.79
COSTOS
La bomba de inserción de 2” con los accesorios tiene un precio de:$49,571.44La varilla pulida tiene un precio unitario de:$9,364.45La mordaza con la cual se sujeta la varilla pulida con una capacidad de carga de 40,000lbs/plg2 tiene un precio de:$1,222.58La brida colgadora marca “Wellhead Inc.” 7 1/16” , rosca macho de 3” ext. x 2 ½” y roscacaja para colgar tubería de 2 7/8” y una junta de acero R-45 tiene un precio unitario de:$11,851.20El Preventor de doble empaque marca “DOBLE E” para varilla pulida de 1 ½” , modelo LP-15tiene un precio de:$7,412.82Estopero preventor de 3” , para varilla pulida de 1 ½” , tiene un precio unitario de:$3,780.32La Unidad de Bombeo Mecánico marca Lufkin tipo Convencional tiene un precio unitariode:$1’500,000.00
COSTOSLa utilización de accesorios nuevos para un sistema artificial de explotación de Bombeo Mecánico, tienelos siguientes valores:Varillas $183,041.79Coples combinación $912.79Bomba de inserción $49,571.44Varilla pulida $9,364.45Mordaza $1,222.58Brida colgadora $11,851.20Preventor $7,412.82Estopero preventor $3,780.32Unidad de Bombeo Mecánico $1’500,000.00
La suma total del acondicionamiento para este sistema de explotación tiene un gastoaproximado en accesorios deGRAN TOTAL $1’767,157.39
La producción bruta del pozo que se instalaron estos accesorios, es deaproximadamente 40 metros cúbicos, con un porcentaje de agua del 12%.La producción neta del pozo es de:P.N. = 40 - (40)(0.12)P.N. = 35.2 m3Entonces, la producción neta en barriles es de:P.N. = (35.2)(6.2905)P.N. = 221.42 Barriles
COSTOS
La cotización del dólar actualmente es de $15.00 pesos mexicanos, y el barril de petróleo esde $45.30 dólares, por lo tanto la producción diaria del pozo es aproximadamente de:1 Barril = $679.5 Pesos MexicanosLa producción neta que aporta el pozo tiene un costo diario aproximado de:(Precio del Barril) (Producción Neta)(679.5)*(221.42)=$150,404.89
El costo aproximado de extraer el aceite, enviarlo a separación, almacenarlo, pagar elconsumo de energía eléctrica del motor a Comisión Federal de Electricidad y venderlo es deaproximadamente de:11 Dólares por cada Barril de aceiteComo el pozo produce 221.42 barriles diarios, entonces:(11)($15.00) = $165.00($165.00) ($221.42) = $36,534.3Este es el costo de extraer la producción de 221.42 barriles diarios, lo que reditúa enuna ganancia diaria de:$150,404.89 – $36,534.3 = $113,870.59
COSTOS
Este resultado se tendrá que multiplicar por el número de días, para conocer en quetiempo se pagará el equipo, entonces:$1’767,157.39/$113,870.59 = 15 días
Esto quiere decir que los accesorios y el equipo de Bombeo Mecánico se pagarán enaproximadamente 15 días después de su intervención. Después de los 15 días, el equipoya es rentable, es decir, continúa pagándose hasta su próximo cambio de accesorios,pagando únicamente los gastos de extracción, separación y venta.
Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico
Es un procedimiento analítico mediante cálculos, gráficos y/o sistemas computarizados paradeterminar el conjunto de elementos necesarios en el levantamiento artificial de pozosaccionados por varillas. La función de este procedimiento es seleccionar adecuadamente losequipos que conforman el sistema de bombeo mecánico a fin de obtener una operacióneficiente y segura con máximo rendimiento al menor costo posible.
Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico
Paso 1: se debeseleccionar eltamaño de labomba, eldiámetro óptimodel pistón, bajocondicionesnormales. Esto vaa depender de laprofundidad deasentamiento dela bomba y elcaudal deproducción
Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico
Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico
Paso 2: La combinación de la velocidad de bombeo (N) y la longitud de la carrera (S), se selecciona deacuerdo a las especificaciones del pistón. Se asume una eficiencia volumétrica del 80%.
Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico
Paso 3: Se debe considerar una sarta de varillas (se debe determinar el porcentaje de distribución si se usa más de dos diámetros de varilla) y el diámetro de pistón, se determina un aproximado de la carga máxima para el sistema en estudio.
Paso 4: Determinar el valor de factor de impulso para la combinación velocidad de bombeo (N) y longitud de carrera (S) establecidos en el Paso 2.
Paso 5: Cálculo de la carga máxima en la barra pulida. Para este propósito será necesario obtener cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los pasos previos. Primero se determinará el peso de las varillas por pie y la carga del fluido por pie. Ahora se calcula el peso de las varillas en el aire (Wr), la carga dinámica en las varillas (CD) y la carga del fluido (CF) a la profundidad objetivo.
Wr = peso varillas (lb/ft) x Prof. (ft)CD = F.I. x Wr (lb) -----> Donde F.I. (Factor de Impulso)CF = peso fluido (lb/ft) x Prof. (ft)Carga máxima barra pulida = CD + CF
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Paso 6: Cálculo de la carga mínima de operación (CM), el contrabalanceo ideal y torquemáximo.CM = Disminución de la carga debido a la aceleración (DC) – fuerza de flotación (FF)DC = Wr x (1-C) -----> Donde C = (N^2 x S)/70500FF = Wr x (62,5/490) -----> Valor constante
Para el contrabalanceo ideal se debe proporcionar suficiente efecto de contrabalanceo paradarle suficiente valor de carga, el cual va a ser el promedio entre el máximo (carga máx. barrapulida) y el mínimo recién calculado.Entonces,Contrabalanceo ideal = promedio de carga (entre máx. y min) – la carga mínima.Torque máx. = Contrabalanceo ideal x Punto medio de la longitud de carrera (S/2).
Paso 7: Estimación de poder del motor eléctrico. Conocida la profundidad de operación, °APIdel crudo y el caudal requerido de producción, se obtiene una constante que es multiplicadapor el caudal de producción. Este valor obtenido son los HP necesarios justos para levantar elcaudal requerido. Lo que se recomienda es que este valor obtenido se incremente de 2 a 2,5veces para tener un factor de seguridad.
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Paso 8: Cálculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de P sería el valor decaudal de producción si la bomba trabaja al 100% de eficiencia. El diseño de la bomba debetener al menos el 80% de eficiencia. En crudos pesados debe tener un máximo de 18strokes/minutos (promedio 15° API).
P = C S NP = Desplazamiento de la bombaC = Constante de la bomba, depende del diámetro del pistónN = Velocidad de bombeo (SPM)
Paso 9: Profundidad de asentamiento de la bomba. Esto dependerá enormemente de laconfiguración mecánica del pozo. Si este método no cumple, por lo general se asienta a 60 o90 pies por encima del colgador. Otras bibliografías hacen referencia que se asienta 300 piespor debajo del nivel de fluido.
Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico
EXAMEN
Ar1 = 1” = 0.785 plg2Ar2 = 7/8” = 0.601 plg2Ar3 = ¾” = 0.442 plg2m1 = 2.88 lbs/piem2 = 2.16 lbs/piem3 = 1.63 lbs/pie
Todas las varillas de succión miden 25 pies de longitud.
Para un émbolo de 1 ¾” :Ap = 2.405 plg2K = 357 bls/día/plg/spm
El valor para el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción de 2 7/8” .At = 1.812 plg2.
∞=SN2/70500PD = K Sp NEv = q/PD (100)Wr = LT x miWf = (0.433)(G)[(LT)(Ap)-(0.294)(Wr)]Ci = (0.5)(Wf)+(Wr)[1 – (0.0635)(G)]
𝑆𝑝 = 𝑆 +40.8 𝐿𝑡2∞
𝐸-5.20𝐺𝐷𝐴𝑝
𝐸
𝐿𝑡
𝐴𝑡𝑝+
𝐿1
𝐴𝑟1+
𝐿2
𝐴𝑟2+
𝐿3
𝐴𝑟3
Wmáx = Wf +(Wr)(1.0 + ∞ )Hh = 7.36 x 10-6 q G LTHf = 6.31 x 10-7 Wr S NHb = 1.5 (Hh + Hf)Tp = [Wmáx – (0.95)(Ci)] (S/2)
𝑆𝑝 = 𝑆 +40.8 𝐿𝑡2∞
𝐸-5.20𝐺𝐷𝐴𝑝
𝐸
𝐿1
𝐴𝑟1+
𝐿2
𝐴𝑟2+
𝐿3
𝐴𝑟3