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BOMBAS DE LODO
ING. LUIS MENDOZA
INTRODUCCIÒN
La bomba de lodo es el componente primario del sistema de circulación, ella provee la fuerza de impulsión requerida para mover la columna de lodo desde la superficie hasta la mecha, y de regreso hasta la superficie, la bomba de lodo es también uno de los elementos críticos del programa hidráulico.
Hay dos razones importantes relacionadas con la aplicación hidráulica de la bomba de lodo, una de ellas es la limpieza de la formación por debajo de la mecha, y la otra es la remoción inmediata de los ripios cortado por la misma. En este manual se tratarán estos aspectos al igual que los relacionados con el sistema de amortiguación, válvulas de alivio.
EVOLUCIÓN DESDE BOMBAS
DUPLEX HASTA BOMBAS
TRIPLEX
A principio de los años cincuenta, la introducción de mechas equipadas con chorros cambió la aplicación de la hidráulica en la perforación. De repente, las exigencias de presiones de circulación aumentaron hasta 3.500 lppc.
La repuesta de los fabricantes de bombas de lodo, ante esta situación fue diseñar equipos con más caballaje, los cuales resultaron muy costosos. Las bombas tenían recorridos de emboladas y vástagos más largos, extremos de potencia más pesados etc.
Las bombas duplex se volvieron equipos sumamente incomodos y pesados.
Las bombas triplex de pequeño diámetro ya existían desde hace tiempo para operaciones de reparación y rehabilitación de pozos. Se utilizaban para operaciones de fracturamiento. Los fabricantes de bombas vieron en el diseño de la bomba triplex la repuesta ideal para las necesidades del momento, ya que estas bombas eran capaces de trabajar hasta con 10.000 lppc.
EVOLUCIÓN DESDE BOMBAS
DUPLEX HASTA BOMBAS
TRIPLEX Las potentes bombas de lodo, toman el fluido de los tanques de
succión y lo hacen circular dentro de la sarta de perforación fuera de la mecha y de vuelta a la superficie. Aunque los equipos de perforación tienen normalmente dos bombas de lodo y algunas veces tres y cuatro, por lo general solo usan una sola bomba a la vez, las otras se usan principalmente como reserva en caso de que una falle, algunas veces sin embargo, las operaciones del equipo de perforación pueden combinar las bombas o sea, pueden usar dos, tres o cuatro bombas al mismo tiempo para poder mover grandes volúmenes de lodo cuando se requiera.
Las bombas triplex tienen tres pistones que se mueven para atrás y para adelante en las camisas, las bombas duplex tienen dos pistones que se mueven de igual forma. Las bombas triplex tienen muchas ventajas con respecto a las bombas duplex.
EVOLUCIÓN DESDE BOMBAS
DUPLEX HASTA BOMBAS
TRIPLEX
• Pesan un 30% menos que una duplex con los mismos caballos de fuerza.
• Las partes de peso más ligero son más fáciles de manejar y por lo tanto más fáciles de mantener.
• Cuestan menos utilizarlas.
• El lado de fluidos es accesible.
• Descargan lodo más suavemente o sea la salida de una bomba triplex no produce tantas sacudidas como la de una bomba duplex.
• Pueden mover grandes volúmenes de lodo a altas presiones requeridas en las perforaciones modernas de pozos más profundos.
BOMBAS TRIPLEX
Son bombas que tienen tres pistones que descargan lodo solamente cuando los pistones avanzan dentro de la camisa, después de retroceder introducen lodo en el mismo lado del pistón, debido a esto se llaman bombas de acción simple, bombean lodo a una velocidad relativamente alta. Los valores de potencia de entrada varían de 220 a 2200 HP (caballos de fuerza) las bombas grandes pueden tienen una presión máxima de trabajo de 7.000 lppc con camisa de 5”.
Las bombas triplex tienen tres pistones moviéndose cada pistón en su propia camisa, también tienen tres válvulas de entrada y tres de descarga y un amortiguador en el conducto de descarga. Los tres pistones trabajan conjuntamente para mantener un flujo continuo del lodo que entra y sale de la bomba.
BOMBAS TRIPLEX
Funcionamiento de una Bomba
Triplex
BOMBAS TRIPLEX
Los operarios pueden cambiar las camisas y los
pistones y no solamente pueden cambiar los
inservibles si no también instalarlos de
diferentes tamaños. Normalmente las bombas
usan camisas y pistones grandes cuando se
necesitan mover grandes volúmenes de lodo a
presiones relativamente bajas, usan camisas y
pistones pequeños cuando se necesita mover
volúmenes más pequeños de lodo a presiones
relativamente altas.
COMPONENTES DE LA BOMBA
TRIPLEX Una bomba de lodo tiene una sección de fluidos, otra de
fuerza, válvulas de entrada y de descarga. La sección de fluidos contiene los pistones con las camisas que introducen y descargan los lodos, los pistones de la bomba aspiran el lodo a través de las válvulas de entrada y lo expulsan a través de las válvulas de descarga. La sección de fuerza, aloja el cigüeñal y el montaje de engranaje que mueven los pistones que a su vez están montados en la sección de fluidos. La potencia de la bomba se alimenta por un motor, los equipos de perforación modernos y grandes utilizan potentes motores eléctricos para accionar las bombas, los equipos de perforación mecánicos utilizan la transmisión por cadenas o correas de potencia para accionar las bombas.
Un amortiguador conectado al tubo de descarga del lodo suaviza el vacío formado por los pistones cuando descargan el lodo.
COMPONENTES DE LA BOMBA
TRIPLEX
AMORTIGUADOR DE PULSACIÓN (DAMPER)
Este es un amortiguador estandar de vejiga, la vejiga en el cuerpo del amortiguador separa el nitrógeno presurizado de la parte de arriba del lodo en la parte inferior de la vejiga, esta vejiga está fabricada de fibra sintética la cual la hace muy flexible, cuando la presión de descarga del lodo empuja contra la parte inferior de la vejiga la presión del nitrógeno en su parte superior lo resiste, esta resistencia amortigua las sacudidas del lodo al salir de la bomba.
AMORTIGUADOR DE
PULSACIÓN (DAMPER)
AMORTIGUADOR DE
PULSACIÓN (DAMPER)
Otro tipo de amortiguador de
Pulsación (DAMPER)
Otro tipo de amortiguador de pulsación (DAMPER) que no tiene vejiga y es una esfera de unos 4 pies de diámetro que se encuentra instalado en la línea de descarga de la bomba de lodo, la gran cámara está llena de lodo y no tiene piezas móviles por lo que no requiere mantenimiento, el lodo en esta esfera de gran capacidad absorbe las sacudidas del lodo al salir de la bomba.
Otro tipo de amortiguador de
Pulsación (DAMPER)
Amortiguador en la succión
(SUCTION DAMPER)
Un amortiguador en la succión (SUCTION DAMPER) suaviza el flujo del lodo que entra en la bomba, los operarios montan este amortiguador en la línea de succión de la bomba de lodo triplex, dentro de la cámara de acero hay una vejiga o un diafragma de caucho cargado de aire con una presión de 10 a 15 lppc. El amortiguador en la succión absorbe las sacudidas de la línea de succión de las bombas de lodo, originada por el rápido movimiento de los pistones de la bomba, los pistones inician y detienen constantemente el flujo de lodo a través de la bomba.
Damper de Succiòn
BOMBA DE PRECARGA
Al otro extremo de la línea de succión una
BOMBA DE PRECARGA, envía un flujo
constante de lodo a la entrada de la
bomba. Cuando este flujo constante se
encuentra con las pulsaciones, el impacto
lo absorbe el amortiguador.
VÁLVULA DE SEGURIDAD EN
LA LÍNEA DE DESCARGA DE
EMERGENCIA
Los operarios instalan una VÁLVULA DE SEGURIDAD EN LA LÍNEA DE DESCARGA DE EMERGENCIA, la instalan en el lado de emergencia de la bomba o junto a la línea de descarga. Si por alguna razón se produce demasiada presión en la línea de descarga quizás por obstrucción en la mecha o en el espacio anular del pozo, se abre la válvula de seguridad. Esta válvula protege a la bomba y a los sistemas de lodo contra los daños por sobre presión.
VÁLVULA DE SEGURIDAD EN
LA LÍNEA DE DESCARGA DE
EMERGENCIA
BOMBAS DUPLEX
EFICIENCIA VOLUMETRICA DE
LA BOMBA DE LODO
La eficiencia volumétrica de la bomba de lodo es la relación entre el volumen teórico que debería bombear y el volumen real que bombea. Esta relación se expresa como un porcentaje.
En general, el porcentaje de eficiencia volumétrica aceptado por PDVSA es de 95% para bombas triplex y 80% para bombas duplex.
¿Cuáles son las situaciones que modifican el factor de eficiencia volumétrica?
Dos tipos de situaciones afectan el volumen real bombeado:
*Desgaste interno o mal funcionamiento en uno o varios componentes del extremo de fluido.
* Lodo cortado por gas o por aire.
EFICIENCIA VOLUMETRICA DE
LA BOMBA DE LODO
El desgaste interno de válvulas, pistones etc.. es un fenómeno natural, pero es difícil apreciar el valor exacto de este desgaste, el cual afecta el rendimiento de la bomba.
Cuando el lodo contiene pequeños volúmenes de gas o de aire, esta situación afecta también el rendimiento de la bomba.
¿Cómo puede el lodo de perforación contener aire?
El aire entra al sistema activo por los embudos de mezcla, por la acción de remolino de los mezcladores etc.. El gas proviene de las formaciones perforadas.
EFICIENCIA VOLUMETRICA DE
LA BOMBA DE LODO
Ciertas operaciones de perforación requieren precisión para calcular el volumen de lodo que se bombea, como por ejemplo:
El desplazamiento de la lechada de cemento durante la cementación del revestidor.
Cualquier operación de control de pozos.
Formula para calcular el desplazamiento de una bomba triplex
Desplazamiento = 0.000243 D² L Eficiencia
Donde:
D: Diámetro del pistón (pulgadas)
L: Longitud de la camisa o carrera (pulgadas)
Eficiencia: en fracción
0.000243 es una constante
Desplazamiento: bls / embolada
GOLPETEO HIDRÁULICO
El golpeteo hidráulico es una de las condiciones más crítica que pueden suceder en las bombas durante la perforación.
Es imperativo que sea identificado y que se eliminen sus causas antes de que se produzcan graves daños en las bombas de lodo.
El golpeteo hidráulico se define como “ el efecto de martillo producido por el pistón durante su embolada de descarga cuando el modulo de succión y la camisa no están completamente llenos de lodo”.
GOLPETEO HIDRÁULICO
¿Qué sucede en este momento?
Al principio de la embolada de descarga, el pistón acelera rápidamente hacia el extremo de la camisa.
Cuando el modulo de succión y la camisa no están totalmente llenos o están llenos de lodo cortado con gas o con aire, en lugar de hacer contacto con el lodo, y luego bombearlo, el pistón golpea contra el lodo, lo comprime a la presión de circulación, y luego lo bombea hacia el modulo de descarga.
Este golpe transmite una onda de choque hasta todos los componentes del extremo de potencia .
Cuando el golpeteo hidráulico no es detectado, o no es corregido, sus efectos prolongados suelen ser desastrosos.
GOLPETEO HIDRÁULICO
¿Cuáles son las causas del golpeteo hidráulico?
Cualquier situación que afecte el llenado
completo del modulo de succión y de la camisa.
En orden de importancia estas pueden ser:
Una bomba de alimentación de succión
deficiente, con empaques o impeler
desgastados.
Lodo cortado con gas o con aire.
Línea de succión parcialmente obstruida.
GOLPETEO HIDRÁULICO
¿Cuáles son las características del golpeteo hidráulico?
• Un fuerte ruido intermitente en el modulo de succión.
• El ruido ocurre a mitad de la embolada y no al final del recorrido del pistón.
• No tiene mucho efecto sobre la presión de descarga. El amortiguador de pulsación (damper) no disminuye el golpeteo hidráulico.
• Se observan vibraciones en la línea de succión.
• El ruido es más pronunciado con altas velocidades de bombeo.
SISTEMA DE CIRCULACIÓN
La circulación comienza en los tanques activos, los operarios preparan el lodo en los tanques. La parte esencial del sistema de circulación es la bomba de lodo, a menudo los equipos de perforación tienen dos bombas una principal y la otra de reserva o si las condiciones de perforación lo requieren, el perforador puede utilizar en forma símultanea o combinar las dos bombas para la circulación de grandes cantidades de lodo. De hecho en los pozos profundos el equipo de perforación puede tener 3 o 4 bombas combinadas.
Las potentes bombas toman el lodo de los tanques activos y lo envía a la sarta de perforación y a la mecha, la bomba lleva el lodo por la línea de descarga al tubo vertical (standpipe) y a las mangueras rotativas (manguerote). El tubo vertical toma el lodo a media altura de la torre de perforación, las manguera rotativas están unidas al tubo vertical (standpipe). Las mangueras son fuertes y flexibles y se mueven arriba y abajo debajo de la torre unidas al cabezal giratorio (swivel), desde las mangueras rotativas la bomba mueve el lodo a través del cabezal giratorio (swivel) a través del cuadrante y de la sarta de perforación.
SISTEMA DE CIRCULACIÓN
En los equipos de perforación con Top Drive el lodo se mueve por una línea a través del top drive y a continuación a la sarta de perforación.
La bomba baja el lodo por la sarta de perforación hasta la mecha. En la mecha el lodo es expulsado a chorro por los chorros o jets de la mecha, los chorros o jets de la mecha expulsan los ripios lejos de la mecha, el lodo entonces sube por el espacio anular del pozo arrastrando con el los ripios cortados por la mecha.
Desde el espacio anular el lodo junto a los ripios van a través de la línea de retorno (flow line) a los equipos de control de sólidos que extraen los recortes del lodo y a su vez acondicionan el lodo, entonces el lodo cae a los tanques de succión donde la bomba puede recuperarlo para continuar con el proceso de circulación nuevamente.
SISTEMA DE CIRCULACIÓN