6

1

Camisa de la bomba

Pistn

Segregador de gas o trampas de gas

Bombas de profundidad con sus componentes

-

-

Que en conjunto es denominado arreglo de fondo para bombeo mecnico y est constituido por los siguientes

elementos:

a) Componentes subsuperficiales

2. COMPONENTES DEL EQUIPO PARA BOMBEO MECNICO

El mecanismo de bombeo est basado en el funcionamiento sincronizado de todas las partes componentes del equipo

superficial y subsuperficial que operan con un rgimen netamente mecnico.

Las operaciones de bombeo empiezan con la puesta en funcionamiento del motor primario que acciona al sistema viela

manivela para mover al balancn hacia abajo e iniciar el movimiento vertical de las varillas con la bomba en el fondo de pozo. En ese instante el petrleo ingresa al cuerpo de la bomba por efecto de la presin de fondo, hasta llenarlo. Cuando termina el llenado se inicia la carrera descendente del pistn de la bomba, ejerciendo una compresin sobre el fluido y que provoca el cierre de la vlvula de pie y la abertura de la vlvula viajera, por este efecto combinado con la presin hidrulica, el fluido ingresa al pistn de la bomba, hasta ser llenado, inicindose luego una carrera descendente del pistn por cuyo efecto el fluido contenido es expulsado hacia la tubera, vacindose completamente, luego se inicia una carrera descendente por cuyo efecto se cierra la vlvula de pie, se llena de fluido el cuerpo de la bomba, el fluido pasa al pistn y se inicia la carrera ascendente por cuyo efecto el fluido es evacuado nuevamente hacia la tubera repitindose esta operacin en forma continua y constante durante todo el proceso de bombeo.

En este mecanismo de bombeo una carrera descendente mas una carrera ascendente origina lo que se denomina una embolada, por tanto la velocidad de bombeo se expresa en emboladas por minuto, EPM.

Los equipos de bombeo mecnico estn diseados para diferentes capacidades y pueden desarrollar velocidades de bombeo que vara entre 7 EPM como mnimo y 20 EPM como mximo, la que puede incrementarse hasta 25 EPM

dependiendo de la resistencia de las varillas y el vstago pulido.

1. MECANISMO DE LAS OPERACIONES DE BOMBEO

La normas API definen al bombeo mecnico como un mtodo artificial de produccin donde se utiliza un equipo completo denominado aparato de bombeo con el objeto de elevar los fluidos desde el fondo de pozo a la superficie por el

accionamiento de una bomba de mbolo instalada en la parte inferior interna de la tubera de produccin donde esta asegurada por un sistema de anclas.

El componente principal de la bomba es el pistn que va conectada a la ltima vlvula de succin que se extiende

desde el fondo de pozo hasta la superficie donde recibe un movimiento reciprocante vertical ascendente o descendente.

Definicin

El bombeo mecnico es uno de los primeros mtodos artificiales de produccin aplicado en la industria petrolera y constituye todava el sistema ms utilizado en campos petrolferos del mundo. No es aplicable en pozos gasferos y de gas y

condensado.

El bombeo mecnico empez a ser utilizado en 1870 en los campos de Pensilvania, Estados Unidos, en pozos de agua, que luego los mismos equipos fueron adaptados a pozos petrolferos de poca profundidad, o sea, de 100-200-300 metros. Para recuperar volmenes de 10 y 20 BPD.

A partir de estas fechas las operaciones de bombeo han ido mejorando paulatinamente con el uso de balancines de madera hasta que en 1930 y .36 es la poca en que empez el perfeccionamiento de equipos disponiendo en la actualidad modelos de alta capacidad para trabajar en todo tipo de pozos desde someros hasta pozos profundos, o sea, desde 500 y

600 metros hasta 2500 metros y mximo hasta 3000 metros, para bombear crudos de baja, mediana y altas densidades

incluyendo crudos parafnicos, crudos con contenidos de bixido de carbono que tienen la tendencia de originar oxidaciones con la nica condicin de seleccionar en forma adecuada la capacidad de un equipo de bombeo donde los componentes principales que intervienen para esta seleccin son el vstago pulido y las vlvulas de las bombas de profundidad.

MTODO DE PRODUCCIN ARTIFICIAL POR BOMBEO MECNICO (BM)

CAPTULO IV

2

La camisa de las bombas va instalada en el interior de las tuberas de produccin f y sus longitudes pueden variar entre

16 y 24 con dimetros variables entre 2, 2 , 2 3/8, 2 7/8, 3 hasta 3 .

2 1/8.

Su funcionamiento es mecnico con el pistn que se mueve en el interior de su camisa.

La longitud del pistn vara entre 3 8 10 pies y sus dimetros varan entre 1 , 1 , 2, 2 , 2 ,

La camisa del pistn en su extremo interior instalada la vlvula viajera.

Camisa o barril de la bomba

Pistn

Cuerpo del pistn

Vlvulas de pie y viajera

-

-

-

-

Su funcin es el de elevar el volumen de petrleo calculado en el programa desde el fondo de pozo a la superficie e

impulsado a travs del rbol de navidad luego por las lneas de descarga y de flujo superficial hasta los separadores gas petrleo. Por tanto la capacidad y la eficiencia de una bomba seleccionada debe tener la suficiente magnitud para vencer todo ese circuito de circulacin.

Las partes componentes de las bombas son los siguientes:

b) Bombas de profundidad

Se denominan tambin segregadores de gas que son accesorios de fondo que se instalan en algunos pozos para evitar

la circulacin de gas libre a la bomba de profundidad y evitar la reduccin de las eficiencias de bombeo.

El proceso de separacin de gas consiste en lo siguiente. Cuando la mezcla ingresa al fondo de pozo, el gas debe ser circulado en el segregador cuyo funcionamiento esta basado en el efecto de la vibracin que origina la presin del fluido que

impulsa a la mezcla a travs de los serpentines interiores del separador, donde el flujo recibe circulacin continua inversa, por cuyo efecto se evita el incremento de volmenes de gas en el fondo y su circulacin hacia arriba donde se encuentra

instalada la bomba. A travs del circuito de gas se evita automticamente el ingreso de mayores volmenes de gas.

Los segregadores de gas deben ser instalados cuando se tiene relaciones gas petrleo mayores a 1000 pies3/Bbl. Para relaciones gas petrleo menores se deja a criterio del diseo del programa en funcin a la altura de fondo disponible considerando que la longitud de estos separadores entre 1 y 1.5 metros.

a) Trampas de gas

2.1 DESCRIPCIN DE LOS COMPONENTES SUBSUPERFICIALES

-

Todo el conjunto de los componentes superficiales se denomina aparato de bombeo y se define como una combinacin de elementos mecnicos diseados para originar un movimiento vertical reciprocante de todo el equipo y que es transmitida

a la sarta de varillas por medio del vstago pulido.

Torre del aparato de bombeo

Conjunto de biela - manivela

Motor primario Caja reductora Dinammetro

-

-

-

-

-

Cabeza

Contrapeso

Balancn

-

Constituidos por los siguientes elementos:

Componentes superficiales

b)

-

Varillas de succin o de bomba

Vstago pulido

Tubera de produccin

-

-

-

Cuerpo del pistn

Vlvula de pie

Vlvula viajera

3

2

3

2

2

2 7/8

2

2

2 7/8

2

2

2 3/8

1

1

2

Bomba de Tubera

Bomba insertable

Mximos de pistn de bomba, plg

Tubera, plg

3

de la velocidad de bombeo.

Estos dos tipos de esfuerzos tienden a generar deformaciones en las varillas creando peligro de rotura. Si la seleccin y el diseo de los mismos no es adecuada a los esfuerzos que se generan en el pozo.

b)

peso del fluido ms el peso de las varillas. WF + WVARILLAS

Esfuerzos dinmicos.- Que se presentan una vez puesta en funcionamiento o movimiento el equipo y son funcin

Esfuerzos estticos.- Que se generan cuando el equipo esta esttico y su valor es el resultado de la suma del

a)

Se denominan tambin varillas de succin y son los componentes principales de la columna de produccin junto al

vstago pulido. Del trabajo eficiente las varillas, depende la capacidad de bombeo porque a travs de ellas se transmite la energa mecnica, que se genera en el equipo superficial, al pistn de la bomba y de este a las vlvulas para originar flujo continuo de petrleo en superficie.

Durante este proceso las varillas estn sometidas a dos tipos de esfuerzos:

c) Varillas de bombeo

inferior de la tubera para luego instalar el pistn bajando con las varillas hasta alcanzar el interior de la camisa de la

bomba. Estas bombas son recomendables en pozos con relaciones gas petrleo cercanos al lmite de tolerancia, o sea,

100 ft3/Bbl, siendo por otro lado de mayor resistencia y mayor volumen de bombeo.

En trabajos de campo se utiliza usualmente las siguientes combinaciones entre dimetros de pistn de las bombas y dimetros de tuberas.

b)

solo a travs de las varillas. Estas bombas son fijadas en el extremo inferior del tubing sobre sus asientos y luego anclados utilizando su mecanismo que viene especificada por los fabricantes. Son de menor capacidad que las de

tubing porque estn generalmente equipadas con pistones de menor dimetro y son ms sensibles a la presencia de gas en relacin a las bombas de tubing o de tubera.

Bombas de tubing.- Son de mayor capacidad y se caracterizan debido a que se bajan al pozo ya instalados en la parte

Bombas insertables.- Son porttiles movibles por lo que pueden ser bajadas y sacadas del pozo en cualquier momento

a)

Caractersticas de las bombas

Las bombas ms utilizadas son las insertables aunque las bombas de tubera tienen mayor capacidad.

El anclaje de las bombas es el mecanismo que permite fijar a la bomba en el cuerpo interior de las tuberas que ya es bajada con los accesorios denominados asientos de la bomba cuyo modelo esta en correspondencia con el modelo de la

bomba.

Bomba insertable mecnico superior inferior. Bomba insertable de copas superior inferior.

Bomba de tubera mecnico superior o inferior.

a)

b)

c)

En base a esta clasificacin la siguiente combinacin de tipos de bombas puede seleccionarse para un pozo, por

ejemplo:

Mecnico

Copas

b) Bombas de anclaje inferior

Mecnico

Copas

Se clasifican en los siguientes tipos:

a) Bombas insertables b) Bombas de tubing

Ambos tipos de bombas se clasifican en las siguientes clases:

a) Bombas de anclaje superior

Tipos de Bombas

8 11

6.72

4.54

1.227

7.99

1

6 8 11

5.43

3.67

0.994

6.01

1 1/8

6 8 11

4.26

2.90

0.785

5.06

1

6 8 11

3.24

2.20

0.601

3.78

7/8

6 8 11

2.41

1.64

0.441

2.84

5/8

6 8

1.68

1.15

0.306

1.98

Longitud varilla

Peso varilla

Kg/m

Peso varilla

lb/pie

Area seccional

plg2

Area Seccional

cm2

Varillas, plg

44 55 66 85 88

54 64 77 86 96

Tipos de varillas

80000

16 22

1

80000

16 22

1

Esfuerzo de resistencia

Longitud, plg

plg

3

4.15

15.15

.

.

.

.

.

.

.

1200

.

.

.

.

.

.

.

1.15

11

8

X

1.64

1.64

2 7/8

5/8

5/8

Regular FMo

Separador gas

Bomba prof.

66

77.

1

2

3

4

5

6

.

.

.

100

.

.

. N

.

.

.

Longitud

Longitud

varilla, m

Peso varilla

plg

varilla

plg

Varilla tipo

rosca

Tipo, API

N de pieza

4

acumulada, m

Cuando se programa el diseo de bombeo mecnico se define entre todos los parmetros el tipo de las varillas

adecuadas al pozo en funcin a las presiones de fondo, al tipo de las varillas adecuadas al pozo en funcin a las presiones de fondo, al tipo de fluido, dimetro de la caera y dimetro de la tubera para luego calcular la longitud total de la columna en base al peso de las varillas para luego ser registradas en las planillas de control y registro que tiene los siguientes da tos, ejemplo.

Preparacin de las varillas

Las varillas en su parte superior cuando estn instaladas en el pozo estn conectadas al vstago pulido que es una

barra cuadrada de aceros al carbono con lmites de resistencia a la rotura de hasta 80000 psi y vienen fabricados en los siguientes dimetros.

De acuerdo a la clasificacin API, los siguientes tipos de varillas pueden ser utilizadas para combinar arreglos en

funcin al peso y longitud requerida para cada pozo.

m

Los materiales con que se fabrican las varillas son aleaciones de aceros al carbono en los grados A K D, sometidos

a tratamientos trmicos para resistir esfuerzos de traccin entre 85x103 hasta 140x103 psi.

En la industria se fabrican varillas en las siguientes dimensiones.

1400

145

5 15 20 40 50

5 20 30 40 60

5 20 30 40 60

A B C

III

5 10 20 40

5 10 15 20 40

5 15 20 30 40

A B C

I

Carga mxima de resistencia, Mlb

Serie de aparato de bombeo

Clase de aparato de bombeo

5

Durante esta operacin la potencia que se genera en el motor y que es transmitida al eje de la biela manivela para

iniciar el bombeo se calcula con la siguiente ecuacin

b)

Sincronizar la velocidad de bombeo con la velocidad de rotacin del motor y la velocidad de rotacin del sistema biela manivela.

Transmitir la potencia necesaria desde el motor a la biela manivela para mover el balancn, el vstago pulido y las varillas.

a)

La caja reductora es el componente que sirve para accionar y controlar el mecanismo de funcionamiento del aparato de bombeo y sus objetivos son los siguientes:

Biela

Manivela

Motor primario

-

El balancn y sus componentes: cabeza, viga del balancn, contrapeso.

La torre del aparato de bombeo que es el elemento que soporta toda la carga que se genera en el sistema durante el bombeo.

Caja reductora, y sus componentes:

-

-

Son los siguientes:

Componentes del aparato de bombeo

Las caractersticas de estas clases de aparatos de bombeo son similares y las variantes se presentan solo en los

modelos y la configuracin de la torre de acuerdo a las marcas.

La seleccin de los aparatos de bombeo adecuado a un pozo especfico toma como base las cargas mximas que se van a generar en el sistema subsuperficial para que en base a ello definir la serie y la capacidad mxima de izaje del aparato que esta en funcin a las cargas mximas que se van a presentar durante las emboladas hacia arriba.

Tomando en cuenta estos factores los aparatos de bombeo se clasifican en las siguientes clases:

c)

El torque mximo que se genera en el sistema biela manivela.

El peso mximo que puede soportar colgada de la cabeza del balancn. Este peso es la suma del peso total de la

columna de varillas mas el peso del fluido contenido en la tubera. WT = WV + WFLUIDO.

La velocidad mxima en emboladas por minuto, EPM; que puede desarrollar el equipo sin originar la rotura de las varillas.

a)

b)

Es un conjunto de componentes mecnicos instalados en superficie para proporcionar el movimiento vertical

reciprocante al sistema de varillas a travs del vstago pulido por la transformacin de la velocidad circular que se genera en el sistema biela manivela para hacer funcionar los componentes de la bomba de profundidad e iniciar las operaciones de bombeo.

Los aparatos de bombeo se clasifican en base a los siguientes parmetros:

Aparato de Bombeo

a)

DESCRIPCIN DE LOS COMPONENTES SUPERFICIALES

2.2

varillas 55 77 x 5/8 x 7/8.

Sartas Combinada.- Constituidos por la combinacin de dos grados de varillas y dos dimetros distinto. Por ejemplo,

En los tipos de arreglos de varillas se pueden utilizar dos sistemas de columnas de varillas y son las siguientes:

Sarta Simple.- Constituido por un mismo grado y dimetro de varillas. Por ejemplo, varillas 55 5/8

- Para corriente de arranque normal.

- Torque normal entre 100 175%.

- Factor de resbalamiento < 5 %.

CLASE B

Caractersticas

6

clases de motores:

Clasificacin de los motores a corriente alterna.- Se clasifican de acuerdo a sus condiciones de operacin en las siguientes

De estos dos tipos de motores los ms utilizados son los de corriente alterna debido a la disponibilidad de este tipo de

corriente en zonas rurales y que las empresas elctricas ofrecen servicios con lneas de alta tensin trifsicos en voltajes variables desde 230 240 280 1000 y hasta 2300 voltios (alta tensin) con intensidades variables entre 20, 30 hasta 60 amperios.

Motores a corriente continua

Motores a corriente alterna

-

-

Los motores elctricos son de dos tipos:

b1. Motores elctricos

Son dos los tipos de motores utilizados en bombeo mecnico.

b) Motores primarios

Donde:

HP 10.4 10 WTo r N

r : Radio de la manivela, ft

WTo : Peso total que acta sobre el aparato de bombeo, lb, kg.

N : Velocidad de bombeo, EPM.

Toda la estructura del aparato de bombeo esta constituido de aceros al carbono que han sido sometidas a tratamientos trmicos para darle alta resistencia a los componentes que son instalados, algunos modelos sobre fundaciones de cemento y otros modelos vienen ya instalados sobre trineos o bases de aparato de bombeo que facilitan su desplazamiento durante la instalacin.

3

Haciendo operaciones:

60

To

HP W

2 N r

Reemplazando en 1.

60

T

Luego:

V

2 N r

60

seg

min

2 N rad

y

Donde:

VT r

2 N rad

F WTo

Potencia del motor:

HP F VT Viela manivela

WFluido

WV

WTo

- Para corriente de arranque normal.

- Torque alto > 275%.

- Factor de resbalamiento > 5 %

CLASE D

Caractersticas

- Para corriente de arranque normal.

- Torque entre mediano y alto 200- 275 %.

- Factor de resbalamiento =< 5 %

CLASE C

Caractersticas

7

Altura total actual de la arena productora y sus reservas.

-

El diseo de los programas para bombeo mecnico se realiza en base a los siguientes 2 parmetros principales:

3. MTODOS DE DISEO DE PROGRAMAS PARA BOMBEO MECNICO

a) Motores monocilndricos, que son de un solo cilindro de accionamiento, son de baja velocidad, o sea, entre 350 a

700rpm y en potencias variables entre 5 hasta 20 HP.

b)Motores multicilndricos, que estn equipados de mas de 1 cilindro hasta 6 cilindros de accionamiento que pueden desarrollar velocidades desde 700 hasta 2500rpm cpn potencias variables desde 20 hasta 700 HP.

Clasificacin de motores a explosin.- Se clasifica en los siguientes tipos:

tiempos de trabajos mayores sin requerir mantenimiento, esto esta en el orden del casi el doble que de la gasolina

entre 12 y 15 Mhrs de rotacin. Actualmente estos dos tipos de motores estn siendo reemplazados por los motores a gas natural.

-

tienen menor rendimiento, menores factores de seguridad y sus perodos de funcionamiento sin efectuar trabajos de mantenimiento oscilan entre 7 y 8 Mhrs de rotacin.

Motores a diesel.- Son los mas comnmente usados por ser ms seguros, mayores factores de seguridad y

Motores a gasolina.- Denominados tambin motores a explosin son de menor potencia que los motores diesel,

-

Son aquellos que funcionan a base de carburantes como la gasolina, el diesel y el gas natural y su uso esta adecuada a

la disponibilidad del combustible y cuando no se dispone de corriente elctrica de alta tensin. Se clasifican en los siguientes tipos:

b2. Motores a combustin interna

debido a que generalmente en proyectos de electrificaciones rurales, no se dispone de fluidos elctricos de alta tensin de

corriente continua y en otros casos debido las tarifas Kvatios de consumo estn prximos a un 60% mayor a la de corriente alterna.

Motores a corriente continua.- Tiene la misma clasificacin pero que no son muy recomendados para pozos petrolferos

Por tanto, segn la clasificacin API se trata de un motor CLASE D.

2000

R

5%

F

2000 1800 100% 10%

velocidad de bombeo de 10EPM.

En trabajos de campo se utilizan motores generalmente de 60 ciclos con velocidades de sincronismo, variables entre

350 700 900 1200 1800, hasta 3600rpm.

Por ejemplo.- Cul ser el FR de un motor de 2000rpm para trabajar en un pozo con 1800rpm y desarrollar una

Vel. de sin cronismo

FR

acuerdo a especificacin de fbrica denominado velocidad de sincronismo y la velocidad real de rotacin con que funcionar cuando este instalado en el pozo en el pozo.

Vel. de sin cronismo Vel. rotacin real en pozo

Factor de resbalamiento.- Es la diferencia entre la velocidad mxima de rotacin que puede desarrollar el motor de

En los campos petrolferos de Bolivia los de clase B y C son los ms utilizados debido a que la mayor parte de los pozos de aplicacin son de mediana presin y mediana profundidad hasta 1500m. para pozos ms profundos mayores a

1500m los de CLASE D son los mas adecuados.

8

de pre

-

II.

Para verificar si e equipo seleccionado es el adecuado para satisfacer los requerimientos de las cargas

totales que se van a generar en el pozo y producir el caudal proyectado.

I.

Realizar el clculo de los parmetros de diseo.

d)

Capacidad de izaje del aparato de bombeo aparato.

Capacidad de desplazamiento de la bomba de profundidad. Tamao del pistn.

Tipo y potencia del motor.

Tipo y dimetro de las varillas de succin.

Fijar como meta el volumen de produccin que se quiere obtener.

En base a este volumen proyectado definir la profundidad mxima de bombeo.

En base a estos datos (a y b) preseleccionar el equipo completo de bombeo tomando en cuenta los siguientes factores:

a)

b)

c)

Con estos datos se disea un programa especfico para cada pozo aplicando el procedimiento API que seala los

siguientes pasos:

Tipo de pozo, si es derecho (< 1), vertical (=