BOMBEO MECNICO (SUCKER ROD PUMP)

Captulo 2

2.1 INTRODUCCINEl bombeo mecnico es el mtodo de

produccin

primaria

mediante

elevacin

artificial del fluido que se encuentra en el pozo y que por falta de energa no puede surgir a superficie. Es uno de los mtodos ms utilizados a nivel mundial (80-90%). Consiste en una bomba de subsuelo de accin reciprocante que es abastecida con energa transmitida a travs de una sarta de varillas (cabillas). La energa proviene de un motor elctrico o de combustin interna, la cual moviliza a una unidad de superficie mediante

un sistema de engranaje y correas.

Aplicaciones del Bombeo Mecnico: Pozos de profundidades hasta 8000 pies.

Pozos

de

crudos

extrapesados,

pesados, medianos y livianos. No es recomendable aplicar en pozos que producen altos volmenes de gas. Puede realizar levantamientos de crudos a altas temperaturas, as como de fluidos viscosos.

2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BOMBEO MECNICO VENTAJASCostos bajos de implementacin. Con la ayuda de simuladores, es muy fcil el anlisis y diseo de las instalaciones. Puede ser usado prcticamente durante toda la vida

productiva del pozo.La capacidad de bombeo puede ser cambiada fcilmente para adaptarse a las variaciones del ndice de productividad, IPR. Puede producir intermitentemente mediante el uso de temporizadores (POC`s) o variadores de frecuencia conectados a una red automatizada.

VENTAJAS (cont.)Los componentes son fcilmente intercambiables.

Puede ser utilizado en la produccin de pozos coninyeccin a vapor. Independencia de los componentes de superficie. Instalacin simple y rpida.

Disponibilidad de bombas sub superficiales en diferentestamaos y materiales. Relativamente bajo mantenimiento, larga vida y bajos costos para reparacin de bombas.

DESVENTAJASSusceptible de presentar bloqueo por excesivo gas libre en la bomba. En pozos desviados la friccin entre las varillas y la tubera puede producir fallas en el material.

La unidad de superficie es pesada, necesita muchoespacio para su instalacin y no es acorde al medio ambiente. En sitios poblados puede representar un peligro para las personas. Cuando no se usan varillas de fibra de vidrio la profundidad puede ser una limitante.

2.3 DESCRIPCIN GENERAL DEL EQUIPO1. Bomba sub superficial impulsada por varillas (Pump). 2. La sarta de varillas de succin que transmite el movimiento de bombeo superficial y la potencia a la bomba superficial (Sucker Rod). 3. El equipo superficial de bombeo que 2 5 3

4

cambia el movimiento rotatorio del motorprincipal al movimiento oscilatorio lineal. 4. La unidad de transmisin de potencia o 1

reduccin de engranes (Gear Box).5. El motor principal que proporciona la potencia (Motor).

2.4 DESCRIPCIN GENERAL DE FUNCIONAMIENTO1. El equipo de bombeo mecnico (tambin conocido como balancn o cigea)

produce un movimiento de arriba hacia abajo(continuo) que impulsa una bomba sumergible en una perforacin. 2. La bomba sumergible bombea el petrleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumtico. 3. Un motor, usualmente elctrico, gira un par de manivelas que, por su accin, suben y bajan un extremo de un eje de metal.

4. El otro extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, est unido a una barra de metal que se mueve hacia arriba y hacia abajo. 5. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, est unida a una bomba de profundidad en un pozo de petrleo. 6. El balancn de produccin, imparte el

movimiento de sube y baja a la sarta de

varillas de succin que mueve el pistn de labomba, colocada en la sarta de produccin o de educcin, a cierta profundidad del fondo del pozo.

7. La vlvula fija permite que el petrleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la vlvula fija se cierra y se abre la vlvula viajera para que el petrleo pase de la bomba a la tubera de educcin. 8. En la carrera ascendente, la vlvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petrleo que est en la tubera y la vlvula fija permite que entre petrleo a la bomba. 9. La repeticin y continua del movimiento (emboladas) Vlvula viajera Vlvula fija

ascendente

descendente

mantiene el flujo hacia la superficie.

10. Como en el bombeo mecnico hay que balancear el ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede ubicarse en la parte trasera del mismo balancn o en la manivela.

11. Otra modalidad es el balanceo neumtico, cuya construccin y funcionamiento de la recmara se asemeja a un amortiguador neumtico; generalmente va ubicado en la parte delantera del

balancn. Este tipo de balanceo se utiliza para bombeo profundo.

EQUIPO SUPERFICIAL Y EQUIPO SUB SUPERFICIAL

Equipo Superficial

Equipo Sub superficial

2.5 EQUIPO SUB SUPERFICIAL COMPONENTES:En general el equipo sub superficial est compuesto por: Tubera de Produccin. Varillas. Bomba sub superficial. Anclaje de la bomba. Filtro de gas.

2.5 EQUIPO SUB SUPERFICIAL 2.5.1 TUBERA DE PRODUCCINLa tubera de produccin tiene por objeto conducir el fluido que se est bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la resistencia, generalmente la tubera de produccin es menos crtica

debido a que las presiones del pozo sehan reducido considerablemente para el momento en que el pozo es condicionado

para bombear.

2.5.2 VARILLAS DE SUCCIN (CABILLAS)

La sarta de varillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de las mismas en el sistema de

bombeo mecnico son:- transferir energa, - soportar las cargas y

- accionar la bomba de subsuelo.

VARILLAS DE SUCCIN (cont.)Las principales caractersticas de las varillas son: a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque tambin pueden manufacturarse de 30 pies. b) Se dispone de longitudes de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general niples de varilla que se utilizan para complementar una longitud determinada y para mover la localizacin de los cuellos de varillas, a fin de distribuir el desgaste de la tubera de produccin. a) Se fabrican en dimetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1 1/8 de pulgadas.

VARILLAS DE SUCCIN (cont.)De acuerdo a las especificaciones de la API, las varillas de acero slido es del tipo de varillas ms utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados para acomodar las roscas, un diseo que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha. Todos los efectos negativos inciden en la vida til de las uniones de las varillas de succin, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la varilla se deba a un incorrecto enrosque de la misma

VARILLAS DE SUCCIN (cont.)Entre las principales fallas podemos encontrar: tensin, fatiga y pandeo. En la produccin de crudos pesados por bombeo mecnico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este tipo de problema (pandeo), la corta duracin de los cuellos y la tubera debido al movimiento

reciproco-vertical o reciprocante (exclusivo enel bombeo mecnico) del cuello en contacto con la tubera causando un desgaste o ruptura de

ambas.

VARILLAS DE SUCCIN (cont.)Para el pandeo (Buckling de varillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por varilla segn sea la severidad. Hay varillas que tienen centralizadores permanentes.

Entre los tipos de varillas que existen en el mercado estn: Electra,Corod (continua) y fibra de vidrio. Las varillas continuas (Corod) fueron diseadas sin uniones para eliminar totalmente las fallas en el

PIN (macho) y la hembra para incrementar la vida de la sarta. La formaelptica permite que una gran sarta de varillas sea enrollada sobre rieles especiales de transporte sin daarlas de manera permanente. Otra ventaja de este tipo de varilla es su peso promedio ms liviano en comparacin a las API.

VARILLAS DE SUCCIN (cont.)

Ventajas de las varillas continuas CORODa) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexin.

b) La falta de uniones y protuberancias elimina la concentracin de esfuerzos en un solo punto y consiguiente desgaste de la unin y de la tubera de produccin.c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de varillas.

Desventajas de las varillas continuas CORODa) Presentan mayores costos por pies que las varillas convencionales.

VARILLAS DE SUCCIN (cont.)Varillas telescpicasLos diseos de sarta de varillas pueden ser de dimetro uniforme o combinado, siendo este ltimo el ms utilizado.La idea de realizar diseos con sartas telescpicas es reducir el peso total de la sarta de varillas y de esa manera disminuir la carga en la unidad de bombeo en superficie.

Comnmente, se usan dos o tres dimetros de varillas, y las combinaciones tpicas de dimetros de varilla en las sartas telescpicas son: - varillas de 3/4 y 5/8 plg. - varillas de 7/8 y 3/4 plg. - varillas de 1 y 7/8 plg. - varillas de 7/8, 3/4 y 5/8 plg - varillas de 1, 7/8 y 3/4 plg

VARILLAS DE SUCCIN (cont.)Varillas telescpicas (cont.)Para facilitar el diseo de las satas telescpicas se consideran frecuentemente las cargas estticas en lugar de los esfuerzos dinmicos.Se utiliza generalmente uno de los dos criterios posibles: que el esfuerzo en la varilla superior de cada dimetro de varilla debe ser el mismo a travs de toda la sarta, o el esfuerzo en la varilla superior del juego de varillas ms pequeas (ms profundas) debe ser el ms alto (es decir, 30,000 lb/plg2) y los esfuerzos deben disminuir progresivamente en las varillas superiores de los juegos ms altos.

FLOTACIN EN LA SARTA DE VARILLAS

PDP = presin de descarga de la bomba, psi PIP = presin de admisin de la bomba, psi PPRL = carga mxima en la barra pulida, lbs MPRL = carga mnima en la barra pulida, lbs

PDP = presin de descarga de la bomba, psi PIP = presin de admisin de la bomba, psi PPRL = carga mxima en la barra pulida, lbs MPRL = carga mnima en la barra pulida, lbs

PDP = presin de descarga de la bomba, psi PIP = presin de admisin de la bomba, psi PPRL = carga mxima en la barra pulida, lbs MPRL = carga mnima en la barra pulida, lbs

ACCIONES PARA EVITAR LA FLOTACIN

2.5.3 BOMBA SUB SUPERFICIALEs una bomba de pistn de desplazamiento positivo y reciprocante, de instalacin bolas y desde hasta su la profundidad presin

superficie, que funciona por diferenciales de mediante asientos (vlvulas), para permitir la entrada y sello de

fluido en ciclos peridicos sincronizados.Est compuesta por: Barril o cilindro de la bomba (camisa). Embolo o pistn. Vlvula viajera.

Vlvula fija y asiento.Anclaje o zapata.

1. BARRIL O CILINDRO DE LA BOMBA Es una pieza cilndrica pulida en la cual se almacena el fluido 2. EMBOLO O PISTON Es el elemento movible dentro de la bomba. Su dimetro determina la capacidad de desplazamiento y su resistencia es menor que el que la del cilindro Su funcin en el sistema es bombear de manera indefinida. Esta compuesto bsicamente por anillos y sellos especiales y un lubricante especial. El rango de operacin se encuentra en los 10K psi y una temperatura no mayor a los 500F. 3. VALVULA VIAJERA Esta ubicada en el pistn, el tipo bola y asiento, permite la entrada de flujo del barril hacia el pistn en su descenso y posteriormente hacer un sello hermtico en la carrera ascendente permitiendo la salida del crudo hacia superficie

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2

4 6

4. VALVULA FIJA DE TIPO BOLA Y ASIENTO Permite el flujo de petrleo desde el pozo hasta el barril de la bomba, al iniciar el pistn su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del sistema bomba-tubera, cuando se inicia la carrera descendente del pistn 5. ANCLAJE O ZAPATA Es la combinacin de las partes reunidas inferiormente para obtener el anclaje de la bomba y efectuar un sello hermtico.

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6. FILTRO DE GAS Consiste en un tubo ranurado o perforado, colocado bajo la zapata de anclaje. Su objetivo es separar gas/liquido antes de la entrada del fluido a la bomba.

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Ciclo de BombeoCarrera de bajada:- La bomba y el tubing estn llenos de fluido - El pistn est en la parte superior; la vlvula viajera est cerrada. - El peso de la columna de fluido por encima de la bomba es arrastrada por la sarta de varillas - El peso de la columna de fluido cierra la vlvula fija - El barril est total o parcialmente lleno de fluido. Cuando el pistn se mueve hacia abajo, la vlvula viajera se desplaza y el fluido que est en el barril ingresa al tubing (a y b)

Carrera de subida:- La vlvula viajera se cierra, simultneamente se abre la vlvula fija (poco) - Cuando la presin interna excede la presin del barril, el fluido de formacin ingresa al barril (d)

Clasificacin de las bombasBomba de Tubera:Se instalan en la tubera y el cilindro es parte integral de la misma. Su mayor aplicacin est en los pozos de alta productividad, con profundidades menores a 4500 pies y donde las condiciones de produccin no son severas, es decir, hay baja produccin de gas y pocos fluidos abrasivos y corrosivos.

Bomba de Varilla o insertable:Se instala en los pozos, mediante el uso de la sarta de varillas y sin necesidad de extender tubera. Se aplican en pozos da moderada y baja productividad y profundidades de hasta 7000 pies aproximadamente. Su remocin y reparacin es mas econmica que la de las bombas de tuberas. Pueden ser ancladas por el fondo, el tope o por ambos extremos de la bomba.

2.6 EQUIPO SUPERFICIAL COMPONENTES:En general el equipo sub superficial est compuesto por: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Motor. Caja de engrane (transmisin). Manivela Pesas o contrapeso Prensa estopa Vstago (varilla) pulido Unidad de bombeo (balancn) 2 4 7

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2.6.1 MOTOREs el encargado de suministra la energa necesaria a la unidad de bombeo para levantar los fluidos de pozo.Los motores pueden ser combustin interna o elctricos. de 3 1

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6 5 2

Los motores de combustin interna pueden ser de baja o alta velocidad; los de baja velocidad operan entre 200 y 600 rpm y poseen un cilindro, los de alta velocidad funcionan entre 800 y 1400 rpm. En la actualidad el tipo de motor mas utilizado en la industria petrolera es el motor elctrico, este posee tambin una velocidad constante (baja velocidad ) y una potencia que varia entre 5 y 100 hp. En el motor de velocidad variable (alta velocidad) la potencia vara entre los 10 y 200 hp; este ultimo utilizado para alto desplazamiento.

2.6.2 CAJA DE ENGRANESe utiliza para convertir energa del momento de rotacin, sometidas a altas velocidades del motor primario, a energa de momento de rotacin alto de baja velocidad. La maquina motriz se conecta al reductor de velocidad (caja de engranaje) mediante una correa. El reductor de velocidad puede ser: simple, doble o triple. El reductor doble es el ms usado. 3 1

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2.6.3 MANIVELAEs la responsable de trasmitir el movimiento de la caja de engranaje o transmisin a la biela del balancn, que esta unida a ellos por pines sujetos al eje de baja velocidad de la caja de engranajes. Cada una de ellos tiene un nmero igual de orificios, los cuales representan una determinada carrera del balancn, en ellos se colocan los pines de sujecin de las bielas. El cambio de pines de un hueco a otro se llama cambio de tiro. 3 1

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6 5 2

2.6.4 CONTRAPESOSe utiliza para balancear las fuerzas desiguales que se originan sobre el motor durante a las carreras ascendente y descendente del balancn a fin de reducir la potencia mxima efectiva y el momento de rotacin. Estas pesas generalmente, se colocan en la manivela y en algunas unidades sobre la viga principal, en el extremo opuesto a la cabeza del balancn. 3 1

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2.6.5 PRENSA ESTOPA3

4

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Consiste en una cmara cilndrica que contienen los elementos de empaque que se ajustan a la barra pulida permitiendo sellar el espacio existente entre la barra pulida y la tubera de produccin, para evitar el derrama de crudo producido.

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2.6.6 BARRA PULIDA3

4

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Tubera fabricada de material resistente, generalmente se encuentran de dimetros de 1 1/4 y 1 pulgadas y longitud de 15 y 22 pies. Se encarga de soportar el peso de la sarta de varillas, de la bomba y del fluido dentro de la tubera.

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2.6.7 BALANCNSu funcin principal es proporcionar el movimiento reciprocante apropiado, con el propsito de accionar la sarta de varillas y estas, la bomba de subsuelo. Mediante la accin de correas y engranajes se logra reducir las velocidades de rotacin. El movimiento rotatorio resultante se trasforma en uno reciprocante, a travs de la manivela, la biela y el propio balancn.

Unidad de Bombeo 7

43 1

6 5

2

Se puede decir tambin que el balancn es una mquina integrada, cuyo objetivo es de convertir el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad apropiada con la finalidad de accionar la sarta de varillas y la bomba de subsuelo

FUNCIONES DEL BALANCN (Unidad de Bombeo)4a) La variacin de la velocidad del balancn con respecto a las revoluciones por minuto de la mquina motriz. b) La variacin de la longitud de carrera. 3 1

Unidad de Bombeo 7

6 5

2

c) La variacin del contrapeso que acta frente a las cargas de varillas y fluidos del pozo.

CRITERIOS DE SELECCIN DEL BALANCN (Unidad de Bombeo)Productividada) Los equipos deben ser capaces de manejar la produccin disponible.

Profundidada) La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensin, de elongacin y del peso. b) Afecta las cargas originadas por los equipos de produccin del pozo. c) Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos recorridos

b) Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y equipos de bombeo de pozo.c) Factibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie adecuada

CRITERIOS DE SELECCIN DEL BALANCN (Unidad de Bombeo)La disponibilidad de los balancines va a fundamentalmente sobre el diseo de los mismos. depender

Los balancines sub-diseados, limitan las condiciones del equipo de produccin y en consecuencia la tasa de produccin del pozo. Los balancines sobre-diseados, poseen capacidad, carga, torque y carrera estn muy por encima de lo requerido y pueden resultar muchas veces antieconmicos.

CLASIFICACIN DE LOS BALANCINES (Unidades de Bombeo)Los balancines o unidades de bombeo de acuerdo a especificaciones API se pueden clasificar en funcin a su geometra y contrapeso de las unidades en:a) Convencional b) MARK II o unitorque c) Balanceadas por Aire

a) Unidad de Bombeo ConvencionalEs la unidad ms conocida y popular de todos los campos petroleros, por ventajas econmicas, fcil operacin y mantenimiento.El movimiento rotatorio del motor es trasmitido por medios de correas, a la caja de trasmisin la cual reduce la velocidad a travs de un sistema de engranajes. Este movimiento ms lento es comunicado a la viga viajera mediante conexin biela /manivela y convertidor alternativo vertical que se refleja en la barra pulida.

Geometra del Bombeo Convencional

b) Unidad de Bombeo MARK II (unitorque)La unidad unitorque (Mark II), es un diseo que parte del modelo convencional, se caracteriza por ser capaz de soportar ms fluido sin necesidad de sobre cargar el equipo. Se logra un torque ms uniforme, de esta manera se reduce la carga de torsin en la caja de engranajes. Tiene la ventaja de soportar mayores cargas que otras unidades de igual dimensin. Las desventajas son los costos de fabricacin y el uso de un contra balance muy pesado.

Geometra del Bombeo MARK II

c) Unidad de Bombeo balanceada por aireSe caracteriza por utilizar un cilindro con aire comprimido en lugar de usar pesas de hierro.

Tiene un costo ms econmico por trasporte e instalacin que las convencionales por lo cual puede ser usada costa afuera o cuando es necesario mover con frecuencia la unidad.Sin embargo, el mantenimiento del cilindro de aire, pistn, compresor y controles de neumticos, es ms costoso, pero son mas resistentes a cargas que las convencionales.

Geometra del Bombeo balanceado por aire

Caractersticas de las Unidades de BombeoConvencional 1. Muy eficiente Balanceada por aire 1. La de menor eficiencia Mark II 1. Muy eficiente

2. Muy confiable debido a su diseo simple3. La ms econmica

2. La ms compleja de las unidades3. La ms costosa

2. Igual que la convencional3. Moderadamente costosa

Dimetros de Tuberas Norma API

Dimetro Nominal (plg)

Peso Lb/pie (1)

Peso Lb/pie (2)

OD (Plg)

ID (plg)

Espesor (plg)

rea Externa (plg2)

rea Interna (plg2)

Capacidad bbl/100 pies

3/41 1 1 2 2 3

1.201.80 2.40 2.90 4.70 6.50 9.30

1.141.70 2.30 2.75 4.60 6.40 9.20

1.0501.315 1.660 1.900 2.375 2.875 3.500

0.8241.049 1.380 1.610 1.995 2.441 2.992

0.7300.955 1.286 1.516 1.901 2.347 2.867

0.8661.358 2.16 2.84 4.43 6.49 9.62

0.5330.864 1.50 2.04 3.13 4.68 7.03

0.0660.107 0.19 0.25 0.39 0.58 0.87

34

11.0012.75

9.5012.60

4.0004.500

3.4763.958

3.3513.833

12.5715.90

9.4912.30

1.171.52

(1) Tubera con refuerzo exterior (API tubing upset) (2) Tubera sin refuerzo exterior (API tubing non-upset)