sistemas de extraccion e instalaciones de subsuelo
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1. SISTEMAS DE EXTRACCION E INSTALACIONES DE SUBSUELO
En el presente informe nos basaremos en el sistema de extracción con bombeo
mecánico el cual predomina en las operaciones del noroeste peruano.
5.1 Descripción del Sistema con Bombeo Mecánico
El método de bombeo mecánico consiste en elevar el fluido (petróleo + agua) desde el
nivel que este alcanza en el pozo y desplazarlo al punto de recolección (estación
o
batería de producción) por medio de una bomba de profundidad accionada por la
columna de varillas que transmiten el movimiento del equipo de bombeo.
El fluido es conducido hasta la superficie a través de la tubería del pozo o tubería de
producción (tubing) y de ahí hasta el punto de recolección por la línea de producción o
línea de conducción (flow line) (Figura 5.1).
La bomba de subsuelo eleva el fluido desde el nivel dinámico y no desde la profundidad
donde está asentada; por lo tanto el trabajo desarrollado será mayor cuanto más bajo se
encuentre dicho nivel.
Ejemplo:
Si la bomba está asentada a 3500 ft, pero el nivel dinámico del pozo es de 1500 ft, el
trabajo desarrollado por la bomba será elevar el fluido desde los 1500 ft, hasta
la superficie, más la altura equivalente a la presión de bombeo (flow line).
Para una eficiente extracción será indispensable bajar el nivel de fluido tanto como sea
posible (a fin de evitar aplicar una contrapresión a la formación) sin que ello provoque
un llenado parcial del barril de la bomba que disminuya su rendimiento y cause el golpe
de fluido.
Figura 5.1: Sistema de Bombeo Mecánico
5.2 Instalación de Subsuelo
5.2.1 Bombas de Subsuelo
a) Partes Componentes
Las bombas de subsuelo (Figura 5.2) están compuestas por el barril, el pistón, la
válvula de pie (standing valve), la válvula viajera (travelling valve) y los
accesorios: jaula de válvulas, adaptador del pistón, vástago con conectores
especiales en ambos extremos, guía del vástago (rod guide), cupla del vástago (rod
coupling), etc.
Figura 5.2: Componentes de la Bomba de Subsuelo
b) Funcionamiento
En la carrera ascendente el peso del fluido cierra la válvula viajera (T.V.) y es
desplazado por el pistón hacia la superficie. El ascenso del pistón causa
una disminución de presión sobre la válvula de pie, por lo que esta se abre,
permitiendo el ingreso de fluido de la formación a la bomba.
En la carrera descendente el movimiento del pistón incrementa la presión en la cámara
entre ambas válvulas, lo que provoca la apertura de la válvula viajera (T.V.) y el cierre
de la válvula de pie (S.V.). El peso de la columna de fluido se transfiere de las varillas
al tubing y el fluido que pasa a través de la válvula viajera será elevado en la próxima
carrera ascendente del pistón.
En la carrera ascendente el peso del fluido actúa sobre la válvula viajera y en
consecuencia sobre las varillas; y en la descendente el peso del fluido actúa
sobre la válvula de pie. Como la bomba está asentada en el tubing, la carga del
fluido se transmite al mismo. Por lo tanto, en la carrera ascendente las varillas
se alargan (deformación elástica) y vuelven a su longitud inicial en la descendente.
El tubing se alarga en la carrera descendente y vuelve a su longitud inicial en la
ascendente.
Dichos movimientos pueden ocasionar desgastes en el casing, cuplas del tubing y de las
varillas.
c) Tipos de Bombas
Las bombas de profundidad pueden ser del tipo insertable o de tubing (Figura 5.3). La
diferencia básica entre ambas es que las primeras se instalan en el interior del tubing y
se bajan al pozo con las varillas, fijándolas a la tubería en un niple asiento. Las bombas
de tubing se conectan a la tubería de producción y se bajan al pozo formando una parte
integral de la columna, luego, se bajarán las varillas de bombeo con el pistón.
Las más utilizadas son las del tipo insertable. Las bombas de tubing se usan en aquellos
pozos cuya producción potencial supera la capacidad de una bomba insertable para el
mismo diámetro de tubing.
Figura 5.3: Tipos de Bomba de Subsuelo
d) Designación de las Bombas de Subsuelo
En la (Figura 5.4) se indica la designación A.P.I. de las bombas estándar de
pistón metálico utilizadas en la operación.
Figura5.4: Designación API de las Bombas de Subsuelo
En la designación de las bombas deberá especificarse:
Tipo de bomba.
Bomba insertable
Bomba de tubing.
Diámetro del pistón.
Los diámetros que utilizamos para bombas insertables son:
En tubing de 2-3/8": pistón de 1-1/4", 1-1/2”
En tubing de 2-7/8": pistón de 1-1/4”, 1-1/2”, 1-3/4”, 2”
Longitud del pistón.
Depende de la profundidad de la bomba, normalmente se aplica el criterio de
adoptar la longitud del pistón de 1' por cada 1000' de profundidad. En la mayoría de
las operaciones la longitud estándar del pistón es 5'.
Longitud del barril.
Las que utilizamos son de 16' y 24', los de 16' se utilizan para A.I.B. de carreras de
hasta 86".
Espesor de pared del barril.
En bombas insertables se utilizan barriles de pared gruesa con diámetros de pistón
1-3/4", 1-1/2" y 2" (en pozos profundos, las de 2” de pared gruesa no pueden
ser instaladas con doble asiento). En bombas de tubing se utiliza barriles de
pared gruesa únicamente.
Tipos de asientos.
BHD:
MHD:
THD:
asiento de copas inferior.
asiento mecánico inferior.
asiento de copas superior.
MHD-THD: doble asiento, mecánico inferior y de copas superior.
Luz entre pistón y barril.
Expresado en milésimas de pulgada, por ejemplo, una luz de 0.007" se indica (-7).
La luz del pistón se suma al desgaste del barril si lo hubiera.
Luces utilizadas entre 0.004" y 0.006".
Ejemplos:
Bomba insertable para ser utilizada en tubing de 2-7/8" de diámetro nominal (diámetro
interior 2 -1/2"), con pistón de 2", largo de barril 24', luz de pistón 0.006", longitud de
pistón 5' y asiento de copas inferior.
Bomba insertable 2-1/2" x 2" x 24', (-6), BHD
API 25-200-RWBC-24-5
Bomba de tubing para ser utilizada en tubing de 2-7/8" de diámetro nominal (diámetro
interior 2-1/2"), con pistón de 2-1/4" largo de barril 24', luz de pistón 0.004" y luz de
barril 0.002", longitud de pistón 5', válvula de pie con asiento mecánico inferior.
Bomba de tubing 2-7/8" x 2-1/4" x 24', (-6), MHD
API 25-225-THM-24-5
Nota:
Como puede verse en los ejemplos, el espesor de pared, barril de pared gruesa o fina
normalmente no se indica, dado que en la mayoría de operaciones están estandarizados
de acuerdo al tipo de bomba y su diámetro. Respecto del largo del pistón, solamente se
indica si la longitud del mismo difiere de la medida estándar de 5 ft.
5.2.1.1 Bombas Insertables
Las bombas de tipo insertable se bajan y sacan del pozo con las varillas, y se las fija al
tubing en un niple asiento que se baja previamente con éstos.
Una bomba con asiento de copas en la parte superior de la bomba y asiento mecánico en
la parte inferior se denomina MHD-THD (doble asiento). Existen dos tipos de asientos
para bombas: común y mecánico; ambos tipos con el niple de asiento correspondiente
(que va enroscado en el tubing).
a) Asiento Común
Tiene copas espaciadas con anillos de acero en el mandril. Este conjunto se puede
colocar en la parte superior de la bomba (top hold-down) o en la parte inferior
de la misma (bottom hold-down).
Cuando la bomba se baja al pozo el mandril del asiento, que tiene un diámetro mayor
que cualquier otra parte de la bomba, se pone en contacto con el niple de asiento que ha
sido bajado con la columna de tubing. Este conjunto forma un sello por fricción
que mantiene a la bomba firmemente ajustada al tubing (el material de las copas
depende de las necesidades propias del yacimiento y sus características). Sobre las
copas el mandril tiene un anillo tope que impide que la bomba pase a través del asiento.
b) Asiento Mecánico
Puede utilizarse solamente como bottom hold-down. Los fabricantes recomiendan este
tipo de asiento especialmente para los pozos profundos. Su encastre de tipo
positivo
hace más difícil que se desasiente mientras esté en operación.
c) Limitaciones del Asiento Común (top hold-down)
El asiento a copas superior tiene su limitación de acuerdo a la profundidad a la que se
inserte la bomba y al nivel de fluido del pozo. Esto es debido a la diferencia
de presiones que actúan dentro y fuera del barril por las respectivas columnas de fluido,
las que incidirán en mayor grado cuanto más profunda esté la bomba y menor sea el
nivel de fluido. Sobre la superficie interior del barril actúa la presión ejercida por la
columna de fluido de tubing más la presión de la línea que tiende a deformar el barril.
Cuando el nivel de fluido es bajo, la presión sobre la superficie exterior del barril será
también baja y el barril tenderá a deformarse aún más. Dicha deformación disminuye
el rendimiento de la bomba y puede provocar la rotura del cuerpo del barril o en las
conexiones.
5.2.1.2 Bombas de Tubos
Las bombas de tubing son utilizadas para la extracción de mayores volúmenes de fluido,
se usan en aquellos pozos cuya producción potencial supera la capacidad de una bomba
insertable, para el mismo diámetro de tubing.
Las bombas de uso común son las de pistón de 2 -1/4" utilizadas en tubing de 2 -7/8" y
las de 2-3/4" usadas en tubing de 2 -7/8" y 3 -1/2"
En este tipo de bombas, el barril con el niple asiento y la válvula de pie instalada
se bajan con los tubing y el pistón con las varillas de bombeo. En el caso de
tener que recuperarse la válvula de pie y/o el pistón puede efectuarse esta operación
sin retirar la cañería de producción. Esto es para bombas de 2 -1/4" en tubing de 2 -7/8"
o bombas de 2-3/4" en tubing de 3-1/2", donde para recuperar la válvula de pie se
giran las varillas con el pistón solidario hacia la derecha, y se enrosca el pescador en
la válvula de pie, recuperando el conjunto pistón-válvula.
Las bombas de tubing no son recomendables para trabajar en pozos con alta
relación gas-petróleo pues tienen un espacio nocivo grande y se corre el riesgo de
bloqueo por
tal motivo. Otra desventaja de este tipo de bomba es que en el supuesto caso de
bloquearse no se puede golpear, ya que de hacerlo podría dañarse el pescador o
la conexión de la válvula de pie que son las partes que se pondrán en contacto en
dicha maniobra.
En el caso de utilizarse bombas de 2-3/4" en tubing de 2 -7/8" o cuando se utiliza packer
de 5-1/2", dicha operación no se puede realizar por la correspondencia de
diámetros entre pistón de bomba, tubing y packer. En estos casos se baja la bomba
completa con los tubing y se efectúa el acople de las varillas a la bomba con el
dispositivo de acople "on and off".
Este dispositivo se utiliza para facilitar la conexión y desconexión entre las varillas y el
vástago de la bomba, sean estas de tubing o insertables.
5.2.2 Varillas y Niples de Varillas
a) Materiales
Las varillas de bombeo (sucker rod) y niples de varillas (pony rod) se fabrican en los
grados K, C y D, y deben responder a las especificaciones indicadas en la (Tabla 5.1).
Tabla 5.1: Propiedades Químicas y Mecánicas de las Varillas
Las varillas y niples de varillas más utilizadas son de grado D con punto de fluencia de
100000 psi provistas por diferentes fabricantes: Norris, Metalmecánica.
Y alta resistencia de los mismos proveedores (UHS y N-97)
Grado Composición Química
Resistencia a la rotura tracción
Mínimo (psi)
Máximo (psi)
K Acero AISI 46 XX 85000 115000
C Acero AISI 1035 90000 115000
D Acero al carbono o aleado
115000 140000
UHS-NR Acero 4142 140000 150000
NORRIS-97 Acero 4142 140000 150000
b) Dimensiones Generales y Peso
En la (Tabla 5.2) se indican las dimensiones generales y tolerancias de las
varillas y trozos de maniobra que utilizamos en nuestra operación; y en la (Tabla 5.3)
el peso de
las varillas (para 25' y 30' longitud).
Las longitudes de las varillas y trozos se miden del espejo del pin al espejo del extremo
de la cupla.
Debemos tener en cuenta que en estas tablas están ya incorporadas las varillas de 7/8”
con los pines correspondientes a las de 1”.
Tabla 5.2: Dimensiones Generales y Tolerancias de las Varillas
Tabla 5.3: Diámetro y Peso de las Varillas
25' Longitud 30' Longitud
Peso con cupla DiámetroPeso con
cupla
Diámetro
Diámetro Varilla
Diámetro Nominal
Pin
Df+0.005-0.010
Ws+1-32
Wt Du Long. Varilla+/- 2"
Long. Trozos
+/- 2"
3/4" 1-1/16" 1.500" 1" 1-1/4" < Df 25' 2' - 4'6' - 8'
10' - 12'
7/8" 1-3/8" 2.000" 15/16" 1-1/2" < Df 25' 2' - 4'6' - 8'
10' - 12'
7/8" 1-3/16" 1.625" 1" 1-1/4" < Df 25' 2' - 4'6' - 8'
10' - 12'
1" 1-3/8" 2.000" 15/16" 1-1/2" < Df 25' 2' - 4'6' - 8'
10' - 12'
pulgadas Mm Libras kg pulgadas mm libras Kg
3/4 19.1 40.75 18.48 3/4 19.1 48.17 21.82
7/8 22.2 54.00 24.49 7/8 22.2 65.01 19.45
1 25.4 72.00 32.65 1 25.4 85.63 38.79
c) Cuplas y Protección de Rosca
Salvo que se indique lo contrario, todas las varillas de bombeo son suministradas con
una cupla ensamblada en uno de los extremos. Las roscas expuestas (pin y cuplas) son
provistas con protectores de roscas.
5.2.3 Cuplas y Reducciones
a) Tipos
Las cuplas y reducciones pueden ser del tipo "full size" (mayor diámetro) o “slim hole"
(menor diámetro). Las más utilizadas son las cuplas "full size" de diámetros 3/4" y 7/8"
y las "slim hole" de diámetro 1" en tubing de 2 -7/8", también pueden ser lisas
exteriormente o con rebaje para llave.
b) Clase
Se refiere a la especificación de los materiales.
Ejemplo:
Cuplas y reducciones de clase T, UHS y N-97, con dureza Rockwell "C" según
se indica:
Clase
T
UHS
N-97
Dureza Rockwell "C"
Mínimo 23 - Máximo 26
Mínimo 30 - Máximo 34
Mínimo 56 - Máximo 62
c) Dimensiones
Las dimensiones de las cuplas y reducciones "full size'' y "slim hole" serán de acuerdo a
lo indicado en la (Tabla 5.4) y (Tabla 5.5).
Tabla 5.4: Cuplas y Reducciones Tipo Full Size
Diámetro Varilla
Diámetro Exterior
(W)
Longitud Mínima
(NL)
Para utilizar en tubing
(OD mínimo)
3/4" 1-5/8" 4" 2-3/8"
7/8" 1-13/16" 4" 2-7/8"
1" 2-3/16" 4" 3-1/2"
Tabla 5.5: Cuplas y Reducciones Tipo Slim Hole
5.2.4 Vástago Pulido
En la (Tabla 5.6) se indican las dimensiones de los vástagos más utilizados.
Tabla 5.6: Dimensiones de los Vástagos Pulidos
Estos vástagos son construidos de acero al carbono SAE 1045 con límite de
fluencia mínimo de 80000 psi. Para fluidos corrosivos se utilizan vástagos de las
mismas características pero metalizados (Tuffr - Dureza "Rc" 60).
5.2.5 Tubería de Pozo o Tubería de Producción
La tubería de producción se utiliza para conducir el fluido del pozo hasta la superficie.
Por las características de operación este elemento está sujeto a diversos esfuerzos
(tracción, presión interna, presión externa) y sujeto a desgastes por rozamiento interior
(varillas de bombeo) y exterior contra el casing en las operaciones de pulling, o
en
bombeo cuando no está anclado.
Consecuentemente, su uso ha obligado a desarrollar diferentes tipos de aceros así como
también distintos tipos de uniones que han permitido trabajar a mayores profundidades
y presiones. Los tubing se fabrican en distintas calidades según su resistencia, en aceros
de grado J-55, C-75, N-80, P-105, P-110 y de acuerdo a los requerimientos de
las
Diámetro Varilla
Diámetro Exterior
(W)
Longitud Mínima
(NL)
Para utilizar en tubing
(OD mínimo)3/4" 1-1/2" 4" 2-1/16"
7/8" 1-5/8" 4" 2-3/8"
1" 2" 4" 2-7/8"
Diámetro Exterior
(pulgadas)
Longitud (pie)
Diámetro Nominal del Pin (pulgadas)
1-1/4" 16 - 22 1-3/16"
1-1/2" 16 - 22 1-3/8"
normas API 5A, 5 AC y 5 AX (el grado del acero indica el límite de fluencia mínimo en
miles de psi).
Tabla 5.7: Dimensiones Generales del Tubing
Tabla 5.8: Presiones y Torques
5.2.6 Ancla de Tubos
Durante el ciclo de bombeo, la carga de fluido, al actuar alternativamente sobre el
tubing (carrera descendente – válvula viajera abierta) y sobre las varillas (carrera
ascendente – válvula viajera cerrada), provoca estiramientos y acortamientos cíclicos de
la tubería. Este movimiento puede causar desgastes de las cuplas por rozamiento con el
casing y disminuir la carrera efectiva del pistón que se traduce en pérdida
de rendimiento de la bomba.
Para evitar dichos inconvenientes se vincula el tubing al casing mediante un "ancla" que
permite mantener traccionada la tubería de producción.
Diámetro Exterior
(pulgadas)
Grado Diámetro Interior
(pulgadas)
Espesor Pared
(pulgadas)
Área Transversal
(pulg2)
Diámetro Externo Cupla
(pulgadas)
2-3/8" J-55 1.995 0.19 1.3.04 3.063
2-7/8" J-55 N-80
2.440 0.217 1.810 3.668
3-1/2" J-55 2.992 0.254 2.590 4.500
Diámetro Exterior
(pulgadas)
Grado Peso (lbs / pie)
Límite Fluencia
(psi)
Presión Externa
(psi)
Presión Interna
(psi)
Torque (lbs x pie)
2-3/8" J-55 4.7 55000 7700 7180 1200
2-7/8" J-55 6.5 55000 7260 5800 1650
2-7/8" N-80 6.5 80000 10520 10570 2300
3-1/2" J-55 9.3 55000 6980 6560 2280