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República bolivariana de VenezuelaMinisterio del poder popular para la defensa
Universidad nacional experimental politécnicaDe la fuerza armada bolivarianaNúcleo: Anzoátegui – san tomé
Ingeniería en petróleoCátedra: Producción ll
Profesora: Ing. Bolívar, Illiannys Bachilleres: García, Joaquín ci: 19.437.556 Saenz, Jackson ci: 15.291.389
Gómez, José ci: 8.256.147 López, Franklin ci: 17.746.413
9 no Semestre de Ing. petróleo Sección “AN”
San Tome, Junio de 2011
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Índice
Introducción……………………………………………………….…………….........3
Cuerpo o desarrollo………………………………………………………..…….4
Principio de Operaciones
Componentes de los Equipos de Superficie y Subsuelo
Ventajas y Desventajas del Mecanismo
Herramientas Necesarias para el Diagnostico
Control y Seguimiento del Equipo
Conclusión……………………………………………………………….………...34
Bibliografía…………………………………………………………………..….…..36
Anexo…………………………………………………………………….……………37
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Introducción
El Bombeo mecánico es el más común de los métodos de levantamiento
artificial. Aproximadamente el 95% de todos los pozos en los Estados Unidos
están bajo levantamiento artificial. El Bombeo mecánico abarca cerca del 90%
de todos los pozos haciendo de este el método primario de levantamiento
domestico. Beam Pumping (otra forma de llamar al bombeo por cabillas cuando
una unidad con viga viajera es usada) es el más antiguo y ampliamente usado
método de levantamiento artificial costa adentro. Es usualmente el más
económico y el sistema más fácil de mantener cuando es diseñado y operado
apropiadamente.
Incrementar la eficiencia del sistema de bombeo mecánico ha sido siempre
importante. La figura I-1 muestra como la eficiencia del sistema y el corte de
agua afecta el costo de electricidad por barril de fluido producido. Si bien este
ejemplo grafico es para una bomba a una profundidad de 5000 pies y costos de
electricidad de 0.07 Kwh, las conclusiones sacadas de esto pueden aplicarse a
todos los sistemas de levantamiento artificial a pesar de la profundidad y costos
de energía.
La eficiencia del sistema es la relación de la mínima energía requerida
para la producción actual dividida entre la energía real consumida por el motor.
Un 50% de eficiencia del sistema es excelente y es la eficiencia mas alta que
puede esperarse tenga un sistema de bombeo mecánico convencional. Sin
embargo, pocos sistemas por bombeo mecánico realmente operan en un 50%
de eficiencia. Problemas comunes tales como golpe de fluido, pistón de la
bomba desgastado, fugas en la válvula viajera o fija, y una unidad severamente
fuera de balance, pueden reducir la eficiencia del sistema hasta menos de un
30%. Una bomba severamente dañada o una fuga en la tubería pueden
resultar en una eficiencia del sistema menor al 30%.
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Principio de operación
Es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su
principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir
movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y
mediante la energía suministrada por un motor. El bombeo mecánico es el
método de levantamiento artificial más usado en mundo. Consiste
fundamentalmente en una bomba de subsuelo de acción reciprocante,
abastecida de energía a través de una sarta de cabilla. La energía proviene de
un motor eléctrico, o de combustión interna, la cual moviliza una unidad de
superficie mediante un sistema de engranajes y correas. El bombeo mecánico
convencional tiene su principal aplicación en el ámbito mundial en la
producción de crudo pesado y extra pesado, aunque, también se usa en la
producción de crudos medianos y livianos.
Para que ocurra la acción del bombeo, el pistón realiza un movimiento
reciprocante dentro del barril, la tubería confina la sarta de cabilla de succión
que acciona a su vez la bomba en el subsuelo; posee válvulas fijas y viajera,
son válvulas de no retorno, de bola y asiento de modo que solo permite el flujo
en una sola dirección hacia el cabezal.
El volumen encerrado entre estas dos válvulas constituye la cámara de
bombeo. Cuando el balancín esta en el punto muerto de inferior, las válvulas
fijas y viajeras se hallan cerradas. Al comenzar la carrera ascendente, la
presión de fondo y el efecto de succión del pistón permiten la apertura de la
válvula fija; el fluido pasa del pozo hacia el inferior de de la bomba.
Al mismo tiempo, la columna de fluido ejerce una presión sobre la válvula
viajera y permanece cerrada durante la carrera ascendente fluido continua
liberando la válvula hasta que el pistón llega al punto muerto del pistón .La
válvula fija y cierra y comienza la carrera descendente. El pistón se mueve
hacia abajo y produce un punto de compresión cuando la presión interna es
superior a la que existe en la válvula viajera, esta se abre y el fluido es
trasferido al pistón hasta llegar al punto muerto inferior, donde se repite el ciclo
de bombeo. No obstante hay que tener presente que la tubería deba ser capaz
de soportar la presión debido a la columna de flujo sobre la bomba.
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Bombeo Mecánico
Para un determinado paso de presión en el yacimiento se tiene que la
energía natural que empuja a los fluidos deja de ser suficiente, es en este
momento cuando se recurre al uso de un mecanismo artificial para continuar
extrayendo hidrocarburos, para este caso dicho mecanismo es el bombeo
mecánico.
El bombeo mecánico es un procedimiento de “succión y transferencia” casi
continua del petróleo hasta la superficie, considerando que el yacimiento posee
una determinada presión, la cual es suficiente para que el petróleo alcance un
determinado nivel en el pozo.
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Componentes de los equipo de superficie y subsuelo
Los componentes que conforman el sistema de bombeo mecánico se
dividen en dos categorías: Equipo de superficie y equipo de subsuelo.
Entre los equipos de superficie se encuentran:
Motor
Manivela
Pesas o Contra peso
Balancín
Cabezote
Rienda
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Barra Pulida
Prensa Estopa
Cabezal o La boca de pozo
Caja de Engranaje
Descripción del equipo de superficie
La unidad de superficie de un equipo de bombeo mecánico tiene por objeto
transmitir la energía desde la superficie hasta la profundidad de asentamiento
de la bomba de subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el fondo
hasta la superficie. Estas unidades pueden ser de tipo balancín o hidráulicas.
Los equipos que forman los equipos de superficie se explican a continuación:
Unidad de Motores
Motor
Es el encargado de suministra la energía necesaria a la unidad de bombeo
para levantar los fluidos de pozo. Es motores pueden ser de combustión interna
o eléctricos.
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Los motores de combustión 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 eléctrico, este posee también una velocidad constante (baja velocidad ) y
una potencia que varia entre 5 y 100 hp, el motor de velocidad variable (alta
velocidad) su potencia varia entre los 10 y 200 hp este ultimo utilizado para alto
deslizamiento.
Clasificación de los motores
Motores Eléctricos:
Los motores eléctricos para bombas de cabillas son principalmente
motores de inducción de tres fases. NEMA D (Nacional Electrical
Manufacturers Association) clasifica los motores según el deslizamiento y las
características de torque durante el arranque.
NEMA D es el motor de unidad de bombeo mas ampliamente reconocido.
Su rango de deslizamiento va desde 5% hasta 13%. Otros motores en el
campo petrolero incluyen NEMA C con un máximo deslizamiento de 5% y
NEMA B con un máximo deslizamiento de 3%.
Motores de Ultra Alto Deslizamiento:
Motores eléctricos especiales con deslizamiento mayor al 13% son
denominados motores de ultra alto deslizamiento. Estos son diseñados para
variaciones altas de velocidad y pueden ayudar a reducir los torques picos en
la caja de engranaje y las cargas de las cabillas. Puedes calibrar los motores
ultra de alto deslizamiento en diferentes modos dependiendo del deslizamiento
y torque en el arranque deseado. El modo en bajo torque ofrece los más bajos
torque en la arrancada y las variaciones de velocidad más grandes. El modo de
alto torque ofrece los mayores torque en la arrancada y las variaciones de
velocidad mas bajas. Motores de Ultra alto deslizamiento usualmente tienen un
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modo medio o bajo-medio con características entre los modos de bajo y alto
torque.
Motores a Gas:
Existen dos tipos de motores a gas. Motores de baja velocidad con uno o
dos cilindros, y motores multicilindros de alta velocidad. Motores de baja
velocidad tienen velocidades de 700 rpm o menores y alto torque. Motores
multicilindros pueden tener altas variaciones de velocidad (hasta un 35%) mas
que motores de baja velocidad. Motores de gas típicamente queman gas
rentado y son generalmente más baratos que operar motores eléctricos. Sin
embargo, los costos de capital y el mantenimiento son usualmente más altos
que para motores eléctricos.Motores a gas son primordialmente utilizados en
locaciones remotas sin disponibilidad de electricidad.
Manivela
Es la responsable de trasmitir el movimiento de la caja de engranaje o
transmisión a la biela del balancín, que esta unida a ellos por pínes se están
sujetas al eje de baja velocidad de la caja de engranajes y cada una de ellas
tienen un numero igual de orificios, los cuales representan una determinada
carrera del balancín, en ellos se colocan los pines de sujeción de las bielas. El
cambio de pines de un hueco a otro se llama cambio de tiro.
Pesas o Contra peso
Se utiliza para balancear las fuerzas desiguales que se originan sobre el
motor durante a las carreras ascendente y descendente del balancín a fin de
reducir la potencia máxima efectiva y el momento de rotación. Estas pesas
generalmente, se colocan en la manivela y en algunas unidades sobre la viga
principal, en el extremo opuesto el cabezote.
Unidad de balancines
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Balancines tipo API
Son diseñados basados en especificaciones API, operan con movimientos
armónicos simples que realiza una viga viajera activada por la caja de
engranajes, conectada a un motor por medios de correas, estos balancines
pueden clasificarse de acuerdo a su geometría y contrapeso de las unidades
en:
Balancines Convencionales
Es la unidad más conocida y popular de todos los campos petroleros, por
ventajas económicas, fácil operación y mantenimiento. Estos poseen un
reductor de velocidad (engranaje) localizado en su parte posterior y un punto
de apoyo situado en la mitad de la viga.
Balancín Unitorque
La unidad unitorque (Mark II), es un diseño que parte del modelo
convencional, se caracteriza por ser capas de soportar más fluido sin
necesidad de sobre cargar el equipo, aunque es mas costoso manufactura.
Su estructura y requiere mayor contra-balance. El balanceo de esta unidad
se hace en la manivela y su requerimiento adicional es para contrarrestar el
balance estructural originado por su geometría de fabricación.
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Balancín por Aire
Se caracteriza por utilizar un cilindro con aire comprimido en lugar de usar
pesas de hierro, su costo por trasporte e instalación es mas económica que las
convencionales por lo cual puede ser usada costa afuera o cuando es
necesario mover con frecuencia la unidad, el mantenimiento del cilindro de aire,
pistón compresor y controles de neumáticos, lo hacen ser la unidad mas
costosa en cuanto a operaciones, pero son mas resistentes a cargas que las
convencionales.
Riendas
Son cables flexibles.
Cabezal o La boca de pozo
Involucra la conexión de las cañerías de subsuelo con las de superficie que
se dirigen a las instalaciones de producción.
Barra Pulida
Tubería fabricada de material resistente, generalmente se encuentran de
diámetros de 11/4 y 1 ½ pulgadas y longitud de 15 y 22 pies. Se encarga de
soportar el peso de la sarta de cabillas, de la bomba y del fluido dentro de la
tubería.
Prensa Estopa
Consiste en una cámara cilíndrica que contienen los elementos de
empaque que se ajustan a la barra pulida permitiendo sellar el espacio
existente entre la barra pulida y la tubería de producción, para evitar el derrama
de de crudo producido.
Caja de Engranaje
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Se utiliza para convertir energía del momento de rotación, sometidas a
altas velocidades del motor primario, a energía de momento de rotación alto de
baja velocidad. La maquina motriz se conecta al reductor de velocidad (caja de
engranaje) mediante correa. El reductor de velocidad puede ser: Simple, doble
o triple. La reductora doble es la más usada.
Descripción del Equipo de Subsuelo
El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el
sistema de bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de
producción y bomba de subsuelo.
Entre los equipos de SUBSUELO se encuentran:
Tubería de Producción
Cabillas o Varillas de Succión
Revestidor
válvula Viajera
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válvula Fija de tipo bola y Asiento
Bomba
Ancla de Tubería
Sarta de cabilla
Cabillas api o Convencionales
Cabillas no API o Continuas
Ancla de Gás
Yacimiento
Tubería de Producción
Es una serie de tubos que se usa para trasportar el fluido y, al mismo
tiempo, sirve de guía a la sarta de cabilla que acciona la bomba.
Los tipos de tuberías mas empleados para este tipo de completación (BM) son
las EUE y la Hydrill.
Cabillas o Varillas de Succión
La sarta de cabillas 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 mecánico son: transferir energía, soportar las cargas y
accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas
son: .8 veces mayor que las cabillas de acero para la igual carga y diámetro.
Revestidor
Es aquella que tiene como función recubrir las paredes del pozo con el
propósito general de protegerlo, también se puede decir que son tuberías
especiales que se introducen en el hoyo perforado y que luego son
cementadas para lograr la protección del hoyo, aislando las formaciones
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inestables y permitiendo posteriormente el flujo de fluidos desde el yacimiento
hasta superficie. También son conocidas como: Revestidores, Tubulares,
Casing.
Unidad de Bombeo
Su función principal es proporcionar el movimiento reciprocante apropiado,
con el propósito de accionar la sarta de cabilla y estas, la bomba de subsuelo
Mediante la acción de correas y engranajes se logra reducir las velocidades de
rotación.
El movimiento rotatorio resultante se trasforma en uno reciprocante, a
través de la manivela, la biela y el propio balancín.
Bomba de Subsuelo
Componentes de la Bomba de Subsuelo
Barril o Cilindro de la Bomba
Es una pieza cilíndrica pulida en la cual se almacena el fluido
El Embolo o Pistón
Es el elemento movible dentro de la bomba. Su diámetro determina la
capacidad de desplazamiento y su resistencia es menor que el que la del
cilindro.
Anclaje o Zapata
Es la combinación de las partes reunidas inferiormente para obtener el
anclaje de la bomba y efectuar un sello hermético.
Clasificación de las Bombas
Bomba de tubería (t)
Se instalan en ellas y el cilindro es parte integral de la misma. Su mayor
aplicación está en los pozos de alta productividad, con profundidades menores
a 4500 pies y donde las condiciones de producción no son severas, es decir,
hay baja producción de gas y y pocos fluidos abrasivos y corrosivos.
Bomba de cabilla o insertable
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Se instala en los pozos, mediante el uso de la sarta de cabillas y sin necesidad
de extender tubería. Se aplican en pozos da moderada y baja productividad y
profundidades de hasta 7000 pies aproximadamente. Su remoción y reparación
es mas económica que la de las bombas de tuberías. Pueden ser ancladas por
el fondo, el tope o por ambos extremos de la bomba.
La válvula Viajera
Esta ubicada en el pistón, el tipo bola y asiento, permite la entrada del fluido del
barril al pistón.
LA válvula Fija de tipo bola y Asiento
Esta facilita la entrada del fluido desde el pozo hasta el baril de la bomba.
Ancla de tubería
Controla los movimientos de la tubería, eliminar los esfuerzos durante la
acción de bombeo, mantiene la tubería en una posición constante y reduce la
fricción entre las cabillas y la tubería.
Sarta de Cabilla
Es el elemento de conexión entre la unidad de bombeo, instalada en la
superficie y la bomba de subsuelo. Mediante esta se trasmite el movimiento
reciproco a la bomba para deslizamiento de fluido, generalmente son
fabricadas en acero y por lo tanto, poseen propiedades de elasticidad, aunque
existen cabillas de fibra de vidrio y las continuas, cada una de ellas diseñadas
para diferentes diámetros y longitud.
Cabillas api o Convencionales
Existen tres tipos de cabillas API de acuerdo al material de su fabricante
C., D, K. Las longitudes de las cabillas pueden ser de 25 o 30 pies, utilizando
niples de cabillas (tramos de cabillas de menor longitud), en los casos que
ameriten para obtener la profundidad de asentamiento de la bomba, otros
elementos adicionales de la sarta de cabilla s podrían ser una barra (Sinker
Bar), diseñado para adicionar peso al colocar en la parte inferior de la barras de
peso es de 1 ½ a 2 pulgadas. En pozos productores de crudo pesado; donde
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se crea una especie de colchón que aumenta el efecto de flotación de las
cabillas durante su carrera descendiente, dificultando el desplazamiento del
pistón dentro del barril de la bomba 0, con una consecuente disminución de la
eficiencia volumétrica de la bomba, es ventajoso utilizar barra de peso en la
sarta de cabillas, ya que facilita el desplazamiento de crudo viscoso al
mantener tensión en la sarta de cabillas.
Cabillas no api o Continuas
Son aquellas cabillas que no cumplen con las normas API, ellas son;
Electra, continuas, fibra de vidrio dentro de las cuales las mas usadas son las
cabillas continuas.
Ancla de Gas
Consiste en un tubo rasurado o perforado, colocado bajo la zapata de
anclaje. Su objetivo es separar gas/liquido antes de la entrada del fluido a la
bomba.
Yacimiento
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El yacimiento que ha de producir por bombeo mecánico tiene cierta
presión, suficiente para que el petróleo alcance un cierto nivel en el pozo. Por
tanto, el bombeo mecánico no es más que un procedimiento de succión y
transferencia casi continúa del petróleo hasta la superficie. El balancín de
producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento se asemeja
al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a
la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la
sarta de producción o de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.
Ventajas y desventajas de los componentes en el bombeo mecánico
El bombeo mecánico
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Ventajas
El diseño es poco complejo.
Es aplicado en crudo pesado y altamente viscoso.
El equipo puede ser operar a temperatura elevadas.
DESVENTAJAS DEL BOMBEO MECANICO
Requiere altos costos y mantenimiento.
Posee profundidades limitadas.
El equipo es pesado y ocupa mucho espacio.
RANGO DE APLICACIÓN DEL BOMBEO MECANICO
Este método de levantamiento se encuentra entre 20 y 2000 (BPPD).
Se pueden aplicar a una profundidad no mayor a 9000 pies.
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No se puede utilizar en pozos desviados.
No debe existir presencia de arenas.
Solo se utiliza en pozos unidireccionales.
Se utiliza en pozos con temperaturas no mayores a 500 °F.
Unidades de bombeo balanceadas por aire
Unidades de bombeo convencional
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Unidades de bombeo mark ll o de geometría avanzada
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Herramientas necesarias para el diagnostico
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La principal herramienta para el diagnostico en un bombeo mecánico es
dinamómetro. Una carta dinagrafica es un grafico de cargas vs. Posición.
Puede registrarse una carta dinagrafica desde la barra pulida con un sistema
dinamometrico. El dinamómetro es la principal herramienta en la detección de
fallas para un sistema de bombeo mecánico.
Equipo comúnmente usado por el dinamómetro.
Para registrar cartas dinagraficas se necesita un sistema dinamométrico
con un conjunto de celda de cargas y transductor de posición. Adicionalmente,
se necesitaran las siguientes herramientas:
• Un grupo de grapas para barra pulida de las encontradas en tu campo.
• Una llave inglesa para los pernos de la grapa de la barra pulida.
• Al menos un par de pedestales, que no es mas que una pieza de tubería de
uno o dos pies de longitud cortados aproximadamente a la mitad de su
circunferencia, con un cerrojo o pasador de seguridad.
• Un protector de prensa estopa.
• Guantes protectores.
• Una cadena fuerte de al menos 12 pies de longitud.
• Una pieza de tubería para dar mayor fuerza de palanca cuando se apriete la
grapa de la barra pulida.
• Un cubo plástico o de metal vació.
Control y seguimiento del equipo
En un bombeo mecánico pueden encontrarse muchos problemas en
sistemas de bombeo a través del análisis de la carta dinagrafica usando
programas modernos diagnostico de computadora tales como el RODDIAG o
XDIAG. Por ejemplo, puede calcularse el torque en la caja de engranaje,
detectar problemas con la bomba de subsuelo, o determinar las cargas
tensiónales en las cabillas. El dinamómetro es una herramienta que puede
usarse para mejorar la eficiencia y reducir la tasa de fallas en pozos
bombeando. Este capitulo explicara qué es un dinamómetro, como trabaja, y
como utilizarlo. Describe de manera práctica, el procedimiento paso a paso de
cómo usar el equipo dinamometrico en pozos de bombeo mecánico para
obtener la data necesaria con precisión y de manera segura. También cubrirá
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una cantidad de data adicional necesaria para el análisis diagnostico con
modernos software.
El diccionario define la palabra “dinamómetro” como un instrumento para
medir fuerza. Es una derivación de dos palabras griegas: “Dynamis” que
significa “fuerza” y “metro” que significa “dispositivo de medición”. Por lo tanto,
dinamómetro” significa: dispositivo de medición de fuerzas.
Un dinamómetro registra las cargas sobre la barra pulida (fuerzas) como
una función de la posición de la barra. Este es llamado usualmente “carta
dinagrafica”. Dependiendo del sistema usado, es igual un grafico X-Y en una
hoja de papel, o un registro electrónico de los puntos de cargas vs. Posición.
Un sistema dinamometrico moderno tiene una celda de carga, un transductor
de posición, y un sistema de grabación como se muestra en la Figura 4.2.
Muchos de los nuevos sistemas dinamometricos utilizan pequeñas
computadoras en lugar de plotters analógicos. En ves de plotear la carta
dinagrafica solo en papel, como lo hecho con el estilo viejo de sistemas
dinamometricos, los nuevos almacenan la data en discos o memorias de
computadoras. Estos pueden de igual forma proporcionar copias en papel de
las cartas dinagraficas.
Usando el Dinamómetro como una Herramienta de Diagnostico
El sistema dinamometrico es una herramienta poderosa de diagnostico en
las manos de un operador experimentado. Cartas dinagraficas, especialmente
cuando son analizadas con un moderno programa diagnostico, puede ayudar a
detectar la mayoría de los problemas de las unidades de bombeo. También
puede usarse para chequear la integridad de las válvulas tanto fija como
viajera, medir el efecto de contrabalance, y registrar el consumo eléctrico del
motor vs. la posición de la barra
Instalación y remoción del transductor de cargas y posición:
Para registrar una carta dinagrafica, se necesita instalar el transductor de
carga y posición en la barra pulida. Se debe insertar la celda de carga entre la
grapa permanente de la barra pulida y el elevador. Sujete la cuerda del
transductor de posición de la barra pulida luego de instalar la celda de carga.
Chequeo de las cargas en la válvula viajera:
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Para realizar la prueba de válvula viajera, se deben seguir los siguientes
pasos:
1. Tenga listo el dinamómetro para el chequeo de válvulas de acuerdo a las
instrucciones del fabricante, para registrar las cargas vs. Tiempo.
2. Arranque la unidad y déjela realizar varios ciclos completos, durante al
menos dos o tres emboladas para asegurar una acción apropiada de bombeo.
3. Detenga la unidad en la carrera ascendente. Aplique el freno tan
suavemente como sea posible y deje la unidad detenida entre 5 y 10 segundos.
4. Repita los pasos 2 y 3 cerca de una o dos veces mas. Intente detener la
unidad en diferentes posiciones de la carrera ascendente para obtener
resultados más precisos.
La mayoría de los dinamómetros registran las cargas en las cabillas como
una función el tiempo durante el chequeo de válvulas. Si las cargas
permanecen constantes por cerca de 10 segundos entonces tanto la válvula
viajera como el pistón están en buenas condiciones. Una caída de cargas
constante o repentina sugiere un daño en la válvula viajera o el pistón. El
chequeo de la válvula viajera a indiferentes puntos de la carrera ascendente
puede ayudar a descubrir un problema con el barril o una bola de la válvula con
forma de huevo.
Cuando se realiza un chequeo de válvulas debe tratar de detenerse la
unidad suavemente. Esto se logra deteniendo la unidad levemente delante de
la posición donde desea realizar el chequeo. Luego gradual y gentilmente
aplique los frenos. Evite agitar la unidad debido a que la válvula podría quedar
fuera del asiento, originando perdidas en la carga de fluido. Registre las cargas
en la barra pulida por cerca de 10 segundos. Es recomendado que se realicen
medida buena. También, esto permitirá los diferentes puntos en la carrera
ascendente mencionados con anterioridad. La Figura 4.3 muestra un ejemplo
de chequeo de la válvula viajera. Los segmentos de línea plana de la prueba de
válvula tanto fija como viajera corresponden al momento en que la unidad esta
detenida. La porción ondulante son las cargas en la barra pulida vs. Tiempo
registrado cuando la unidad esta bombeando. Para los cálculos que envuelven
el chequeo de válvulas utilice la medición de cargas mayor.
En ocasiones si la fuga en la válvula viajera es severa, las cargas de
fluido fugan muy rápidamente y se obtiene una línea plana similar a una
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condición de operación buena. Dando un vistazo por separado a este resultado
podría pensarse que tanto el pistón como la válvula están operando
correctamente. Para evitar este problema, realice un chequeo de válvula fija
(que será descrito a continuación) y observe la diferencia de cargas entre
ambas pruebas (fija y viajera). Si no existe diferencia de las cargas entonces
repita la prueba para determinar si la fuga aparente es real o no. Si lo es, esto
es muestra de un problema serio en la bomba. Si se registre cierta diferencia
en las cargas entre ambas pruebas entonces las cargas de fluido se perdieron
por razones diferentes. La mayoría de los problemas contenidos en las pruebas
de válvulas es consecuencia de parar la unidad abruptamente. Esto hace que
las cabillas “reboten”, causando que la válvula viajera se asiente o desasiente.
Nota: Durante el chequeo de la válvula viajera las cargas deberían permanecer
constantes o decrecer. Si aumentan, esto muestra que las cargas de fluido aun
están en la válvula fija y en cambio se esta realizando una prueba de válvula
fija. Esto podría ocurrir si se detiene la unidad de manera abrupta o demasiado
temprano en la carrera ascendente. Mantenga en mente que las cargas en la
válvula viajera es la suma del peso en flotación de la cabillas mas las cargas de
fluido sobre el pistón. Por lo tanto, estas cargas deberían ser mayores que las
cargas en la válvula fija, que es solo en peso de las cabillas en flotación.
Nota: Una caída de presión mientras se hace el chequeo de la válvula viajera
muestra que el fluido escurre a través del pistón dentro del barril de la bomba.
Esto puede ser causado por un problema en el asiento o la bola de la válvula
viajera, desgaste en el pistón, o desgaste en el barril. Un chequeo de válvula
por si solo no podría diferenciar entre estos problemas. Sin embargo, si se
realizan varios chequeos de válvula viajera entonces podría diferenciarse entre
estos problemas. Una válvula viajera o pistón dañados mostrarían perdidas de
carga en cualquier chequeo de TV. Un barril dañado mostraría fugas solo
cuando el pistón se detiene en el área dañada del barril.
Chequeo de Válvula Fija
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Usando un dinamómetro puede realizarse un chequeo de válvula fijapara
encontrar fugas debido a desgaste en las válvulas. Esto puede hacerse de la
misma manera que con la válvula viajera, pero deberá detenerse la unidad en
la carrera descendente de la barra pulida. Para realizar un chequeo de válvula
confiable y preciso debe detenerse la unidad suavemente en la carrera
descendente al menos un medio o dos tercios del final. Esto es para asegurar
que las cargas de fluido han sido transferidas desde el pistón hacia la tubería.
Una línea recta es indicativa de una válvula fija en buen estado.
Medición del Efecto de Contrabalance.
El efecto de contrabalanceó es usado para calcular el torque en la caja de
engranaje. Es una medida indirecta del torque impuesto en la caja por la
manivela y las contrapesas de la unidad. Para medir el efecto de
contrabalanceo la unidad debe detenerse con la manivela tan cerca como sea
posible a 90° o 270°. Luego con el freno liberado, grabar las cargas en la barra
pulida a esa posición. También debe anotarse el ángulo correspondiente del
brazo de las contrapesas. Para unidades convencionales (Clase I), El ángulo
del brazo de las contrapesas es medido en el sentido horario de la agujas del
reloj a partir de la posición de las 12 en punto con el pozo a la derecha. Para
unidades Mark II (Clase III), se mide en sentido antihorario a partir de las 6 en
punto con el pozo a la derecha. Si la unidad es “Pesas Pesadas” o “Cabillas
Pesadas” entonces la manivela no se detendrá cerca de la posición de las 12 o
6 en punto. En tales casos, para grabar el efecto de contrabalanceo debe
encadenarse la unidad si es “pesas pesadas” o apoyar la grapa en el prensa
estopa si es “Cabillas Pesadas”.
Grafico de Amperaje
Puede grabarse un grafico de amperaje del motor como una función de
la posición de la barra pulida. Esto puede hacerse instalando un amperímetro
alrededor de uno de los tres terminales del motor. El gráfico de amperaje es
grabado usualmente en la misma pieza de papel de la carta dinagrafica. Este
grafico indica si la unidad esta balanceada o no. El gráfico de amperaje es una
herramienta útil para determinar el balanceo de la unidad y el amperaje trazado
por el motor. Es especialmente útil cuando se analizan unidades viejas sin data
disponible de manivela y contrapesas por lo que data de momento máximo de
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contrabalance no estaría disponible. El Capitulo 6 muestra un ejemplo del
grafico de amperaje para una unidad en condición de balance y otra fuera de
balance.
Longitud de la carrera y emboladas por minuto.
Longitud de carreras exactas y medidas de emboladas por minuto son
muy importantes cuando se analiza el comportamiento del sistema de bombeo.
La longitud de la carrera puede medirse con una cinta de medida sujetándola
en el elevador de la unidad al inicio de la carrera ascendente. Una forma más
conveniente es anotar el número del hoyo de la manivela, y obtener la longitud
de la carrera de los catálogos de las unidades. Si las dimensiones de la unidad
de bombeo son conocidas podría entonces calcularse la longitud de la carrera
como se explica en el ensayo de análisis kinematico de unidades de bombeo al
final del Capitulo 2.
Para medir las emboladas por minuto con exactitud (SPM), utilice un
cronometro. Medir el tiempo para varias emboladas (por ejemplo 10) y luego
dividir el número de emboladas por el número de minutos medidos. Por
ejemplo, si se miden 50 segundos para diez emboladas entonces las
emboladas por minuto serán:
Tiempo=50 segundos x 1 min/60 segundos = 0.83 minutos
SPM= Strokes/minuto = 10/0.83 = 12.05 strokes por minuto.
Nota: Cuando mida el tiempo para calcular las emboladas por minuto, utilice un
punto fácil de referencia en la embolada para arrancar el cronometro.
Por ejemplo, si se arranca al inicio de la carrera ascendente entonces haga lo
siguiente:
Data de Unidad de Bombeo y Motor.
Para hacer un análisis diagnostico con computadora que incluya las
cargas torque de la caja de engranaje, calculo de la carta dinagrafica de fondo,
cargas sobre la unidad motriz, etc., deberá registrarse data de campo adicional.
Para realizar el análisis de torque, se necesita identificar la unidad de bombeo
para calcular el factor de torque. Frecuentemente, se necesitara la designación
5
API para unidades de bombeo o el número del serial y el número de la
manivela para identificar la unidad. La designación de la unidad de bombeo se
encuentra en una placa metálica remachada al poste sanson. Unidades nuevas
tienen designaciones API. Unidades viejas fabricadas antes de las unidades de
bombero API Estándar tienen designaciones que son diferentes a la
terminología API. En tales casos se deberá ser capaz de poner junto una
designación API equivalente. Observe en la placa de la caja de engranaje para
la capacidad de la caja. Mida la longitud de la embolada o descifre información
adicional a partir de la placa de la unidad para la capacidad de la estructura y la
longitud de la embolada. Si la placa es legible entonces escriba el número
serial de la unidad o numero de orden. Si el fabricante de la unidad se
encuentra aun en el negocio, podría entonces conseguir la data necesaria. Una
base de datos con la data de la geometría de la unidad de bombeo será valiosa
para análisis de computadora rutinarios de su sistema de bombeo mecánico.
Si se cuenta con data acerca de la manivela y las contrapesas o si se tiene un
programa como el CBALANCE (Desarrollado por Theta Enterprise) entonces
podrá fácilmente calcular el momento Maximino de contrabalanceo.
De esta manera se realiza un análisis de torque sin tener que medir el efecto
de contrabalanceo en el campo. También, con un programa como el
CBALANCE se podría balancear la unidad de bombeo en solo un pozo debido
a que puede calcular de manera exacta hacia donde y cuanto mover las pesas
para balancear la unidad.
Análisis de Torque
La caja de engranaje suministra el torque que la unidad de bombeo
necesita para bombear el pozo. El torque neto en la caja de engranaje depende
de las cargas en la barra pulida y el momento de contrabalanceo. Para
entender como esta interacción toma lugar observe la Figura 5.1. Como se
muestra, la carga en la barra pulida (PRL) actúa a través de la estructura de la
unidad de bombeo aplicando una fuerza (P) en el brazo Pitman. Esta fuerza
aplica un torque Tp en el eje de la caja. El peso de la manivela y las
contrapesas (W) aplican un torque Tw en el eje de la caja de engranaje en la
dirección opuesta a Tp. Por lo tanto, el torque neto en la caja de engranaje es
la suma de estos dos torques o:
5
Donde:
Tp= Torque causado por las cargas en la barra pulida.
Tw= Torque originado por la contrapesas.
Balanceo de las Unidades de Bombeo
Las contrapesas ayudan a reducir el torque que la caja debe suministrar
para operar la unidad. Sin embargo, solo colocando peso en la manivela de la
unidad no es suficiente para minimizar el torque neto sobre la caja. Su tamaño
y peso determina si reducen o por el contrario incrementan el torque sobre la
caja. Idealmente, se quiere tener suficiente contrabalanceo para minimizar las
cargas sobre la caja. Esto es lo que se hace para “balancear la unidad”. La
unidad puede balancearse ajustando las contrapesas de manera que el torque
pico de la caja en la carrera ascendente sea igual al torque pico de la caja en la
carrera descendente. El balanceo de la unidad es muy importante para
extender la vida útil e la caja de engranaje y para reducir el tamaño de la
unidad motriz y por ende el consumo de energía. Debido a que balancear la
unidad ayuda a minimizar el torque neto sobre la caja, no siempre reduciría el
consumo de energía. Algunas veces, cuando se balancea la unidad, el
consumo eléctrico aumenta ligeramente. Si la unidad esta significativamente
fuera de balance entonces frecuentemente el consumo de energía disminuirá.
Aunque en la práctica el balanceo perfecto es raramente alcanzado, es
importante mantener la unidad tan cerca de estarlo como sea posible. Unas ves
que la unidad se encuentra balanceada, esta permanecerá así hasta que algo
cause un cambio en las cargas sobre la barra pulida. Razones por las que una
unidad queda fuera de balance incluyen: Cambios en el nivel de fluido, desgate
de la bomba, acumulación de parafinas, rotura de cabillas, etc.
Una unidad “sobre balanceada” o “Pesas Pesadas” tiene más
contrabalance del que realmente necesita. Esto significa que las contrapesas
son muy grandes, están demasiado alejadas del eje de la caja, o ambas. Una
unidad “Bajo balance” o “Cabillas Pesadas” no tiene suficiente contrabalance.
Esto significa que las contrapesas son demasiado pequeñas, están muy cerca
al eje de la caja, o ambos. Algunas unidades están sobre balanceadas incluso
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sin contrapesas en las manivelas. Esto ocurre cuando la unidad es demasiado
grande para el pozo en particular, o si la carga en las cabillas es drásticamente
reducida debido a una bomba dañada o alto nivel de fluido. En pozos someros
de alta producción, donde son necesarias emboladas largas, podría no ser
necesario un gran contrabalanceo. Esto es debido a que las cargas en la barra
pulida son usualmente más bajas comparadas con pozos profundos. En estos
casos las unidades de bombeo son frecuentemente utilizadas con manivelas de
poco peso.
Balanceando con un Amperímetro
El método mas común para balancear la unidad es usando un
amperímetro. El amperímetro es conectado a los cables del motor y se mide el
amperaje trazado por el motor durante un ciclo de bombeo. La corriente
eléctrica dibujada por el motor es proporcional al torque sobre la caja de
engranaje. Si el amperaje pico leído en la carrera ascendente es cercanamente
igual al de la carrera descendente entonces la unidad estará balanceada. Si no
es así, la unidad deberá detenerse, se moverán las pesas, y nuevamente se
revisaran los picos de amperaje en ambas carreras hasta que ambos sean
iguales o muy similares. En este punto la unidad se considerara balanceada.
Efecto de Balancear la Unidad en el Comportamiento el Sistema
Una Unidad apropiadamente balanceada es importante para optimizar el
sistema. La caja de engranaje de una unidad balanceada podría durar más
tiempo que en una unidad fuera de balance. También, si se mantiene la unidad
balanceada puede usarse un motor más pequeño. Esto no solo reduce el costo
de capital sino también incrementa la eficiencia del sistema. Esto se debe a
que el motor que esta dimensionado correctamente a los requerimientos del
pozo seria más eficiente que uno sobredimensionado. Usualmente, balancear
la unidad minimiza el factor de cargas cíclicas. Esto tiene un efecto directo en
el consumo de energía y eficiencia de la unidad motriz.
Sarta de Cabillas de Succión
La sarta de cabillas es la línea de transmisión para la energía mecánica
que maneja la bomba de subsuelo. Mientras la bomba realiza su ciclo de
bombeo, las cabillas están sujetas a cargas fluctuantes. Durante el ascenso, la
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carga en las cabillas es alta porque el pistón recoge la carga del fluido. Durante
el descenso, la carga en las cabillas es menor porque la carga del fluido se
transfiere de las cabillas a la tubería. Esta reversión crea tensiones que viajan
por las cabillas a la velocidad del sonido (16500 pie/seg. en el acero)
resultando en fatiga y eventual falla en las cabillas. Aunque todas las sartas de
cabillas fallan eventualmente, se puede controlar la vida de la sarta de cabillas
mediante una selección adecuada. Un buen diseño de sarta de cabillas
considera no solo la carga del fluido, sino también carga de fatiga y
corrosividad del pozo.
Diseño del Sistema
Cuando se diseña un sistema de bombeo mecánico se intenta especificar
el equipo, emboladas por minuto y longitud de la carrera requerida para obtener
la producción deseada al más bajo costo posible.
Hasta los años 50 los métodos de diseño de bombeo mecánico fueron
principalmente empíricos o se desarrollaron bajo sobre simplificaciones de la
realidad. El sobreviviente mas conocido de todas estas viejas técnicas es el
Método de Mill’s que es todavía utilizado por algunas personas, usualmente en
su forma modificada. Sin bien estos métodos pioneros son simples y fáciles de
usar, su precisión y consistencia son pobres.
Controles Automáticos en las operaciones con bombeo mecánico
Hay dos tipos generales de controles que miden el tiempo para la
operación de la bomba. Un reloj de 24 horas se puede utilizar para fijar los
períodos por intervalos durante un día o un contador de tiempo del porcentaje
se puede utilizar para regular el porcentaje del tiempo que la bomba esta
encendida dentro de un período dado. Los contadores de tiempo del porcentaje
se encuentran a menudo en las cajas más nuevas del control automático en
vez de los relojes de 24 horas, aunque ambos todavía tienen su lugar y
continuarán estando disponibles para los usos especiales.
Hay varios estilos del reloj de 24 horas. Algunos son controlables en 15
minutos On y Off por ciclos, mientras que otros pueden ser controlados para los
intervalos de 5 minutos o de menos.
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Estos relojes se satisfacen bien para fijar las bombas al funcionamiento en
una hora específica o con los ciclos de bombeo irregulares. Los contadores de
tiempo del porcentaje son disponibles en los ciclos de 15 minutos o más. Los
contadores de tiempo del porcentaje tienen un dial de control que permita que
el contador de tiempo sea fijado para funcionar un porcentaje seleccionado del
ciclo del contador de tiempo. Así, si un contador de tiempo 15-minute se fija por
un tiempo de pasada 50 %, la unidad de bombeo funcionará por los minutos
7½ y después estará apagada por los minutos 7½ durante cada ciclo de 15
minutos. Porque hay 96 ciclos 15 minutos en un día, la unidad funcionará los
minutos 7½ con cada uno de los 96 ciclos en un día. Semejantemente, si un
contador de tiempo de dos horas se utiliza con el dial fijado para el 25%, la
unidad se adelantará por 30 minutos y después dará vuelta apagado para 1
hora y 30 minutos, y después se adelantará otra vez. Este ciclo será repetido
12 veces por día, y la unidad funcionará 12 veces por el día para un tiempo de
pasada total de 6 horas o el 25% de un día.
Mantenimiento de la unidad de bombeo en las operaciones con bombeo
mecánico.
El primer paso en mantener la unidad de bombeo es instalar un buen horario
de mantenimiento en el libro de registros del campo y seguirlo. Una razón que
es el libro de registro así que importante es que ayuda al ingeniero para utilizar
los procedimientos de mantenimiento correctos. Por ejemplo, el almacén típico
de la fuente tendrá muchos tipos de lubricantes, en varios pesos, con diversos
añadidos, y disponible en tubos, cubos, y otros estilos de envases. Para cada
uso en el campo, un número limitado de lubricantes será apropiado de utilizar,
y a menudo solamente uno que sea verdad conveniente. El ingeniero no puede
esperar recordar cada tipo de lubricante que se requiera y donde debe ser
utilizado. Manteniendo expedientes completos y exactos, el ingeniero se puede
asegurar de usar el tipo y la cantidad correctos de lubricante y sabrá cuándo el
equipo se ha lubricado o requerirá después el cambio de lubricante.
Además, el ingeniero puede evitar de mezclar los lubricantes que pueden no
ser compatibles con uno y otro
La inspección diaria.
El equipo del yacimiento de petróleo es muy confiable y puede funcionar
por años entre los problemas serios no obstante, la inspección diaria puede
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ampliar la vida de la unidad localizando problemas antes de que haya ocurrido
el daño. Al hacer cualquier inspección, el ingeniero debe escuchar
cuidadosamente con el volumen de la radio del vehículo dado vuelta totalmente
abajo porque los sonidos que las marcas de una unidad de bombeo pueden
hablar mucho de su condición. La inspección debe también incluir una
comprobación para escapes del aceite lubricante, así como mirar en la tierra
para observar los posbles objetos flojos o sueltos, tales como pernos, las
tuercas, y las arandelas. La inspección semanal.
Los pasos de la inspección semanal incluyen:
1. Realice los pasos de la inspección diaria.
2. Camine totalmente alrededor de la unidad de bombeo y obsérvela en la
operación.
3. Pare en los buenos puntos de la observación para mirar las piezas montadas
para una revolución completa, buscando el movimiento y la vibración inusuales
y escuchando ruidos. Comprobando el nivel y la condición de aceite en la caja
de engranajes (cortesía de las industrias de Lufkin, inc...)
4. Compruebe para ver que la línea blanca en los pernos de seguridad del
brazo del pitman esté alineada correctamente
La inspección mensual.
Los pasos de la inspección mensual incluyen:
1. Termine los pasos de la inspección semanal.
2. Compruebe el nivel fluido en la caja de engranajes si hay evidencia de un
escape
3. Lubrique la silla de montar, la cola, y los cojinetes gastados del brazo del
pitman
De tres a seis meses de inspecciones.
De tres a seis meses inspecciones son especialmente importantes.
Algunas nuevas unidades de bombeo necesitan ser lubricadas completamente
cada seis meses. Mientras que la unidad consigue gastada, este intervalo
necesita ser acortado a cada cinco meses y entonces a cuatro meses y
entonces a tres meses. Con algunas unidades, la lubricación puede ser
necesaria cada mes, con la atención especial del mantenimiento mientras
tanto. Una parte de estas inspecciones se realiza con la unidad de bombeo en
5
el movimiento, y la parte de ella se realiza con la unidad cerrada y el sistema
de la palanca del freno.
Análisis Diagnostico
Ya que el bombeo mecánico fue usado primero para levantar petróleo, los
operadores han estado tratando de diagnosticar las causas de la reducción de
producción y las fallas en equipos. En los primeros días, el operador experto
podía detectar problemas tocando la barra pulida con su mano u oyendo la caja
de engranaje (así dicen). Sin embargo, al aumentar la necesidad de precisión,
se desarrollaron instrumentos diagnósticos para ayudar al operador a encontrar
problemas con mayor eficacia y precisión. El dinamómetro mecánico y el nivel
de fluido sonoro fueron los instrumentos que cambiaron la forma en que se
analizan los sistemas de bombeo.
Conclusión
El bombeo mecánico es uno de los métodos más antiguos de levantamiento
artificial es el bombeo mecánico, el cual es el más usado en el ámbito mundial
y nacional, tanto en la producción de crudos pesados como en la de
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extrapesados, aunque también se usa en la producción de crudos medianos y
livianos.
El método consiste en la instalación de una bomba de subsuelo de acción
reciprocante que es abastecida con energía trasmitida a través de una sarta de
cabillas; esta energía proviene a su vez de un motor eléctrico o de combustión
interna el cual moviliza la unidad de superficie mediante un sistema de
engranajes y correas. El movimiento rotativo en la unidad de superficie se
convierte en movimiento reciprocante en el subsuelo.
El bombeo mecánico se fundamenta en la aplicación de una fuerza
torsional, que convierte el movimiento rotacional del motor-caja de engranaje
en movimiento reciprocante, a través del sistemas de bielas-manivelas; Con el
propósito de accionar una bomba de subsuelo reciprocante, mediante una sarta
de cabillas.
Sus principales componentes son:
a) Bombas de subsuelo.
b) Cabillas de succión.
c) Elementos superficiales.
En conclusión se tiene que el funcionamiento del bombeo mecánico
consiste en una bomba que se baja dentro de la tubería de producción, la cual
es accionada por medio de unas varillas que transmiten un movimiento desde
el aparato de bombeo que consta de un balancín. La principal dificultad que
presenta la implementación de este método es el hecho de que no puede ser
utilizado a grandes profundidades debido a las grandes extensiones de varillas
que deberían usarse.
La principal característica de este método es utilizar una unidad de
bombeo para transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una
sarta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los
componentes del bombeo mecánico esta compuesto básicamente por las
siguientes partes: unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas, bomba de
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subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo). Un equipo de
bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un
movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba
sumergible en una perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo
de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático. Un motor,
usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y
bajan un extremo de una eje de metal. El otro extremo del eje, que a menudo
tiene una punta curva, está unido a una barra de metal que se mueve hacia
arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener una longitud de cientos de
metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. El
balancín de producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento
se asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de
sube y baja a la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba,
colocada en la sarta de producción o de educción, a cierta profundidad del
fondo del pozo.
La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la
carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula
viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. En la
carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el
petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre petróleo a la
bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente
(emboladas) mantiene el flujo hacia la superficie. Como en el bombeo
mecánico hay que balancear el ascenso y descenso de la sarta de varillas, el
contrapeso puede ubicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la
manivela.
Bibliografía
http://www.monografias.com/trabajos63/metodos-levantamiento-artificial/
metodos-levantamiento-artificial4.shtml
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http://yacimientos-de-gas.blogspot.com/2009/01/bombeo-mecnico.html
Manual Bombeo Mecanico Avanzado
© Theta Enterprise, Inc. 1989-2005
JohnG. Svinos, PresidenteTheta Enterprise, Inc.1211 West Imperial Hwy., Suite 105Bera, CA 92821-USA
Maracaibo, Venezuela 2005
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