Bombeo Mecánico Reciprocante

OCTUBRE 2010

FACTORES PARA ELEGIR UN SAP

Propiedades de los fluidos

Estado mecánico del pozo

Pruebas de producción

Aforos y/o condiciones de operación

Registros de presión/temperatura

Disponibilidad de la fuente de energía

FACTORES PARA ELEGIR UN SAP

Existen diferentes sistemasartificiales entre ellos el bombeomecánico reciprocante.

Su función es extraer fluidosmediante un movimiento ascendente-descendente, que se transmite pormedio de la sarta de varillas a labomba colocada dentro de la TP enel fondo, cerca del yacimiento.

Los fluidos que se acumulan en la TRllegan a la superficie a través de laTP.

Varillas de

succión

Cabeza

l

Bomba

subsuperficial

UBM

Bombeo Mecánico Reciprocante

Varillas de

succión

Cabezal

Bomba

subsuperficial

UBM

Unidad de Bombeo Superficial.

Motor y Reductor de engranes.

Cabezal y Conexiones Superficiales.

Sarta de Varillas.

Bomba Reciprocante.

Componentes Principales

Un bajo índice de productividad.

Que no haya producción de arena, si la hay que sea muy baja.

Que exista una presión de fondo fluyendo suficiente para que losfluidos alcancen un nivel estático en el pozo.

Que no haya depósito de parafinas.

Que la Pwf > Pb a la profundidad de colocación de la bomba.

APLICACIÓN

SUPERFICIAL

Motor

Reductor de engranes

Unidad de bombeo superficial

Cabezal y conexiones superficiales

SUBSUPERFICIAL

Bomba

Sarta de varillas

EQUIPO

MOTOR ELÉCTRICO

Bajo costo inicial.

Menor costo de mantenimiento

Facilidad para ajuste en un sistema de automatización

MOTOR DE COMBUSTIÓN

Control de velocidad más flexible.

Menor costo de combustible.

Tipo de Motores

Función: Reducir la velocidad del motor principal a una velocidad debombeo adecuada.

Su flecha esta sujeta a una torsión máxima (Selección de equipo)

La unidad de bombeo superficial recibe la potencia del motorprincipal a través de bandas.

Reductor de Engranes

TORSION: Deformación de un cuerpo sólido, que es producida cuando parte de la tubería

gira en una dirección y la otra parte permanece estática o gira en la otra dirección

FUNCIONES:

Transfiere la energía del motorprincipal a la sarta de varillas.

Convierte el movimientorotatorio del motor a unoreciprocante u oscilatorio.

Reduce la velocidad del motor auna velocidad adecuada debombeo

Mantiene la verticalidad de lavarilla pulida.

Unidad de Bombeo Superficial

Para mover la bomba de fondo se utilizan las UBM’s, su función es convertir el movimiento rotativo de un motor en un movimiento reciprocante.

Existen diferentes tipos de unidades de BM, entre otras : la de balancín (BIMBA), la Hidroneumática de bombeo reciprocante (TIEBEN) y la de carrera larga (ROTAFLEX).

En una Bimba el motor mediante el reductor de engranes hace girar las manivelas y que a su vez mueven el balancín.

En una UBH el motor mueve una bomba hidráulica para que mediante el sistema hidráulico se muevan en forma reciprocanteunos cilindros (gatos hidráulicos)

Unidades de Bombeo Mecánico Superficial

El BM de carrera larga se aplica a pozos de alta capacidad de producción o profundos, emplea undiseño completamente mecánico con una cadena.

El peso de la sarta de varillas, la bomba yde la columna de fluidos desequilibran lafuerza necesaria para el movimientoreciprocante, es decir, se requiere muchafuerza para levantar el aparejo, y solo lagravedad para bajar.

Para disminuir este esfuerzo, el peso delaparejo se equilibra o balancea con masasde acero (contrapesos), en el caso de labimba y en el caso de la UBH con la fuerzaque proporciona el nitrógeno a presión.

Una vez balanceado, solo es necesaria pocafuerza para subir y bajar la bomba en elfondo, esto reduce por mucho el consumode energía necesaria, de ahí la importanciade un buen balanceo.

Unidades de Bombeo Mecánico

En el cabezal del pozo seutilizan válvulas para elcontrol y manejo de losfluidos, así comoaccesorios para laoperación del equipo debombeo mecánico y elaparejo de producción.

Cabezal y Conexiones Superficiales

- CLASE I Unidad Convencional

- CLASE III Aerobalanceada y MARK II

Geometría de las Unidades (BIMBA)

VENTAJAS

Tiene bajo costo demantenimiento

Costos menores que otro tipo de unidades.

Es usualmente mejor convarillas de fibra de vidrio.

Puede girar en el sentido de lasmanecillas del reloj y contrario.

Puede bombear más rápido quela Mark II sin problemas.

Requiere menos contrabalanceo que la Mark II.

DESVENTAJAS

En muchas aplicaciones, no estan eficiente como la Mark II.

Puede requerir una caja develocidades mayor que otrotipo de unidades(especialmente con varillas deacero).

Unidad Convencional

Compensador

Cable Colgador

Guarda Bandas

(Tolva)

Contra Peso

Reductor de Engranes

Freno

Muñón

Brazo Pitman

(Bielas)

Patín

Escalera

Poste Sampson

Motor Principal

Cable del Freno

Palanca delFreno

Balancín

Cabeza deCaballo

Manivela

Cojinete Central

Barra Portadora

o elevador

Varilla Pulida

Fig. 28 Unidad de Bombeo Mecánico Convencional

VENTAJAS

Tiene bajo torque en muchoscasos (con varillas de acero).

Puede bajar costo (5 a 10 %)comparada con el siguientetamaño de la unidadconvencional.

DESVENTAJAS

En muchas aplicaciones, nopuede bombear tan rápidocomo la Convencional, porquepuede causar problemas defallas en las varillas.

Puede girar solamente ensentido contrario a lasmanecillas del reloj.

Puede causar más daño a lasvarillas y bomba en caso defluido pesado.

Puede someter a la sarta devarillas en el fondo del pozo asevera compresión que puedecausar fallas por pandeo.

Unidad Mark II

VENTAJAS

Es más compacta y más fácilpara balancear que otrasunidades.

Los costos de transportaciónson menores que otrasunidades.

Puede girar en el sentido delas manecillas del reloj osentido contrario.

DESVENTAJAS

Es más complicada y requieremayor mantenimiento(compresor de aire, cilindro deaire).

La condensación de agua en elcilindro puede causarproblemas.

La caja de velocidades puedeser dañada si el cilindro pierdepresión de aire.

Unidad Aerobalanceada

TAREA 13- Resumen artículo

Effects of Subsurface Pump Size and Setting Depth on

Performance of Sucker Rod Artificial Lift-A Simulation

Approach.

SPE 120681

April 2009

EQUIPO No. 1 – 5 Octubre 2010

API ha desarrollado un método estándar para identificar y describir lasunidades de bombeo. Por ejemplo, para la unidad C - 320D-256- 100

TIPO DE UNIDAD:C CONVENCIONAL M MARK IIA AEROBALANCEADA

TORSIÓN MÁXIMA QUEPUEDE TOLERAR LA FLECHADEL REDUCTOR DEENGRANES EXPRESADAEN 10³ (pg.lb)

LA LETRA D INDICAQUE TIENE UNDOBLE REDUCTORDE ENGRANES.

CARGA MÁXIMAQUE SOPORTA LAVARILLA PULIDAEXPRESADA EN10² (lb).

MÁXIMALONGITUD DECARRERA DE LAVARILLA PULIDAEXPRESADA (pg)

Designación de Unidades (BIMBA)

Es el eslabón entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial.

En un momento del ciclo las cargas que soporta son:

Peso del fluido

Peso de las varillas

Cargas de aceleración

Carga por vibración

Fuerza de flotación

Fuerzas de fricción

Varilla Pulida

Función

Reducir la torsión en el reductorde engranes.

Reducir el tamaño del motorprincipal (hp´s).

El efecto de contrabalanceopuede obtenerse colocandocontrapesos en el balancín, bielao manivela.

El contrapeso tiene un pesoaproximadamente igual al pesode las varillas (Wr) más lamitad del peso del fluido (Wf).

Contrabalanceos de la Unidad

Unidad de bombeo con y sin contrabalanceo. Se desprecian las fuerzasde flotación, inercia y dinámicas. Wr = 10,000 lbs. y Wf = 4,000 lbs.

UNIDAD SIN

CONTRABALANCEO

UNIDAD CON

CONTRABALANCEO

Carrera ascendente

(Wr+Wf) – 0 = 14000 lbs.

Carrera descendente

(-Wr+ 0 ) = -10000 lbs.

Carrera ascendente

(Wr+Wf) – 12000 = 2000 lbs.

Carrera descendente

(-Wr+ 12000 ) = 2000 lbs.

Ejemplo

Función

Desplazar los fluidos del yacimientodesde el fondo del pozo hasta lasuperficie por el interior de la tuberíade producción.

Componentes

1) Barril de trabajo/camisa dela bomba

2) Émbolo o pistón

3) Válvula viajera

4) Válvula de pie o estacionaria

Bomba Subsuperficial

Válvula

viajera

Válvula

estacionaria

Émbolo

Cilindro

de trabajo

y camisa

Partes de la Bomba Subsuperficial

Partes de la Bomba Subsuperficial

A) Bomba de inserción. Se puede conectar a la sarta de varillas sinsacar la T.P. a la superficie, sólo se saca la sarta de varillas.

B) Bomba de tubería de revestimiento. Es una versión de la anteriorsólo que esta se ancla en la T.R. Manejan grandes volúmenes enpozos someros y de bajo IPR.

C) Bomba de tubería de producción. La diferencia con la de inserción esla forma en como se coloca la camisa de la bomba. Este vaconectado en el extremo inferior de la T.P. y se introduce alpozo como parte de la sarta de producción.

Clasificación de las Bombas

Materiales usadosCamisa/Barril

Acero aleación

Bronce

Hi-brin

Nitreline

Hi-hard

Krom-i-dee

Silverine

Pistón Acero aleación

Bronce

Co-hard

Superhard

Cromado

Válvulas Stellita

C.T.

Varillas Acero aleaciones

Mg, si, ni, vn, cu, br, cr, mo

Fibra de vidrio

Nomenclatura API para la bomba

Está compuesta de dos partes principales: el émbolo y el barril ; con sus válvulas.

Ciclo de bombeo:1. Émbolo hacia abajo cerca del final de la

carrera, el fluido pasa a través del la válvula viajera, el peso de la columna es soportado en la válvula de pie.

2. Émbolo hacia arriba arrastrando los fluidos arriba de la válvula viajera, la válvula de pie admite fluidos del yacimiento.

3. Émbolo hacia arriba cerca del fin de la carrera, válvula de pie abierta y viajera cerrada.

4. Émbolo hacia abajo, válvula de pie cerrada por la compresión, la válvula viajera se abre por el mismo efecto.

La Bomba Reciprocante

Válvula

viajera

Válvula

estacionaria

Émbolo

Tubería de producción

Varillas de

succión

Cilindro

de trabajo

y camisa

(a) (b) (c) (d)

Ciclo de Bombeo Mecánico

(a) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del fondo de la carrera.

(b) El émbolo sube, cerca del fondo de la carrera.

(c) El émbolo sube cerca de la parte superior de la carrera.

(d) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del tope de la carrera.

Ciclo de Bombeo Mecánico

Sarta de Varillas

La sarta de varillas de succión es un sistemavibratorio complejo mediante el cual el equiposuperficial transmite energía o movimiento a labomba subsuperficial.

La selección de la sarta de varillas depende dela profundidad del pozo y las condiciones deoperación de este.

Su diseño consiste en seleccionar la sarta másligera y por lo tanto más económica, sinexceder el esfuerzo de trabajo de las propiasvarillas.

El esfuerzo de trabajo depende de lacomposición química de las varillas,propiedades mecánicas y fluido bombeado.

Se utiliza sarta de varillas telescopiadas.

Ejemplo: Varilla API No. 86

86

8/8 (1”)

7/8”

6/8” (3/4”)

Número de Varilla API

Clases de varilla

Clase KResistente a corrosión

Clase CResistente a corrosión, trabajo pesado

Clase DTrabajo extra pesado sin H2S

Ventajas BM

Varillas de

succión

Cabezal

Bomba

subsuperficial

UBM Tiene buena eficiencia.

Permite la optimización y el control.

Bajo costo de mantenimiento.

Pueden emplearse materiales para disminuir los problemas de corrosión.

Es flexible - permite ajustar la producción a través de la longitud de la carrera y la velocidad de bombeo.

Presenta desgaste en las varillas y en la TP en pozos desviados.

No aplicable cuando se tienen altas relaciones Gas-Aceite.

Su eficiencia decrece con la profundidad.

Por las dimensiones y aspecto de la unidad superficial afecta la estética y el ambiente.

Limitaciones BM

Varillas de

succión

Cabezal

Bomba

subsuperficial

UBM

Rango Tipico Máximo*

Profundidad 100 - 11,000’ TVD 16,000’ TVD

Volumen 5 - 1500 BPD 5000 BPD

Temperatura 100° - 350° F 550° F

Desviación 0 - 20° 0 - 90°

<15°/100’

Corrosión Bueno a Excelente con materiales especiales

Manejo de Gas Aceptable a Bueno

Manejo de Solidos Aceptable a Bueno

Densidad Fluido >8° API

Tipo de motor Gas o Electrico

Aplicaciones Marinas Limitada

Eficiencia Sistema 45%-60%

Rango de Aplicación BM

Varillas de

succión

Cabezal

Bomba

subsuperficial

UBM

MÉTODO DE

DISEÑO API

RP11L

MÉTODO DE DISEÑO

API RP11L

SUPOSICIONES

1. Bombeo con 100 % de líquido.

2. Solamente varillas de acero.

3. Unidad de bombeo convencional.

4. Bajo resbalamiento del motor principal.

5. Unidad perfectamente balanceada.

MÉTODO DE DISEÑO

API RP11L

SUPOSICIONES

6. Fricción normal en el fondo del pozo.

7. No considera efectos de aceleración del fluido.

8. Tubería anclada o desanclada.

NOMENCLATURA

H = Nivel de fluido

L = Profundidad de la bomba; distancia de la superficie alasiento niple/zapata.

N = Velocidad de bombeo; (S.P.M.) número de carreras porminuto completas.

S = Longitud de carrera; distancia del movimiento de la varillapulida del tope al fondo de la carrera.

D = Diámetro del émbolo en la bomba subsuperficial (pg.).

NOMENCLATURA

G = Gravedad específica de los fluidos combinados en el pozo.

Wr = Peso de la sarta de varillas de succión en el aire

Er = Constante de elasticidad de la tubería.

Fo = Carga estática de fluido sobre el área total delémbolo multiplicado por el nivel del fluido.

Kr = Constante de elasticidad que representa la cargaen libras para alargar la sarta de varillas.

1/Kr = Constante de elasticidad para el total de lasarta de varillas.

Skr = Libras de carga necesarias para alargar el totalde la sarta de varillas en una cantidad igual a lacarrera de la varilla pulida.

NOMENCLATURA

Fo/Skr = Alargamiento dimensional de varilla; que es elalargamiento causado por la aplicación estática de la carga defluido.

N/No = Carreras por minuto de la unidad de bombeo; divididapor la frecuencia natural de una sarta de varillas notelescopiada.

NOMENCLATURA

N/Nó = carreras por minuto de la unidad de bombeo divididapor la frecuencia natural de una sarta de varillastelescopiadas.

Kt = Constante de elasticidad que representa la carga en librasrequerida para dilatar la longitud total de la tubería=1pg.

1/Kt = Constante de elasticidad de la longitud total de latubería; (0) si es anclada.

NOMENCLATURA

Sp/S = Porcentaje de la carrera subsuperficial del

émbolo/carrera de la varilla pulida.

Sp = Carrera efectiva de la bomba (pg.).

PD = Desplazamiento total de la bomba a 100 %.

W = Peso total de las varillas en el aire.

NOMENCLATURA

Wrf = Peso total de las varillas en el fluido.

Wrf/Skr = Porcentaje del peso de las varillas en el

fluido; para la carga necesaria para dilatar las

varillas, una cantidad igual a la carrera de la varilla

pulida.

NOMENCLATURA

PPRL = Carga máxima de la varilla pulida.

MPRL = Carga mínima de la varilla pulida.

PT = Torque máximo en la caja de engranes de la unidad.

PRHP = Potencia en la varilla pulida.

CBE = Efecto de contrabalanceo.

NOMENCLATURA

EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL METODO API RP11L

Tablas y graficas

Unidades

Hidroneumáticas de Bombeo Reciprocante (UBH)

TIEBEN

Hasta los años noventa la operación de los equipos

de bombeo mecánico se consideraban los más

eficientes, utilizando las unidades de bombeo

Convencional, Aerobalanceada y la Mark II. Cuando

llegó a México una nueva unidad llamada TIEBEN, en

el campo Poza Rica se llevo a cabo una prueba piloto

en el año de 1995 en el pozo Poza Rica 329 donde se

evaluó la eficiencia de la nueva unidad

Hidroneumática mejor conocida como “Tieben”, que

tan buenos resultados había tenido en el campo

Ébano.

ANTECEDENTES HISTORICOS.

Producción de aceite por tipo de unidad

Unidades Convencionales Unidades Tieben

• 6288 BPD • 7862 BPD

156 Unidades

AIPRA 2005

103 Unidades

Tipos de Unidades

Las unidades de bombeo Hidroneumáticas se clasifican de acuerdo al tipo de motor, montaje y carrera con el que pueden operar.

Tipo de Montaje

• Pedestal (P)

• Directo (DM)

Carrera

• 60 pg (1.52 m)

• 120 pg (3.04 m)

• 180 pg (4.57 m)

Motor

• Eléctrico (E)

• Combustión (G)

Por lo que se tienen:

• EP-60, GP-60, EDM-60 y GDM-60

• EP-120, GP-120, EDM-120 y GDM-120

• EDM-180 y GDM-180

Se compone de dos sistemas básicos:

• Sistema Hidráulico.- Este sistema proporciona el

movimiento necesario, ascendente y descendente, para

el funcionamiento de la Bomba subsuperficial. Consta de

un Cilindro Hidráulico de efecto doble, una Válvula deControl Direccional de cuatro vías y una Bomba Maestra deEngranes (bomba hidráulica).

Principio de Operación

(VER VIDEO)

• Sistema de Balanceo

Hidroneumático.-

Contrabalancea el peso

de la sarta de varillas y

consta de un Cilindro

Hidráulico de efecto simple

(acumulador), un paquete

de Tanques de Nitrógeno

y una Bomba Auxiliar de

Engranajes.

Principio de Operación

Esquemático

Partes esenciales de la UBH reciprocante

Pedestal

• Cilindro (acumulador y motriz.)

•Válvula check.

•Arreglo unión.

•Sensores.

• Pedestal.

• Plato.

• Conexiones.

Paquete motriz

•Válvula direccional.• Controlador de válvula direccional.

•Manifold.•Bomba maestra.•Bomba auxiliar.•Tanque piloto.•Tablero.•Deposito de Aceite.•Acumulador de nitrógeno

•Tanques almacenadores de nitrógeno.

Unidad TIEBEN

VENTAJAS DE LA UNIDAD DE BOMBEO HIDRONEUMATICO

SOBRE LA UNIDAD CONVENCIONAL.

• COSTO DE ADQUISICION. Se tienen ahorros de hasta el 50%

debido a que la unidad TIEBEN viene completamente lista para

ser instalada, a diferencia del convencional que requiere de la

adquisición del motor, las bandas de transmisión, principalmente y

de una tardada y costosa base de concreto.

• CONSUMO DE ENERGIA. Se tiene consumos menores al 30%

del consumo de las unidades convencionales.

• TIPO DE MOTOR. Puede utilizar motor eléctrico, de combustión

interna diesel o de gas, ya sea gas LP de un tanque estacionario o

gas liberado en el espacio anular. Congruente con el consumo de

energía, para un mismo pozo, para una unidad TIEBEN lleva una

ventaja en el requerimiento de potencia, al ser comparada con una

unidad convencional de aproximadamente 30%.

• COSTOS DE REPARACION. Se tienen ahorros del orden del

500%. Por ejemplo, lo mas caro por reparar en una unidad

convencional es el reductor de engranes, con un costo de +/-

$246,000; en una TIEBEN, lo mas caro por reparar es el cilindro

(cambio de todos los sellos y empaques) con un costo de +/-

$8,000.

• TRANSPORTACION E INSTALACION. Mayor facilidad de

transportación, instalación y operación. La unidad TIEBEN se

transporta en un remolque ligero jalado por una camioneta

Pick-Up, se instala y se pone en operación en menos de tres

horas. Puede ser instalada incluso por un simple camión con

malacate y pluma. La unidad TIEBEN no requiere base de

concreto. Como comparación para transportar una unidad

convencional se requieren camiones de plataformas y grúas de

15 toneladas. Además del periodo de acondicionamiento de la

localización y construcción de dicha base.

• EFICIENCIA DE BOMBEO. Con la unidad de bombeo

TIEBEN es posible trabajar a bajas velocidades de

bombeo, lo cual permite un mejor llenado del barril de la

bomba, reduce el golpeteo del fluido, el desgaste de la varillas

y el equipo superficial.

• PRODUCCIÓN DIFERIDA. El tiempo en operación es una

gran ventaja de la unidad TIEBEN, pues la reparación de

cualquier parte de la unidad es bastante rápida y

requiere poco refaccionamiento. Por ejemplo, para

cambiar los sellos del pistón del acumulador de nitrógeno,

recargarlo de nitrógeno y reiniciar la operación se

emplean menos de dos horas. Además el hecho de que el

pedestal sea abatible, permite la operación en forma

inmediata de los equipos de reparación y terminación de

pozos (RTP). Todo esto reduce al mínimo los problemas

por producción diferida.

Unidades de Bombeo de Carrera LargaROTAFLEX

Dos tercios de los pozos en el mundo son operados

mediante Bombeo Mecánico.

70 % de los pozos en Argentina (12,900 pozos) emplean

BM.

Aumenta la demanda mundial de hidrocarburos.

Extracción optima de hidrocarburos desde un punto de

vista técnico-económico.

72

La primera unidad con el mecanismo actual fueinstalada en Diciembre de 1987.

Weatherford (EVI Oil Tools) compró ROTAFLEXen 1989 - Existían 40 unidades instaladas.

Desde esa fecha ha experimentado un 15% decrecimiento interanual.

En 1991 se muda la planta desde Kilgore a Odessa.

Actualmente se cuentan 825 instalaciones anivel mundial, principalmente en Texas,Oklahoma, Venezuela y Colombia.

Características de la unidadRotaflex®

Carrera de 288 y 306 pulgadaspara bombas mecánicas (másde 7 metros).

Alta capacidad de producción.

Alta eficiencia para extracciónde pozos problema o pozosprofundos.

Aplicaciones en reemplazo de bombas BEC.

Características de la unidadRotaflex®

Mayor vida útil del equipo de fondo.

40 a 60% de reducción en los ciclos de esfuerzo, mayor vidaútil de las varillas.

20 a 50% de reducción en el costo de energía.

Ayuda a resolver el problema de candado de gas.

100% accionamiento mecánicode bajo mantenimiento.

Características de la unidadRotaflex®

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Ventajas del ROTAFLEX

Embolada larga y lenta que permite:

Mejorar el llenado del barril.

Reducir los problemas de golpe de fluido.

Minimizar los problemas de interferencia de gas.

Reducir el desgaste entre las partes móviles.

Reducir los esfuerzos de tensión y compresión sobrela sarta de cabillas.

Aumenta la eficiencia total del sistema.

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Ventajas del ROTAFLEX Permite al sistema de bombeo reciprocante

aumentar su capacidad de producción hasta másde 2500 BFPD.

Unidad 100% mecánica.

Contrapeso fácil y preciso.

Reductores de engranajes más pequeños.

Armado, probado y embarcado en una sola pieza.

No es necesaria y desinstalación para realizar losservicios al pozo.

Reduce los costos de operación y mantenimiento.

Características del ROTAFLEX

Unidad Vertical

Carrera de hasta 25 pies

Capacidad de carga de hasta 50.000 lbs

Caja reductora de hasta 320.000 pulg*lbs

Sistema de Inversión

Totalmente Mecánico

Características de la unidadRotaflex®

Reductor API

Corona

Cadena

Carro Inversor

Caja Contrapeso

Características de la unidadRotaflex®

Banda Flexible conecta las

varillas al carro caja contrapeso.

Banda flexible absorbe fuerzas

de inercia en los cambios de

Carrera

Características de la unidadRotaflex®

CORONA

diámetro 914,4 mm.

18 inches

Mecanismo de Inversión

Carrera Descendente

Corona

Superior

Caja

Contrapesos

Corona

Motriz

Carro

Inversor

Cadena

Mecanismo de Inversión

Carrera Descendente

Mecanismo de Inversión

Cambio de Carrera

Mecanismo de Inversión

Cambio de Carrera

Mecanismo de Inversión

Carrera Ascendente

Características del ROTAFLEX Un eje de

rotación en la base permite doblarlo para ser enviado sin desarmar

Características del ROTAFLEX Puede rodarse por

medio de rieles anclados a la base para facilitar el acceso al pozo

Características del ROTAFLEX Base y Unidad

montadas cerca del pozo

Base de concreto especialmente diseñada para el Rotaflex

Plataforma para instalar el contrabalance

Características del ROTAFLEX Guardacorreas

con bisagras para fácil acceso

Poleas de unidad y motor ubicados a nivel del suelo

Rango de velocidad de 1 a 4,5 SPM

ROTAFLEX vs. Unidad Convencional

Unidad API M-912-365-144 R-320-360-288

Nivel de Fluido (metros) 1900 1900

Profundidad de la Bomba (metros) 2000 2000

Tamaño del Pistón (pulg.) 2,25 2,25

Tasa de Producción (m3/día) 101 102

Eficiencia Total del Sistema (%) 48 57

Motor Nema D (HP) 100 60

Carga sobre la Caja Reductora (%) 84 52

Carga sobre la Estructura (%) 79 74

Velocidad de Bombeo (SPM) 11,3 4,83

Consumo Eléctrico Mensual ($) 1.972 1.673

Costo Aproximado del Sistema ($) 152.000 104.000

Candidatos Potenciales

Pozos nuevos

Pozos desviados y horizontales

Pozos con alta frecuencia de fallas de varillas y tubería

Crudos medianos y pesados

Aplicaciones con alta temperatura de fondo

Pozos con poco aporte - bajo nivel de fluido

Pozos someros de alta producción

Conclusiones20 a 50 % de Incremento de Eficiencia de Extracción.

Torque, velocidad y potencia constantes en la mayor parte de las carreras Ascendente y Descendente.

No se necesita sobredimensionar instalación eléctrica.

Sistemas más eficientes si son diseñados para trabajar a plena carga.

Si se utiliza variadores de velocidad no se necesita utilizar motores de Alto Deslizamiento, obteniéndose mejores eficiencias.

TAREA 16- Resumen artículo

Rotaflex Efficiency and Balancing.

J.N. McCoy, A.L. Podio and Lynn Rowlan

SPE 67275

March 2001

EQUIPO No. 4 – 12 octubre 2010

Conceptos para el diseño de UBM

El Bombeo Mecánico es un sistema artificial de producción (SAP)

en el cual el movimiento del equipo de bombeo subsuperficial se

origina en la superficie y se transmite a la bomba por medio de una

sarta de varillas de succión.

1.- Cuando el émbolo inicia su carrera ascendente, se cierra la válvula viajera

por el peso del aceite sobre ésta; la válvula de pie se abre y da paso al aceite

del pozo, llenando la camisa de la bomba.

2.- Al descender el émbolo, se abre la válvula viajera y da paso al aceite de la

camisa de la bomba hacia arriba del émbolo, cerrando la válvula de pie que

impide que se regrese el aceite al pozo.

Ciclo de bombeo

Objetivo del diseño

Producir una cierta

cantidad de fluidos por día

con un mínimo de:1. Torsión.

2. Carga en la varilla pulida.

3. Requerimientos de potencia del motor

principal.

4. Costos de combustible o energía.

5. Costos de mantenimiento de la unidad.

6. Roturas de la varilla.

7. Producción diferida por rotura de varillas o

por reparación y mantenimiento de la

unidad.

8. Costo inicial.

Características del BM

Debe ser:

•Resistente.

•De larga vida.

•Eficiente.

•Fácil y barato de transportar.

•Silencioso.

•No contaminante.

•Seguro de instalar y de operar.

Ventajas y Desventajas del BM

Ventajas:1. Fácil diseño.

2. Unidades pueden ser cambiadas a otros

pozos.

3. Adaptable a agujeros reducidos.

4. Flexible.

5. Levanta aceites viscosos y de altas

temperaturas.

Desventajas:1. No es posible manejar sólidos.

2. No se adapta a grandes profundidades.

3. En operaciones costa-afuera resulta

pesado y estorboso.

Principio de flotación

a) Cuando el Peso del cuerpo es menor

que el Empuje ascendente y se

encuentra en el fondo, el cuerpo sale

a la superficie y flota.

b) Cuando el Peso del cuerpo es igual al

Empuje ascendente, el cuerpo queda

en equilibrio dentro del líquido.

c) Cuando el Peso del cuerpo es mayor

que el Empuje ascendente, éste se

hunde pero aparentemente disminuye

su peso.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo

Zona 1.- Es la parte de la carrera donde la máxima carga de

varillas y fluido se levantan del fondo con máxima

aceleración. Esta zona se extiende desde el fondo hasta

algún punto cerca de la mitad de la carrera ascendente. En

esta zona, el componente de la fuerza de inercia se suma a

la carga estática de la masa de varillas y fluido. Debido a

que la máxima aceleración hacia arriba ocurre en esta zona,

normalmente el producto de la carga compuesta de varillas

y fluido por la máxima aceleración, da como resultado la

carga pico o carga máxima en la varilla pulida.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo

Zona 2.- Es la parte de la carrera ascendente que se

extiende desde cerca del punto medio hasta el tope de la

carrera. En esta zona, aún se tiene la máxima masa de

varillas y fluido, pero se está desacelerando;

consecuentemente, el componente de inercia de la masa de

varillas y fluido se está restando del total del peso estático.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo.

Zona 3.- Se inicia en la parte superior de la carrera

descendente, desplazándose hacia abajo hasta algún

punto cerca de la mitad de la carrera. En esta zona

únicamente se tiene el peso de las varillas flotando,

menos el componente de inercia. Normalmente es en

esta zona donde ocurre la máxima aceleración hacia

abajo.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo.

Zona 4.- Se inicia en algún lugar cerca de la mitad de la

carrera descendente y se extiende hasta el fondo de la

carrera. En esta zona las varillas flotando se

desaceleran en su preparación para detenerse en el

fondo de la carrera, entonces, el componente de inercia

se suma al peso de las varillas.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo.

Wf=peso de los fluidos a=factor de aceleración

Wr= peso de las varillas

a=maxv=0

a=maxv=0

a=0v=max

WfWr-a

WfWr+a

Wr-a

Wr+a

Mitad de la carrera Mitad de la carrera

Parámetros para la selección de la bomba de

inserción

• Volumen a producir.

• Profundidad del intervalo productor.

• Viscosidad del aceite producido.

• Existencia de arena en el aceite.

• Volumen de gas producido.

• Temperatura.

• Porcentaje de agua.

ACCESORIOS

DEL BOMBEO

MECÁNICO

ACCESORIOS

Varillas extrapesada y centradores

1. Se debe utilizar 1 lb. de varilla extrapesada por cada bpdproducido hasta 500 bpd. Ejemplo: para 450 bpd, 450 lbs.de varilla extrapesada. Después de esta cantidad 1.5 lb.

2. No se deben colocar varillas extrapesadas a la profundidadde la bomba cuando exceda los 3º de desviación, porque lavarilla extrapesada es de 1 1/2” y friccionaría contra latubería; en este caso colocar varilla de 7/8” concentradores.

3. Cuando se conoce el punto de la rotura de la varilla, loscentradores van debajo de este punto.

ACCESORIOS

Varillas extrapesadas y centradores

centradores

Varilla extrapesada

ACCESORIOS

Anclas de gas

Un método para mejorar la eficiencia de la bomba,es desviar el gas libre hacia el espacio anular delpozo. El dispositivo que separa el gas del liquido seconoce como ancla de gas:

ANCLA DE GAS TIPO SENCILLOANCLA DE GAS CON EMPACADORANCLA DE GAS CON COPAS

TIPO DE ANCLAS

GOLPE DE FLUIDO.-Cuando la cámara decompresión está sóloparcialmente llena confluido, el problema sepresenta en la carreradescendente de la bomba,el pistón estádesplazándose a través dela parte superior vacía dela cámara de compresión yrepentinamente golpea alencontrar mucho fluido.

CASOS ESPECIALES

VACIO

GOLPE DE GAS.- Estásituación es menos drásticaque el golpe de fluido, yaque al menos existe algo degas en la parte superior dela cámara de compresiónpara ayudar a acumularpresión antes de que laválvula móvil choque conel fluido. El gas amortigualigeramente los choqueshidráulico y mecánico.

CASOS ESPECIALES

VACIO

CANDADO DE GAS.-Fenómeno en la cámara decompresión, hace que la bombano produzca fluido. Las válvulasno operan y el pistón de labomba simplemente se muevehacia arriba y abajo, levantandoy bajando la columna de fluidoen la sarta de tubos. La causa essimplemente que no haysuficiente presión generada en lacámara de compresión durantela carrera descendente de labomba para abrir la válvula.

CASOS ESPECIALES

Cartas dinamométricas

La carta dinamométrica es un diagrama deCARGA VS DESPLAZAMIENTO resultantedel registro de todas las fuerzas que actúansobre la varilla pulida con respecto a suposición en cualquier instante durante el ciclode bombeo.

En este diagrama la posición de la varillapulida esta en el eje de las abscisa y la cargaen el eje de las ordenada.

VARILLA PULIDA

Cartas dinamométricas

1. Cargas en el equipo superficial.

2. Cargas en las varillas.

3. Comportamiento de la bomba.

D E S P L A Z A M I E N T O

C

A

R

G

A

VVC,VPA

A B

C

VVA,VPC

D

CARRERA ASCENDENTE

CARRERA DESCENDENTE

Con ella se puede determinar:

(SARTA DE VARILLAS)

CONDICIONES IDEALES DE UNA CARTA DINAMOMÉTRICA

Velocidad de bombeo baja

No existen fuerzas de aceleración

No existen fuerzas de vibración

No existen fuerzas de fricción

La válvula de pie abre y la válvula viajera cierra instantáneamenteen el inicio de la carrera ascendente.

La válvula de pie cierra y la válvula viajera abre instantáneamenteen el inicio de la carrera descendente.

No existen cambios en la longitud de la varilla debido a latransferencia de carga del fluido.

Cartas dinamométricas

1.- Cargas en el equipo superficial:•Cargas máxima y mínima en laestructura de la UBM.•Torsión en el reductor deengranes y en el motor principal.•Trabajo realizado por la varillapulida al elevar los fluidos yvencer la fricción.•Contrabalanceo apropiado.

Con ella se puede determinar:

Cartas dinamométricas

2.- Cargas en la sarta de varillas:•Cargas máxima y mínima.•Esfuerzos en las varillas.

Con ella se puede determinar:

Cartas dinamométricas

3.-Comportamiento de la bombasubsuperficial:

•Condiciones de trabajo de las válvulasviajera y de pie.•La existencia de golpeteo de fluidos y sumagnitud.•Candado de gas en la bomba.•Fricción excesiva.•Si la bomba está o no bombeando envacío.•Condiciones de sobreviaje del émbolo oreducción del viaje del mismo.

Con ella se puede determinar:

Cartas dinamométricas

Modificación de la carta dinamométrica por efectos de aceleración

Cartas dinamométricas

Efecto de alargamiento y contracción de las varillas

Cartas dinamométricas

Efecto de vibraciones naturales de la sarta de varilla

Diagnóstico de fallas

AUTOMATIZACIÓN BM

• Grandes ventajas técnicas y económicas se obtienen al instalar sistemas de

monitoreo y control (automatización).

• Se utilizan controladores de pozos inteligentes.

Análisis de la tensión con el diagrama de Goodman

Modificado.(ANÁLISIS DE LAS VARILLAS)

De una carta dinamométrica de unaunidad de bombeo mecánico, la cargamáxima de una varilla de 1 pg., grado Ces de 26,235 libras, y la carga mínima es4,750 libras. Empleando el método APIdel diagrama de Goodman modificado sedeterminará sí las varillas trabajan en elrango de tensiones de diseño.

Varilla

Clase KResistente a corrosión

Clase CResistente a corrosión,

trabajo pesado

Clase DTrabajo extra pesado

sin H2S

Grado de la varilla

Composición química

Esfuerzo de tensión (psi)

Mínimo Máximo

K AISI 46XX 85,000 115,000

C AISI 1536 90,000 115,000

DCarbono o aleaciones

115,000 140,000

Propiedades químicas y mecánicas de las varillas

Nota: De la especificación API SPEC 11B, la mínima fuerza de tensión (T)

para varillas de grado C es de 90,000 psi.

SoluciónLa tensión máxima es.

La tensión mínima es.

)psi(33403)pg(785.0

)lbs(26235

illavarladeárea

máximaaargCS

2max

)psi(6051)pg(785.0

)lbs(4750

illavarladeárea

mínimaaargCS

2min

Usando el diagrama de Goodmanmodificado para varillas grado C, para unatensión mínima de 6,051 psi sobre el ejevertical, trazar una línea vertical desde lalínea de tensión mínima hasta el punto detensión máxima 33,403 psi.

Esté punto se encuentra fuera del rangode tensiones permitidas, las varillas seencuentran sobrecargadas. En el diagramala tensión máxima debe de ser de 25,900psi. Este valor corresponde al punto deintersección entre la línea de máximatensión y la línea vertical dibujada.

Análisis de la tensión en forma analítica con la modificación de Goodman.

El método API del análisis de la tensióndel Goodman se puede analizar conecuaciones y estas son muy fáciles deutilizar si se tienen programadas,también son más rápidas y más exactaporque se calculan valores en vez dehacer lecturas en el diagrama.

La ecuación para obtener la tensiónmáxima permitida (SA) es:

SFS5625.0T25.0S minA

T = Mínima fuerza de tensión permitida (psi)SF = factor de seguridad.SA = tensión máxima permitida (psi)

psi25904S

)0.1()6051(5625.0)90000(25.0S

A

A

El rango permitido de tensión es:

)psi(19853605125904

El rango actual de tensión es:

)psi(27352605133403

minAA SSDS

minmaxact SSDS

La carga de la varilla en porcentaje es de:

%8.13710019853

27352

100DS

SSillavarladeaargc%

A

minmax

Por lo tanto se concluye que las varillas se encuentran sobrecargadas

• Se entregará un anteproyecto de SAP para su

autorización (antes del 4 de noviembre) por el

representante de cada equipo del proyecto. Equipo

de 3 o 4 integrantes.

• Se entregará un trabajo escrito.

• Se entregará en un CD toda la información del

proyecto (presentación, artículos u otro tipo de

publicación, corridas de computo, listados, etc.).

• La presentación la realizará todo el equipo del

proyecto en 20 minutos (7 y 9 de diciembre).

PROYECTO FINAL

• Título.

• Objetivo.

• Introducción.

• Desarrollo.

• Resultados.

• Aporte del proyecto.

• Conclusiones y recomendaciones.

• Bibliografía

PROYECTO FINAL

“SOFTWARE DE BOMBEO MECÁNICO”

Software en el mercado.

I. RodstarDesarrollado por la compañía Theta Enterprise, requiere licencia para poder trabajar. Puede trabajar en Red

II.QrodDesarrollado por la compañía Echometer, este software es gratis. Se puede instalar en cualquier PC.

III.SrodDesarrollado por la compañía Lufkin, necesita licencia para poder trabajar. Puede trabajar en Red.

Software en el mercado.

IV.SARPDesarrollado por la compañía CEALC, necesita licencia para podertrabajar. Actualmente no esta disponible en el mercado.

V.TRIRODDesarrollado por la compañía Trico Industries. Emplea el método API RP11L, este software es gratis. Se puede instalar en cualquier

PC.

FIN DE LA PRESENTACIÓN

14 Octubre 2010