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8/3/2019 Bombeo Mecanico Avanzado
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THETA ENTERPRISE, INC.Software Avanzado de Optimizacin para Bombeo por CabillasConsultara y EntrenamientoJohn G. Svinos, Presidente.
OFICINA CENTRAL CORPORATIVAVentas, Soporte Tcnico para RODSTAR, RODDIAG, XDIAG, CBALANCE yDYNOSTAR, T1 Dyno, Entrenamiento, y servicios de consultara.
John G. Svinos PresidenteNumero de telfono: (714) 526-8878Nmero de Fax: (714) 526-8875
Numero efax: (714) 908-7287Email:jsvinos@gotheta.com
Rudy Nesmith Programador Senior.Nmero de Telfono: (714) 526-8878Email: rnesmith@gotheta.com
Theta Enterprise, Inc.1211 West Imperial Hwy.,Suite 105Brea, CA. 92821-3733 USA
OFICINAS, DIVISION BAKERSFIELDXSPOC. Desarrollo y soporte Tcnico.
Terry Treiberg Gerente de Divisin y Jefe de desarrollo de XSPOCEmail: terry@xspoc.comNmero de Telfono: (661) 633-2792Numero efax: (240) 371-8016
Theta Enterprise, Inc.
1701 Westwind DriveSuite 226Bakersfield, CA. 93301 USA.
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Optimizacin
De Bombeo Mecnico Theta Enterprise, Inc. 1989-2005
Por:JohnG. Svinos, Presidente
Theta Enterprise, Inc.1211 West Imperial Hwy., Suite 105
Bera, CA 92821-USATelfonos: (714) 526-8878, Fax: (714) 526-8875
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Traduccin al Espaol
Ing. Herdly EscalanteTsu. Cherry CardonaRevision:
Ing. Julian SanchezMaracaibo, Venezuela 2005
Direcciones de E_mail:John G. Svinos-Presidente: jvsvinos@gotheta.comFerry Treiberg Gerente de desarrollo de XSPOC: terry@xspoc.comOrders: Sandy B. Rodrguez Gerente de Oficina: sandy@gotheta.comSoporte Tcnico del Software: Rudy Nesmith: rudy@gotheta.com
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protegida por derechos de autor y COPYRIGHT.
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En USA: Theta Enterprise, 1211 West Imperial Hwy.,
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En Venezuela: UPCO de Venezuela, Av 19 entre calles
65 y 66, Maracaibo-Edo Zulia. Tlf: +58 (0261) 7830228 /
7830731, Fax: 7830060.
Nota: Este trabajo es una traduccin parcial del ManualROD PUMPING OPTIMIZATION con derechos deautor Theta Enterprise, Inc. Los trabajos tcnicos,ensayos, documentos anexos y diapositivas de lapresentacin no estn disponibles en este formato.
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TABLA DE CONTENIDOS
INTRODUCCIONFuentes de reduccin de rentabilidad
Herramientas modernas de Optimizacin de bombeo mecnicoQue esperar de este cursoTecnologas modernasVentajas y desventajas del bombeo mecnico
1. REVISION DE FUNDAMENTOS1.1 Tensin y Presin1.2 Trabajo1.3 Potencia1.4 Energa1.5 Torque y momento
2. EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS2.1 UNIDAD MOTRIZ
2.1.1 Motores elctricos2.1.2 Motores ultra de alto deslizamiento2.1.3 Motores a gas
2.2 UNIDADES DE BOMBEO2.2.1 Diseo de la Unidad2.2.2 Geometra de la Unidad de bombeo2.2.3 Nomenclatura de la Unidad de bombeo2.2.4 Anlisis Kinematico de la unidad de bombeo
2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS2.3.1 Contrapesos
2.4 BARRA PULIDA, ESTOPERAS Y LINEAS DE FLUJO.2.4.1 Vlvulas de contrapresion
2.5 SARTA DE CABILLAS2.6 TUBERIA DE PRODUCCION2.7 BOMBA DE SUBSUELO
2.7.1 Accin de las vlvulas2.7.2 Accin de las vlvulas y cargas de fluido
2.8 ANCLAS DE GAS
2.9 EQUIPO ADICIONAL DE FONDO DE POZO3. EQUIPO DE FONDO
3.1 BOMBAS DE FONDO3.1.1 Designacin API de las bombas3.1.2 Bombas de tubera
3.1.2.1 Instalacin de la bomba3.1.2.2 Cuando usar bombas de tubera3.1.2.3 Cuando no usar bombas de tuberas
3.1.3 Bombas de cabillas insertables3.1.3.1 Instalacin de la bomba
3.1.3.2 Cuando usar3.1.3.3 Cuando no usar
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3.2 BOLAS Y ASIENTOS3.3 PISTONES
3.3.1 Pistones de empaque suave3.3.2 Pistones metal-metal
3.4 BOMBAS ESPECIALES
3.4.1 Bomba insertable de tres tubos3.4.2 Bombas de dos etapas3.4.3 Vlvula de Carga3.4.4 Bombas de vlvula upper ring
3.5 DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA Y ESCURRIMIENTO3.5.1 Desplazamiento de la bomba y eficiencia volumtrica3.5.2 Escurriento de fluido a travs del pistn
3.6 ANCLAS DE GAS3.6.1 Tipos de anclas de gas.3.6.2 Gua para el diseo de anclas de gas.3.6.3 Diseo paso a paso para anclas de gas modificadas poor
boy3.6.4 ejemplo del diseo de ancla de gas modificada poor boy
4. MEDICIONES DE CAMPO4.1 EL SISTEMA DEL DINAMOMETRO4.2 USO DEL DINAMOMETRO COMO UNA HERRAMIENTO DE
DIAGNOSTICO4.2.1 Instalacin y remocin de los transductores de carga yposicin.4.2.2 Chequeo de vlvulas en la vlvula fija y viajera.4.2.3 Clculos del escurrimiento en la bomba desde la vlvulaviajera.4.2.4 Chequeo de la Vlvula fija.4.2.5 Efecto en la medida del contrabalanceo.4.2.6 Grafico de amperaje.4.2.7 Longitud de la carrera y emboladas por minuto por minuto.4.2.8 Data de la unidad de bombeo y Unidad motriz.
5. ANALISIS DE TORQUE5.1 FACTOR TORQUE5.2 CALCULO DEL TORQUE NETO EN LA CAJA DE ENGRANAJE
5.3 CAGAS EN LA BARRA PULIDA5.4 MAXIMO MOMENTO DE CONTRABALANCEO5.5 EJEMPLO DEL ANALISIS DE TORQUE5.6 CALCULOS DEL FACTOR DE TORQUE5.7 DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES
5.7.1 Tendencia del diagrama de cargas permisibles.
6. BALANCEO DE LA UNIDAD DE BOMBEO6.1 BALANCEANDO LA UNIDAD CON AMPERAJE
6.1.1 Ventajas y desventajas de balancear la unidad conampermetro
6.2 BALANCEANDO LA UNIDAD CON TABLAS Y GRAFICOS DECONTRABALANCEO.
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6.3 BALANCEANDO LA UNIDAD A TRAVES EL SOFWARE6.3.1 CBALANCE contra el balanceo de la unidad a travs del
ampermetro.6.4 EFECTO DEL BALANCEO EN EL COMPORTAMIENTO DEL
SISTEMA.
6.4.1 Factor de cargas cclicas.
7. SARTA DE CABILLAS DE SUCCION7.1 GRADOS DE CABILLAS API
7.1.1 Tamaos de cabillas limitados por tubera7.2 CARGAS EN LAS CABILLAS7.3 CABILLAS DE ACERO NO API7.4 CABILLAS DE FIBRA DE VIDRIO
7.4.1 Ventajas de las cabillas de fibra de vidrio7.4.2 Desventajas de las cabillas de fibra de vidrio
7.5 ANALISIS DE TENSION EN LAS SARTAS DE CABILLAS
7.5.1 Diagrama de Goddman modificado7.5.2 Factores de servicio7.5.3 Ecuacin del diagrama modificado de Goodman paraanlisis de tensin.7.5.4 Anlisis de tensin en cabillas Electra7.5.5 Anlisis de tensin en cabillas Norris 97, LTV HS, y UPCO50K.7.5.6 Anlisis de tensin en cabillas de fibra de vidrio7.5.7 Anlisis de tensin con el mtodo MGS
7.6 BARRAS DE PESO7.6.1 Por que usar barras de peso?
7.7 FALLAS EN CABILLAS DE SUCCION
8. DISEO DEL SISTEMA8.1 DESARROLLO DEL METODO API RP11L8.2 DESARROLLO DEL METODO DE LA ECUACION DE ONDA8.3 CONSIDERACIONES EN EL DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEOPOR CABILLAS
8.3.1 Gua para el diseo de sistema de bombeo por cabillas8.4 CALCULO DE LA TASA OBJETIVO DE PRODUCCION
8.4.1 Mtodo del IP constante
8.4.2 Usando el ndice de productividad8.4.3 Mtodo de Vogels8.4.4 Productividad del pozo por encima de la presin deburbujeo.
8.5 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS USANDO ELAPI RP11L8.6 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS.
8.6.1 El programa RODSTAR8.7 OTROS CALCULOS EN EL DISEO DEL SISTEMA
8.7.1 Fuerza para desasentar la bomba8.7.2 Tamao de la barra pulida
8.7.3 Tamao de la polea del motor y longitud de las correas8.7.4 Velocidades de bombeo mnimas y mximas.
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9. ANALISIS DIAGNOSTICO
9.1 FUNDAMENTOS EN EL ANALISIS DIAGNOSTICO EL SISTEMA DEBOMBEO POR CABILLAS
9.1.1 caractersticas de los pozos grupo 1
9.1.2 Caractersticas de los pozos grupo 29.1.3 Beneficios adicionales del anlisis diagnostico porcomputadora
9.2 ANALISIS DINAMOMETRICO DE FONDO PARA POZOS DELGRUPO 1.
9.2.1 Accin de las vlvulas como una funcin de la presin delbarril9.2.2 Calculo de la presin de entrada de la bomba y el nivel defluido9.2.3 Calculo de las cargas de fluido y la carrera neta de la bomba9.2.4 Lneas de ajuste para separar friccin de las verdaderas
cargas de fluido9.3 EXPLICACION DETALLADA DE LA FORMA DE LAS CARTAS
DINAGRAFICAS DE FONDO9.3.1 Interferencia por gas9.3.2 Golpe de fluido9.3.3 Fuga en la vlvula viajera o el pistn9.3.4 Fuga en la vlvula fija9.3.5 Tubera desanclada9.3.6 Mal funcin del ancla de tubera9.3.7 Golpe de bomba en la carrera descendente9.3.8 Barril de la bomba colapsado (Abollado)-pistn atascado9.3.9 Barril de la bomba desgastado o rajado9.3.10 Altas aceleraciones de fluido (Inercia de fluido)
9.4 COMBINACION DE DOS O MAAS PROBLEMAS DE BOMBAS9.5 ANALISIS DIAGNOSTICO CON EL SOFTWARE RODDIAG
9.5.1 Check List RODDIAG9.5.2 Explicacin de los resultados del RODDIAG
Picos y cargas mnimas de la barra pulida Potencia en la barra pulida Eficiencia del sistema Eficiencia volumtrica de la bomba
Costo elctrico por barril Potencia mnima requerida por el motor Pesio de las cabillas en el fluido Cargas en la estructura de la Unidad Informacin de la tubera de produccin Informacin sobre bombas Clculos a partir de la carta dinagrafica de fondo Anlisis tensional de la sarta de cabillas Data de la unidad de bombeo Anlisis de torque
Tamao requerido por el motor para las condicionesexistentes
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Consumo de energa Grficos dinamometricos.
10. CONTROLADORES DE BOMBEO10.1 Problemas con golpe de fluido10.2 Temporizadores vs controladores de bombeo
10.3 Operacin de los controladores de bombeo10.4 Mtodos para la deteccin del golpe de fluido10.4.1 Mtodo de cargas en un punto10.4.2 Mtodo del cuadrante.10.4.3 Mtodo del rea.10.4.4 Mtodo de la velocidad del motor.
10.5 Estado del arte en el monitoreo y control de sistemas con bombeomecnico.
10.5.1 Sistemas stand-alone.10.5.2 Sistemas de supervisin de controladores de bombeo
10.6 Sistema experto para diagnostico remoto de problemas.
10.6.1 Programa de computadora Xdiag.10.6.2 Resumen de las caractersticas de Xdiag.
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LISTA DE FIGURAS
Figura I-1. Efecto de la Eficiencia del sistema en los costos de electricidad.Figura I-2. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 90%.Figura I-3. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 95%.
Figura I-4. Capacidad del bombeo Mecnico.Figura 1.1. Ejemplo de clculo de Torque.Figura 2.1. Sistema de bombeo Mecnico.Figura 2.2. Curvas de Torque-Velocidad. NEMA D vs Alto deslizamiento.Figura 2.3. Nomenclatura de Unidades de bombeo convencional.Figura 2.4. Nomenclatura de Unidades de bombeo Mark II.Figura 2.5. Nomenclatura de Unidades de bombeo balanceadas por aire.Figura 2.6. Definicin de desbalance Estructural.Figura 2.7. Definicin de ngulo de compensacin de la manivela.Figura 2.8. Operacin de las vlvulas de bomba de cabilla.Figura 2.9. Cargas de fondo sobre el pistn vs posicin para bomba llena.
Figura 2.10. Operacin del ancla de gas (Poor boy).Figura 2.11. Equipo de fondo del sistema de bombeo.Figura 3.1. Designacin de bombas API.Figura 3.2. Bombas API.Figura 3.3. Operacin de la vlvula Charger.Figura 3.4. Operacin de la vlvula de anillos.Figura 3.5. Ancla de gas Natural.Figura 3.6. Operacin del ancla de gas tipo empacadura.Figura 4.1. Ejemplo de carta dinagrafica.Figura 4.2. Sistema Dinamometrico.Figura 4.3. Ejemplo del chequeo de vlvulas.Figura 4.4. Identificacin de manivelas Mark II (Por dentro de la manivela).Figura 5.1. Calculo del torque neto sobre la caja de engranaje.Figura 5.2. Definicin del factor de torque.Figura 5.3. Determinacin del torque neto sobre la caja de engranaje.Figura 5.4. Determinacin de cargas sobre la barra pulida para anlisis detorque.Figura 5.5. Medicin del Efecto de contrabalance.Figura 5.6. Carta dinagrafica para ejemplos de anlisis de torque.Figura 5.7. Grafico de torque para ejemplo de anlisis de torque.Figura 5.8. Ejemplo de carta dinagrafica con diagrama de cargas permisibles.
Figura 5.9. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos paraunidades Mark II con cabillas de acero.Figura 5.10. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos paraunidades convencionales con cabillas de fibra de vidrio.Figura 5.11. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos paraunidades Mark II con cabillas de fibra de vidrio.Figura 6.1. Grficos de amperaje para unidades en condiciones fuera debalance y balanceadas.Figura 6.2. Cuadros ejemplo de contrabalanceo para unidades Lufkin.Figura 6.3. Ejemplo de tablas de contrabalanceo para Unidades American.Figura 6.4. Ejemplo de reporte del software CBALANCE.
Figura 6.5. Terminologa de la posicin de las contrapesas utilizada porCBALANCE.
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Figura 7.1. Construccin del Diagrama API de Goodman modificado.Figura 7.2. Uso del diagrama API de Goodman modificado.Figura 7.3. Diagrama de tensin (Norris 97, LTV HS y UPCO 50K)Figura 7.4. Aumento de la tensin por causa de corrosin.Figura 8.1. ndice de productividad constante para curvas IPR.
Figura 8.2. Curva IPR de Vogel.Figura 8.3. Diseo tradicional de ensayo y error.Figura 8.4. Sistema experto de diseo RODSTAR:Figura 9.1. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.2. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.3. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.4. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.5. Calculo de la presin de entrada en la bomba y nivel de fluido.Figura 9.6. Calculo de las cargas de fluido y embolada neta con modelo exactode friccin.Figura 9.7. Determinacin de las cargas de fluido, embolada bruta y neta a
partir de la carta de fondo calculada.Figura 9.8. Interferencia de gas con bomba espaciada demasiado arriba.Figura 9.9. Golpe de fluido.Figura 9.10. Fuga en la vlvula viajera o en el pistn.Figura 9.11. Fuga en la vlvula fija o estacionaria.Figura 9.12. Tubera desanclada o ancla de tubera no sujeta.Figura 9.13. Malfuncionamiento del ancla de tubera.Figura 9.14. Pistn golpeando en el fondo (Bomba llena).Figura 9.15. Baril de la bomba doblado o pistn atascado.Figura 9.16. Barril de la bomba rajado o gastado.Figura 9.17. Aceleracin alta de fluido (Bomba llena)Figura 9.18. Efecto de la profundidad de la bomba en la forma de la cartadinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 1).Figura 9.19. Efecto de las emboladas por minuto en la forma de la cartadinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 2).Figura 9.20. Efecto del tamao del pistn en la forma de la carta dinagraficapara pozos del grupo 2 (ejemplo # 3).Figura 9.21. Superposicin de cartas dinagraficas.Figura 9.22. Ejemplo de hoja de datos del RODDIAG.Figura 9.23.Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 1)Figura 9.24. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 2)
Figura 9.25. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 3)Figura 10.1 Eventos que preceden el golpe de fluido como una condicin deestado estable.Figura 10.2. Operacin de controladores de bombeo.Figura 10.3. Mtodo de punto de carga para controladores de bombeo.Figura 10.4. Mtodo del cuadrante para controladores de bombeo.Figura 10.5. Mtodo del rea para controladores de bombeo.Figura 10.6. Limites mnimos y mximos para cargas en la barra pulida.Figura 10.7. Sistema centralizado de control.
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INTRODUCCION
El Bombeo mecnico es el ms comn de los mtodos de levantamiento
artificial. Aproximadamente el 95% de todos los pozos en los Estados Unidos
estn bajo levantamiento artificial. El Bombeo mecnico abarca cerca del 90%
de todos los pozos haciendo de este el mtodo primario de levantamiento
domestico. Beam Pumping (otra forma de llamar al bombeo por cabillas cuando
una unidad con viga viajera es usada) es el ms antiguo y ampliamente usado
mtodo de levantamiento artificial costa adentro. Es usualmente el ms
econmico y el sistema ms fcil de mantener cuando es diseado y operado
apropiadamente.
Incrementar la eficiencia del sistema de bombeo mecnico 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 energa.
La eficiencia del sistema es la relacin de la mnima energa requerida
para la produccin actual dividida entre la energa 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 mecnico convencional. Sin
embargo, pocos sistemas por bombeo mecnico realmente operan en un 50%
de eficiencia. Problemas comunes tales como golpe de fluido, pistn de la
bomba desgastado, fugas en la vlvula viajera o fija, y una unidad severamente
fuera de balance, pueden reducir la eficiencia del sistema hasta menos de un
30%. Una bomba severamente daada o una fuga en la tubera puedenresultar en una eficiencia del sistema menor al 30%.
Como se muestra en la Figura I.1, a cada vez ms bajos cortes de agua,
los costos por consumo elctrico podran ser bajados lo suficiente para que el
pozo sea rentable. Sin embargo, a medida que aumenta el corte de agua,
incluso una pequea cada en la eficiencia tiene un gran impacto en los costos
de levantamiento. Como altos cortes de agua son muy comunes en la mayora
de los campos petroleros de hoy, permanecer cercanos a la lnea del 50% deeficiencia es vital para la sobre vivencia econmica. Esto es obvio si se mira la
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Figura I-2 y I-3. Estas figuras son derivadas a partir de la Figura I-1 para cortes
de agua entre 90% y 95% respectivamente. Como se muestra en la Figura I-2,
a medida que la eficiencia del sistema va bajando, el costo por barril de
petrleo se incrementa muy rpido de 0.92 $/bbl para eficiencias del 50% hasta
4.62 $/bbl para eficiencia del sistema igual a 10%. Como se muestra en la
Figura I-3 la tendencia se mantiene cierta para cortes de agua del 95%. Sin
embargo, los costos por barril son dos veces tan altos como para cortes de
agua del 90%.
Fuentes de Reduccin de Rentabilidad:
Para optimizar el comportamiento de sistemas por bombeo mecnico es
importante identificar y entender los problemas que reducen la rentabilidad. Las
dos principales fuentes de reduccin de rentabilidad son baja eficiencia del
sistema y fallas en el equipo. Nosotros podemos subdividir este de la siguiente
manera:
Eficiencia baja del sistema:
Bomba desgastada.
Golpe de fluido.
Unidad desbalanceada.
Mal diseo del tamao del motor.
Fallas del equipo:
Cabillas partidas.
Fuga en tubera.
Fallas en la bomba.
Fallas en la caja de engranaje.
Este curso ensea las habilidades que se necesitan para encontrar,
corregir, prevenir y minimizar los problemas mencionados. La clave para
mejorar la rentabilidad es tenar el conocimiento y las herramientas para
incrementar la eficiencia y reducir las fallas del equipo. El entrenamiento
apropiado en los fundamentos del bombeo mecnico es necesario para
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entender como trabaja el sistema, que puede salir mal, y que hacer sobre los
problemas comunes y los no tan comunes.
Herramientas Modernas en la Optimizacin de Bombeo Mecnico.
Una buena comprensin de los fundamentos del bombeo mecnico y el
uso inteligente de las actuales tecnologas avanzadas de computadoras para
bombeo mecnico pueden cambiar el punto de vista en problemas de campo.
En vez de aceptar baja eficiencia, altos costos de energa, y fallas en el equipo
como un hecho cotidiano, podras entender y ser capaz de minimizar el impacto
de estos problemas. Grandes ahorros e incrementos en los ingresos son
posibles si puedes optimizar el comportamiento del sistema por bombeo
mecnico usando tecnologa moderna. Las principales herramientas para
optimizar el sistema son:
Software de Anlisis Diagnostico: Ayuda a detectar problemas con el
sistema existente de bombeo. RODDIAGes un programa de computadora
desarrollado por Theta enterprise para este propsito. El capitulo del
Anlisis diagnostico describir el uso de tales programas de computadora.
Software Predictivo (diseo):Permite predecir el efecto de los cambios
en el sistema existente, o predecir el comportamiento o las cargas del
nuevo sistema. El programa de computadora RODSTAR discutido en
Diseo del Sistema es la herramienta mas avanzada disponible para este
propsito.
Software para Balancear la Unidad de Bombeo: El nico
comercialmente disponible programa de computadora ha sido desarrollado
por Theta Enterprise y es llamado CBALANCE. Este programa permite:1)
Encontrar el momento de contrabalanceo existente sin necesidad de mediren el campo el efecto del contrabalanceo. 2) Determinar hacia donde
mover las pesas para balancear la unidad. 3) Determinar si las pesas
existentes son suficientes para balancear la unidad. 4) Decidir que tipo y
cuantas pesas ordenar al momento de comprar una unidad de bombeo
nueva.
Controladores de Bombeo: Incrementan la eficiencia del sistema y
minimizan las fallas por fatiga. Los Controladores de bombeo minimizanlos efectos adversos del golpe de fluido, que es la ms comn de las
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condiciones de operacin en pozos por bombeo mecnico. El capitulo de
controladores de pozos discute como estos controladores trabajan y como
estos pueden afectar el comportamiento del sistema.
Que debe esperar de este curso:
Este curso esta diseado para ayudarte a entender los principios bsicos
del bombeo mecnico y para familiarizarte con la tecnologa moderna de
diagnostico. Te enseara como identificar problemas en las cabillas y como
mejorar su diseo. Este curso cubre los fundamentes y te brinda bases slidas
para incrementar tus conocimientos. Despus de completar este curso habrs
aprendido lo siguiente:
Como cada componente del sistema de bombeo trabaja y los efectos en
el resto del sistema.
Como calcular el torque en la caja de engranaje, construir un diagrama
de cargas permisibles, y balancear la unidad de bombeo.
Como grabar y usar cartas dinagraficas para detectar fallas en pozos y
calcular las cargas tensinales de las cabillas API y no API de acero o
fibra de vidrio.
Como trabajan las bombas de cabillas, que tipo de bombas estn
disponibles y cuando usarlas.
Como hacer clculos de productividad de pozos para ver si pueden
producir mas fluido.
Las ventajas y desventajas de los mtodos de diseo API RP 11L, y el
de la ecuacin de onda, sus limitaciones, y los rangos de aplicacin.
Como mejorar el diseo del sistema usando mtodos modernos basados
en la ecuacin de onda y sistemas de tecnologa experta.
Como interpretar la forma de las cartas dinagraficas de fondo y entender
la razn de la misma.
Diferenciar entre pozos profundos y someros y las herramientas que
necesitas para disear y analizarlos apropiadamente. Tambin, cual es
el efecto de la inercia del fluido en pozos someros con altas tasas de
produccin.
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Los problemas causados por el golpe de fluido, como funcionan los
controladores de bombeo y como usarlos apropiadamente.
Los beneficios de usar programas de computadoresInteligentes yotras
tcnicas modernas para optimizar el comportamiento del sistema.
Tecnologa moderna:
En los aos recientes, la tecnologa de la computadora ha revolucionado
cada aspecto del bombeo mecnico. Ahora puedes usar computadoras para
disear, identificar, balancear, y monitorear sistemas de bombeo. Los
desarrollos ms recientes en tecnologa de computadora para bombeo
mecnicos incluyen simuladores muy precisos del sistema de bombeo y
programas de computadoras Inteligentes. Estos paquetes de herramientas
son el estado del arte de la tecnologa en una forma fcil de usar. Si bien esta
tecnologa es nueva, esta avanzando rpidamente. La necesidad de producir
los pozos de la forma ms rentable posible podra resultar en un incremento en
el uso de computadoras en los aos por venir. Todava la habilidad de los
poderosos programas de computadoras no ha podido eliminar la necesidad de
entender las bases del bombeo mecnico. Se ha simplemente cambiado el
nfasis en hacer manualmente clculos tediosos, a aplicar resultados. Este es
un paso en la direccin correcta debido a que mayor esfuerzo puede
dedicrsele a la optimizacin del comportamiento de pozos.
Sin el conocimiento de los principios bsicos del bombeo mecnico el
Ingeniero podra sentirse inseguro acerca de las tecnologas de punta de los
programas de computadoras, controladores de bombeo, monitoreo remoto, etc.
Estos podran parecer misteriosos y difciles de entender. Estos sentimientos
son comprensibles. Todava, estos representan solo falta de conocimiento oentendimiento incompleto de los fundamentos del bombeo mecnico.
Este curso provee el conocimiento necesario para entender las
herramientas modernas de optimizacin del bombeo mecnico. Si se entienden
los fundamentos ac cubiertos entonces podrs racionalmente evaluar
cualquier nueva tecnologa que aparezca. As, Podrs confiar en tu propio juicio
en ves de creer en el de alguien ms o sentirte inseguro acerca de cosas que
no entiendes.
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Bombeo Mecnico, Ventajas y Desventajas:
Como cualquier otro mtodo de levantamiento artificial, el bombeo
mecnico tiene sus pros y contras que son importantes cuando se determina
que mtodo de levantamiento usar para una aplicacin particular. Uno de los
factores ms importantes a considerar es la mxima tasa de produccin que
deseas de tus pozos. La Figura I-4muestra el rango de aplicacin del bombeo
mecnico. Como puede verse, dependiendo de la profundidad de la bomba, el
bombeo mecnico puede no cumplir con la capacidad de produccin deseada.
Como muestra la Figura I-4, la capacidad de produccin del bombeo mecnico
cae rpidamente con profundidad. Sin embargo, en el rango en el que puede
usarse el Bombeo Mecnico, es difcil superar su eficiencia, versatilidad y
facilidad de servicio.
Usualmente la decisin de que mtodo de levantamiento utilizar
depende de muchos factores que incluyen: Localizacin geogrfica,
disponibilidad de electricidad o gas, produccin de arena u otros slidos,
desviacin del pozo, acumulacin de escamas y parafinas, costos del equipo,
etc. Para ayudarte en tales dediciones, lo que sigue es un resumen de las
principales ventajas y desventajas del bombeo mecnico:
Ventajas Desventajas
Fcil de operar y servicios
Puede cambiarse fcilmente la tasa de
produccin cambiando la velocidad de
bombeo o la longitud de la carrera
Puedes disminuir la presin de entrada
de la bomba para maximizar la
produccin.
Usualmente es el mtodo delevantamiento artificial ms eficiente.
Pueden intercambiarse fcilmente las
unidades de superficie.
Pueden utilizarse motores a gas si no hay
disponibilidad elctrica
Puedes usar controladores de bombeo
para minimizar golpe de fluido, costos de
electricidad y fallas de cabillas.
Puede ser monitoreado de manera
Es problemtico en pozos desviados.
No puede usarse costa afuera por el
tamao del equipo de superficie y la
limitacin en la capacidad de produccin
comparado con otros mtodos.
No puede manejar produccin excesiva
de arena.
La eficiencia volumtrica caedrsticamente cuando se maneja gas
libre
Las tasas de produccin caen rpido con
profundidad comparada con otros
mtodos de levantamiento artificial.
No es oportuno en reas urbanas.
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remota con un sistema controlador de
bombeo.
Puedes usar modernos anlisis
dinamometricos de computadora para
optimizar el sistema.
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CAPITULO 1
REVISION DE FUNDAMENTOS
Todos los temas, incluyendo el bombeo mecnico, estn basados en
principios y fundamentos. Estas ideas bsicas son necesarias para entender eltema como las bases lo son para un edificio. Esto es porque, incluso si tu estas
familiarizado con los tpicos a seguir, es una buena idea darles un vistazo a
cualquier concepto que podras necesitar revisar para continuar con el resto de
los captulos. Tambin, mantn en mente que El diccionario de levantamiento
Artificial (Apndice B) al final de este manual contienen definiciones tiles de
trminos con los que podras no estar familiarizado.
1.1 TENSION Y PRESION:
La tensin es definida como fuerza por unidad de rea, Por ejemplo, si
jalas una cabilla con un rea seccional de 1 plg2 con una fuerza de 1000 lbs,
entonces la tensin en la cabilla ser:
lpcoplbsp
lbsTension 1000lg/1000
lg1
1000 22
==
La tensin se refiere a slidos y es diferente a la presin (ver discusin
abajo). El concepto de tensin y cargas tensinales son importantes para
entender como disear y analizar las cabillas de succin.
Presin: Es tambin definida como fuerza por unidad de rea. Sin
embargo, la presin se refiere al resultado de las fuerzas en las superficies de
un fluido. Por ejemplo, el gradiente de presin del
agua es de 0.433 lpc/pie. Si un tanque contiene
agua a una altura de 100 pies la presin en el fondo
el tanque ser de 43.3 lpc (100*0.433). Si el readel fondo del tanque es de 100 plg2 entonces la
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fuerza aplicada en el fondo del tanque ser:
lbspplbsAPF 330.4lg100lg/3.43 22 ===
El flujo de fluidos es de una regin de alta presin a una de baja presin. Elfluido del yacimiento fluye hacia el fondo del pozo debido a que esta es la zona
de baja presin. Una bomba de cabillas disminuye la presin en el fondo del
pozo al disminuir al mnimo el nivel de fluidlo por encima de si. Mientras mas
baja es la presin en el fondo del pozo, mayor ser la cantidad de fluido que
aportara la formacin al pozo y por supuesto a la bomba. La cantidad de fluido
en el pozo determinara el flujo de fluidos desde la formacin. Un alto nivel de
fluido sobre la bomba reduce la tasa de produccin debido a las grandespresiones aplicadas sobre la formacin. Si se detiene la unidad de bombeo, el
nivel de fluido aumentara hasta que la presin del fondo del pozo sea igual a la
de la formacin. En este punto el flujo de fluidos desde la formacin se
detendr. La presin de fondo de pozo a la cual el flujo de fluidos se detiene se
denomina presin esttica.
1.2 TRABAJO:
El trabajo es la fuerza que se aplica contra un cuerpo durante una cierta
distancia. Por ejemplo, si se aplica una fuerza de 1000 lbs a un bloque para
moverlo 10 pies, entonces el trabajo hecho ser:
lbspiespieslbsDFW === 000.10101000
El trabajo es independiente del tiempo. Solo depende de la magnitud de
la fuerza y la distancia a travs de la cual la fuerza acta. En el ejemplo de
arriba el trabajo hecho fue de 10.000 pies-lbs, sin importar cuanto tiempo tomo
mover el bloque.
1.3 POTENCIA:
La potencia muestra que tan rpido puede realizarse el trabajo. Cuanto
mas rpido se realice el trabajo, mayor ser la potencia requerida. En el
ejemplo de arriba, si te toma 10 segundos mover el bloque 10 pies, entonces la
potencia ser:
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seglbspiesseg
lbspies
t
WPotencia /)(000.1
10
000.10=
==
Comnmente se expresa la potencia en unidades de caballos fuerza (hp)
o watts (w). Como 1 hp es igual a 550 pies-lbs/seg., la potencia requerida en el
ejemplo anterior ser:
hpseglbspies
hp
seg
lbspies82.1
/)(550
1)(000.1=
Tambin, como 1 hp=747.7 W, la potencia en vatios para este ejemplo
ser:
W357.182.17.745 =
Si se quisiera mover el mismo bloque la misma distancia de 10 pies en
5 segundos, entonces se necesitara el doble de la potencia calculada
(1.82*2=3.64 hp). Por lo tanto, si se necesita una maquina para mover el
bloque, esta necesitara un motor con mas de 3.64 hp.
1.4 ENERGIA:Energa es la capacidad, o potencial para realizar un trabajo. Una batera
elctrica tiene energa debido a que puede hacer un trabajo cuando la conectas
a una maquina como un ventilador elctrico. El gas natural contiene energa
que puede ser convertida en trabajo cuando se quema en un motor a gas. Las
maquinas convierten la energa en trabajo til. Por ejemplo, un motor elctrico
convierte energa elctrica en el trabajo necesario para bombear crudo. La
eficiencia de una maquina es la relacin entre la energa necesaria pararealizar el trabajo y la cantidad de energa real consumida durante el trabajo.
El sistema de cabillas de succin es uno de los mtodos de
levantamiento artificial ms eficientes cuando es diseado y operado con
propiedad. La eficiencia mxima del sistema (Desde el motor hasta la bomba)
es usualmente un 45% o 55% dependiendo de la profundidad de la bomba,
condicin de la bomba, etc. Cerca de la mitad de la energa dentro del sistema
se pierde en calor, friccin y fuga de fluidos. Si la bomba esta defectuosa, si la
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unidad esta severamente fuera de balance, o si la tubera tiene una fuga, las
prdidas de energa aumentan y la eficiencia del sistema disminuye.
1.5 TORQUE Y MOMENTO:
El Torque es una fuerza de torsin. La Figura 1.1 muestra la conexin de
la manivela al eje. Si se aplica una fuerza F de 1000 lbs a una distancia de 10
plg desde el centro del eje, el eje podra experimentar un torque igual a:
xlbspplbsXFT lg000.10lg101000 ===
El momentoes definido como la tendencia a causar rotacin alrededor
de un punto. En otras palabras es bsicamente lo mismo que el torque. En
bombeo por cabillas, el momento se refiere al torque en la caja de engranaje
producido por las contrapesas y la manivela de la unidad de bombeo. Para
calcular el torque en el eje debido a una aplicacin de una fuerza F, se debe
multiplicar la fuerza por la distancia horizontal desde el centro del eje hasta el
punto donde se aplica la fuerza. Si la manivela en la Figura 1.1 rotara alrededor
del eje entonces el torque en el eje a cualquier posicin seria:
)( XsenDsenFDFT ===
Donde D es la distancia horizontal desde el centro del eje a la fuerza F.
La distancia X es la longitud de la manivela. Theta es el ngulo de la manivela
tomando como punto de referencia las 12 en punto de las agujas del reloj. El
mximo torque o momento ocurre cuando theta es igual a 90 o 270 debido a
que en esta posicin el seno es igual a 1. Para cualquier otro ngulo es menor.
Por ejemplo, a 45 en torque en el eje es:
[ ] lbspsenT === lg070.707.71000)45(101000
Este es menor que el mximo momento calculado de 10.000 lbs-plg
calculado arriba cuando la manivela (crack) esta horizontal (=90). Cuando el
ngulo de la manivela es 0 o 180 el torque en el eje es cero debido a que la
distancia D es igual a cero.
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Posicin de Mximo Torque
Figura 1.1. Ejemplo de Calculo de Torque
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DIVISION DEL SISTEMA DE BOMBEO
MECANICO:
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CAPITULO 2
EL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO
La funcin del sistema de bombeo mecnico por cabillas es transmitir la
potencia hasta la bomba de fondo para levantar los fluidos del yacimiento hastala superficie. La bomba de cabillas, bombeando el fluido que fluye desde la
formacin hasta el fondo del pozo, disminuye la presin en el fondo. Un
diferencial de presin grande entre la formacin y el fondo del pozo incrementa
la tasa de produccin.
Como muestra la Figura 2.1, el sistema de bombeo por cabillas consiste
en equipo de superficie y de fondo. El equipo de superficie incluye la unidad
motriz (motor elctrico o motor a gas), unidad de bombeo, barra pulida, prensaestopa, cabezal, y lneas de flujo. El equipo de fondo incluye el revestidor,
tubera de produccin, sarta de cabillas, bomba de fondo, ancla de gas
(opcional), niple de asentamiento, niple perforado y ancla de lodo (tubo de
barro). En este capitulo se examinara cada componente del sistema para
entender como trabaja y como afecta el resto del sistema.
2.1 UNIDAD MOTRIZ:
La unidad motriz es tpicamente un motor elctrico o a gas. La mayora
de las unidades motrices son motores elctricos. Motores a gas son usados en
locaciones sin electricidad. La funcin de la unidad motriz es suministrar la
potencia que el sistema de bombeo necesita. La unidad motriz afecta el
consumo de energa y las cargas de la caja de engranaje. Los hpdel motor
dependen de la profundidad, nivel de fluido, velocidad de bombeo y balanceo
de la unidad. El tamao de la unidad motriz se cubrir en el Capitulo deDiseo
del Sistema. Sin embargo, es importante entender que el tamao de la unidad
motriz puede tener un impacto significativo en la eficiencia del sistema. En la
mayora de los campos petroleros los motores estn usualmente sobre
dimensionadas. Esto garantiza que estarn disponible suficientes caballos de
fuerza en el sistema pero al precio de bajar la eficiencia. Motores elctricos
alcanzan sus eficiencias ms altas cuando las cargas estn cercanas a la
potencia de la etiqueta (Placa del motor). Cuando un motor esta poco cargado
la eficiencia es menor.
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Los motores elctricos y a gas son componentes de bajo torque y altos
rpm. La variacin de velocidad de la unidad motriz afecta la caja de engranaje,
las cargas en las cabillas y tambin la velocidad de bombeo. Variaciones de
velocidad altas del motor reducen el torque neto en la caja de engranaje. Por
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ejemplo, en la carrera ascendente donde la barra pulida soporta las mayores
cargas, el motor desacelera. Debido a esta reduccin de velocidad, la inercia
de los contrapesos (resistencia al cambio en velocidad) ayuda a reducir el
torque de la caja de engranaje liberando energa kinetica almacenada. Esto
tambin reduce las cargas picos en la barra pulida reduciendo la aceleracin de
la barra pulida. En la carrera descendente la unidad acelera resultando en
cargas mnimas sobre la barra pulida. Por lo tanto, variaciones de velocidad
altas en la unidad motriz "aplanan las cartas dinamograficas al compararse
con unidades motrices de baja variacin de velocidad. Esto resulta en rangos
bajos de tensin y por ende en disminucin de la fatiga en las cabillas.
La siguiente figura es un ejemplo de diferencias en las forma de las
cartas dinagraficas entre un motor NEMA D con una variacin de velocidad del
8% y un motor de alto deslizamiento con una variacin de velocidad del 35%.
Esto es para un pozo de 9000 pies con una unidad de bombeo Mark II.
2.1.1 Motores Elctricos:Los motores elctricos para bombas de cabillas son principalmente
motores de induccin de tres fases. NEMA D (Nacional Electrical
Manufacturers Association) clasifica los motores segn el deslizamiento y las
caractersticas de torque durante el arranque. El porcentaje de deslizamiento
es definido como:
)1.2(100)(
Ecuacion
S
SSS
g
flg
=
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Donde Sg es la velocidad sincrona del motor (usualmente 1200 rpm) y
Sn es la velocidad para cargas completas.
La variacin de velocidad es diferente del deslizamiento. Se define
como:
)2.2(100)(
max
minmax
var EcuacionS
SSS
=
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 mximo deslizamiento de 5% y
NEMA B con un mximo deslizamiento de 3%.
2.1.2 Motores de Ultra Alto Deslizamiento:
Motores elctricos especiales con deslizamiento mayor al 13% son
denominados motores de ultra alto deslizamiento. Estos son diseados 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 ms bajos
torque en la arrancada y las variaciones de velocidad ms 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
modo medio o bajo-medio con caractersticas entre los modos de bajo y alto
torque.
Un dimencionamiento correcto del motor de ultra alto deslizamientopodra tener una variacin de velocidad de hasta un 50%. Usualmente esto
resulta en torques ms bajos en la caja de engranaje y cargas en las cabillas
comparado a sistemas con unidades motrices de bajo deslizamiento. Un motor
ultra de alto deslizamiento debe ser correctamente dimensionado y aplicado
para las condiciones correctas del pozo para reducir el torque a travs de las
variaciones altas de velocidad. Un motor sobre diseado puede no cargarse lo
suficiente para variar la velocidad y podra realmente comportarse como unmotor NEMA D.
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2.1.3 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 tpicamente queman gas rentado y son generalmente
ms baratos que operar motores elctricos. Sin embargo, los costos de capital
y el mantenimiento son usualmente ms altos que para motores elctricos.
Motores a gas son primordialmente utilizados en locaciones remotas sin
disponibilidad de electricidad.
2.2 UNIDADES DE BOMBEO:
La funcin de la unidad de bombeo es convertir el movimiento rotacional
de la unidad motriz al movimiento ascendente-descendente de la barra pulida.
Una unidad de bombeo apropiadamente diseada tiene el tamao exacto de
caja de engranaje y estructura. Tambin tiene suficiente capacidad de carrera
para producir el fluido que deseas.
Si bien todas las unidades de bombeo tienen caractersticas comunes,
estas tambin tienen diferencias que podran influenciar significativamente el
comportamiento del sistema. Para maximizar la eficiencia del sistema necesitas
entender las ventajas y las desventajas de las diferentes geometras de las
unidades de bombeo para las condiciones de los pozos. Esto puede hacerse
simulando el sistema de bombeo con un moderno programa de diseo como el
RODSTAR que puede asertivamente modelar toda la geometra de las
unidades de bombeo. Con tales programas de computadora puede predecirsela produccin, cargas, tensin, torque y consumo de energa para diferentes
geometras de unidades de bombeo para la aplicacin. Este es la manera mas
precisa de comparar unidades.
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2.1.1.-Diseo de la Unidad.
La API ha desarrollado un mtodo estndar para describir las unidades
de bombeo. Es como sigue:
La letra C significa unidad convencional, tal como la unidad mostrada en
la Figura 2.1. La letra M significa una unidad Mark II y la letra A una unidadbalanceada por aire. Tambin pueden verse otras combinaciones de letras
simples o dobles para nuevos tipos de unidades de bombeo tales como RM
para unidades Lufkin Mark Revers. El primer nmero es la designacin de la
capacidad de carga de la caja de engranaje en Miles libras-plg (torque), En el
ejemplo, la capacidad de la caja de engranaje es hasta 320.000 lbs-plg. El
segundo nmero es la capacidad de la estructura en cientos de libras. En el
ejemplo este rango significa que para evitar sobre cargas en la estructura de la
unidad, la barra pulida no debe exceder de 25.600 lbs. El ultimo numero
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muestra el longitud mxima de la carrera de la unidad en pulgadas (100 plg en
el caso ejemplo). Las unidades de bombeo usualmente tienen desde 2 hasta 5
longitudes de carrera. Los catlogos de las unidades muestran todas las
longitudes de carrera disponibles.
2.2.2 Geometra de las Unidades de Bombeo:
Las siguientes pginas muestran los tipos de unidades de bombeo ms
populares. Estas son:
1. Tipo convencional
2. Mark II
3. Balanceadas por Aire
Unidades de Bombeo Convencional
Ventajas:1. Costos de Mantenimiento
bajos.2. Cuesta menos que otras
Unidades.3. Usualmente es mejor que
el Mark II con sarta decabillas de fibra de vidrio.
4. Puede rotar en sentidohorario y antihorario.
5. Puede bombear ms
rpido que las UnidadesMark II sin problemas.6. Requiere menos
contrabalanceo que lasMark II.
Desventajas:1. En varias aplicaciones no es tan eficiente como el Mark II u otros tipos de unidades.2. Podra requerir cajas de engranaje ms grandes que otros tipos de unidad
(especialmente con cabillas de acero).
Unidades de Bombeo Mark IIVentajas:
1. Tiene menor torque enla mayora de los casos.
2. Podra costar menos (-5%, -10%) comparadacon el siguiente tamaoen una unidadconvencional.
3. Es ms eficiente que lasunidadesconvencionales en lamayora de los casos.
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Desventajas:1. En varias aplicaciones, no puede bombear tan rpido como una unidad convencional
debido a su velocidad en la carrera descendente.2. Solo puede rotar en sentido antihorario.3. En caso de existir golpe de fluido podra causar mas dao a la sarta de cabillas y la
bomba.4. Puede colocar la base de la sarta de de cabillas en severa compresin causando fallas
por pandeo.5. Puede experimentar torques mas altos que las unidades convencionales cuando se
usan cabillas de fibra de vidrio, adems, de la posibilidad de colocarlas en compresin.
Unidades de Bombeo Balanceadas por Aire
Ventajas:1. Es ms compacta y fcil de
balancear que las otrasunidades.
2. Los costos de transporte sonmas bajos que otras unidades(debido a que pesa menos)
3. Vienen en tamaos msgrandes que cualquier otrotipo de unidad.
4. Puede rotar tanto en sentidohorario como antihorario.
Desventajas:1. Son ms complicadas y
requieren mayormantenimiento (compresor deaire, cilindro de aire).
2. La condensacin del aire enel cilindro puede constituir un serio problema.
3. La caja de engranaje podra daarse si el cilindro pierde la presin de aire.
Otras caractersticas interesantes de las unidades balanceadas por aire son:
1. Perfecto contrabalanceo con el toque del dedo.2. Longitudes de carrera de hasta 20 pies para pozos con alto potencial.3. Fcil de Instalar.
Existen tambin otros varios tipos de unidad tales como las de bajo
perfil, hidrulicas, de carreras largas (tales como Rotaflex), y otras unidades de
geometra inusual. Sin embargo, la mayora de los pozos son bombeados con
los tres principales tipos de unidades mencionados. La razn principal de la
duracin de la popularidad de estas unidades de bombeo es por que estas han
sido usadas por ms tiempo que las otras y han probado ser confiables,
durables, y fciles de mantener. Dependiendo de la aplicacin, hay ventajas y
desventajas para cada tipo de unidad. Ninguna unidad puede reclamar para si
el mejor comportamiento en todas las aplicaciones. Por ejemplo, si el espacio
es limitado entonces una unidad balanceada por aire es la mejor opcin por lo
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compacto de su diseo. Si se usan cabillas de fibra de vidrio entonces una
unidad convencional ser mejor que un Mark II como ser explicado luego. En
pozos profundos con cabillas de acero, una unidad Mark II puede tener el ms
bajo torque neto en la caja de engranaje, etc.
La manera mas precisa de encontrar la mejor geometra de unidad para
una aplicacin dada es usar programas predictivos de computadora tales
como el RODSTAR. Con estos programas se puede modelar la unidad de
bombeo usando kinematica (caractersticas de movimiento) de manera muy
precisa, de la misma forma te permite comparar el comportamiento de
diferentes unidades de bombeo para aplicaciones especificadas. Tambin
permite evaluar que sentido de rotacin es mejor aplicarle a la manivela (En
sentido de las agujas el reloj o en contra del sentido de las agujas).
2.2.3 Nomenclatura de las Unidades de Bombeo.
Las Figuras 2.3, 2.4 y 2.5muestran los nombres de los componentes de
las unidades de bombeo convencionales, Mark II y balanceadas por aire. Las
siguientes son definiciones de algunos trminos adicionales de las unidades de
bombeo:
Desbalance estructural: Es la fuerza que se necesita para que la barra
pulida mantenga la viga viajera en una posicin horizontal con los brazos
pitman desconectados de los pins de la manivela. Esta fuerza es positiva
cuando acta hacia abajo y negativa cuando acta hacia arriba. Ver la Figura
2.6 para una explicacin visual del desbalance estructural. El desbalance
estructural para unidades convencionales puede ser o positivo o negativo. Para
unidades Mark II es siempre negativo.
Angulo de compensacin de la manivela:Este es el ngulo entre elpin de la manivela y los brazos de las contrapesas. La Figura 2.7muestra como
se puede medir el ngulo de fase de la manivela. Para unidades Mark II el
ngulo de fase es positivo. Para manivelas del tipo Torqmaster este es
negativo. Para la mayora de las unidades de bombeo convencionales el
ngulo de fase de la manivela es cero.
El propsito del ngulo de fase de la manivela es ayudar a reducir el
torque en la caja de engranaje mejorando la fase entre las cargas en la barrapulida y el momento de las contrapesas.
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FIGURA 2.4FIGURA 2.4
FIGURA 2.3FIGURA 2.3
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FIGURA 2.5FIGURA 2.5
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REVERSEMARK
LOWP
ROFILE
C
HURCHILLBEAM
PORTA
BLE/TRAILERMOUNT
LUFKIN
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2.2.4 Anlisis Kinematico de las Unidades de Bombeo:
Para evaluar el comportamiento de los diferentes tipos de Unidades de
bombeo, es importante simular con precisin sus caractersticas kinematicas.
El informe de la SPE al final de este capitulo titulado Un anlisis Kinematico
exacto de las Unidades de bombeodescribe un mtodo para calcular la posicin
de la barra pulida, velocidad, y aceleracin para cualquier ngulo de la
manivela. Este modelo kinematico puede usarse para calcular la posicin
angular, velocidad y aceleracin de cualquier parte de la unidad de bombeo.
Usando este mtodo kinematico se pueden comparar la velocidad de la
barra pulida y la aceleracin de diferentes unidades, Sin embargo, debe
mantenerse en mente que el comportamiento del sistema de las unidades de
bombeo depende en la interaccin de todos los componentes del sistema. La
geometra de las unidades de bombeo es un factor muy importante pero no es
el nico. Otros elementos incluyen la profundidad del pozo, tamao de la
bomba, diseo de la sarta de cabillas, material de las cabillas, y tipo de unidad
motriz. Por lo tanto, el modelo kinematico de la unidad de bombeo debe
combinarse con el mtodo predicativo de la ecuacin de onda para comparar
con exactitud unidades de bombeo para condiciones de pozo dadas.
La unidad de bombeo tiene una gran influencia en el comportamiento del
sistema. Afecta las cargas en la barra pulida, carrera en la bomba, tamao del
unidad motriz, torques picos, y consumo de energa. Un anlisis matemtico
detallado de la geometra de la unidad de bombeo esta ms all del alcance de
este curso. El mtodo del anlisis kinematico descrito en el informe # 12201 de
la SPE provee una explicacin detallada de cmo modelar unidades de
bombeo, calcular factores de torque, y cualquier otro valor relacionado con elmovimiento de la unidad.
2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS
La funcin de la caja de engranaje es convertir torque bajos y altas rpm
de la unidad motriz en altos torque y bajas rpm necesarias para operar la
unidad de bombeo. Una reduccin tpica de una caja de engranaje es 30:1.
Esto significa que la caja de engranaje reduce los rpm a la entrada 30 vecesmientras intensifica el torque de entrada 30 veces.
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2.3.1 Contrapesos
Si la caja de engranaje tuviera que suplir todo el torque que la unidad de
bombeo necesita para operar, su tamao debera ser demasiado grande.
Afortunadamente, al usar contrapesos, el tamao de la caja de engranaje
puede ser minimizado.
Los contrapesos ayudan a reducir el torque que la caja debe suministrar.
Estos ayudan a la caja durante la carrera ascendente cuando las cargas en la
barra pulida son las ms grandes. En la carrera descendente, la caja de
engranaje levanta los contrapesos con la ayuda de las cargas de las cabillas,
quedando listos para ayudar nuevamente en la carrera ascendente. En otras
palabras, en la carrera ascendente, las contrapesas proporcionan energa a la
caja de engranaje (Al caer). En la carrera descendente estos almacenan
energa (subiendo). La condicin operacional ideal es igualar el torque en la
carrera ascendente y descendente usando la cantidad correcta del momento
de contrabalanceo. Cuando esto ocurre la unidad esta Balanceada.
Una unidad fuera de balance puede sobrecargar el motor y la caja de
engranaje. Esto puede resultar en fallas costosas y perdidas de produccin si
no se corrige a tiempo. Para determinar si la unidad esta balanceada, debe
hacerse un anlisis de torque o registrar un grafico de amperaje del motor en la
carrera ascendente y descendente.
2.4 BARRA PULIDA, PRENSA ESTOPA Y LINEA DE FLUJO:
La barra pulida conecta la unidad de bombeo a la sarta de cabillas y es
la nica parte de la sarta que es visible en la superficie. Como su nombre lo
dice, la barra pulida tiene una superficie lisa y brillante. La superficie de la barra
pulida previene el desgaste de las empacaduras del prensaestopa. Lasempacaduras del prensa estopa estn diseadas para prevenir fugas de fluido.
Si el pozo no produce suficiente petrleo para mantener lubricada la barra
pulida entonces un lubricador es usualmente instalado encima del prensa
estopa. Este lubricador prevendr daos en la prensa estopa y la barra pulida
con la constante lubricacin.
Las empacaduras del prensa estopa son apretadas para prevenir fugas
en el cabezal. Pero, si se aprietan demasiado, podran incrementarse lasperdidas de potencia en la barra pulida resultando en una mala interpretacin
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de la carta dinagrafica por la distorsin de las cargas sobre la barra pulida. La
funcin principal de la barra pulida es soportar el peso de la sarta de cabillas,
bomba y fluido. Por lo tanto, la barra pulida experimenta cargas ms altas que
cualquier otra parte de la sarta.
Las lneas de flujo conectan el cabezal del pozo con el separador.
Aunque este curso no cubre los equipos ms all del cabezal, es importante
entender el efecto de la presin de la lnea de flujo en el sistema de bombeo
por cabillas. Como si discuti arriba, la barra pulida soporta el peso de la sarta
de cabillas y el fluido. Tambin, debe sobreponerse a la presin en la lnea.
Altas presiones en la lnea pueden resultar en altas cargas en la barra pulida y
una baja en la eficiencia. Estas cargas adicionales en la barra pulida
dependern del dimetro del pistn. Mientras ms grande sea el tamao del
pistn, ms grande ser el efecto de la presin de la lnea de flujo en el
sistema.
2.4.1 Vlvula de Contrapresin:
En pozos con exceso de gas tendr que instalarse un orificio o pressure
backen la lnea de flujo. Esto es necesario para evitar cabeceo o interrupcin
de la produccin. Esto ocurre cuando:
Cuando el fluido producido se acerca a la superficie del pozo la presin
va en descenso. Esto causa expansin del gas dentro de la tubera de
produccin desalojando el lquido hacia la superficie. A medida que el gas
fuerza la salida del lquido hacia las lneas de flujo, la presin en la tubera
disminuye, y ms y ms gas podr expandirse.
Cabeceos causan ciclos de alta produccin seguidos por periodos de
baja produccin o ninguna produccin. Al comienzo del cabeceo, el gas enexpansin empuja el liquido dentro de las lneas de flujo y aumento la
produccin momentneamente. Sin embargo, el lquido que deja la tubera es
reemplazado por ms y ms gas libre. Eventualmente, la tubera queda seca, y
la produccin se detiene hasta que la tubera se llene con fluido nuevamente.
En un pozo de bombeo, el cabeceo es indeseable y debe ser controlado. La
forma mas comn de detener el cabeceo es usando un orificio o una vlvula de
desahogo de presin. Este dispositivo incrementa la presin en la lnea de flujopara evitar el gas se expanda y cause cabeceo. Incrementar la presin en la
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tubera 50-60 lpc es frecuentemente suficiente para detener el cabeceo. La
vlvula de presin de desahogo es diseada para cerrar cuando la presin de
tubera es baja y para abrir cuando la presin de la tubera aumenta. La bola en
este tipo de vlvula se mantiene cerrada con un resorte enrollado. Cuando la
presin en la tubera excede la tensin del resorte la vlvula se abre.
Si bien esto mantiene libre de cabeceo al pozo, debido a la presin
agregada al pistn, el sistema deber realizar un trabajo mayor. Esto sin duda
disminuye la eficiencia del sistema. Por lo tanto, vlvulas de presin de retorno
y orificios deben usarse solo cuando el pozo presenta cabeceo.
2.5 SARTA DE CABILLAS:
La sarta de cabillas conecta la bomba de fondo con la barra pulida. La
funcin principal es transmitir el movimiento oscilatorio de la barra pulida a la
bomba. Esto proporciona la potencia necesaria por la bomba para producir
hidrocarburos. La resistencia, vida til y fuerzas friccinales de la sarta de
cabillas tiene un impacto significativo en la economa de un pozo.
Las cabillas de succin son hechas de acero o fibra de vidrio. La
mayora de las cabillas son fabricadas 100% en acero. Sartas parcialmente
acero y fibra de vidrio son tambin comunes en muchos campos petroleros.
Estas son principalmente utilizadas en localizaciones con problemas de
corrosin, para reducir cargas en la unidad de bombeo, para evitar la compra
de unidades excesivamente grandes o para incrementar la tasa de produccin.
Cabillas de acero son fabricadas en longitudes de 25 o 30 pies. Cabillas de
fibra de vidrio son construidas en longitudes de 25, 30 o 37,5 pies. El tamao
de cabillas de fibra de vidrio mas comn es 37.5 pies. Esto reduce el numero
de acoples haciendo la sarta tan ligera como sea posible. El rango del dimetrode cabillas de acero va de 0.5 plg hasta 1.25 plg, para las de fibra de vidrio se
encuentran rangos desde 0.75 plg hasta 1.5 plg.
Cada cabilla de la sarta debe soportar las cargas de fluido y el peso de
las cabillas por debajo de ellas. Para minimizar los costos y las cargas
tensinales, la sarta de cabillas se disea usualmente de forma ahusada
(adelgazamiento en forma cilndrica-Ver Figura 2.1). Dimetros mayores de
cabillas son colocados en el tope y ms pequeos en la base. Dependiendo dela profundidad, la sarta de cabillas va desde una (1) hasta cinco (5) secciones
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ahusadas. Las secciones tpicas son 1-7/8-3/4 o 7/8-3/4. Barras de peso
(Cabillas de dimetro mayor para el fondo de la sarta) son comnmente usadas
para sobreponerse a las fuerzas de flotacin y minimizar la compresin en las
cabillas en la base de la sarta. En el diseo de las sartas de cabillas, un ensayo
para determinar el porcentaje en cada seccin debera resultar en las mismas
cargas tensinales al tope de cada seccin de cabillas. El diseo de sarta de
cabillas se discutir con ms detalle luego.
La sarta de cabillas tiene un impacto mayor en el comportamiento del
sistema. Afecta las cargas en la barra pulida y la caja de engranaje, consumo
de energa, torque en la caja de engranaje, carrera de fondo, y frecuencia de
fallas de las cabillas.
2.6 TUBERIA DE PRODUCCIN:
El fluido se produce a travs del anular tubera-cabillas hasta la
superficie. Cuando la tubera esta anclada al anular, esta tiene un efecto menor
en el comportamiento del sistema en la mayora de los casos. Si la tubera no
esta anclada entonces podra afectar las cargas sobre las cabillas y el
desplazamiento de la bomba debido a su estiramiento. El estiramiento de la
tuberia ser cubierto con ms detalle luego. Algunos problemas que pueden
afectar el comportamiento del sistema incluyen:
1. Restricciones de flujo debido a parafinas y escamas.
2. Cuellos de botella pueden ocurrir cuando la bomba tiene dimetros
mayores que el dimetro interno de la tubera.
3. Hoyos desviados que incrementan la friccin entre cabillas y tubera.
4. Tubera que es demasiado pequea para la tasa de produccin.
Todos estos problemas resultan en cargas ms altas en todos loscomponentes del sistema. Tambin, fugas en tubera pueden disminuir
significativamente la eficiencia del sistema si no es detectada y corregida a
tiempo.
2.7 BOMBAS DE SUBSUELO:
La tpica bomba por cabillas de succin es un arreglo embolo-cilindro. En
la terminologa de campos petroleros el embolo es llamado pistn y el cilindro se leconoce como barril de la bomba. El pistn tiene una vlvula de bola y asiento
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llamado vlvula viajera debido a que viaja hacia arriba y hacia abajo con el
pistn. A la entrada del barril de la bomba existe otra vlvula llamada vlvula
fija debido a que esta fijada a la tubera y no se mueve. La Figura 2.8muestra
un diagrama simplificado de las bombas de cabillas. Entender la operacin de
la bomba es esencial para la comprensin total del sistema incluyendo la
interpretacin de la forma de las cartas dinagraficas.
La operacin de la bomba afecta todos los componentes del sistema.
Esta influye en las cargas sobre la sarta de cabillas, unidad de bombeo, caja de
engranaje y motor. Sistemas con bombas de calibres grandes son muy
sensibles a la presin en la lnea de flujo, incluso pequeos aumentos en la
presin de la lnea podran incrementar significativamente las cargas en la
barra pulida.
2.7.1 Accin de las Vlvulas:
Para entender como trabaja la bomba hay que darle un vistazo a la
accin de las vlvulas, asumiendo que la bomba esta llena con liquido
incompresible tal como petrleo muerto o agua. La Figura 2.8muestra como se
comportan las vlvulas viajeras y fijas durante el ciclo de bombeo.
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Carrera Ascendente:
En la carrera ascendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia
arriba, la vlvula viajera cierra y levanta las cargas del fluido. Esto genera un
vaci en el barril de la bomba que causa la apertura de la vlvula fija
permitiendo que el fluido proveniente del yacimiento llene la bomba.
Carrera Descendente:
En la carrera descendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia
abajo, la vlvula fija se cierra y el fluido en el barril de la bomba empuja la
vlvula viajera abriendo esta. El pistn viaja a travs del fluido que se ha
desplazado hacia la bomba durante la carrera ascendente. Luego el ciclo se
repite.
Para un caso ideal de bomba llena y fluido incompresible, en la carrera
ascendente la vlvula viajera cierra, la fija abre y el fluido comienza a ser
bombeado a travs de la tubera hasta la superficie. En la carrera descendente,
la vlvula viajera abre y la fija cierra. Sin la accin de las vlvulas, la produccin
no seria posible. Si la vlvula fija no abre, el fluido no entrara a la bomba. Si la
vlvula viajera no abre entonces el fluido no entrara a la tubera.
2.7.2 Accin de las Vlvulas y Cargas de Fluido:
La accin de las vlvulas es tambin importante para entender como las
cargas de fluido son aplicadas al pistn de la bomba y la sarta de cabillas. Esto
es necesario para entender la caga sobre las cabillas, forma de la carta
dinagrafica y comportamiento de las cabillas de succin. Una carta dinagrafica
es un grafico de carga versus posicin. Si pudiera colocarse un instrumento
para medir las cargas justo arriba del pistn de la bomba, se terminara con unacarta dinagrafica de fondo. Para entender como seria la carta dinagrafica de la
bomba para el caso de bomba llena, Veamos la Figura 2.9. Para este ejemplo
la tubera esta anclada (Se examinara el efecto del movimiento de la tubera en
la forma de la carta dinagrafica mas adelante).
Carrera ascendente:
Al comienzo de la carrera ascendente, la vlvula viajera cierra (punto Ade la Figura 2.9). A este punto la vlvula viajera levanta las cargas del fluido.
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Estas cargas permanecen constantes durante el recorrido ascendente (del
punto A hasta B).
Carrera descendente:
En la carera descendente, cuando el pistn comienza el movimiento
hacia abajo, la vlvula viajera abre (punto C). En este punto la vlvula viajera se
libera de la carga de fluido y la presin del mismo se transfiere a la tubera a
travs de la vlvula fija. Por lo tanto, la vlvula viajera no lleva la carga de fluido
durante la carrera descendente (desde el punto C al D).
Las diferencias de carga entre los puntos A y D (o B y C) son las cargas
del fluido en el pistn. De acuerdo a la Figura 2.9 las cargas de fluido son
transferidas instantneamente desde D hasta A y desde B hasta C. Esto es
verdad solo al asumir incompresibilidad del fluido y bomba llena. Algunas veces
tal como cuando pozos con alta produccin de gas son bombeados, la
transferencia de cargas de fluido no son instantneas. La tasa de
levantamiento de carga depende de la integridad de la bomba, el tipo de fluido
bombeado, espaciamiento de la bomba, y si la tuberas esta o no anclada.
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2.8 ANCLA DE GAS:
La bomba de cabillas de succin esta diseada para bombear liquido. La
presencia de gas en el lquido producido reduce la eficiencia de la bomba. En la
carrera descendente, la bomba comprime el gas hasta que la presin dentro
del barril es lo suficientemente alta para abrir la vlvula viajera. Dependiendo
de la cantidad de gas libre, una gran parte de la carrera ascendente puede
desperdiciarse en la compresin del gas antes que algn lquido sea producido.
Debido a esto, eficiencias volumtricas menores al 50% son comunes cuando
el gas entra a la bomba. En la carrera ascendente, como el gas entra a la
bomba, este ocupa una gran parte del volumen de la bomba. Esto reduce la
cantidad de lquido que puede entrar a la bomba. Las anclas de gas ayudan a
reducir la cantidad de gas libre que entra en la bomba. Esto ocurre al permitir la
separacin del gas y su flujo hacia la superficie a travs del anular revestidor-
tubera antes de su entrada a la bomba.
La Figura 2.10 muestra un diagrama simplificado de cmo trabaja el
ancla de gas. Forzando el fluido a moverse hacia abajo antes de entrar a la
bomba, la mayor parte del gas se separa y fluye hacia arriba entre el anular
revestidor-tubera. En pozos con problemas de interferencia de gas la entrada
de la bomba debe moverse por debajo de las perforaciones. Esto permitir la
separacin del gas que fluir hacia arriba antes que entrar entro de la bomba.
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2.9 EQUIPO ADICIONAL DE BOMBEO:
La Figura 2.11 muestra el equipo de subsuelo ms comnmente usado
en pozos con bombeo por cabillas. El sistema de separacin de gas incluye el
niple perforado, el ancla de gas y tubo de barro, y el tapn al final el tubo de
barro (bull plug). El bull plug y el niple perforado aseguran que ninguna basura
(sucio, swab rubber, etc) entren en la bomba. El tubo de barro esta conectado
al niple perforado y es la cmara que permite que el gas se separe desde el
liquido antes de entrar a la bomba. El niple perforado es donde el fluido entra a
la bomba.
El niple de asentamiento (o zapata) es un acople de tubera
especialmente diseado que es internamente ahusado (estrechamiento) y
permite asentar la bomba con un fuerte sello. Los niples de asentamiento
tienen por igual cierre mecnico o por copas de friccin. Cuando una bomba de
tubera es usada, la vlvula fija se conecta en la base del pistn. Luego que la
vlvula esta fija en el niple de asentamiento, la sarta de cabillas se gira en
contra de las agujas del reloj para liberar el pistn. Para bombas insertadas, el
ensamblaje completo de la bomba se fija a la sarta de cabillas. Luego es
bajada dentro de la tubera hasta que se fija en el niple de asentamiento. El
fondo de la bomba tiene un
ensamblaje que se acopla al
niple. Luego que la bomba se
asienta el pistn es espaciado
dentro del barril para evitar
golpear el tope o base del baril de
la bomba.
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Copyright 1983 Society of Petroleum Engineers of AIMEThispaperwes presenled at the 581h Annual Technical Conference and Exhibit ion bald in San Francisco, CA, October 5-S, 1983 The material iesubjectto cor rection by the au thor , Permiss ion to copy ie res lr ickd to an abst rac l o f not more than 300 words. Wr ite SPE, 6200 North Cen tral Expreaaway,Drawer 64706, Oallaa, Texaa 75206 USA, Telex 730989 SPEDAL
ABSTRACT t h e s a me c l a s s c a n a l s o b e d i f f e r e n t d e p en d i n go nt h e ma n u f a c t u r e r s h o i c e o f t h e u n i t s g e o me t r i cA n ew p ump i n gu n i t K i n ema t i cAn a l y s l sme t h o d d i me n s i o n s .wa s d e v e l o p e d f o r t h e c a l c u l a t i o no f p o s i t i o n ,v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o no f t h e p o l i s h e d r o d , a n d T h e p u r p o s eo f t h i s p a p e r i s t o p r e s e n t a n e wt o r q u e f a c t o r s a s f u n c t i o n so f c r a n k a n g l e . T h i sme t h o d c a n a l s o b e u s e d t o c a l c u l a t et h e a n g u l a r me t h o d o f a n a l y z i n g a n d c omp a r i n g t h e k i n e ma t i cp o s i t i o n , v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o no f a n y p a r t o f c h a r a c t e r i s t i c sf p u mp i n g u n i t s a n d t o a i d i n t h et h e p u mp i n gu n i t me c h a n i s m, u n d e r s t a n d i n go f t h e c omp l i c a t e dmo t i o n o f t h ep o l i s h e dr o d a n d r o d s t r i n g .
I t i s mo r e a c c u r a t e t h a n p r e v i o u s me t h od s PREV I OUSMORKb e c a u s e i t p r o d u c e se x a c t r e s u l t s , I t c a n b e u s e dt o c omp a r e p u mp i n g u n i t s , a n d c a n a n a l y z e u n i t swi t h v a r y i n g c r a n k s pe e d s . l t c a n I mp r o v e g e a r - Gr a y l wa s t h e f i r s t t o d e v e l o p a me t h od f o rt h e k i n ema t i ca n a l y s i s o f p ump i n g u n i t s . I n h i sb o x t o r q u e a n a l y s i sb y i n c l u d i n gi n e r t i a e f f e c t s , p a p e r , Gr a y e x p l o r e d t h e d i f f e r e n c e s i n t h ea n d c a n a l l o w t h e u s e o f c o n v e n t i o n a ld y n a g r a p h sf o r t h e p r e d i c t i o no f d own h o l ed y n a g r a p h s . p o l i s h c d r o d mo t i o n d u e t o g eo me t r y v a r i a t i o n so fd i f f e r e n t p u mp i n g u n i t s , a n d t h e i n f l u e n c eo f t h eI N TRODUCT I ON p u mp i n g u n i t o n t h e o v e r a l l b e h a v i o r o f t h e r o dp ump i n g s y s t e m. Hi s me t h o d , h o we v e r , i s
T h e ma j o r i t y o f U. S . we l l s a r e o n b e a m r e l a t i v e l yc o mp l e xa n d r e q u i r e sa d i g i t a l c o mp u t e rt o s o l v e f o r t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n dp ump i n ga nd t h e i r n umb e r i s i n c r e a s i n g . Ho we v e r , a c c e l e r a t i o n f t h e p o l i s h e dr o d . Gr a y p r e s e n t s % a l t h o u g hp u mp i n gu n i t s h a v e b ee n i n u s e f o r a l o n gt i me , t h e i r k i n e ma t i c c h a r a c t e r i s t i c sh a v e n o t c omp l e x e q u a t i o n f o r t h e c a l c u l a t i o no f p o l i s h e db e e n t h o r o u g h l ys t u d i e do r u n d e r s t o o d . r o d p o s i t i o n a s a f u n c t i o n o f c r a n k a n g l e . I no r d e r t o o b t a i n t h e v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o no ft h e p o l i s h e d r o d , h e d i f f e r e n t i a t e s h a t e q u a t i o nBe a m p u mp i n g u n i t s c a n b e d i v i d e d i n t o t wo n ume r i c a l l y .ma j o r c l a s s e s : Cl a s s I l e v e r s y s t e ms r e p r e s e n t e d Gr a y s me t h o d r e l a t e s t h e c r a n ka ng l e a n d p o l i s h e dr o d p o s i t i o no n l y . Ve l o c i t i e sb y t h e c o n v e n t i o n a l p u mp i n g u n i t s h o wn i nF i g u r e l a , a n d Cl a s s 1 11 l e v e r s y s t e ms r e p r e s e n t e d a n d a c c e l e r a t i o n so f t h e i n t e r me d i a t e i n k s a r en o t c a l c u l a t e d .b y t h e Ma r k 1 1 a n d A i r Ba l a n c e u n i t s s h o wn I nF i g u r e s lb and c, r e s p e c t i v e l y , Al l p ump i n gu n i t s S i n c e Gr a y s p a p e r , n o o t h e r k i n e ma t i co p e r a t e o n t h e s ame b a s i c p r i n c i p l eo f c o n v e r t i n gt h e r o t a r y mo t i o n o f t h e c r a n k a r m i n t o t h e a n a l y s i sme t h o d h a s b ee n f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e ,e x ; ~ ~ ~ ,f o r a n e q ua t i o n s i mi l a r t o Gr a y s used byo s c i l l a t o r ymo t i o n o f t h e p o l i s h e d r o d , Ho we v e r ,t h a t i s wh e r e t h e i r s i mi l a r i t i e s n d . T wo p u mp i n gu n i t s ma d e b y t wo d i f f e r e n tma nu f a c t u r e r s u t w i t ht h e s a me AP I ma x i mu ml o ad a nd t o r q u e r a t i n g s a n d
A l t h o u ght h e a bo v e me t h o d i s n o t t h e b e s t wa yt o c i n e ma t i c a l l y n a l y z e p u mp i n g u n i t s , i t wa s t h et h e s a me s t r o k e l e n g t h wo u l d a p p e a r e q u a l l y s u i t e df o r u s e o n a g i v e n we l l . T h i s , h o we v e r , i s n o t f i r s t t o s h o w t h e i mp o r t a n c eo f t h e p u mp i n g u n i t~ ; ; s ; ; ; e . No t o n l y a r e i ; u mp ; r ~ m~ i t so f d i f f e r e n t g e o me t r yo n t h e p o l i s h e dr o d mo t i o n .d i f f e r e n t mo v e r p o we r K I NEMAT I CANA LYS I SOF PUMP I NGUNI T Sr e q u i r e me n t s , ma x i mwn p o l i s h e d r o d l o a d , a n ao v e r a l l p ump i n g e f f i c i e n c y ,b u t p ump i n g un i t s o f I n o r d e r t o c a l c u l a t et h e p o s i t i o n , v e l o c i t y ,a n d a c c e l e r a t i o no f t h e p o l i s h e d r o d ? i t i s
~ e ? e r e n c e sa n d i l 1u s t r a t i o na t e n d o f p a l s r . n e c e s s a r y t o s o l v e t h e f o u r - b a r l i n k a g e p r o b l e m.T h e mo t i o n o f t h e f o u r - b a r l i n k a gec a n b e a na l y z e d
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SPE~~rr@wsmcf AtMESPE 12201Exact Kinematic Analysis of Pumping Unitsb y J . G. Sv i n o s ,Gu l fResearch&Development Cs.
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ma t h e ma t i c a l l yo r r a p h l c a l l y .! Gr a p h i c a l me t h o d s F r o m g e ome t r y , t h e f o l l o wi n gq u a n t i t i e swe r ea r e s i mp l e r b u t I me c o n s u mi n g b e c a u s e a n e t i o b t a ln e d :d i a g r a m mu s t b e ma d e f o r e a c h v a r i a t i o n t n t h ec r a n k a n g l e o r b a r l e n g t h s . T h e y a r e a l s o l e s sI2 w . 0 + a f o r c o n v e n t i o n a la c c u r a t e t h a n ma t h e ma t i c a l me t h o d s . Ot t h e e .ma t h e ma t i c a l me t h o d s , t h e c o mp l e x n umb e r v e c t o r 2 ~ . 6 + a f o r ~ r k I I a n d A l r Ba l a n c er e p r e s e n t a t i o n s b e s t s u i t e d f o r t h e a n a l y s i s o ft h e p u mp i n gu n i t me c h a n i s m.aREPRESENTAT I ONF VECTORSUI TH COMPL EXNUMBERS = s i ~ - l ( + ) ( 5 )
A v e c t o c I n t h e X - Y p l a n e s u c h a s s h o wn I nF i g u r e 2 c a n b e r e p r e s e n t e da s a c omp l e x n umb e rRA= XA+ i Y ~ , wh e r e x a n d Y a r e t h e r e a l p o i n t sl b L ~ )r e p r e s e n t l n t h e X a n Y c o o d l n a t e s o f p o i n t A ,dn d 1 = - I s t h e i ma g i n a r y p a r t . T h e v e c t wc o mp o ne n t sXAa n d y A a r e e q u a l t o : B = e o s - l L 2 + K2 - R2( 2 KL ) * ( j ) ( 7 )XA= R COSO (1) wh e r eYA= R S106 ( 2 )
Il f o r OO< 0 2< nj =a n d
R= m ( 3 )- l f o r z < 0 2 < 2 n
- 1 P2 + L 2 - C2 ) - ~wh e r e R i s t h e ma gn i t u d eo f t h e f ~ S l t l Onv e Ct Or & . e 3 m COS [~F r o m Eu l e r s ( 8 )r e l a t l o n , = c o s e + I s l n e .T h e r e f o r e , t h e p o s l t l o nv e c t o r e o f p o i n t A c a n b ewr i t t e na s :&= Re l e ( 4 ) 0 4 m Co s - l P2 - C2 - L 2( ~ ] - I I ( 9 ]
T h i s c o mp l e x v e c t o r e x p r e s s i o n I s mo r ec o n c i s e a n d e a s i e r t o d i f f e r e n t i a t e h an a n y o t h e rv e c t o r r e p r e s e n t a t i o n . x = COS - l ( C2 + L 2 . p 2S i n c e t h e b a s i c f o u r - b a r l i n k a g e f o r me d b y 2 CL ) ( l o )v e c t o r s K , R, P a n d C i s t h e s a me f o r b o t h Cl a s s Ia n d Cl a s % I T I T e v e r 3 y s t e ms a s s h o wn i n F i g u r e s3a n d 4 , t h e b a s i c b a r l i n k a g es o l u t i o ni s i d e n t i c a lf o r b o t h c a s e s . * = x + f 3 (11)F o r t h e k i n e ma t i c a n a l y s i s me t h o d o f t h i sp a pe r , t h e f o l l o wi n gc o n v e n t i o n swe r e a d o p t e d ( s e eF i g u r e s 3 a nd 4 ) : A t t h e b o t t o mo f t h e s t r o k e ,
q An g l e s e , 9 3 , 9r e f e r e n c i l i n e t - ; n ; ; 2 ~ e m~ ; ~ T Z ; e f ; ~ ; ~ V = $ Bc = e o s - l [ C2 + K2 ; ( P+ R) 2 1 = $ TMc o u n t e r c l o c k wi s ed i r e c t i o n f o r c o n v e n t i o n a l ( 1 2 )u n i t s , a n d c l o c k wi s ef o r Ma r k II.q F o r c o n v e n t i o n a l p ump i n g u n i t s , t h e c r a n k A t t h e t o p o f t h e s t r o k e ,a n g l e e i s z e r o a t t h e 1 2 o c l o c kp o s i t i o na n di s p o s i t i v e i n t h e c l o c k wi s ed i r e c t i o n . T h ea n g u l a r v e l o c i t yo f t h e c r a n k i s a l s o , t a k e na s ~ = + T c = COS-l [- 1 *BMp o s i t i v ei n t h e c l o c k wi s ed i r e c t i o n .
F o r Ma r k 1 1 a n d A i r Ba l a n c e u n i t s , t h e c r a n k ( 1 3 )qa n g l e e I s z e r o a t t h e 6 o c l o c k p o s i t i o na n di s p o s i t i v ei n t h e c o u n t e r c l o c k wi s ei r e c t i o n . T h e p o s i t i o n o f p o i n t V ( s e e F i g u r e s3 o r 4 ) c a nb e e x p r e s s e di n c o mp l e xn umb e r n o t a t i o na s :
q T h e s y mb o l s u s e d f o r t h e p wn p i n gu n i t g eme t r i cd i me n s i o n s a r e t h e s ame a s t h e o n e s u s ed i n i e 2 i e 3 1 0 4t h e AP I ST D 11E3, ~. Re + Pe = K+ Ce (14)
8/3/2019 Bombeo Mecanico Avanzado
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S P E 0 1 2 2 0 1 J . G, Sv l n o s 31By d l f f e r e n t l a t l n gt h e a b o v e e x p r e s s i o n w f t h If the c r a n k a n g u l a r v e l o c l t y I s c o n s t a n t ,r e s p e c t t o t i me , t h e f o l l o wi n ge x p r e s s i o nf o r t h e t h e n e 2 = 0 a n d t h e a b o v e e q u a t i o n sb e c ome :v e l o c l t yo f V i s o b t a i n e d :
1 0 2 . ,1 0 3 i e 4g = R82 i e e s = 6 3 [ ( 6 4 - 6 2 ) cot(e4- (32) -+ P i 3 1 e = C6 4 1 e (15)- ( 6 3 - 54) c 0 t ( e 3 - 04)1r ( 2 4 )
~ v I R6 2 c o s e 2 - R~ 2 s l n e 2 + I P6 3 c o s 0 3 -P i 3 s i n 0 3 . ,m l c 4 4 c o s 0 4 - c 1 4 s l n e 4 e 4 = ? 4 [ ( 6 2 - 6 3 ) c o t ( e 2 - 6 3 ) -( 1 6 )
By e q u a t i n g t h e r e a l a wl I ma g i n a r y p a r t s , t h e - ( 3 3 - 8 4 ) c o t ( e 3 - 0 4 ) ]f o l l o wl n gs y s t e mo f e q u a t i o n si s o b t a i n e d : ( 2 5 )
R? i 2s i n e 2 + P8 3 s i n e 3 = C; 4 s i n e 4 ( 1 7 )R; 2 Co s e z + P i 3 c o s e3 = C; 4 c o s e 4 ( 1 8 )
By s o l v i n g t h e a b o v e s i mu l t a n e ou se q u a t i o n s , t h ef o l1o wi n g e q ua t i o n swe r e o b t a ln e d f o r t h e a ng u l a rv e l o c i t i e so f b a r s P a nd C:
438%i n ( e 4 - e 2 )p v (19)R; 2 s i n ( 0 3 - e 2 ) ( 2 0 )8 4 = ~ s l n ~ e 3 - e 4 ~
o rR6 2 P J3 C8 4
= s i n ( e - e = s i n ( e 3 - 0 2 ) Q f n ( e 3 - 4 J 4 2 1 ( 2 1 )B y t a k i n g t h e r a t i o o f t h e d e r i v a t i v eo f e a c ht e r m d l v l d e d b y I t s e l f ( I . e . ~ j q ) , a n d a f t e rs i mp l i f y i n g , h e f o l l o wl n ge qu a t i o n swe r e o b t a i n e df o r t h e a n g u l a r a c c e l e r a t i o n s f b a r s P a n d C:
.,e 3 = 8 ~ ~ -3 82 ( 6 3 - 6 4 ) c o t ( e 3 - 0 4 ) ++ (84-62) c o t ( e 4 - 02)] ( 2 2 )
., ;26 4 = 3 4 [ ~ - ( S3 = 6 4 ) c o t ( e 3 - e 4 ) +Q+ ( ~ 2 - ~ 3 ) c o t ( e 2 - e 3 ) ] ( 2 3 )
POL I S HEOROD POS I T I ONF r o m g e o me t r y , t h e p o l 1 s h e d r o d p o s it l o n i sg i v e n :
PR = + = A ( 6 4 + u ) ( 2 6 )Ba s e d o n Eq u a t i o n ( 2 6 ) , PR I s z e r o wh e n t h ewa l k i n g b e a m A I s h o r i z o n t a l . I t i s p o s i t i v ewh e nA i s a b o v e t h e h o r i z o n t a l ,
A mo r e u s e f u ~ e x p r e s s i o no f &h e p o l i s h e d r o dp o s i t i o n c a n o b t a i n e d d e f i n i n g an o n d i me n s i o n a lp o s i t i o na s f o l l o ws :( 2 7 )
s= ( P RB - PRT ) = ( v B - q I T )* A ( 2 8 )
( 2 9 )T h e a b o v e e q u a t i o n i s a n e x p r e s s i o no f t h ep o l i s h e d r o d p o s i t i o na s a f r a c t i o no f t h e s t r o k el e n g t h a b o v e t h e l o we r mo s t p o s i t i o n f o r a g i v e nc r a n k a n g l e , W e q u a l s 1 a t t h e t o p o f t h eu p s t r o k ea n d O a t t h e b o t t o m.
POL I S HEDROD VE LOC I T YAND ACCE LERA T I ONT h e p o l i s h e d r o d v e l o c i t y i s o b t a i n e d b yt a k i n g t h e d e r i v a t i v e o f e q u a t i o n ( 2 6 ) wi t h
r e s p e c t t o t i me ,VR = A* 8 4 ( 3 0 )
S i ~ , , i l a r l y ,h e p o l i s h e d r o d a c c e l e r a t i o n s g i v e nb y :AR = A ; 4 ( 3 1 )
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4 Ex a c t K i n e ma t i cAn a l y s i so f Pu mp i n gUn i t s S PE 0 1 2 2 0 1TORQUEFACTORCALCULAT I ON
T h e t o r q u e f a c t o r a t a n y c r a n k a n g l e e i s an u mb e r wh i c h i f mu l t i p l i e d b y t h e p o l i s h e d r o dl o a d , wI 1 l g i v e t h e t o r q u e r e q u i r e da t t h e c r a n ks h a f t o f t h e p u mp i n gu n i t r e d u c e r .B y n e g l e c t i n gf r i c t i o n a l l o s s e s a n d i n e r t i ae f f e c t s , t h e e n e r g y s u p p l i e d a t t h e c r a n k s ha f te q u a l s t h e e ne r g y d e l i v e r e dt o t h e p o l i s h e dr o d .
T * 8 2 = PRL * . ( 3 2 ). . T~.% ( 3 3 ); 2
DYNAMI CPOL I SHEDROD LOAD I NGF r o m Ne wt o n s s e c o n d l a w, t h e s u m o f t h ef o r c e s on t h e p o l i s h e dr o d i s e q u a l t o :
T h e p o l i s h e dr o d l o a d i s , t h e r e f o r e ,g i v e n b y :PRL = M+ : c AR= W( I + ~ ) ( 3 5 )
T h e t e r m i n p a r e n t h e s e swi l l b e c a l l e d t h ea c c e l e r a t i o n a c t o r
T h e a c c e l e r a t i o n a c t o r i s a me a s u r e o f t h e; ~ ; ~ ~ t l o no f t h e d y na mi c r o d l o a d f r o mt h e s t a t i cA P PL I C AT I ONOF T HE RES UL T S
In o r d e r t o u n d e r s t a n d h o w t h e k i n e ma t i ca n a l y s i s r e s u l t s c a n b e u s e d t o e v a l u a t e t h ep e r f o r ma n c eo f p u mp i n g u n i t s , t h e e f f e c t s o f t h ep o l i s h e d r o d mo t i o n o n t h e r o d s t r i n g a n d s y s t e me f f i c i e n c ywi l l b e e x a mi n ed .1) Po l i s h e dRo d L o a d
As e q u a t i o n ( 3 5 ) i n d i c a t e s ,t h e p o l i s h e dr o d l o a d i s a f u n c t i o n o f p o l i s h e d r o da c c e l e r a t i o n . T h e p e a k p o l i s h e d r o d l o a do c c u r s d u r i n g t h e u p s t r o k ewh e n t h e p o l i s h e dr o d s u p p o r t sb o t h t h e we i g h t o f t h e r o d s t r i n ga n d f l u i d . T h e r e f o r e , t h e s ma l l e r t h ea c c e l e r a t i o nd u r i n g t h e u p s t r o k e , t h e l e s s t h ep e a k p o l i s h e dr o d l o a d wi l l b e .T h e p o l i s h e dr o d a c c e l e r a t i o nd u r i n g t h ed o wn s t r o k e s ho ws h o w f a s t t h e o l i s h e d r o d