Expo

Materia: Producción Petrolera II.

Docente: Ing. Jhon Morón Tarifa

ESCUELA MILITAR DE INGENIERIAPrestigio, Disciplina y Mejores OportunidadesMcal. Antonio José de Sucre

ESCUELA MILITAR DE INGENIERIAPrestigio, Disciplina y Mejores OportunidadesMcal. Antonio José de Sucre

Bombeo Mecánico:

• Principios de operación.

• Equipo superficial y Subsuperficial.

• Ecuaciones que definen el funcionamiento.

• Diseño de Bombeo Mecánico.

• Identificación y corrección de fallas.

Contenido del Tema 1

Bombeo Mecánico-Introducción

Es el primer método artificial aplicado en

la industria petrolera y actualmente

ocupa el primer lugar entre los sistemas

de producción para explotar

exclusivamente pozos petroleros, en

algunos casos de pozos de gas y

condensado, donde puede aplicarse BM

bajo la condición de que el porcentaje de

fase liquida sea mayor al 85% en

relación a la fase gaseosa.

El BM empezó a ser usado en 1860 en Pennsylvania

cuando instalaron por primera vez equipos

rudimentarios adaptados de los que se usaba para

bombear pozos de agua a poca profundidad, no

mayores a 300 ó 400 m, con varillas de bombeo

fabricadas de madera y émbolos de pequeño

diámetro con los que recuperaban de 20 a 30 BPD.



A partir de 1920 y hasta 1930 aparecieron los primeros

equipos con balancines de madera para abarcar

mayores profundidades y a partir de 1936 empezó la

utilización de equipos mecánicos con balancines

diseñados adecuadamente y varillas de bombeo de

hierro para producir volúmenes mayores a los 1000 BPD,

y profundidades de pozo entre 2500 a 3000 m, para

pozos productores de crudos desde livianos hasta de

alta densidad, bajo el único requisito de que la

selección del equipo debe estar técnicamente adecuado

para satisfacer las cargas estáticas y dinámicas que

se generan durante el bombeo

El mecanismo de operación del bombeo mecánico

está basado en el funcionamiento sincronizado de

todos los componentes del equipo, que tiene un

mecanismo de operación perfecto. El equipo

completo que se utiliza se denomina Aparato de

Bombeo que sirve para hacer funcionar al sistema y

elevar a los fluidos desde el fondo de pozo hasta la

superficie, por efecto del trabajo que realiza una

bomba de embolo instalada en la parte inferior

interna del tubing donde está asegurada por un

sistema de anclas.


El mecanismo de bombeo tiene la siguiente

secuencia:

•Se pone en funcionamiento el motor primario para

poner en movimiento al sistema biela manivela y

provocar el funcionamiento del balancín con

movimiento hacia abajo, iniciando de esta manera el

movimiento vertical de las varillas que a la vez baja

hasta el fondo de pozo. En este instante el petróleo

ingresa al cuerpo de la bomba por efecto del empuje

y la presión de fondo, hasta llenarse.


•Cuando la bomba está llena de fluido se inicia la

carrera descendente del pistón de la bomba

ejerciendo presión sobre el fluido y provocando el

cierre de la válvula de pie y la apertura de la válvula

viajera. Por este efecto y la acción de las presiones

hidráulicas, el petróleo es impulsado al cuerpo

interno del pistón que se llena de petróleo cuando

alcanza el fondo y se inicia la carrera ascendente, se

abre la válvula de pie y se cierra la válvula viajera.


•Cuando el pistón de la bomba alcanza la parte

superior, el volumen de petróleo es expulsado hacia

la tubería, se vacía el pistón e instantáneamente se

inicia otra carrera descendente, se cierra la válvula

de pie, se abre la válvula viajera, se llena el pistón de

fluido, viaja hacia arriba, expulsa su contenido a la

tubería y se repite esta operación en forma continua

durante todo el proceso de bombeo mecánico.


Componentes subsuperficiales

Segregadores de gas o trampas de gas.

Bomba de profundidad, que esta constituida

por:

•Camisa de la bomba.

•Pistón de la bomba.

•Válvula de pie.

•Válvula viajera.

Varillas de bombeo.

Vástago pulido.

Tb de producción.

Bombeo Mecánico-Descripción

Componentes superficiales.

Balancín (cabeza y contrapeso)

Torre de aparato de bombeo.

-Árbol de Navidad

-Prensa Estopa.

Sistema biela-manivela.

Motor primario.

Caja reductora, que controla el ritmo del

balancín y el sistema biela-manivela.

Dinamómetros.

Bombeo Mecánico-Descripción

Componentes subsuperficiales.

Trampas de gas: también denominadas segregadores de gas,

que son instalados en el fondo como primer componente para

evitar la circulación de gas hacia las bombas, debido a que por

la sensibilidad de éstos, la presencia de gas puede reducir la

eficiencia del trabajo. El funcionamiento de los segregadores es

de circulación inversa y sus longitudes varían entre 0.5 y 1 m.

En algunos arreglos, debajo de las trampas de gas se instalan

filtros para evitar el ingreso de partículas sólidas que puedan

obstruir el trabajo de las bombas

Bombeo Mecánico-ESS--Trampas de gas

Bombeo Mecánico-ESS--Trampas de gas

•Bombas de profundidad: son equipos que sirven

para elevar el volumen de petróleo programado desde

el Fp hasta la superficie, pasando por el AN, las líneas

de flujo y los separadores gas-petróleo.

Las bombas de profundidad están constituidas por los

siguientes componentes:

•Camisa o barril de bomba.

•Pistón. Válvula de pie.

•Válvula viajera.

•Accesorios : anclas.

Bombeo Mecánico-ESS--Bombas de Profundidad

El funcionamiento de las bombas es mecánico, donde

el pistón acciona el cuerpo de la bomba y su longitud

de éste puede ser variable entre 3 y 10 ft con

diámetros variables entre 1 ½”, 1 ¾”, 2”, 2 ½”, 2 ¼”,

2 ¾”.

En el extremo inferior del cuerpo del pistón va

instalada la válvula viajera, y todo el conjunto esta

instalado en el interior Tb y la longitud de las bombas

varían entre 16 y 24 ft, con diámetros variables entre

2”, 2 ½”, 2 3/8”, 2 7/8”, 3 ½”, 4 ½”.


Bomba de Profundidad

Existen

básicamente tres

tipos de bombas.

Estas son:

•Insertables

•De tubería

•Bombas de

revestidor

Bombas Insertables

Las bombas de tipo

insertable se bajan y

sacan del pozo con las

varillas, y se las fija al

tubing en un niple

asiento que se baja

previamente con éstos.

Bombeo Mecánico-ESS

Bombas Insertables

Estas bombas son fijadas en el extremo inferior

del tubing sobre sus asientos y luego anclados

utilizando su mecanismo que viene especificada

por los fabricantes. Son de menor capacidad que

las de tubing porque están generalmente

equipadas con pistones de menor diámetro y son

más sensibles a la presencia de gas en relación a

las bombas de tubing o de tubería.


Bombas de inserción

de barril fijo, de

izquierda a derecha:

bomba de anclaje

inferior, bomba de

anclaje superior y

bomba de anclaje

mixto


Bomba de inserción de barril viajero


Bombas de tubing.- Son de mayor capacidad y se

caracterizan debido a que se bajan al pozo ya instalados

en la parte inferior de la tubería para luego instalar el

pistón bajando con las varillas hasta alcanzar el interior

de la camisa de la bomba. Estas bombas son

recomendables en pozos con relaciones gas petróleo

cercanos al límite de tolerancia, o sea, 100 ft3/Bbl,

siendo por otro lado de mayor resistencia y mayor

volumen de bombeo.


Bombas de tubing

En estas bombas la válvula de pie se encuentra fija al barril,

mientras que la válvula viajera se encuentra instalada

dentro del émbolo, durante su operación el émbolo se

mueve dentro del barril y el fluido que se produce, fluye a

través del espacio anular entre la sarta de varillas y la

tubería de producción. Las bombas de tubería son fáciles de

instalar y sólo deberá cuidar el espacio entre la válvula de

pie y el émbolo, es recomendable incluir un niple de

drenaje en la terminación a fin de desalojar el fluido que se

encuentre dentro de la tubería antes de realizar el cambio o

instalación del equipo.


Bombas de revestimiento

Son otro tipo de bombas de inserción de

gran volumen que pueden llegar a

diámetros de barril de 7 ¼” (no

normadas) se distinguen de las bombas

de inserción tradicionales en su forma de

instalación y en la manera en como

operan. Las bombas de revestimiento están

compuestas por un sistema de anclaje y sello

(similar al packer) y otro sistema que es la

bomba o paquete émbolo-barril.


Bombeo Mecánico-ESS

En trabajos de campo se utiliza usualmente las siguientes

combinaciones entre diámetros de pistón de las bombas y

diámetros de tuberías.

Ø Tubería, plg

Ø Máximos de pistón de bomba, plg

Bomba insertable Bomba de Tubería

2 ½ 1 ½ 1 ¾ 2 3/8 2 2 ½ 2 7/8 2 ½ 2 ¾ 2 7/8 2 ¼ 2 ¾ 3 ½ 2 ½ 3

Bombeo Mecánico-ESS--Varillas de Bombeo

Varillas de bombeo: se denominan también varillas de

succión y son los componentes principales de la columna

de producción o BHA junto al vástago pulido. La

eficiencia de bombeo esta en función al trabajo eficiente

de las varillas porque a través de ellas se transmite la

energía mecánica generada en el equipo superficial al

pistón de la bomba y de este a las válvulas para originar

flujo continuo de petróleo en superficie.

Durante este proceso las varillas están sometidas a 2

tipos de esfuerzos:

a)Esfuerzos estáticos, que se generan cuando el

equipo esta parado y es el resultado de la suma del peso

del fluido (Wf) contenido en el tubing mas el peso de las

varillas (Wv)

b)Esfuerzos dinámicos, que se generan cuando el

equipo esta en movimiento y es función de la velocidad

de bombeo



Los tipos y clases de varillas así como sus características están

especificadas por las normas API que identifica los siguientes tipos de

varillas: Tipos de varillas44 55 66 85 8854 64 77 86 96

Para instalar las varillas en el pozo, puede efectuarse combinaciones con

los diferentes tipos y diámetros de varillas y toda la columna va

conectada por la parte superior al vástago pulido que tiene los siguientes

limites de resistencia a la rotura:Φ vástago

pulido [plg]Long. Vástago

[plg]Resistencia a la

tracción1 ¼ 16-22 80000-1400001 ½ 16-22 80000-140000

Bombeo Mecánico-ESS--Varillas de BombeoLas varillas y el vástago pulido son fabricados de aceros al carbón con

aleaciones de minerales duros y sometidos a tratamientos térmicos.

Existen en la industria varillas identificadas con los grados A, K, D para

resistir esfuerzos de tensión de hasta 85·103 psi y los de mayor grado,

o sea el de grado D puede resistir esfuerzos de tensión y compresión

hasta de 140·103 psi.

Esfuerzos Maximos Grado A (kg/cm2)= 2000 – 28000

Grado K (kg/cm2)= 2200 – 31000

Grado D (kg/cm2)= 2800 - 40300


Preparación de la columna de varillas. Consiste en los siguientes

trabajos:

•Selección del tipo de varillas, o sea, diámetro, longitud y grado de las

varillas.

•Limpieza y lubricación de las varillas.

•Numeración y medida de las varillas.

•Registro en la planilla de control de varillas.VARILLAS NO-API

Entre las varillas que no cumplen con las normas API tenemos las

siguientes:

•Varillas Electra

•Varillas Continuas COROD

•Varillas de Fibra de Vidrio

•Varillas Norris 97, LTV HS y UPCO 50k

Bombeo Mecánico-ES--Unidad de Bombeo

Componente principal que origina en superficie el movimiento vertical

reciprocante de la columna de varillas a través del vástago pulido, que

se origina por la transformación de la velocidad circular en velocidad

vertical en el sistema biela-manivela del equipo, que hacen funcionar a

todos los componentes de BHA para iniciar la operación de bombeo.

Los aparatos de bombeo se clasifican en base a los siguientes

parámetro:

•Torque máximo, que se genera en el sistema biela-manivela.

•La carga máxima, que soporta el aparato a través de la cabeza del

balancín. Esta carga es la suma del peso total de las varillas mas el

peso total del fluido contenido en la Tb y que esta en función a su

densidad:

WTo = Wv + Wo

•La velocidad máxima de bombeo, que es medida en EPM y que

depende de la profundidad y el caudal de producción que se quiere

obtener.


Tomando como base los anteriores 3 factores, los aparatos de bombeo

se clasifican en:

Los componentes principales del aparto de bombeo: son los siguientes:

• El balancín, que tiene sus accesorios: barra del balancín, cabeza del

balancín, contrapeso.

•La torre del aparato de bombeo, tiene la función de soportar toda la

carga que se genera durante las carreras ascendente y descendente

del equipo subsuperficial.

•La caja reductora, esta constituida por biela-manivela de la caja

reductora, motor y accesorios secundarios.


La caja reductora es el componente que controla el mecanismo

de funcionamiento de todo el equipo superficial y subsuperficial,

sus objetivos técnicos son:

◦Sincronizar la velocidad del motor con la velocidad de

funcionamiento biela-manivela para regular la velocidad de

bombeo en EPM de acuerdo al programa .

◦Transmitir la potencia necesaria desde el motor al sistema

biela-manivela para mover el balancín, el vástago pulido y

transmitir este movimiento al sistema de varillas.

Durante esta operación, la potencia del motor que se transmite

al sistema biela-manivela para hacer funcionar el bombeo


Se calcula con la siguiente ecuación.

FluidoVTo WWW

manivelaVielaTvFHP

La potencia del motor:

ToWF Donde:

rvT y

manivelaVielaTTO vWHP

s

radNw

60

2

60

2 rNWHP TO

HPrN

WHP TO 7560

2

r : Radio de la manivela, ft

Wto: Peso total que actúa sobre el aparato de bombeo, lb, kg.

N: Velocidad de bombeo, EPM.

Bombeo Mecánico-ES--Motores

Los motores utilizados en BM son denominados primarios, diseñados

para este tipo de operación y se clasifican en:

Motores eléctricos.

Motores a combustión interna

Los motores eléctricos se clasifican en: a corriente alterna y

corriente continua. De estos dos tipos de motores, los mas utilizados

son los de corriente alterna por la disponibilidad de este tipo de fluidos

en zonas rurales y los de corriente continua son los menos utilizados.

Los voltajes mas comúnmente usados en campos petroleros son los de

220, 240, 1000, y 1200 v, aunque existen motores de hasta 2400 v

con intensidades de trabajo variable entre 30, 40 y 60 amperios.


Los motores de CA usados en campos petrolíferos se clasifican en:

MOTOR ELÉCTRICO EMEEI 3024


El factor de resbalamiento es la diferencia entre la velocidad máxima

de rotación que puede generar el equipo de acuerdo a sus

especificaciones técnicas o velocidad sincrónica y la velocidad real de

rotación con que el equipo trabajara en el pozo de acuerdo al programa

diseñado, o sea

cronica

rotacionderealcronicaR v

vvF

sin

..sin

En trabajos de campo generalmente se usan motores de 60 ciclos con

velocidades de sincronismo variables entre 300, 350, 700, 1200, 1800 y

3600 RPM


Por ejemplo, cual será el FR de un motor que tiene una velocidad de

sincronismo de 1500 RPM instalado en un pozo de 1100 m de

profundidad que trabaja con una velocidad de rotación de 1450 RPM

%3%1001500

14501500

RF

Considerando la clasificación API se establece que este motor

corresponde a la clase B por tener un FR menor a 5%.

Cuál será el FR de un motor de 2000rpm para trabajar en un pozo con

1800rpm y desarrollar una velocidad de bombeo de 10EPM.

%5%10%1002000

18002000

RF

Por tanto, según la clasificación API se trata de un motor CLASE D


Los motores a combustión interna

son los que funcionan ya sea con

gasolina, diesel o GN y se utilizan mas

comúnmente en zonas donde no se

dispone de corriente eléctrica de alta

tensión se clasifican en los siguientes

tipos:

•Motores a diesel, son los mas usados

por tener mejores factores de seguridad

y porque sus tiempos de operación son

mas largos y varían ente 12000 y 15000

h de trabajo sin requerir

mantenimiento, son mas económicos en

cuanto a costos de operación

•Motores a gasolina, o motores a explosión, se utilizan

generalmente como motores alternativos si no se dispone

de motores a diesel o a gas, son de menor rendimiento,

tienen menores factores de seguridad y sus periodos de

funcionamiento varían de 7000 a 8000 h de trabajo sin

mantenimiento

•Motores a gas, que actualmente están siendo

intensamente usados por la disponibilidad de combustible,

son de menor potencia y su vida útil es mayor que los otros

2 motores, fluctúa entre 15000 y 30000 h de trabajo



Los motores a combustión interna se clasifican también en

los siguientes tipos:

•Motores monicilíndricos, solo son de 1 cilindro de

funcionamiento, son de baja velocidad, o sea de 350 a 700

RPM máximo y potencias variables entre 5 y 20 HP.

•Motores multicilíndricos, o sea de 2 ó mas cilindros de

funcionamiento, existen motores para pozos petroleros

hasta de 6 cilindros, y desarrollan velocidades mayores a

700 RPM hasta 2600 RPM con potencias variables entre 20

y 200 HP.

Bombeo Mecánico-ES--Preventores

Estos mecanismos de seguridad se diseñan principalmente, para

impedir en caso de que sea necesario, el paso de fluidos al

exterior. Sólo se pueden accionar cuando la unidad de bombeo

mecánico no está operando, ya que en su interior tiene unos

sellos de hule llamados “Rams”, que aprietan la varilla pulida

para sellar y evitar el paso de hidrocarburos.

En el caso del preventor doble “E” LP-15, los “Rams” pueden

sellar aun sin la presencia de la varilla pulida, ya que son para

un rango de diámetro de 0 a 1 ½”. Los Preventores son vitales

para llevar acabo el cambio de hule (sellos) del estopero

colocado en la parte más alta del árbol, también son vitales para

evitar la salida de hidrocarburos a la atmósfera, cuando por

rotura de la sarta, la varilla pulida se vaya al fondo del pozo.


Los “Rams” son accionados mediante dos vástagos, tornillos

laterales impulsados por medio de movimientos alternados para

abrir o cerrar, normalmente cuando la unidad de bombeo

mecánico está operando deben permanecer abiertos.

Bombeo Mecánico-ES--Prensa Estopa

Tipo Hércules modelo ''T". El modelo "T", es el de mayor uso en

nuestra operación por su excelente rendimiento. Para que este

elemento funcione adecuadamente el vástago de bombeo debe

estar en buenas condiciones, sin defectos superficiales ni

torceduras y, correctamente centrado.

Está diseñado para usar con vástagos pulidos de 1-1/4" ó 1-1/2" y

presión de trabajo de 2000 psi. Sus medidas usuales son: conexión

inferior 2-7/8" y 3-1/2" (enrosca en el dispositivo de seguridad),

conexión de salida 2" (línea de producción) y conexión de purga

1". Para su armado, una vez instalado el cuerpo, se coloca el anillo

soporte de empaquetaduras correspondiente al diámetro del

vástago y sobre él se monta el juego de empaquetaduras tronco-

cónicas cuidando que las ranuras de las mismas no queden

alineadas

Bombeo Mecánico-ES--Prensa Estopa

La regulación de las empaquetaduras se obtiene ajustando los

bulones de los casquillos inferior y lubricador, de esta forma se

logra el empaquetamiento del vástago.

Para una mayor duración de las empaquetaduras el ajuste debe

ser parejo. Las empaquetaduras se lubrican con el petróleo que

produce el pozo pero además, para reforzar esa lubricación el

casquillo lubricador tiene un depósito de grasa que la provee a

todo el conjunto.

Finalmente, sobre el casquillo lubricador se instala otra

empaquetadura y el casquillo superior. En el caso de tener que

cambiar el vástago por otro de diferente diámetro no es necesario

cambiar todo el prensa estopa, solamente se cambian el anillo

base, el casquillo superior, el lubricador y el juego de

empaquetaduras

BEC-Procedimiento del diseño

Para diseñar programas de BM, se analiza y cuantifica los

siguientes datos y parámetros principales de pozo:

Profundidad y altura de la arena productora.

Volumen de petróleo que se proyecta producir con el sistema de

BM.

Geometría del pozo (vertical o inclinado).

Altura estática del fluido después del FN.

Presiones actuales del pozo.

RGP y RAP actuales.

Datos del petróleo: densidad, viscosidad, API.

Estado de cañerías y tuberías.

Con estos datos se diseña el programa que es especifico para

cada pozo aplicando la metodología API que señala la siguiente

secuencia:

1.Definir el volumen de producción que se proyecta tener con el

equipo.

2.En base a este volumen definir la profundidad máxima de

instalación de la bomba de profundidad, considerando la

capacidad del pistón de la bomba para expulsar el volumen

proyectado.



3.Para satisfacer los dos requerimientos anteriores, preseleccionar el

equipo completo que contempla los siguientes aspectos:

a)Tipo y clase de aparato de bombeo.

b)Capacidad del aparato.

c)Tipo de pistón, especificando su diámetro y su longitud.

d)Tipo de motor.

e)Capacidad del motor para hacer funcionar el BHA.

f)Tipo de varillas de succión.

Para verificar si el equipo preseleccionado es adecuado a los

requerimientos del pozo se efectúan los cálculos de diseño

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