Sistemas Artificiales de Produccion BM
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SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
SISTEMAS SISTEMAS
ARTIFICIALES DE ARTIFICIALES DE
PRODUCCIÓNPRODUCCIÓN
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
Bombeo MecánicoBombeo Mecánico
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
FACTORES PARA ELEGIR UN SAP
Propiedades de los fluidos
Estado mecánico del pozo
Pruebas de producción
Aforos y/o condiciones de operación
Registros de presión/temperatura
Disponibilidad de la fuente de energía
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
Existen diferentes sistemas artificiales entre ellos el bombeo mecánico reciprocante.
Su función es extraer fluidos mediante un movimiento ascendente-descendente, que se transmite por medio de la sarta de varillas a la bomba colocada dentro de la TP en el fondo, cerca del yacimiento.
Los fluidos que se acumulan en la TR llegan a la superficie a través de la TP.
Varillas de succión
Cabezal
Bomba subsuperficial
UBM
Bombeo Mecánico Reciprocante
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
Varillas de succión
Cabezal
Bomba subsuperficial
UBM
Unidad de Bombeo
Mecánico.
Cabezal y Conexiones
Superficiales.
Sarta de Varillas.
Bomba Reciprocante.
Componentes Principales
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
Un bajo índice de productividad.
Que no haya producción de arena, si la hay que sea muy baja.
Que exista una presión de fondo fluyendo suficiente para que los fluidos alcancen un nivel estático en el pozo.
Que no haya depósito de parafinas.
Que la Pwf > Pb a la profundidad de colocación de la bomba.
APLICACIÓN
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
SUPERFICIAL Motor Reductor de engranes Unidad de bombeo
SUBSUPERFICIAL Bomba Sarta de varillas
EQUIPO
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
MOTOR ELÉCTRICO Bajo costo inicial. Menor costo de
mantenimiento Facilidad para
ajuste en un sistema de automatización
MOTOR DE COMBUSTIÓN Control de velocidad
más flexible. Menor costo de
combustible.
Tipo de Motores
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
Función: Reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de bombeo adecuada.
Sujeto a una torsión máxima.
La polea de la unidad recibe la potencia del motor principal a través de bandas.
Reductor de Engranes
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
FUNCIONES:
Transfiere la energía del motor principal a la sarta de varillas.
Convierte el movimiento rotatorio del motor a uno oscilatorio
Reduce la velocidad del motor a una velocidad adecuada de bombeo
Mantiene la verticalidad de la varilla pulida.
Unidad Superficial
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
• Para mover la bomba de fondo se utilizan las UBM’s, su función es convertir el movimiento rotativo de un motor en un movimiento reciprocante.
• Existen diferentes tipos de unidades, entre otras : Rotaflex, Hidroneumáticas, de balancín (bimba)
En una Bimba el motor mediante el reductor de engranes hace girar las manivelas y que a su vez mueven el balancín.
En una UBH el motor mueve una bomba hidráulica para que
mediante el sistema hidráulico se muevan en forma reciprocante unos cilindros (gatos hidráulicos)
Unidades de Bombeo Mecánico
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• El peso de la sarta de succión, la bomba y de la columna de fluidos desequilibran la fuerza necesaria para el movimiento reciprocante, es decir, se requiere mucha fuerza para levantar el aparejo, y solo la gravedad para bajar.
• Para disminuir este esfuerzo, el peso del aparejo se equilibra o balancea con masas de acero (contrapesos), en el caso de la bimba y en el caso de la UBH con la fuerza que proporciona el nitrógeno a presión.
• Una vez balanceado, solo es necesaria poca fuerza para subir y bajar la bomba en el fondo, esto reduce por mucho el consumo de energía necesaria, de ahí la importancia de un buen balanceo.
Unidades de Bombeo Mecánico
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
En el cabezal del pozo se utilizan válvulas para el control y manejo de los fluidos, así como accesorios para la operación del equipo de bombeo mecánico y el aparejo de producción.
Cabezal y Conexiones Superficiales
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
- CLASE I Unidad Convencional
- CLASE III Aerobalanceada y MARK II
Geometría de las Unidades
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
VENTAJAS
Tiene bajo costo de mantenimiento
Costos menores que otro tipo de unidades.
Es usualmente mejor con varillas de fibra de vidrio.
Puede girar en el sentido de las manecillas del reloj y contrario.
Puede bombear más rápido que la Mark II sin problemas.
Requiere menos contrabalanceo que la Mark II.
DESVENTAJAS
En muchas aplicaciones, no es tan eficiente como la Mark II.
Puede requerir una caja de velocidades mayor que otro tipo de unidades (especialmente con varillas de acero).
Unidad Convencional
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Compensador
Cable Colgador
Guarda Bandas(Tolva)
Contra Peso
Reductor de Engranes
Freno
Muñón
Brazo Pitman(Bielas)
Patín
Escalera
Poste SampsonMotor Principal
Cable del Freno
Palanca delFreno
Balancín
Cabeza deCaballo
Manivela
Cojinete Central
Barra Portadorao elevador
Varilla Pulida
Fig. 28 Unidad de Bombeo Mecánico Convencional
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VENTAJAS
Tiene bajo torque en muchos casos (con varillas de acero).
Puede bajar costo (5 a 10 %) comparada con el siguiente tamaño de la unidad convencional.
DESVENTAJAS
En muchas aplicaciones, no puede bombear tan rápido como la Convencional, porque puede causar problemas de fallas en las varillas.
Puede girar solamente en sentido contrario a las manecillas del reloj.
Puede causar más daño a las varillas y bomba en caso de fluido pesado.
Puede someter a la sarta de varillas en el fondo del pozo a severa compresión que puede causar fallas por pandeo.
Unidad Mark II
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VENTAJAS
Es más compacta y más fácil para balancear que otras unidades.
Los costos de transportación son menores que otras unidades.
Puede girar en el sentido de las manecillas del reloj o sentido contrario.
DESVENTAJAS
Es más complicada y requiere mayor mantenimiento (compresor de aire, cilindro de aire).
La condensación de agua en el cilindro puede causar problemas.
La caja de velocidades puede ser dañada si el cilindro pierde presión de aire.
Unidad Aerobalanceada
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SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
El API ha desarrollado un método estándar para identificar y describir las unidades de bombeo. Por ejemplo, para la unidad C - 320D-256- 100
TIPO DE UNIDAD:C CONVENCIONAL M MARK IIA AEROBALANCEADA
TORSIÓN MÁXIMA QUE PUEDE TOLERAR LA FLECHADEL REDUCTOR DE ENGRANES EXPRESADAEN 10³ (pg.lb)
LA LETRA D INDICAQUE TIENE UNDOBLE REDUCTORDE ENGRANES.
CARGA MÁXIMAQUE SOPORTA LAVARILLA PULIDAEXPRESADA EN10² (lb).
MÁXIMA LONGITUD DECARRERA DE LAVARILLA PULIDAEXPRESADA (pg)
Designación de Unidades
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Es el eslabón entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial.
En un momento del ciclo las cargas que soporta son: Peso del fluido Peso de las varillas Cargas de aceleración Carga por vibración Fuerza de flotación Fuerzas de fricción
Varilla Pulida
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Función
Reducir los requerimientos de torsión en el reductor de engranes.
Reducir el tamaño del motor principal (hp´s).
El efecto de contrabalanceo puede obtenerse colocando contrapesos en el balancín, biela o manivela.
El contrapeso tiene un peso aproximadamente igual al peso de las varillas más la mitad del peso del fluido.
Contrabalanceos de la Unidad
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Unidad de bombeo con y sin contrabalanceo. Se desprecian las fuerzas de flotación, inercia y dinámicas. Wr = 10,000 lbs. Y Wf = 4,000 lbs.
UNIDAD SIN
CONTRABALANCEO
UNIDAD CON
CONTRABALANCEO
Carrera ascendente
(Wr+Wf) – 0 = 14000 lbs.
Carrera descendente
(-Wr+ 0 ) = -10000 lbs.
Carrera ascendente
(Wr+Wf) – 12000 = 2000 lbs.
Carrera descendente
(-Wr+ 12000 ) = 2000 lbs.
Ejemplo
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Función
Desplazar los fluidos del yacimiento desde el fondo del pozo hasta la superficie por el interior de la tubería de producción.
Componentes
1) Barril de trabajo
2) Émbolo
3) Válvula viajera
4) Válvula de pie
Bomba Subsuperficial
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Válvula
viajera
Válvula
estacionaria
Émbolo
Cilindro de trabajo y camisa
Partes de la Bomba Subsuperficial
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A) Bomba de inserción. Se puede conectar a la sarta de varillas sin sacar la T.P. a la superficie, sólo se saca la sarta de varillas.
B) Bomba de tubería de revestimiento. Es una versión de la anterior sólo que esta se ancla en la T.R. Manejan grandes volúmenes en pozos someros y de bajo IPR.
C) Bomba de tubería de producción. La diferencia con la de inserción es la forma en como se coloca el barril. Este va conectado en el extremo inferior de la T.P. y se introduce al pozo como parte de la sarta de producción. El barril en la de inserción se ensambla a la bomba subsuperficial y se introduce por el interior de la T.P. como una unidad en la sarta de varillas.
Clasificación de las Bombas
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Materiales usados Barril Acero aleación
Bronce
Hi-brin
Nitreline
Hi-hard
Krom-i-dee
Silverine
Pistón Acero aleación
Bronce
Co-hard
Superhard
Cromado
Válvulas Stellita
C.T.
Varillas Acero aleaciones
Mg, si, ni, vn, cu, br, cr, mo
Fibra de vidrio
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Nomenclatura API
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Bomba de Inserción:
En la TP se coloca la zapata candado.
La bomba completa (barril y pistón) se bajan dentro de la TP con las varillas.
Bombas de tubería:
El barril y la zapata candado se baja con la TP.
La válvula de pie puede bajarse con en la zapata o con el émbolo.
El émbolo se baja después con las varillas.
Tipos de Bomba
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• Está compuesta de dos partes principales: el émbolo y el barril cada uno con una válvula
• Ciclo de bombeo:
– Émbolo hacia abajo cerca del final de la carrera, el fluido pasa a través del la válvula viajera, el peso de la columna es soportado en la válvula de pie.
– Émbolo hacia arriba arrastrando los fluidos arriba de la válvula viajera, la válvula de pie admite fluidos del yacimiento.
– Émbolo hacia arriba cerca del fin de la carrera, válvula de pie abierta y viajera cerrada.
– Émbolo hacia abajo, válvula de pie cerrada por la compresión, la válvula viajera se abre por el mismo efecto.
La Bomba Reciprocante
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Sarta de Varillas
La sarta de varillas de succión es un sistema vibratorio complejo mediante el cual el equipo superficial transmite energía o movimiento a la bomba subsuperficial.
La selección de la sarta de varillas depende de la profundidad del pozo y las condiciones de operación de este.
Su diseño consiste en seleccionar la sarta más ligera y por lo tanto más económica, sin exceder el esfuerzo de trabajo de las propias varillas.
El esfuerzo de trabajo depende de la composición química de las varillas, propiedades mecánicas y fluido bombeado.
Se utiliza sarta de varillas telescopiadas.
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Ejemplo: Varilla API No. 86
86
8/8 (1”)
7/8”
6/8” (3/4”)
Número de Varilla API
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Clases de varilla
Clase K Resistente a corrosión, Ni-Mo 82ksi
Clase C Resistente a corrosión, trabajo pesado, C-Mn 90ksi
Clase D Trabajo extra pesado no H2S, Ni-Cr-Mo 115ksi
Clase T66 y EL (no API) Resistente a corrosión, Aleación Especial 140-160ksi
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Materiales usados
• Barril• Acero aleación
• Bronce
• Hi-brin
• Nitreline
• Hi-hard
• Krom-i-dee
• Silverine
• Pistón• Acero aleación
• Bronce
• Co-hard
• Superhard
• Cromado
• Válvulas• Stellita
• C.T.
• Varillas• Acero aleaciones
• Mg, si, ni, vn, cu, br, cr, mo
• Fibra de vidrio
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
Válvula
viajera
Válvula
estacionaria
Émbolo
Tubería de producción
Varillas de succión
Cilindro de trabajo y camisa
(a) (b) (c) (d)
Ciclo de Bombeo Mecánico
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(a) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del fondo de la
carrera.
(b) El émbolo sube, cerca del fondo de la carrera.
(c) El émbolo sube cerca de la parte superior de la carrera.
(d) El émbolo se mueve hacia abajo cerca del tope de la carrera.
Ciclo de Bombeo Mecánico
SEMINARIO DE TITULACIÓN IPNSEMINARIO DE TITULACIÓN IPN
Buena eficiencia.
Optimización y Controles.
Bajo costo de mantenimiento.
Desplazamiento Positivo.
Materiales para disminuir problemas de
Corrosión.
Flexibilidad - Ajustar Producción a través de carrera y EPM.
Ventajas
Varillas de succión
Cabezal
Bomba subsuperficial
UBM
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Desgaste de varillas y TP en pozos desviados.
Altas Relaciones Gas-Aceite.
Limitación de la varillas para manejar las cargas-volumen.
Decrece con la profundidad.
Cuestiones estéticas y ambientales.
Limitaciones
Varillas de succión
Cabezal
Bomba subsuperficial
UBM
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Rango Tipico Máximo*
Profundidad 100 - 11,000’ TVD 16,000’ TVD
Volumen 5 - 1500 BPD 5000 BPD
Temperatura 100° - 350° F 550° F
Desviación 0 - 20° 0 - 90°
<15°/100’
Corrosión Bueno a Excelente con materiales especiales
Manejo de Gas Aceptable a Bueno
Manejo de Solidos Aceptable a Bueno
Densidad Fluido >8° API
Servicio ERTP
Tipo de motor Gas o Electrico
Aplicaciones Marinas Limitada
Eficiencia Sistema 45%-60%
*Se requiere analisis especial
Rango de Aplicación
Varillas de succión
Cabezal
Bomba subsuperficial
UBM
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• UBH (desventajas)
Supervisión diaria.
Menor vida útil de las partes componentes.
Poco conocimiento por ser un sistema artificial relativamente nuevo (paradigma).
UBH VS BIMBA•UBH (ventajas)
Cambios de carrera pulg a pulg.
No necesita preparación especial de terreno.
Pueden instalarse en pozos con cabezal desviado.
Se transporta fácilmente.
Pueden realizarse pruebas de carga.
Baja inversión inicial.
Mayor versatilidad en pozos de diferente profundidad.
Mayor seguridad en la instalación en zonas pobladas.
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• Bimba
Movimiento más parejo en carreras.
Menor supervisión.
Cuenta con solo tres partes móviles.
Mayor vida útil de las partes.
En algunas aplicaciones puede ser más eficiente (MARK II, Equipos no sobredimensionados).
UBH VS. BIMBA
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Patrón típico de cargas • Zona 1 Máxima carga, inicia carrera ascendente varillas y
fluido con aceleración máxima, la inercia se suma a la carga estática. Desde el fondo hasta media carrera ascendente.
• Zona 2 parte de la carrera ascendente hasta el tope,
máxima mase de varillas y fluido, en desaceleración, la inercia se resta a la carga estática.
• Zona 3 Inicia la carrera descendente desde el tope, hasta
media carrera descendente, solo se tiene le peso de la sarta flotando menos la inercia, máxima aceleración descendente.
• Zona 4 de media carrera descendente hacia el fondo de la
carrera, el peso de la varilla flotando se desacelera, la inercia se suma al peso de las varillas
Wv
Wl
Wv
Wl
Wv
Wv
a=max,v=0
a=0,v=max
a=max,v=0
1
2 3
4
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Selección del tamaño bomba
• Desplazamiento teórico de la bomba
PD = 0.1484 x Ap x Cp x N
Donde Ap = área pistón
Cp = Carrera pistón
N = velocidad de bombeo
• La Eficiencia Volumétrica se conoce hasta que se define el gasto deseado.
Ev = q / PD
La eficiencia normalmente se estima mediante la experiencia local
En pozos con alta RGA del 25% al 50%, con buena separación del 50% al 70%
• De aquí dp2 = .1166 (Ev)PD / Cp N
Donde dp = diámetro del pistón
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Diseño de sarta de varillas
• Esfuerzo Máximo: Pude seleccionarse asignado a cada sección un esfuerzo máximo si se pasa de este valor, se selecciona una de mayor tamaño.
• Esfuerzos Iguales: es mas utilizado y consiste en considerar esfuerzos iguales en la parte superior de cada sección, dependiendo de la longitud de la sarta y el émbolo usado.
• Los factores que intervienen que forman la carga total del la sarta:
1. El peso muerto de la sarta
2. La carga por aceleración
3. La fuerza de flotación
4. La carga de fluido
5. Las fuerzas de fricción
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Diseño de sarta de varillas
• El peso muerto esta dado por la suma de todas las varillas y accesorios de la sarta
• La carga por aceleración puede calcularse mediante la ecuación de Mills:
acel = C N2 / 70,500
• Fuerza de Flotación está dada por el empuje del líquido desplazado por la sarta sumerguida en un fluido dado:
Ff = -0.127 Wv dens
• Carga de fluido esta dada por el peso del fluido soportado por el área del émbolo
Wf = 0.433 dens (long Ap –0.294 Wv)
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Diseño de sarta de varillas
• La Fricción es difícil determinar sin un análisis de la geometría y materiales del pozo, por lo que normalmente se desprecia
• La elongación es un factor para determinar factores como el espaciamiento, sobre viaje del émbolo etc.
• er =Er Wf L
Donde: Er es la elasticidad del material
L la longitud de la sarta
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Contrabalanceo
• A fin de reducir las dimensiones de la unidad se colocan contrapesos en el sistema con un peso aproximadamente igual al peso de las varillas mas la mitad del peso del fluido:
• Idealmente el contrabalanceo es:
Ci= 0.5 Wf + Wv (1 - 0.127dens)
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Torsión en la UBM
• La torsión máxima en el reductor de engranes está dado por la carga máxima menos el contrabalanceo por la mitad de la carrera:
• Idealmente el torque es:
Tp= Wmax - .95Ci (Carr/2)