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BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LOS LLANOS OCCIDENTALES “EZEQUIEL ZAMORA” VICERRECTORADO DE PLANIFICACIÓN Y DESARROLLO SOCIAL PROGRAMA: INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y TECNOLOGIA CARRERA: INGENIERIA DE PETRÓLEO
METODO DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL: BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP)
PROF: ING. JORGE MOLINA.
BARINAS, JUNIO DE 2013. 1 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LOS LLANOS OCCIDENTALES “EZEQUIEL ZAMORA” VICERRECTORADO DE PLANIFICACIÓN Y DESARROLLO SOCIAL PROGRAMA: INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y TECNOLOGIA CARRERA: INGENIERIA DE PETRÓLEO
METODO DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL: BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). AUTORES: NOMBRE Y APELLIDO
CORREO
C.I.V.
ASUAJE LISETH
21.255.750
[email protected]
CASTILLO OSWALDO
20.867.762
[email protected]
FONSECA MARIA I.
17.983.393
[email protected]
MONAGAS ANA
20.963.873
[email protected]
PRADA JUAN C.
19.637.749
[email protected]
ROSALES DANIEL
20.767.804
[email protected]
SALAZAR VERONICA
19.613.039
[email protected]
TERAN MARIA C.
21.167.608
[email protected]
BARINAS, JUNIO DE 2013. 2 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). CONTENIDO Pág.
RESUMEN
8
INTRODUCCION.
9
DESARROLLO PARTE I: RESEÑA HISTÓRICA.
10
PARTE II: DEFINICIÓN Y FUNCIONAMIENTO.
11
PARTE III: APLICACIONES, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
16
PARTE IV: CARACTERÍSTICAS.
20
Presión en la bomba- Distribución y efectos:
20
Requerimientos de Torque y Potencia
22
PARTE V:COMPONENTES. 5.1.- Equipos de Subsuelo o Fondo: 5.1.1.- Elastómeros:
23 24 24
5.1.1.2.- Propiedades mecánicas mínimas requeridas.
25
5.1.1.3.- Condiciones de elastómeros para PCP:
25
5.1.1.4.- Tipos de Elastómeros:
26
5.1.1.5.- Elastómeros para petróleo:
28
5.1.2.- Estator PCP:
31
5.1.3.- Elementos de la sarta de varillas de bombeo.
32
5.1.3.1.- Rotor:
32
5.1.3.2.-Trozo de Maniobra:
33
5.1.3.3.- Varillas de bombeo API:
33
5.1.3.4.- Varillas de Bombeo no Convencionales:
33
5.1.3.5.- Vástago:
34
5.1.4.- Niple de Paro:
34
5.1.5.- Niple Intermedio:
35
5.1.6.- Anclas de Gas:
36
5.1.7.-Caño filtro:
38
5.1.8.- Ancla de Torque:
38
3 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 5.1.9.- Zapato Probador de Hermeticidad:
39
5.1.10.- Centralizadores de Cabillas:
40
5.1.11.-Niples de Drenaje:
40
5.1.12.- Niples “X”:
41
5.2.- Instalación de Superficie: 5.2.1.- Cabezal de Rotación:
41 43
5.2.2.- Motovariadores Mecánicos:
49
5.2.3.- Motorreductores:
50
5.2.4.- Variadores de Frecuencia:
52
5.2.5.- Sistema de transmisión:
54
5.2.5.1.- Sistema de Correas y Poleas:
55
5.2.5.2.-Sistema de transmisión a engranajes.
55
5.2.6.- Sistema de Frenado:
59
5.3.- Dimensionamiento de los Equipos:
62
5.4.- Instalación de Equipos:
62
5.4.1.- Instalación de Equipos de Subsuelo.
64
5.4.1.1.-Conexión del niple de paro.
64
5.4.1.2.-Conexión del niple de maniobra al estator.
64
5.4.1.4.- Conexión del rotor a la sarta de cabillas.
64
5.4.1.5. Bajada de la sarta de cabillas.
65
5.4.1.6.- Espaciamiento del Rotor:
66
5.4.2.- Instalación Equipos de Superficie:
67
5.4.2.1.- Instalación del cabezal de rotación y motorreductor. 5.4.2.2.- Instalación de equipos de polea y correas.
PARTE VI: CLASIFICACIÓN DE LAS BCP.
67 68 72
6.1.- Bombas Tubulares:
72
6.2.- Bombas tipo Insertable:
73
6.3.- Bombas de geometría simple;
73
6.4.- Bombas Multilobulares:
73
4 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 6.5.- Bombas de Alto Caudal:
74
6.6.- Bombas de gran altura (head):
74
PARTE VII: PRINCIPIOS BÁSICOS DE PRODUCCIÓN. PARTE VIII: TÍPICOS PROBLEMAS DE OPERACIÓN EN SISTEMAS
75 82
PARTE IX: MANTENIMIENTO DE LOS EQUIPOS.
90
PARTE X: DIAGNÓSTICO DE FALLAS (POST MORTEM).
91
10.1.- Fallas en los rotores.
92
10.2.- Falla en los elastómeros.
93
PARTE XI: ALMACENAMIENTO Y MANEJO DE EQUIPOS. 11.1.- Equipos nuevos:
94 94
11.1.1.- Cuidados para preservar rotores nuevos.
94
11.1.2.- Cuidados para preservar estatores nuevos.
94
11.2.- Equipos usados
95
11.2.1.- Recuperación y cuidados de rotores usados.
95
11.2.2.- Recuperación y cuidados de estatores usados.
95
11.3.- Reutilización de equipos.
PARTE XII APLICACIONES ESPECIALES.
95 96
12.1.- Bombas tipo Insertables.
97
12.2.- Bombas Multilobulares.
97
12.3.- Bombas con motor eléctrico de fondo.
97
12.4.- Bombas Metálicas.
101
12.5.- Bombas con Elastómeros de espesor constante
102
CONCLUSIÓN
104
BIBLIGRAFÍA
105
5 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura Nº1: Bomba de desplazamiento positivo
13
Figura Nº2: Geometría Interna de la BCP.
14
Figura Nº3: Disposición Rotor/Estator en una BCP.
16
Figura Nº 4: Combinaciones que afectan a la distribución de la presión dentro de la bomba.
21
Figura Nº5: Componentes de subsuelo de una BCP.
23
Figura Nº6: Elastómeros.
24
Figuras N°8 (A y B) Cortes Transversales de un rotor
30
Figura N°7: Cortes longitudinales de un estator.
31
Figura N° 9.Niples de Paro.
35
Figura Nº10: Ancla de Gas.
36
Figura Nº11: Torque de Ancla
39
Figura Nº12: Centralizadores de Cabillas
40
Figura Nº13: Equipo de Superficie poleas y Correas
43
Figura Nº14: Descripción de las partes del cabezal para BCP
46
Figura Nº15: Cabezal de Rotación.
48
Figura N°16. Cabezal de Rotación utilizado en Occidente.
49
Figura Nº17: Evolución de los equipos de Superficie.
51
Figura Nº18: Variadores de Frecuencia.
53
Figura Nº19: Diagrama del Sistema de Transmisión
54
Figura Nº20: Sistema de Poleas y Correas.
56
Figura Nº21: Cabezal VH – 100 HP, detalles de los rodamientos y componentes externos.
57
Figura Nº22.A: Velocidades de rotación del proceso de Back-Spin.
60
Figura Nº22.B: Daños severos al equipo de superficie.
60
Figura Nº23: Frenos de accionamiento Hidráulicos.
62
Figura Nº24:Completaciones en bombas de cavidades progresivas.
71
6 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Figura Nº 25: Esquema de un pozo en condiciones estáticas.
75
Figura Nº 26: Esquema de un pozo en condiciones fluyentes.
76
Figura Nº27: Índice de productividad constante.
78
Figura Nº28: Índice de productividad Variable.
79
Figura Nº29: IPR compuesta para yacimientos sub-saturados.
81
Figura Nº30: Esquema de una BCP con motor de Fondo.
100
Figura Nº31: BCP Metálica.
101
Figura Nº32: Sección de una BCP tipo CTR.
104
ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla Nº1: Resultados obtenidos del Método BCP.
19
Tabla Nº2: Características de algunos elastómeros
27
Tabla N° 3: Características de otros materiales usados en los Estatores BCP
30
Tabla N°4: Equipos Integrados, especificaciones
56
Tabla Nº5: Dimensionamiento de los Equipos.
62
Tabla Nº6: Torques óptimos recomendados para diferentes tubulares.
66
Tabla Nº7: Torques recomendados para las cabillas en función del diámetro.
67
Tabla Nº8: Bajo caudal y Baja eficiencia volumétrica.
83
Tabla Nº9: Caudal intermedio. Baja eficiencia volumétrica.
84
Tabla Nº10: Caudal intermitente. Pobre volumétrica eficiencia.
85
Tabla Nº11: Sin producción. Perdida de velocidad gradual
86
Tabla Nº12:Sin producción
87
Tabla Nº13:Perdida a través del sistema de sello.
87
Tabla Nº14:Correas cortadas frecuentemente.
88
Tabla Nº15:Nivel de aceite
88
Tabla Nº16:. Perdida a través del sistema del sellado del vástago
89
Tabla Nº17:Temperatura del aceite del cabezal.
89
Tabla Nº18: Identificación de fallas en Rotores.
92
Tabla Nº19: Identificación de fallas en elastómeros
93
7 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LOS LLANOS OCCIDENTALES “EZEQUIEL ZAMORA” VICERRECTORADO DE PLANIFICACIÓN Y DESARROLLO SOCIAL PROGRAMA: INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y TECNOLOGIA CARRERA: INGENIERIA DE PETRÓLEO
METODO DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL: BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
RESUMEN Cuando el yacimiento no tiene la suficiente energía para levantar los fluidos, es necesaria la instalación de un sistema de levantamiento artificial que adicione presión y lleve los fluidos hasta la superficie. El propósito la bomba PCP es minimizar los requerimientos de energía en la cara de la formación productora, y maximizar el diferencial de presión a través del yacimiento provocando así, mayor afluencia de fluidos. El sistema de levantamiento artificial por bombeo de cavidad progresiva es una bomba de desplazamiento rotativo positivo. Esa bomba es accionada desde la superficie por medio de cabillas que transmiten la energía a través de un motor eléctrico ubicado en la superficie. Este sistema se adapta en particular a fluidos viscosos, pesados aún si estos transportan partículas sólidas, y/o flujos bifásicos de gas y petróleoEstas bombas de desplazamiento positivo consisten en un rotor de acero helicoidal y un estator de elastómero sintético pegado internamente a un tubo de acero.Los métodos de levantamiento artificial más comunes al comienzo de la industria petrolera eran: bombeo mecánico convencional (BMC) para crudos pesados y levantamiento por gas (GL) para crudos medianos y livianos. Posteriormente comienza la aplicación en campo, de métodos no convencionales, tales como el bombeo electro sumergible (BES) y el bombeo por cavidades progresivas (BCP). El desarrollo de este trabajo se enfatizará totalmente sobre este último, el cual es muy utilizado en la industria petrolera por los beneficios que genera su aplicación.
AUTORES: ASUAJE L,CASTILLO O,FONSECA M. MONAGAS A, PRADA J, ROSALES D, SALAZAR V, TERAN M. 8 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
INTRODUCCION. Los métodos de levantamiento artificial más comunes al comienzo de la industria petrolera eran: bombeo mecánico convencional (BMC) para crudos pesados y levantamiento por gas (GL) para crudos medianos y livianos. Posteriormente comienza la aplicación en campo, de métodos no convencionales, tales como el bombeo electro sumergible (BES) y el bombeo por cavidades progresivas (BCP).
Una Bomba de cavidad progresiva consiste en una bomba de desplazamiento positivo, engranada en forma espiral, cuyos componentes principales son un rotor metálico y un estator cuyo material es elastómero. El crudo es desplazado en forma continua entre los filamentos de tornillo del rotor y desplazado axialmente mientras que el tornillo rota. Este tipo de bombas se caracteriza por operar a baja velocidades y permitir manejar altos volúmenes de gas, sólidos en suspensión y cortes de agua, así como también es ideal para manejar crudos de mediano y bajo Grado API.
Es de interés mencionar que cuando el yacimiento tiene la suficiente energía, llámese presión, para levantar estos fluidos hasta la superficie, se dice que el pozo produce en forma natural. Cuando esto no es posible, es decir, el yacimiento solo tiene la presión necesaria para levantar los fluidos hasta cierto nivel dentro del pozo, es necesaria la instalación de un sistema de levantamiento artificial, que adicione presión para poder llevar los fluidos hasta la superficie.
El propósito de los métodos de levantamiento artificial es minimizar los requerimientos de energía en la cara de la formación productora, con el objetivo de minimizar el diferencial de presión a través del yacimiento y provocar, de esta manera, la mayor afluencia de fluidos. El sistema de levantamiento artificial por bombeo de cavidad progresiva es una bomba de desplazamiento rotativo positivo. Es una bomba que accionada desde la superficie por medio de cabillas que transmiten la energía a través de un motor eléctrico ubicado en la superficie. Este sistema se adapta en particular a fluidos viscosos, pesados aun si estos transportan partículas sólidas y fluidos bifásicos de gas y petróleo.
9 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
PARTE I: RESEÑA HISTÓRICA. Historia del Bombeo de Cavidad Progresiva y aplicaciones. La Bomba de Cavidades Progresivas (B.C.P.) fue inventada en 1932 por un Ingeniero Aeronáutico Francés llamado René Moineau, quién estableció la empresa llamada PCM POMPES S.A. para la fabricación de la misma.
A fines de los años `20, Rene Moineau desarrolló el concepto inspirado en el funcionamiento del tornillo de Arquímedes para una serie de bombas helicoidales. Una de ellas tomó el nombre con el cual hoy es conocido, ProgressingCavityPump (PCP).
En sus inicios, estas bombas fueron ampliamente utilizadas como bombas de superficie especialmente para el bombeo de mezclas viscosas. Actualmente, el mayor número de bombas de cavidades progresivas instaladas para la extracción de petróleo se encuentran en Canadá.
Las primeras Bombas de Cavidades Progresivas (B.C.P. de subsuelo) utilizadas en Canadá fueron instaladas en 1979 en pozos de petróleo con alto contenido de arena y bajas gravedades API (crudos pesados). En la actualidad, se utilizan también en pozos productores de crudos medianos y livianos, especialmente con alto contenido de agua.
En Venezuela, las Bombas de Cavidades Progresivas de subsuelo comenzaron a evaluarse a mediados de los años 80. Los resultados no fueron del todo satisfactorios y esto se debió en gran parte a lo relativamente incipiente de la
10 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). tecnología en el país y al desconocimiento del alcance y limitaciones del sistema. Hoy en día, se cuenta con instalaciones exitosas en pozos de crudos viscosos; bajos y medianos; y aplicaciones a moderadas profundidades. El sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas debe ser la primera opción a considerar en la explotación de pozos productores de petróleo por su relativa baja inversión inicial; bajos costos de transporte, instalación, operación y mantenimiento; bajo impacto visual, muy bajos niveles de ruido y mínimos requerimientos de espacio físico tanto en el pozo como en almacén.
PARTE II: DEFINICIÓN Y FUNCIONAMIENTO. La Bomba de Cavidades Progresivas (BCP o PCP por sus siglas en inglés) está constituida por dos piezas longitudinales enforma de hélice, una que gira en contacto permanente dentro de laotra que está fija, formando un engranaje helicoidal. Las BCP representan un método de Levantamiento Artificial de crudos pesados, medianos y livianos que ofrece una amplia versatilidad, alta eficiencia y bajo costo. La geometría simple de este tipo de bombas constituidas principalmente por un rotor metálico y un estator elastomérico le confieren al sistema tales ventajas. 1. El rotor metálico, es la pieza interna conformada por una solahélice 2. El estator, la parte externa está constituida por una camisa deacero revestida internamente por un elastómero(goma),moldeado en forma de hélice enfrentadas entre sí, cuyos pasosson el doble del paso de la hélice del rotor. El Rotor es accionado desde la superficie por un sistema impulsor que transmite el movimiento rotativo a la sarta de Cabillas la cual, a su vez, se encuentra conectada al Rotor. El Estator es el componente estático de la bomba y contiene un polímero de alto peso molecular con la capacidad de deformación y recuperación elástica llamado Elastómero.
11 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
El funcionamiento de las BCP utiliza un Rotor de forma helicoidal de n lóbulos dentro de un Estator en forma de helicoide de n+1 lóbulos. Las dimensiones del Rotor y el Estator están diseñadas de manera que producen una interferencia, la cual crea líneas de sello que definen las cavidades. Al girar el rotor, estas cavidades se desplazan (o progresan), en un movimiento combinado de traslación y rotación, que se manifiesta en un desplazamiento helicoidal de las cavidades desde la succión de la bomba, hasta su descarga. Se cuenta con diversos arreglos de materiales y geometría, sin embargo la utilizada en la Industria Petrolera Nacional es la de un Rotor metálico de un lóbulo en un Estator con un material elástico (Elastómero) de dos lóbulos.El estator y el rotor no son concéntricos y el movimiento del rotor es combinado, uno rotacional sobre su propio eje y otro rotacional (en dirección opuesta a su propio eje) alrededor el eje del estator.
La geometría del conjunto es tal, que forma una serie de cavidades
idénticas y separadas entre sí. Cuando el rotor gira en el interior del estator estas cavidades se desplazan axialmente desde el fondo del estator (succión) hasta la descarga, generando de esta manera el bombeo por cavidades progresivas. Debido a que las cavidades están hidráulicamente selladas entre sí, el tipo de bombeo, es de desplazamiento positivo. Estas bombas de desplazamiento positivo consisten en un rotor de acero helicoidal y un estator de elastómero sintético pegado internamente a un tubo de acero. El estator se instala en el pozo conectado al fondo de la tubería de producción, a la vez que el rotor está conectado al final de la sarta de cabillas.
12 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA OGRESIVA (BCP).
Figura Nº1:Bomba Bomba de desplazamiento positivo, tomado de Principios Fundamentales para diseños de bombas PCP.
13 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº2:Geometría Interna de la BCP. Tomado de “PcpumpHandbook” La geometría del sello helicoidal formado por el rotor y el estator están definidos por los siguientesparámetros: D: Diámetro mayor delrotor(diámetro nominal). dr: Diámetro de la sección transversal del rotor. E:Excentricidad del rotor. Ps: Paso del estator (long de la cavidad = long de la etapa). Pr: Paso del rotor. Cada ciclo de rotación del rotor produce dos cavidades de fluido. La sección de esta cavidad es: A = 4 .d. E. 14 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). El área es constante, y a velocidad de rotación constante, el caudal es uniforme. Esta es una importantecaracterística del sistema que lo diferencia del bombeo alternativo con descarga pulsante. Esta acción debombeo puede asemejarse a la de un pistón moviéndose a través de un cilindro de longitud infinita. La mínima longitud requerida por la bomba para crear un efecto de acción de bombeo es un paso, ésta esentonces una bomba de una etapa. Cada longitud adicional de paso da por resultado una etapa más.El desplazamiento de la bomba, es el volumen producido por cada vuelta del rotor (es función del área y dela longitud de la cavidad). V = A.P = 4 .dr. E. Ps En tanto, el caudal es directamente proporcional al desplazamiento y a la velocidad de rotación N: Q = V. N = 4 .dr. E. Ps. N La capacidad de la bomba PCP para vencer una determinada presiónestá dada por las líneas de sello hidráulico formados entre rotor- estator.Para obtener esas líneas de sello se requiere unainterferenciaentre rotor/estator, es decir una compresión entre rotor yestator. La Figura N° 3muestra un dibujo tridimensional donde se aprecian la forma y posición de las cavidades formadas entre el Rotor y el Estator. Nótese que en un mismo plano transversal siempre pueden definirse dos cavidades, y que el área de estas dos cavidades se complementan, es decir, cuando una es máxima la otra es mínima, de modo que el área transversal total es siempre constante.
15 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº3: Disposición Rotor/Estator en una BCP. Tomada de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
La distribución de efectos es dada por la cantidad de veces que la línea de sellos se repite, define el número de etapas de la bomba. Cada etapa está diseñada para soportar una determinada presión diferencial, por lo tanto a mayor número de etapas, mayor es la capacidad para vencer una diferencial de presión. Se pueden presentar distintas combinaciones que afectan a la distribución de la presión dentro de la bomba. PARTE III: APLICACIONES, VENTAJAS Y DESVENTAJAS En 1979, algunos operadores de Canadá, de yacimientos con petróleos viscosos y alto contenido de arena, comenzaron a experimentar con bombas de cavidades progresivas. Muy pronto, las fábricas comenzaron con importantes avances en términos de capacidad, presión de trabajo y tipos de elastómeros. 16 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Algunos de los avances logrados y que en la actualidad juegan un papel importante, han extendido su rango de aplicación que incluyen:
•
Producción de petróleos pesados y bitúmenes (< 18ºAPI) con cortes de arena hasta un 50 %.
•
Producción de crudos medios (18-30 º API) con limitaciones en el % de SH2.
•
Petróleos livianos (>30º API) con limitaciones en aromáticos.
•
Producción de pozos con altos % de agua y altas producciones brutas, asociadas a proyectos avanzados de recuperaciónSecundaria (por inyección de agua)
En los últimos años las PCP han experimentado un incremento gradual como un método de extracción artificial común. Sin embargo las bombas de cavidades progresivas están recién en su infancia si las comparamos con los otros métodos de extracción artificial como las bombas electrosumergibles o el bombeo mecánico. Los sistemas PCP tienen algunas características únicas qua los hacen ventajosos con respecto a otros métodos de levantamiento artificial, una de sus cualidades más importantes es su alta eficiencia total. Típicamente se obtienen eficiencias entre 50 y 60%. Otras ventajas adicionales de los sistemas PCP son:
•
Habilidad para producir fluidos altamente viscosos.
•
Habilidad para producir con altas concentraciones de arena.
•
Habilidad para tolerar altos porcentajes de gas libre (no se bloquea).
•
Ausencia de válvulas o partes reciprocantes evitando bloqueo o desgaste de las partes móviles.
•
Muy buena resistencia a la abrasión.
•
Bajos costos de inversión inicial.
17 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
Bajos costos de energía.
•
Demanda constante de energía (no hay fluctuaciones en el consumo).
•
Simple instalación y operación.
•
Bajo mantenimiento.
•
Equipos de superficie de pequeñas dimensiones.
•
Bajo nivel de ruido. Los sistemas PCP también tienen algunas desventajas en comparación con
los otros métodos. La más significativa de estas limitaciones se refiere a las capacidades de desplazamiento y levantamiento de la bomba, así como la compatibilidad de los elastómeros con ciertos fluidos producidos, especialmente con el contenido de componentes aromáticos. A continuación se presentan varias de las desventajas de los sistemas PCP:
•
Capacidad de desplazamiento real de hasta 2000 Bls/dia o 320 m3/dia (máximo de 4000 Bls/día o 640 m3/día).
•
Capacidad de elevación real de hasta 6000 pies o 1850 metros (máximo de 1050 pies o 3500 metros).
•
Resistencia a la temperatura de hasta 280 'F o 138 °C (máxima de 350 °F o 178 °C).
•
Alta sensibilidad a los fluidos producidos (los elastómeros pueden hincharse o deteriorarse con el contacto de ciertos fluidos por periodos prolongados de tiempo).
•
Opera con bajas capacidades volumétricas cuando se producen cantidades de gas libre considerables (evitando una buena lubricación).
•
Tendencia del estator a daño considerable cuando la bomba trabaja en seco por periodos de tiempo relativamente cortos.
•
Desgaste por contacto entre las varillas de bombeo y la tubería de producción puede tornarse un problema grave en pozos direccionales y horizontales.
18 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
La mayoría de los sistemas requieren la remoción de la tubería de producción para sustituir la bomba.
•
Los sistemas están propensos a altas vibraciones en el caso de operar a altas velocidades requiriendo el
uso de anclas de tubería y estabilizadores o
centralizadores de varillas de bombeo. •
Poca experiencia en el diseño, instalación y operación del sistema.
Sin embargo, estas limitaciones están siendo superadas cada día con el desarrollo de nuevos productos y el mejoramiento de los materiales y diseño de los equipos. En su aplicación correcta, los sistemas con bombas de cavidad progresiva proveen el más económico método de levantamiento artificial si se configura y opera apropiadamente. A continuación se muestran las estadísticas de las aplicaciones del bombeo por cavidades progresivas para Venezuela e internacionalmente. Nótese que se han alcanzado periodos de operación superiores a los 8 años, aplicaciones en pozos horizontales en las cuales la bomba se instaló en una sección a noventa grados con respecto a la vertical, gravedades API de hasta 45°, profundidades superiores a los 9000 pies y viscosidades de hasta 100.000 cps.
PAÍS
VARIABLE
Venezuela
Producción Total Mayor Tasa/pozo Mayor desviación Crudo mas liviano Mayor contenido
Canadá California, USA Texas, USA Canadá
RESULTADOS OBTENIDOS 525 MBls 5270 b/d Posición Horizontal Gravedad API de 45° 70 % en Volumen
EQUIPO / MATERIAL Bombas serie 5” Bomba Multilóbulo Bomba 300TP1300 Elastómero usado: 199 Elastómero usado: 194
19 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
OBSERVACIONES Asociada a 150 bombas instaladas Pozos productores de agua. DogLeg de hasta 15 ° / 100 pies. Temperatura 140° F Duración promedio de 6 a 9
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). de arena
meses.
Canadá
Mayor Hasta un 7 % Elastómero Temperatura 46 contenido de H2S usado: 159 °C de H2S Canadá Mayor vida 99 meses (mas Bomba Elastómero 159 útil de 8 años) 240TP600 Ecuador Profundida Mayor de 9800 Bomba d de la pies 180TP3000 bomba Canadá Crudo mas Gravedad API Bomba Viscosidad pesado de 8° 660TP2000 100.000 cps. Argentina Mayor 260 °F / 127 °C Elastómero Bomba 300TP1800 Temperatu 159 ra Texas Mayor 15% de Elastómero Bomba 200TP1800 contenido aromáticos 204 de solventes aromáticos Wyoming Mayor 30% de Elastómero Bomba 200TP1800 contenido contenido de 159 de CO2 CO2 Tabla Nº1: Resultados obtenidos del Metodo BCP. Tomado de “Bombeo de
Cavidad Progresiva ESP Oil”.
PARTE IV: CARACTERÍSTICAS. Presión en la bomba- Distribución y efectos: La presión desarrollada dentro de la bomba depende básicamente de dos factores: -
Número de líneas de sello (etapas).
-
Interferencia o compresión entre rotor y estator.
La mayor o menor interferencia, o compresión entre rotor y estator se puede lograr en principio variando eldiámetro nominal del rotor. A su vez, la expansión del 20 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). elastómero durante el proceso de producción haceque la interferencia aumente, lo cual se deberá tener en cuenta para elegir la mejor combinación entre rotor yestator.La expansión del elastómero se puede dar por:
-
Expansión térmica(por la temperatura del fondo de pozo o debido a la energía térmicagenerada por deformación cíclica-Histéresis).
-
Expansión química. La cantidad de veces que la línea de sellos se repite, define el número de
etapas de la bomba. Cada etapaestá diseñada para soportar una determinada presión diferencial, por lo tanto a mayor Nº de etapas, mayores la capacidad para vencer una diferencial de presión. Se pueden presentar distintas combinaciones queafectan a la distribución de la presión dentro de la bomba:
Figura Nº 4: Combinaciones que afectan a la distribución de la presión dentro de la bomba. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”. 21 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Requerimientos de Torque y Potencia Al transmitir la rotación al rotor desde superficie a través de las varillas de bombeo, la potencia necesariapara elevar el fluido me genera un torque el cual tiene la siguiente expresión: Torque = K * Potencia / N K= Constante de pasaje de unidades. Potencia= Potencia Suministrada. N= velocidad de operación. El torque requerido tiene la siguiente composición: Torque total: Torque Hidráulico + Torque fricción + Torque resistivo
-
Torque hidráulico, función de (presión de boca de pozo, presión por pérdida de carga, presión por presión diferencial).
-
Torque por fricción en bomba, fricción entre rotor y estator. Este parámetro se puede obtener de las mediciones realizadas en un test de banco.
-
Torque resistivo, fricción entre varillas y tubing. El máximo torque resistivo estáenboca de pozo.
22 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). PARTE V: COMPONENTES.
Las bombas de cavidades progresivas (PCP) son bombas de desplazamiento positivo la cual consiste, como se explicó anteriormente, en un rotor de acero de forma helicoidal y un estator de elastómero sintético moldeado dentro de un tubo de acero. El estator es bajado al fondo del pozo formando parte del extremo inferior de la columna de tubos de producción (tubings), mientras que el rotor es conectado y bajado junto a las varillas de bombeo. La rotación del rotor dentro del estator es transmitida por las varillas de bombeo, cuyo movimiento es generado en superficie por un cabezal.
Figura Nº5: Componentes de subsuelo de una BCP. Tomado de “PcpumpHandbook”.
23 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 5.1.-Equipos de Subsuelo o Fondo: 5.1.1.- Elastómeros: Son la base del sistema PCP en el que está moldeado el perfil de doble hélice del estator. De su correctadeterminación y su interferencia con el rotor depende en gran medida la vida útil de la PCP. Consiste en un elemento que puede ser estirado un mínimo de 2(dos) veces su longitud y recuperar inmediatamente sudimensión original. El Elastómero constituye el elemento más “delicado” de la Bomba de Cavidades Progresivas y de su adecuada selección depende en una gran medida el éxito o fracaso de esta aplicación. El Elastómero reviste internamente al Estator y en si es un Polímero de alto peso molecular con la propiedad de deformarse y recuperarse elásticamente, esta propiedad se conoce como resiliencia o memoria, y es la que hace posible que se produzca la interferencia entre el Rotor y el Estator la cual determina la hermeticidad entre cavidades contiguas y en consecuencia la eficiencia de la bomba (bombeo).
Figura Nº6: Elastómeros. Tomado de Principios Fundamentales para diseños de bombas PCP.
24 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Los Elastómeros deben presentar resistencia química para manejar los fluidos producidos y excelentes propiedades mecánicas para resistir los esfuerzos y la abrasión. 5.1.1.2.- Propiedades mecánicas mínimas requeridas. •
Hinchamiento: del 3 al 7% (máximo).
•
Dureza Shore A: 55 a 78 puntos.
•
Resistencia Tensíl: Mayor a 55 Mpascal.
•
Elongación a la ruptura: Mayor al 500%
•
Resistencia a la fatiga: Mayor a 55.000 ciclos
•
Resistencia al corte: Mayor a 4 Kgrs/mm.
5.1.1.3.- Condiciones de elastómeros para PCP:
•
Resistencia a la fatiga: (hasta 500.000.000 de ciclos acumulados de deformación cíclica).
•
Elasticidad:Fuerza necesaria por unidad de superficie para estirar una unidad de longitud.
•
Dureza Shore “A”:Fuerza requerida para deformar la superficie del elastómero.
•
Resistencia al corte: Fuerza necesaria para cortar la muestra en condiciones ASTM.
•
Resistencia al desgarramiento.
•
Resistencia a la abrasión.
•
Resiliencia:Velocidad para volver a la forma original, para poder volver a sellar las cavidades.
•
Permeabilidad:Para evitar la descompresión explosiva, en paros de producción de pozos con gas libre en la succión de la bomba.
25 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
5.1.1.4.-Tipos de Elastómeros:
•
Elastómero 198: Un butadieno-acrilonitrilo hidrogenado (no es un caucho). Este Elastómero
fue desarrollado para obtener una mayor resistencia al H2S y a mayor temperatura que la del caucho. La resistencia a la abrasión es buena. El módulo de corte es excelente. La resistencia a los aromáticos no es tan buena como la de los Elastómeros tipo caucho. La temperatura máxima de servicio recomendada es de 160 °C (320 °F), sin embargo, sigue siendo probado al respecto.
•
Elastómero 199: Es un co-polimero butadieno-acrilonitrilo con 50% de nitrílo. Su resistencia
a los aromáticos es buena, se ha utilizado con éxito en fluidos con 13% de aromáticos a 40 °C (104 °F). Su resistencia a la abrasión es baja. El módulo de corte es excelente y su resistencia a la temperatura es levemente mejor a la del 159.
•
Elastómero 204: Es un co-polimerofurocarbono butadieno. Este Elastómero fue desarrollado
para obtener mayor resistencia a los aromáticos y a los gases ácidos (CO2 y H2S). Algunas bombas fabricadas con este Elastómero han operado por 3 años en pozos con 28% de CO2, 3% de H2S en el gas y 3% de aromáticos en el crudo. Los ensayos de campo continúan. El módulo de corte es muy bajo, el módulo de desgarramiento es bueno. Se debe utilizar una baja interferencia entre el Rotor y el Elastómero
26 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
Elastómero 194: Es un butadieno-acrilonitrilo con alto contenido de nitrilo. Este Elastómero
fue desarrollado para crudos pesados con alto contenido de arena. La resistencia a la abrasión es buena (dureza Shore A = 58).
•
Elastómero 159: Es un co-polimero butadieno-acrilonitrilo con 45% de Nitrilo. Su distribuidor
(y fabricante) lo utiliza como estándar para comparación de la solidez y resistencia química de los Elastómeros.
En la siguiente tabla se resume el desempeño de los Elastómeros presentados anteriormente, se debe destacar que la nomenclatura es propia del fabricante y que la misma, la formulación (y por ende las propiedades) varían de un fabricante a otro. 159
194
198
199
204
Abrasión
B
A
A
C
B
Ampollas de
A
B
B
A
A
A
A
B
C
B
A
B
B
A
B
C
C
C
A
A
Aromáticos
B
C
C
A
A
CO2
B
C
B
B
A
gas Crudos Pesados Crudos Medianos Crudos Livianos
27 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). H2S
B
B
A
B
A
Pozos de agua
B
C
C
C
C
Temp. Max (ºC)
120
100
160
110
80
Temp. Max (ºF)
248
212
320
230
176
Escala: A: Excelente B: AceptableC: Insatisfactorio.
Tabla Nº2: Características de algunos elastómeros. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
5.1.1.5.- Elastómeros para petróleo: Los Elastómeros más utilizados en la aplicación BCP, poseen base Nitrílica (convencionales),
Hidrogenación
Catalítica
(Elastómeros
Hidrogenados)
o
Fluoelastómeros.
•
Caucho NBR o base nitrílica (nitrilebutadienerubber): Cadenas copolímeras de butadieno y acrilonitrilo (acn).El butadieno posee un
doble enlace tenso de carbono que favorece las reacciones químicas que permitenagregar aditivos que mejoran sus propiedades. Este proceso se da en la vulcanización. Los aditivos se mezclan mecánicamente y luego se moldea y vulcaniza la mezcla para acelerar el proceso de formación de los enlaces. Se utilizan más de una docena de aditivos en cada compuesto específico de caucho, tales como azufre que provee enlaces, reducidores de fricción, catalizadores de vulcanizado, etc. -
a > % de ACN > resistencia a los Aromáticos y al CO2.
-
a > % de carbono > resistencia mecánica.
-
baja resistencia al SH2 (continua con el proceso de vulcanizado).
28 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
•
-
oleófilos: tienden a absorber petróleo.
-
baja resistencia al agua caliente.
HNBR Nitrílico hidrogenado (hydrogenatednitrilebutadienerubber).
-
Buena resistencia al SH2: el hidrógeno satura el triple enlace del ACN.
-
Muy buena resistencia a la temperatura.
-
Propiedades mecánicas medias.
-
Descompresión explosiva: pobre.
-
Baja resistencia a los Aromáticos y al CO2.
-
Muy baja resistencia al agua caliente.
•
Fluorocarbono – fkm (viton):
-
Excelente resistencia a los Aromáticos y al CO2.
-
Excelente resistencia a la temperatura.
-
Buena resistencia al SH2.
-
Resistencia a la abrasión pobre.
-
Propiedades mecánicas medias.
-
Descompresión explosiva pobre.
-
Muy baja resistencia al agua caliente.
-
Difícil de moldear para PCP.
-
Hoy solo moldeable en bombas de paso largo.
Los cambios más comunes en las propiedades mecánicas de los Elastómeros son: el Hinchamiento, el Endurecimiento y el Reblandecimiento. Estos elastómeros son clasificados como “bajo contenido de acrilo-nitrilo (NBRA)”, contenido medio de acrilo-nitrilo (NBRM), nitrílos hidrogenados (HNBR) y Vitón. La siguiente tabla muestra el desempeño de estos materiales. 29 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
NBRA
NBRM
HNBR
VITON
Resistencia Mecánica
++
+
+
-
Resistencia a la
+
++
++
-
Tolerancia al CO2
-
-
-
+
Tolerancia al H2S
--
-
+
-
Tolerancia a
++
-
+
+++
-
-
+
++
abrasión
aromáticos Alta temperatura
Escala: (+++Excelente)(++ Muy Bueno)(+ Bueno)(- Pobre)(-- Muy Pobre). TABLA N° 3: Características de otros materiales usados en los Estatores BCP.“Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”. Los elastómeros se construyen de materiales vivos, sus propiedades pueden verse afectados de manera adversa por: a) Los parámetros que caracterizan el fluido del pozo tales como: -
Gravedad del crudo
-
Temperatura de profundidad de la bomba
-
Corte de agua
-
Relación gas liquido
b) La presencia de agentes físicos o químicos, tales como: 30 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). -
Partículas abrasivas
-
Agentes agresivos
-
Solventes aromáticos
-
CO2 y H2S
5.1.2.- Estator PCP: Es la parte externa está constituida por una camisa de acero revestida internamente por unelastómero(goma), moldeado en forma de hélice enfrentadas entre si, cuyos pasos son el doble del paso dela hélice del rotor.
Figura N°7: Cortes longitudinales de un estator. Tomados de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil” y Principios Fundamentales para diseños de bombas PCP.
31 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA OGRESIVA (BCP). 5.1.3.- Elementos de la sarta de varillas de bombeo. 5.1.3.1.- Rotor: El rotor está fabricado con acero de alta resistencia mecanizado con precisión y recubierto con una capa de material altamente resistente a la abrasión. Se conecta a la sarta de cabillas (bombas tipo Tubular) las cuales le transmiten el Figura N°8.A: Cortes transversales de un movimiento de rotación desde la Rotor. Tomado de “Bombeo de Cavidad superficie (accionamiento o impulsor). Un Progresiva ESP Oil” Rotor se fabrica a partir de una barra cilíndrica de acero en un torno especial. Luego
de ser mecanizado se recubre con una capa de un material material duro. Generalmente se trata de un recubrimiento con un proceso electro químico de cromado. Mientras que los Estatores de un mismo modelo de bomba,
fabricados
Elastómero, rotores diámetros
son
se y
con
todos
el
idénticos,
mecanizan se
mismo
recubren
con de
los
varios varios
espesores de cromado. Las variaciones de estos dos parámetros diámetro y espesor, son los que permiten un ajuste fino de la interferencia. Estando el estator y el rotor al mismo nivel sus extremos inferiores, el pin del rotor
sobresale
delestator
aproximadamente unos 460mm a 520mm. Este dato permite verificar en muchos casos si elespaciamiento fue bien realizado. En caso de presencia de arena, arena aunque sea escasa, esta deja muchasveces marcada la hélice del rotor. De este modo, al 32 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). retirar el rotor por cualquier motivo, se puede observar en que punto estuvo trabajando dentro del estator, partiendo del extremo superior del rotor. 5.1.3.2.-Trozo de Maniobra: Es muy importante instalar un trozo de esta medida inmediatamente por encima delrotor, en lugar de una varilla, cuando gira a velocidades superiores a las 250rpm. Cuando se instala unavarilla, debido a su largo y al movimiento excéntrico del rotor que se transmite directamente a ella, tiende adoblarse y rozar contra las paredes del último tubing. El trozo de maniobra, al ser de menos de la mitad dellargo de la varilla, se dobla menos o no se dobla, dependiendo de su diámetro. 5.1.3.3.- Varillas de bombeo API: Son varillas de acero, enroscadas unas con otras por medio de cuplas,formando la mencionada sarta, que va desde la bomba hasta la superficie. Los diámetros máximos utilizadosestán limitados por el diámetro interior de los tubings, utilizándose por ejemplo diámetros de 7/8” o 1” (cuplasslimhole) en tubings 27/8”. Su longitud puede ser de 25´o 30´.
5.1.3.4.- Varillas de Bombeo no Convencionales: Podemos mencionar las barras huecas (hollowrods) lascuales sumadas a una conexión Premium ofrece entre otras ventajas, una mayor capacidad de transmisiónde torque que una varilla API. También podemos mencionar las varillas continuas las cuales ofrecen entreotras ventajas, su maniobrabilidad, posibilidad de usar mayor diámetro de varillas en tubingsslim-hole (notienen cuplas) y por este mismo motivo, un menor desgaste entre varillas y tubings.
33 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
5.1.3.5.- Vástago: El extremo superior de la sarta se completa con un vástago cromado enroscado a las varillas, elcual va empaquetado en superficie, por medio de un dispositivo”prensa”. Todo esto se conecta al puentede producción. El vástago puede ser de diferentes medidas. Algunas de las que se utilizan son 1.1/4”; 1.1/2” en macizos, obien 48 mm en vástagos huecos; dependiendo de la sarta que se tenga en el pozo y del cabezal que seutilice en superficie. 5.1.4.- Niple de Paro: Es un tubo de pequeña longitud (corto) el cual se instala bajo el Estator (bombas tubulares). Es parte componente de la bomba y va roscado al extremo inferior del estator. Sus funciones: •
Hacer de Tope al rotor en el momento del espaciamiento.
•
Servir de pulmón al estiramiento de las varillas, con la unidad funcionando.
•
Como succión de la bomba.
•
Servir de punto de conexión para accesorios tales como Anclas de Gas o Anti-torque, Filtros de Arena, etc.
•
Impedir que el rotor y/o las cabillas lleguen al fondo del pozo en caso de producirse rotura o desconexión de estas últimas.
Los más usuales son de rosca doble, con una rosca hembra en su extremo superior, que va roscada alestator y una rosca macho de la misma medida en su extremo inferior, para permitir instalar debajo el anclade torque o cualquier otro elemento. A la vez el centro de la misma hace de tope con el rotor, durante elespaciamiento.
34 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). La siguiente figura muestra los de Niples de Paro distribuidos por dos diferentes conocidas empresas.
Figura N° 9.Niples de Paro. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”. 5.1.5.- Niple Intermedio: Su función es la de permitir el movimiento excéntrico de lacabeza del rotor con su cupla o reducción de conexión al trozo largo de maniobra o a la última varilla, cuandoel diámetro del tubing no lo permite. En estos casos es imprescindible su instalación. Otra ventaja de este niple intermedio o niple de maniobra es que durante las operaciones (bajada de la completación al pozo) las cuñas, mordazas, llaves de apriete, etc.; se colocaran en él, en lugar del cuerpo del estator, evitando así cualquier daño a este último.
35 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 5.1.6.- Anclas de Gas: La eficiencia volumétrica de las BCP, al igual que la de otros tipos de bombas, es afectada de manera significativa por la presencia de gas libre en su interior. Anclas de gas es el nombre que comúnmente se emplea para referirse a los separadores estáticos gas-líquido de fondo de pozo, generalmente la separación gas – líquido ocurre fuera del ancla desviándose el gas al espacio anular entre el revestidor y la tubería de producción y el líquido es enviado a la bomba, sin embargo, las anclas de gas no son 100% eficientes por lo que una porción del mismo es arrastrado a su interior y de allí Figura Nº10: Ancla de Gas. a la bomba, adicionalmente dentro del ancla Tomado de “Bombeo de Cavidad del ancla, por los diferenciales de presión que Progresiva ESP Oil”. allí se originan, ocurren separaciones adicionales de gas el cual también es conducido a la bomba; algunos diseños consideran el desalojo de este gas al espacio anular revestidor-eductor.
Aunque existen separadores dinámicos de gas, estos son generalmente aplicados a bombas electrosumergibles, aprovechando la rotación a alta velocidad de la bomba para accionar el separador centrífugo. Los separadores estáticos o anclas de gas más populares en Venezuela son el poorman (o poorboy) y el de copas (Gilbert-cup). En ambos casos la separación se realiza por efecto de la gravedad, aprovechando la diferencia de densidades entre las dos fases (líquido y gas). Existen también separadores estáticos con elementos internos de forma helicoidal (anclas Dinamix), de modo que inducen una rotación, con el fin de crear un efecto centrífugo que contribuye con la gravedad en la separación. Sin embargo, este último tipo de separadores es muy poco usado, ya que son mucho más difíciles de construir y
36 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). hasta ahora su ventaja frente a los separadores más sencillos no ha sido comprobada.
En 1995, Podio y McCoy presentaron un nuevo diseño basado en un principio diferente a los planteados hasta entonces. Estos investigadores observaron el hecho de que en espacios anulares excéntricos el gas tiende a fluir preferencialmente por la zona más amplia de este espacio anular. Aprovechando éstefenómeno, diseñaron un separador excéntrico. La entrada al separador fue colocada en la región más cercana al revestidor, la cual coincide con la zona de alta concentración de líquido. De esta manera, se consigue que la mayor separación ocurra fuera del separador y no dentro de él.
En todos los casos debe tenerse en cuenta que el separador actúa como un sistema que tiene dos efectos: 1) Separa gas libre, 2) Crea una caída de presión adicional. El segundo efecto es perjudicial, pues induce una liberación adicional de gas y aumenta el volumen ocupado por la masa de gas libre. La caída de presión impuesta por el separador se debe a la fricción y al hecho de que, en algunos casos, la sola presencia del separador obliga a colocar la bomba más arriba de lo que se haría si no se colocara este equipo. Estos factores deben analizarse al momento de decidir si es recomendable el uso de un ancla de gas a la entrada de la bomba.
Se han presentado métodos para estimar la eficiencia de separación y el límite para el uso de anclas de gas (Schmidth en 1986 y Campbell en 1989) sin embargo sus conclusiones no pueden ser generalizadas para el caso de crudos muy viscosos, debido a que algunos de los factores son experimentales y fueron obtenidos con fluidos de muy baja viscosidad.
Existen casos especiales, como el de los crudo espumantes en la FBO, donde la separación puramente mecánica es prácticamente imposible, lo cual obliga a la búsqueda de nuevas maneras de incrementar la eficiencia volumétrica de los 37 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). equipos de bombeo, ya que hasta ahora el uso de separadores convencionales ha constituido una restricción a la entrada de la bomba. 5.1.7.-Caño filtro: Se utiliza para evitar, en el caso de rotura de estator con desprendimiento de elastómero,trozos de tamaño regular del mismo queden dentro del espacio anular. Una vez cambiada la instalación defondo, estos pedazos de elastómero podrán ser recuperados con un equipo de pulling y no permaneceráenel pozo donde se corre el peligro que sean succionados nuevamente por la bomba. La condición para suinstalación es que la suma de las áreas de sus orificios sea igual o mayor a seis (6) veces el área de succiónde la bomba, es decir seis veces el área del niple de paro. 5.1.8.- Ancla de Torque: Al girar la sarta en el sentido de las agujas del reloj, o hacia la derecha (vista desdearriba) se realiza la acción de girar la columna también hacia la derecha, es decir hacia el sentido dedesenrosque de los caños. A esto se suman las vibraciones producidas en la columna por las ondasarmónicas ocasionadas por el giro de la hélice del rotor dentro del estator, vibraciones que son tanto mayorescuanto más profunda es la instalación de la bomba. La combinación de ambos efectos puede producir eldesprendimiento del tubing. El ancla de torque evita este problema. Cuanto más la columna tiende aldesenrosque, más se ajusta el ancla. Debe ir siempre instalada debajo del estator, elemento de la columnadonde el esfuerzo de torque es mayor. No siempre es necesaria su instalación, ya que en bombas de menorcaudal a bajas velocidades o bajas profundidades, no se tienen torques importantes y o se producen grandes vibraciones. No obstante, es recomendable en todos los casos.
38 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº11: Torque de Ancla. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
5.1.9.- Zapato Probador de Hermeticidad: En caso de ser instalado (altamente recomendado), se debecolocar siempre arriba del niple intermedio, para poder probar toda la cañería y además como su diámetrointerno es menor que el del tubing no permite el paso de centralizadores a través de él. Para algunas medidasde bomba, no se puede utilizar, porque el pasaje interior del mismo es inferior al diámetro del rotor,impidiendo su paso en la bajada. La interferencia entre el rotor y el estator es suficiente sello para probar la hermeticidad, aunque siempreexiste escurrimiento, tanto mayor cuanto mayor sea la presión total resultante sobre la bomba.La suma de la presión de prueba más la altura de la columna debe ser tal que no supere la alturamanométrica de la bomba, para evitar dañarla.
39 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 5.1.10.- Centralizadores de Cabillas: Los centralizadores de cabillas se suelen colocar sólo en aquellos pozos con desviaciones o inclinaciones muy pronunciadas. Hasta ahora no existe un acuerdo validado respecto a los criterios para la ubicación de estos dispositivos, sin embargo el programa del C-FER ofrece una rutina para estimar la colocación mas adecuada de los mismos en la sarta de cabillas. La Figura N° 12 ilustra algunos centralizadores de cabillas.
Figura Nº12: Centralizadores de Cabillas. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
5.1.11.-Niples de Drenaje: Generalmente se utiliza un niple de drenaje para desalojar el crudo de la tubería de producción en aquellos casos cuando no es posible sacar el rotor de la bomba, por ejemplo cuando falla la sarta de cabillas y no se puede “pescar” la misma. Es importante no tener crudo en la tubería al momento de sacar la sarta, ya que de otra manera se corre el riesgo de originar derrames de crudo indeseados en la superficie contaminando asi el medio ambiente. La mayoría de los niples de drenaje se activan aplicando presión interna a la tubería de producción. En el caso de crudos extrapesados, se ha subestimado, en algunos casos, la presión de descarga de la bomba, originando que el sistema de drenaje se active durante la operación, con lo cual es necesario recuperar la tubería.
40 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Es importante mencionar que cuando se cuenta con un cabezal de eje hueco, se acostumbra colocar una barra pulida mas larga que la longitud del rotor, con lo cual se puede sacar el rotor del estator con una operación muy sencilla cuando se desea circular el pozo. 5.1.12.- Niples “X”: Con el fin de detectar agujeros o uniones defectuosas en la sarta de tubería, se acostumbra realizar una prueba de presión durante la operación de bajada de la misma. Para realizar esta prueba se puede instalar un niple de asiento X, sobre el estator de la bomba, en el cual se asienta una válvula fija con pescante, la cual es fácil de recuperar luego de la prueba. Si el pozo presenta problemas de corrosión y la tubería es re-utilizada, es recomendable asentar la válvula en el niple X e ir probando a medida que se bajan los tubulares, por ejemplo, cada 10 tubos; de esa manera es más fácil detectar y corregir la existencia de algún tubo defectuoso.
5.2.-Instalación de Superficie: Una vez obtenidos los parámetros de operación mínimos necesarios para accionar el equipo de subsuelo, esnecesario dimensionar correctamente los equipos de superficie que sean capaces de proveer la energíarequerida por el sistema. Esto significa que deben ser capaces de: •
Suspender la sarta de varillas y soportar la carga axial del equipo de fondo.
•
Entregar el torque requerido en el vástago.
•
Rotar el vástago a la velocidad requerida.
•
Prevenir la fuga de fluidos en la superficie.
•
Existen diferentes configuraciones de cabezales y a su vez un amplio rango de accesorios y tecnologíaspara cada una de estas configuraciones.
41 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Los accionamientos de superficie para los sistemas de bombeo por cavidades progresivas han evolucionado desde pequeñas unidades de velocidad fija hasta sofisticados sistemas protegidos mecánica y eléctricamente y con capacidades de supervisión y control a distancia.
Las unidades de velocidad fija se caracterizan por ser necesario el cambio de poleas y correas para variar la velocidad obteniendo cambios discretos en esta variable con los inconvenientes de contar con un número limitado de combinaciones, no obtener las “revoluciones exactas” requeridas según el diseño y además requerir de inventarios de poleas, correas y demás accesorios.
En este tipo de sistemas, la relación de transmisión total viene dada por la relación de transmisión de la caja reductora en sí, multiplicada por la relación de transmisión del conjunto correa poleas que acopla el motor a la caja. En este caso la velocidad se varía cambiando la polea del motor, y de este modo la relación de transmisión. En el pasado, muchos de estos equipos no contaban con mecanismos de freno ni de liberación de torque y sus capacidades para soportar cargas axiales y brindar los torques y potencias exigidos por el sistema eran muy limitados La ventaja de este equipo consiste en que al utilizar poleas / correas dentadas se elimina el deslizamiento y son equipos integrados. Las desventajas radican básicamente en que la operación de cambio de velocidad del sistema es más lenta y requiere un trabajo previo de preparación de la pieza (polea); también es necesario parar la marcha del equipo para realizar la operación y no se obtienen las velocidades exactas de diseño (a menos que se instalen en conjunto con un variador de frecuencia). El hecho de que la operación de cambio de velocidad requiera el cambio de piezas impidió en el pasado la automatización de este equipo. 42 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). En la Figura N° 13 se muestra uno de los más sencillos sistemas de este tipo.
GUARDA POLEAS
BARRA PULIDA GUARDA POLEAS
MOTOR CABEZAL
MOTOR
Figura Nº13: Equipo de Superficie poleas y Correas
5.2.1.- Cabezal de Rotación: Este es un equipo de accionamiento mecánico instalado en la superficie directamente sobre la cabeza depozo. Consiste en un sistema de rodamientos o cojinetes que soportan la carga axial del sistema, un sistemade freno (mecánico o hidráulico) que puede estar integrado a la estructura del cabezal o ser un 43 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). dispositivoexterno, y un ensamblaje de instalación que incluye el sistema de empaque (“stuffing box”) para evitar lafiltración de fluidos a través de las conexiones de superficie.Además, algunos cabezales incluyen un sistema de caja reductora accionado por engranajes mecánicos opoleas y correas. El cabezal de rotación, cumple con 4 funciones básicas: • Soporte para las cargas axiales. Las cargas axiales originadas por el peso de
la sarta de cabillas sumergida en el fluido del eductor y la producida por el diferencial de presión que levanta la bomba es soportada a través de rodamientos cónicos ubicados en el cabezal de rotación. Dependiendo del fabricante, pueden encontrase uno o dos rodamientos actuando en paralelo y distribuyéndose las cargas. • Evitar o retardar el giro inverso de la sarta de cabillas. El giro inverso puede
causar múltiples inconvenientes tales como daños en la caja reductora del motorreductor o motovariador (ya que la misma actúa como multiplicadora cuando son la cabillas las que la hacen girar), daños en el motor eléctrico al actuar como generador y por último puede causar el desenrosque de las cabillas, ya que son estas las que deben detener el sistema motriz una vez que se ha liberado el torque de las mismas y la columna de fluido. Este fenómeno junto con los efectos dinámicos que se presentan a grandes velocidades (por ejemplo vibraciones) generan un torque que tiende a desenroscar las cabillas. Algunos cabezales ofrecen un sistema retardador del giro inverso, el cual puede ser hidráulico o mecánico (Tambor y Zapata); este mecanismo permite que la sarta gire en sentido inverso (anti-horario visto desde arriba) al detener el sistema motriz, a baja velocidad de rotación, esta característica garantiza que la sarta no girará a la hora de levantar el cabezal durante una reparación. Este sistema permite que las columnas dentro y fuera del eductor se equilibren, con lo cual el torque de arranque es menor, no obstante se requerirá más tiempo para obtener la producción del pozo en superficie una vez que se arranca el sistema. 44 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Otros fabricantes suministran equipos con sistemas anti-retorno, formados generalmente por una banda (o zapata) con un alto coeficiente de fricción la cual sujeta un disco pulido y este a su vez el eje del cabezal. La desventaja de este sistema consiste en que las cabillas quedansometidas a un torque que se liberará al levantar el cabezal al momento de una reparación. Como punto a favor, con este sistema el eductor permanece lleno durante la parada del sistema motriz permitiendo llevar la producción del pozo hasta la superficie al arrancar nuevamente el sistema. • Aislar los fluidos del pozo del medio ambiente. Se evita el derrame delos
fluidos de producción al medio ambiente mediante un conjunto de sellos que aíslan el eje de rotación del cabezal de producción (prensa - estopas). En los casos donde el eje del cabezal es hueco, el sello se realiza sobre la barra pulida. • Soportar el accionamiento electro-mecánico. Sobre el cabezal de rotación se
instala o bien el motovariador o el motor- reductor, según el caso. Existen el mercado cabezales de eje macizo y cabezales de eje hueco, estos últimos poseen la ventaja de permitir el levantar la sarta de cabillas sin desmontar el sistema motriz con la finalidad de re-espaciar la bomba o circular el pozo. También existen cabezales dónde el rodamiento de carga es lubricado por aceite y en otros casos lubricado con grasa; el seleccionar el tipo de lubricación depende del operador, ya que una lubricación con grasa requiere menos chequeos y protege más los equipos contra la intemperie, sin embargo la lubricación con aceite protege más el rodamiento mejorando la vida útil del mismo, no obstante estos sistemas requieren una revisión más periódica para garantizar los niveles de aceite y corregir la presencia de fugas. En el Occidente del país, prevalecen los cabezales de eje sólido con rodamientos lubricados por aceite.
45 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº14: Descripción de las partes del cabezal para BCP. 46 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). LEYENDA: 1.
base porta empaque
2.
tuerca porta empaque
3.
buje centralizador de tuerca empaque
4.
buje centralizador inferior
5.
deflector ecológico
6.
bulones 10/32 anclaje buje de tuerca
7.
cuerpo principal
8.
tapa superior
9.
eje motriz pasaje hasta 1 1/2"
10.
rodamiento 29420
11.
rodamiento nj 221
12.
rodamiento nj 214
13.
caño guía
14.
visor
15.
reten inferior
16.
mesa porta polea
17.
bulones alem 3/4 x 2 1/4"
18.
caliper de freno
19.
disco de freno
20.
bulonalem 12 x 175 x 35
21.
caja comando hidráulico
22.
motor hidráulico
23.
correa sincrónica 90 x 190
24.
engranaje 22 dientes
25.
engranaje 42 dientes
47 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº15: Cabezal de Rotación. Tomado de “PcpumpHandbook”
48 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura N°16. Cabezal de Rotación utilizado en Occidente.Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
5.2.2.- Motovariadores Mecánicos: En este sistema el acople entre motor y caja reductora no es directo; en este caso se realiza a través de un conjunto “variador de velocidad” formado por correas y poleas de diámetro variable, el cual cumple con la función de permitir el cambio de velocidad de rotación sin requerir la parada del equipo ni el cambio de componentes. Esta operación se realiza girando el volante que gobierna la polea motriz, al mover el volante se varía el diámetro de la polea separando los discos cónicos que la componen cambiando de esta forma la relación de transmisión. Los equipos donde se instalan los motovariadores tienen la posibilidad de ser ajustados en un rango de velocidades desde 50 R.P.M. hasta 400 R.P.M. Hay algunas desventajas de este sistema, entre ellas se pueden destacar las siguientes: • La velocidad no se puede ajustar con el equipo apagado, ya que es en movimiento que la correa se ajusta al cambio de diámetro de la polea motriz, esto 49 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). impide que al realizar una parada el equipo se pueda arrancar a velocidad mínima para evitar daños a los componentes del sistema. Una solución la ofrecen los acoples que se instalan entre la salida de sistema motriz y el eje del cabezal de rotación de manera que estos puedan ser desacoplados para así variar la relación de transmisión (velocidad) con el sistema girando en vacío. • En sistemas de considerable potencia la asimetría del equipo tienden a flectar el cabezal, por lo cual es necesario fijar el equipo al piso con algún tipo de soporte, esta excentricidad también produce vibraciones que en algunos casos puede limitar la velocidad del equipo. 5.2.3.- Motorreductores: Generalmente en la práctica el rango de operación de las BCP es de 40 a 350 R.P.M. Al girar los motores eléctricos a una velocidad nominal y fija de aproximadamente 1800 R.P.M. (motores de 4 polos), es necesario contar con una caja reductora de una relación de transmisión adecuada para llevar la velocidad angular del motor avelocidades más cercanas a la requerida por la bomba, además de ser el elemento que suministrará el torque exigido por el sistema.En cuanto al cambio de velocidad de operación de la bomba (R.P.M.), la optimización de la producción y la declinación en la vida productiva de un pozo, hacen que se requiera de ajustes de esta variable; por lo tanto, y al ofrecer el motor- reductor una velocidad constante, es necesario contar con un sistema que permita variar las R.P.M. de la bomba, para realizar esta tarea se utilizan los variadores de frecuencia. Para realizar una correcta selección del motorreductor, es necesario determinar con la mayor precisión posible el torque requerido en superficie a la máxima velocidad de rotación esperada. Este torque depende del tipo de bomba, el diferencial de presión de la misma y el roce de las cabillas con el fluido en el eductor. Una vez conocido el torque, se selecciona la caja reductora cuya relación de transmisión permita obtener la máxima velocidad de rotación de diseño. Seguidamente se verifica que el torque máximo de la caja reductora sea mayor a requerido (en 10-20%, o un factor de servicio mayor a 1,2).Una cálculo erróneo del 50 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). torque máximo puede traer como consecuencia daños irreparables para el equipo al trabajar con torques mayores a los de diseño, por otra parte es importante mencionar que en los sistemas de bombeo por cavidades progresivas, a mayor velocidad de bombeo mayor es el torque requerido (si se mantiene la misma bomba y se logra una mayor tasa de producción), ya que el diferencial de presión a vencer por la bomba es mayor; mientras que el torque que resiste la caja reductora es constante. A
continuación
se
presenta
a
modelo
comparativo
aplicaciones
con
motovariadores (izquierda) y motor- reductor (derecha). Estos diseños prevalecen en los pozos instalados con BCP en el occidente del país. MOTOVARIADORES EJE SOLIDO
CABEZAL D EJE SOLIDO.
EJE HUECO
CABEZAL D EJE HUECO.
MOTO REDUCTOR
CABEZAL DE EJE SOLIDO.
Figura Nº17: Evolución de los equipos de Superficie. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
51 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
5.2.4.- Variadores de Frecuencia: Estos equipos son utilizados en conjunto con los motorreductores y con los equipos de polea-correa en los cuales la velocidad es constante (a menos que se cambie la caja reductora o la relación de poleas) para brindar la flexibilidad del cambio de velocidad en muy breve tiempo y sin recurrir a modificaciones mecánicas en los equipos. El Variador de frecuencia rectifica la corriente alterna requerida por el motor y la modula electrónicamente produciendo una señal de salida con frecuencia y voltaje diferente. Al variar la frecuencia, varia la velocidad de rotación ya que ambas son proporcionales, finalmente al varia la velocidad de operación, varía la producción. La gran ventaja de estos equipos está representada por las funciones que brinda entre ellas se destacan: •
Ajuste de velocidad: Este equipos permite variar la velocidad en un rango más amplio que los demás sistemas y en un tiempo relativamente muy corto.
•
Sobrecarga
(sobrecorriente),
subcarga,
sobrevoltaje
y
bajo
voltaje.
Cortocircuito entre fase y fase, fase a neutro, las fases y tierra, en las salidas del variador y de las fuentes internas y en las salidas/entradas analógicas y digitales. •
Falla o pérdida de fase, falla interna.
•
Sobretemperatura del motor y/o del variador.
•
Sobretorque por rotor del motor bloqueado o atascamiento de los equipos de subsuelo. Límites programables de velocidad (mínimo y máximo), limites de torque y rearmes automáticos.
Poseen pantallas de cristal líquido (LCD) con iluminación nocturna con panel (o consola) desmontable. En estas pantallas se pueden leer las siguientes variables de operación:
52 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Frecuencia de salida (Hz), velocidad de la bomba en R.P.M o SPM (para aplicaciones de bombeo mecánico), referencia de velocidad en RPM o SPM. Corriente de salida (Amp), tensión en el bus de corriente continua en Voltios, potencia activa en HP o Kw, torque en Nw-mts o lbs-pie, tensión a la entrada y a la salida del variador (Voltios). Registro y presentación de las últimas fallas; (indicando en algunos equipos) fecha y hora de ocurrencia de las mismas, tiempo de servicio desde la puesta en operación del variador, temperatura del variador y del motor y energía total consumida (Kw acumulados). Debido a su incapacidad para manejar agentes externos agresivos (como los comentados anteriormente), los variadores de frecuencia se instalan en gabinetes resistentes y robustos de uso intemperie (Nema 3R) con lámina calibre 12 M.S.G. (2,5 mm), protegidos con pintura epóxica. Por lo general, el gabinete posee doble puerta donde la externa esta dotada de cierre en tres puntos (mínimo); goma de neopreno en todo el perímetro, bisagras firmemente soldadas y no visibles, manilla robusta de uso exterior con previsión para candado y protección antivandálica, candado del tipo anticizalla, sistemas de ventilación natural y en algunos casos forzada, algunos están dotados de sistemas de calefacción, etc. En síntesis, como equipo electrónico el variador de frecuencia debe de protegerse de manera de garantizar su integridad. Algunos variadores poseen cerramiento IP55 pero esto eleva significativamente el costo.
53 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Figura Nº18:Variadores de Frecuencia. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”. 5.2.5.- Sistema de transmisión:
Figura Nº19: Diagrama del Sistema de Transmisión Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”
Como sistema de transmisión se conoce como el dispositivo utilizado para transferir la energía desde lafuente de energía primaria (motor eléctrico o de combustión interna) hasta el cabezal de rotación. Existentres tipos de sistema de transmisión tradicionalmente utilizados: 5.2.5.1.- Sistema con poleas y correas. 5.2.5.2.- Sistema de transmisión a engranajes. 5.2.5.3.- Sistema de transmisión hidráulica.
54 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). En la mayoría de las aplicaciones donde es necesario operar sistemas a velocidades menores a 150 RPM, es usual utilizar cabezales con caja reductora interna (de engranaje) con un sistema alternativo detransmisión, como correas y poleas. Esto se hace con el fin de no forzar al motor a trabajar a muy bajasRPM, lo que traería como resultado la falla del mismo a corto plazo debido a la insuficiente disipación decalor. 5.2.5.1.- Sistema de Correas y Poleas: La relación de transmisión con poleas y correas debe ser determinada dependiendo del tipo de cabezalseleccionado y de la potencia/torque que se deba transmitir a las varillas de bombeo (a la PCP). Estos equipos son utilizados principalmente en el Oriente del país el fabricante ofrece principalmente cuatro modelos, de equipos de impulsión de poleas y correas para los pozos instalados con BCP, estos son accionados por motores eléctricos, a gas, o por sistemas hidráulicos Estos cabezales tienen capacidades desde 5,6 hasta 18 Toneladas de carga axial y desde 40 hasta 300 Hp de potencia. La Tabla siguiente resume las características principales de estos equipos. VH-40HP 5,6T Máxima Carga
VH-100HP
VH-200HP
RH-100 18T
18T
18T
5,6
11,6 y 18
18
11 y 18
750
750
750
500
Aceite y Grasa
Aceite
Aceite
Aceite
Axial (Toneladas) Máxima Velocidad (r.p.m.) Tipo Lubricación 55 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA OGRESIVA (BCP). Capacidad de
No disponible
2500
3500
3500
frenado (lb-pie)
en catalogo
Potencia
20 Hp Motor
100 Hp con
200 Hp con
Hasta 300 Hp
Máxima (Hp)
Eléctrico
motores
motores
combustión y
40 Hp Motor
eléctricos o
eléctricos o
eléctrico.
Hidráulico.
hidráulicos.
hidráulicos.
TABLA N°4:: Equipos Integrados, especificaciones. Tomado de“Bombeo “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
Figura Nº20:Sistema Sistema de Poleas y Correas. Tomado del el Manual de Bombeo de Cavidades Progresivas.
En Venezuela los más utilizados son los cabezales VH-100HP, cuyas características principales son las siguientes:
56 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). El sistema reductor de velocidad es un conjunto de poleas y correas, el eje impulsor es de tipo hueco para permitir el paso de una barra pulida de 1-1/4” o 1-1/2” (ver Figura N° 21). El soporte del motor se atornilla a la brida del pozo de manera de transmitir el peso de a la misma, se elimina el esfuerzo de tensión en la “T” de producción y se evita el riesgo de que se desenrosque el cabezal. El eje impulsor hueco está soportado por tres rodamientos de rodillos esféricos de gran capacidad (un rodamiento axial de empuje y dos rodamientos radiales). Todos son de autoalineados y lubricados con aceite (ver Figura N° 21).
Figura Nº21:Cabezal VH – 100 HP, detalles de los rodamientos y componentes externos. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”
Rodamientos del cabezal. Los dos rodamientos inferiores, el axial y el radial, están ubicados en el cárter del cabezal en un baño de aceite lubricante. La vida útil (L10) de los rodamientos es el tiempo esperado para que exista un 10% de probabilidad de falla del rodamiento. Por lo tanto, se trata de una noción estadística. La vida útil se expresa en horas con la fórmula siguiente: 57 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
L10 = C/P x 1000000/60n
Donde: C = Carga axial máxima del rodamiento, indicado por el fabricante. P = Carga axial del rodamiento para el trabajo considerado. n = velocidad de rotación para este trabajo.
5.2.5.2.-Sistema de transmisión a engranajes. En el caso de los cabezales sin cajas reductoras (Directos) la relación es directa y viene determinada por lavelocidad del motor y la velocidad requerida por el sistema.En el caso de cabezales con caja reductora interna, debe considerarse la relación de la caja de engranajespara establecer la relación de transmisión total. La relación total de transmisión (R total) puede calcularse como: R total = R gearbox X R poleas R gearbox: Relación de la caja reductora interna del cabezal R poleas: Relación de diámetros de poleas En el caso de cabezales sin cajas reductoras (Directos), se asume una relación 1:1, por lo que la relación totalserá igual a la relación de poleas.La relación de poleas se define como: R poleas= D /d La relación de velocidades de rotación entre el eje del motor y el vástago pulido, es inversamenteproporcional a la relación total de transmisión: R total= R gearbox X D / d = N motor / N vástago 58 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Para un cabezal directo (R gearbox = 1) R total= D / d = N motor / N vástago N motor: Velocidad del motor (RPM) N Vástago: Velocidad de operación del sistema (RPM) Por el contrario, el torque mantiene una relación directamente proporcional con respecto a la relación detransmisión total. En vista de esto, es necesario seleccionar un motor que tenga la capacidad de entregar eltorque tal que, al multiplicarlo por la relación de transmisión, se obtenga al menos el torque requerido por elsistema. R total= R gearbox X D / d = T vástago / T motor T motor: Torque entregado por el motor (lb x ft o N x m) T Vástago: Torque requerido por el sistema (lb x ft o N x m) 5.2.6.- Sistema de Frenado: La segunda función importante del cabezal es la de frenado que requiere el sistema una vez y rota enmarcha inversa, llamado “Back-Spin”. Cuando un sistema PCP esta en operación, una cantidad significativade energía se acumula en forma de torsión sobre las varillas.Si el sistema se para repentinamente, la sarta de varillas de bombeo libera esa energía girando en formainversa para liberar torsión. Adicionalmente, a esta rotación inversa se le suma la producida debido a laigualación de niveles de fluido en la tubería de producción (Tubing) y el espacio anular, en el momento de laparada. Durante ese proceso de Back-Spin, se puede alcanzar velocidades de rotación muy alta (Figura Nº22.A). Alperder el control del Back-Spin, las altas velocidades pueden causar severos daños al equipo de superficie, 59 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). desenrosque de la sarta de varillas y hasta la rotura violenta de la polea el cabezal, pudiendo ocasionar esta situación daños severos al operador(Figura Nº22.B).
Figura Nº22.A:Velocidades de rotación del proceso de Back-Spin. Tomado de “PcpumpHandbook”.
Figura Nº22.B: Daños severos al equipo de superficie.Tomado de “PcpumpHandbook”.
60 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). De los frenos utilizados se pueden destacar los siguientes:
- Freno de accionamiento por fricción: Compuesto tradicionalmente de un sistema de disco y pastillas de fricción, accionadas hidráulicamente o mecánicamente cuando se ejecuta el giro a la inversa. La mayoría de estos sistemas son instalados externamente al cuerpo del cabezal, con el disco acoplado al eje rotatorio que se ajusta al eje del cabezal. Este tipo de freno es utilizado generalmente para potencias transmitidas menores a 75 HP. - Freno de accionamiento Hidráulico: Es muy utilizado debido a su mayor eficiencia de acción. Es un sistema integrado al cuerpo del cabezal que consiste en un plato rotatorio adaptado al eje del cabezal que gira libremente en el sentido de las agujas del reloj (operación de la PCP). Al ocurrir el Back-Spin, el plato acciona un mecanismo hidráulico que genera resistencia al movimiento inverso, lo que permite que se reduzca considerablemente la velocidad inversa y se disipe la energía acumulada. Dependiendo del diseño del cabezal, este mecanismo hidráulico puede accionarse con juegos de válvula de drenaje, embragues mecánicos, etc.
61 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº23: Frenos de accionamiento Hidráulicos. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”
5.3.- Dimensionamiento de los Equipos: 5.3.1.- Equipos de superficie y equipos de subsuelo: El sistema de bombeo por cavidades progresivas está integrada por dos secciones de equipos: Equipos de Superficie y Equipos de Subsuelo. Fabricante Tipo de bomba Ejemplo
Significado
Francés
60=tasa de 60 m3 /d a 500 rpm
Geometría simple
60TP1300
y 0 head. TP= TubingPump (bomba tipo tubular) 1300= altura máxima (head) en metros de agua.
Multilobulares
840ML1500 Igual al anterior, la diferencia esta en el tipo de geometría. ML significa “Multi Lobular”
62 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Brasileño
Tubulares
18.40-1500
18= bomba de 18 etapas o 1800 lpc de diferencial máximo de presión. 35=
diámetro
del
rotor
el
milímetros. 1500= tasa máxima expresada en barriles, a 500 rpm y 0 head. Insertables
18.35-
Igual a la anterior excepto que
400IM
esta
es
una
insertable
con
bomba
tipo
zapata
de
anclaje modificada (IM).
Fabricante
Tipo de
Ejemplo
Significado
8-CTR-32
32=tasa de 32 m3 /d a 100 rpm
bomba Brasileño
CTR Tubular (1)
y 0 head. CTR= bomba de espesor de elastómero constante. 8= presión máxima en Mpa.
CTR insertable
8-CTR-32IM
Igual al anterior excepto que modelo es una bomba CTR tipo insertable con zapata de anclaje modificada (IM).
Norte
Geometría
Americano
simple
60N095
60= 60x102 head máximo en pies de agua (6000 pies) 095= tasa en b/d a 100 rpm y
(USA)
0 head. Canadá
Geometría simple
40-200
40= 40x102 head máximo en pies de agua (4000 pies)
63 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 200= tasa en b/d a 100 rpm y 0 head. Tabla Nº5:Dimensionamiento de los Equipos.
5.4.- Instalación de Equipos: 5.4.1.-Instalación de Equipos de Subsuelo. 5.4.1.1.-Conexión del niple de paro. Tal y como se comentó en párrafos anteriores, la función del niple de paro (“stop pin”), es servir como referencia o tope para el espaciamiento del rotor, además impide que a la hora de desconectarse o partirse una cabilla, estas y el rotor lleguen al fondo del pozo, facilitando las labores de pesca. Algunos estatores para bombas de cavidades progresivas incorporan el niple de paro, en estos casos el procedimiento siguiente se omite; sin embargo, los estatores y niples e paro de algunos fabricantes constituyen equipos independientes, en este caso el operador determina de manera arbitraria cual será el extremo inferior del estator y allí conecta el niple de paro. Este niple se conecta directamente al estator y bajo él se pueden roscar equipos adicionales, tales como: ancla de gas, anclas de tubería, filtros de arena, etc. Hay niples de paro que constituyen una pieza integral, mientras otros constan de dos partes, un niple corto de tubería y una combinación (o “botella”) la cual se caracteriza por incluir una placa perforada o un pasador transversal donde llegará el extremo inferior del rotor en las maniobras de Espaciamiento. 5.4.1.2.-Conexión del niple de maniobra al estator. Es necesario colocar un niple de tubería de unos 4, 6 u 8 pies de largo sobre el estator para permitir el manejo del mismo en superficie. Es recomendable instalar un niple de diámetro mayor al del estator, ya que esto impedirá que el cuello de 64 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). conexión del rotor roce con la pared interna del tubo debido al movimiento excéntrico de aquel. El niple de maniobra deberá apretarse fuertemente, inicialmente se puede apretar en el suelo con llaves manuales y una vez en la planchada se terminará de apretar con llave hidráulica. Se deberá medir la distancia existente desde el pasador del niple de paro hasta el niple de maniobra (ambos inclusive). Esta medida más la longitud de la tubería de producción se establecerá como la profundidad de la bomba y con este valor se pueden estimar el número de cabillas que será necesario bajar al pozo. 5.4.1.3.- Bajada de la tubería de producción. Toda la tubería de producción deberá bajarse al pozo apretando las juntas fuertemente, incluyendo las juntas que se encuentran paradas en parejas.
En la siguiente, se muestran los torques óptimos recomendados para diferentes tubulares. En este método de producción, el apretar adecuadamente la tubería se producción y la sarta de cabillas es muy importante, ya que el movimiento giratorio del rotor genera una reacción en el estator que tiende a desconectar la tubería. DIÁMETRO
2-3/8”
GRADO
PESO
TORQUE
TORQUE
(Lls/Pie)
OPTIMO
MAXIMO
(Lbs/Pie)
(Lbs/Pie)
J-55
4,70
1290
1610
C-75
4,70
1700
2130
C-75
5,95
2120
2650
N-80
4,70
1800
2250
N-80
5,95
2240
2800
65 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 2-7/8”
3-1/2”
4” 4-1/2”
J-55
6,50
1650
2060
C-75
6,50
2170
2710
C-75
8,70
2850
3560
N-80
6,50
2300
2880
N-80
8,70
3020
3780
J-55
9,30
2280
2850
C-75
9,30
3010
3760
C-75
12,95
4040
5050
N-80
9,30
3200
4000
N-80
12,70
4290
5360
J-55
11,0
2560
3200
C-75
11,0
3390
4240
J-55
12,75
2860
3180
Tabla Nº6: Torques óptimos recomendados para diferentes tubulares.
Se debe recordar adicionalmente que en pozos instalados con bombas de alto caudal o alto head, y en aplicaciones donde se considere la generación de torques importantes, la utilización de las anclas de torque comentadas en los primeros capítulos de este documento. 5.4.1.4.- Conexión del rotor a la sarta de cabillas. Se deberá roscar un niple de cabilla (ponnyrod), completamente recto, de 2 o 4 pies al rotor apretándolo fuertemente. Este cumple con una doble función, por un lado permite colocar el elevador de cabillas para bajar el rotor al pozo, por otra parte facilita izar el rotor sobre el pozo para comenzar a bajarlo. Si se coloca una cabilla completa, al izar el conjunto se puede someter el rotor a flexión excesiva y se puede doblar de forma permanente. Algunos fabricantes sugieren engrasar el rotor antes de bajarlo, de manera de facilitar su inserción en el estator.
66 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 5.4.1.5. Bajada de la sarta de cabillas. Las cabillas deben bajarse al pozo fuertemente apretadas. En la siguiente tabla, se muestran los torques recomendados para las cabillas en función del diámetro y grado de las mismas y de la profundidad de la bomba. DIAMETRO
3/4”
7/8”
1”
GRADO API
CDK
CDK
CDK
PROF.BOMBA
TORQUE (Lbs-
TORQUE (Lbs-
TORQUE (Lbs-
(Pies)
Pie)
Pie)
Pie)
1000
330 430 310
530 690 500
800 1030 750
2000
300 400 285
495 650 465
750 980 705
3000
275 375 255
460 620 425
710 940 660
4000
250 350 255
420 580 385
650 890 605
Tabla Nº7: Torques recomendados para las cabillas en función del diámetro.
5.4.1.6.- Espaciamiento del Rotor: La longitud del rotor es ligeramente superior a la longitud del estator, esto tiene la finalidad de proporcionar un factor de seguridad para garantizar que se aproveche toda la longitud del estator para formar todas las cavidades de la bomba ya que por cada cavidad que se deje de formar se actuará en detrimento de la eficiencia de la bomba en cuanto a la altura o Head. El espaciamiento del rotor es la distancia necesaria entre el pasador del niple de paro y el extremo inferior del rotor, para garantizar la formación de todas las etapas posibles y evitar el contacto del rotor con el niple de paro en condiciones de operación. Para calcular esta separación (S) se debe considerar la elongación que ha de experimentar la sarta de cabillas en condiciones dinámicas, esta elongación se debe al esfuerzo axial que actúa sobre la sarta generado por la carga debida al diferencial de presión que levanta la bomba; además se suma la elongación térmica, producto de la temperatura a lo largo del pozo. Este estiramiento depende también del 67 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). diámetro de las cabillas y el modelo de la bomba. Un cálculo preciso de este estiramiento es prácticamente imposible de realizar y la estimación de una forma manual es muy engorrosa. Sin embargoexisten reglas prácticas, nomogramas y tablas que suministran los fabricantes de bombas para estimar este valor. Adicionalmente se cuenta con programas comerciales disponibles en la actualidad, que permiten calcular es espaciamiento de una manera rápida y sencilla, siempre y cuando los datos que se ingresen sean correctos; no obstante se debe comentar, que muchos de estos programas no consideran algunos factores tales como: el roce de las cabillas con el eductor y el pandeo de la sarta, que son difíciles de cuantificar.
5.4.2.- Instalación Equipos de Superficie:
5.4.2.1.- Instalación del cabezal de rotación y motorreductor.
Instalación del cabezal de rotación: Para instalar los cabezales de rotación, es necesarios observar todas las normas de seguridad, ya que la operación es delicada debido la manipulación de cargas elevadas y altas presiones en el cabezal del pozo. Según la marca y modelo de cabezal, este procedimiento tendrá algunas variaciones debido a la forma en que deben levantar y conectar a la sarta de cabillas. De manera general para cabezales de eje sólido (como los utilizados en los pozos de la Costa Oriental del lago de Maracaibo) el procedimiento que se debe seguir es: A. Levantar el eje del cabezal por los anillos de sujeción con guayas. B. El eje del cabezal se conecta directamente al encabillado, para ajustar las cabillas al eje del cabezal, se deben utilizar llaves manuales y extensiones (policías). C. Se levanta el cabezal de rotación, y se retira el elevador de cabillas.
68 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). D. Se fija el cabezal de rotación a la brida sobre la “Te” de producción, apretando los pernos fuertemente. Instalación del motovariador o motor- reductor: La instalación de estos equipos se realiza una vez que la prueba de presión ha culminado. Los pasos a seguir para la correcta instalación de los mismos es la siguiente: A. Se desahoga la presión contenida en la tubería de producción. B. Se coloca el medio acople, correspondiente al eje de salida de la caja reductora (Macho). Ver foto de los acoples en la Figura N° 38. C. Se coloca el aro espaciador sobre el cabezal de rotación (si este lo requiere), es necesario verificar que los orificios del aro espaciador coincidan con los orificios de la ventana del cabezal. D. Se levanta el moto reductor (o motovariador) utilizando guayas, dispuestas de tal forma que pueda mantenerse el eje de salida perpendicular a la horizontal. E. Instalar los pernos o espárragos que unen el cabezal al sistema motriz. El motor eléctrico, en el caso de los motovariadores, se debe quedar perpendicular a las líneas de superficie y del lado opuesto al sitio donde se ubica la máquina de servicios a pozos.
5.4.2.2.- Instalación de equipos de polea y correas. Instalación del cabezal de rotación: Para estos equipos el procedimiento es el siguiente: A. Conectar el lado hebra de la unión de golpe a las rosca inferior del cabezal y el lado macho a la “Te” de producción. B. Levantar la barra pulida 5 pies y colocar grapa.
69 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). C. Levantar el cabezal de modo que se mantenga vertical y bajarlo hacia la cabeza del pozo haciendo pasar la barra pulida a través del prensaestopas y del eje impulsor hueco. La barra pulida sobresale ahora del eje hueco. D. Fijar la grapa al extremos superior del eje hexagonal, conectar el mismo a la barra pulida y enroscar un ponnyrod (cabilla corta) de 2 pies a su extremo superior. E. Levantar levemente la sarta y retirar la grapa colocada en la barra pulida en el paso “B”. F. Conectar el cabezal a la “Te” de producción por medio de la unión de golpe. G. Bajar la sarta introduciendo el eje hexagonal en el eje impulsor hueco hasta que se asiente la grapa en el eje impulsor. El rotor está correctamente espaciado y el cabezal está listo para conectar el sistema motriz. Instalación del sistema motriz. A. Armar el soporte del motor en la brida del pozo y atornillarlo al cabezal. B. Colocar la plancha de fijación del motor y fijar este en la misma. C. Conectar el cable de alimentación eléctrica del motor de modo que la rotación sea a la derecha. D. Colocar las poleas. E. Ajuste la altura del motor de manera de que ambas poleas se encuentren al mismo nivel. F. Instalar las correas y ajustarlas mediante los tornillos del gato en la placa de fijación del motor con el fin de darles la tensión requerida. G. Colocar el guardacorreas.
70 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº24:Completaciones en bombas de cavidades progresivas. Tomado de “Operación y Control de Equipos de Superficie en Levantamiento Artificial”.
71 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). PARTE VI: CLASIFICACIÓN DE LAS BCP. Existen diversos criterios con base a los cuales se pueden clasificar las bombas de cavidades progresivas. Una primera clasificación las divide en bombas industriales (son bombas horizontales) las cuales abarcan un gran rango de aplicaciones, como por ejemplo son utilizadas en el agro, en procesamiento de alimentos, en plantas de tratamiento de agua, etc. La descripción de estas bombas se encuentran fuera del alcance de este trabajo. Bombas para aplicaciones petroleras desde extracción de hidrocarburos hasta recuperación de lodos de perforación y transferencia de fluidos ácidos. Las bombas de cavidades progresivas se pueden clasificar como: 6.1.- Bombas Tubulares. 6.2.- Bombas Tipo Insertables. 6.3.- Bombas de geometría simple. 6.4.- Bombas Multilobulares. 6.5.- Bombas de para “alto caudal”. 6.6.- Bombas de “gran altura”.
6.1.-Bombas Tubulares: Este tipo de bombas el estator y el rotor son elementos totalmente independientes el uno del otro. El estator se baja en el pozo conectado a la tubería de producción, debajo de el se conecta el niple de paro, anclas de torque, anclas de gas, etc; y sobre el se instala el niple de maniobra, niples “X”, y finalmente la tubería de producción. En cuanto al rotor, este se conecta y se baja al pozo con la sarta de
72 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). cabillas. En general esta bomba ofrece mayor capacidad volumétrica, no obstante, para el reemplazo del estator se debe recuperar toda la completación de producción.
6.2.- Bombas tipo Insertable: Poco utilizadas en Venezuela, su uso se prevaleció en los pozos de Occidente (Costa Oriental del Lago de Maracaibo). En este tipo de bombas, a pesar de que el estator y el rotor son elementos independientes, ambos son ensamblados de manera de ofrecer un conjunto único el cual se baja en el pozo con la sarta de cabillas hasta conectarse en una zapata o niple de asentamiento instalada previamente en la tubería de producción. Esta bomba tiene el inconveniente de ofrecer bajas tasas de producción (ya que su diámetro está limitado al diámetro interno de la tubería de producción) pero ofrece la versatilidad de que para su remplazo no es necesario recuperar la tubería de producción con el consiguiente ahorro en tiempo, costos y producción diferida. 6.3.- Bombas de geometría simple; Son aquellas en las cuales el número de lóbulos del rotor es de uno, mientras que el estator es de dos lóbulos (relación 1x2). Son las presentadas en este trabajo 6.4.- Bombas Multilobulares: A diferencia del las bombas de geometría simple, las multilobulares ofrecen rotores de 2 o mas lóbulos en Estatores de 3 o mas (relación 2x3, 3x4, etc.). Estas bombas ofrecen mayores caudales que sus similares de geometría simple. Teóricamente estas bombas ofrecen menor torque que las bombas de geometría simple, adicionalmente, considerando el mismo diámetro, las bombas multilobulares ofrecen mayores desplazamientos volumétricos lo cual sería una oportunidad para obtener bombas insertables de mayor tasa. Diversos fabricantes como Kudu, Weatherford, Robbins Myers, Netzsch, ofrecen bombas tipo multilobulares, no obstante para el momento de elaborar este
73 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). documento, no se cuenta en Venezuela con experiencias exitosas de esta tecnología. 6.5.-Bombas de Alto Caudal: Cada fabricante ofrece bombas de alto desplazamiento o alto caudal, el desplazamiento viene dado principalmente por el diámetro de la bomba y la geometría de las cavidades. Hay disponibles comercialmente bombas de 5” modelo 3
1000TP1700; estas son bombas tipo tubular (“TP”) de 1000 m /dia (6300 b/d) @ 500 r.p.m. y 0 head; bombas 22.40-2500 con desplazamientos de hasta 2500 b/d a 500 r.p.m. y 0 head y de 3200 b/d en los modelos CTR, los cuales se detallaran mas adelante en este manual (bomba modelo 10.CTR-127). Se debe recordar que al hablar de desplazamiento se debe considerar el volumen que ocupa el gas en la bomba, así, los 3200 b/d de la última bomba comentada, contemplan petróleo, agua y gas. 6.6.- Bombas de gran altura (head): Como se mencionó en el punto N° 7, la altura de la bomba es su capacidad para transportar los fluidos desde el fondo del pozo hasta la superficie, lo que se traduce en profundidades de asentamiento de bombas o en diferenciales de presión a vencer.
74 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). PARTE VII: PRINCIPIOS BÁSICOS DE PRODUCCIÓN.
Nivel
estático,
Nivel
dinámico,
Presión
Estática,
Presión
Fluyente,
Sumergencia, Índice de Productividad y Comportamiento de Afluencia. Los parámetros que se tratarán a continuación intervienen de una manera muy importante en la selección de las bombas, por tanto es primordial que se entiendan perfectamente tanto en sus definiciones como en sus influencias en la operación de la misma de manera de poder seleccionar e instalar el conjunto adecuado. Las siguientes figuras muestran esquemáticamente un pozo y su completación mecánica y de producción.
Figura Nº 25:Esquema de un pozo en condiciones estáticas.
75 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº 26:Esquema de un pozo en condiciones fluyentes.
Antes de arrancar la bomba en un pozo que no fluye (figura 25), el fluido se estabiliza en un nivel tal que la presión ejercida por la columna de fluido a la profundidad del yacimiento más la presión en Tubería de Revestimiento (CHP) es igual a la presión del yacimiento (suponiendo que el pozo no esté instalado con una empacadura). El nivel de fluido que equilibra exactamente la presión de yacimiento cuando está abierto el espacio anular (CHP = 0) se llama Nivel Estático (NE) y se mide desde superficie. Este es el nivel más alto (más cercano a la superficie) alcanzado por el fluido en el pozo. La presión ejercida por esta columna de fluido al nivel del yacimiento se le llama Presión Estática (Ps). Al arrancar la bomba (Figura N° 26), sube el nivel en la tubería de producción hasta la superficie y baja el nivel en el espacio anular (principios de vasos 76 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). comunicantes). Al disminuir el nivel en el espacio anular, disminuye la presión de fondo, lo que genera una afluencia de fluido desde el yacimiento, el pozo comienza entonces a producir. Cuanto más baja el nivel de fluido en el espacio anular, mas aumenta la afluencia del fluido. El nivel se estabiliza cuando la producción del yacimiento es igual al caudal de la bomba. En este caso la presión hidrostática más la presión en el revestidor (CHP) equilibran la Presión Fluyente de fondo (Pwf). El nivel de fluido que equilibra la presión fluyente de fondo, cuando está abierto el espacio anular, se llama nivel dinámico (ND). 1 Un nivel dinámico (o presión fluyente) está asociado a una tasa de producción determinada; si aumenta la producción (al acelerar la bomba, por ejemplo) baja el nivel y viceversa. La distancia vertical entre la succión de la bomba (PB) y el nivel dinámico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB – ND). Queda claro que para el diseño apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro método de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural), se debe conocer la capacidad del yacimiento en el área del pozo (oferta), solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de producción (Q) permitirán construir una relación que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje. De allí la importancia de establecer la relación entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo, las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presión en el yacimiento desde una presión promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf). Esta relación se conoce como Índice de Comportamiento de Afluencia (IPR). El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximación) fue el de una línea recta. Bajo este supuesto, la tasa de producción (Q) del pozo, sería directamente proporcional a la diferencia entre la presión del yacimiento y la presión de fondo fluyente (Ps - Pwf), 77 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). esta constante de proporcionalidad es conocida como Índice de Productividad (IP) y matemáticamente se expresa de la siguiente manera.
Dónde: IP = Índice de Productividad (B/D/Psi) Q = Tasa de producción líquida (B/D) Ps = Presión promedio del yacimiento (Psi) Pwf = Presión de Fondo Fluyente (Psi). El diferencial de presión (PS – Pwf) se le conoce como draw-down La siguiente Figura ilustra de una manera gráfica, esta relación.
Figura Nº27:Índice de productividad constante.
78 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Nótese en esta figura que para Pwf = 0, se obtendría la tasa máxima de producción del pozo, de igual manera, para una tasa de cero producción, la presión de fondo sería igual a la presión estática del yacimiento. Esta relación de proporcionalidad es válida siempre y cuando la Pwf sea mayor a la Presión de Burbujeo (esta es la presión en la cual el gas disuelto comienza a liberarse pasando a gas libre). Para este caso, el índice de productividad será igual al inverso de la pendiente de la línea recta.
IP = 1/pendiente = Tang o = Q / draw-down
En muchos pozos que producen por algún método de levantamiento artificial, por lo general la presión de fondo fluyente ha disminuido por debajo de la magnitud de la Presión de Burbujeo, de manera que el fluido es multifario con una fase gaseosa la cual afecta la producción y la relación matemática expuesta anteriormente. Gilbert fue el primero en observar el efecto, el desarrolló un método de análisis de pozos utilizando un Índice de Productividad variable y llamó la relación entre la caída en la presión de fondo y la tasa de flujo como Inflow Performance Relationship(Índice de comportamiento de Afluencia) conocida en forma abreviada como IPR. Muskatpresentó modelos teóricos mostrando que para dos fases (líquido y gas), la IPR es curva y no una línea recta, tal y como se observa en la figura siguiente.
79 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº28: Índice de productividad Variable.
La curva de IPR varía con el recobro acumulado de fluidos del yacimiento y con el mecanismo de producción. Vogeldesarrolló en un computador un estudio del comportamiento de afluencia utilizando las aproximaciones de Weller. Wellerderivó ecuaciones para describir los perfiles de presión y saturación en las cercanías de un pozo perteneciente a un yacimiento sub-saturado de hidrocarburos. Con estas ecuaciones, Vogelconsideró diferentes draw-down, fluidos y propiedades de rocas y obtuvo una curva para las relaciones Pwf/Ps y Q/Qmax cuya expresión matemática general es la siguiente:
Q / Qmáx = 1 – 0.2 x (Pwf / Ps) – 0.8 x (Pwf / Ps)2
Esta expresión es conocida como la “ecuación de Vogel” y se utiliza para yacimientos produciendo por debajo de la Presión de Burbujeo. 80 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). La figura abajo mostrada representa la IPR para un yacimiento subsaturado.
Figura Nº29:IPR compuesta para yacimientos sub-saturados.
Conocida la Presión de Burbuja y una prueba de producción (Q) y la presión fluyente correspondiente (Pwf), se pueden calcular el IP y la Qb mediante las siguientes expresiones: IP = Q / (Ps – Pwf) Qb = IP x (Ps – Pb) El Qmax se calcularía así:
Con estos datos se puede predecir cuál será la producción dada cualquier Pwf o (nivel dinámico convertido a presión) sobre o debajo de la presión de burbujeo. 81 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Para Pwf mayor o igual a PB: Q = IP x (Ps – Pwf) Para Pwf menor a PB: Q = Qb + (Qmax – Qb) x (1 - 0.2x(Pwf/Pb) – 0.8x(Pwf/Pb)2
PARTE VIII: TÍPICOS PROBLEMAS DE OPERACIÓN EN SISTEMAS PROBLEMA 1: Bajo caudal y Baja eficiencia volumétrica. (La velocidad es la prefijada el rango de corriente esta normal).
CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Rotor no esta totalmente
Verifique el espaciado y corrija si es necesario
insertado. Presión de descarga de
•
bomba inferior a la necesaria Rotor bajo medida para la
cálculo. •
Cambie el rotor si es necesario.
•
Cheque la temperatura y el tipo de rotor
temperatura del pozo
usado. •
Perdida en la tubería
Verifique la altura de elevación necesaria por
Cambie el rotor si es necesario
Busque el tubing roto y cambie la unión •
Provea medios para anclas de gas natural, instalando la bomba por debajo del punzado y/o usando un filtro de cola en el fondo de
Alto GOR
bomba.
82 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
Use algún tipo de ancla de gas.
•
Reemplace la bomba por una de mayor desplazamiento.
•
Corra la bomba a velocidades más bajas para evitar desgastes prematuros y acortamiento de la vida de la bomba.
•
La productividad del pozo es inferior a la esperada.
Verifique el nivel de fluido, reduzca la velocidad de bomba.
•
Monitoree
los
cambios
en
la
eficiencia
volumétrica. •
Compare con las de curvas recomportamiento de la bomba.
•
Altas perdidas por fricción por el uso de centralizadores
Replantee la necesidad de centralizadores. Si hay disponibles use otro tipo de centralizador.
•
Reemplace la bomba por otra que permita girar más lento sin centralizadores.
Estator esta desgastado
•
Cambie la tubería si es posible
•
Saque la bomba.
•
Llévela a un banco de ensayo y si es necesario reemplácela.
Levante el rotor fuera del estator, desplace fluido por Admisión de bomba tapada
el tubing para limpiar el estator, re-espacie, ponga en producción y cheque la producción.
Tabla Nº8:Problemas de operación en sistemas:Bajo caudal y Baja eficiencia volumétrica. Tomado de “PcpumpHandbook”.
83 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). PROBLEMA 2: Caudal intermedio. Baja eficiencia volumétrica. (Velocidad normal. Consumo dentro del límite esperado). CAUSA PROBABLE
Condición de falta de nivel
ACCIÓN RECOMENDADA •
Verifique el nivel.
•
Baje la velocidad de bomba.
•
Asegure que la velocidad no pase de 200 RPM.
Si es necesario cambie la bomba para cumplir los requisitos de producción. •
Provea medios para anclas de gas natural. Instalando la bomba por debajo de punzado y/o usando un filtro de cola en el fondo de bomba.
Alto GOR
•
Use algún tipo de ancla de gas.
•
Reemplace la bomba por una de mayor desplazamiento.
•
Corra la bomba a velocidades más bajas para evitar desgastes prematuros y acortamiento de la vida de la bomba.
•
Saque la bomba.
•
Cheque en el banco para poder usarla en otra aplicación.
Bomba dañada o sub.-dañada
•
Verifique los requerimientos hidráulicos de la instalación. Reemplace la bomba por otra de mayor capacidad de presión y caudal para poder bajar las RPM.
Tabla Nº9: Problemas de operación en sistemas: Caudal intermedio. Baja eficiencia volumétrica. Tomado de “PcpumpHandbook”. 84 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
PROBLEMA 3: Caudal intermitente. Pobre volumétrica eficiencia. (Velocidad más baja que la normal. Consumo más alto que el esperado).
CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Mal espaciado. Rotor
•
Levante el rotor. Re-espacie.
tocando en el niple de paro.
•
Re-arranque.
•
Cheque todos los parámetros.
•
Saque la bomba.
Rotor aprisionado por
•
Cheque la temperatura de fondo.
exceso de temperatura o
•
Verifique el análisis químico del fluido.
ataque químico.
Si es necesario cambie la formulación del elastómero.
Rotor aprisionado por
Levante el rotor y lave el estator.
sólidos. Tabla Nº10: Problemas de operación en sistemas: Caudal intermitente. Pobre volumétrica eficiencia. Tomado de “PcpumpHandbook”. PROBLEMA 4: Sin producción. Perdida de velocidad gradual. (Consumo más alto que el esperado).
CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Mal espaciado. Rotor en
•
Levante el rotor.
contacto con el niple de
•
Re-espacie.
paro.
•
Re-arranque.
•
Cheque todos los parámetros.
85 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
Cambie la bomba si es necesario.
•
Saque la bomba.
Elastómero hinchado
•
Verifique la temperatura de fondo.
aumenta la fricción con el
•
Seleccione un nuevo rotor.
rotor.
•
Analice el fluido.
•
Cambie la composición del elastómero para cumplir con las condiciones de fondo.
•
Alta interferencia entre rotor
Reemplace la bomba par otra capacidad de presión y caudal con distinto ajuste de
y estator.
compresión. •
Seleccione rotor.
•
Monitoreo de consumo.
Tabla Nº11: Problemas de operación en sistemas: Sin producción. Perdida de velocidad gradual.Tomado de “PcpumpHandbook”.
Problema 5: Sin producción. Velocidad normal. (Consumo bajado).
CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA •
Verifique el giro.
•
Verifique si no hay pesca.
•
Re-arranque.
•
Verifique las medidas de instalación.
Rotor no esta insertado en el
•
Re-espacie. Re-arranque.
estator.
•
Monitoreo del caudal.
•
Cheque la profundidad de bomba y compare
Rotación contraria.
86 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Estator y rotor dañado.
Rotor o barras de pesca.
Tubing sin hermeticidad.
con la longitud de barras. •
Cheque la presión.
•
Cambie partes si es necesario.
•
Profundice la instalación.
•
Re-espacie.
•
Saque y repare.
•
Cambie la bomba.
•
Verifique nivel de presión.
•
Saque la columna de producción repare la pesca.
•
Verifique el espaciado.
Tubing desenroscado o
•
Saque la sarta de barras y tubing.
cortado.
•
Repare.
Tabla Nº12: Problemas de operación en sistemas. Sin producción. Tomado de “PcpumpHandbook”. PROBLEMA 6: Perdida a través del sistema de sello. Permanecen altas a pesar de haber ajustado el sello.
CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Las empaquetaduras están
•
Verifique el estado de las empaquetaduras.
gastadas.
•
Reemplace si es necesario.
Camisa de revestimiento
•
Verifique la camisa y reemplace si esta
esta gastada.
dañada. •
Cambie también las empaquetaduras.
Tabla Nº13: Problemas de operación en sistemas.Perdida a través del sistema de sello. Tomado de “PcpumpHandbook”.
87 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). PROBLEMA 7: Correas cortadas frecuentemente. (Velocidad buena. Corriente dentro de lo esperado).
CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Mal alineamiento entre
Verifique y corrija si es necesario.
correas y poleas. Poleas gastadas y/o rotas. Las correas no son
Verifique y cambie si es necesario. •
adecuadas para la aplicación.
Verifique si el perfil es el correcto para la polea.
•
Reemplace por el adecuado juego de correas o poleas.
•
Solicite soporte técnico desde algún representante.
Tabla Nº14: Problemas de operación en sistemas. Correas cortadas frecuentemente.Tomado de “PcpumpHandbook”.
PROBLEMA 8: Nivel de aceite, baja en un periodo de tiempo corto. CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Sistema de sello esta
•
Verifique el sello reemplácelo si es necesario.
dañado, gastado o mal
•
Complétele nivel de aceite.
ajustado.
•
Arranque y verifique perdidas.
Tapón de drenaje esta suelto
Reapreté el tapón.
Tabla Nº15: Problemas de operación en sistemas.Nivel de aceite.Tomado de “PcpumpHandbook”.
88 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). PROBLEMA 9: Perdida a través del sistema del sellado del vástago. CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Sistema de sello esta
•
Cheque los elementos de empaque.
dañado, gastado o mal
•
Reemplácelos si es necesario.
armado. Sistema de empaque suelto.
Verifique el ajuste. Reajuste.
El vástago usado tiene la
•
Cheque el vástago en la zona de sello.
zona de empaque gastada
•
Cámbielo si no fuera posible cambiar su
dañada.
posición sin variar el espaciado.
Tabla Nº16: Problemas de operación en sistemas.Perdida a través del sistema del sellado del vástago.Tomado de “PcpumpHandbook”. Problema 10: Temperatura del aceite del cabezal es alta. CAUSA PROBABLE
ACCIÓN RECOMENDADA
Cabezal girando a mayor
•
Verifique la velocidad.
velocidad que la
•
Cambie la relación de poleas para alcanzar la
recomendada, para ese
velocidad
modelo.
desplazamiento de bomba. •
deseada
de
acuerdo
al
Cambié el tipo de cabezal por una elección, mas adecuada a la aplicación.
La especificación del aceite
•
Verifique el aceite.
no es la recomendada.
•
Reemplace si fuera necesario.
Nivel de aceite más alto que
Verifique el final de aceite y corríjalo si es
el recomendado.
necesario.
Tabla Nº17: Problemas de operación en sistemas.Temperatura del aceite del cabezal.Tomado de “PcpumpHandbook”.
89 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
PARTE IX: MANTENIMIENTO DE LOS EQUIPOS.
Una de las características del sistema de bombeo por cavidades progresivas es la de requerir muy poco mantenimiento. Los equipos de subsuelo (estator y rotor), obviamente no requieren ningún tipo de mantenimiento, después de un tiempo de operación y cuando su eficiencia no sea satisfactoria, se debe proceder a reemplazarlos. No obstante, la bomba recuperada podría ser re-utilizada, total o parcialmente, con base a lo siguiente: •
Realizar inspección visual y las mediciones pertinentes de los elementos de la bomba (rotor y estator) y se recomienda altamente probarlos en taller en un banco de pruebas.
•
El rotor podría se utilizado (con o sin un nuevo cromado) con otro estator.
•
El estator se podría re-utilizar con otro rotor (quizás de diferente diámetro).
•
Al perder la bomba eficiencia, la curva de catalogo deja de ser correspondiente y se debe utilizar la curva de taller, bajo estas condiciones, la bomba (con el mismo o con otro rotor) se puede utilizar en otro pozo, quizás de menores requerimientos de caudal, de head, o de ambos.
En cuanto a los sistema de superficie, el único mantenimiento que se debe brindar tiene que ver con la grasa o aceite de lubricación de los rodamientos del cabezal y la caja reductora y los ajustes / reemplazo del prensaestopas y las empaquetaduras del mismo. Los cabezales (y algunos motores) con base de grasa, deben ser lubricados periódicamente según los procedimientos de cada fabricante sobre todo considerando que no se cuenta con la flexibilidad de un indicador de nivel.
90 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Para los sistemas con rodamientos bañados en aceite, se debe cumplir en general con lo siguiente: •
Reemplazar el aceite el primer mes de operación.
•
Continuar los reemplazos cada tres o seis meses (o el periodo recomendado por el fabricante).
•
Entre reemplazos, el nivel debe ser medido por el operador y completado en caso de ser necesario.
Es importante asegurarse que se esté utilizando la grasa o el aceite con las propiedades necesarias según en ambiente donde estará instalado el equipo. De igual forma, a pesar de que el primer cambio de aceite es después de un mes de operación, se debe verificar que las propiedades del lubricante con el cual el fabricante despachó los equipos se adapten a nuestro ambiente ya que pudieran ser muy diferentes a las requeridas en nuestro país, y en este caso, el reemplazo debería ser al arrancar el equipo o en un tiempo menor de un mes. Una alternativa, es exigir al fabricante que despache los equipos con los lubricantes adecuados a nuestro ambiente y condiciones de operación.
PARTE X: DIAGNÓSTICO DE FALLAS (POST MORTEM). En algunas ocasiones, es posible que la bomba falle dejando el pozo sin o con menor producción. Una buena práctica es la de invertir en el esfuerzo de identificar el tipo de falla de manera de tomar los correctivos en lugar de limitarse a simplemente reemplazar la bomba. A veces identificar la causa de la falla no es sencillo, no obstante, una vez recuperados los equipos (rotor y estator) una adecuada inspección, aún en sitio, puede ayudar en gran medida a dilucidar que ocurrió y a tomar los correctivos pertinentes. 10.1.-Fallas en los rotores. 91 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Apariencia ABRASION
Identificación Desgaste en la superficie cromada del rotor.
Causa Desgaste normal por girar a alta velocidad o manejo de fluidos abrasivos.
Corrección Utilizar bomba de mayor capacidad. Cromar el rotor para reutilizarlo.
Fluido altamente abrasivo, roce con la tubería, bombeo de arena o rocas.
Al bajar la eficiencia cambiar el rotor antes de que la falla sea extrema
El ácido ataca al cromo, el daño depende de la velocidad, la presión y la temperatura. Alta temperatura por fricción (elevado ajuste, presión o velocidad.
Circular el pozo y desalojar cualquier ácido antes de instalar la bomba.
DESGASTE BASE Desgaste extremo del cromado hasta la base metálica. METALICA ATAQUE ACIDO
CROMO
Superficie grisácea, la base metálica puede tener hoyos.
La capa de cromo se quiebra, la base metálica no presenta daño.
No afecta el desempeño de la bomba. Debe considerarse el rediseño.
QUEBRADO Tabla Nº18: Identificación de fallas en Rotores. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”
10.2.- Falla en los elastómeros.
Apariencia ABRASION
Identificación Superficies desgastadas y arañadas en los valles.
Causa Desgaste normal. La falla se acelera por operar a alta velocidad o manejar sólidos
92 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
Corrección Reducir la velocidad. Utilizar bombas de mayor desplazamiento.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). ATAQUE QUIMICO
Elastómero mas suave de los normal y con ampollas.
Ataque por aromáticos o por crudos livianos suavizando la goma.
Utilizar otros elastómeros.
Superficie dura y brillante con ulceraciones y goma desprendida
Altas presiones hidrostática (fricción o taponamiento)
Revisar diseño de la bomba, eliminar taponamientos
Rasgaduras en sentido contrario al flujo
Partículas sólidas, deforman y perforan la goma, los fluidos la arrastran.
INFLUENCIA MECANICA
El elastómero se rasga o muestra pequeños hoyos.
Bombeo de rocas u otras partículas extrañas.
Uso de filtros a la entrada de la bomba o sobrediseño.
ALTA TEMPERATURA
Superficie con muchas grietas o quebradiza.
Operación en vacío (sin fluido o mucho gas) o en ambientes de alta temperatura.
Controlar el nivel de fluido. Utilizar otros elastómeros
PRESION EXCESIVA
ARRASTRE POR ALTA PRESION
Considerar la utilización de filtros o sobrediseño.
Tabla Nº19: Identificación de fallas en elastómeros. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”
PARTE XI: ALMACENAMIENTO Y MANEJO DE EQUIPOS.
11.1.-Equipos nuevos: 11.1.1.-Cuidados para preservar rotores nuevos. 93 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
Almacenar los rotores en forma horizontal evitando cualquier flexión, que pueda deformar permanentemente el cuerpo o los extremos del mismo.
•
Se deben almacenar en la funda protectora con los guardaroscas de fábrica, así mismo el lugar de almacenamiento debe ser fresco y a la sombra.
•
Al trasladar los rotores a los pozos, se deberán llevar en forma horizontal evitando que sobresalgan del vehículo de transporte.
•
No golpear la superficie cromada durante la manipulación y el traslado.
11.1.2.-Cuidados para preservar estatores nuevos. •
Los estatores deben ser almacenados a la sombra, en un lugar fresco y ventilado.
•
Se deben almacenar en posición horizontal, evitando cualquier esfuerzo transversal posible que pueda flexarlo y deformarlo permanentemente.
•
Sus extremos se deben mantener cubiertos con el guardaroscas original.
•
Se debe utilizar el equipo apropiado para su transporte, de tal forma que no sobresalgan los extremos.
•
Evitar el contacto de los estatores con solventes o sustancias que puedan atacar químicamente el elastómero.
•
Utilizar el sistema F.I.F.O. (First In FirstOut) en el almacén de bombas, y de esta forma evitar tiempos muy prolongados de permanencia de estos equipos en almacén, ya que el elastómero de envejece aún a temperatura ambiente.
11.2.- Equipos usados Los equipos usados se deben manejar con los mismos cuidados que un equipo nuevo y adicionalmente se recomiendan las siguientes prácticas. 11.2.1.-Recuperación y cuidados de rotores usados.
94 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
Una vez recuperado del pozo, el rotor debe ser lavado con gasoil u otro solvente sin rayarlo.
•
La rosca se debe cepillar y proteger con un guardarosca.
•
Una vez limpios y secos se deben proteger con tela o lona en toda su extensión, colocando etiquetas que indiquen medida, modelo, marca y origen.
•
Solo aquellos rotores que no presenten dobleces y como recubrimiento este en buen estado, podrán almacenarse para ser reutilizados. En caso contrario se evaluará la reparación de los mismos.
11.2.2.- Recuperación y cuidados de estatores usados. •
Al sacarlo del pozo debe ser lavado en la parte exterior con solvente, evitando que evitando que el mismo tenga contacto con el elastómero.
•
Las roscas de deben ser cuidadosamente lavadas y cepilladas; una vez limpios, se procede a cubrir los extremos con guardaroscas o con tela obscura.
•
Se debe identificar el estator, con etiquetas o pintura, especificando modelo, marcas y origen.
•
Los estatores que no presentan señales de daño alguno en el elastómero se llevarán a banco de prueba para verificar su estado.
11.3.- Reutilización de equipos. El componente que con mayor frecuencia sufre daños en las BCP, es el estator y específicamente en el elastómero, por ello la estandarización de equipos permite una mayor reutilización de componentes que se deterioran con menos frecuencia (Rotor y niple de paro), teniendo como beneficio directo, una disminución en los costos de operación. Una simple inspección para el rotor y un mantenimiento preventivo para los equipos de superficie son suficientes para su reutilización. No obstante la única forma de verificar que el estator se encuentra en condiciones de ser reutilizado aún cuando no presente daños aparentes, es someterlo a una prueba en un banco apropiado para este sistema. Algunos 95 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). proveedores de estos equipos poseen bancos de prueba en el país, y una prueba en banco es relativamente muy económica ante una posible entrada de máquina al pozo para reemplazar un estator reutilizado si falla. PARTE XII APLICACIONES ESPECIALES.
La aplicación de la tecnología del bombeo por cavidades progresivas es relativamente reciente si se compara con los métodos de producción convencionales (bombas mecánicas) y solo la evaluación continua de las mismas en escenarios con diversidad de exigencias permitirá madurarla técnica y tecnológicamente. En cuanto a las limitaciones del método, se ha mencionado la imposibilidad de los elastómeros para bombear fluidos con altos volúmenes de gas libre, ambientes de alta temperatura, crudos aromáticos, profundidades importantes donde la resistencia de las cabillas constituyan una limitación, cambios de bomba sin recuperar la completación, manejo de altos caudales, etc.
En aras de extender el alcance del método BCP, se han ideado diversos desarrollos, muchos de las cuales se han evaluado en Venezuela sin obtener, no obstante, resultados exitosos.
Algunos de estos desarrollos son los siguientes:
12.1.- Bombas tipo Insertables. Buscan reducir el tiempo empleado en los cambios de bombas y por ende, disminuir costos y contar con la producción en el menor tiempo posible. Al dañarse la B.C.P. (generalmente se daña el estator, mas específicamente, el elastómero) es
96 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). necesario recuperar toda la completación de producción; para el reemplazo de una bomba tipo insertable basta con recuperar la sarta de cabillas. En Venezuela (en los pozos de la C.O.L.) se evaluó está tecnología detectando problemas con el sistema de anclaje de la bomba (tanto en el diseño como en los sellos); estas bombas están consideradas para pozos bajo productores ya que su capacidad está limitada por el diámetro interno de la tubería de producción 12.2.- Bombas Multilobulares. Ofrecen en teoría mayor capacidad volumétrica que las bombas de geometría simple; con base a esto, podría incrementarse la capacidad de las bombas tipo insertables. Las bombas multilobulares, según los fabricantes, exigen menos torque que las de geometría simple, sobre este punto se debe aclarar que al ser aquellas de mayor capacidad, para obtener una determinada tasa, su velocidad de operación sería menor y por ende el torque. Sin embargo, a altas velocidades se han encontrado en campo altas exigencias de torque y vibración. En Venezuela no se han obtenido resultados favorables con esta tecnología.
12.3.- Bombas con motor eléctrico de fondo. Conocida también como “Electro BCP”, “BCP eléctrica sumergible”, etc. Estos equipos están concebidos principalmente para: •
Pozos muy profundos o altamente desviados donde mecánicamente la sarta de cabillas imponga limitaciones.
•
En pozos de crudos excesivamente viscosos, se disminuye la presión asociadas a la fricción de los fluidos con los acoples de las cabillas, los centralizadores y las cabillas propiamente dichas, reduciendo de esta manera, el head requerido por el sistema.
97 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). •
En pozos con excesiva cantidad de arena o sólidos donde la abrasión constituya un problema para los componentes mecánicos de las bombas electrosumergibles (BES).
•
En pozos con sistemas BES donde ocurran problemas de cavitación por los volúmenes de gas manejados.
•
Comparativamente con el sistema BES, el consumo de corriente es sensiblemente menor.
En Venezuela se realizaron algunas instalaciones, no obstante, los resultados fueron de éxito relativo ya que se detectaron problemas de fatiga en las cajas reductoras, esto como consecuencia de no contar con aceites que proporcionen optimo desempeño desde el punto de vista dieléctrico y como lubricante. Adicionalmente, el lubricante en la caja reductora terminaba contaminándose ya que el protector se instala antes de la caja reductora con la finalidad de obtener el mejor rendimiento de los sellos (ya que a baja velocidad, la eficiencia de los sellos disminuye significativamente). Los componentes de la BCP con motor eléctrico de fondo son los siguientes:
•
Un motor eléctrico sumergible. Puede ser estándar o bipolar, y gira a 3500 r.p.m. bajo 60Hz o a 2900 r.p.m. bajo
50 Hz. Los motores pueden concebirse con 4 o 6 polos, de manera de dividir la velocidad nominal de un motor bipolar por 2 por 3. Pero al contrario, un aumento del número de polos, conduce a aumentar la longitud del rotor/estator del motor para conservar la misma potencia: Por 2 para 4 polos, por 3 para 6 polos. •
Un reductor de velocidad de engranajes.
Para permitir reducir la velocidad del motor a una velocidad aceptable para la BCP. •
Un protector. 98 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). Para evitar toda entrada de fluido en la parte motriz e igualar la presión interna del motor con la del pozo, incluye un tope para absorber la carga en la bomba. Un conjunto comprendiendo los orificios de admisión y una barra flexible (o biela y articulaciones) para absorber la excentricidad del rotor de la bomba. •
Una Bomba de Cavidades Progresivas. La BCP propiamente dicha considerando todas las variables necesarias para su
adecuada diseño/selección (desplazamiento, head, tipo de elastómero, etc). •
Un cable de potencia de tres conductores. Cable armado y aislado para resistir las duras condiciones ambientales del pozo.
Este cable puede ser plano o redondo. La sección de los conductores es función de la intensidad de la corriente eléctrica. •
Una variador de frecuencia. Colocado en superficie con la finalidad de variar la velocidad de rotación del
motor, proporcionalmente a la frecuencia. •
Accesorios. Cabezal del pozo, conectores para el cableado de superficie, cajas de venteo,
gabinetes para el variador de frecuencia, etc.
Detalle en la Figura N°30, un esquema de la BCP con motor eléctrico de fondo.
99 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº30: Esquema de una BCP con motor de Fondo.Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”. 100 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 12.4.- Bombas Metálicas. La incapacidad de los elastómeros para manejar fluidos con altos volúmenes de gas (el material podría quemarse si la bomba opera en vacío o ampollarse si el elastómero es muy permeable), altos contenidos de aromáticos y elevadas temperaturas imponen un restricciones al método, las cuales serían subsanadas si se utilizara un material insensible a estos efectos. Se han considerado diversas aleaciones mecánicas, cerámicas, fluoelastómeros, etc.
En Venezuela se evaluaron desde los comienzos de los años noventa diversos materiales elastómericos en pozos sometidos a inyección alternada de vapor, sin ningún éxito ya que los mismos no resisten tan elevadas temperaturas. En Venezuela se instaló a finales de 1998 una bomba de cavidades progresivas totalmente metálicas (sin elastómero) en un pozo sometido a recuperación térmica, para aquel entonces fue la primera aplicación a nivel mundial, sin embargo, la eficiencia de la bomba fue muy baja y no hubo éxito al tratar de compensarla incrementando la velocidad de rotación.
Figura Nº31: BCP Metálica.Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”. 101 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). 12.5.- Bombas con Elastómeros de espesor constante Las bombas con estator metálico tienen la propiedad de no presentar hinchamiento ante la presencia de crudos (aromáticos) livianos ya que carecen de elastómeros; no obstante, los crudos livianos son poco viscosos por lo cual el escurrimiento (el cual es función de la interferencia de la bomba) solo puede ser controlado con velocidad, lo cual no es suficiente. Por otra parte, el hinchamiento del elastómero (suponiendo que este no sea de una magnitud que afecte las propiedades mecánicas del material) podría ser compensado con rotores de menor diámetro (subdimensionados), sin embargo, ensayos de laboratorio demostraron que el hinchamiento es proporcional al espesor del elastómero y en las BCP este no es constante por lo cual, el hinchamiento tampoco lo es. La bombas con elastómero de espesor constante, conocidas como bombas CTR (“ConstantThicknessRubber”) son bombas con cavidades metálicas con la diferencia que estas se recubren de una delgada, y constante, capa de elastómero, garantizando de esta manera la interferencia necesaria entre el estator y el rotor para sellar las cavidades y generar la acción de bombeo, por otra parte, al ser la capa del material constante, el hinchamiento también lo sería por lo cual la utilización de rotores subdimensionados sería optima garantizándose la misma interferencia a los largo de todas las cavidades; finalmente ya que un considerable volumen del elastómero es sustituido por metal se pueden utilizar materiales costosos como fluoelastómeros (Viton). La
siguiente figura
muestra la carcasa, los lóbulos metálicos y el
recubrimiento de estos con un fluoelastómero.
102 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP).
Figura Nº31: Sección de una BCP tipo CTR. Tomado de “Bombeo de Cavidad Progresiva ESP Oil”.
103 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). CONCLUSIÓN. Una de las etapas más importantes de la rama petrolera es la producción la cual permite estudiar y aplicar las distintas herramientas adecuadas para extraer el hidrocarburo que se encuentra en el subsuelo. Por tal motivo, se requiere de muchos estudios que permitan conducir las mejores formas en cómo va a venir ese fluido a la superficie, y con qué capacidades se cuentan para explotar de una forma factible el pozo perforado. Uno de los inventos más importantes para la industria petrolera es la BCP inventada por Moineau en 1932, que consta de un rotor dentro de un estator. Se cuenta con diversos de materiales y geometría, la mas común es un rotor metálico dentro de un estator elástico. La geometría del conjunto forma una serie de cavidades idénticas separadas entre si, de ahí su nombre. En su aplicación correcta este sistema provee el método de levantamiento artificial más económico. En Venezuela, los resultados obtenidos aplicando BCP como método de levantamiento artificial son aproximadamente 525 millones de barriles. Un componente clave en el correcto desempeño en las bombas BCP son los elastómeros, es el elemento mas delicado del equipo y de su adecuada selección depende en gran medida el éxito de la operación, este reviste internamente el estator. Existen distintos tipos de elastómeros de acuerdo al material que están compuestos en su mayoría polímeros derivados del petróleo. La sarta de varillas de bombeo esta compuesta de: el rotor, niple de paro, niple intermedio, ancla de gas, caño filtro, ancla de torque, zapato probado de hermeticidad y centralizadores de cabillas; la escogencia y el mantenimiento de cada uno de estos factores es determinante en el aprovechamiento de los fluidos que aporta el pozo.
104 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP). REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. American Petroleum Institute, NORMA API, “Progressive cavity pumps systems for artificial lift—Part 1: Pumps —Part 2: Surface drive systems”, | 1220 L Street, NW | Washington, DC 20005-4070 | USA Petroleum and natural gas industries. Hirschfeldt Marcelo, “Manual de Bombeo de Cavidades Progresivas”, Versión 2008V1, Argentina, Junio de 2008. Chacín Nelvy, Bombeo de Cavidad Progresiva, ESP OIL INTERNATIONAL TRAINING GROUP, Venezuela, 2003. Veil J.A., Langhus, B.G. and Belieu, S.: “Feasibility Evaluation of Downhole Oil/Water Separation (DOWS) Technology, ”Technical Report for U.S. Department of Energy, Jan. 1999. Matos Gutierrez Jaime Aquiles, Optimización de la producción por sistema PCP, Tesis de Grado, Lima- Perú, 2009. Farías Laura, Hirschfeldt Marcelo, Explotación de pozos con PCP en yacimiento Diadema, Tesis de Grado, 2006. Ciulla Francesco, Principios fundamentales para diseños de bombas con cavidad progresiva, 2003. Haworth, C.G., 1997. Updated field case studies on application and performance of bottom drive progressing Cavity pumps, SPE 39043, Rio de Janeiro, Brazil, Septiembre 1997.
105 Completación y Reacondicionamiento de Pozos.
