Bombeo Mecanico Avanzado

THETA ENTERPRISE, INC. Software Avanzado de Optimización para Bombeo por Cabillas Consultaría y Entrenamiento John G. Svinos, Presidente.

OFICINA CENTRAL CORPORATIVA Ventas, Soporte Técnico para RODSTAR, RODDIAG, XDIAG, CBALANCE y DYNOSTAR, T1 Dyno, Entrenamiento, y servicios de consultaría. John G. Svinos – Presidente Numero de teléfono: (714) 526-8878 Número de Fax: (714) 526-8875 Numero efax: (714) 908-7287 Email: [email protected] Rudy Nesmith – Programador Senior. Número de Teléfono: (714) 526-8878 Email: [email protected] Theta Enterprise, Inc. 1211 West Imperial Hwy., Suite 105 Brea, CA. 92821-3733 USA

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Optimización De Bombeo Mecánico © Theta Enterprise, Inc. 1989-2005

Por: JohnG. Svinos, Presidente Theta Enterprise, Inc. 1211 West Imperial Hwy., Suite 105 Bera, CA 92821-USA Teléfonos: (714) 526-8878, Fax: (714) 526-8875 http://www.gotheta.com Traducción al Español Ing. Herdly Escalante Tsu. Cherry Cardona Revision: Ing. Julian Sanchez Maracaibo, Venezuela 2005

Direcciones de E_mail: John G. Svinos-Presidente: [email protected] Ferry Treiberg – Gerente de desarrollo de XSPOC: [email protected] Orders: Sandy B. Rodríguez Gerente de Oficina: [email protected] Soporte Técnico del –Software: Rudy Nesmith: [email protected]

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Nota: Este trabajo es una traducción parcial del Manual “ROD PUMPING OPTIMIZATION” con derechos de autor Theta Enterprise, Inc. Los trabajos técnicos, ensayos, documentos anexos y diapositivas de la presentación no están disponibles en este formato.

TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCION Fuentes de reducción de rentabilidad Herramientas modernas de Optimización de bombeo mecánico Que esperar de este curso Tecnologías modernas Ventajas y desventajas del bombeo mecánico 1. REVISION DE FUNDAMENTOS 1.1 Tensión y Presión 1.2 Trabajo 1.3 Potencia 1.4 Energía 1.5 Torque y momento 2. EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS 2.1 UNIDAD MOTRIZ 2.1.1 Motores eléctricos 2.1.2 Motores ultra de alto deslizamiento 2.1.3 Motores a gas 2.2 UNIDADES DE BOMBEO 2.2.1 Diseño de la Unidad 2.2.2 Geometría de la Unidad de bombeo 2.2.3 Nomenclatura de la Unidad de bombeo 2.2.4 Análisis Kinematico de la unidad de bombeo 2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS 2.3.1 Contrapesos 2.4 BARRA PULIDA, ESTOPERAS Y LINEAS DE FLUJO. 2.4.1 Válvulas de contrapresion 2.5 SARTA DE CABILLAS 2.6 TUBERIA DE PRODUCCION 2.7 BOMBA DE SUBSUELO 2.7.1 Acción de las válvulas 2.7.2 Acción de las válvulas y cargas de fluido 2.8 ANCLAS DE GAS 2.9 EQUIPO ADICIONAL DE FONDO DE POZO 3. EQUIPO DE FONDO 3.1 BOMBAS DE FONDO 3.1.1 Designación API de las bombas 3.1.2 Bombas de tubería 3.1.2.1 Instalación de la bomba 3.1.2.2 Cuando usar bombas de tubería 3.1.2.3 Cuando no usar bombas de tuberías 3.1.3 Bombas de cabillas insertables 3.1.3.1 Instalación de la bomba 3.1.3.2 Cuando usar 3.1.3.3 Cuando no usar

3.2 BOLAS Y ASIENTOS 3.3 PISTONES 3.3.1 Pistones de empaque suave 3.3.2 Pistones metal-metal 3.4 BOMBAS ESPECIALES 3.4.1 Bomba insertable de tres tubos 3.4.2 Bombas de dos etapas 3.4.3 Válvula de Carga 3.4.4 Bombas de válvula upper ring 3.5 DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA Y ESCURRIMIENTO 3.5.1 Desplazamiento de la bomba y eficiencia volumétrica 3.5.2 Escurriento de fluido a través del pistón 3.6 ANCLAS DE GAS 3.6.1 Tipos de anclas de gas. 3.6.2 Guía para el diseño de anclas de gas. 3.6.3 Diseño paso a paso para anclas de gas modificadas “poor boy” 3.6.4 ejemplo del diseño de ancla de gas modificada “poor boy” 4. MEDICIONES DE CAMPO 4.1 EL SISTEMA DEL DINAMOMETRO 4.2 USO DEL DINAMOMETRO COMO UNA HERRAMIENTO DE DIAGNOSTICO 4.2.1 Instalación y remoción de los transductores de carga y posición. 4.2.2 Chequeo de válvulas en la válvula fija y viajera. 4.2.3 Cálculos del escurrimiento en la bomba desde la válvula viajera. 4.2.4 Chequeo de la Válvula fija. 4.2.5 Efecto en la medida del contrabalanceo. 4.2.6 Grafico de amperaje. 4.2.7 Longitud de la carrera y emboladas por minuto por minuto. 4.2.8 Data de la unidad de bombeo y Unidad motriz. 5. ANALISIS DE TORQUE 5.1 FACTOR TORQUE 5.2 CALCULO DEL TORQUE NETO EN LA CAJA DE ENGRANAJE 5.3 CAGAS EN LA BARRA PULIDA 5.4 MAXIMO MOMENTO DE CONTRABALANCEO 5.5 EJEMPLO DEL ANALISIS DE TORQUE 5.6 CALCULOS DEL FACTOR DE TORQUE 5.7 DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES 5.7.1 Tendencia del diagrama de cargas permisibles. 6. BALANCEO DE LA UNIDAD DE BOMBEO 6.1 BALANCEANDO LA UNIDAD CON AMPERAJE 6.1.1 Ventajas y desventajas de balancear la unidad con amperímetro 6.2 BALANCEANDO LA UNIDAD CON TABLAS Y GRAFICOS DE CONTRABALANCEO.

6.3 BALANCEANDO LA UNIDAD A TRAVES EL SOFWARE 6.3.1 CBALANCE contra el balanceo de la unidad a través del amperímetro. 6.4 EFECTO DEL BALANCEO EN EL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA. 6.4.1 Factor de cargas cíclicas. 7. SARTA DE CABILLAS DE SUCCION 7.1 GRADOS DE CABILLAS API 7.1.1 Tamaños de cabillas limitados por tubería 7.2 CARGAS EN LAS CABILLAS 7.3 CABILLAS DE ACERO NO API 7.4 CABILLAS DE FIBRA DE VIDRIO 7.4.1 Ventajas de las cabillas de fibra de vidrio 7.4.2 Desventajas de las cabillas de fibra de vidrio 7.5 ANALISIS DE TENSION EN LAS SARTAS DE CABILLAS 7.5.1 Diagrama de Goddman modificado 7.5.2 Factores de servicio 7.5.3 Ecuación del diagrama modificado de Goodman para análisis de tensión. 7.5.4 Análisis de tensión en cabillas Electra 7.5.5 Análisis de tensión en cabillas Norris 97, LTV HS, y UPCO 50K. 7.5.6 Análisis de tensión en cabillas de fibra de vidrio 7.5.7 Análisis de tensión con el método MGS 7.6 BARRAS DE PESO 7.6.1 ¿Por que usar barras de peso? 7.7 FALLAS EN CABILLAS DE SUCCION 8. DISEÑO DEL SISTEMA 8.1 DESARROLLO DEL METODO API RP11L 8.2 DESARROLLO DEL METODO DE LA ECUACION DE ONDA 8.3 CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS 8.3.1 Guía para el diseño de sistema de bombeo por cabillas 8.4 CALCULO DE LA TASA OBJETIVO DE PRODUCCION 8.4.1 Método del IP constante 8.4.2 Usando el Índice de productividad 8.4.3 Método de Vogel’s 8.4.4 Productividad del pozo por encima de la presión de burbujeo. 8.5 DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS USANDO EL API RP11L 8.6 DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS. 8.6.1 El programa RODSTAR 8.7 OTROS CALCULOS EN EL DISEÑO DEL SISTEMA 8.7.1 Fuerza para desasentar la bomba 8.7.2 Tamaño de la barra pulida 8.7.3 Tamaño de la polea del motor y longitud de las correas 8.7.4 Velocidades de bombeo mínimas y máximas.

9. ANALISIS DIAGNOSTICO 9.1 FUNDAMENTOS EN EL ANALISIS DIAGNOSTICO EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS 9.1.1 características de los pozos grupo 1 9.1.2 Características de los pozos grupo 2 9.1.3 Beneficios adicionales del análisis diagnostico por computadora 9.2 ANALISIS DINAMOMETRICO DE FONDO PARA POZOS DEL GRUPO 1. 9.2.1 Acción de las válvulas como una función de la presión del barril 9.2.2 Calculo de la presión de entrada de la bomba y el nivel de fluido 9.2.3 Calculo de las cargas de fluido y la carrera neta de la bomba 9.2.4 Líneas de ajuste para separar fricción de las verdaderas cargas de fluido 9.3 EXPLICACION DETALLADA DE LA FORMA DE LAS CARTAS DINAGRAFICAS DE FONDO 9.3.1 Interferencia por gas 9.3.2 Golpe de fluido 9.3.3 Fuga en la válvula viajera o el pistón 9.3.4 Fuga en la válvula fija 9.3.5 Tubería desanclada 9.3.6 Mal función del ancla de tubería 9.3.7 Golpe de bomba en la carrera descendente 9.3.8 Barril de la bomba colapsado (Abollado)-pistón atascado 9.3.9 Barril de la bomba desgastado o rajado 9.3.10 Altas aceleraciones de fluido (Inercia de fluido) 9.4 COMBINACION DE DOS O MAAS PROBLEMAS DE BOMBAS 9.5 ANALISIS DIAGNOSTICO CON EL SOFTWARE RODDIAG 9.5.1 Check List RODDIAG 9.5.2 Explicación de los resultados del RODDIAG • Picos y cargas mínimas de la barra pulida • Potencia en la barra pulida • Eficiencia del sistema • Eficiencia volumétrica de la bomba • Costo eléctrico por barril • Potencia mínima requerida por el motor • Pesio de las cabillas en el fluido • Cargas en la estructura de la Unidad • Información de la tubería de producción • Información sobre bombas • Cálculos a partir de la carta dinagrafica de fondo • Análisis tensional de la sarta de cabillas • Data de la unidad de bombeo • Análisis de torque • Tamaño requerido por el motor para las condiciones existentes

• Consumo de energía • Gráficos dinamometricos. 10. CONTROLADORES DE BOMBEO 10.1 Problemas con golpe de fluido 10.2 Temporizadores vs controladores de bombeo 10.3 Operación de los controladores de bombeo 10.4 Métodos para la detección del golpe de fluido 10.4.1 Método de cargas en un punto 10.4.2 Método del cuadrante. 10.4.3 Método del área. 10.4.4 Método de la velocidad del motor. 10.5 Estado del arte en el monitoreo y control de sistemas con bombeo mecánico. 10.5.1 Sistemas stand-alone. 10.5.2 Sistemas de supervisión de controladores de bombeo 10.6 Sistema experto para diagnostico remoto de problemas. 10.6.1 Programa de computadora Xdiag. 10.6.2 Resumen de las características de Xdiag.

LISTA DE FIGURAS Figura I-1. Efecto de la Eficiencia del sistema en los costos de electricidad. Figura I-2. Costos Eléctricos de levantamiento para cortes de agua del 90%. Figura I-3. Costos Eléctricos de levantamiento para cortes de agua del 95%. Figura I-4. Capacidad del bombeo Mecánico. Figura 1.1. Ejemplo de cálculo de Torque. Figura 2.1. Sistema de bombeo Mecánico. Figura 2.2. Curvas de Torque-Velocidad. NEMA D vs Alto deslizamiento. Figura 2.3. Nomenclatura de Unidades de bombeo convencional. Figura 2.4. Nomenclatura de Unidades de bombeo Mark II. Figura 2.5. Nomenclatura de Unidades de bombeo balanceadas por aire. Figura 2.6. Definición de desbalance Estructural. Figura 2.7. Definición de ángulo de compensación de la manivela. Figura 2.8. Operación de las válvulas de bomba de cabilla. Figura 2.9. Cargas de fondo sobre el pistón vs posición para bomba llena. Figura 2.10. Operación del ancla de gas (“Poor boy”). Figura 2.11. Equipo de fondo del sistema de bombeo. Figura 3.1. Designación de bombas API. Figura 3.2. Bombas API. Figura 3.3. Operación de la válvula “Charger”. Figura 3.4. Operación de la válvula de anillos. Figura 3.5. Ancla de gas Natural. Figura 3.6. Operación del ancla de gas tipo empacadura. Figura 4.1. Ejemplo de carta dinagrafica. Figura 4.2. Sistema Dinamometrico. Figura 4.3. Ejemplo del chequeo de válvulas. Figura 4.4. Identificación de manivelas Mark II (Por dentro de la manivela). Figura 5.1. Calculo del torque neto sobre la caja de engranaje. Figura 5.2. Definición del factor de torque. Figura 5.3. Determinación del torque neto sobre la caja de engranaje. Figura 5.4. Determinación de cargas sobre la barra pulida para análisis de torque. Figura 5.5. Medición del Efecto de contrabalance. Figura 5.6. Carta dinagrafica para ejemplos de análisis de torque. Figura 5.7. Grafico de torque para ejemplo de análisis de torque. Figura 5.8. Ejemplo de carta dinagrafica con diagrama de cargas permisibles. Figura 5.9. Ejemplo de cargas permisibles y gráficos dinamometricos para unidades Mark II con cabillas de acero. Figura 5.10. Ejemplo de cargas permisibles y gráficos dinamometricos para unidades convencionales con cabillas de fibra de vidrio. Figura 5.11. Ejemplo de cargas permisibles y gráficos dinamometricos para unidades Mark II con cabillas de fibra de vidrio. Figura 6.1. Gráficos de amperaje para unidades en condiciones fuera de balance y balanceadas. Figura 6.2. Cuadros ejemplo de contrabalanceo para unidades Lufkin. Figura 6.3. Ejemplo de tablas de contrabalanceo para Unidades American. Figura 6.4. Ejemplo de reporte del software CBALANCE. Figura 6.5. Terminología de la posición de las contrapesas utilizada por CBALANCE.

Figura 7.1. Construcción del Diagrama API de Goodman modificado. Figura 7.2. Uso del diagrama API de Goodman modificado. Figura 7.3. Diagrama de tensión (Norris 97, LTV HS y UPCO 50K) Figura 7.4. Aumento de la tensión por causa de corrosión. Figura 8.1. Índice de productividad constante para curvas IPR. Figura 8.2. Curva IPR de Vogel. Figura 8.3. Diseño tradicional de ensayo y error. Figura 8.4. Sistema experto de diseño RODSTAR: Figura 9.1. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.2. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.3. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.4. Forma de las cartas dinagraficas de fondo. Figura 9.5. Calculo de la presión de entrada en la bomba y nivel de fluido. Figura 9.6. Calculo de las cargas de fluido y embolada neta con modelo exacto de fricción. Figura 9.7. Determinación de las cargas de fluido, embolada bruta y neta a partir de la carta de fondo calculada. Figura 9.8. Interferencia de gas con bomba espaciada demasiado arriba. Figura 9.9. Golpe de fluido. Figura 9.10. Fuga en la válvula viajera o en el pistón. Figura 9.11. Fuga en la válvula fija o estacionaria. Figura 9.12. Tubería desanclada o ancla de tubería no sujeta. Figura 9.13. Malfuncionamiento del ancla de tubería. Figura 9.14. Pistón golpeando en el fondo (Bomba llena). Figura 9.15. Baril de la bomba doblado o pistón atascado. Figura 9.16. Barril de la bomba rajado o gastado. Figura 9.17. Aceleración alta de fluido (Bomba llena) Figura 9.18. Efecto de la profundidad de la bomba en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 1). Figura 9.19. Efecto de las emboladas por minuto en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 2). Figura 9.20. Efecto del tamaño del pistón en la forma de la carta dinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 3). Figura 9.21. Superposición de cartas dinagraficas. Figura 9.22. Ejemplo de hoja de datos del RODDIAG. Figura 9.23.Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 1) Figura 9.24. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 2) Figura 9.25. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 3) Figura 10.1 Eventos que preceden el golpe de fluido como una condición de estado estable. Figura 10.2. Operación de controladores de bombeo. Figura 10.3. Método de punto de carga para controladores de bombeo. Figura 10.4. Método del cuadrante para controladores de bombeo. Figura 10.5. Método del área para controladores de bombeo. Figura 10.6. Limites mínimos y máximos para cargas en la barra pulida. Figura 10.7. Sistema centralizado de control.

INTRODUCCION El Bombeo mecánico es el más común de los métodos de levantamiento artificial. Aproximadamente el 95% de todos los pozos en los Estados Unidos están bajo levantamiento artificial. El Bombeo mecánico abarca cerca del 90% de todos los pozos haciendo de este el método primario de levantamiento domestico. Beam Pumping (otra forma de llamar al bombeo por cabillas cuando una unidad con viga viajera es usada) es el más antiguo y ampliamente usado método de levantamiento artificial costa adentro. Es usualmente el más económico y el sistema más fácil de mantener cuando es diseñado y operado apropiadamente. Incrementar la eficiencia del sistema de bombeo mecánico ha sido siempre importante. La figura I-1 muestra como la eficiencia del sistema y el corte de agua afecta el costo de electricidad por barril de fluido producido. Si bien este ejemplo grafico es para una bomba a una profundidad de 5000 pies y costos de electricidad de 0.07 Kwh, las conclusiones sacadas de esto pueden aplicarse a todos los sistemas de levantamiento artificial a pesar de la profundidad y costos de energía. La eficiencia del sistema es la relación de la mínima energía requerida para la producción actual dividida entre la energía real consumida por el motor. Un 50% de eficiencia del sistema es excelente y es la eficiencia mas alta que puede esperarse tenga un sistema de bombeo mecánico convencional. Sin embargo, pocos sistemas por bombeo mecánico realmente operan en un 50% de eficiencia. Problemas comunes tales como golpe de fluido, pistón de la bomba desgastado, fugas en la válvula viajera o fija, y una unidad severamente fuera de balance, pueden reducir la eficiencia del sistema hasta menos de un 30%. Una bomba severamente dañada o una fuga en la tubería pueden resultar en una eficiencia del sistema menor al 30%. Como se muestra en la Figura I.1, a cada vez más bajos cortes de agua, los costos por consumo eléctrico podrían ser bajados lo suficiente para que el pozo sea rentable. Sin embargo, a medida que aumenta el corte de agua, incluso una pequeña caída en la eficiencia tiene un gran impacto en los costos de levantamiento. Como altos cortes de agua son muy comunes en la mayoría de los campos petroleros de hoy, permanecer cercanos a la línea del 50% de eficiencia es vital para la sobre vivencia económica. Esto es obvio si se mira la

Figura I-2 y I-3. Estas figuras son derivadas a partir de la Figura I-1 para cortes de agua entre 90% y 95% respectivamente. Como se muestra en la Figura I-2, a medida que la eficiencia del sistema va bajando, el costo por barril de petróleo se incrementa muy rápido de 0.92 $/bbl para eficiencias del 50% hasta 4.62 $/bbl para eficiencia del sistema igual a 10%. Como se muestra en la Figura I-3 la tendencia se mantiene cierta para cortes de agua del 95%. Sin embargo, los costos por barril son dos veces tan altos como para cortes de agua del 90%.

Fuentes de Reducción de Rentabilidad: Para optimizar el comportamiento de sistemas por bombeo mecánico es importante identificar y entender los problemas que reducen la rentabilidad. Las dos principales fuentes de reducción de rentabilidad son baja eficiencia del sistema y fallas en el equipo. Nosotros podemos subdividir este de la siguiente manera:

Eficiencia baja del sistema: • Bomba desgastada. • Golpe de fluido. • Unidad desbalanceada. • Mal diseño del tamaño del motor.

Fallas del equipo: • Cabillas partidas. • Fuga en tubería. • Fallas en la bomba. • Fallas en la caja de engranaje.

Este curso enseña las habilidades que se necesitan para encontrar, corregir, prevenir y minimizar los problemas mencionados. La clave para mejorar la rentabilidad es tenar el conocimiento y las herramientas para incrementar la eficiencia y reducir las fallas del equipo. El entrenamiento apropiado en los fundamentos del bombeo mecánico es necesario para

entender como trabaja el sistema, que puede salir mal, y que hacer sobre los problemas comunes y los no tan comunes.

Herramientas Modernas en la Optimización de Bombeo Mecánico. Una buena comprensión de los fundamentos del bombeo mecánico y el uso inteligente de las actuales tecnologías avanzadas de computadoras para bombeo mecánico pueden cambiar el punto de vista en problemas de campo. En vez de aceptar baja eficiencia, altos costos de energía, y fallas en el equipo como un hecho cotidiano, podrías entender y ser capaz de minimizar el impacto de estos problemas. Grandes ahorros e incrementos en los ingresos son posibles si puedes optimizar el comportamiento del sistema por bombeo mecánico usando tecnología moderna. Las principales herramientas para optimizar el sistema son: • Software de Análisis Diagnostico: Ayuda a detectar problemas con el sistema existente de bombeo. RODDIAG es un programa de computadora desarrollado por Theta enterprise para este propósito. El capitulo del Análisis diagnostico describirá el uso de tales programas de computadora. • Software Predictivo (diseño): Permite predecir el efecto de los cambios en el sistema existente, o predecir el comportamiento o las cargas del nuevo sistema. El programa de computadora RODSTAR discutido en Diseño del Sistema es la herramienta mas avanzada disponible para este propósito. • Software

para

Balancear

la

Unidad

de

Bombeo:

El

único

comercialmente disponible programa de computadora ha sido desarrollado por Theta Enterprise y es llamado CBALANCE. Este programa permite:1) Encontrar el momento de contrabalanceo existente sin necesidad de medir en el campo el efecto del contrabalanceo. 2) Determinar hacia donde mover las pesas para balancear la unidad. 3) Determinar si las pesas existentes son suficientes para balancear la unidad. 4) Decidir que tipo y cuantas pesas ordenar al momento de comprar una unidad de bombeo nueva. • Controladores de Bombeo: Incrementan la eficiencia del sistema y minimizan las fallas por fatiga. Los Controladores de bombeo minimizan los efectos adversos del golpe de fluido, que es la más común de las

condiciones de operación en pozos por bombeo mecánico. El capitulo de controladores de pozos discute como estos controladores trabajan y como estos pueden afectar el comportamiento del sistema.

Que debe esperar de este curso: Este curso esta diseñado para ayudarte a entender los principios básicos del bombeo mecánico y para familiarizarte con la tecnología moderna de diagnostico. Te enseñara como identificar problemas en las cabillas y como mejorar su diseño. Este curso cubre los fundamentes y te brinda bases sólidas para incrementar tus conocimientos. Después de completar este curso habrás aprendido lo siguiente: • Como cada componente del sistema de bombeo trabaja y los efectos en el resto del sistema. • Como calcular el torque en la caja de engranaje, construir un diagrama de cargas permisibles, y balancear la unidad de bombeo. • Como grabar y usar cartas dinagraficas para detectar fallas en pozos y calcular las cargas tensiónales de las cabillas API y no API de acero o fibra de vidrio. • Como trabajan

las bombas de cabillas, que tipo de bombas están

disponibles y cuando usarlas. • Como hacer cálculos de productividad de pozos para ver si pueden producir mas fluido. • Las ventajas y desventajas de los métodos de diseño API RP 11L, y el de la ecuación de onda, sus limitaciones, y los rangos de aplicación. • Como mejorar el diseño del sistema usando métodos modernos basados en la ecuación de onda y sistemas de tecnología experta. • Como interpretar la forma de las cartas dinagraficas de fondo y entender la razón de la misma. • Diferenciar entre pozos profundos y someros y las herramientas que necesitas para diseñar y analizarlos apropiadamente. También, cual es el efecto de la inercia del fluido en pozos someros con altas tasas de producción.

• Los problemas causados por el golpe de fluido, como funcionan los controladores de bombeo y como usarlos apropiadamente. • Los beneficios de usar programas de computadores “Inteligentes” y otras técnicas modernas para optimizar el comportamiento del sistema.

Tecnología moderna: En los años recientes, la tecnología de la computadora ha revolucionado cada aspecto del bombeo mecánico. Ahora puedes usar computadoras para diseñar, identificar, balancear, y monitorear sistemas de bombeo. Los desarrollos más recientes en tecnología de computadora para bombeo mecánicos incluyen simuladores muy precisos del sistema de bombeo y programas de computadoras “Inteligentes”. Estos paquetes de herramientas son el estado del arte de la tecnología en una forma fácil de usar. Si bien esta tecnología es nueva, esta avanzando rápidamente. La necesidad de producir los pozos de la forma más rentable posible podría resultar en un incremento en el uso de computadoras en los años por venir. Todavía la habilidad de los poderosos programas de computadoras no ha podido eliminar la necesidad de entender las bases del bombeo mecánico. Se ha simplemente cambiado el énfasis en hacer manualmente cálculos tediosos, a aplicar resultados. Este es un paso en la dirección correcta debido a que mayor esfuerzo puede dedicársele a la optimización del comportamiento de pozos. Sin el conocimiento de los principios básicos del bombeo mecánico el Ingeniero podría sentirse inseguro acerca de las tecnologías de punta de los programas de computadoras, controladores de bombeo, monitoreo remoto, etc. Estos podrían parecer misteriosos y difíciles de entender. Estos sentimientos son comprensibles. Todavía, estos representan solo falta de conocimiento o entendimiento incompleto de los fundamentos del bombeo mecánico. Este curso provee el conocimiento necesario para entender las herramientas modernas de optimización del bombeo mecánico. Si se entienden los fundamentos acá cubiertos entonces podrás racionalmente

evaluar

cualquier nueva tecnología que aparezca. Así, Podrás confiar en tu propio juicio en ves de creer en el de alguien más o sentirte inseguro acerca de cosas que no entiendes.

Bombeo Mecánico, Ventajas y Desventajas: Como cualquier otro método de levantamiento artificial, el bombeo mecánico tiene sus pros y contras que son importantes cuando se determina que método de levantamiento usar para una aplicación particular. Uno de los factores más importantes a considerar es la máxima tasa de producción que deseas de tus pozos. La Figura I-4 muestra el rango de aplicación del bombeo mecánico. Como puede verse, dependiendo de la profundidad de la bomba, el bombeo mecánico puede no cumplir con la capacidad de producción deseada. Como muestra la Figura I-4, la capacidad de producción del bombeo mecánico cae rápidamente con profundidad. Sin embargo, en el rango en el que puede usarse el Bombeo Mecánico, es difícil superar su eficiencia, versatilidad y facilidad de servicio. Usualmente la decisión de que método de levantamiento utilizar depende

de

muchos

factores

que

incluyen:

Localización

geográfica,

disponibilidad de electricidad o gas, producción de arena u otros sólidos, desviación del pozo, acumulación de escamas y parafinas, costos del equipo, etc. Para ayudarte en tales dediciones, lo que sigue es un resumen de las principales ventajas y desventajas del bombeo mecánico: Ventajas

Desventajas

•

Fácil de operar y servicios

•

Es problemático en pozos desviados.

•

Puede cambiarse fácilmente la tasa de

•

No puede usarse costa afuera por el

•

producción cambiando la velocidad de

tamaño del equipo de superficie y la

bombeo o la longitud de la carrera

limitación en la capacidad de producción

Puedes disminuir la presión de entrada

comparado con otros métodos.

de

la

bomba

para

maximizar

la

•

producción. • •

Usualmente

de arena. es

el

método

de

•

La

eficiencia

volumétrica

cae

drásticamente cuando se maneja gas

Pueden intercambiarse fácilmente las

libre •

Las tasas de producción caen rápido con

Pueden utilizarse motores a gas si no hay

profundidad

disponibilidad eléctrica

métodos de levantamiento artificial.

Puedes usar controladores de bombeo para minimizar golpe de fluido, costos de electricidad y fallas de cabillas.

•

•

levantamiento artificial más eficiente.

unidades de superficie. •

No puede manejar producción excesiva

Puede

ser

monitoreado

de

manera

•

comparada

con

No es oportuno en áreas urbanas.

otros

remota con un sistema controlador de bombeo. •

Puedes

usar

modernos

análisis

dinamometricos de computadora para optimizar el sistema.

CAPITULO 1 REVISION DE FUNDAMENTOS Todos los temas, incluyendo el bombeo mecánico, están basados en principios y fundamentos. Estas ideas básicas son necesarias para entender el tema como las bases lo son para un edificio. Esto es porque, incluso si tu estas familiarizado con los tópicos a seguir, es una buena idea darles un vistazo a cualquier concepto que podrías necesitar revisar para continuar con el resto de los capítulos. También, mantén en mente que “El diccionario de levantamiento Artificial” (Apéndice B) al final de este manual contienen definiciones útiles de términos con los que podrías no estar familiarizado.

1.1 TENSION Y PRESION: La tensión es definida como fuerza por unidad de área, Por ejemplo, si jalas una cabilla con un área seccional de 1 plg2 con una fuerza de 1000 lbs, entonces la tensión en la cabilla será:

Tension =

1000 lbs 1 p lg

2

= 1000 lbs / p lg 2 o 1000 lpc

La tensión se refiere a sólidos y es diferente a la presión (ver discusión abajo). El concepto de tensión y cargas tensiónales son importantes para entender como diseñar y analizar las cabillas de succión.

Presión: Es también definida como fuerza por unidad de área. Sin embargo, la presión se refiere al resultado de las fuerzas en las superficies de un fluido. Por ejemplo, el gradiente de presión del agua es de 0.433 lpc/pie. Si un tanque contiene agua a una altura de 100 pies la presión en el fondo el tanque será de 43.3 lpc (100*0.433). Si el área del fondo del tanque es de 100 plg2 entonces la

fuerza aplicada en el fondo del tanque será:

F = P × A = 43.3 lbs / p lg 2 × 100 p lg 2 = 4.330 lbs

El flujo de fluidos es de una región de alta presión a una de baja presión. El

fluido del yacimiento fluye hacia el fondo del pozo debido a que esta es la zona de baja presión. Una bomba de cabillas disminuye la presión en el fondo del pozo al disminuir al mínimo el nivel de fluidlo por encima de si. Mientras mas baja es la presión en el fondo del pozo, mayor será la cantidad de fluido que aportara la formación al pozo y por supuesto a la bomba. La cantidad de fluido en el pozo determinara el flujo de fluidos desde la formación. Un alto nivel de fluido sobre la bomba reduce la tasa de producción debido a las grandes presiones aplicadas sobre la formación. Si se detiene la unidad de bombeo, el nivel de fluido aumentara hasta que la presión del fondo del pozo sea igual a la de la formación. En este punto el flujo de fluidos desde la formación se detendrá. La presión de fondo de pozo a la cual el flujo de fluidos se detiene se denomina presión estática.

1.2 TRABAJO: El trabajo es la fuerza que se aplica contra un cuerpo durante una cierta distancia. Por ejemplo, si se aplica una fuerza de 1000 lbs a un bloque para moverlo 10 pies, entonces el trabajo hecho será:

W = F × D = 1000 lbs × 10 pies = 10.000 pies − lbs El trabajo es independiente del tiempo. Solo depende de la magnitud de la fuerza y la distancia a través de la cual la fuerza actúa. En el ejemplo de arriba el trabajo hecho fue de 10.000 pies-lbs, sin importar cuanto tiempo tomo mover el bloque.

1.3 POTENCIA: La potencia muestra que tan rápido puede realizarse el trabajo. Cuanto mas rápido se realice el trabajo, mayor será la potencia requerida. En el ejemplo de arriba, si te toma 10 segundos mover el bloque 10 pies, entonces la potencia será:

Potencia =

W 10.000 pies − lbs = = 1.000 ( pies − lbs ) / seg t 10 seg

Comúnmente se expresa la potencia en unidades de caballos fuerza (hp) o watts (w). Como 1 hp es igual a 550 pies-lbs/seg., la potencia requerida en el ejemplo anterior será: 1.000( pies − lbs ) 1 hp × = 1.82 hp seg 550 ( pies − lbs ) / seg

También, como 1 hp=747.7 W, la potencia en vatios para este ejemplo será: 745.7 × 1.82 = 1.357 W

Si se quisiera mover el mismo bloque la misma distancia de 10 pies en 5 segundos, entonces se necesitaría el doble de la potencia calculada (1.82*2=3.64 hp). Por lo tanto, si se necesita una maquina para mover el bloque, esta necesitaría un motor con mas de 3.64 hp.

1.4 ENERGIA: Energía es la capacidad, o potencial para realizar un trabajo. Una batería eléctrica tiene energía debido a que puede hacer un trabajo cuando la conectas a una maquina como un ventilador eléctrico. El gas natural contiene energía que puede ser convertida en trabajo cuando se quema en un motor a gas. Las maquinas convierten la energía en trabajo útil. Por ejemplo, un motor eléctrico convierte energía eléctrica en el trabajo necesario para bombear crudo. La eficiencia de una maquina es la relación entre la energía necesaria para realizar el trabajo y la cantidad de energía real consumida durante el trabajo. El sistema de cabillas de succión es uno de los métodos de levantamiento artificial más eficientes cuando es diseñado y operado con propiedad. La eficiencia máxima del sistema (Desde el motor hasta la bomba) es usualmente un 45% o 55% dependiendo de la profundidad de la bomba, condición de la bomba, etc. Cerca de la mitad de la energía dentro del sistema se pierde en calor, fricción y fuga de fluidos. Si la bomba esta defectuosa, si la

unidad esta severamente fuera de balance, o si la tubería tiene una fuga, las pérdidas de energía aumentan y la eficiencia del sistema disminuye.

1.5 TORQUE Y MOMENTO: El Torque es una fuerza de torsión. La Figura 1.1 muestra la conexión de la manivela al eje. Si se aplica una fuerza F de 1000 lbs a una distancia de 10 plg desde el centro del eje, el eje podría experimentar un torque igual a: T = F × X = 1000 lbs × 10 p lg = 10.000 p lg xlbs

El momento es definido como la tendencia a causar rotación alrededor de un punto. En otras palabras es básicamente lo mismo que el torque. En bombeo por cabillas, el momento se refiere al torque en la caja de engranaje producido por las contrapesas y la manivela de la unidad de bombeo. Para calcular el torque en el eje debido a una aplicación de una fuerza F, se debe multiplicar la fuerza por la distancia horizontal desde el centro del eje hasta el punto donde se aplica la fuerza. Si la manivela en la Figura 1.1 rotara alrededor del eje entonces el torque en el eje a cualquier posición seria: T = F × D = F × senθ

( D = Xsenθ )

Donde D es la distancia horizontal desde el centro del eje a la fuerza F. La distancia X es la longitud de la manivela. Theta es el ángulo de la manivela tomando como punto de referencia las 12 en punto de las agujas del reloj. El máximo torque o momento ocurre cuando theta es igual a 90 o 270 debido a que en esta posición el seno es igual a 1. Para cualquier otro ángulo es menor. Por ejemplo, a 45º en torque en el eje es: T = 1000 × [10 × sen(45°)] = 1000 × 7.07 = 7.070 p lg− lbs

Este es menor que el máximo momento calculado de 10.000 lbs-plg calculado arriba cuando la manivela (crack) esta horizontal (=90º). Cuando el ángulo de la manivela es 0º o 180º el torque en el eje es cero debido a que la distancia D es igual a cero.

Posición de Máximo Torque

Figura 1.1. Ejemplo de Calculo de Torque

DIVISION DEL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO:

CAPITULO 2 EL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO La función del sistema de bombeo mecánico por cabillas es transmitir la potencia hasta la bomba de fondo para levantar los fluidos del yacimiento hasta la superficie. La bomba de cabillas, bombeando el fluido que fluye desde la formación hasta el fondo del pozo, disminuye la presión en el fondo. Un diferencial de presión grande entre la formación y el fondo del pozo incrementa la tasa de producción. Como muestra la Figura 2.1, el sistema de bombeo por cabillas consiste en equipo de superficie y de fondo. El equipo de superficie incluye la unidad motriz (motor eléctrico o motor a gas), unidad de bombeo, barra pulida, prensa estopa, cabezal, y líneas de flujo. El equipo de fondo incluye el revestidor, tubería de producción, sarta de cabillas, bomba de fondo, ancla de gas (opcional), niple de asentamiento, niple perforado y ancla de lodo (tubo de barro). En este capitulo se examinara cada componente del sistema para entender como trabaja y como afecta el resto del sistema.

2.1 UNIDAD MOTRIZ: La unidad motriz es típicamente un motor eléctrico o a gas. La mayoría de las unidades motrices son motores eléctricos. Motores a gas son usados en locaciones sin electricidad. La función de la unidad motriz es suministrar la potencia que el sistema de bombeo necesita. La unidad motriz afecta el consumo de energía y las cargas de la caja de engranaje. Los hp del motor dependen de la profundidad, nivel de fluido, velocidad de bombeo y balanceo de la unidad. El tamaño de la unidad motriz se cubrirá en el Capitulo de Diseño del Sistema. Sin embargo, es importante entender que el tamaño de la unidad motriz puede tener un impacto significativo en la eficiencia del sistema. En la mayoría de los campos petroleros los motores están usualmente sobre dimensionadas. Esto garantiza que estarán disponible suficientes caballos de fuerza en el sistema pero al precio de bajar la eficiencia. Motores eléctricos alcanzan sus eficiencias más altas cuando las cargas están cercanas a la potencia de la etiqueta (Placa del motor). Cuando un motor esta poco cargado la eficiencia es menor.

Los motores eléctricos y a gas son componentes de bajo torque y altos rpm. La variación de velocidad de la unidad motriz afecta la caja de engranaje,

las cargas en las cabillas y también la velocidad de bombeo. Variaciones de velocidad altas del motor reducen el torque neto en la caja de engranaje. Por

ejemplo, en la carrera ascendente donde la barra pulida soporta las mayores cargas, el motor desacelera. Debido a esta reducción de velocidad, la inercia de los contrapesos (resistencia al cambio en velocidad) ayuda a reducir el torque de la caja de engranaje liberando energía kinetica almacenada. Esto también reduce las cargas picos en la barra pulida reduciendo la aceleración de la barra pulida. En la carrera descendente la unidad acelera resultando en cargas mínimas sobre la barra pulida. Por lo tanto, variaciones de velocidad altas en la unidad motriz "aplanan” las cartas dinamograficas al compararse con unidades motrices de baja variación de velocidad. Esto resulta en rangos bajos de tensión y por ende en disminución de la fatiga en las cabillas. La siguiente figura es un ejemplo de diferencias en las forma de las cartas dinagraficas entre un motor NEMA D con una variación de velocidad del 8% y un motor de alto deslizamiento con una variación de velocidad del 35%. Esto es para un pozo de 9000 pies con una unidad de bombeo Mark II.

2.1.1 Motores Eléctricos: Los motores eléctricos para bombas de cabillas son principalmente motores

de

inducción

de

tres

fases.

NEMA

D

(Nacional

Electrical

Manufacturers Association) clasifica los motores según el deslizamiento y las características de torque durante el arranque. El porcentaje de deslizamiento es definido como: S=

( S g − S fl ) Sg

× 100

Ecuacion

(2.1)

Donde Sg es la velocidad sincronía del motor (usualmente 1200 rpm) y Sn es la velocidad para cargas completas. La variación de velocidad es diferente del deslizamiento. Se define como:

S var =

( Smax − Smin ) S max

× 100

Ecuacion (2.2)

NEMA D es el motor de unidad de bombeo mas ampliamente reconocido. Su rango de deslizamiento va desde 5% hasta 13%. Otros motores en el campo petrolero incluyen NEMA C con un máximo deslizamiento de 5% y NEMA B con un máximo deslizamiento de 3%.

2.1.2 Motores de Ultra Alto Deslizamiento: Motores eléctricos especiales con deslizamiento mayor al 13% son denominados motores de ultra alto deslizamiento. Estos son diseñados para variaciones altas de velocidad y pueden ayudar a reducir los torques picos en la caja de engranaje y las cargas de las cabillas. Puedes calibrar los motores ultra de alto deslizamiento en diferentes modos dependiendo del deslizamiento y torque en el arranque deseado. El modo en bajo torque ofrece los más bajos torque en la arrancada y las variaciones de velocidad más grandes. El modo de alto torque ofrece los mayores torque en la arrancada y las variaciones de velocidad mas bajas. Motores de Ultra alto deslizamiento usualmente tienen un modo medio o bajo-medio con características entre los modos de bajo y alto torque. Un dimencionamiento correcto del motor de ultra alto deslizamiento podría tener una variación de velocidad de hasta un 50%. Usualmente esto resulta en torques más bajos en la caja de engranaje y cargas en las cabillas comparado a sistemas con unidades motrices de bajo deslizamiento. Un motor ultra de alto deslizamiento debe ser correctamente dimensionado y aplicado para las condiciones correctas del pozo para reducir el torque a través de las variaciones altas de velocidad. Un motor sobre diseñado puede no cargarse lo suficiente para variar la velocidad y podría realmente comportarse como un motor NEMA D.

2.1.3 Motores a Gas: Existen dos tipos de motores a gas. Motores de baja velocidad con uno o dos cilindros, y motores multicilindros de alta velocidad. Motores de baja velocidad tienen velocidades de 700 rpm o menores y alto torque. Motores multicilindros pueden tener altas variaciones de velocidad (hasta un 35%) mas que motores de baja velocidad. Motores de gas típicamente queman gas rentado y son generalmente más baratos que operar motores eléctricos. Sin embargo, los costos de capital y el mantenimiento son usualmente más altos que para motores eléctricos. Motores a gas son primordialmente utilizados en locaciones remotas sin disponibilidad de electricidad.

2.2 UNIDADES DE BOMBEO: La función de la unidad de bombeo es convertir el movimiento rotacional de la unidad motriz al movimiento ascendente-descendente de la barra pulida. Una unidad de bombeo apropiadamente diseñada tiene el tamaño exacto de caja de engranaje y estructura. También tiene suficiente capacidad de carrera para producir el fluido que deseas. Si bien todas las unidades de bombeo tienen características comunes, estas también tienen diferencias que podrían influenciar significativamente el comportamiento del sistema. Para maximizar la eficiencia del sistema necesitas entender las ventajas y las desventajas de las diferentes geometrías de las unidades de bombeo para las condiciones de los pozos. Esto puede hacerse simulando el sistema de bombeo con un moderno programa de diseño como el RODSTAR que puede asertivamente modelar toda la geometría de las unidades de bombeo. Con tales programas de computadora puede predecirse la producción, cargas, tensión, torque y consumo de energía para diferentes geometrías de unidades de bombeo para la aplicación. Este es la manera mas precisa de comparar unidades.

2.1.1.-Diseño de la Unidad. La API ha desarrollado un método estándar para describir las unidades de bombeo. Es como sigue:

La letra C significa unidad convencional, tal como la unidad mostrada en la Figura 2.1. La letra M significa una unidad Mark II y la letra A una unidad balanceada por aire. También pueden verse otras combinaciones de letras simples o dobles para nuevos tipos de unidades de bombeo tales como RM para unidades Lufkin Mark Revers. El primer número es la designación de la capacidad de carga de la caja de engranaje en Miles libras-plg (torque), En el ejemplo, la capacidad de la caja de engranaje es hasta 320.000 lbs-plg. El segundo número es la capacidad de la estructura en cientos de libras. En el ejemplo este rango significa que para evitar sobre cargas en la estructura de la unidad, la barra pulida no debe exceder de 25.600 lbs. El ultimo numero

muestra el longitud máxima de la carrera de la unidad en pulgadas (100 plg en el caso ejemplo). Las unidades de bombeo usualmente tienen desde 2 hasta 5 longitudes de carrera. Los catálogos de las unidades muestran todas las longitudes de carrera disponibles.

2.2.2 Geometría de las Unidades de Bombeo: Las siguientes páginas muestran los tipos de unidades de bombeo más populares. Estas son: 1. Tipo convencional 2. Mark II 3. Balanceadas por Aire Unidades de Bombeo Convencional Ventajas: 1. 2. 3.

4. 5.

6.

Costos de Mantenimiento bajos. Cuesta menos que otras Unidades. Usualmente es mejor que el Mark II con sarta de cabillas de fibra de vidrio. Puede rotar en sentido horario y antihorario. Puede bombear más rápido que las Unidades Mark II sin problemas. Requiere menos contrabalanceo que las Mark II.

Desventajas: 1. 2.

En varias aplicaciones no es tan eficiente como el Mark II u otros tipos de unidades. Podría requerir cajas de engranaje más grandes que otros tipos de unidad (especialmente con cabillas de acero).

Unidades de Bombeo Mark II Ventajas: 1. 2.

3.

Tiene menor torque en la mayoría de los casos. Podría costar menos (5%, -10%) comparada con el siguiente tamaño en una unidad convencional. Es más eficiente que las unidades convencionales en la mayoría de los casos.

Desventajas: 1. 2. 3. 4. 5.

En varias aplicaciones, no puede bombear tan rápido como una unidad convencional debido a su velocidad en la carrera descendente. Solo puede rotar en sentido antihorario. En caso de existir golpe de fluido podría causar mas daño a la sarta de cabillas y la bomba. Puede colocar la base de la sarta de de cabillas en severa compresión causando fallas por pandeo. Puede experimentar torques mas altos que las unidades convencionales cuando se usan cabillas de fibra de vidrio, además, de la posibilidad de colocarlas en compresión.

Unidades de Bombeo Balanceadas por Aire Ventajas: 1.

2.

3.

4.

Es más compacta y fácil de balancear que las otras unidades. Los costos de transporte son mas bajos que otras unidades (debido a que pesa menos) Vienen en tamaños más grandes que cualquier otro tipo de unidad. Puede rotar tanto en sentido horario como antihorario.

Desventajas: 1.

2. 3.

Son más complicadas y requieren mayor mantenimiento (compresor de aire, cilindro de aire). La condensación del aire en el cilindro puede constituir un serio problema. La caja de engranaje podría dañarse si el cilindro pierde la presión de aire.

Otras características interesantes de las unidades balanceadas por aire son: 1. 2. 3.

Perfecto contrabalanceo con el toque del dedo. Longitudes de carrera de hasta 20 pies para pozos con alto potencial. Fácil de Instalar.

Existen también otros varios tipos de unidad tales como las de bajo perfil, hidráulicas, de carreras largas (tales como Rotaflex), y otras unidades de geometría inusual. Sin embargo, la mayoría de los pozos son bombeados con los tres principales tipos de unidades mencionados. La razón principal de la duración de la popularidad de estas unidades de bombeo es por que estas han sido usadas por más tiempo que las otras y han probado ser confiables, durables, y fáciles de mantener. Dependiendo de la aplicación, hay ventajas y desventajas para cada tipo de unidad. Ninguna unidad puede reclamar para si el mejor comportamiento en todas las aplicaciones. Por ejemplo, si el espacio es limitado entonces una unidad balanceada por aire es la mejor opción por lo

compacto de su diseño. Si se usan cabillas de fibra de vidrio entonces una unidad convencional será mejor que un Mark II como será explicado luego. En pozos profundos con cabillas de acero, una unidad Mark II puede tener el más bajo torque neto en la caja de engranaje, etc. La manera mas precisa de encontrar la mejor geometría de unidad para una aplicación dada es usar programas predictivos de

computadora tales

como el RODSTAR. Con estos programas se puede modelar la unidad de bombeo usando kinematica (características de movimiento) de manera muy precisa, de la misma forma te permite comparar el comportamiento de diferentes unidades de bombeo para aplicaciones especificadas. También permite evaluar que sentido de rotación es mejor aplicarle a la manivela (En sentido de las agujas el reloj o en contra del sentido de las agujas).

2.2.3 Nomenclatura de las Unidades de Bombeo. Las Figuras 2.3, 2.4 y 2.5 muestran los nombres de los componentes de las unidades de bombeo convencionales, Mark II y balanceadas por aire. Las siguientes son definiciones de algunos términos adicionales de las unidades de bombeo: Desbalance estructural: Es la fuerza que se necesita para que la barra pulida mantenga la viga viajera en una posición horizontal con los brazos pitman desconectados de los pins de la manivela. Esta fuerza es positiva cuando actúa hacia abajo y negativa cuando actúa hacia arriba. Ver la Figura 2.6 para una explicación visual del desbalance estructural. El desbalance estructural para unidades convencionales puede ser o positivo o negativo. Para unidades Mark II es siempre negativo. Angulo de compensación de la manivela: Este es el ángulo entre el pin de la manivela y los brazos de las contrapesas. La Figura 2.7 muestra como se puede medir el ángulo de fase de la manivela. Para unidades Mark II el ángulo de fase es positivo. Para manivelas del tipo Torqmaster este es negativo. Para la mayoría de las unidades de bombeo convencionales el ángulo de fase de la manivela es cero. El propósito del ángulo de fase de la manivela es ayudar a reducir el torque en la caja de engranaje mejorando la fase entre las cargas en la barra pulida y el momento de las contrapesas.

FIGURA 2.3

FIGURA 2.4

FIGURA 2.5

PORTABLE/TRAILER MOUNT

REVERSE MARK

LUFKIN

CHURCHILL BEAM

LOW PROFILE

2.2.4 Análisis Kinematico de las Unidades de Bombeo: Para evaluar el comportamiento de los diferentes tipos de Unidades de bombeo, es importante simular con precisión sus características kinematicas. El informe de la SPE al final de este capitulo titulado “Un análisis Kinematico exacto de las Unidades de bombeo” describe un método para calcular la posición

de la barra pulida, velocidad, y aceleración para cualquier ángulo de la manivela. Este modelo kinematico puede usarse para calcular la posición angular, velocidad y aceleración de cualquier parte de la unidad de bombeo. Usando este método kinematico se pueden comparar la velocidad de la barra pulida y la aceleración de diferentes unidades, Sin embargo, debe mantenerse en mente que el comportamiento del sistema de las unidades de bombeo depende en la interacción de todos los componentes del sistema. La geometría de las unidades de bombeo es un factor muy importante pero no es el único. Otros elementos incluyen la profundidad del pozo, tamaño de la bomba, diseño de la sarta de cabillas, material de las cabillas, y tipo de unidad motriz. Por lo tanto, el modelo kinematico de la unidad de bombeo debe combinarse con el método predicativo de la ecuación de onda para comparar con exactitud unidades de bombeo para condiciones de pozo dadas. La unidad de bombeo tiene una gran influencia en el comportamiento del sistema. Afecta las cargas en la barra pulida, carrera en la bomba, tamaño del unidad motriz, torques picos, y consumo de energía. Un análisis matemático detallado de la geometría de la unidad de bombeo esta más allá del alcance de este curso. El método del análisis kinematico descrito en el informe # 12201 de la SPE provee una explicación detallada de cómo modelar unidades de

bombeo, calcular factores de torque, y cualquier otro valor relacionado con el movimiento de la unidad.

2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS La función de la caja de engranaje es convertir torque bajos y altas rpm de la unidad motriz en altos torque y bajas rpm necesarias para operar la unidad de bombeo. Una reducción típica de una caja de engranaje es 30:1. Esto significa que la caja de engranaje reduce los rpm a la entrada 30 veces mientras intensifica el torque de entrada 30 veces.

2.3.1 Contrapesos Si la caja de engranaje tuviera que suplir todo el torque que la unidad de bombeo necesita para operar, su tamaño debería ser demasiado grande. Afortunadamente, al usar contrapesos, el tamaño de la caja de engranaje puede ser minimizado. Los contrapesos ayudan a reducir el torque que la caja debe suministrar. Estos ayudan a la caja durante la carrera ascendente cuando las cargas en la barra pulida son las más grandes. En la carrera descendente, la caja de engranaje levanta los contrapesos con la ayuda de las cargas de las cabillas, quedando listos para ayudar nuevamente en la carrera ascendente. En otras palabras, en la carrera ascendente, las contrapesas proporcionan energía a la caja de engranaje (Al caer). En la carrera descendente estos almacenan energía (subiendo). La condición operacional ideal es igualar el torque en la carrera ascendente y descendente usando la cantidad correcta del momento de contrabalanceo. Cuando esto ocurre la unidad esta Balanceada. Una unidad fuera de balance puede sobrecargar el motor y la caja de engranaje. Esto puede resultar en fallas costosas y perdidas de producción si no se corrige a tiempo. Para determinar si la unidad esta balanceada, debe hacerse un análisis de torque o registrar un grafico de amperaje del motor en la carrera ascendente y descendente.

2.4 BARRA PULIDA, PRENSA ESTOPA Y LINEA DE FLUJO: La barra pulida conecta la unidad de bombeo a la sarta de cabillas y es la única parte de la sarta que es visible en la superficie. Como su nombre lo dice, la barra pulida tiene una superficie lisa y brillante. La superficie de la barra pulida previene el desgaste de las empacaduras del prensaestopa. Las empacaduras del prensa estopa están diseñadas para prevenir fugas de fluido. Si el pozo no produce suficiente petróleo para mantener lubricada la barra pulida entonces un lubricador es usualmente instalado encima del prensa estopa. Este lubricador prevendrá daños en la prensa estopa y la barra pulida con la constante lubricación. Las empacaduras del prensa estopa son apretadas para prevenir fugas en el cabezal. Pero, si se aprietan demasiado, podrían incrementarse las perdidas de potencia en la barra pulida resultando en una mala interpretación

de la carta dinagrafica por la distorsión de las cargas sobre la barra pulida. La función principal de la barra pulida es soportar el peso de la sarta de cabillas, bomba y fluido. Por lo tanto, la barra pulida experimenta cargas más altas que cualquier otra parte de la sarta. Las líneas de flujo conectan el cabezal del pozo con el separador. Aunque este curso no cubre los equipos más allá del cabezal, es importante entender el efecto de la presión de la línea de flujo en el sistema de bombeo por cabillas. Como si discutió arriba, la barra pulida soporta el peso de la sarta de cabillas y el fluido. También, debe sobreponerse a la presión en la línea. Altas presiones en la línea pueden resultar en altas cargas en la barra pulida y una baja en la eficiencia. Estas cargas adicionales en la barra pulida dependerán del diámetro del pistón. Mientras más grande sea el tamaño del pistón, más grande será el efecto de la presión de la línea de flujo en el sistema.

2.4.1 Válvula de Contrapresión: En pozos con exceso de gas tendrá que instalarse un orificio o pressure back en la línea de flujo. Esto es necesario para evitar “cabeceo” o interrupción

de la producción. Esto ocurre cuando: Cuando el fluido producido se acerca a la superficie del pozo la presión va en descenso. Esto causa expansión del gas dentro de la tubería de producción desalojando el líquido hacia la superficie. A medida que el gas fuerza la salida del líquido hacia las líneas de flujo, la presión en la tubería disminuye, y más y más gas podrá expandirse. Cabeceos causan ciclos de alta producción seguidos por periodos de baja producción o ninguna producción. Al comienzo del cabeceo, el gas en expansión empuja el liquido dentro de las líneas de flujo y aumento la producción momentáneamente. Sin embargo, el líquido que deja la tubería es reemplazado por más y más gas libre. Eventualmente, la tubería queda seca, y la producción se detiene hasta que la tubería se llene con fluido nuevamente. En un pozo de bombeo, el cabeceo es indeseable y debe ser controlado. La forma mas común de detener el cabeceo es usando un orificio o una válvula de desahogo de presión. Este dispositivo incrementa la presión en la línea de flujo para evitar el gas se expanda y cause cabeceo. Incrementar la presión en la

tubería 50-60 lpc es frecuentemente suficiente para detener el cabeceo. La válvula de presión de desahogo es diseñada para cerrar cuando la presión de tubería es baja y para abrir cuando la presión de la tubería aumenta. La bola en este tipo de válvula se mantiene cerrada con un resorte enrollado. Cuando la presión en la tubería excede la tensión del resorte la válvula se abre. Si bien esto mantiene libre de cabeceo al pozo, debido a la presión agregada al pistón, el sistema deberá realizar un trabajo mayor. Esto sin duda disminuye la eficiencia del sistema. Por lo tanto, válvulas de presión de retorno y orificios deben usarse solo cuando el pozo presenta cabeceo.

2.5 SARTA DE CABILLAS: La sarta de cabillas conecta la bomba de fondo con la barra pulida. La función principal es transmitir el movimiento oscilatorio de la barra pulida a la bomba. Esto proporciona la potencia necesaria por la bomba para producir hidrocarburos. La resistencia, vida útil y fuerzas fricciónales de la sarta de cabillas tiene un impacto significativo en la economía de un pozo. Las cabillas de succión son hechas de acero o fibra de vidrio. La mayoría de las cabillas son fabricadas 100% en acero. Sartas parcialmente acero y fibra de vidrio son también comunes en muchos campos petroleros. Estas son principalmente utilizadas en localizaciones con problemas de corrosión, para reducir cargas en la unidad de bombeo, para evitar la compra de unidades excesivamente grandes o para incrementar la tasa de producción. Cabillas de acero son fabricadas en longitudes de 25 o 30 pies. Cabillas de fibra de vidrio son construidas en longitudes de 25, 30 o 37,5 pies. El tamaño de cabillas de fibra de vidrio mas común es 37.5 pies. Esto reduce el numero de acoples haciendo la sarta tan ligera como sea posible. El rango del diámetro de cabillas de acero va de 0.5 plg hasta 1.25 plg, para las de fibra de vidrio se encuentran rangos desde 0.75 plg hasta 1.5 plg. Cada cabilla de la sarta debe soportar las cargas de fluido y el peso de las cabillas por debajo de ellas. Para minimizar los costos y las cargas tensiónales, la sarta de cabillas se diseña usualmente de forma ahusada (adelgazamiento en forma cilíndrica-Ver Figura 2.1). Diámetros mayores de cabillas son colocados en el tope y más pequeños en la base. Dependiendo de la profundidad, la sarta de cabillas va desde una (1) hasta cinco (5) secciones

ahusadas. Las secciones típicas son 1”-7/8”-3/4” o 7/8”-3/4”. Barras de peso (Cabillas de diámetro mayor para el fondo de la sarta) son comúnmente usadas

para sobreponerse a las fuerzas de flotación y minimizar la compresión en las cabillas en la base de la sarta. En el diseño de las sartas de cabillas, un ensayo para determinar el porcentaje en cada sección debería resultar en las mismas cargas tensiónales al tope de cada sección de cabillas. El diseño de sarta de cabillas se discutirá con más detalle luego. La sarta de cabillas tiene un impacto mayor en el comportamiento del sistema. Afecta las cargas en la barra pulida y la caja de engranaje, consumo de energía, torque en la caja de engranaje, carrera de fondo, y frecuencia de fallas de las cabillas.

2.6 TUBERIA DE PRODUCCIÓN: El fluido se produce a través del anular tubería-cabillas hasta la superficie. Cuando la tubería esta anclada al anular, esta tiene un efecto menor en el comportamiento del sistema en la mayoría de los casos. Si la tubería no esta anclada entonces podría afectar las cargas sobre las cabillas y el desplazamiento de la bomba debido a su estiramiento. El estiramiento de la tuberia será cubierto con más detalle luego. Algunos problemas que pueden afectar el comportamiento del sistema incluyen: 1. Restricciones de flujo debido a parafinas y escamas. 2. Cuellos de botella pueden ocurrir cuando la bomba tiene diámetros mayores que el diámetro interno de la tubería. 3. Hoyos desviados que incrementan la fricción entre cabillas y tubería. 4. Tubería que es demasiado pequeña para la tasa de producción. Todos estos problemas resultan en cargas más altas en todos los componentes del sistema. También, fugas en tubería pueden disminuir significativamente la eficiencia del sistema si no es detectada y corregida a tiempo.

2.7 BOMBAS DE SUBSUELO: La típica bomba por cabillas de succión es un arreglo embolo-cilindro. En la terminología de campos petroleros el embolo es llamado pistón y el cilindro se le conoce como barril de la bomba. El pistón tiene una válvula de bola y asiento

llamado válvula viajera debido a que viaja hacia arriba y hacia abajo con el pistón. A la entrada del barril de la bomba existe otra válvula llamada válvula fija debido a que esta fijada a la tubería y no se mueve. La Figura 2.8 muestra un diagrama simplificado de las bombas de cabillas. Entender la operación de la bomba es esencial para

la comprensión total del sistema incluyendo la

interpretación de la forma de las cartas dinagraficas. La operación de la bomba afecta todos los componentes del sistema. Esta influye en las cargas sobre la sarta de cabillas, unidad de bombeo, caja de engranaje y motor. Sistemas con bombas de calibres grandes son muy sensibles a la presión en la línea de flujo, incluso pequeños aumentos en la presión de la línea podrían incrementar significativamente las cargas en la barra pulida.

2.7.1 Acción de las Válvulas: Para entender como trabaja la bomba hay que darle un vistazo a la acción de las válvulas, asumiendo que la bomba esta llena con liquido incompresible tal como petróleo muerto o agua. La Figura 2.8 muestra como se comportan las válvulas viajeras y fijas durante el ciclo de bombeo.

Carrera Ascendente: En la carrera ascendente, cuando el pistón comienza a moverse hacia arriba, la válvula viajera cierra y levanta las cargas del fluido. Esto genera un vació en el barril de la bomba que causa la apertura de la válvula fija permitiendo que el fluido proveniente del yacimiento llene la bomba.

Carrera Descendente: En la carrera descendente, cuando el pistón comienza a moverse hacia abajo, la válvula fija se cierra y el fluido en el barril de la bomba empuja la válvula viajera abriendo esta. El pistón viaja a través del fluido que se ha desplazado hacia la bomba durante la carrera ascendente. Luego el ciclo se repite. Para un caso ideal de bomba llena y fluido incompresible, en la carrera ascendente la válvula viajera cierra, la fija abre y el fluido comienza a ser bombeado a través de la tubería hasta la superficie. En la carrera descendente, la válvula viajera abre y la fija cierra. Sin la acción de las válvulas, la producción no seria posible. Si la válvula fija no abre, el fluido no entraría a la bomba. Si la válvula viajera no abre entonces el fluido no entraría a la tubería.

2.7.2 Acción de las Válvulas y Cargas de Fluido: La acción de las válvulas es también importante para entender como las cargas de fluido son aplicadas al pistón de la bomba y la sarta de cabillas. Esto es necesario para entender la caga sobre las cabillas, forma de la carta dinagrafica y comportamiento de las cabillas de succión. Una carta dinagrafica es un grafico de carga versus posición. Si pudiera colocarse un instrumento para medir las cargas justo arriba del pistón de la bomba, se terminaría con una carta dinagrafica de fondo. Para entender como seria la carta dinagrafica de la bomba para el caso de bomba llena, Veamos la Figura 2.9. Para este ejemplo la tubería esta anclada (Se examinara el efecto del movimiento de la tubería en la forma de la carta dinagrafica mas adelante).

Carrera ascendente: Al comienzo de la carrera ascendente, la válvula viajera cierra (punto A de la Figura 2.9). A este punto la válvula viajera levanta las cargas del fluido.

Estas cargas permanecen constantes durante el recorrido ascendente (del punto A hasta B).

Carrera descendente: En la carera descendente, cuando el pistón comienza el movimiento hacia abajo, la válvula viajera abre (punto C). En este punto la válvula viajera se libera de la carga de fluido y la presión del mismo se transfiere a la tubería a través de la válvula fija. Por lo tanto, la válvula viajera no lleva la carga de fluido durante la carrera descendente (desde el punto C al D). Las diferencias de carga entre los puntos A y D (o B y C) son las cargas del fluido en el pistón. De acuerdo a la Figura 2.9 las cargas de fluido son transferidas instantáneamente desde D hasta A y desde B hasta C. Esto es verdad solo al asumir incompresibilidad del fluido y bomba llena. Algunas veces tal como cuando pozos con alta producción de gas son bombeados, la transferencia de cargas de fluido no son instantáneas. La tasa de

levantamiento de carga depende de la integridad de la bomba, el tipo de fluido bombeado, espaciamiento de la bomba, y si la tuberías esta o no anclada.

2.8 ANCLA DE GAS: La bomba de cabillas de succión esta diseñada para bombear liquido. La presencia de gas en el líquido producido reduce la eficiencia de la bomba. En la carrera descendente, la bomba comprime el gas hasta que la presión dentro del barril es lo suficientemente alta para abrir la válvula viajera. Dependiendo de la cantidad de gas libre, una gran parte de la carrera ascendente puede desperdiciarse en la compresión del gas antes que algún líquido sea producido. Debido a esto, eficiencias volumétricas menores al 50% son comunes cuando el gas entra a la bomba. En la carrera ascendente, como el gas entra a la bomba, este ocupa una gran parte del volumen de la bomba. Esto reduce la cantidad de líquido que puede entrar a la bomba. Las anclas de gas ayudan a reducir la cantidad de gas libre que entra en la bomba. Esto ocurre al permitir la separación del gas y su flujo hacia la superficie a través del anular revestidortubería antes de su entrada a la bomba. La Figura 2.10 muestra un diagrama simplificado de cómo trabaja el ancla de gas. Forzando el fluido a moverse hacia abajo antes de entrar a la bomba, la mayor parte del gas se separa y fluye hacia arriba entre el anular revestidor-tubería. En pozos con problemas de interferencia de gas la entrada de la bomba debe moverse por debajo de las perforaciones. Esto permitirá la separación del gas que fluirá hacia arriba antes que entrar entro de la bomba.

2.9 EQUIPO ADICIONAL DE BOMBEO: La Figura 2.11 muestra el equipo de subsuelo más comúnmente usado en pozos con bombeo por cabillas. El sistema de separación de gas incluye el niple perforado, el ancla de gas y tubo de barro, y el tapón al final el tubo de barro (bull plug). El bull plug y el niple perforado aseguran que ninguna basura (sucio, swab rubber, etc) entren en la bomba. El tubo de barro esta conectado al niple perforado y es la cámara que permite que el gas se separe desde el liquido antes de entrar a la bomba. El niple perforado es donde el fluido entra a la bomba. El niple de asentamiento (o zapata) es un acople de tubería especialmente diseñado que es internamente ahusado (estrechamiento) y permite asentar la bomba con un fuerte sello. Los niples de asentamiento tienen por igual cierre mecánico o por copas de fricción. Cuando una bomba de tubería es usada, la válvula fija se conecta en la base del pistón. Luego que la válvula esta fija en el niple de asentamiento, la sarta de cabillas se gira en contra de las agujas del reloj para liberar el pistón. Para bombas insertadas, el ensamblaje completo de la bomba se fija a la sarta de cabillas. Luego es bajada dentro de la tubería hasta que se fija en el niple de asentamiento. El fondo de la bomba tiene un ensamblaje que se acopla al niple. Luego que la bomba se asienta el pistón es espaciado dentro

del

barril

para

evitar

golpear el tope o base del baril de la bomba.

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SPE -~~

Err@wsmcf AtME

SPE 12201 Exact Kinematic Analysis of Pumping Units byJ.G.Svinos, GulfResearch&Development Cs.

Copyright 1983 Society of Petroleum Engineers of AIME This paperwes presenled at the 581h Annual Technical Conference and Exhibition bald in San Francisco, CA, October 5-S, 1983 The material ie subject to correction by the author, Permission to copy ie reslrickd to an abstracl of not more than 300 words. Write SPE, 6200 North Central Expreaaway, Drawer 64706, Oallaa, Texaa 75206 USA, Telex 730989 SPEDAL

ABSTRACT A new pumpingunit KinematicAnalyslsmethod was developed for the calculationof position, velocity, accelerationof the polishedrod, and torque factorsas functionsof crank angle. This method can also be used to calculatethe angular position,velocityand acceleration of any part of the pumpingunitmechanism, It is more accurate than previousmethods becauseit producesexact results, It can be used to compare pumping units, and can analyzeunits with varyingcrank speeds. lt can Improvegearbox torque analysisby includinginertiaeffects, and can allow the use of conventionaldynagraphs for the predictionof downholedynagraphs. INTRODUCTION The majority of U.S. wells are on beam pumpingand their numberis increasing. However, althoughpumpingunitshave been in use for a long time, their kinematiccharacteristicshave not been thoroughlystudiedor understood. Beam pumping units can be divided into two major classes: Class I lever systemsrepresented by the conventional pumping unit shown in Figurela, and Class 111 lever systemsrepresented by the Mark 11 and Air Balance units shown In Figureslb and c, respectively,All pumpingunits operateon the same basic principleof converting the rotary motion of the crank arm into the oscillatorymotion of the polishedrod, However, that is where their similarities end. Two pumping unitsmade by two differentmanufacturers but with the same API maximumload and torque ratingsand the same strokelengthwouldappearequallysuited for use on a given well. This, however,is not ~;;s;;;e. Not only arei;ump;r~m~itsof different different mover power requirements,maximwn polished rod load, ana overall pumpingefficiency,but pumpingunits of ~e?erencesand il1ustrationat end of palsr.

the same class can alsobe differentdependingon the manufacturer’s choiceof the unit’sgeometric dimensions. The purposeof this paperis to presenta new method of analyzingand comparingthe kinematic characteristics of pumpingunitsand to aid in the understandingof the complicatedmotion of the polishedrod and rod string. PREVIOUSMORK Grayl was the first to developa method for the kinematicanalysisof pumpingunits. In his paper, Gray explored the differences in the polishcd rod motiondue to geometryvariationsof differentpumpingunits,and the influenceof the pumping unit on the overallbehaviorof the rod His method, however, is pumping system. relativelycomplexand requiresa digitalcomputer to solve for the position, velocity and acceleration of the polishedrod. Gray presents%”’ complex equationfor the calculationof polished rod positionas a functionof crank angle. In order to obtain the velocityand accelerationof the polishedrod, he differentiates that equation numerically. Gray’s method relates the crank angle and polishedrod positiononly. Velocities and accelerationsof the intermediatelinks are not calculated. Since Gray’s paper, no other kinematic analysismethodhas been found in the literature, ex;~~~,for an equationsimilarto Gray’s used by Althoughthe abovemethod is not the best way to cinematically analyzepumpingunits,it was the first to show the importanceof the pumpingunit geometryon the polishedrod motion. KINEMATICANALYSISOF PUMPINGUNITS In orderto calculatethe position,velocity, and accelerationof the polished rod? it is necessaryto solve the four-barlinkageproblem. The motionof the four-barlinkagecan be analyzed

mathematically or raphlcally. Graphicalmethods are simpler but !Ime consuming because a neti diagram must be made for each variationtn the crank angle or bar lengths. They are also less accurate than mathematicalmethods. Ot the mathematicalmethods, the complex number vector representation is best suitedfor the analysisof the pumpingunitmechanism.

From geometry,the followingquantitieswere obtalned: 2w .0 +a for conventional

e. 2

I ~ . 6 + a for ~rk II and Alr Balance a

REPRESENTATION OF VECTORSUITH COMPLEXNUMBERS A vectoc In the X-Y plane such as shown In Figure2 can be representedas a complex number RA= XA+ iY~, where x and Y are the real points representln the X anlbY coo dlnatesof point A, and 1 = d- Is the imaginarypart. The vectw componentsXAand yA are equalto: XA= R

COSO

=

(5)

si~-l(+)

L “ ~

“)

B = eos-l (L2+ 2KL K2 - R2) * (j)

(7)

(1) where

YA= R

S106

(2)

lforOO