DISEÑO, DIAGNOSTICO, OPTIMIZACION, INSTALACION Y ANALISIS DE FALLAS DE SISTEMAS PCP

AGENDA

DISEÑO, DIAGNOSTICO, OPTIMIZACION,  INSTALACION Y ANALISIS DE FALLAS DE  SISTEMAS PCP UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

24 Y 25 DE FEBRERO DE 2012

AGENDA PRIMERA SESION: •

Presentación del Curso y del Panel.

•

GENERALIDADES a. Entorno Mundial b. Conceptos Básicos de Producción

•

Break

•

CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DE LEVANTAMIENTO a. Descripción de los Componentes  b. Nomenclatura Bombas PCP

•

Almuerzo

•

CONSIDERACIONES DE DISEÑO a. Manejo de PC‐Pump de C‐FER b. Pruebas de Compatibilidad de Fluidos c. Test Bench o Prueba de Eficiencia"

AGENDA SEGUNDA SESION: •

INSTALACIÓN DEL SISTEMA a. Armado del BHA b. Espaciamiento c. Instalación y arranque del Equipo de superficie

•

Break

•

DIAGNOSTICO Y OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA

•

Almuerzo

•

ANÁLISIS DE FALLA DE SISTEMAS PCP a. Inspección visual y Boroscópica b. Tipos de Falla de Sistemas PCP c.  Causa de Falla de Sistemas PCP     ‐ Fallas de Elastómero      ‐ Fallas de Rotor

•

CONCLUSIONES

ANTECEDENTES Y ENTORNO MUNDIAL 1.

2. 3.

4. 5. 6. 7.

Desarrollada en los años 20’s por el Ingeniero Aeronáutico francés Rene Moineau Patentada en 1930 Conocida como bomba de tornillo, Bomba Moineau o Bomba de Cavidades Progresivas. Moineau fundo PCM (“Pompes Compressures Mecanique”) en 1932. Licencias originales con Moyno Pumps y “Robbins Myers” Emergencia Gradual del ALS dentro de la Industria, desde los 1980’s En la Actualidad, aproximadamente 50.000 a 55.000 Pozos a lo largo del mundo se encuentran operando con PCP

RELACIÓN PRODUCCIÓN ‐ RESERVAS PRODUCCION DIARIA DE PETROLEO Producción de Crudo  91  Producción de Crudo  14.9 

MBls/día MTons/día

PRODUCCION ACUMULADA DE CRUDO Producción Acumulada  31,025  Producción Acumulada  863,2 

MBls/año MTon/año

RESERVAS Reservas Probadas 

1’241,000 

MBls

RELACIÓN Relación Reservas ‐ Producción              40 

Años

CRUDO PESADO Y BITUMEN RECUPERABLE

VENTAJAS DEL ALS 1.

Producción de fluidos viscosos, con altas concentraciones de sólidos y moderado contenido de gas libre.

2.

Bajos Costos de CAPEX y OPEX

3.

Producción de Pozos con Bajos IPR

4.

No tiene válvulas lo que impide el bloqueo por gas.

5.

Buena resistencia a la abrasión

6.

Consumo de energía continuo y de bajo costo.

7.

Fácil de instalar y operar.

8.

Bajo mantenimiento de operación.

9.

Bajo nivel de ruido

LIMITACIONES DEL ALS 1.

Máxima Tasa de producción: 800 m3/día (5.000 Bbl/día)

2.

Máximo levantamiento: 3000 m (9.800 ft)

3.

Máxima temperatura: Temperatura de operación de hasta 210 ºF (máximo 350 ºF).

4.

Sensibilidad a los fluidos de exposición.

5.

El elastómero tiende a hincharse o deteriorarse cuando es expuesto al contacto con ciertos fluidos (aromáticos, aminas, H2S, CO2, etc.).

6.

Baja eficiencia del sistema cuando existe alto contenido de gas libre.

7.

Tendencia del estator a dañarse si trabaja en seco, aún por períodos cortos.

8.

Desgaste de Varillas y tubería en pozos altamente desviados.

9.

Tendencia a alta vibración si el pozo trabaja a altas velocidades.

CONCEPTOS BÁSICOS

CONCEPTOS BÁSICOS VARIABLE THP CHP Ne

Nd

PB

H

DESCRIPCIÓN

COMENTARIOS

Presión en la tubería de producción en Tubing Head Pressure. 2 (1) el cabezal del pozo. Unidades: lpc, bar, kgr/cm Presión en el revestidor (anular) en el Casing Head Pressure 2 cabezal del pozo. Unidades: lpc, bar, kgr/cm Nivel Estático Distancia desde la superficie hasta el nivel del líquido en el anular revestidor – tubería de producción a condiciones (2) estáticas  . Unidades: pies, metros, etc. Es la distancia desde la superficie hasta Nivel Dinámico el nivel del líquido en el anular revestidor – tubería de producción a condiciones fluyentes (producción). Unidades: pies, metros Medida de la longitud de la tubería de Profundidad de la bomba. producción mas la longitud de la bomba. Unidades:  pies, metros Columna de fluido sobre la bomba en el Distancia desde la profundidad de la anular tubería de producción – bomba hasta el nivel de fluido estático o revestidor. dinámico. Unidades: pies, metros 

CONCEPTOS BÁSICOS Ps

Presión Estática

Pwf

Presión Fluyente

Q

Tasa de Producción

P1

Presión en la admisión de la bomba.

P2

Presión en la descarga de la bomba.

Presión en el yacimiento ejercida por la columna estática de fluido en el anular del pozo Unidades: lpc, bar, kgr/cm2 Presión en el yacimiento ejercida por la columna fluyente de fluido en el anular del pozo Unidades: lpc, bar, kgr/cm2 Producción propiamente dicha, para cada Pwf corresponde una tasa de producción; cuando la Pwf es igual a Ps, la tasa de producción es cero. Unidades: bpd, m3/d Presión ejercida por la columna de fluido sobre la bomba en el anular tubería de producción – revestidor. Unidades: lpc, bar, kgr/cm2 Es la suma de la presión a la entrada de la bomba mas la adicional generado por la misma. Unidades: lpc, bar, kgr/cm2

Presión de Yacimiento (Pr): Presión que induce el movimiento de los hidrocarburos desde el yacimiento hacia los pozos y desde el fondo de estos hasta la superficie. De su magnitud depende que los Hidrocarburos lleguen hasta la superficie o por el contrario solo alcancen cierto nivel en el pozo.

PCP SYSTEM CONFIGURATIONS

PCP SYSTEM CONFIGURATIONS

CABEZAL

TUBERÍA DE PRODUCCIÓN

MOTOR

REVESTIMIENTO CENTRALIZADORES

SARTA DE VARILLAS ESTATOR ROTOR

PIN DE PARO ANCLA ANTITORQUE

COMPONENTES

DESCRIPCIÓN DE COMPONENTES ESTATOR: Carcasa de acero revestida internamente por un elastómero (goma), moldeado en forma de hélices enfrentadas entre sí. ELASTÓMERO: Polímero de alto peso molecular con la propiedad de deformación y recuperación elástica (resilencia).

ELASTOMEROS

FORMULACIÓN DE LOS COMPONENTES

ELASTOMEROS

TIPOS DE ELASTÓMEROS Elastómeros para la Industria Petrolera. * Caucho Nitrilo ó NBR (diferentes contenidos de Acrilonitrilo ACN). * Caucho Nitrilo Hidrogenado (HNBR) * Los Fluoroelastómeros (FKM)

Limitaciones en su aplicación. Fluidos Manejados:

Presencia de agentes físicos y químicos:

‐ Gravedad especifica (ºAPI)

‐ Presencia de arena (abrasión).

‐ Corte de Agua.

‐ Solventes aromáticos.

‐ Relación Gas/Liquido

‐ Presencia de CO2

‐ Temperatura de fondo

‐ Presencia de H2S

COMPONENTES

ROTOR: tornillo sin fin, se conecta a la sarta de varillas. Se construye de acero de alta resistencia y cromado (lo que lo hace resistente a la abrasión). El espesor de la capa de cromo varia según el fabricante.

PIN DE PARO: Se coloca en el extremo inferior del estator. Su función principal es la de servir de punto de referencia para las maniobras de espaciamiento del rotor. Adicionalmente brinda la holgura necesaria para permitir el estiramiento de la sarta de varillas bajo condiciones de operación e impedirá que estas o el rotor lleguen hasta el fondo del pozo en caso de producirse una desconexión o rotura en la sarta de varillas.

COMPONENTES

SEPARADOR DE GAS: Su función principal es la de separar el gas libre antes de la admisión (entrada) de la bomba, de manera de incrementar la eficiencia de esta.

COMPONENTES

ANCLA ANTITORQUE: Al girar la sarta de varillas hacia la derecha (vista desde arriba) la fricción entre el rotor y el estator hace que la tubería también tienda a girar hacia la derecha, en el sentido de su desenrosque. Este efecto puede originar la desconexión de la tubería, la utilización de un ancla de torque evita este riesgo. Este equipo se conecta debajo del niple de paro, se fija al Casing por medio de cuñas verticales. Al arrancar la bomba el torque generado hace que las cuñas se aferren al Casing impidiendo el giro del Estator.

COMPONENTES

VARILLAS DE BOMBEO: Son varillas de Acero enroscadas unas con otras por medio de Couplings, formando una sarta que va desde la bomba hasta la superficie. Los diámetros máximos utilizados están limitados por el diámetro del Tubing. ESPEJO

HOMBRO CUADRANTE

CEBOLLA

PIN

ROSCA ALIVIADOR DE  TENSIONES

CUERPO

COMPONENTES

VARILLA CONTINUA Y HOLLOW ROD

COMPONENTES

COMPONENTES VARILLA CONVENCIONAL

Concentración de  agentes corrosivos

VARILLA CONTINUA

Coupling (CPLG) Distancia

Concentración de  agentes corrosivos Concentración de  agentes corrosivos CONDITION

SR WITH CPLG

CR FOR CORROSIVE FLUID (W/O INHIBITOR)

CR FOR MEDIUM CORROSIVE FLUID (W/O INHIBITOR)

TUBING WEAR

4

1

1

2

3

4

CORROSION FAILURE  IN THE ROD         1 = EXCELLENT / 2 = GOOD / 3 = FAIR / 4 = POOR

CON INHIBIDOR DE CORROSION NOSOTROS INCREMENTAMOS LA VIDA UTIL DE LA VARILLA CONTINUA, LO MAS PRACTICO ES INYECTAR CONTINUAMENTE CON BAJA CONCENTRACION

COMPONENTES

ACCESORIOS

‐ Varilla inyectada ‐ Centralizadores ‐ Jack Coupling ‐ Composite BOP

COMPONENTES

HERRAMIENTAS DE MANEJO PARA VARILLAS  Deben estar en buen estado: – Resortes en el Elevador – Ganchos Algunas varillas tienen que usar lubricante TOPCO

COMPONENTES

ACOPLES DE VARILLAS •

Coupling Clase T: Utilizado en donde ni corrosión ni abrasión es esperado.

•

Coupling Tipo Hi‐T: Utilizado en aplicaciones de alto torque

•

Subcoupling: Utilizado para cambiar de diámetro del pin. Se pueden utilizar sobre pony Rod, varillas y barra lisas.

•

Coupling PR: Utilizado para conectar la barra lisa por la ausencia de espejo.

COMPONENTES

SHEAR COUPLING •

El Shear Coupling es ubicado en la sarta con el fin de liberar la sarta en caso de atascamiento . Este elemento evita el procedimiento de back-off

•

Como calcular la tensión para liberar:

1.

Calcular el peso de la sarta de varillas

2.

Calcular el overpull necesario para liberar

3.

Tensionar la sarta

COMPONENTES

Estator (bomba)

Liquido

Arenas Productoras

Separador de Gas

Gas

Tail Joint (cola)

En algunos casos cuando el volumen de gas libre a la entrada de la bomba es considerable (aun utilizando un separador de gas) se hace necesario el uso de un “Tail Joint” (también conocida como cola) la cual consiste en instalar tubería, generalmente tubería de producción, desde el separador de gas hasta la mayor profundidad posible, preferiblemente por debajo de la base de la arena productora. El propósito es simular la separación natural de gas, en la cual por diferencia de densidades este tiende a subir por el espacio anular hacia el venteo o la línea de producción y los líquidos entrarían por la cola hacia la bomba.

Tuberia de Produccion

TUBERIA DE COLA (Tail Joint):

COMPONENTES

ROTADOR DE TUBERIA:

existen manuales y automatizados, su función principal es que el desgaste en el cuerpo interno de la tubería con la varilla sea uniforme, manejando un tiempo o frecuencia de rotación.

SWIVEL:

equipo auxiliar al rotador de tubería, que se instala encima de la PCP, y su función principal es rotar la tubería, sin girar la PCP.

COMPONENTES

DRIVE HEAD (CABEZAL DE ACCIONAMIENTO) CABEZAL DE ROTACIÓN: Equipo de accionamiento mecánico instalado en la superficie directamente sobre la cabeza de pozo. Consiste en un sistema de rodamientos o cojinetes que soportan la carga axial del sistema, un sistema de freno (mecánico o hidráulico) y un ensamblaje de instalación que incluye el sistema de empaque (“Stuffing Box”) para evitar la filtración de fluidos a través de las conexiones de superficie.

COMPONENTES

COMPONENTES

MOTOR ELECTRICO

COMPONENTES

STUFFING BOX

COMPONENTES

PUMPING TEE (BOP)

COMPONENTES

VARIADOR DE FRECUENCIA

COMPONENTES

VARIADOR DE FRECUENCIA

COMPONENTES

VARIADOR DE FRECUENCIA (VFD) Este equipo varia la frecuencia de la corriente aplicada al motor eléctrico. Al variar la frecuencia, varia la velocidad de rotación del motor ya que ambas son directamente proporcionales.

COMPONENTES

Entre las protecciones que brindan los VDF pueden mencionarse: • Sobrecarga (sobrecorriente) y subcarga • Sobre 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.  • Fallo o pérdida de fase y 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  y de Torque

NOMENCLATURA

Selección de Bombas de Cavidades Progresivas Rango PCP PCM

NOMENCLATURA

Selección de Bombas de Cavidades Progresivas Diametro  ROTOR TEMPERATURA Mayor - 45°C/ -50°F

Tallas de Rotores Disponibles

Diametro  Menor

SIZE N° 01

-30°C/-20°F

02

-15°C/-5°F

03

0°C/32°F

04

15°C/60°F

05

30°C/90°F

06

50°C/120°F

07

65°C/150°F

08

80°C/175°F

09

95°C/200°F

10

110°C/230°F

11

125°C/255°F

12

140°C/280°F

13

155°C/310°F

14

TEST BENCH

PRUEBA DE EFICIENCIA Prueba hidrostática que busca determinar la eficiencia volumétrica de cada bomba PCP. Con el fin de estimar el comportamiento en el pozo. PRUEBA RENDIMIENTO PCP A DIFERENTES CABEZAS DE PRESION Y RPM RH 53.02 05/02/2010

FECHA DE PRUEBA

No. CONSECUTIVO DE PRUEBA: I. INFORMACION DE LA PCP

MODELO 30 1300 DEZPLAZAMIENTO (m3/D/RPM) ELASTOMERO 159 NUMERO ELEMENTOS ESTATOR

FABRICANTE 30 DESPL NOM BFD/RPM 2,00

PCM 0,38 SN ESTATOR

COND PCP NUEVA CABEZA (m) CABEZA NOM PSI 1846,31 LDA 434 LDC 157

TALLA DE ROTOR 1300 SN ROTOR:

W07

TORQUE MOTOR

TORQUE GEAR

375,1428571

2873,594286

AK332

II. INFORMACION CONDICIONES DE LA PRUEBA

VOL PRUEBA LT

8

TEMP PRUEBA ° F

115

CONST

0,05032

III. RESULTADOS DE LA PRUEBA RPM

BFPD / RPM

BFPD

HEAD (PSI)

% EF VOL

% EF NOM

TIEMPO (SEG)

TORQUE LB X FT

% TORQUE

150 150 150 150 150

0,35 0,35 0,34 0,34 0,32

52,29 51,89 51,35 50,34 47,32

0 435 942 1450 1740

100,00% 99,24% 98,20% 96,27% 90,51%

92,36% 91,66% 90,71% 88,92% 83,60%

83,15 83,79 84,67 86,37 91,87

101 109 118 129 144

3,5% 3,8% 4,1% 4,5% 5,0%

RPM

BFPD / RPM

BFPD

HEAD (PSI)

% EF VOL

% EF NOM

TIEMPO (SEG)

TORQUE LB X FT

% TORQUE

300 300 300 300 300

0,34 0,34 0,34 0,33 0,32

102,95 102,66 101,44 99,42 95,32

0 435 942 1450 1740

100,00% 99,72% 98,53% 96,57% 92,59%

90,93% 90,67% 89,59% 87,81% 84,19%

42,23 42,35 42,86 43,73 45,61

101 109 118 129 144

3,5% 3,8% 4,1% 4,5% 5,0%

PRUEBA DE COMPATIBILIDAD

PRUEBA DE COMPATIBILIDAD El elastómero es sometido a un envejecimiento acelerado, bajo condiciones de laboratorio con el fin de realizar la mejor selección y aplicación para el pozo.

PRUEBA DE COMPATIBILIDAD

ENSAYO DE ENVEJECIMIENTO DE ELASTÓMEROS Criterios de Aceptación:

Análisis de Resultados:

SEGUNDA SESION • INSTALACIÓN DEL SISTEMA a. Armado del BHA b. Espaciamiento c. Instalación y arranque del Equipo de superficie • Break • DIAGNOSTICO Y OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA • Almuerzo • ANÁLISIS DE FALLA DE SISTEMAS PCP a. Inspección visual y Boroscópica b. Tipos de Falla de Sistemas PCP c.  Causa de Falla de Sistemas PCP     ‐ Fallas de Elastómero      ‐ Fallas de Rotor • CONCLUSIONES

DISEÑO SISTEMA PCP

DISEÑO DE SISTEMAS PCP Flujograma  Geometría del Pozo Tipo y Curvatura Configuración del Pozo Dimensiones Casing, Tubing, Cabillas Limitaciones Mecánicas Condiciones del Yacimiento Comportamiento IPR Tasa de Producción Presión de Fondo Fluyente Nivel de Fluido Dinámico RGP Producida Propiedades del Fluido Temperatura, Densidad, Viscosidad Contenido de Agua y Arena Contenido de H2S y CO2 Otros Componentes

Profundidad de Asentamiento Presión de Descarga Presión de Entrada Pérdidas de Presión Producción y Levantamiento Requeridos

Selección de la Bomba Capacidad de Levantamiento Capacidad Volumétrica Curvas de Comportamiento Tipo de Elastómero Geometría

DISEÑO FINAL DEL SISTEMA

Selección del Equipo de Superficie Cabezal de rotación Relación de Transmisión Motor, Variador Potencia, Torque y Velocidad Requeridos en Superficie Selección de las Cabillas Cargas, Torque, Fuerzas Contactos Cabilla/Tubing

DISEÑO SISTEMA PCP

DISEÑO DE SISTEMAS PCP CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA DURANTE UN DISEÑO PCP 1.

Disponer de un perfil del pozo y de su completación mecánica.

2.

Historial de producción (fluidos y sólidos) y problemas de producción.

3.

Contar en lo posible con mediciones reales de campo o laboratorio ya que estas son mas exactas que una correlación.

4.

Elaborar en un banco de pruebas la curva de la bomba ya que las de catálogo reflejan comportamiento promedio.

5.

Profundidad de asentamiento de la bomba (ver figuras próximas)

DISEÑO SISTEMA PCP THP

NE ND PCliq

Plevantamiento

= Pdescarga – Pentrada

Pentrada

= Pcasing + Pcolum gas + Pliq

Pdescarga

= Ptubing + Pcolum liq + Pfriccion

DISEÑO SISTEMA PCP

SISTEMA PCP TIPICO SUPERFICIE

FONDO

GRAMPA DE LA BARRA PULIDA RELACIÓN DE TRANSMISIÓN MOTOR ELÉCTRICO

SARTA DE VARILLAS TUBERÍA DE PRODUCCIÓN

CABEZAL DE ROTACIÓN BARRA PULIDA

ROTOR

STUFFING BOX

ESTATOR

PUMPING TEE CABEZAL DEL POZO REVESTIDOR DE PRODUCCIÓN

PIN DE PARO ANCLA ANTITORQUE

TUBERÍA DE PRODUCCIÓN SARTA DE VARILLAS

REVESTIDOR DE PRODUCCIÓN

DISEÑO SISTEMA PCP

FUERZAS DE CONTACTO DE LA VARILLA CON LA  TUBERIA

FCONTACTO =  FCURVATURA + FGRAVEDAD F CURVATURA =  C x Lrodstring x Lcs x DLS F GRAVEDAD =  C x Wr x Lcs x sin θ C    = (1.736/10.000) Lrs = Peso o tensión que soporta la varilla Lcs = Distancia entre coupling. DLS = Dogleg Severity

C    = 1 Wr  = Peso unitario varilla (lbs/ft). Lcs = Distancia entre coupling. Θ = Desviación del pozo

DISEÑO SISTEMA PCP

PARTIDURA DE VARILLAS Y DESGASTE DE LA TUBERIA FUERZA DE CONTACTO = FUERZA DE GRAVEDAD + FUERZA DE CURVATURA

INSTALACION SISTEMA PCP

INSTALACIÓN DE EQUIPOS DE SUBSUELO ARMADO DE ESTATOR Y ACCESORIOS a. Armar Separador de Gas, Anclas de Torque, Filtros de Arena, etc.. b. Conectar Niple de Paro y Niple de Maniobra al Estator c. Apretar fuertemente todos los elementos (llaves manuales) d. Medir y tomar nota.   TUBERÍA DE PRODUCCIÓN a. Apretar todas las conexiones b. Medir y calibrar toda la tubería c. Si se requiere, probar la tubería cada 10 tubos. d. Fijar el Ancla de Torque, bridas de superficie y “Te” de producción ROTOR Y SARTA DE VARILLAS a. Colocar un pony Rod (de 12 pies) totalmente recto al rotor. b. Engrasar el cuerpo del rotor para facilitar su entrada al estator. c. Apretar fuertemente cada unión de varilla. d. Llevar control y registro de la colocación de los centralizadores

INSTALACION SISTEMA PCP

MANIOBRAS DE ESPACIAMIENTO El espaciamiento del rotor es quizás la maniobra mas importante durante la instalación de los sistemas PCP. Un Rotor mal espaciado dará origen a pérdidas de eficiencia o a deterioro y destrucción del Estator (Elastómero). Calculo del Espaciamiento: 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. Los factores que intervienen son: a. Modelo y profundidad de la bomba b. Diámetro de las varillas c. Temperatura del medio d. Head

INSTALACION SISTEMA PCP

a. b. c. d. e.

f. g.

h. i.

Charla Preoperacional y toma del peso de la Sarta de Varillas Búsqueda del pin de paro Recuperación del peso de la Sarta Marca del Espaciamiento por elongación de varillas (Punto muerto) Medición con un flexómetro del cabezal, desde la grapa hasta la conexión inferior Marcación de la ubicación de la Grapa Sacada de las varillas necesarias para que la extensión de la grapa sea mayor o igual a la longitud de Barra Lisa Calculo de la longitud de Ponys Instalación de Grapa a 1ft del Coupling superior del PR

INSTALACION SISTEMA PCP

TORQUES RECOMENDADO PARA LA TUBERÍA DE PRODUCCIÓN DIÁMETRO

2-3/8”

2-7/8”

3-1/2”

4” 4-1/2”

GRADO

PESO (Lls/Pie)

J-55 C-75 C-75 N-80 N-80 J-55 C-75 C-75 N-80 N-80 J-55 C-75 C-75 N-80 N-80 J-55 C-75 J-55

4,70 4,70 5,95 4,70 5,95 6,50 6,50 8,70 6,50 8,70 9,30 9,30 12,95 9,30 12,70 11,0 11,0 12,75

TORQUE OPTIMO (Lbs/Pie) 1290 1700 2120 1800 2240 1650 2170 2850 2300 3020 2280 3010 4040 3200 4290 2560 3390 2860

TORQUE MAXIMO (Lbs/Pie) 1610 2130 2650 2250 2800 2060 2710 3560 2880 3780 2850 3760 5050 4000 5360 3200 4240 3180

PUESTA EN MARCHA SISTEMA PCP

PUESTA EN MARCHA a.

Arrancar el aceleración).

sistema

a

baja

velocidad

(utilizar

rampas

de

b.

Durante estos primeros días, se sugiere visitar el pozo y tomar las lecturas de las variables de operación a diario, de manera de observar el comportamiento del sistema y su relación con el hinchamiento del elastómero.

c.

Una vez que se determine que el sistema “yacimiento ‐ pozo – equipos de producción” estén estabilizados, se procederá con el proceso de optimización.

d.

Durante esta fase se debe esperar incrementos en la producción, disminución en la sumergencia de la bomba, incrementos en la presión del cabezal (presión en la tubería de producción) en el torque y en la potencia requerida.

OPTIMIZACION

OPTIMIZACION En general se espera que al incrementar la tasa de producción, baje el nivel de fluido y se incremente la presión de cabezal, el torque y la potencia (y viceversa); no obstante, hay situaciones donde se requiere de un análisis mas profundo para entender lo que ocurre en el sistema. Ejemplo, un pozo sin producción que al arrancarlo presente alto torque (o alto consumo de corriente) significa atascamiento en el fondo (rotor mal espaciado, elastómero hinchado, presencia de arena, etc.) o en superficie (problemas con el cabezal, con el motor, etc.). Mediante la adecuada metodología se puede llegar a ubicar exactamente donde está la causa de la falla y tomar las acciones pertinentes.

OPTIMIZACION

CRITERIOS DE OPTIMIZACION Al momento de optimizar un pozo instalado con un sistema PCP se deben considerar una serie de variables que pueden limitar la obtención de la mayor tasa de producción. Estas limitantes pueden estar asociadas al yacimiento, a los equipos PCP, a otros equipos o sistemas o a las instalaciones de superficie, así, a la hora de proceder con un programa de incrementos de velocidad de operación de se deben tener presente: • Tasas criticas o límites para evitar la conificación de gas, irrupción de agua, de arena u otros sólidos indeseables. • Torque máximo que pueden soportar las varillas y las correas. • Sumergencia (o presión de entrada a la bomba) mínima que garantice menos de un 50% de gas libre a la entrada de la bomba. • Presiones y caudales máximos impuestas en superficie, etc..

ANALSIS DE FALLA

Introducción Definición de Elastómero: Un elastómero es un material el cual puede ser elongado varias veces su longitud original y tiene la capacidad de recobrar rápidamente sus dimensiones originales una vez que la fuerza externa es removida. Formulación de los elastómeros: Proceso de adición de aditivos químicos al elastómero base con la finalidad de obtener un producto adecuado para una aplicación especifica. Los aditivos químicos cumplen las siguientes funciones: 1. Vulcanización (curado o entrecruzamiento) 2. Cargas de reforzantes 3. Ayudantes de proceso 4. Cargas Inertes (reductores de costos) 5. Estabilizantes ambientales (calor, O2, O3, humedad, Luz UV, etc.) 6. Protectores Químicos y Físicos.

ANALSIS DE FALLA

Introducción La incorporación de Negro de Humo: ‐ Incrementa los mecanismos de disipación de la energía. ‐ Aumenta la resistencia a la abrasión. ‐ Aumenta: Dureza, Modulo de rigidez y resistencia tensil. ‐ Disminuye la elasticidad. 3. Ayudantes de Procesos: Aditivos que permiten procesar una formulación elastomérica de una manera mas fácil. Tienden a bajar la viscosidad de la mezcla. *Pepticidas químicos (Ácidos Sulfonicos, Pentaclorotiofenol); Plastificantes físicos (Ácidos grasos, aceites, ésteres. 4. Cargas Inertes: Aditivos que abaratan el costo de la formulación sin mayor deterioro en las propiedades mecánicas del producto final. *Aceites; partículas sólidas de tamaño grande (arcilla, Talco, Carbón); Resinas.

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Introducción 5. Estabilizantes: Inhiben cortes o incisiones de cadena, entrecruzamientos ambientales o cualquier alteración química debido al deterioro por factores ambientales, ej. Antioxidantes y Antiozonantes.

6. Protectores: ‐ Químicos: Capaces de interactuar con el agente degradante o interferir con las reacciones de degradación, ej. Aminas secundarias, fenoles o fosfitos. ‐ Físicos: Migran a la superficie y proporcionan barrera al ataque ambiental, ej. Ceras.

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Introducción Procesamiento: mezclado para producir una formulación con sus ingredientes adecuadamente incorporados y dispersados con la finalidad de lograr un material con las siguientes características: *Fácil procesar. *Curado eficiente.

ELASTOMERO

RELLENO

*Desarrollo de propiedades optimas. *Mínimo gasto de energía y tiempo.

PLASTIFICANTES

AGENTES DE CURADO

MISCELANEOS

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Introducción Procesamiento:

*De 10 a 20 componentes en una formulación especifica. *Miles de posibles combinaciones, tipos y calidades. *No es posible predecir el comportamiento de un compuesto (elastómero); solo con la experiencia y conocimiento de las condiciones de aplicación, se logrará una selección acertada.

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Introducción Inyección: Es el método utilizado en la producción de estatores de Bombas de Cavidades Progresivas (PCP). Proceso: ‐ La formulación se alimenta a la cámara de inyección mediante un tronillo reciprocante. ‐ El movimiento del tornillo plastifica y suaviza el material a medida que lo transporta hacia la cámara de inyección. ‐ Una vez alcanzado el volumen de material deseado, el tornillo actuando como pistón avanza e inyecta el material en un molde con la forma requerida. ‐ El material reside en el molde caliente hasta que el proceso de curado es terminado. ‐ La pieza es enfriada y eyectada del molde.

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Elastómeros para estatores PCP Elastómeros para la Industria Petrolera. * Caucho Nitrilo ó NBR (diferentes contenidos de Acrilonitrilo ACN). * Caucho Nitrilo Hidrogenado (HNBR) * Los Fluoro elastómeros (FKM). Limitaciones en su aplicación. Fluidos Manejados: ‐ Gravedad especifica (ºAPI) ‐ Corte de Agua. ‐ Relación Gas/Liquido sobre la PCP ‐ Temperatura de fondo al nivel de la PCP. Presencia de agentes físicos y químicos: ‐ Presencia de arena (abrasión). ‐ Solventes aromáticos. ‐ Presencia de CO2

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Elastómeros para estatores PCP Elastómeros para la Industria Petrolera. * Caucho Nitrilo ó NBR (diferentes contenidos de Acrilonitrilo ACN). Éste material se obtiene mediante la copolimerización del BUTADIENO y el NITRILO ACRÍLICO o ACRILONITRILO. Se conoce internacionalmente bajo la nomenclatura NBR (Nitrile Butadiene Rubber) * > Contenido de ACN > Resistencia Química *> Contenido de Relleno > Resistencia Química < Resistencia a la Abrasión Contenido ACN

Contenido  Relleno

Medio

Alto

Bajo

205

194

Alto

159

199

Referencias PCM: 159; 194; 199 y 205

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Elastómeros para estatores PCP Elastómeros para la Industria Petrolera. * Caucho Nitrilo Hidrogenado (HNBR) Variante del Nitrilo convencional mediante un proceso de hidrogenación catalítica el cual produce saturación de los dobles enlaces de la estructura

‐Mayor temperatura de servicio ‐Mayor resistencia a H2S ‐Grado de Hinchamiento depende del % ACN

Referencia PCM: 198

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Elastómeros para estatores PCP Elastómeros para la Industria Petrolera. * Fluoro elastómero (FKM) ‐Alta resistencia química, no es afectado por: Ácidos, bases y aromáticos. ‐Atacado por cetonas y acetales

Referencia PCM: 204

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Elastómeros para estatores PCP

Tipos de Elastómeros Ref

Max Temp. °C

Manejo Arena

H2S

CO2

Aromáticos

Agua

Descompresión Explosiva

159

120

Bueno

Excelente

Alto

Excelente

Excelente

Superior

194

80

Excelente

Excelente

Bueno

Bueno

Excelente

Bueno

198

160

Excelente

Excelente

Bueno

Bueno

Bueno

Promedio

199

120

Promedio

Bueno

Superior

Excelente

Excelente

Superior

204

60

Pobre

Excelente

Excelente

Superior

Bueno

Promedio

205

80

Superior

Bueno

Promedio

Promedio

Promedio

Bueno

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Elastómeros para estatores PCP Aplicaciones Genéricas: * Caucho Nitrilo ó NBR (diferentes contenidos de Acrilonitrilo ACN). Usos para Crudo Mediano, Pesado, arena y gas.

* Caucho Nitrilo Hidrogenado (HNBR) Usos para Alta temperatura y arena

* Fluoro elastómero (FMK) Usos para Crudo Liviano con alto contenido de aromáticos.

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Ensayos de Envejecimiento de Elastómeros

Kit de Laboratorio Empleado para las pruebas de Envejecimiento

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Ensayos de Envejecimiento de Elastómeros • Equipo Básico de laboratorio • Densímetro • Balanza digital • Durómetro Shore A

• Pipetas • Buretas • Vaso precipitado • Entre otros….

• Estufa con agitador electromagnético • Metodología Experimental El elastómero es sometido a un envejecimiento acelerado, bajo condiciones de pruebas  normalizadas en la Norma NFT 46‐013 (Resistance to Industrial Oils). La geometría de las probetas de elastómero es de forma de botones cilíndricos, con las  dimensiones siguientes: Diámetro: 20 mm Espesor: 7 mm

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Ensayos de Envejecimiento de Elastómeros • Criterios de Aceptación:

• Análisis de Resultados:

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Consideraciones Pruebas de Envejecimiento * Hinchamiento: Los elastómeros experimentan hinchamiento cuando son expuestos a un fluido químicamente compatible. El hinchamiento deteriora las propiedades mecánicas; el desempeño de las PCP depende del control del hinchamiento. * Caracterización del fluido experimental Crudo: * El grado de hinchamiento que experimentara el elastómero dependerá del poder de solvatacion de las especies hinchantes que constituyen el fluido experimental. * Las especies aromáticas presentes en el crudo son las responsables del hinchamiento que experimenta el elastómero. * Los compuestos aromáticos presentes en las fracciones livianas del crudo poseen un elevado poder hinchante. * Los aromáticos pesados manifiestan menor poder hinchante que sus homólogos livianos: sin embargo por encontrarse en gran proporción dentro del crudo produce un efecto hinchante significativo.

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Consideraciones Pruebas de Envejecimiento * De las especies pesadas, los compuestos Monoaromáticos (Bencenos, naftenobencenos y dinaftenobencenos, diaromáticos (naftalenos, acenaftenos y fluórenos) y Tiofeno aromáticos exhiben mayor poder hinchante. * Las especies aromáticas presentes en el crudo son las responsables del hinchamiento que experimenta el elastómero. * Los compuestos aromáticos presentes en las fracciones livianas del crudo poseen un elevado poder hinchante. * Los aromáticos pesados manifiestan menor poder hinchante que sus homólogos livianos. Sin embargo por encontrarse en gran proporción dentro del crudo produce un efecto hinchante significativo. Agentes Químicos: * Típicamente un polímetro se disuelve en líquidos que no difieren de su parámetro de solubilidad en mas de 0.47 a 0.71 (Cal/cm3)^1/2. Los solventes mas cercanos a el parámetro de solubilidad del elastómero lo pueden hinchar. Ver tabla anexa

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Consideraciones Pruebas de Envejecimiento

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Análisis de Fallas Prematuras de Estatores de PCP Fuentes Fundamentales de Fallas * Deficiencias de diseño. * Deficiencias en selección de materiales. * Imperfecciones del material. * Deficiencias de procesamiento. * Errores en el ensamblaje. * Condiciones de servicio no adecuadas.

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Análisis de Fallas Prematuras de Estatores de PCP PROCEDIMIENTO GENERAL

Investigación Preliminar * Recopilación de datos relevantes. * Examen preliminar de las partes o componentes que fallaron. * Selección, identificación, preparación de muestras de laboratorio.

Análisis de Laboratorio * Evaluación No destructiva * Ensayos mecánicos. * Análisis químicos.

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Análisis de Fallas Prematuras de Estatores de PCP •

Tipos de análisis:

•

Existen 3 tipos de análisis a realizar a PCP que presento fallas: – Análisis visual en campo. Descripción de los equipos después de la intervención del taladro. • Elaboración de un reporte de campo. – Análisis no destructivo en laboratorio. Medición de los equipos (dimensional – dureza). Inspección visual del estator con boroscopio. • Elaboración de un reporte. – Análisis destructivo en laboratorio. Complemento de la análisis no destructivo con corte del estator para luego análizar el  elastómero en la longitud de la PCP. • Elaboración de un reporte.

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Análisis de Fallas Prematuras de Estatores de PCP •

Herramientas para el Análisis:

Kit de Inspección  Dimensional:  Estator y Rotor.  Medición de  Dureza Banco de Pruebas

Kit de Inspección  Visual: Estator  Boroscopio

Cierra Alternativa

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Modos de Fallas * Abrasión (desgaste normal). * Ataque Químico. * Presión Excesiva por etapa. * Arrastre por Alta Presión. * Influencia mecánica. * Altas temperaturas de operación. * Desprendimiento del elastómero. * Ataque por H2S * Ataque por CO2 (Descompresión Explosiva) *Histéresis

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Modos de Fallas Abrasión (desgaste Normal) Identificación: Superficies desgastadas y rasguñadas en los puntos de menor diámetro. Causas: Asociado con desgaste normal. Ocurre preponderantemente si el fluido contiene altos contenidos de sólidos o si la PCP trabaja a altas velocidades. Corrección: Reducir la velocidad de rotación y mantener mínimo delta de Presión, PCP de mayor capacidad o mayor numero de etapas. Colocación de filtros.

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Modos de Fallas Ataque Químico Identificación: Crecimiento en dimensione, menor dureza que el material virgen, usualmente presenta ampollas y grietas transversales en el cuerpo del estator. Causas: Asociado al ataque del elastómero por fluidos aromáticos presentes en el crudo. La falla puede identificarse por perdidas de eficiencia de la PCP o incrementos de torque. Corrección: Seleccionar elastómeros con mayor resistencia química. Mayor contendido de ACN en el elastómero.

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Modos de Fallas Presión Excesiva por Etapa Identificación: La superficie del elastómero se torna dura en extremo y brillante con terminaciones llagosas. Parte del elastómero ha sido arrancado. Patrón Helicoidal. Causas: Presiones hidrostáticas o por fricción excesivamente altas, producido por algunas de las siguientes condiciones: Descarga de la bomba obstruida; líneas obstruidas; Altas tasas de producción de fluidos viscosos. La operación de la PCP en seco ocasiona falla similar (fricción excesiva). Corrección: Verificar espaciamiento del rotor, para evitar que el acople con la sarta de cabillas obstruya la descarga. Cuando se producen fluidos con altos contenidos de sólidos implementar un programa de limpieza frecuente. Verificar el Delta de Presiones manejado por la PCP.

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Modos de Fallas Presión Excesiva por Etapa

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Modos de Fallas Arrastre de Alta Presión Identificación: Hoyos o rasgaduras en sentido contrario al flujo. No se observan incrementos de dureza apreciables. Causas: Partículas de arena de gran tamaño se depositan en el elastómero causando deformación permanente del elastómero. Esto produce un orificio pequeño que permite que el fluido a alta presión arrastre parte del material. Corrección: Probar la colocación de un filtro a la entrada de la Bomba. Utilizar bombas de mayor capacidad a menor velocidad.

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Modos de Fallas Influencia Mecánica Identificación: Objetos extraños fueron bombeados causando daños sobre la superficie del elastómero y/o rotor. Causas: Falta de un programa de limpieza frecuente en los pozos; maniobras inadecuadas al momento de Completacion del Pozo. La adherencia de la goma es buena pero el elastómero presenta desgarre. No hay evidencias de incremento de dureza. Corrección: Para pozos con altas tasa de arena; colocar filtros en la entrada de la bomba.

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Modos de Fallas Altas temperaturas de Operación Identificación: La superficie del material se torna quebradiza y tiene muchas grietas. Incremento importante de la dureza y disminución general de las propiedades mecánicas. Causas: *Operación de la PCP en Seco: ausencia de fluido, exceso de gas o por obstrucción de la succión. *Altas temperaturas de Operación: Combinación de alta temperatura del fluido del pozo y calor generado por la PCP durante la operación. *> Velocidad de la PCP y > Delta de Presión originan incrementos de temperatura. Histéresis. Corrección: Verificar nivel de fluido en el anular, utilizar PCP de mayor capacidad a menor velocidad de rotación. Seleccionar el elastómero adecuado.

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Modos de Fallas

Trabajo en Vacío

Histéresis

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Modos de Fallas Ataque por CO2 (descompresión explosiva) Identificación: Ampollamiento severo; Aumento de tamaño (hinchamiento, sobre interferencia); Disminución de la dureza (solamente si el gas esta atrapado). Causas: Manejo de Altas tasa de gas; alto contenido de CO2 disuelto en el Crudo; Caídas abruptas de presión de fondo. Corrección: Verificar nivel de fluido en el anular, utilizar PCP de mayor capacidad a menor Carga. Seleccionar el elastómero adecuado.

ANALSIS DE FALLA

Modos de Fallas Ataque por CO2 (Descompresión Explosiva)

ANALSIS DE FALLA

Procedimiento 1.‐Recopilacion de información: *Modelo de PCP, serial de identificación Rotor / Estator *Simulación hidráulica. *Interferencia de diseño. *Tipo de elastómero.

2.‐Condiciones de Operación: *Tipo de Crudo: API, Contenido y tipo de aromáticos. *Gases: Concentración de H2S y CO2. *Temperatura a nivel de la bomba. *GOR *Corte de agua y sedimentos *Resultados de ensayos de compatibilidad.

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Procedimiento 3.‐Completacion: *Profundidad de instalación *Profundidad de perforaciones *Casing y Tubing *Sarta de cabillas *Sistemas de separación de gas y sólidos 4.‐Datos de Operación: *Fecha de instalación *Fecha de falla *Días de parada *RPM *Torque *Eficiencia *Observaciones operacionales

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Procedimiento 5.‐Codificación de Tipología de Falla: *Elastómero desprendido *Elastómero desgarrado *Elastómero ampollado *Hinchamiento Visible y/o cuantificable *Superficie quemada *Elastómero endurecido *Histéresis *Elastómero erosionado o dañado mecánicamente.

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Diagrama Causa y Efecto Fallas PCP: Estator

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Diagrama Causa y Efecto Fallas PCP: Rotor

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