tesis BM

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

“MANUAL DE SELECCIÓN DE UNIDADES DE BOMBEO MECÁNICO DEL ACTIVO DE PRODUCCIÓN POZA RICA REGIÓN NORTE”

TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICO

PRESENTA:

JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

ASESOR DE TESIS:

ING. JUAN CARLOS ANZELMETTI ZARAGOZA

POZA RICA, VERACRUZ

2001

“Manual de Selección de Unidades de Bombeo Mecánico del Activo de Producción Poza Rica Región Norte” ÍNDICE INTRODUCCIÓN....................................................................................................

1

CAPITULO I...........................................................................................................

2

Justificación....................................................................................................................... Tipo y Naturaleza del Trabajo........................................................................................... Características y Funciones Esenciales.............................................................................

3 5 6

CAPITULO II..............................................................................................................................

7

Procesos del Trabajo Sub-Tema 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Descripción del Equipo de Bombeo Mecánico.............................. Equipo Superficial de Bombeo Mecánico..................................... El Motor Principal.......................................................................... Conexiones Superficiales............................................................... Partes Principales........................................................................... Bomba Subsuperficial de Bombeo................................................. Sarta de Varillas de Succión.......................................................... Tubería de Producción y Accesorios para Bombeo Mecánico......

Sub-Tema 2.0

Conceptos Fundamentales para la Selección de Unidades de Bombeo Mecánico........................................................ Principio de Flotación o de Arquímedes........................................ Patrón Típico de Cargas en la Varilla Pulida durante el Ciclo de Bombeo ......................................................................................... División de Trabajo en un Sistema de Producción Artificial........ Geometría de las Unidades de Bombeo Mecánico........................ Aceleración en la Varilla Pulida.................................................... Movimiento Básico de Bombeo en un Sistema no Elástico Simple............................................................................................ Contrabalanceo de la Unidad de Bombeo Mecánico..................... Torsión........................................................................................... Factores de Torsión........................................................................ Movimiento Armónico Simple......................................................

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 Sub-Tema 3.0

3.1

Cálculos para la Selección del Tamaño de la Bomba, Diseño de la Sarta de Varillas y Carrera Efectiva del Émbolo............................................................................. Selección del Tamaño de la Bomba...............................................

8 8 16 23 25 34 40 45

49 49 50 52 53 68 69 70 74 77 86

90 90

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Sub-Tema 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4

Ejemplos para la Selección del Tamaño de la Bomba................... 91 Diseño de la Sarta de Varillas........................................................ 95 Factores que Contribuyen a Formar la Carga Total en la Varilla Pulida............................................................................................. 96 Carrera Efectiva del Émbolo.......................................................... 108 Potencia de Arranque Necesaria.................................................... 117 Métodos Empleados en la Selección de Unidades de Bombeo Mecánico............................................................. Método Craft-Holden..................................................................... Ejemplos de Aplicación................................................................. Método API-RP-11 L..................................................................... Ejemplos de Aplicación.................................................................

125 125 138 160 166

Costos............................................................................................................................... 196

CAPITULO III............................................................................................................................ 202 . Aportaciones o Contribuciones al Desarrollo................................................................. 203 BIBLIOGRAFÍA ANEXOS APENDICES

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INTRODUCCIÓN

I NT RO D UC CI Ó N

Este trabajo ha sido elaborado para las personas interesadas en la selección de las Unidades de Bombeo Mecánico, su contenido se ha diseñado para que sea entendible y práctico. Sus objetivos son proporcionar el conocimiento acerca de los factores que intervienen y deben tomarse en cuenta en la selección de Unidades de Bombeo Mecánico de un pozo y despejar las dudas de cómo y por qué se instalan diferentes tipos de unidades de Bombeo Mecánico en los pozos. Existen conceptos que se deben conocer para seleccionar Unidades de Bombeo Mecánico, tales como: patrón típico de cargas en la varilla pulida durante el ciclo de bombeo, geometría de las unidades de bombeo mecánico, aceleración en la varilla pulida, contrabalanceo de la unidad de bombeo mecánico, torsión, factores de torsión, principio de flotación o de Arquímedes y el movimiento armónico simple. Dentro de los diseños de instalaciones de Bombeo Mecánico existen dos métodos que se aplican en el Activo de Producción Poza Rica, éstos son e l método Craft-Holden y el API-RP-11L; el primero se efectúa en menor porcentaje, el segundo, es el que más se aplica, ya que éste en comparación con el método Craft Holden da más tolerancia en el cálculo de la torsión que puede soportar el reductor de engranes de las Unidades de Bombeo Mecánico. Estos métodos se presentan en este trabajo con ejemplos de aplicación, sintetizando el procedimiento de cada uno y utilizando las tablas de los anexos para hacer más sencillo el procedimiento de selección de Unidades Bombeo Mecánico en un pozo. El contenido de este trabajo se aplicará en la práctica de campo, de tal manera que se podrán calcular las emboladas necesarias y la carrera exacta en las unidades de bombeo mecánico, así como el espaciamiento adecuado entr e la válvula viajera y válvula de pie para evitar el candado de gas en el interior de la bomba, reflejándose todo esto en una eficiencia más alta, un punto óptimo de operación y una producción mayor del pozo.

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CAPÍTULO I

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INTRODUCCIÓN

JUSTIFICACIÓN El sistema artificial de explotación de bombeo mecánico se aplica en los pozos que no tienen la energía suficiente para elevar los hidrocarburos a la superficie por sí solos, este sistema, ayuda a continuar con la explotación del pozo hasta su última etapa como productor. Este sistema se implantó en el Activo de Producción Poza Rica de PEMEX región Norte desde el año de 1957, y en forma masiva en la década de los 90’s por la necesidad de eliminar los gasoductos de alta presión que atravesaban la zona urbana, ya que éstos formaban un peligro para la sociedad. Por este motivo se utilizaron las Unidades de Bombeo Mecánico, ya que proporcionan un bajo costo con respecto a otros sistemas de explotación artificial y principalmente, eliminan el peligro latente de los gasoductos de alta presión que atraviesan la zona urbana. El uso frecuente de las Unidades de Bombeo Mecánico en los diferentes pozos con este sistema, hicieron que se fueran adquiriendo conocimientos básicos sobre su operación, dados principalmente por la práctica, pero existe la falta de información de porqué se instala una Unidad de Bombeo Mecánico, ya que existen en la actualidad diferentes tipos y cuales son los datos principales que deben tomarse en cuenta para la selección de unidades. Además, esta falta de información hace que en ocasiones lleguen a cambiarse las condiciones de operación en la unidad. El presente trabajo presenta los parámetros que se deben tomar en cuenta para la selección de Unidades de Bombeo Mecánico, así como los cálculos necesarios para seleccionar adecuadamente el tipo de unidad que debe tener el pozo, para obtener una operación correcta y sin esfuerzos en el reductor de engranes de la Unidad de Bombeo Mecánico; al final de la lectura, se comprenderá los motivos de instalar unidades con diferente tamaño y tipo. El trabajo está organizado en tres capítulos. En el capítulo uno se presenta la justificación, tipo y naturaleza del trabajo, así como sus características y funciones esenciales. El capítulo dos se subdivide en cuatro sub-temas que son los siguientes: Sub-tema uno: Descripción del Equipo de Bombeo Mecánico. En este subtema, se describe el sistema artificial de explotación de Bombeo Mecánico, el cual tiene como objetivo principal, elevar los fluidos aportados por un pozo petrolero. El Sistema de Bombeo Mecánico debe ser resistente, de larga vida, eficiente, fácil y barato de transportar; silencioso, no contaminante, seguro de instalar y de operar, también se describen las partes esenciales del sistema de bombeo mecánico son: 1) El equipo superficial de bombeo (Unidad de Bombeo Mecánico) y las conexiones superficiales.

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2) 3) 4) 5)

INTRODUCCIÓN

El motor principal. La bomba subsuperficial impulsada por varillas y sus accesorios. La sarta de varillas de succión. La tubería de producción (T.P.) y accesorios para bombeo mecánico.

Finalmente, se mencionan las funciones de cada componente del sistema. Sub-tema dos: Conceptos Fundamentales para la Selección de Unidades de Bombeo Mecánico. En este subtema se exponen y analizan los conceptos fundamentales que se aplican en la selección de Unidades de Bombeo Mecánico tales como: Principio de Flotación o de Arquímedes Patrón típico de cargas en la varilla pulida División del trabajo en un sistema de explotación artificial Geometría de las Unidades de Bombeo Mecánico Aceleración en la varilla pulida Torsión Sub-tema tres: Cálculos para la Selección del Tamaño de la Bomba, Diseño de la Sarta de Varillas y Carrera Efectiva del Émbolo. En este subtema se presenta una metodología para calcular el tamaño de la bomba, diseñar la sarta de varillas y la carrera efectiva del émbolo. Posteriormente, esta metodología se aplica a ejemplos reales. Sub-tema cuatro: Métodos Empleados en la Selección de Unidades de Bombeo Mecánico. En este subtema se consideran dos métodos para seleccionar la unidad adecuada, de acuerdo con las características que tiene el pozo como son: profundidad, varillas, diámetro del émbolo, carga máxima y carga míni ma en la varilla pulida, diámetro de la tubería de producción, carrera en la unidad de bombeo mecánico, densidad relativa del fluido, profundidad de la bomba y profundidad del nivel dinámico. Además se presenta un análisis de costos de las Unidades de Bom beo Mecánico. En el capítulo tres se presentan las contribuciones o aportaciones al desarrollo, que es la siguiente: Guía rápida para la selección de Unidades de Bombeo Mecánico según el método API-RP 11L.

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INTRODUCCIÓN

TIPO Y NATURALEZA DEL TRABAJO El presente trabajo práctico técnico que tiene como título “Manual de Selección de Unidades de Bombeo Mecánico en el Activo de Producción Poza Rica Región Norte”, encuentra relevancia en el ámbito del Activo de Producción Poza Rica, ya que sirve de apoyo a operadores y demás personal relacionado con las Unidades de Bombeo Mecánico. En este trabajo se hace una descripción de los diferentes equipos, de los parámetros importantes que deben controlarse para una óptima operación de las unidades. Así mismo, se presentan una serie de procedimientos y ejemplos de cálculo que posteriormente se emplearán para seleccionar conforme las condiciones del pozo, la Unidad de Bombeo Mecánico adecuada. Finalmente se presentan metodologías de cálculo para realizar la selección de la Unidad de Bombeo Mecánico. A diferencia del sistema artificial de explotación de bombeo neumático, el sistema artificial de bombeo mecánico en el Activo de producción Poza Rica es de menor peligrosidad para la población y para el entorno ecológico, es por ello que se empezaron a utilizar las Unidades de Bombeo Mecánico, además de que representan un bajo costo de mantenimiento y de operación. Las Unidades de Bombeo Mecánico son operadas por un motor primario, el cual proporciona movimiento a las bandas de la polea del reductor de engranes y este a su vez, a un conjunto de bielas y manivelas las cuales proporcionan un movimiento reciprocante al balancín de la unidad. El movimiento reciprocante hace que la unidad extraiga la sarta de varillas que tiene el pozo de acuerdo con la longitud de carrera que tiene la unidad, además de operar la bomba de inserción que se encuentra en el fondo del pozo. La función de efectuar el movimiento reciprocante a una sarta de varillas acopladas a una bomba, es que los hidrocarburos contenidos en el fondo del pozo, se puedan elevar a la superficie con la ayuda de otro sistema de explotación artificial, a través de una tubería de producción que se encuentra hasta al superficie, y después conducirla por líneas hasta la siguiente etapa, que es la separación.

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INTRODUCCIÓN

CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES ESCENCIALES El presente trabajo tiene como característica ser un trabajo práctico técnico de consulta y guía para el estudiante de la carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica, el operador de Unidades de Bombeo Mecánico y demás personal interesado en esta campo, ya que al entrar en materia podrá obtener información clara de lo que es una Unidad de Bombeo Mecánico, su funcionamiento y selección. La función esencial del presente trabajo práctico técnico es cumplir con los siguientes objetivos: Describir detalladamente los diferentes tipos de Unidades de Bombeo Mecánico. Describir el funcionamiento y aplicación de los diferentes tipos de Unidades de Bombeo Mecánico. Proporcionar un conocimiento elemental de los conceptos y principios fundamentales aplicables a la selección de Unidades de Bombeo Mecánico. Describir los cálculos necesarios para seleccionar el tamaño de la bomba, el diseño de la sarta de varillas y la carrera efectiva del émbolo. Describir los métodos empleados en la selección de las Unidades de Bombeo Mecánico, analizarlos y seleccionar el más recomendable. Desarrollar una guía rápida para la selección de Unidades de Bombeo Mecánico. Presentar un análisis de costos del equipo según se adquiera nuevo, se repare o se rente. Excluyendo costos por mano de obra.

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COSTOS

COSTOS Con la finalidad de efectuar un análisis de costos de los accesorios para la explotación del sistema artificial de Bombeo Mecánico, se enlistan los accesorios y cada uno de los precios unitarios, necesarios para la operación de una Unidad de Bombeo Mecánico.

Descripción Bomba Sub-superficial marca Trico de 1 ½” a 2 ½” , tolerancia entre barril y pistón de 0.003”, equipada con barril de acero recubierto de cromo en su diámetro interior, de pared gruesa con válvulas de Carburo de Tugsteno, diseño especial con doble anclaje, inferior mecánico y superior de tres copas de material plástico, válvula “Top-Ring” para evitar candado de gas, accesorios de acero endurecido para uso en ambiente con presencia de CO2 y H2S, incluyendo zapata candado, niple sello y tres juegos de copas extras. Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase “D” con cople liso de ¾” x 25 pies de longitud. Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase “D” con cople liso de 7/8” x 25 pies de longitud. Varilla de succión marca Trico o calidad igual o superior API clase “D” con cople liso de 1” x 25 pies de longitud. Varilla pulida marca Trico o calidad igual o superior, de acero de aleación, carbón, manganeso, cromo molibdeno con acabado espejo aproximado de 8 a 32 micrones de acuerdo a especificaciones API con capacidad de 95,000 a 160,000 lbs de carga a la tensión de 1 ½” x 22 pies. Mordaza para varilla pulida de 1 ½” con 3 orificios serie 10 de 40,000 lbs de carga. Cople combinación API para varillas de succión de ¾” a 7/8” marca Trico Cople combinación API para varillas de succión de 7/8” a 1” marca Trico Brida colgadora marca “Wellhead Inc.” Modelo W2F, 3M 7 1/16” , ranura para junta de acero RTJ-45, rosca macho de 3” ext. x 2 ½” y rosca caja para colgar tubería de 2 7/8” según designación API, incluyendo 12 espárragos de 1 1/8” diam x 9” long., 24 tuercas y una junta de acero R-45. Preventor de doble empaque marca “DOBLE E” para varilla pulida de 1 ½” , modelo LP-15, incluyendo 5 juegos de empaques. Estopero preventor marca “KVF” o calidad igual o superior para la varilla pulida de 1 ½” , 3” , incluyendo 5 juegos de empaques.

Unida d

Precio Unitario

Pieza

$49,571.44

Pieza

$486.40

Pieza

$612.71

Pieza

$887.70

Pieza

$9,364.45

Pieza

$1,222.58

Pieza

$379.59

Pieza

$533.29

Pieza

$11,851.20

Pieza

$7,412.82

Pieza

$3,780.32

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COSTOS

Tee roscada marca “KVF” calidad igual o superior, acero al carbón de 3,000 lbs/plg2 de 3x3x2” con tapón ciego Niple de 3” marca Capitol, calidad igual o superior, 6” longitud roscado en ambos extremos, acero al carbón de 3,000 lbs/plg2. Cople de 3” marca Trico, calidad igual o superior, de acero al carbón de 3,000 lbs/plg2. Unidad de Bombeo Mecánico

Pieza

$1,594.66

Pieza

$172.48

Pieza

$532.38

Pieza

$1’500,000

Con las siguientes características de un pozo, y utilizando el método de selección de Unidades de Bombeo Mecánico API, se efectuará el análisis de costos para la instalación de los accesorios nuevos para el sistema Artificial de Explotación de Bombeo Mecánico. Datos: D dtp LT dr H N S q G

= = = = = = = = =

2” 2 7/8” 6000 pies 1”, 7/8” y ¾” 6000 pies 13 spm 168 plg 350 BPD 0.870

Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que para un diámetro de émbolo de 2” y una sarta compuesta por varillas de 1” , 7/8” y ¾” , corresponde una varilla No. 86 con los siguientes porcentajes para cada sección: R1 = 32.8 % R2 = 33.2 % R3 = 33.9 % Entonces: Li = (Ri/100) x LT

i = 1, 2, 3 .... n

L1 = (32.8/100) x (6000) = 1968 pies de varilla de 1” L2 = (33.2/100) x (6000) = 1992 pies de varilla de 7/8” L3 = (33.9/100) x (6000) = 2034 pies de varilla de ¾”

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COSTOS

Como cada una de las varillas de succión miden 25 pies de longitud, se tendrá que dividir la longitud de la primera sección entre la longitud de cada varilla, de la misma manera se hará con las otras dos secciones de varillas. Con ello sabrá cuantas varillas necesitará de cada diámetro para satisfacer las condiciones de profundidad total de la sarta de varillas L1 = 1968 L2 = 1992 L3 = 2034

25 = 78.72, por aproximación se emplearán 79 varillas de 1” 25 = 79.68, por aproximación se emplearán 79 varillas de 7/8” 25 = 81.32, por aproximación se emplearán 82 varillas de ¾”

De acuerdo con la tabla de los precios unitarios se tiene que: No de Varillas 79 79 82

Precio Unitario $887.70 $612.71 $786.70 GRAN TOTAL

Total $70,128.3 $48,404.09 $64,509.4 $183,041.79

Para unir las varillas de un diámetro inferior a uno superior, se utilizan coples adaptadores, en este caso se utilizarán dos coples adaptadores, uno de ¾” a 7/8” y otro de 7 /8” a 1”. Cople combinación ¾” a 7/8” 7 /8” a 1”

Precio Unitario $379.50 $533.29 GRAN TOTAL

La bomba de inserción de 2”

Total $379.50 $533.29 $912.79

con los accesorios tiene un precio de:

$49,571.44 La varilla pulida tiene un precio unitario de: $9,364.45 La mordaza con la cual se sujeta la varilla pulida con una capacidad de carga de 40,000 lbs/plg2 tiene un precio de: $1,222.58 La brida colgadora marca “Wellhead Inc.” 7 1/16” , rosca macho de 3” ext. x 2 ½” y rosca caja para colgar tubería de 2 7/8” y una junta de acero R-45 tiene un precio unitario de: $11,851.20

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COSTOS

El Preventor de doble empaque marca “DOBLE E” para varilla pulida de 1 ½” , modelo LP-15 tiene un precio de: $7,412.82 Estopero preventor de 3” , para varilla pulida de 1 ½” , tiene un precio unitario de: $3,780.32 La Unidad de Bombeo Mecánico marca Lufkin tipo Convencional tiene un precio unitario de: $1’500,000.00 La utilización de accesorios nuevos para un sistema artificial de explotación de Bombeo Mecánico, tiene los siguientes valores: Varillas Coples combinación Bomba de inserción Varilla pulida Mordaza Brida colgadora Preventor Estopero preventor Unidad de Bombeo Mecánico

$183,041.79 $912.79 $49,571.44 $9,364.45 $1,222.58 $11,851.20 $7,412.82 $3,780.32 $1’500,000.00

La suma total del acondicionamiento para este sistema de explotación tiene un gasto aproximado en accesorios de GRAN TOTAL

$1’767,157.39

La producción bruta del pozo que se instalaron estos accesorios, es de aproximadamente 40 metros cúbicos, con un porcentaje de agua del 12%. La producción neta del pozo es de: P.N. = 40 - (40)(0.12) P.N. = 35.2 m3 Entonces, la producción neta en barriles es de: P.N. = (35.2)(6.2905) P.N. = 221.42 Barriles

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COSTOS

La cotización del dólar actualmente es de 9.74 pesos mexicanos, y el barril de petróleo es de 22.30 dólares, por lo tanto la producción diaria del pozo es aproximadamente de: 1 Barril = 217.20 Pesos Mexicanos La producción neta que aporta el pozo tiene un costo diario aproximado de: (Precio del Barril) (Producción Neta) (217.20) (221.42) $48,092.42 El costo aproximado de extraer el aceite, enviarlo a separación, almacenarlo, pagar el consumo de energía eléctrica del motor a Comisión Federal de Electricidad y venderlo es de aproximadamente de: 11 Dólares por cada Barril de aceite Como el pozo produce 221.42 barriles diarios, entonces: (11)(9.74) = $107.14 (107.14) (221.42) = $23,722.94 Este es el costo de extraer la producción de 221.42 barriles diarios, lo que reditúa en una ganancia diaria de: 48,092.42 – 23,722.94 = $24,369.48 Este resultado se tendrá que multiplicar por el número de días, para conocer en que tiempo se pagará el equipo, entonces: ($24,369.48) (73 días) = 1’778,972.04 Esto quiere decir que los accesorios y el equipo de Bombeo Mecánico se pagarán en aproximadamente 73 días después de su intervención. Después de los 73 días, el equipo ya es rentable, es decir, continúa pagándose hasta su próximo cambio de accesorios, pagando únicamente los gastos de extracción, separación y venta. Otro análisis de costos, se realizará con los accesorios reparados, es decir, únicamente con el cambio de la sarta de varillas de succión, la varilla pulida y los coples combinación de las varillas, los otros accesorios son proporcionados por los talleres donde se hacen la reparación de los mecanismos. El precio de la sarta de varillas es de: $183,041.79

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COSTOS

Los coples combinación para la sarta de varillas tienen un precio de: $912.79 La varilla pulida tiene un costo de: $9,364.45 Los Sellos de hule de los preventores doble “E” tipo LP-15 y del estopero preventor tienen un valor de: $586.88 Estos tres accesorios hacen un total de: $193,319.03 Estos los únicos gastos de accesorios del sistema de Bombeo Mecánico, por lo que resulta más rentable. A continuación se hace el análisis para saber en que tiempo se pagan estos accesorios: La producción neta del pozo es de 221.42 Barriles por día, por esta producción se obtienen $48,092.42 diarios. Además, por extraer un barril de petróleo crudo, separarlo, almacenarlo, pagar a Comisión Federal de Electricidad la energía consumida por el motor eléctrico que opera la unidad de Bombeo Mecánico, y comercializarlo tiene un costo de 11 dólares ($107.14). Multiplicando esta cantidad por el número de barriles que produce el pozo se tiene que: (107.14) (221.42) = $23,722.94 Esta cantidad es el costo de producir 221.42 barriles diarios. Entonces la ganancia es aproximadamente de: 48,092.42 – 23,722.94 = $24,369.48 Este resultado se tendrá que multiplicar por le número de días, para conocer en que tiempo se pagará el equipo, entonces: (24,369.48) (8 días) = $194,955.84 Por lo que los accesorios se pagarán en ocho días, después de los ocho días la ganancia diaria será de: $24,369.48 La utilización de accesorios reparados es más económica como se observa en el análisis de costos, aunque pueden causar anomalías indeseables en el sistema, por ello es recomendable la utilización de accesorios nuevos, ya que ellos proporcionan una mayor seguridad a situaciones imprevistas por ejemplo: ruptura de la sarta de varillas o de la varilla pulida, provocando fuga de hidrocarburos a la atmósfera, además de volver a intervenir el pozo y hacer cambio de los accesorios dañados. Otra importancia son los mecanismos de seguridad como son los preventores y estoperos preventores que tienen la función de aislar la presión interna del pozo cuando se requiera. El preventor más seguro es el doble “E” LP-15, ya que cierra herméticamente los sellos de hule aún sin varilla.

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CAPÍTULO II

CAPITULO II

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CAPÍTULO II

1.0 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE BOMBEO MECÁNICO El Sistema artificial de explotación de Bombeo Mecánico tiene como objetivo elevar los fluidos a la superficie cuando el pozo ha dejado de fluir por l a presión natural de yacimiento. Partiendo desde el nivel dinámico y un nivel neto del pozo, se efectuarán los cálculos necesarios para el diseño de la instalación con un mínimo de: Torsión. Carga en la varilla pulida. Rango de cargas en las varillas. Requerimientos de potencia del motor principal. Costos de combustible o energía. Costo de mantenimiento de la unidad. Roturas de varillas. Producción diferida por rotura de varillas o por reparación y mantenimiento de la unidad. Costo de instalación. Costo inicial. Adicionalmente, el Sistema de Bombeo Mecánico debe ser resistente, de larga vida, eficiente, fácil y barato de transportar; silencioso, no contaminante, y seguro de instalar y de operar. Las partes esenciales del sistema de bombeo mecánico son: 1) 2) 3) 4)

El equipo superficial de bombeo (U.B.M.) y las conexiones superficiales. La bomba subsuperficial impulsada por varillas y sus accesorios. La sarta de varillas de succión. La tubería de producción (T.P.) y accesorios para bombeo mecánico.

1.1 EQUIPO SUPERFICIAL DE BOMBEO MECÁNICO Su función es transferir energía del motor principal a la sarta de varillas de succión a través de la Unidad de Bombeo Mecánico para hacer esto, el equipo debe cambiar el movimiento rotatorio del motor principal, a un movimient o reciprocante en las varillas de succión y debe reducir la velocidad del motor principal a una velocidad adecuada de bombeo. La reducción de velocidad se logra en el reductor de engranes, y al resto del equipo concierne el cambio de movimiento rotatorio e n reciprocante. La unión directa entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial, es la varilla pulida. La varilla pulida está disponible en tres tamaños y para cualquier instalación en particular, ese tamaño depende del diámetro de la tube ría de producción y del diámetro de las varillas de succión en la parte superior de la sarta la varilla pulida pasa a través de un estopero y el fluido que ha sido elevado

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SUB-TEMA I

pasa a través de una conexión tipo “T” hacia las conexiones superficiales y éstas a su vez a una línea de descarga hasta la batería de separación. La varilla pulida va unida al cable colgador a través de una mordaza que sujeta a la misma después de recuperar el peso de la sarta de varillas, procurando darle el espaciamiento mínimo entre la válvula viajera y válvula de pie para evitar que la bomba succione gas y a la vez no golpee la válvula guía con el conector (que no se escuche golpeteo en la superficie). El peso de la sarta de varillas, del fluido y las tensiones y fricciones en la misma, son soportadas por la mordaza que aprieta a la varilla pulida. Esta mordaza recarga sobre el elevador, que es sostenido por el cable colgador. El cable colgador va sujeto a la cabeza de caballo colocado en el extremo del balancín. El diseño apropiado de estos componentes, la nivelación y la alineación de la U.B.M. con respecto al árbol del pozo, aseguran el viaje vertical de la varilla pulida a través del estopero, reduciendo el desgaste de los hules, manteniendo un buen sello y evitando fugas de fluido en la superficie. El poste Sampson sostiene al balancín en cierto punto de éste, dependiendo de la geometría de la Unidad de Bombeo Mecánico, el movimiento del balancín se transmite por medio de la biela, la cual recibe el movimiento de la manivel a; la distancia de la flecha del reductor al cojinete de la biela (muñón), define la longitud de carrera de la varilla pulida. La mayoría de las unidades tiene tres orificios para el muñón en el Activo de Producción Poza Rica (algunas cuentan con cuatro) y se definen como carrera mínima, intermedia y máxima, con su respectiva medida de longitud en pulgadas, excepto en la unidad hidroneumática Tieben, sin embargo, el objetivo es el mismo. Los tipos de unidades con que cuenta el Activo Producción Poza Rica son: a) Unidad Convencional En la Unidad de Bombeo Mecánico convencional, la cual se muestra en la figura 1 su balanceo es a través de contrapesos y su rotación (vista del lado izquierdo de la unidad), es en contra del sentido de las manecillas del reloj; pu ede operar en sentido contrario, ya que la rotación de los dos lados dá lubricación a los engranes del reductor pero no es correcto, ya que debe tener el mismo sentido de giro del motor eléctrico. b) Unidad Mark II En la Unidad de Bombeo Mecánico Mark II, la cual se muestra en la figura 3 su balanceo es a través de contrapesos y su rotación (vista del lado izquierdo de la unidad), es conforme a las manecillas del reloj, ya que su sistema de lubricación en el reductor es exclusivamente para esta rotación. No debe operar en rotación contraria porque dañaría considerablemente el reductor.

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SUB-TEMA I

c) Unidad Aerobalanceada En la Unidad de Bombeo Mecánico aerobalanceada, la cual se muestra en la figura 2 el balanceo es a través de aire suministrado por un motocompresor hac ia un cilindro amortiguador. El motocompresor se calibra a un paro y a un arranque automático, dependiendo del peso de la sarta de varillas para que el motor principal opere sin esfuerzos. Su rotación y el sistema de lubricación del reductor es igual al de la unidad convencional. Las partes principales de la unidad aerobalanceada son iguales a las de las unidades Mark II y Convencional, excepto el motocompresor y el cilindro amortiguador que son partes exclusivas de la unidad aerobalanceada. d) Unidad Hidroneumática Tieben La Unidad Tieben (ver figuras 4 y 5) se compone de dos sistemas básicos: Sistema Hidráulico.- Consta de un Cilindro Hidráulico de efecto doble (1), una Válvula de Control Direccional de cuatro vías (2) y una Bomba Maestra de Engranes (3). Este sistema proporciona el movimiento necesario, ascendente y descendente, para el funcionamiento de la Bomba subsuperficial (ver figura 5). Sistema de Balanceo Hidroneumático.- Consta de un Cilindro Hidráulico de efecto simple (4), un paquete de Tanques de Nitrógeno (6), un Cilindro Hidroneumático de efecto doble (5) (acumulador), y una Bomba Auxiliar de Engranajes (7) ver figura 5. Este balanceo funciona en base a dos magnitudes: una constante y otra variable. La Constante.- Es la cantidad de fluido hidráulico necesario para ocupar la mitad de los dos cilindros, por debajo de cada émbolo y el tubo que los comunica: 5 galones en unidades de 60” de Carrera, 10 galones en unidades de 120” y 15 galones en las de 180”. La Variable.- Es la cantidad de nitrógeno que se aplica a los tanques y a la parte superior del acumulador, la cual será proporcional al peso de la sarta de varillas de succión, junto con la columna de crudo. Este sistema equivale a los contrapesos de las unidades convencionales y Mark II, y al cilindro neumático de las unidades aerobalanceadas. La presión del nitrógeno sobre la parte superior del émbolo del acumulador equivale al peso de la sarta. El sistema hidráulico descrito al principio, se encarga de romper este equilibrio en uno y otro sentido alternativamente, o sea, en la carrera ascendente y en la descendente.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.1 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO CONVENCIONAL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.2 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO AEROBALANCEADA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.3 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO MARK II JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.4 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO HIDRONEUMÁTICA (TIEBEN) JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.5 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO HIDRONEUMÁTICA (TIEBEN) JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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1.2 EL MOTOR PRINCIPAL La función del motor principal es proporcionar a la instalación energía mecánica que eventualmente será transmitida a la bomba y usada para elevar el fluido. El motor principal seleccionado para una unidad dada, debe, por supuesto, tener suficiente potencia para elevar el fluido al ritmo deseado desde el nivel de trabajo del fluido en el pozo. El motor principal puede ser una máquina de combustión interna (gas natural o diesel) o puede ser un motor eléctrico. La selección del tipo de motor principal depende de los recursos locales, del suministro y costo del combustible (diesel, gas natural) o energía eléctrica, de la capacidad para el mantenimiento y de la existencia de personal experimentado. El uso de motores eléctricos facilita el análisis del comportamiento de la unidad de bombeo en dos aspectos: 1. Permite medir con un amperímetro de gancho, el rango de trabajo y así observar cuando existe una pérdida o sobrecarga del peso en la sarta de varillas sin interferir con la operación del pozo. 2. Tienen un bajo costo inicial, menor costo de mantenimiento y son más fáciles de ajustar a un sistema automático. Por otra parte, las máquinas de gas tienen la ventaja de u n control de velocidad más flexible y pueden operar en un rango más amplio de condiciones de carga. El costo del combustible puede ser inferior al de la energía eléctrica, aunque conforme se incrementan los costos del combustible, esta condición puede invertirse. Cualquier diseño para la instalación del bombeo mecánico, debe considerar el comportamiento de todos los elementos del sistema y las interacciones entre ellos. Sin embargo, aún existen aspectos de ingeniería de este sistema de producción artificial que no han sido resueltos satisfactoriamente, por lo que es necesario comprender el proceso de bombeo, debido a la tendencia de bombear pozos cada vez más profundos. Motores de Combustión Interna y Eléctricos a) Motores de combustión interna Se llama motor de combustión interna a todo motor en el cual la materia que trabaja es producto de la combustión del aire y del combustible; esta combustión generalmente se lleva a cabo en el cilindro de trabajo.

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Entre los motores de combustión interna, se tienen: 1. Motores diesel o motores por compresión. 2. Motores de gasolina o motores de explosión por chispa. 1. Motores Diesel o Motores por Compresión Se llama motor diesel a todo motor de combustión interna en el cual el combustible se inyecta cuando la compresión está a punto de terminarse, y el combustible entra en ignición, únicamente debido al calor producido por la compresión del aire carburante. En este tipo de motores sólo se aspira aire inicialmente y se comprime unas 16 veces su volumen inicial, quedand o, por lo tanto, contenido en muy poco espacio. Al hallarse de esta forma comprimido, el aire aumenta mucho su densidad, así como su presión y temperatura, llegando a alcanzar valores de 600º C. Al final de esta compresión, cuando el cilindro está aproximadamente en el punto muerto superior, se inyecta dentro del cilindro un combustible pesado que puede ser aceite crudo, residuos de refinería o aceites destilados, el cual, al entrar en contacto con el aire muy caliente que se halla comprimido, produce la combustión, quemándose las partículas de combustible a medida que van entrando en la cámara. Al mismo tiempo que esto ocurre, el émbolo se va moviendo, aumentando el volumen de la cámara de combustión.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.6 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A DIESEL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.7 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

2. Motor de Gasolina o Motor de Explosión por Chispa En este tipo de motores se aspira una mezcla de aire–carburante, la cual reduce aproximadamente 6 veces su volumen inicial. Los motores de combustión interna (por efectuarse la combustión dentro del mismo motor) o de explosión aprovechan la expansión de los gases producidos por la combustión viva de una mezcla carburante, en la cámara de combustión del cilindro; los gases empujan un émbolo y éste es convertido en movimiento giratorio del cigüeñal, por medio de una biela. Pueden funcionar con arreglos a ciclos de cuatro o de dos tiempos, en el primer caso, los ciclos se suceden como sigue: Admisión.- el émbolo, arrastrado por el cigüeñal, baja y aspira en el cilindro la mezcla carburante procedente del carburador. Compresión.- el cigüeñal hace subir el émbolo, el cual comprime fuertemente la mezcla carburante en la cámara de combustión. Explosión.- la chispa que salta entre los electrodos de la bujía inflama la mezcla, produciéndose una violenta dilatación de los gases de combustión que empujan el émbolo, en la cual el émbolo produce trabajo y arrastra el cigüeñal.

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Escape.- el émbolo vuelve a subir y expulsa los gases de la combustión. La apertura de las válvulas de admisión y de escape, así como la producción de la chispa en la cámara de combustión, se obtiene mediante mecanismos sincronizados con el cigüeñal.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.8 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A GASOLINA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.9 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A GASOLINA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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b) Motor Eléctrico Es una máquina que convierte la energía eléctrica en movimiento rotatorio o energía mecánica, con objeto de que efectúe un trabajo útil. Los motores elementales funcionan a base de interacción de dos campos magnéticos: uno se produce alrededor de un conductor que lleva corriente y otro es un campo magnético fijo. Un motor común produce movimiento rotatorio continuo. Esto lo hace originando una fuerza de giro o par, sobre un conductor que lleva corriente, al cual se le ha dado forma de espiral. Cuanto mayor sea el par, más trabajo útil puede desempeñar el motor. Entre los motores eléctricos se tienen:

1. Motor de corriente continua. 2. Motor de inducción de corriente alterna. 3. Motor de velocidad variable. MOTORES ELÉCTRICOS 1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA Los campos magnéticos en estos motores son producidos por devanados estacionarios llamado estator y por devanados rotatorios en el núcleo del rotor. El circuito de un extremo a otro de los devanados del inducido en el motor típico de corriente continua, se completa mediante escobillas de carbón estacionarias. Las escobillas están en contacto con los segmentos del colector, que se conectan en los devanados del rotor. Cuando se suministra potencia a la armadura a través de las escobillas, también se origina un flujo magnético alrededor de la armadura. Este flujo es el que interactúa con el campo magnético donde está suspendida la armadura para producir el par que hace funcionar el motor. El principio de funcionamiento del motor de corriente continua (C.C.) consiste en la circulación por las bobinas de la armadura o inducido, de una corriente que hace que este se magnetice generando una atracción entre los polos de la armadura y los polos del campo del signo contrario, haciendo girar la armadura. Los motores y los dínamos de corriente continua, tienen esencialmente los mismos componentes y se parecen mucho en su aspecto exterior, la diferencia radica en que el dínamo de corriente continua, convierte la energía mecánica en energía eléctrica, y el motor de corriente continua convierte energía eléctrica en energía mecánica. Este tipo de máquinas de corriente continua, tropiezan con ciertas dificultades por el trabajo de conmutación que requiere escobi llas, portaescobillas, carbones, líneas neutras etc.; no así los motores de corriente alterna.

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2. MOTOR DE INDUCCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA Los motores de corriente alterna son los más empleados debido a su robustez, simplicidad, ausencia de colector y a las características de funcionamiento tan adecuadas para el trabajo a velocidad constante. El motor funciona basándose en el principio de que, cuando un flujo magnético corta a un conductor cerrado, se induce corriente en él. Estos reaccionan con el flujo y c rean una fuerza en la dirección del movimiento del campo magnético, de acuerdo con el principio de la acción motriz, si gira el flujo y corta a un disco o cilindro conductor, se desarrolla un par y el disco o cilindro tiende a girar en el mismo sentido que el flujo al conductor, anulándose las corrientes inducidas y por lo tanto, el par. Deberá pues, haber deslizamiento entre el campo giratorio y el conductor. En el motor de inducción existe un órgano fino llamado estator y otro giratorio llamado rotor. La acción del campo magnético induce corriente en el rotor al atravesar los conductores de éste, generando un campo magnético que reacciona con el campo del estator, ejerciendo en el rotor una torsión que lo hace girar. Los tipos de rotores que se utilizan en los motores de inducción son: el rotor de jaula de ardilla y el rotor de enbobinado. En el Activo de Producción Poza Rica éstos son los rotores más utilizados. Por su versatilidad, son ideales para trabajar a velocidades constantes determinadas por la frecuencia de la corriente alterna aplicada a sus terminales pueden diseñarse para trabajar con una línea de corriente alterna monofásica ó polifásica, no importando, pues el principio de operación es el mismo: la corriente alterna aplicada al motor produce un campo magnético giratorio, el cual a su vez hace girar al rotor. En el Activo de Producción Poza Rica, se utilizan los motores de corriente alterna para los trabajos en diferentes secciones y departamentos, debido a su versatilidad, costo y economía. El motor Econo-Pac II, del cual se hablará, se utiliza para realizar el trabajo mecánico, mediante un juego de bandas y poleas sincronizadas, alineadas por su cara interna. El motor eléctrico Econo-Pac II (ver figura 10) es el único que cuenta con cuatro pares de arranque, los cuales se utilizan de acuerdo al diseño y condiciones que se requieran.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.10 MOTOR ELÉCTRICO ECONO-PAC II JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

El motor eléctrico, parte principal de la Unidad de Bombeo Mecánico, se puede modificar en sus conexiones para realizar el trabajo que se requiera, aumentando o disminuyendo el amperaje. También cuenta con un tablero de control para proteger su buen funcionamiento, con piezas especiales como son: el contactor, relevador, transformador, timer, tablilla, conexiones, relay sobre corriente con elementos bimetálicos, los cuales se abren por el paso excesivo de amperaje protegiendo así el motor, cuenta en el interior del devanado con termosensores de calor conectados en serie al mismo tiempo con el tablero. Se encuentra equipado con dos resistencias precalentadoras, evitando así la presencia de humedad, estas trabajan cuando el motor se encuentra desenergizado. 3. Motor de Velocidad Variable Este tipo de motor presenta tres elementos esenciales que accionan juntos para operar una Unidad de Bonbeo Mecánico., de acuerdo a las necesidades del pozo son: 1. Acoplamiento magnético entre el motor y la flecha motriz de la unidad de fuerza. 2. Controles electrónicos ajustables de velocidad para la carrera ascendente y la carrera descendente de la Unidad de Bombeo Mecánico dentro del mismo ciclo.

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3. Sistema de retroalimentación que monitorea el motor y sus salidas, ajustándolas para mantener más eficientes los niveles de operación.

Por estos elementos, el motor de velocidad variable se operará primero y después el embrague, esto permite que la flecha reciba el esfuerzo con una velocidad constante del motor; posteriormente se le da la velocidad adecuada de bombeo, ya sea en la carrera ascendente o descendente y aumentando o disminuyendo las emboladas por minuto de acuerdo a la producción del pozo. 4. Sistema de retroalimentación que monitorea el motor y sus salidas, ajustándolas para mantener más eficientes los niveles de operación.

1.3 CONEXIONES SUPERFICIALES Las conexiones superficiales tienen la función de conducir los hidrocarburos producidos por el pozo a la línea de descarga y por ende, hasta la ba tería de separación; todas ellas deben ser para presiones no menores de 1000 lbs/plg 2 , elaboradas en tubería de 2” efectuando corte y cuerda a fin de adecuarlas a las longitudes necesarias; debido a que las dimensiones varían de acuerdo a cada instalación, generalmente serán elaboradas al momento de ser instaladas en un pozo de reciente conversión al sistema de bombeo mecánico. Cuando se trate de un reacondicionamiento se instalarán las mismas conexiones superficiales que tenía el pozo antes de la intervención con el equipo de terminación y reparaciones de pozos

Dos accesorios superficiales (varilla pulida y mordaza), tienen la función de transmitir el movimiento alternativo a la sarta de varillas de succión; otros dos accesorios (Estopero y Preventor) tienen la función de dar seguridad, a fin de evitar derrames de hidrocarburos al medio ambiente y las válvulas de retención o check cuya función es dejar pasar los fluidos en una sola dirección, evitando su regreso al interior del pozo y así en superficie, se complementa el ciclo ideal de bombeo.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.11 ESQUEMA DEL ÁRBOL DE VÁLVULAS Y CONEXIONES SUPERFICIALES JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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1.4 Partes Principales Nomenclatura de Accesorios y Conexiones Superficiales ACCESORIOS 1.-

Varilla Pulida de 1 ½” .

2.-

Grampa para varilla pulida de 1 ½” dependiendo la profundidad del pozo.

3.-

Estopero, con hules para varilla pulida de 1 ½” de 3” macho.

4.-

Preventores con roscas de 3” con conexión hembra en un extremo y conexión macho en el otro, roscas “v” estándar.

con uno, dos o tres tornillos y rosca inferior estándar

CONEXIONES , de acero al carbón 3000 lbs/plg 2 , rosca estándar.

5.-

Tee de 3”

6.-

Brida colgadora de 6” de diámetro exterior, rosca macho superior de 3” Rosca hembra inferior de 2 7 / 8 ” hembra, roscas estándar.

7.-

Válvula lateral de tubería de revestimiento de 2”

8.-

Válvula de 2”

9.-

Tee de 2”

.

3000 lbs/plg 2 bridada.

1000 lbs/plg 2 , rosca hembra en los extremos, estándar.

1000 lbs/plg 2 , rosca estándar.

10.-

Reducción botella de 2”

a ½”

11.-

Válvula de aguja de ½”

5000 lbs/plg 2 , rosca estándar.

12.-

Válvula check de 2”

13.-

Codo de 2”

14.-

Tuerca unión de golpe 2”

15.-

Válvula de flote de 2”

16.-

Reducción botella de 3” x 2”

17.-

Niple de 2”

para 2000 lbs/plg 2 de trabajo, rosca estándar.

18.-

Niple de ½”

para 2000 lbs/plg 2 de trabajo, rosca estándar.

, rosca estándar.

1000 lbs/plg 2 , rosca estándar.

1000 lbs/plg 2 , rosca estándar. 1000 lbs/plg 2 , rosca estándar. 1000 lbs/plg 2 , bridada o roscada. rosca estándar.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.12 ÁRBOL DE VÁLVULAS Y CONEXIONES SUPERFICIALES JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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MORDAZAS Este dispositivo, mostardo en la figura 13, sirve para sujetar la varilla pulida por apriete. Se coloca en forma permanente cuando se le ha dado el espaciamiento adecuado a la bomba subsuperficial para que la Unidad de Bombeo Mecánico quede operando en condiciones normales después de que se efectúo una intervención a un pozo con el equipo de Reparación y Terminación de.Pozos. También se utiliza para movimientos que se efectúan con la sarta de varillas, ya sea para eliminar un golpe en la bomba subsuperficial, sacar un registro dinamométrico o reanclar una bomba. Cuando las mordazas quedan permanentes se apoyan sobre el elevador o block cargador y junto con el cable colgador soportan todo el peso de la sarta de varillas y el peso del fluido. Estas mordazas pueden usar uno, dos o tres tornillos para el apriete, incrementándose la seguridad con el número de los mismos. Es recomendable el uso de mordazas con menos tornillos para pozos someros, conforme aumenta la profundida d es preferible la utilización de mordazas con mayor número de tornillos.

Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 35000 lbs. Máxima carga recomendada 25000 lbs

Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 55000 lbs. Máxima carga recomendada 25000 lbs

Acero forjado y tratado térmicamente Probada a 75000 lbs. Máxima carga recomendada 40000 lbs

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.13 TIPOS DE MORDAZAS JOHNSONFAGG JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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VARILLA PULIDA Es la unión directa entre la sarta de varillas de succión y el equipo superficial, pasa a través de las conexiones verticales del árbol. El diámetro utilizado en el Activo de Producción Poza Rica es de 1 ½” . Está fabricada en acero aleado al manganeso, níquel y molibdeno. Superficialmente, la varilla pulida tiene acabado espejo con el propósito de no dañar los sellos del estopero fijo al árbol de válvulas en el movimiento ascendente y descendente de la Unidad de Bombeo Mecánico. En la figura 14 se representa una varilla pulida.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.14 VARILLA PULIDA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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ESTOPERO Mecanismo de seguridad que se localiza en la parte superior del árbol de válvulas para pozos con sistema de bombeo mecánico, sobre la TEE de 3”Ø y cuya función principal es la de contener los fluidos para que no se manifiesten a su exterior por medio de un conjunto de sellos construidos con mate riales resistentes al rozamiento, los cuales se van a ajustar al diámetro de la varilla pulida de 1 ½” Ø, cuando ésta tenga un movimiento ascendente o descendente proporcionado por la Unidad de Bombeo Mecánico; debido a este movimiento, los sellos sufren desgaste por lo que es necesario sustituirlos periódicamente y solamente se pueden cambiar con la Unidad de Bombeo Mecánico inoperante. En preventor seguridad Activo de

la actualidad se han diseñado estoperos provistos de un mecanismo de con la finalidad de mejorar su función dentro de los mecanismos de en el árbol de bombeo mecánico. Los estoperos más utilizados en el Producción Poza Rica son:

Estopero preventor Hércules DPSB Estopero preventor Ratigan 176 En las figuras 15 y 16, respectivamente, se muestran estos dos tipos de estoperos.

Estopero

Conos selladores del estopero Tornillos del preventor

Sellos del preventor Preventor

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.15 ESTOPERO PREVENTOR HÉRCULES DPSB JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.16 ESTOPERO PREVENTOR RATIGAN 176 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

PREVENTORES Son mecanismos de seguridad que han sido diseñados para impedir, en caso necesario, el paso de fluidos al exterior. Sólo se pueden accionar cuando la Unidad de Bombeo Mecánico no está operando, debido a que en su interior tiene unos sellos de hule llamados “Rams”, que aprietan a la varilla pulida para sellar y evitan el paso del hidrocarburo. En el caso del preventor doble “E” LP-15, los sellos de hule, pueden sellar aún sin varilla pulida debido a que tienen un rango de diámetros de 0 a 1 ½” . Los preventores son vitales para cambiar los sellos del estopero colocado en la parte más alta del árbol; y para evitar la salida del hidrocarburo a la atmósfera, cuando por alguna rotura de la varilla pulida ésta se precipite al interior del pozo junto con las sarta de varillas. En este percance el preventor ideal es el doble “E” LP -15. Estos mecanismos están instalados en el árbol de válvulas para bombeo mecánico, sobre la brida colgadora. Las marcas de preventores más utilizadas en el Activo de Producción Poza Rica son: doble “E” LP -15, ratigan 212 y Hubber Hércules 530. En las figuras 17, 18 y 19, respectivamente, se muestra n todos estos tipos de preventores.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.17 PREVENTORDOBLE “E” LP -15 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.18 PREVENTOR RATIGAN 212 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.19 PREVENTOR HÉRCULES 530 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

VÁLVULAS DE RETENCIÓN El objetivo principal de este tipo de válvulas, comúnmente conocidas como check, es el de permitir el paso de un flujo por una línea en una sola dirección, impidiendo así, el regreso del fluido cuando se presenten c ontrapresiones altas. Los tipos de válvulas de retención son: De pistón De charnela En las figuras 20 y 21, respectivamente, se muestran estos tipos de válvulas.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.20 VÁLVULA DE RETENCIÓN DE PISTÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.21 VÁLVULA DE RETENCIÓN DE CHARNELA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

El Reductor de Engranes

Su función es reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de bombeo adecuada. Es necesario determinar exactamente la probable torsión máxima a la que estará sujeto el reductor de engranes, ya que el método del Instituto Americano del Petróleo (API por sus siglas en inglés) usa la torsión máxima como base para el rango de las unidades de bombeo. La designación del Instituto Americano del Petróleo para una unidad es simplemente la torsión máxima permisible en el reductor de engranes en miles de pulgadas-libras. Por ejemplo: una unidad normada por el Instituto Americano del Petróleo tamaño 114, tiene un rango de torsión máximo de 114,000 plg-lbs. El Instituto Americano del Petróleo tiene estandarizados 16 rangos de torsión máxima, que varían desde 6.4 hasta 1’824,000 plg-lbs.

La polea del reductor de engranes es el elemento que recibe la potencia del motor principal a través de bandas. La relación del diámetro de la polea del reductor de engranes al diámetro de la polea del motor, y la reducción de velocidad en el reductor de engranes, determinan la reducción total de velocidad del motor principal hasta la varilla pulida. Los tamaños disponibles de poleas de la unidad y el número y tipo de bandas que deben usarse, pueden determinarse de las especificaciones del fabricante de unidades de bombeo.

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1.5 BOMBA SUBSUPERFICIAL DE BOMBEO

Tipos de Bombas Sus funciones son: admitir el fluido de la formación al interior de la tubería de producción y principalmente elevar el fluido admitido hasta la superficie. Las bombas subsuperficiales movidas por varillas se dividen en tres tipos: a) Bombas de tubería de producción. b) Bombas de inserción. c) Bombas de tubería de revestimiento. a) BOMBAS DE TUBERÍA DE PRODUCCIÓN Las bombas de tubería de producción, por ser de un diámetro mayor, pueden manejar volúmenes más grandes de líquidos que las bombas de inserción, sin embargo, la carga de fluido sobre la unidad de bombeo no debe ser mayor. La desventaja de estas bombas estriba en que el barril forma par te de la misma tubería de producción, para efectuar alguna reparación o reposición de partes es necesario extraer la tubería de producción completa; lo que significa una operación más complicada, y por consiguiente, más costosa. Un factor importante que debe tomarse en cuenta es el alargamiento de las varillas por la carga de fluido, lo que se traduce en una disminución en la carrera efectiva del émbolo, siendo más crítica a medida que aumenta la profundidad del pozo. Las bombas de tubería de producción operan mejor en pozos que tienen alto nivel de fluidos y en donde la verticalidad del mismo haya sido comprobada. b) BOMBAS DE INSERCIÓN Se les denomina bombas de inserción porque el conjunto total de la bomba (barril, émbolo y válvula estacionaria) que va conectado en el extremo inferior de la sarta de varillas se inserta en un niple de asiento (zapata -candado) instalado en la tubería de producción. Esto representa una ventaja sobre las bombas de tubería de producción, ya que para hacer una reparación o sustitución de la bomba no es necesario extraer la tubería de producción. La bomba de inserción se desancla y se extrae con la sarta de varillas. Este tipo de bomba es el que más se utiliza en el Activo de Producción Poza Rica, y se muestra en la figura 22.

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CANDADO CONECTOR VARILLA DE SUCCIÓN

VÁLVULA GUÍA DE LA VARILLA DEL ÉMBOLO COPAS O SELLOS

MANDRIL DE COPAS

EXTENSIÓN SUPERIOR

ÉMBOLO O PISTÓN CAMISA DE LA BOMBA

VÁLVULA VIAJERA EXTENSIÓN INFERIOR

VÁLVULA DE PIE

SELLO BABBITT NARIZ DE ANCLAJE

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÈCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.22 BOMBA SUBSUPERFICIAL DE INSERCIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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c) BOMBAS DE TUBERÍA DE REVESTIMIENTO Este tipo de bombas son sólo una versión más grande de las bombas de inserción. Materiales Utilizados en la Fabricación de la Bomba Cualquier bomba subsuperficial, movida por varillas, está constituida de los siguientes elementos esenciales: 1) Barril de trabajo. 2) Émbolo. 3) Válvulas. Los costos de producción de aceite se incrementan notablemente por fallas frecuentes de la bomba subsuperficial, tanto por los costos de extracción del equipo como por la producción diferida. Por esta razón, es de primordial importancia que de acuerdo con las condiciones del pozo, se seleccione correctamente el tipo de bomba por usar, tomando en cuenta las características de los materiales utilizados en su fabricación. 1) BARRIL DE TRABAJO Materiales utilizados en su construcción HI-BRIN. Diseño para pozos con alto contenido de arena y gas sulfhídrico. Se fabrica utilizando un proceso de endurecimiento denominado “nitrocicle”. NITRELINE. Barril construido para alta resistencia mecánica y alta resistencia a la corrosión. Lleva el mismo proceso de endurecimiento que el anterior (“proceso nitrocicle”). Uso general. HI-HARD. El barril se fabrica con un contenido de cromo del 5% y con el proceso de endurecimiento “nitrocicle”. Proporciona alta resistencia a la abrasión y a la corrosión por CO 2 . KROM-I-DEE. El barril lleva una capa de endurecimiento de cromo proporcionándole alta resistencia a la abrasión y a la corrosión. Se recomienda usarlo en pozos que producen arena y CO 2 . SILVERLINE. Este barril se recomienda usarlo en pozos con fluidos no corrosivos y en donde la arena no sea un problema serio. 2) ÉMBOLO Existen dos tipos de émbolo: metal a metal o de empaque suave. Los émbolos metal a metal se fabrican con superficie lisa o ranurada.

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Aparentemente no existe ninguna diferencia en utilizar un émbol o de superficie lisa o de superficie ranurada. Una posible ventaja del émbolo ranurado sobre el émbolo liso es que una partícula sólida puede alojarse mejor en la ranura del émbolo evitando que se raye. Un aceite de baja viscosidad (de 1 a 20 cp) puede bombearse con un émbolo metal a metal y con un ajuste de –0.001 plg. Un aceite de alta viscosidad (más de 400 cp) que probablemente lleve arena en suspensión, puede manejarse con un émbolo metal a metal con un ajuste de – 0.005 plg. Los émbolos con empaquetadura suave pueden ser con copas o con anillos. En pozos con profundidades mayores de 7000 pies se usan émbolos metal a metal. Materiales utilizados en su construcción: CO-HARD. Émbolo resistente a la corrosión y a la abrasión. SUPER HARD. Hierro-níquel. Resistente a la corrosión de H 2 S. ACERO CON RECUBRIMIENTO DE CROMO. Altamente resistente a la corrosión por CO 2 y a fluidos arenosos. ÉMBOLOS CON EMPAQUE SUAVE. Son resistentes a la corrosión por CO 2 y H 2 S. Se recomienda usarlos a profundidades menores de 5000 pies. ÉMBOLOS DE COPAS. Se recomienda usarlos para bombeo de aceite y agua con bajo contenido de arena. Las copas se expanden en la carrera ascendente por la diferencia de presión y se contraen en la carrera descendente disminuyendo la fricción con el barril. La dureza del material, así como el número de copas deben seleccionarse de acuerdo con la profundidad de la bomba. ÉMBOLOS DE ANILLOS. Constan de las mismas partes que el émbolo de copas, sólo que los anillos son flexibles y los espaciado res son en forma de “L”. Los anillos son de hule resistente al aceite.

ÉMBOLO CON COMBINACIÓN DE COPAS Y ANILLOS. Se recomienda usarlo para la limpieza de pozos sucios o después de un fracturamiento. Es muy efectivo para bombear fluidos que contienen granos de arena tan fina que no pueden ser retenidos por empaques de grava o cedazos.

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SUB-TEMA I

ÉMBOLO CON VÁLVULA SUPERIOR. Se usa en pozos profundos cuyo contenido de gas sea muy bajo. ÉMBOLO CON VÁLVULA DE FONDO. Se usa en pozos gaseosos colocando la válvula viajera lo más cercano a la válvula de pie, para evitar el candado de gas. ÉMBOLO CON VÁLVULA EN LA PARTE SUPERIOR Y EL FONDO. Este arreglo combina las ventajas descritas con los dos émbolos anteriores. 3) VÁLVULAS a) Válvula de pie (de entrada).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en admitir los fluidos producidos por el pozo durante la carrera ascendente y evitar el regreso de los mismos hacia el espacio anular en la carrera descendente. b) Válvula viajera (de salida).- Su función, en el ciclo de bombeo, consiste en desalojar los fluidos hacia la superficie durante la carrera ascendente y durante la carrera descendente permitir el paso del fluido alojado en la camisa de la bomba a través del mismo al punto muerto inferior, dando inicio a un nuevo ciclo de bombeo. Materiales utilizados en su construcción: La stellita y el carburo de tungsteno son materiales apropiados cuando los fluidos del pozo son altamente corrosivos debido a la presencia de ácido sulfhídrico (H 2 S) o bióxido de carbono (CO 2) y cuando se maneja mucha arena, ya que estos materiales son muy resistentes a la abrasión. Principio de Funcionamiento de una Bomba Subsuperficial y el Ciclo de Bombeo En términos generales el ciclo de bombeo se desarrolla de la siguiente forma: Cuando el émbolo inicia su carrera ascendente, se cierra la válvula viajera por el peso del aceite sobre ésta; la válvula de pie se abre y da paso al aceite del pozo, llenando la camisa de la bomba. Al descender el émbolo, se abre la válvula viajera y da paso al aceite de la camisa de la bomba hacia arriba, llenando el interior del émbolo, y cerrando la válvula de pie que impide que se regrese el aceite al pozo. El émbolo es accionado desde la superficie por una Unidad de Bombeo Mecánico, por medio de la varilla pulida y las varillas de succión, de manera que

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SUB-TEMA I

al levantar el émbolo desaloja hacia la superficie un volumen de aceite igual al contenido en la camisa de la bomba, cuyo volumen va a ser igual al producto del área de la sección transversal interior de la camisa, multiplicado por la carrera del pistón, aproximadamente, ya que siempre se tiene alguna presencia de volumen de gas en el fluido procedente del yacimiento.

El número de emboladas por minuto, dependerá de los cálculos que se hagan de las condiciones del pozo, tanto en capacidad de producción como profundidad del mismo, ya que unas veces estará limitada esa velocidad por la recuperación del yacimiento, falta de aceite y otras por la profundidad del pozo.

Ciclo ideal de Bombeo Este ciclo se representa en la figura 23, y se desarrolla de la siguiente forma: 1. En el Punto A, la válvula viajera cierra y se inicia la carrera ascendente del pistón. 2. Del Punto A al Punto B la carga de fluido es transferida de la tubería de Tubería de Producción, a la sarta de varillas de succión. 3. En el Punto B la válvula estacionaria abre y permite la entrada de fluidos del pozo a la cámara de compresión de la bomba. 4. De punto B al punto C la carga de fluido es elevada por el émbolo, al mismo tiempo que se está llenando la cámara de compresión. 5. En el Punto D se inicia la carrera descendente y cierra la válvula estacionaria, la válvula viajera permanece cerrada. 6. En el Punto E, abre la válvula viajera y la carga es transferida de la sarta de varillas a la tubería de producción. 7. Del Punto E al punto F, se desplaza el fluido de la cámara de compresión a la Tubería de Producción. 8. Se repite el ciclo.

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SUB-TEMA I

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.23 CICLO IDEAL DE BOMBEO JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

1.6 SARTA DE VARILLA DE SUCCIÓN La función de la sarta de varillas de succión es: transmitir el movimiento de bombeo superficial y la potencia a la bomba subsuperficial. También incluye, si es necesario, la sarta de tubería de producción, dentro de la que operan las varillas de succión, la cual conduce hasta la superficie los fluidos bombeados. Las varillas de succión disponibles en el mercado son de cinco diferentes diámetros estándar. Su diseño consiste esencialmente en determinar la sarta más ligera, y por lo tanto, la más económica, que pueda utilizarse sin exceder el esfuerzo de trabajo de las propias varillas. El máximo esfuerzo de trabajo para las varillas depende de su composición química y propiedades mecánicas, además de la naturaleza del fluido bombeado, es decir, si éste es o no corrosivo. Como regla general, es deseable mantener el esfuerzo de las varillas por debajo de las 30000 lbs/plg 2 , sin embargo, la experiencia en diferentes áreas productoras puede indicar límites menores.

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SUB-TEMA I

Cuando las bombas están colocadas a profundidades mayores de 3500 pies, generalmente es recomendable usar sartas telescopiadas, es decir, consistentes en diferentes diámetros de varillas. Las varillas de diámetro m ás pequeño se colocan en el fondo de la sarta, inmediatamente arriba del émbolo, ya que la carga en las varillas es más grande. A profundidades menores de 3500 pies, donde la carga en las varillas es más grande, se emplean varillas de diámetros mayores, es to resulta que la carga en las varillas sea grande, ya que una varilla de mayor diámetro pesa más que una de menor diámetro. Este arreglo resulta con una carga más pequeña en el equipo superficial, que la que se obtendrá con una sarta de telescopiada y representa un ahorro en el costo de las varillas de succión. Límite de Inversión de Esfuerzo sobre la Varilla Pulida Se ha asumido la ley de Hooke para determinar el límite elástico en las sartas, esto es para cuando el esfuerzo de tensión aplicado da como resultado la deformación (elongación) de la sarta; el esfuerzo de tensión al cual esta falla ocurre es cuando el material llega a su límite elástico. El límite elástico no puede ser usado convencionalmente, sin embargo, puede ser usado como un criterio para establecer el esfuerzo de tensión máximo de trabajo permisible de la sarta, entonces se repite el ciclo de transmisión de esfuerzo de cargas en las varillas dando como resultado la fatiga y falla de las mismas, lo cual ocurre generalmente abajo del límite elástico. Podemos considerar el límite de la duración, al máximo esfuerzo de tensión cuando puede ser aplicado para un número infinito de cargas o esfuerzos de tensión de inversión. Sin embargo, se ha determinado el límite de la duración de un material, el cual, obviamente, no puede hacerse para soportar un número infinito de cargas. Para el acero, el límite de duración puede ser tomado como un máximo esfuerzo de tensión, el cual permite 10’000,000 (diez millones) de inversiones antes de que falle el material. El límite de duración de la sarta depende de: Los componentes que presenta el acero (carbón, manganeso, silicón, níquel, cromo y molibdeno). Los agentes corrosivos que se presentan en los fluidos del pozo (ácido sulfhídrico, bióxido de carbono, oxígeno). El rango de esfuerzos de tensión en las varillas.

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SUB-TEMA I

Características del acero de las varillas de succión El principal componente de la sarta de varillas de succión es el acero. Muchas varillas contienen arriba del 90% de acero en su comp osición, pero esto les da una consistencia suave y débil, por lo que es recomendable agregar otros elementos para proporcionar al acero la fuerza necesaria que debe tener, así como otras propiedades. Los diferentes materiales que pueden ser agregados para lograr una cierta aleación con acero son los siguientes: Carbón.- Este elemento es agregado para incrementar la fuerza, la dureza y la susceptibilidad para tratamiento con calor, sin embargo, al incrementarse el contenido de carbón la resistencia a la corrosión, la ductibilidad y el impacto a la resistencia tienden a decrecer. Manganeso.- Hace al acero menos quebradizo y actúa como un desoxidante para reducir la formación del óxido de acero, el cual tiende a debilitar la aleación. Algunas varillas contienen arriba del 1% de manganeso. Silicón.- Es muy parecido al manganeso, es útil como un desoxidante en la refinación de aceros de alto grado. Algunas varillas contienen alrededor de 0.15 al 0.35% de este elemento. Níquel.- Es agregado para combatir las condiciones corrosivas encontradas en los pozos de aceite, también tienen un efecto de endurecimiento sobre el acero para evitar la disolución del fierro. Vanadio.- Incrementa el endurecimiento del acero aún cuando se presente en pequeñas cantidades, fomenta una estructura granular buena y retarda el ablandamiento del acero cuando se somete a altas temperaturas. Cobre.- Es agregado para resistir los ambientes corrosivos. Los aceros que contienen más del 0.6% de cobre tienen una tendencia muy pronunciada hacia el endurecimiento precipitado. Boro.- Es usado para incrementar el endurecimiento del acero, es muy poderoso y únicamente se agrega en porcentajes del 1%. Cromo.- Contribuye al endurecimiento del acero y mejora la resistencia a la corrosión del acero en el aire y en otros medio-ambientes, aunque el níquel es más efectivo. Molibdeno.- Es uno de los agentes más potentes que se agrega como elemento de aleación, aunque no es tan efectivo como el carbón, es un refuerzo en la sarta de varillas para evitar su respuesta al tratamiento con el calor. Clases de varillas Clase K.- Son varillas de níquel-molibdeno. Son resistentes a la corrosión y su resistencia mínima a la tensión es de 82000 lbs/plg 2 . Clase C.- Son varillas de aleación carbón-manganeso. Son para trabajo pesado y medio; su inhibición contra la corrosión es muy efectiva, su resistencia mínima a la tensión es de 90000 lbs/plg 2 . En la mayoría de los pozos se utiliza este tipo de varilla.

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SUB-TEMA I

Clase D.- Son varillas de aleación níquel-cromo-molibdeno. Su resistencia mínima a la tensión es de 115000 lbs/plg 2 . Estas varillas se utilizan donde las varillas tipo C quedan en punto crítico, generalmente para pozos de alta producción y que no manejen ácido sulfhídrico. Este tipo de varilla es el más usual en el Activo de Producción Poza Rica. La sarta telescopiada que se utiliza en el activo de Producción Poza Rica está compuesta por diámetros de 1”, 7 / 8 ”y ¾”. Las varillas que componen una sarta del tipo empleado en el Activo de Producción Poza Rica, se muestran en la figuras 24. Debido a su diámetro, las varillas de succión tienen el siguiente peso: Para varillas de ¾” Para varillas de 7 / 8 ” Para varillas de 1”

su peso es de 1.63 lbs por pie. su peso es de 2.16 lbs por pie. su peso es de 2.88 lbs por pie.

Todas las varillas miden 25 pies de longitud.

Acoplamiento de varilla de bombeo Varillas de bombeo API UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.24-A VARILLA DE SUCCIÓN Y COPLE DE 3/4” JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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SUB-TEMA I

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.24-B VARILLA DE SUCCIÓN Y COPLE DE 7/8” JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.24-C VARILLA DE SUCCIÓN Y COPLE DE 1” JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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1.7

SUB-TEMA I

TUBERÍA DE PRODUCCIÓN Y ACCESORIOS PARA BOMBEO MECÁNICO

La tubería de producción es aquella por la cual se conducen los líquidos y gases producidos por el pozo hasta la superficie, tanto en pozos fluyentes como en pozos con sistema artificial de explotación. En pozos fluyentes, el diámetro menor de la tubería de producción permite una elevación más eficiente utilizando la expansión del gas extraído con el aceite. En pozos con sistema artificial de bombeo neumático, también el diámetro menor es recomendable para elevar la columna de aceite con la expansión del gas inyectado a la tubería de producción a través de una válvula operante de un aparejo para bombeo neumático, instalado en unos mandriles y distribuidos de acuerdo a un diseño en la misma tubería de producción. En los pozos con sistema artificial movidos por varillas como el bombeo mecánico y de cavidad progresiva, la sarta de varilla se instala en el interior d e la tubería de producción; el diámetro varía de acuerdo al diámetro de la bomba y por ende de la producción. En los pozos con el sistema de cavidad progresiva, el movimiento de las varillas va a ser rotatorio y se aplica en pozos de profundidad somera ( 3000 pies) y verticales. En los pozos con bombeo mecánico el movimiento de las varillas va a ser reciprocante. Es aplicable en pozos de profundidad somera y de mayor profundidad. En todos los casos anteriores, la tubería de producción debe tener un sel lo hermético, ya que en caso de tener alguna fuga considerable repercute en el buen funcionamiento del sistema artificial, dejando, a veces, hasta de fluir cuando las fugas se presentan en la parte superior del nivel dinámico y en pozos fluyentes una reducción en la producción. Otras de las funciones de la tubería de producción es la de proteger la tubería de revestimiento con un empacador, evitando el paso de fluidos corrosivos al espacio anular, ya sea producidos por el pozo o inyectados al mismo por estimulaciones con ácido, fracturas con arena o ácidos. Las presiones altas que podrían dañar a la tubería de revestimiento son manejadas a través de la tubería de producción, ya que ésta es probada en las intervenciones con equipo de terminación y reparación de pozos a una presión de 3000 lbs/plg 2 , y en algún caso hasta 5000 lbs/plg 2 , su presión de trabajo va a ser menor del 50% de la prueba. La tubería de producción, normalmente se presenta

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SUB-TEMA I

en diámetros de 2 3 / 8 ”, 2 7 / 8 ” y 3 ½”; en el Activo de Producción Poza Rica el diámetro de tubería más usual es de 2 7 / 8 ”. En el diseño de instalación de bombeo mecánico, la tubería de producción se instala con 2 mecanismos: ancla mecánica y empacador. En ambos casos la tubería de producción va tensionada para darle un buen desplazamiento a la sarta de varillas, disminuyendo el desgaste por fricción, tanto en la tubería como en la sarta de varillas y aumentando la carrera efectiva del pistón. ACCESORIOS MECÁNICO

DE

LA

TUBERÍA

DE

PRODUCCIÓN

CON

BOMBEO

En el sistema artificial de Bombeo Mecánico se utilizan dos tipos de equipo subsuperficial con distintos accesorios los cuales se muestran en la figura 25 y son: a) Con Ancla Mecánica b) Con Empacador El ancla mecánica es un mecanismo que va alojado a determinada profundidad del pozo en la sarta de Tubería de Producción, ligeramente debajo de la bomba. Este mecanismo no lleva hules como el empacador, por esto existe comunicación entre la tubería de revestimiento y la tubería de producción. Su objetivo principal es sujetar la tubería de producción ya tensionada. Esto hace que en el ciclo de bombeo no se mueva la Tubería de Producción, y así aumenta la eficiencia de la bomba por no disminuir la carrera efectiva del pistón. Si la Tubería de Producción no tiene movimiento, entonces disminuye el desgaste de las varillas. El diseño con ancla mecánica por lo regular se instala en pozos que todavía conservan buena presión de fondo. Esta presión evita que el fluido utilizado en una circulación inversa para el lavado de la bomba, se pierda en la formación, y así se efectúa una circulación franca y por ende un lavado efectivo de la bomba. El diseño con ancla mecánica consta básicamente de: 1. 2. 3. 4. 5.

Varillas de succión. Bomba subsuperficial. Tubo barril con niple sello y zapata candado. Separador de gas. Ancla mecánica.

El empacador es un mecanismo que en el diseño de la Unidad de Bombeo Mecánico va a cumplir con el mismo objetivo del ancla mecánica, tener tensionada la tubería de producción, con la diferencia que el empacador lleva hules que no permiten la comunicación entre la Tubería de Producción y la Tubería de Revestimiento y esto hace que los fluidos producidos por el pozo fluyan solamente por la Tubería de Producción. 46

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SUB-TEMA I

En el bombeo mecánico se utilizan para aislar una probabl e rotura en la Tubería de Revestimiento y en pozos con formación muy depresionada para poder garantizar una circulación inversa en el lavado de la bomba subsuperficial.

TR 9 5/8 N-80 40 lbs/pie

TR 9 5/8 J56 36 lbs/pie

TP 2 7/8” TP 2 7/8” 8hrr

Varilla de succión

Varilla de succión

N. de Sellos 2 7/8” NS B Trico 2 1/2” X 1 3/4” X 22” Bomba H.F. 2 1/2” X 1 3/4” X 24”

Zapata candado Niple ventana

Z. CAND.

A MEC

BL NC TR 6 5/8” N.80 24-28 lbs/pie

C.T. Ciego Niple ventana

Z. Conectora UNIVERSIDAD VERACRUZANA EMP. SEMIPERM.

FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA N.A C/V TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO EMP. 415-01

Zona de Disparos

FIG.25-A DISEÑO CON ANCLA MECÁNICA Zona de Disparos JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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SUB-TEMA I

El diseño con empacador consta básicamente de: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Varillas de succión. Bomba subsuperficial. Tubo barril con niple sello y zapata candado. Niple ventana con tapón ciego. Niple ventana. Zapata conectora. Empacador semipermanente. Niple de asiento con válvula de pie.

TR 9 5/8 J56 36 lbs/pie

TP 2 7/8”

8hrr

n

1/2” X X 24”

Varilla de succión

N. de Sellos 2 7/8” B Trico 2 1/2” X 1 3/4” X 22”

Zapata candado Niple ventana

ND.

EC

BL NC N.80 bs/pie

s

C.T. Ciego Niple ventana

Z. Conectora EMP. SEMIPERM.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA

N.A C/V EMP. 415-01 Zona de Disparos

TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.25-B DISEÑO CON EMPACADOR JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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2.0 CONCEPTOS FUNDAMENTALES PARA UNIDADES DE BOMBEO MECÁNICO

SUB-TEMA II

LA

SELECCIÓN

DE

A continuación se presentan los conceptos fundamentales cuyo objetivo es facilitar la comprensión básica de los principios en que se fundamenta el sistema de bombeo mecánico. 2.1 PRINCIPIO DE FLOTACIÓN O DE ARQUÍMEDES El principio de flotación es una consecuencia de las leyes de la mecánica de fluidos. Cuando un cuerpo está total o parcialmente sumergido en un fluido (líquido o gas) en reposo, el fluido ejerce una presión hidrost ática proporcional a la profundidad de cada punto que esté en contacto con el fluido, las presiones ejercidas sobre las caras laterales se neutralizan mutuamente, en cambio, la presión es mayor en las partes sumergidas a mayor profundidad que la presión ap licada sobre la cara superior del cuerpo. Lo resultante de todas las fuerzas es una fuerza de flotación, esta fuerza actúa verticalmente hacia arriba y es llamada el empuje sobre el cuerpo sumergido. La magnitud y el sentido de esta fuerza de flotación puede encontrarse de la siguiente manera: la presión sobre cualquier parte de la superficie del cuerpo, independientemente del material del que esté hecho, suponiendo que el cuerpo o una parte de él está sumergido, se reemplaza por un fluido igual al que lo rodea, este fluido experimentará la presión que actuaba sobre el cuerpo sumergido y permanecerá en reposo, por lo que la fuerza de flotación que actúa en sentido ascendente en el cuerpo, será igual a su peso y actuará verticalmente hacia arriba a través de su centro de gravedad, de aquí se determina el principio de flotación o de Arquímedes el cual dice: “Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido recibe un empuje vertical ascendente con una fuerza de flotación que es igual al peso del fluido desalojado por dicho cuerpo”. Una vez determinada la fuerza de flotación y según su magnitud se tiene lo siguiente: a) Cuando el peso del cuerpo es menor que el empuje ascendente y se encuentra en el fondo, el cuerpo sube a la superficie y flota, es decir , desaloja menor cantidad de líquido que su volumen. b) Cuando el peso del cuerpo es igual al empuje ascendente, el cuerpo queda en equilibrio dentro del líquido. c) Cuando el peso del cuerpo es mayor que el empuje ascendente, éste se hunde pero aparentemente disminuye su peso.

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SUB-TEMA II

2.2 PATRÓN TÍPICO DE CARGAS EN LA VARILLA PULIDA DURANTE EL CICLO DE BOMBEO Todos los sistemas de bombeo mecánico que operan a una velocidad finita, tienen como característica común el patrón típico de cargas, dividido en cuatro zonas de movimiento, los cuales se muestran en la figura 26, eliminando los efectos de las fuerzas de fricción y armónicas. Iniciando en el fondo de la carrera de la varilla pulida y moviéndose hacia arriba, se tiene: Zona 1.- Es la parte de la carrera donde la máxima carga de varillas y fluido se levantan del fondo con máxima aceleración. Esta zona se extiende desde el fondo hasta algún punto cerca de la mitad de la carrera ascendente. En esta zona, el componente de la fuerza de inercia se suma a la carga estática de la masa de varillas y fluido. Debido a que la máxima aceleración hacia arriba ocurre en esta zona, normalmente el producto de la carga compuesta de varillas y fluido por la máxima aceleración, da como resultado la carga pico o carga máxima en la varilla pulida. Zona 2.- Es la parte de la carrera ascendente que se extiende desde cerca del punto medio hasta el tope de la carrera. En esta zona, aún se tiene la máxima masa de varillas y fluido, pero se está desacelerando; consecuentemente, el componente de inercia de la masa de varillas y fluido se está restando del total del peso estático. Zona 3.- Se inicia en la parte superior de la carrera descendente, desplazándose hacia abajo hasta algún punto cerca de la mitad de la carrera. En esta zona únicamente se tiene el peso de las varillas flotando, menos el componente de inercia. Normalmente es en esta zona donde ocurre la máxima aceleración hacia abajo. Zona 4.- Se inicia en algún lugar cerca de la mitad de la carrera descendente y se extiende hasta el fondo de la carrera. En esta zona las varillas flotando se desaceleran en su preparación para detenerse en el fondo de la carrera, entonces, el componente de inercia se suma al peso de las varillas.

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SUB-TEMA II

TOPE DE LA CARRERA

a= Máx 180O V= 0 C A R R E R A

180O

a= Máx V= 0

0O

Wr 0

Wr Wf 0

II III I IV

a= 0 90O V= Máx A S C E N D E N T E

C A R R E R A

Wr Wf 0

270O D E S C E N D E N T E

Wr 0

360O FONDO DE LA CARRERA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.26 PATRÓN TÍPICO DE CARGAS JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

Todo lo anterior es una simplificación de un tema complejo, debido a que se supuso una masa no elástica de varillas y de fluidos, considerando inercia simple y despreciando las fuerzas de fricción y armónicas que están involucradas.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo dividido en cuatro zonas de movimiento. Esta simplificación en la práctica, no es completamente verdadera, debido a que en una columna elástica de varillas y fluido, las fuerzas armónicas constantemente se suman y restan a las fuerzas estáticas y de inercia, de tal forma, que las cargas exactas en la varilla pulida pueden calcularse únicamente utilizando modelos matemáticos complejos. 51

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SUB-TEMA II

En un pozo con bombeo mecánico de profundidad somera a media, donde las cargas de varillas y fluido actúan como una masa concentrada, el patrón típico de cargas se considera aproximadamente verdadero. En pozos profundos, aunque dicho patrón puede ser verdadero en muchos casos, hay ocasiones en que las fuerzas armónicas modifican las cargas básicas de inercia y estáticas para producir un desplazamiento de fuerzas con un patrón de comportamient o muy complejo. Sin embargo, en cualquiera de los casos, el concepto de las cuatro zonas es muy importante para entender apropiadamente el desplazamiento de las fuerzas en un sistema de bombeo mecánico.

2.3 DIVISIÓN DE TRABAJO EN UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN ARTIFICIAL Prácticamente en todas las aplicaciones de bombeo mecánico el fluido se extrae por la combinación de dos energías separadas: 1) Energía del yacimiento. 2) Energía suministrada por el sistema de producción artificial. La porción de trabajo en el que un porcentaje es aportado por el yacimiento y otro por el sistema de bombeo, cambia continuamente y, en ocasiones, radicalmente. Por ejemplo: para un pozo en particular, supóngase que en un momento dado, el 60% de la energía necesaria para elevar el flu ido y vencer la fricción es proporcionada por el yacimiento, y que el 40% restante es proporcionada por el sistema de producción artificial. Varias horas después, en el mismo pozo, se bombea sin haber variado la velocidad de bombeo, ni la longitud de carrera, y teniéndose además la misma cantidad de fluidos producidos, ocurre exactamente lo contrario, es decir, 60% de la energía requerida es la contribución del sistema de bombeo y el 40% es del yacimiento. De lo anterior se establece lo siguiente: La energía requerida para elevar el fluido y vencer la fricción, es igual a la energía proporcionada por el yacimiento, más la energía suministrada por el sistema de producción artificial. La carta dinamométrica tomada en la varilla pulida, registra con exactitud cuánta energía proporciona la unidad de bombeo para elevar la columna de fluidos y vencer la fricción en el instante de tomar la carta. Sin embargo, la energía que proporciona el yacimiento se puede determinar únicamente si se tiene la información para calcularla, como: nivel del fluido, la división de trabajo, presión anular, etc. Consecuentemente, si no se conoce la división de trabajo, es difícil evaluar el verdadero comportamiento del sistema de bombeo mecánico.

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SUB-TEMA II

2.4 GEOMETRÍA DE LAS UNIDADES DE BOMBEO MECÁNICO La unidad de bombeo es un mecanismo que imparte movimiento reciprocante a la varilla pulida. En la actualidad existen varios tipos de unidades de bombeo. Los componentes en casi todas las unidades son los mismos, lo que varía es el diseño. Los diferentes tipos de unidades de bombeo se clasifican de acuerdo con la distribución y localización de los elementos que integran el equipo superficial. De acuerdo con esto se distinguen geometrías diferentes que se clasifican en: a) CLASE I b) CLASE III a) CLASE I Este tipo de unidades tiene el reductor de engranes colocado en la parte trasera con apoyo a la mitad del balancín, está representada por la unidad convencional. En la figura 27 se aprecia el apoyo (F) cerca del centro, el esfuerzo del motor principal (E) aplicado en el extremo del balancín y la resistencia de la carga del pozo (R) está aplicada en el extremo opuesto del balancín. La unidad de bombeo convencional, ya sea con contrapesos en el extremo del balancín, ha sido el tipo de unidad más usado en los campos petroleros. La rotación de los contrapesos hace que el balancín pivotee sobre el eje del rodamiento central, moviendo la varilla pulida hacia arriba y hacia abajo a través de sus diferentes conexiones. Los contrapesos localizados en la manivela, son bloques pesados de hierro fundido. Estos contrapesos pueden moverse a lo largo de la manivela para producir mayor o menor efecto de contrapeso. b) CLASE III Este tipo de unidad tiene el reductor de engranes colocado al frente y se subdivide en las unidades Mark II y aerobalanceada. En la figura 28, se representa una unidad Aerobalanceada en la que puede observarse que el esfuerzo (E) y la resistencia (R) se aplican en el mismo extremo del balancín con relación al apoyo (F) en el otro extremo. Unidad aerobalanceada. Aparte de las ventajas de diseño y eficiencia que tiene este tipo de unidad, tiene más aplicaciones, principalmente para el bombeo profundo, en bombeo de altos volúmenes con carreras largas, en bombeo de crudos pesados, etc. En muchos casos no hay más alternativa que el uso de estas unidades, porque sería impráctico el uso de unidades con contrabalanceo rotativo aún en los tamaños más grandes. Por ejemplo, la unidad convencional de mayor tamaño que se construye hoy en día, es la C-1824D-365-192. En el tipo de unidad Mark II, la 53

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SUB-TEMA II

más grande es la M-1824D-427-216. En cambio, la unidad aerobalanceada se fabrica hasta el tamaño A-2560D-470-240. Esta unidad tiene 240 plg de carrera máxima con un torque de 2’560,000 lbs-plg, o sea, casi el doble de capacidad de torque que la más grande unidad Mark II.

Esfuerzo

E F R

Apoyo

Resistencia

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.27 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO CONVENCIONAL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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SUB-TEMA II

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.28 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO AEROBALANCEADA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

Unidad Mark II. En la figura 29, se representa una Unidad de Bombeo Mecánico Mark II en la que puede observarse que el esfuerzo (E) y la resistencia (R) se aplican en el mismo extremo del balancín con relación al apoyo (F) en el otro extremo. Esta es la llamada unidad con montaje frontal, en la cual se distinguen las siguientes características de diseño:

a) El compensador, que está colocado directamente encima del reductor, se desplaza hacia delante cerca de la cabeza del balancín. Esto produce una carrera ascendente y descendente de 195º y 165º respectivamente. Asimismo, la carrera ascendente de 195º reduce la aceleración cuando la carga es máxima y, por lo tanto, se reduce la carga máxima en la varilla pulida. Otra ventaja de colocar el compensador hacia delante, es que se obtiene una ventaja mecánica al levantar la carga y se reduce la ventaja mecánica durante la carrera descendente, es decir, el factor máximo de

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torque durante la carrera ascendente se disminuye y durante la carrera descendente se incrementa, debido a que el movimiento de la unidad M ark II durante la carrera ascendente, es más lento que el de la unidad convencional o de clase I. Este movimiento más lento, reduce la carga máxima que soporta la Unidad de bombeo Mecánico ya que el movimiento no es brusco, y que la carrera ascendente finaliza a los 195 0 de rotación de la manivela, mientras que la unidad de clase I lo realiza a los 180 0 , durante la carrera descendente, la unidad clase III realiza su movimiento final con los 165 0 de rotación de la manivela restantes, haciéndola más rápida p ara iniciar un nuevo ciclo. b) Los contrapesos están colocados en forma descentrada (con un cierto ángulo) en la manivela. Esto produce un torque de contrabalanceo que al principio de la carrera ascendente se “retarda” del torque del pozo, por 7 ½º aproximadamente. En forma similar, al inicio de la carrera descendente, el torque de contrabalanceo queda “adelantado” aproximadamente 7 ½º.

Con las modificaciones anteriores, se consigue que la unidad trabaje igual durante la carrera ascendente y descendente de la varilla pulida y al mismo tiempo se reduzcan las carreras. Además, se obtiene un sistema de UNITORQUE que produce una reducción del torque máximo requerido hasta en un 40%.

La carga descendente y la desaceleración más rápida de esta unidad, resulta en una mayor carrera efectiva del émbolo. Esta característica requiere que en muchas ocasiones se reduzca ligeramente la velocidad de bombeo, cuando la carga mínima en la varilla pulida cae debajo de cero durante la inversión del movimiento en el fondo de la carrera. La carrera descendente más lenta de la unidad convencional, generalmente produce una menor carrera efectiva del émbolo.

La unidad Mark II reduce la carga máxima más de lo que reduce la carga mínima, lo que significa que normalmente se tendrá un rango menor de cargas que con la unidad convencional, lo que tiende a aumentar la vida de las varillas y a reducir la pérdida de producción debido al menor mantenimiento por fallas de varillas. Esto se reflejará en un ahorro en costos operacionales; otr a reducción que se tiene en este tipo de unidades es en el costo de electricidad, ya que como la demanda de torque es más uniforme, generalmente, se requiere el uso de un motor más pequeño, el cual, si es eléctrico, requerirá menor energía.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.29 UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO MARK II JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

COMPARACIÓN DEL MOVIMIENTO ENTRE UNIDADES MARK II Y CONVENCIONAL Las diferentes distribuciones de palancas y localización del cojinete en el balancín con relación a la flecha de la manivela, dan como resultado las distintas geometrías. Para ilustrar la diferencia en la Figura 29 se presenta un modelo de unidad clase III con el cojinete desplazado de la vertical con respecto a la flecha de la manivela y otro modelo de unidad convencional, con el cojinete directamente arriba de la flecha de la manivela.

Ambas unidades están en posición de iniciar la carrera ascendente.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.30 COMPARACIÓN ENTRE UNIDADES CLASE I Y CLASE III JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

En la figura 31, se aprecia que al iniciar la carrera ascendente, el movimiento de la varilla pulida de la unidad Clase III se queda atrás de la unidad convencional, dando por resultado una menor aceleración desde el fondo cuando se está elevando la máxima masa de varillas y fluido. Esta aceleración reducida de la primera unidad producirá, en la mayoría de los casos, una menor carga pico sobre la varilla pulida en comparación con la producida por la unidad convencional. En el caso de que la máxima carga pico soportada por la varilla pulida sea excesiva en cualquiera de las unidades, la velocidad de bombeo debe reducirse.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.31 REPRESENTACIÒN AL INICIO DEL MOVIMIENTO ASCENDENTE JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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En la figura 32, a los 90° de rotación de la manivela, la unidad convencional ha pasado su periodo de aceleración ascendente. A continuación reduce su velocidad preparándose para detenerse en la parte superior de la carrera. La unidad Clase III no iniciará su desaceleración hasta que haya pasado la marca de los 90°.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.32 REPRESENTACIÒN DEL MOVIMIENTO A LOS 900 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A los 135° de desplazamiento de la manivela, en la figura 33 se observa que la carrera de la unidad Clase III aún viene atrasada con respecto a la unidad Clase I.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.33 REPRESENTACIÒN DEL MOVIMIENTO A LOS 135 0 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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La unidad convencional alcanza la parte superior de la carrera a los 180°, como se muestra en la figura 34, entonces empieza a descender. La unidad Clase III no llegará al tope de la carrera ascendente hasta que la manivela se haya desplazado 195° de rotación, que es el punto señalado en el círculo a la izquierda de la biela.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.34 REPRESENTACIÒN DEL MOVIMIENTO A LOS 180 0 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

En la figura 35, se muestra la unidad Clase III a los 225°, cuando ha iniciado la carrera descendente. La unidad convencional ha realizado casi una cuarta parte de su viaje en descenso. De manera que la unidad Clase III debe acelerarse para alcanzar a la convencional al terminar el ciclo.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.35 REPRESENTACIÒN DEL MOVIMIENTO A LOS 225 0 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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A los 270°, en la figura 36, se observa que la unidad Clase III ha rebasado la carrera de la convencional y rápidamente empieza a reducir su velocidad.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.36 REPRESENTACIÒN DEL MOVIMIENTO A LOS 270 0 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

En la figura 37 se puede apreciar que la longitud de la carrera de las dos unidades, casi es la misma a los 315° de desplazamiento de la manivela.

INICIO DE LA CARRERA ASCENDENTE

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.37 REPRESENTACIÒN DEL MOVIMIENTO A LOS 315 0 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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Al complementarse el ciclo de la manivela, las dos unidades llegan simultáneamente al fondo de la carrera descendente como se muestra en la figura 38.

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.38 REPRESENTACIÒN AL FINAL DEL MOVIMIENTO JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

La carrera descendente y la desaceleración más rápida de la unidad Clase III generalmente resulta en una mayor carrera efectiva del émbolo de la bomba en el fondo del pozo. Esta característica requiere que en muchas ocasiones se reduzca ligeramente la velocidad del bombeo, cuando la carga mínima en la varilla pulida cae debajo de cero durante la inversión del movimiento en el fondo de la carrera. La carrera descendente más lenta de la unidad convencional, generalmente produce una carrera menos efectiva del émbolo. RANGO DE CARGAS EN LA UNIDAD CONVENCIONAL Suponiendo un factor de impulso o de aceleración de 0.4, es decir, el componente de inercia sobre la carga de la varilla pulida es 40% del peso estático de varillas y fluido. Entonces, se tiene que: Carga Pico

PPRL =(W r + W f ) (1+ )

(2.1)

Por ejemplo: W r = 6000 lbs 62

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W f = 4000 lbs = 0.4 Sustituyendo los valores en la formula de carga pico se tiene: PPRL =(6000 + 4000) (1.4) = 14000 lbs Entonces: Carga Mínima

MPRL =(W r ) (1- )

(2.2)

Sustituyendo los valores en la formula de carga mínima se tiene: MPRL =(6000) (1-0.4) = 3600 lbs Por lo que el rango de cargas queda de la siguiente forma: Rango de Cargas

Rc 1 =PPRL – MPRL

(2.3)

Sustituyendo los resultados se obtiene: Rc 1 = 14000 – 3600 = 10400 lbs RANGO DE CARGAS EN LA UNIDAD MARK II Debido a que la unidad Mark II se mueve hacia arriba con 40% menos de aceleración que la unidad convencional, su factor de impulso es (1+0.6 ) y en la carrera descendente es (1-1.4 ). Entonces la carga pico y la carga mínima quedan de la siguiente forma: PPRL = MPRL =

(W r + W f ) (1 + 0.6 (W r ) [1-(1.4 )]

)

Sustituyendo los valores de Wr y Wf se obtiene: PPRL =

(6000 + 4000) (1.24) = 12400 lbs

MPRL =

(6000) [1-(1.4x0.4)] = 2640 lbs

El rango de cargas se obtiene con la misma formula que la unidad Convencional, entonces: Rc 2

=

12400 – 2640 = 9760 lbs

La diferencia en el rango de carga entre las dos unidades es:

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Rc 1 – Rc 2 = 640 lbs, menor rango en la unidad Mark II. El menor rango de cargas de la unidad Mark II tiende a aumen tar la vida de las varillas y a reducir la pérdida de producción debido al menor mantenimiento por fallas de varillas. La unidad Mark II reduce la carga pico más de lo que reduce la carga mínima, lo que significa que normalmente tendrá un menor rango de cargas. Sin embargo, en aplicaciones en las que dicho rango no se reduce, la carrera descendente más rápida da como resultado una alternativa deseable que puede visualizarse fácilmente con un ejemplo en el diagrama de Goodman que se muestra en la figura 39. Un rango de cargas de 10000 lbs resultantes de una carga pico de 18000 lbs que cae hasta una carga mínima de 8000 lbs es más benéfico para la sarta de varillas que un rango de cargas de 10000 lbs resultante de una carga pico de 20000 lbs y una carga mínima de 10000 lbs. El diagrama de Goodman es una gráfica que relaciona la carga pico en la varilla pulida con un rango de cargas permisible, es decir, la diferencia entre las cargas pico y mínima. Cuando la carga pico en la varilla pulida es menor, el r ango de cargas permisible dentro del que las varillas puede operar con seguridad, es mayor. Diagrama Modificado de Goodman En cuanto al diseño de la sarta de varillas, se debe tomar en cuenta un factor que influye sobre el nivel de resistencia del acero llamado límite de resistencia a la fatiga, este factor es el rango de esfuerzos bajo el cual pueden operar las varillas dentro del límite de esfuerzos permisibles. El diagrama modificado de Goodman relaciona la carga máxima en la varilla pulida con el rango de cargas permisible, es decir, la diferencia entre la carga máxima y carga mínima. Para la tensión máxima, la ecuación

Smax

Wmax Atop

da los valores

reales en la varilla superior de la sarta, dicho cálculo está basado en la carga máxima que se tiene en esa varilla entre el área de su sección transversal. Este valor nunca debe exceder el rango de tensión permisible. El cálculo de la tensión mínima se realiza con la misma ecuación pero considerando la carga mínima. Aunque hay situaciones en que se necesitan usar otros grados de varilla, generalmente se usan varillas API grado “C”. Las varillas API grado “D”, se usan cuando la capacidad de la varilla API grado “C” se excede, y cuando no hay ácido sulfhídrico presente.

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Las varillas API grado “C” deben tener una resistencia mínima a la tensión de 90000 lbs/plg 2 y las varillas API grado “D” deben tener una resistencia mínima a la tensión de 115000 lbs/plg 2 . Elaboración del Diagrama Goodman Paso 1. Determine la resistencia mínima a la tensión (T) de las varillas, utilizando únicamente el grado API, los valores mínimos que a continuación se muestran han sido establecidos por API. El ejemplo, corresponde a un grado API “D” con una resistencia mínima a la tensión de 115000 lbs. Grado API C D K

Fuerza mínima de tensión (lbs/plg 2 ) 90000 115000 85000

Paso 2. Coloque líneas horizontales y verticales sobre papel gráfico, después coloque una línea de 45 grados entre éstas. Esta línea de 45 grados establece el estrés mínimo. Construya una escala de estrés en la línea central. Paso 3. Utilizando la escala de estrés coloque el punto T/1.75 en la línea de 45 grados donde T 115000, por lo tanto 115000 65714.28 lbs/plg2

1.75

Paso 4. Sobre la línea central vertical, localice el punto T/4. Trace una línea entre este punto y el punto establecido en el paso 3. Esta línea define el estrés máximo permisible para un factor de servicio de 1, entonces:

T

115000 28750lbs/plg2 4

Paso 5. Coloque el estrés mínimo sobre la línea de 45°. Utilice la escala de estrés mostrada en la línea central vertical. Paso 6. El estrés máximo permisible es leído directamente arriba en la línea para este concepto estrés máximo permisible. Paso 7. Localice el estrés máximo (calculado o medido). Si este estrés es mayor que el estrés máximo permisible, las varillas estarán sobrecargadas. Si e l estrés máximo actual es menor que el estrés máximo permisible, las varillas no estarán sobrecargadas. El Diagrama de Goodman permite la consideración de ambos rangos, de estrés máximo y de estrés permisible. Es una afirmación pictórica del hecho de que niveles de picos mayores son permisibles si los rangos de estrés son bajos. Al contrario, si el rango de estrés es alto, el estrés pico permisible, debe ser reducido.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.39 DIAGRAMA MODIFICADO DE GOODMAN (DE API RPII BR) JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

Efectos de la Geometría de las Unidades de Bombeo Mecánico Sin considerar las fuerzas armónicas en la sarta de varillas, y suponiendo que la unidad está bombeando todo el fluido disponible del pozo a una cierta velocidad de bombeo, existen tres factores que controlan el movimiento de la carrera descendente y la velocidad de bombeo: 1) Longitud de carrera. 2) Fuerzas que retardan la carrera descendente. 3) Geometría de la unidad.

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Cuando la unidad está elevando el fluido, hay varios factores importantes que deben reconocerse. Primeramente, el ciclo de bombeo se divide en dos partes: Productivo y No Productivo. La parte productiva del ciclo ocurre durant e la carrera ascendente cuando se eleva la columna de fluido, y el no productivo durante la carrera descendente que tiene como función principal regresar a las varillas y el émbolo a su posición en el fondo, de modo que la columna de fluido pueda ser elevada nuevamente. El regreso más rápido de las varillas en esta parte del ciclo no productivo hace que la carrera ascendente productiva se presente más pronto. La carrera ascendente es productiva por dos razones: a) Es el tiempo durante el cual la columna de fluido se eleva. b) Es el tiempo durante el cual el fluido del pozo entra al barril de la bomba. Por lo tanto, la producción es posible tanto por la elevación de la columna de fluido durante la carrera ascendente, como por el tiempo que dura ésta mientras que la bomba se carga. Es decir, mayor tiempo en la carrera ascendente, mayor tiempo de llenado y más cantidad de fluido que entra al barril para que sea elevado. Frecuentemente los operadores piensan que la unidad de bombeo eleva a las varillas y fluido durante la carrera ascendente y luego forza las varillas hacia abajo durante la carrera descendente. La forma en que realmente trabaja la unidad es: Durante la carrera ascendente eleva las varillas y el fluido; durante la carrera descendente, la fuerza de gravedad jala a las varillas hacia abajo en contra de las fuerzas de fricción y la flotación. Esto es fácil de entender debido a que los cables de acero en la cabeza de caballo trabajan únicamente a tensión y no son capaces de empujar las varillas hacia abajo. En la unidad de bombeo mecánico hay cuatro características importantes de movimiento: 1) Aceleración máxima desde el fondo para elevar la carga total de varillas y fluido. 2) El tiempo que dura la carrera ascendente, es el mismo durante el que se llena el barril de la bomba. 3) Aceleración máxima al iniciar la carrera descendente. 4) Velocidad máxima en la carrera descendente. Debe tomarse como referencia que la velocidad angular de la manivela es constante.

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2.5 ACELERACIÓN EN LA VARILLA PULIDA Debido a la colocación de la manivela y la biela, las dos clases de geometrías tienen características de aceleración en la varilla pulida, que son totalmente opuestas. La velocidad angular constante de la manivela en la unidad convencional (Clase I), hace que la inversión de movimiento de la varilla pulida en el fondo, se realice con aceleración relativamente alta y la inversión de movimiento en la parte superior, con aceleración relativamente baja. En las unidades Mark II y balanceadas por aire (Clase III), l as características de aceleración son opuestas. Esta geometría hace que el sistema realice la inversión de movimiento en el fondo con baja aceleración y en la parte superior con un poco más de aceleración que en la unidad convencional. Como conclusión, el movimiento reciprocante de las unidades de bombeo mecánico Clase I y Clase III, presenta valores máximos de aceleración al inicio de la carrera ascendente y de la descendente, lo cual puede entenderse fácilmente al compararlo con el movimiento armónico simple. Supóngase que la varilla pulida se está moviendo hacia arriba y hacia abajo con movimiento armónico simple. Esto significa que la máxima aceleración se presenta cuando se inicia el movimiento ascendente de la varilla pulida y, la máxima aceleración se presenta nuevamente al inicio del movimiento descendente con valores iguales. En el movimiento armónico simple, la máxima velocidad en la carrera ascendente es igual a la máxima velocidad en la carrera descendente y se presenta a la mitad de la carrera. El tiempo en que se realizan ambas carreras es exactamente el mismo. Sin embargo, el movimiento armónico simple no se logra y no es necesariamente deseable. En la unidad convencional, la manivela gira con velocidad angular constante, acelera hacia arriba con la máxima carga de varillas y fluido más rápido que en el movimiento armónico simple, pero en el punto superior de la carrera, la aceleración hacia abajo es menor que en el movimiento armónico simple. En las unidades balanceadas por aire y Mark II, las características de movimiento se invierten. Éstas mueven la máxima carga de varillas y fluido hacia arriba con aceleración o menor movimiento armónico simple, mientras que en la parte superior de la carrera, el movimiento hacia abajo tiene mayor ace leración que el movimiento armónico simple.

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Regresando al concepto de la masa concentrada, la carga pico en la varilla pulida está controlada por la magnitud de la aceleración en el fondo de la carrera ascendente. Mayor aceleración, mayor carga pico, y en consecuencia, se incrementa el esfuerzo en las varillas y la carga en la estructura de la unidad. En el levantamiento de la máxima carga de varillas y fluido desde el fondo, al componente de inercia se suma el peso estático. Al invertirse el movimien to en la parte superior de la carrera, el componente de inercia se resta del peso de las varillas flotando es decir, el valor de la carga pico en la varilla pulida y en la estructura, se tiene al invertirse el movimiento en el fondo de la carrera, mientas que el valor mínimo de carga se tiene al invertir el movimiento en la parte superior de la carrera. 2.6 MOVIMIENTO BÁSICO ELÁSTICO SIMPLE

DE

BOMBEO

EN

UN

SISTEMA

NO

Las fuerzas que intervienen en un sistema de varillas elásticas en movimiento son complejas, por lo que, a fin de entender los conceptos básicos del bombeo con varillas de succión, es conveniente empezar por dividir el movimiento en sus dos componentes más simples y considerar que en la carrera ascendente la carga de varillas y fluido está concentrada en una masa no elástica, como una enorme pelota, y que en la carrera descendente la carga de varillas sola, equivale a una pelota de menor tamaño o peso. Por ejemplo: se supone momentáneamente que la sarta de varillas está concentrada en una masa de 6000 lbs y la carga de fluido en una segunda masa de 4000 lbs, para un total de 10000 lbs de carga en la carrera ascendente, despreciando las cargas por fricción. Ahora se aplica una fuerza ascendente de 10000 lbs en la varilla pulida, contra las 10000 lbs del peso concentrado de varillas y fluido. Entonces el sistema permanece en equilibrio, debido a que la varilla pulida jala hacia arriba con la misma fuerza con que las varillas y fluido jalan hacia abajo. Las fuerzas simplemente permanecen estáticas. Sin embargo, si la fuerza aplicada en la varilla pulida es cualquier valor mayor que las 10000 lbs, la masa concentrada de varillas y fluido empezará a moverse hacia arriba con una cierta aceleración, debido a la mayor fuerza o jalón de la varilla pulida. Entonces, si se aplica un 10% adicional a la fuerza con que jala a la varilla pulida, es decir 10000 + 1000 = 11000 lbs, la carga de varillas y fluido se moverá hacia arriba con una cierta aceleración. Este componente de fuerza adicional ascendente se llama factor de impulso o factor de aceleración ( ) y se expresa como uno (1.0) más algún porcentaje de la carga estática. En el caso anterior, agregar un 10% a la carga estática de varillas y fluido, equivale a multiplicar por 1.1; un factor de impulso de 0.2 sería equivalente a multiplicar dicha carga por 1.2, lo que significa que la fuerza total ascendente en la varilla pulida es el peso estático de varillas y fluido, más un 20% de fuerza adicional de la

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carga estática, a fin de acelerar a las varillas y fluido hacia arriba con una cierta velocidad de bombeo. Para bombear más rápidamente es necesario aplicar una fuerza ascendente igual al peso estático de varillas y fluidos más 30% ó 40% de dicho peso para obtener un impulso o factor de aceleración de 1.3 ó 1.4, respectivamente. El producto del peso estático de las varillas y fluido por el factor de impulso, da como resultado, aproximadamente, la carga máxima (carga pico) aplicada en la varilla pulida por una masa concentrada, como se considera en un sistema de bombeo mecánico en un pozo somero con cargas ligeras. 2.7 CONTRABALANCEO DE LA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO Uno de los aspectos más importantes del diseño de la instalación, es la selección del contrabalanceo necesario para reducir el tamañ o del motor principal y los requerimientos de torsión en el reductor de engranes. En un sistema de bombeo mecánico, se requiere que el trabajo de la varilla pulida para elevar la columna de fluido, sea ejecutado únicamente durante la primera mitad del ciclo de la manivela, es decir, en la carrera ascendente. Si la unidad no estuviera contrabalanceada, el trabajo total requerido sería realizado por el motor principal durante la carrera ascendente, al estar elevando las varillas y el fluido, mientras que en la segunda mitad del ciclo, en la carrera descendente, el motor quedaría muerto conforme la fuerza de gravedad jala las varillas y el émbolo de la bomba hacia abajo, para regresarlos a su posición inicial. Entonces, en una unidad no contrabalanceada, todo el trabajo útil del motor principal sería realizado durante la carrera ascendente y sería nulo en la carrera descendente. Se requeriría un motor principal y reductor de engranes relativamente grandes para producir fluidos en una forma eficiente. A fin de reducir el tamaño del motor y del reductor de engranes, se colocan contrapesos en el sistema con un peso aproximadamente igual al peso de las varillas, más la mitad del peso del fluido. Durante la carrera ascendente, al elevar el peso combinado de varillas y fluido, el motor recibe ayuda del efecto de contrabalanceo, lo que resulta en una fuerza desbalanceada equivalente a la mitad de peso del fluido, que es el único peso que se requiere elevar. Lo anterior se calcula con la siguiente ecuación:

Wr

Wf

Wr

Wf 2

Wf 2

(2.4)

En la carrera descendente, el efecto de contrabalanceo se opone al regreso de las varillas flotando y nuevamente el resultado es una fuerza desbalanceada, equivalente a la mitad del peso del fluido. Esto se representa con la ecuación:

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Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada

Wr

Wf 2

Wr

Wf 2

(2.5)

Entonces, con el efecto de contrabalanceo se logra que los requerimientos de trabajo y de torsión, para el motor principal y el reductor de engranes respectivamente, sean aproximadamente iguales en la carrera ascendente y en la descendente. En una unidad de bombeo mecánico no contrabalanceada, durante la carrera ascendente, el motor y el reductor de engranes deben manejar una carga en la varilla pulida, equivalente al peso de las varillas más el peso del fluido, por otra parte, en la unidad apropiadamente contrabalanceada, durante la carrera ascendente y la descendente, el motor y el reductor se enfrentan a una carga de únicamente la mitad del peso del fluido. Consecuentemente, la forma de lograr reducir el tamaño del motor y del reductor requeridos, es mediante el contrabalanceo de la unidad. Desde el punto de vista mecánico, cuando la unidad eleva las varillas desde el fondo hasta la parte superior de la carrera, se entrega energía potencial al sistema. Cuando la fuerza de gravedad jala las varillas hacia abajo, la misma cantidad de energía potencial es cedida. Entonces, el trabajo mecánico que ejecutan las varillas en un ciclo completo de la manivela es de cero. En la unidad no contrabalanceada, el motor realizará un trabajo relativamente duro en la carrera ascendente para elevar las varillas y el fluido, mientras que en la carrera descendente no hay forma de ayudar a almacenar energía potencial en el sistema. En la unidad contrabalanceada el motor recibe ayuda durante la carrera ascendente por la caída de los contrapesos, cuando se está elevando la máxima carga de varillas y fluido. Durante la carrera descendente, la fuerza de gravedad que jala a las varillas, ayuda a que el motor principal eleve los contrapesos, por lo que se almacena energía potencial en el sistema. A continuación se presenta un ejemplo para una unidad de bombeo cuando no está contrabalanceada y cuando sí lo está. Las fuerzas de fricción, flotación y dinámicas se desprecian. W r = 10000 lbs W f = 4000 lbs

Contrabala nceo

Wr

Wf 2

10000

4000 2

12000 lbs

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Unidad no contrabalanceada Carrera ascendente: Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = fuerza desbalanceada (10000 + 4000) – (0) = 14000 lbs Carrera descendente: Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada (0) – (10000) = - 10000 lbs

Unidad contrabalanceada Carrera ascendente: Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = fuerza desbalanceada (10000 + 4000) – (12000) = 2000 lbs Carrera descendente: Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = fuerza desbalanceada (12000) – (10000) = 2000 lbs El peso del contrabalanceo en efecto, almacena energía durante la carrera descendente cuando la demanda de potencia es baja y libera energía durante la carrera ascendente, efectuando parte del trabajo de elevación del fluido y varillas. Para evitar una equivocada interpretación de terminología, es necesario diferenciar entre efecto de contrabalanceo, que es la contribución ne ta del sistema de contrabalanceo sobre la varilla pulida y contrabalanceo o contrapeso, que es el peso o sistema de pesos usado para obtener el efecto de contrabalanceo. El efecto de contrabalanceo está determinado por el peso real del contrapeso, por su p osición y por la geometría de la unidad superficial. Un efecto de contrabalanceo puede obtenerse colocando los contrapesos en el balancín, en la biela o en la manivela. En algunos casos, particularmente en unidades grandes, el aire a presión se usa para obtener el efecto de contrabalanceo deseado.

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EJEMPLO DE APLICACIÓN Contrabalanceo de la Unidad de Bombeo Mecánico. Datos: W r = 12000 lbs. W f = 6000 lbs. nceo W r Contrabala

Wf 2

12000

6000 2

15000 lbs

Unidad no contrabalanceada Carrera ascendente: Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada 12000 + 6000 –0 = 18000 lbs.

Carrera descendente Contrabalanceo – carga en la carrera descendente = Fuerza desbalanceada 0 – 12000 = - 12000 lbs.

Unidad contrabalanceada Carrera ascendente Carga en la carrera ascendente – contrabalanceo = Fuerza desbalanceada (12000 + 6000) – 15000 = 3000 lbs. Carrera Descendente Contrabalanceo – Carga en la Carrera Descendente = Fuerza desbalanceada (15000) – 12000 = 3000 lbs.

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2.8 TORSIÓN La torsión se define como la fuerza que actúa en el extremo de un brazo de palanca, multiplicada por la longitud del brazo y que tiende a producir una rotación y un trabajo. Cuando este concepto se aplica a las unidades de bombeo mecánico, la torsión se refiere al número de libras- pulgadas de fuerza aplicado a la manivela por la flecha del reductor de engranes, esta torsión es producida por el movimiento de la biela, debido a las cargas del pozo y a un efecto opuesto del contrabalanceo. Básicamente, la torsión neta en la flecha del reductor de engranes es la diferencia entre la torsión impuesta por la carga del pozo y la impuesta por el contrabalanceo en cualquier posición de la manivela. La torsión neta máxima es llamada torsión pico y su valor corresponde a aquel para el que está diseñado el reductor de engranes (consultar especificaciones de los fabricantes de unidades de bombeo mecánico). Como se mencionó anteriormente, en una unidad apropiadamente contrabalanceada, los contrapesos ayudan al motor principal suministrando suficiente torsión extra para elevar teóricamente, el peso total de las varillas más la mitad del peso de la columna de fluido. El contrabalanceo apropiado también reduce las inversiones de torsión, que pueden ocurrir durante la porción media de la carrera ascendente y de la descendente. Cuando los contrapesos están en la parte superior de su ciclo, contribuyen a que la torsión sea cero al iniciar el proceso de elevación. La torsión suministrada por los contrapesos se incrementa conforme éstos se mueven hacia la posición de 90°, en la que se tiene la torsión máxima efectiva. A partir de esta posición, la torsión efectiva disminuye hasta que los contrapesos llegan a los 180° de desplazamiento, en donde la torsión vuelve a ser de cero. En la segunda parte del ciclo, que es la carrera descendente, la torsión impuesta por los contrapesos se considera positiva, debido a que éstos deben ser elevados. Entonces es cuando en el sistema se almacena energía que será utilizada posteriormente en la carrera ascendente del ciclo. La torsión efectiva suministrada por los contrapesos en cualquier posición del ciclo de bombeo, se ilustra en la Figura 40. En el eje horizontal de la gráfica se tiene el grado de rotación de la manivela y de los contrapesos.

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SUB-TEMA II

TORSIÓN EN MILES lbs-plg

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0

90°

180° Grados de Rotación de la Manivela

270°

360°

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.40 CURVA DE TORSIÓN EN UNA UNIDAD CONVENCIONAL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

El grado de rotación de ambos es idéntico debido a que giran como una sola pieza sobre el mismo brazo de palanca en las unidades Clase I. En el eje vertical se tiene la torsión suministrada por los contrapesos en miles de libras - pulgadas. Nótese que aproximadamente a la mitad de este eje se tiene la línea de torsión cero. La carrera ascendente es la parte de la curva de torsión que está por debajo de la línea de cero, y se considera negativa debido a que se está reduciendo el trabajo que debe realizar el motor principal para elevar la carga existente sobre la varilla pulida. La curva de torsión por arriba de la línea cero, corres ponde a la carrera descendente y es positiva como se consideró anteriormente. En las unidades Clase III, el contrabalanceo está colocado afuera de la línea central de la manivela, así que cuando ésta se encuentra en la posición del fondo de la carrera, el contrapeso aún está siendo elevado para almacenar energía potencial. Esto da como resultado que la curva de torsión de las unidades Clase III, sea diferente de la curva para la unidad convencional.

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La comparación de las curvas de torsión para las dos clases de unidades, se muestra en la figura 41, donde se aprecia que el contrapeso colocado fuera de la línea central de la manivela, mueve a la curva de torsión de la unidad Clase III 30° a la derecha de la curva graficada para la unidad convencional. Es ta diferencia de torsión por contrabalanceo se refleja en la torsión neta impuesta sobre el reductor de engranes, y consecuentemente, en la demanda de potencia del motor principal.

TORSIÓN EN MILES lbs-plg

La comparación de la torsión neta impuesta sobre el reductor de engranes d e unidades de bombeo mecánico de idéntico tamaño y operando bajo las mismas condiciones en un solo peso, es una forma de diferenciar el comportamiento de dichas unidades. Para calcular la torsión neta, se deben obtener las cargas sobre la varilla pulida de cada una de las unidades bajo condiciones de operación.

0

90°

180°

Grados de Rotación de la Manivela

270°

360°

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.41 COMPARACIÓN DE CURVAS DE TORSIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

Los datos de carga sobre la varilla pulida, se obtienen mediante un dinamómetro que se instala en el equipo superficial para construir una carta dinamométrica. En la figura 42 se muestra una carta dinamométrica.

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SUB-TEMA II

Carga en Miles de Libras 12

° ° °

°

°

8 °

°

°

° °

4

°

°

°

0

Desplazamiento de la Varilla UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.42 CARTA DINAMOMÉTRICA SUPERFICIAL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

2.9 Factores de Torsión Uno de los conceptos más importantes en el sistema de bombeo mecánico es el factor de Torsión. La razón de su importancia se debe a que sin él, sería imposible determinar la carga de torsión exacta que la sarta de varillas impone sobre el reductor de engranes en cualquier posición de la manivela. La figura 42 es un diagrama real de cargas vs. desplazamiento de la va rilla pulida, obtenida durante una prueba de campo con una unidad convencional. Para convertir las cargas registradas en la varilla pulida a datos de torsión por carga, el diagrama se marca cada 15° de desplazamiento de la manivela. Entonces, las cargas sobre la varilla pulida, en cada marca, se multiplican por el factor de torsión para obtener la torsión por carga impuesta sobre el reductor de engranes en cada uno de esos puntos del ciclo de bombeo. El factor de torsión, es la relación de la torsión por carga sobre el reductor de engranes a la carga sobre la varilla pulida. El Instituto Americano del Petróleo (API), requiere que para cada tamaño de unidad existente en el mercado, los fabricantes publiquen una lista de factores de torsión, los cuales se mu estran en la figura 43. 77

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FACTORES DE TORSIÓN POSICIÓN DE LA MANIVELA 1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

90

PARA POZO DIRIGIDO

-

0.00 9.11 16.50 22.15 25.15 27.20

PARA CONTRA PESO 0.0 + 6.95 + 13.48 + 19.05 + 23.35 + 26.05

-

26.97

+

26.95

-

24.70 21.00 16.12 10.68 5.24 0.00 4.82 9.20 13.40 17.80 21.90 25.80 28.50 28.90 25.80 19.15 10.01

+ + + + +

26.05 23.35 19.05 18.48 6.95 0.00 8.95 13.48 19.05 23.35 26.05 26.95 26.05 23.35 19.05 19.48 0.00

180

270

+ + + + + + + + + + -

-

-275013 lbs-plg torsión en el reductor de engranes 10197 lbs carga en la varilla pulida

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.43 FACTORES DE TORSIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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Los resultados de multiplicar las cargas en la varilla pulida por los factores de torsión dados por el fabricante, se grafican como se muestra en la figura 44, la curva senoidal corresponde a la torsión por contrabalanceo que se mencionó anteriormente, y la otra curva, representa los valores de torsión por carga para la unidad convencional.

Torsión en Miles de lbs-plg

Grados de Rotación de la Manivela

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.44 CURVA DE TORSIÓN EN UNA UNIDAD CONVENCIONAL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

La suma aritmética de los valores de torsión indicados por ambas curvas, da como resultado una tercera curva, que muestra la carga de torsión ne ta impuesta sobre el reductor de engranes, misma que aparece en la figura 45. Las áreas negativas en ésta o cualquier otra unidad de bombeo mecánico, indican desgaste parcial de energía del motor principal y son indeseables.

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Torsión en Miles de lbs-plg

Grados de Rotación de la Manivela

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.45 CURVA DE TORSIÓN NETA EN UNA UNIDAD CONVENCIONAL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

La figura 46, es un diagrama de cargas vs. desplazamiento de la varilla pulida, obtenido de una unidad Clase III, durante la misma prueba de campo mencionada, bajo idénticas condiciones de trabajo. Carga en Miles de Libras 12

8

4

0 Desplazamiento de la Varilla Pulida

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.46 CARTA DINAMOMÉTRICA JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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La diferencia entre esta gráfica y la de la unidad convencional se debe principalmente a las distintas geometrías de las unidades. En consecuencia, la curva de torsión neta para la unidad Clase III, que se muestra en la figura 47 es diferente de la curva de torsión neta de la unidad Clase I, que se presenta en la figura 48, aunque ambas unidades estén efectuando la misma cantidad de trabajo en la varilla pulida.

Torsión en Miles de lbs-plg

0°

90°

180° 270° Grados de rotación de la manivela Carrera Ascendente Carrera Descendente

360°

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.47 UNIDAD MARK II JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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Rango del Reductor de engranes

Torsión Miles de plbs-plg

0°

90°

180°

270°

Grados de rotación de la manivela Carrera Ascendente Carrera Descendente

360°

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.48 UNIDAD CONVENCIONAL JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

Para determinar las cargas correspondientes a los ángulos de la manivela, es importante saber que en la carrera ascendente el ángulo variará de 0º a 180º y en la carrera descendente variará de 180º a 360º.

De acuerdo a los valores de torque instantáneo a lo largo de todo el ciclo de bombeo y en las distintas posiciones de la manivela, se puede determinar cuando la instalación está contrabalanceada adecuadamente, le falta contrabalanceo o está sobre contrabalanceada. Para una Unidad de Bombeo Mecánico bajo contrabalanceada, el torque máximo en la carrera ascendente es mucho mayor que en la carrera descendente como se observa en la figura 49.

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SUB-TEMA II

TORSIÓN (1000 LBS-PLG )

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°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.49 CURVA DE TORSIÓN PARA UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO BAJO CONTRABALANCEADO JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

Para una Unidad de Bombeo Mecánico sobre balanceado, el torque máximo en la carrera descendente es mayor que en la carrera ascendente, como se observa en la figura 50.

83

SUB-TEMA II

TORSIÓN (1000 LBS-PLG)

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°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

°

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.50 CURVA DE TORSIÓN PARA UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO SOBRE CONTRABALANCEADO JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

En el caso en que una Unidad de Bombeo Mecánico ha sido correctamente contrabalanceada, los torques en la carrera ascendente y en la carrera descendente, son aproximadamente iguales, como se observa en la figura 51.

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SUB-TEMA II

TORSIÓN (1000 LBS-PLG)

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.51 CURVA DE TORSIÓN PARA UNA UNIDAD DE BOMBEO MECÁNICO CORRECTAMENTE CONTRABALANCEADO JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

Balanceo Estructural Es la distribución de esfuerzos que actúan sobre los apoyos de la unidad para que se mantenga en equilibrio y se obtenga una operación eficiente de la misma.

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El contrabalanceo calculado en las Unidades de Bombeo Mecánico, se efectúa a un punto óptimo cuando la unidad de bombeo mecánico ya está operando en condiciones normales y aportando fluido de formación. El operario electricista verifica con un amperímetro de gancho que el amperaje del motor principal no presente picos, independientemente del tamaño del motor, en caso de que presente picos se mueven los contrapesos de la unidad hacia adelante o hacia atrás de la posición que tengan en la manivela, también, si se requiere, se puede disminuir el peso de los contrapesos por otros pequeños o aumentar el peso de los mismos con unos contrapesos auxiliares. En caso necesario se tendrá que cambiar el motor a un tamaño menor o mayor dependiendo el caso, definitivamente en superficie cualquier diseño debe adaptarse a las condiciones de operación del pozo.

2.10 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE En cuanto al bombeo mecánico se refiere, es importante aclarar la forma en que se lleva a cabo el movimiento que permite el bombeo óptimo. El movimiento que describe el ciclo de la manivela mostrado en la Figura 52 es un movimiento uniforme y periódico llamado movimiento armónico simple. Es un movimiento periódico, ya que se repite idénticamente el movimiento en una sucesión de intervalos iguales de tiempo, siguiendo una circunferencia y recorriendo la misma trayectoria una y otra vez con la misma velocidad. Supóngase que una proyección perpendicular P’ – P es dibujada desde el eje vertical D – B, en la circunferencia donde termina en punto P y si el punto P viaja alrededor de la manivela un ciclo con una velocidad angular constante, el punto P ’ se mueve hacia abajo en el eje vertical D – B periódicamente con un movimiento armónico simple. Con este tipo de movimiento, el punto P’ inicia en forma descendente del tope hacia abajo y en forma ascendente desde el fondo hacia arriba con el mismo valor de aceleración máxima. La aceleración de P’ al alcanzar la posición O a la mitad del eje vertical es cero, debido a que cambia de aceleración a desaceleración. La velocidad de P’ es cero en ambos casos, en el tope y en el fondo de su viaje (puntos B y D), pero en el punto O es la máxima y su aceleración es cero.

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V UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.52 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

La manivela se conecta a un miembro rígido llamado “biela”, el cual transmite movimiento al balancín para efectuar el movimiento de bombeo. La conexión superior de la biela (v) llamada ecualizador (Yoke transversal), se mueve verticalmente hacia arriba y hacia abajo en una línea recta, dicho movimiento no es un movimiento armónico simple aún cuando la manivela gira a una velocidad angular constante.

Como el punto P describe un movimiento uniforme alrededor del ciclo de la manivela, el ecualizador describe un movimiento reciprocante que puede diferir sustancialmente del movimiento armónico simple del punto P’. Esto se debe a la angulosidad del mecanismo biela–manivela. El ángulo más pequeño entre la manivela y la biela es cuando la manivela está horizontal, que es una de las más 87

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SUB-TEMA II

grandes divergencias del movimiento del ecualizador desde que el movimiento armónico simple fue descrito por el punto P’. Por eso, sólo una longitud infinita de la biela podrá desarrollar un movimiento armónico simple del ecualizad or.

En la figura 53, cuando el perno de la manivela (P) se mueve alrededor del ciclo de A a B y de ahí a C, el ecualizador se mueve verticalmente desde a’ a b’, lo cual corresponde al viaje del perno de la manivela (P) de C a D y de regreso a A. Esto es debido a que el viaje del ecualizador está en función de los componentes verticales de la manivela (BP) y la biela (PV). En los cuadrantes superiores del ciclo de la manivela, los componentes verticales viajeros de la manivela y de la biela son sumados en los dos cuadrantes inferiores restados. Esta modificación del movimiento armónico simple de la manivela-biela, puede tener un efecto importante sobre la velocidad y las características de aceleración del ecualizador transmitidas al balancín. Esto es, debido a que el punto P viaja en el ciclo a una velocidad angular constante, el tiempo necesario para cubrir cada uno de los cuadrantes es el mismo. Sin embargo, la distancia que el ecualizador desarrolla de b’ a a’ es mucho más larga que de a’ a d’, aún así, las velocidades del fondo y del tope del ciclo son cero, además, la aceleración es sustancialmente mayor de b’ a a’ que de d’ a a’.

Esta anomalía cinemática tiene consecuencias importantes. Dado que el perno de la manivela cubre los dos cuadrantes superiores del ciclo, el ecualizador se mueve hasta el tope de su carrera con una desaceleración máxima relativamente alta y comienza a descender con una aceleración máxima igualmente alta. Pero como también el perno de la manivela cubre los dos cuadrantes infer iores del ciclo, el ecualizador desacelera hacia el fondo de la carrera con un valor máximo relativamente menor, mientras que la aceleración hacia arriba tiene un valor similar al anterior, con lo que se reduce la aceleración máxima relativamente menor, mientras que la aceleración hacia arriba tiene un valor similar al anterior, con lo que se reduce; la aceleración del ecualizador juega un papel muy importante en la selección de la varilla, en la estructura de la misma y en los valores de los rangos de carga de la varilla para diferentes geometrías de bomba.

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B

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIG.53 MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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3.0

SUB-TEMA III

CALCULOS PARA LA SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE LA BOMBA, DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS Y CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO

3.1 SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE LA BOMBA Para una profundidad de colocación de la bomba y un volumen de producción dado, existe un tamaño apropiado de ésta que es el resultado de mantener una carrera efectiva del émbolo y una velocidad de operación moderada. El factor más importante a considerar en la selección de una Unidad de Bombeo Mecánico, es el volumen de fluido que es capaz de desplazar por cada pulgada de carrera del émbolo, el cual depende del diámetro del émbolo. El desplazamiento teórico de la bomba en el fondo (PD) es determinado por: PD

Ap plg 2 Sp

plg embolada

N

embolada minuto

P D = 0.1484 A p S p N (BPD) barriles por día

1440 min/día 9702 plg/bls

(3.1)

Otra forma de calcular el desplazamiento teórico de la bomba es mediante una constante de bombeo (K), la cual es obtenida de acuerdo al tamaño del émbolo y es determinada por la siguiente ecuación: K = 0.1484 A p PD = K Sp N

(3.2) (3.3)

Donde: Ap

dp 2 4

(3.4)

El valor de K, se puede obtener directamente de la tabla 1, que aparece en el anexo A, con el diámetro del émbolo. El gasto de producción en la superficie (q) es menor que el desplazamiento teórico de la bomba, debido a la eficiencia volumétrica de la bo mba (E v ), la cual es calculada como la relación de gastos. E v = (q/P D )(100)

(3.5)

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Despejando q se obtiene: q = (E v )(P D )/100

(3.6)

La eficiencia volumétrica es un factor muy importante a considerar en la solución de los problemas, desafortunadamente se conoce hasta que se define el gasto de producción deseado. La liberación de gas es un factor muy significativo en la estimación de la eficiencia volumétrica, ya que por ejemplo: en pozos con alta relación gas -líquido se tienen eficiencias muy bajas, del 25% al 50%, en aquellos donde existe una buena separación del gas de formación se tendrán eficiencias del 50% al 70%, en pozos con una buena separación y buena sumergencia de la bomba las eficiencias serán del orden del 70% al 80% y para pozos sin gas pero con un alto nivel de fluido las eficiencias volumétricas pueden aproximarse al 100%. Generalmente, la eficiencia volumétrica de la bomba es estimada mediante la experiencia local. Para la selección del tamaño óptimo del émbolo a un gasto de producción deseado y una cierta profundidad, es importante considerar que se deben obtener altas eficiencias y prevenir cargas innecesarias en la sarta de varillas y el equipo superficial. Para realizar una selección preliminar del tamaño del émbolo, cuando la carrera de la varilla pulida es menor de 74 plg. se puede usar las tablas 10, 11, 12, 13, 14 y 15, que aparecen en el anexo A.

3.2 EJEMPLOS PARA LA SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE LA BOMBA 1. Calcular la constante de bombeo para un diámetro de émbolo de 2”

si:

K = 0.1484 A p Valores: = 3.1416 d p = 2” K

0.1484

dp 2 4

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π 22 0.1484 4

K

K = 0.466 BPD/plg/spm

Otra forma de resolver este problema, es mediante la tabla 1 del anexo A, donde, de acuerdo con el diámetro del émbolo se obtiene el área cor respondiente a éste, y el valor de la constante, de tal forma que para diámetro del émbolo de 2”Ø se tiene que: K = 0.466 BPD/plg/spm 2. Calcular la constante para un émbolo de 1 ¾”Ø. Valores: d p = 1.75” = 1 ¾” = 3.1416 K

K

0.1484

dp 2 4

0.1484

1.75 4

2

K= 0.357 BPD/plg/spm

3. Calcular la constante para un émbolo de 1 ½” Ø. Valores: d p = 1 ½” Ø= 1.5”Ø = 3.1416 K

0.1484

dp 2 4

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K

0.1484

SUB-TEMA III

1.5 4

2

K = 0.262 BPD/plg/spm 4. Calcular la constante para un émbolo de 2 ¼” Ø. Valores: d p = 2.250” = 3.1416

K

K

0.1484

0.1484

=2 ¼”

dp 2 4 2.25 4

2

K= 0.590 BPD/plg/spm

5. El pozo Poza Rica 101 en el Activo de Producción Poza Rica tiene instalada una bomba cuyo émbolo es de 1 ½” Ø, una Unidad de Bombeo Mecánico operando con una velocidad de bombeo de 11 spm y una carrera efectiva del émbolo de 108 plg; produce en superficie 240 BPD de un fluido cuya densidad es de 0.850. Calcular el desplazamiento teórico de la bomba (P D ) y su eficiencia volumétrica (E V ). De la tabla 1 anexo A, se tiene que para émbolo de 1 ½”Ø K= 0.262 BPD/plg/spm, Valores: K Sp N dp q

= = = = =

0.262 BPD/plg/spm, 108 plg 11 spm 1 ½”Ø 240 BPD

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Entonces: P D = (K) (S p ) (N) PD= (0.262) (108) (11) PD= 311.25 BPD/día La eficiencia volumétrica (E V ) es: E V = (q/P D ) (100) E V = (240/311) (100) E V = 77.17 %

6. Un pozo equipado con una bomba cuyo émbolo es de 1 ½” Ø, con velocidad de bombeo de 20 spm y una carrera efectiva del émbolo de 55 plg produce en la superficie 210 BPD de un fluido cuya densidad relativa es igual a 0.85. Calcular el desplazamiento teórico de la bomba (P D ) y su eficiencia volumétrica (E V ). Valores: dp N Sp q

= = = =

1 ½”Ø 20 spm 55 plg 210 BPD

De la tabla 1 anexo A, para émbolo de 1 ½”Ø , K = 0.262 BPD/plg/spm.

El desplazamiento teórico de la bomba es: P D = (K) (S p ) (N) P D = (0.262) (55) (20) P D = 288.2 BPD La eficiencia volumétrica es: E V = (q/ P D ) (100) E V = (210/288.2) (100) E V = 72.86 %

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7. Si el desplazamiento teórico de la bomba es de 250 BPD y la eficiencia volumétrica es del 75%. Calcular el gasto de producción en la superficie. Valores: PD = 250 BPD EV = 75 % q = (P D ) (E V /100) q = (250) (75/100) q = 187.5 BPD en la superficie

8. Una bomba será instalada en un pozo cuyo nivel dinámico está a 4000 pies y se desea que produzca 400 BPD de fluido en la superficie, carrera en la varilla pulida mayor a 74 plg. La experiencia local indica que la eficiencia de la bomba es del 80%. ¿Qué tamaño de bomba recomendaría para este pozo? Para una selección preliminar, se utiliza la tabla 2 del anexo A, en la cual se recomienda un tamaño de bomba de 2”Ø ó 2¼”Ø.

3.3 DISEÑO DE LA SARTA DE VARILLAS Como las varillas no sólo sostienen su propio peso sino también el peso del fluido, la carga en la sarta de varillas se incrementa progresivamente desde el fondo del pozo hacia la superficie, por lo que a mayores profundidades de bombeo (más de 3500 pies), es más usual instalar una sarta de varillas telescopiadas. Estas sartas consisten en varillas de dos o más diámetros y diferente longitud, con los tamaños más grandes hacia la superfi cie donde las cargas sobre la sarta son mayores, el uso de sartas telescopiadas da como resultado una disminución de cargas y costos. Así como para prever una distribución más uniforme de los esfuerzos en las varillas. Existen dos métodos para diseñar una sarta de varillas telescopiadas, éstos son: 1. Esfuerzo máximo.- Consiste en asignar a cada sección de la sarta un esfuerzo máximo, si se pasa de este valor máximo, se selecciona una varilla de mayor diámetro.

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2. Esfuerzos iguales.- Es el método más usado, y consiste en diseñar la sarta de varillas de tal manera que los esfuerzos sean iguales en la parte superior de cada sección. La tabla 3 del anexo A, presenta los valores y porcentajes de las varillas que pueden utilizarse según el tamaño de la bomba, est os porcentajes pueden calcularse también con las ecuaciones que resultan de aplicar este método, estas ecuaciones han sido obtenidas y se presentan en la Tabla 4 del Anexo A. Una vez definido el porcentaje de cada sección de varilla, se calcula la longitu d de cada una de ellas considerando que: Li = Ri LT También considérese que: Li = LT

i = 1, 2, 3, ... n,

La carga máxima (W máx ) y mínima (W mín ) que se espera durante el ciclo de bombeo en la sarta de varillas deben ser determinadas correctamen te para poder seleccionar el equipo superficial adecuado que pueda manejar estas cargas. La cuantificación de las cargas en la varilla pulida serán más o menos reales, dependiendo de los datos con los que se disponga. Para el cálculo de estas cargas, se han propuesto diferentes expresiones, en este trabajo se enuncian las que son más confiables y que pueden utilizarse en un amplio rango de velocidades de bombeo. 3.4 FACTORES QUE CONTRIBUYEN A FORMAR LA CARGA TOTAL DE LA VARILLA PULIDA. Dentro del ciclo de bombeo se presentan cinco factores que contribuyen a formar la carga total de la varilla pulida, estos factores son: 1. 2. 3. 4. 5.

El peso muerto de la sarta de varillas. La carga por aceleración de la sarta de varillas. La fuerza de flotación de las varillas. La carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida. La carga por fricción.

1) El peso muerto de la sarta de varillas (W r ), y está dado por: Wr =

mi Li

i = 1, 2, 3, ..., n

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Ejemplo de Aplicación 1. En un pozo del Área Presidente Alemán en el Activo de Producción Poza Rica será colocada una bomba con un émbolo de 1 ¼” a una profundidad de 8500 pies, usando una sarta de varillas telescopiadas compuesta por una sección de 1”Ø, 7 / 8 ”Ø y ¾”Ø, y cada varilla de succión mide 25 pies de longitud. Consultando las tablas 3 y 5 del anexo A, determinar lo siguiente: a) El número de varilla y el porcentaje proporcionado a cada sección de varillas. b) La longitud de cada sección de varillas. c) El número de varilla equivalente a cada sección. d) El peso estático de cada sección de varillas. e) El peso estático del total de la sarta de varillas. a) De acuerdo a la tabla 3 del anexo A corresponde el No. de varilla 86. 1ª R 1 2ª R 2 3ª R 3

= 1” Ø = 7/8” Ø = ¾” Ø

= 24.3 % = 24.5 % = 51.2 %

R 1 , R 2 , R 3 , es el porcentaje fraccional de cada sección de varillas respectivamente. b) Longitud de cada sección. Li = R i LT L1 = (8500) (0.243) = 2065.5 pies L2 = (8500) (0.245) = 2082.5 pies L3 = (8500) (0.512) = 4352 pies c) Número de varillas por sección. Observación: todas las varillas miden 25 pies de longitud. L1 = 2065.2 25 = 83 varillas L2 = 2082.5 25 = 83 varillas L3 = 4352 25 = 174 varillas d) El peso unitario de cada sección de varillas (m i ) de acuerdo a la tabla 5 del anexo A se tiene que: La varilla de 1”Ø = 2.88 lbs-pie 7 La varilla de / 8 ”Ø = 2.16 lbs-pie La varilla de ¾”Ø = 1.63 lbs-pie

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Entonces: W ri = (Li )(m i ) W r 1 = (2065.5) (2.88) = 5948.64 (lbs) W r 2 = (2082.5) (2.16) = 4498.2 (lbs) = 7093.76 (lbs) W r 3 = (4352) (1.63) e) Peso total de la sarta de varillas(W r ) es: Wr = Wr1 + Wr2 + Wr3 W r = 5948.64 + 4498.2 + 7093.76 = 17540.6 lbs. También se puede calcular el peso total de la sarta de varillas mediante los datos tomados de la tabla 3 del anexo A, donde se considera un promedio de peso por unidad del total de la sarta de varillas. 2. De la tabla 3 del anexo A, a una sarta de varillas telescopiadas de 8500 pies, el diámetro de una bomba de 1 ¾” , corresponde el número de varilla 86 y de la misma tabla, el peso promedio de las varillas (mr) es de 2.185 lbs -pie. Calcular el peso de la sarta de varillas. Valores: LT = 8500 pies dp = 1 ¾”Ø mr = 2.185 lbs-pie W r = (LT )(m r ) W r = (8500)(2.185) W r = 18572.5 lbs

2) La carga por aceleración de la sarta de varillas Las cargas máximas y mínimas por aceleración están dadas por (W r respectivamente.

) y –(Wr

),

El factor de aceleración es calculado mediante la ecuación de Mills:

SN2 70500

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Ejemplos de aplicación 1. Una Unidad de Bombeo Mecánico opera con una carrera de 144 plg y una velocidad de bombeo de 12 spm. Calcular el factor de aceleración. Valores: S = 144 plg N = 12 spm SN 2 70500 144 12 70500

2

0.2941 2. La Unidad de Bombeo Mecánico del pozo Poza Rica 101, tiene una carrera de 168 plg y una velocidad de bombeo de 11 spm. Calcular el factor de aceleración. Valores: S = 168 plg N = 11 spm SN 2 70500 168 11 70500

2

0.2883 3. Una Unidad de Bombeo Mecánico opera con una velocidad de bombeo de 12 spm y carrera de 120 plg. Calcular el factor de aceleración.

Valores: S = 120 plg N = 12 spm

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SN 2 70500 120 12 70500

2

0.2451 3) Fuerza de flotación de las varillas Considerando que la densidad de las varillas es de 490 lbs/pie 3 , el volumen de la sarta de varillas y consecuentemente el volumen del fluido desplazado (V d ) por la sarta es: V d = W r /490 lbs/plg 3

(3.7)

La densidad del fluido desplazado en función de la densidad relativa es: 62.4 G lbs/pie La fuerza de flotación de las varillas (F f ), es decir, el peso del fluido desplazado es entonces: F f = - (W r /490) (62.4 G) F f = - 0.127 W r G

(3.8)

El signo negativo de la ecuación anterior indica que l a fuerza de flotación es siempre ascendente. Ejemplos de Aplicación 1. Calcular la fuerza de flotación de las varillas o peso del fluido desplazado, a un pozo con un peso total de sarta de varillas de 10300 lbs, con un fluido cuya densidad relativa es de 0.870. Valores: W r = 10300 lbs G = 0.870 F f = (-0.127)(W r )(G) F f = (-0.127)(10300)(0.870) F f = -1138 lbs

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2. Un pozo del Activo de producción Poza Rica, tiene una sarta telescopoiada con un peso de 14820 lbs y un fluido con densidad relativa de 0. 820. Calcular el peso del fluido desplazado o fuerza de flotación de las varillas. Valores: W r = 14820 lbs G = 0.820 F f = (-0.127) (W r )(G) F f = (-0.127)(14820) (0.820) F f = -1543 lbs 3. Calcular la fuerza de flotación de las varillas, a un pozo con sarta telescopiada que tiene un peso de 11350 lbs, y un fluido cuya densidad relativa es de 0.835. Valores: W r = 11350 lbs G = 0.835 F f = (-0.127) (W r ) (G) F f = (-0.127) (11350) (0.835) F f = -1203 lbs. 4) Carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida La carga del fluido para determinar las cargas en la varilla pulida, será el peso del fluido que es soportado por el área neta del émbolo. De acuerdo a esto, el volumen de la columna de fluido (V c ), teniendo como base el área del émbolo y la longitud total de la sarta de varillas será: V c = L T Ap/144 pie 3

(3.9)

El volumen del fluido (V f ) va a ser la diferencia entre el volumen de la columna de fluido sobre el émbolo, menos el volumen desplazado por la sarta (V d ), es decir: V f = (LT A p /144) – (W r /490)

(3.10)

Entonces la carga del fluido (W f ) será: W f = 62.4

G

[ (LT A p /144) – (W r/490)

W f = 0.433 G (L T A p – 0.294 W r )

(3.11)

101

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La carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida, es únicamente durant e la carrera ascendente. Ejemplos de aplicación 1. Calcular la carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida, a un pozo del Activo de Producción Poza Rica, que tiene una sarta con una longitud de 4985 pies y un peso de 8125.5 lbs, el pozo tiene una tubería de producción de 2 7/8”Ø en el cual opera una bomba de 1 ¾”Ø y un fluido con densidad relativa de 0.870. De la tabla 1 del Anexo A, a un émbolo de 1 3/4”Ø le corresponde un área de la sección transversal de la bomba de 2.405 plg2. Valores: LT Wr dtp dP AP G

= 4985 pies = 8125.5 lbs = 2 7/8”Ø = 1 ¾”Ø = 2.405 plg2 = 0.870

W f = (0.433) (G) [ (LT )(A P ) – (0.294) (W r ) W f = (0.433) (0.870) [ (4985) (2.405) – (0.294) (8125.5) W f = 3616.42 lbs. 2. El pozo Tajin 346 tiene una bomba con diámetro del émbolo de 2”Ø, operada por una sarta de varillas telescopiadas con un peso de 6479.25 lbs y una longitud de 3975 pies, el fluido del pozo tiene una densidad relativa de 0.820, el diámetro de la tubería de producción es de 2 7/8”Ø. Calcular la carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida. De la tabla 1 del Anexo A, a un émbolo de 2”Ø le corresponde un área de la sección transversal de la bomba de 3.142 plg2. Valores: LT Wr dtp dP AP G

= 3975 pies = 6479.25 lbs = 2 7/8ӯ = 2ӯ = 3.142 plg2 = 0.820

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W f = (0.433) (G) [ (LT )(A P ) – (0.294) (W r ) W f = 0.433 (0.820) [ (3975) (3.142) –(0.294) (6479.25) W f = 3758.15 lbs. 3. Calcular la carga del fluido que se ejerce sobre la varilla pulida, a un pozo del Activo de Producción Poza Rica que tiene un fluido con densidad relativa de 0.835. El pozo tiene bomba con émbolo de 1 ½”Ø, la sarta de varillas tiene un peso de 7132.88 lb y una longitud de 4376 pie. De la tabla 1 del Anexo A, a un émbolo de 1 ½”Ø le corresponde un área de la sección transversal de la bomba de 1.767 plg2. Valores: LT Wr dP AP G

= 4376 pies = 7132.88 lbs = 1 ½”Ø = 1.767 plg2 = 0.835

W f = (0.433) (G) [ (LT )(A P ) – (0.294) (W r ) W f = (0.433) (0.835) [(4376) (1.767) – (0.294) (7132.88) W f = 2037.48 lbs. 5) Carga por fricción La carga por fricción (F fric ) en las Unidades de Bombeo Mecánico que ya están en operación se puede estimar en carta dinamométrica. Dado que no se tiene un dato exacto sobre ella, por lo que generalmente se elimina. Para elevar una carga dada, la varilla pulida ejerce una fuerza ascendente mayor que el peso muerto de las varillas y el fluido juntos, esta fuerza es conocida como carga máxima de la varilla pulida y está compuesta de dos partes (1) el peso muerto de las varillas y del fluido, (2) un compon ente adicional de fuerza. Esta fuerza adicional es el llamado factor de aceleración ( ), el cual es expresado como una fricción o porcentaje del peso muerto de las varillas y del fluido. La carga máxima se tiene cuando se inicia la carrera ascendente, qu e es cuando la carga de las varillas más el fluido se comienzan a levantar con una aceleración máxima. La carga mínima se tiene cuando se inicia la carrera descendente; ya que en esta zona únicamente se tiene el peso de las varillas flotando, menos el f actor de aceleración. 103

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Las ecuaciones de Mills para determinar la carga máxima y mínima de la varilla pulida son las siguientes: Para la unidad convencional (Clase I) W máx = W f + W r (1 + (3.12)

) – F f + F fric

W mín = W r (1- ) – F f – F ric

(3.13)

Sólo para propósitos de derivación en el desarrollo de la ecuación del efecto de contrabalanceo ideal, las fuerzas de flotación y de fricción son consideradas, pero comúnmente son desechadas. En el cálculo de la carga máxima y en el cálc ulo de la carga mínima se elimina la fuerza de fricción, entonces: W máx = W f + W r (1 + W mín = W r (1 -

) (lbs)

(3.14)

- 0.127 G ) (lbs)

(3.15)

Para unidad aerobalanceada (Clase III) W máx = W f +W r (1+0.7 ) (lbs)

(3.16)

El 0.7 es porque esta unidad utiliza únicamente el 70% de la aceleración para revertir la carrera de la varilla pulida comparada con la unidad convencional. W mín =W r (1-1.3 -0.127 G) (lbs)

(3.17)

Para unidad Mark II (Clase III) W máx = W f + W r (1+0.6 ) (lbs)

(3.18)

W mín = W r (1-1.4

(3.19)

- 0.127 G) (lbs)

Ejemplo de Aplicación para el Cálculo de Carga Máxima (W máx ) y Mínima (W mín ) en la Varilla Pulida Calcular la carga máxima y mínima que se ejerce sobre la varilla pulida, a un pozo que tiene un fluido con densidad relativa de 0.870, el peso de la sarta de varillas es de 8125.5 lbs, y el peso del fluido es de 3616.42 lbs y un factor de aceleración de 0.2941. Valores: W f = 3616.42 lbs W r = 8125.5 lbs 104

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G

SUB-TEMA III

= 0.2941 = 0.870

Unidad Convencional (Clase I) W máx = W f +W r (1+ ) W mín = W r (1- -0.127 G) W máx = W f +Wr (1+ ) W máx = 3616.42+8125.5 (1+0.2941) W máx = 14131.62 lbs W mín = W r [1- -0.127)(G)] W mín = 8125.5 [1-0.2941-(0.127)(0.870)] W mín = 4838 lbs W mín = 4838 lbs Unidad aerobalanceada (Clase III) W máx = W f +W r [1+(0.7)( )] W máx = 3616.42+8125.5 [1+(0.7)(.2941)] W máx = 13414.71 lbs W mín = W r (1-1.3 -0.127 G) W mín = 8125.5[1-(1.3)(0.2941)-(0.127)(0.87)] W mín = 4121.09 lbs Unidad Mark II (Clase III) W máx = W f + W r (1+0.6 ) W máx = 3616.42+8125.5 [1+(0.6)(0.2941)] W máx = 13175.74 lbs W mín = W r [1-1.4 -0.127G] W mín = 8125.5 [1-(1.4)(.2941)-(0.127)(0.870)] W mín = 3882.12 lbs Levantar una carga máxima con alta aceleración ocasiona una mayor carga estructural, lo que a su vez produce una mayor tensión en las varillas. Es por esta razón que se debe verificar que la tensión máxima prevista, no sea mayor que la tensión máxima de trabajo permisible. La tensión máxima en la parte superior de toda la sarta de va rillas (de un solo diámetro o telescopiadas), va a ser calculada dividiendo la carga máxima de la varilla pulida entre el área de la sección transversal de la varilla superior.

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S máx

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W máx A top

(3.20)

Ejemplo de Aplicación de la Tensión Máxima en la parte Superior de la Sarta de Varillas Un pozo tiene una carga máxima en la varilla pulida de 13175.74 lbs, y tiene una sarta de varillas de un solo diámetro el cual es de ¾” . Calcular la tensión máxima en la parte superior de la sarta de varillas. El pozo opera con una Unidad de Bombeo Mecánico Mark II. Valores: Consultando la tabla 5 del anexo A, para la varilla de ¾” 0.442 plg 2 .

corresponde un área de

Wmáx = 13175.74 lbs. A top =0.442 plg 2

S máx

W máx A top

S máx

13175.74 0.442

2 29809.36 lbs/plg

S máx = 29809.36 lbs/plg 2 El criterio de comparar la tensión máxima a la que estará sometida la sarta de varillas diseñada, es tan importante que si ésta es mayor que la tensión de trabajo permisible (usualmente es de 30000 lbs/plg2), la sarta de varillas tendrá que ser rediseñada. La tensión a la cual ocurren fallas en la varilla es el llamado límite proporcional del material, este límite no es un criterio para establecer la tensión máxima de trabajo permisible para las varillas, ya que se tienen ciertas fallas por fatiga, las cuales generalmente ocurren a tensiones por debajo del límite proporcional. Entonces se considera el endurecimiento límite como la tensión máxima que puede aplicarse a un miembro. El límite de endurecimiento para las varillas depende de: (1) los componentes presentes en el acero, (2) los agent es corrosivos presentes en el fluido y (3) el rango de tensión al que están sujetas las varillas. La tabla 18 del apéndice A, resume los grados de acero más usados, dando su composición y su límite de endurecimiento.

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Ejemplo del Diseño de la Sarta de Varillas Una bomba con émbolo de 2”Ø será colocada a 8500 pies usando una sarta de varillas telescopiadas compuesta por una sección de ¾”, 7 / 8 ” y 1” . Cada varilla de succión es de 25 pies de longitud. Determinar la longitud de cada sección de la sarta de varillas para que se logre cubrir la profundidad de colocación de la bomba. De acuerdo con la tabla 3 del apéndice A, se tiene que la varilla que maneja la combinación de ¾”, 7 / 8 ” y 1”, es la No. 86 y además, para un émbolo de 2Ø”, se tiene que: R1 R2 R3

= 33.9% varilla de ¾” = 33.2% varilla de 7 / 8 ” = 32.8% varilla de 1”

Entonces: L1 = (8500) (0.339) = 2881.5 pies. L2 = (8500) (0.332) = 2822 pies. L3 = (8500) (0.328) = 2788 pies. Pero considerando que la longitud de cada varilla es 25 pies, en tonces la longitud de cada sección será de: L1 = 2875 pies. L2 = 2825 pies. L3 = 2800 pies. Ejemplo de aplicación para diseñar una sarta de varillas telescopiadas. En un pozo del campo petrolero Papantla, será instalada una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”Ø, utilizando una sarta de varillas telescopiada consistente en varillas de ¾”, 7 / 8 ” y 1” de diámetro, considerando que todas las varillas miden 25 pies de longitud. Determinar la longitud de cada sección de la sarta de varillas. R i = Li /LT ; L i = (R i )(L T )

i = 1, 2, 3…..,n

De acuerdo a la tabla 4 del anexo A, se tiene que las relaciones de longitud que corresponden a estas sartas de varillas combinadas, son: R 1 = 0.664-0.0894 A p R 2 = 0.181+0.0478 A p R 3 = 0.155+0.0416 A p Para este diámetro de émbolo, de acuerdo a la tabla 1 del anexo A, el valor de A p es igual a 2.405 plg 2 .

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Entonces: Li = (R i )(LT ) Valores: R1 R2 R3 LT Ap

= = = = =

i = 1, 2, 3…..,n

0.664-0.0894 A p 0.181+0.0478 A p 0.155+0.0416 A p 8500 pies 2.405 plg 2

Li = (R i )(L T ) L1 = [ 0.664-(0.0894)(2.405) ] (8500) = 3816.44 pies L2 = [ 0.181+(0.0478)(2.405) ] (8500) = 2515.65 pies L3 = [ 0.155+(0.0416)(2.405) ] (8500) = 2167.90 pies Las longitudes se requieren en múltiplos de 25 pies, ya que t odas las varillas de succión miden 25 pies, entonces: L1 = 3800 pies L2 = 2525 pies L3 = 2175 pies

3.5 CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO El volumen de aceite manejado durante cada carrera del émbolo no depende de la longitud de carrera de la varilla, si no de un movimiento relativo del émbolo en el barril de trabajo. Este movimiento es conocido como carrera efectiva del émbolo y difiere significativamente de la carrera de la varilla pulida. Esta diferencia se debe a las elongaciones en la varilla (e r ) y en la tubería (e t ), así como también a la sobrecarga del émbolo (e p ) como resultado de la aceleración.

La carrera efectiva del émbolo, es la carrera de la varilla pulida disminuida por los efectos de elongación en las varillas y la tubería, debido a la carga del fluido e incrementada por el efecto de la sobrecarga del émbolo como resultado de la aceleración. Por lo tanto la carrera efectiva del émbolo es: Sp = S + e p – (e t + e r )

(3.21)

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Donde todos los términos involucrados en la ecuación ant erior deberán estar expresados en pulgadas. ELONGACIONES DE LA TUBERÍA (et) Y LA VARILLA (er) Dado que las válvulas viajera y de pie, abren y cierran durante el ciclo de bombeo, la carga del fluido es transferida alternativamente de la tubería a la sarta de varillas, lo que ocasiona deformaciones elásticas periódicas. Durante la carrera descendente, cuando la válvula de pie está cerrada y la válvula viajera está abierta, la carga del fluido está sobre la tubería, lo que provoca una cierta elongación en es te miembro, en cambio, al inicio de la carrera ascendente, cuando la válvula viajera está cerrada y la válvula de pie está abierta, se origina una elongación en las varillas. La restauración de la longitud original de la tubería ocasiona que el barril de trabajo se mueva hacia arriba y la elongación de las varillas provoca que el émbolo se mueva hacia abajo. Sin embargo, la carrera efectiva del émbolo disminuye en una cantidad igual a la suma de las elongaciones. Para una deformación elástica, se tiene una relación constante entre la tensión aplicada al cuerpo de la varilla y el esfuerzo interno de la misma; esta relación es el llamado “módulo de elasticidad” (E), el cual depende del tipo de material manejado. Si la tensión es una fuerza (F) aplicada sobre una unidad de área (A), entonces: Tensión = F/A (lbs/plg 2 )

(3.22)

El esfuerzo interno es un cambio fraccional en la longitud.

E (3.23)

Tensión Esfuerzo interno

Si la tensión es una fuerza (F) aplicada sobre una unidad de área (A), entonces: Tensión = F/A (lbs/plg 2 )

(3.24)

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El esfuerzo interno es un cambio fraccional en la longitud. Esfuerzo interno

e 12 LT

(3.25)

Sustituyendo las ecuaciones (3.24) y (3.25) en la ecuación (3.23): F/A e/12 LT

E

12 F LT eA

(3.26)

Entonces, la elongación del elemento de análisis será: 12 F LT e EA (3.27)

Donde la fuerza (F), debido a la carga del fluido, resulta de la presión diferencial ( p ) que se tenga a través del émbolo y que actúa sobre el área total del émbolo (A p ). F=

p Ap

(3.28)

Si se considera que la bomba se coloca a la profundidad del nivel dinámico (D), la presión diferencial será la presión de una columna de fluido de densidad relativa (G) a una profundidad L T. p

= 0.433 G L T

(3.29)

Para un caso más general, la presión debajo del émbolo debido a la columna de fluido en la tubería de revestimiento, será mayor de L-D, entonces: p

= 0.433 G L T – 0.433 G (L T -D)

p

= 0.433 GD

(3.30)

Sustituyendo la ecuación anterior en la ecuación (3.28): F = 0.433 G D A p

(3.31)

110

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Sustituyendo la ecuación (3.31) en la ecuación (3.27): 12 (0.433 GD Ap) LT EA

e e

5.20G D Ap LT EA

(3.32)

Entonces, de acuerdo con la ecuación anterior, la elongación de la varilla será:

er

5.20 GD Ap LT

(3.33)

E Ar

La elongación de la tubería será:

et

5.20 GD Ap LT

(3.34)

E At

En el caso de una sarta de varillas telescopiadas la ecuación (3.33) aplicará a cada sección, de tal forma que la elongación de las varillas será:

e

5.20 GD Ap E

L1 L2 … + Ln + + Ar1 Ar2 Arn ..

(3.35)

Estos valores de elongación también pueden calcularse con las siguientes fórmulas: er = E r W f LT

(3.36)

et = E t W f LT

(3.37)

SOBRECARRERA DEL ÉMBOLO Además de las elongaciones de la tubería y las varillas se debe considerar la elongación originada por el peso de las varillas flotando en el fluido, debido a la aceleración de las mismas en cada carrera del émbolo, esta elongación es llamada sobrecarrera del émbolo. En una sarta, el peso de la varilla va aumentando gradualmente desde cero en el fondo hasta W r en la parte superior. En promedio, el peso de la sarta que origina la elongación es de W r /2 y en términos de longitud será de L T /2. De tal

111

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forma que la elongación de las varillas como resultado de su propio peso, al final de la carrera descendente (e d ) y de acuerdo con la ecuación (3.6) será: ed

12 (Wr + Wr E Ar

LT/2

(3.38)

Recordando que, en la carrera descendente se tiene la máxima carga por aceleración (+W r ) y que cerca del tope de la carrera ascendente, justo cuando las varillas comienzan a bajar, se tiene la mínima carga por aceleración (-W r ), entonces la elongación de las varillas al final de la carrera ascendente (e u ) será: eu

12 (Wr + Wr E

LT/2

(3.39)

Ar

La elongación neta, resultante de la aceleración o de la sobrecarga del émbolo se obtiene sustituyendo las ecuaciones (3.28) y (3.29), entonces: : 12 Wr LT ep e d eu (3.40) E Ar Y el peso de la sarta es: W r = p r LT A r /144

(3.41)

Donde p r es la densidad del acero de las varillas de succión, y es aproximadamente 490 lbs/pie 3 . Sustituyendo la ecuación (3.41) en la ecuación (3.40); se obtiene la ecuación (3.42): ep

12 LT 490 LT A r E Ar 144

40.8 LT 2 E

(3.42)

Finalmente, se tiene la ecuación planteada por Marsh -Coberly, basada en la ecuación (3.21), en la cual, sustituyendo las ecuaciones (3.33), (3.34) y (3.42) se tiene que para sarta de varillas de un solo diámetro:

Sp = S +

40.8 LT2 E

5.20 G D Ap LT E

1 At

+

1 Ar

(3.43)

112

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Y para la sarta de varillas de varios diámetros (telescopiada): Sp = S +

40.8 LT2 E

5.20 G D Ap LT E

LT L1 L2 L3 + + + At Ar1 Ar2 Ar3

(3.44)

Ejemplo de Aplicación 1. En un pozo del campo petrolero Tajín se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” en el interior de una tubería de producción de 2 7 / 8 ” a una profundidad de 3500 pies, se considera que el nivel de fluido en la tubería de revestimiento está a la profundidad de colocación de la bomba con un gasto o producción en la superficie de 150 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.825, la Unidad de Bombeo Mecánico deberá operar con una carrera en la varilla pulida de 100 plg, a una velocidad de bombeo de 11 spm y la sarta de varillas será de un solo diámetro de ¾” . Calcular la carrera efectiva del pistón (S p ) considerando la tubería de producción desanclada y anclada. Datos: dp d tp LT dr N S q G D

= = = = = = = = =

1 ¾” 2 7/8” 3500 pies ¾” 11 spm 100 plg 150 BPD 0.825 3500 pies

Cálculo con la Tubería de Producción desanclada. Consultando la tabla 5 del anexo A, se tiene que para una varilla de ¾” , el área que le corresponde es de: A r = 0.442 plg 2 Consultando la tabla 7 del anexo A, se tiene que para una tubería de 2 7 / 8 ” , el área que le corresponde es de: A t = 1.812 plg 2

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Consultando la tabla 1 del anexo A, se tiene que para un émbolo de 1 ¾” , el área que le corresponde es de: A p = 2.405 plg 2 Cálculo del factor de aceleración

.

SN 2 70500 (100) (11)2 70500 = 0.1716

Cálculo de la carrera efectiva del pistón (Sp). Valores: S = 100 plg LT = 3500 pies = 0.1716 G = 0.825 D = 3500 pies A p = 2.405 plg 2 E = 30 x 10 6 lbs/plg 2 A t = 1.812 plg 2 A r = 0.442 plg 2

Sp = S +

Sp = 100 +

40.8 LT2 E

5.20 G D Ap LT E

(40.8)(3500)2(0.1716)

1 At

+

1 Ar

(5.20) (0.825)(3500)(2.405)(3500)

6

30 X 10

6

30 X 10

1 1 + 1.812 0.442

S p = 100 + 2.8588 – (4.2129) (2.8143) S p = 102.8588 – 11.8564 S p = 91 plg

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Cálculo de la carrera efectiva del pistón (S p ) con la tubería de producción anclada, donde los términos que involucran a A t se eliminan, ya que al estar la tubería de producción anclada, ésta no tiene elongaciones provocadas por el movimiento, entonces el valor es At = O 40.8 LT2 Sp = S + E

Sp = 100 +

5.20 G D Ap LT E

(40.8)(3500)2(0.1716) 30 X 106

1 Ar

(5.20) (0.825)(3500)(2.405)(3500) 30 X 106

1 0.442

S p = 100 + 2.8588 – (4.2129) (2.2624) S p = 102.8588 – 9.5314 S p = 93.32 Plg Ejemplo de Aplicación de la carrera efectiva del pistón con una sarta de varillas telescopiada y la tubería de producción desanclada. 2. En un pozo petrolero del campo Papantla, tiene instalado un émbolo de 1 ¼”Ø,el cual es operado por una sarta de varillas telescopiadas de 1”Ø, 7 / 8 ”Ø y ¾”Ø dentro de una tubería de producción de 2 7 / 8 ”Ø, con una longitud de 8500 pies; el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. La Unidad de Bombeo Mecánico opera con una carrera en superficie de 144 plg con un factor de aceleración de 0.2883; y el fluido del pozo tiene una densidad relativa de 0.820. calcular la carrera efectiva del pistón. Consultando la tabla 5 del anexo A, se tiene que para una varilla de 1”Ø, 7 / 8 ”Ø y ¾” , el área que le corresponde es respectivamente de: A r1 = 0.785 plg 2 A r2 = 0.601 plg 2 A r3 = 0.442 plg 2 Consultando la tabla 7 del anexo A, se tiene que para una tubería de 2 7 / 8 ” , el área que le corresponde es de: A t = 1.812 plg 2 Consultando la tabla 1 del anexo A, se tiene que para un émbolo de 1 ¼” , el área que le corresponde es de: A p = 1.227 plg 2 f) De acuerdo a la tabla 3 del anexo A corresponde el No. de varilla 86.

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= 1” Ø = 7/8” Ø = ¾” Ø

1ª R 1 2ª R 2 3ª R 3

SUB-TEMA III

= 24.3 % = 24.5 % = 51.2 %

R 1 , R 2 , R 3 , es el porcentaje fraccional de cada sección de varillas respectivamente. g) Longitud de cada sección. Li = R i LT L1 = (8500) (0.243) = 2065.5 pies L2 = (8500) (0.245) = 2082.5 pies L3 = (8500) (0.512) = 4352 pies Valores: S LT

= 144 plg = 8500 pies = 0.1716 G = 0.820 D = 8500 pies A p = 1.227 plg 2 E = 30 x 10 6 lbs/plg 2 A t = 1.812 plg 2 A r1 = 0.785 plg 2 A r2 = 0.601 plg 2 A r3 = 0.442 plg 2 L1 = 2065.5 pies L2 = 2082.5 pies L3 = 4352 pies 1.- Cálculo de la carrera efectiva del pistón (Sp). 40.8 LT2 Sp = S + E SpSp==144 100 +

(40.8)(8500)2(0.2883) 30 X 106

5.20 G D Ap LT E

LT L1 L2 L3 + + + At Ar1 Ar2 Ar3

(5.20) (0.820)(8500)(1.227) 8500 2065.5 2082.5 4352 + + + 1.812 0.785 0.601 0.442 30 X 106

Sp = 172.32 - 0.001482379 20633.37 Sp = 172.32 - 30.58 S p = 141.74 plg Ejemplo de aplicación considerando la tubería de producción anclada eliminando de la fórmula los términos que involucren a A t .

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40.8 LT2 Sp = S + E

Sp = 144 + +

5.20 G D Ap LT E

(40.8)(8500)2 (0.2883) 6

30 X 10

L1 L2 L3 + + Ar1 Ar2 Ar3

(5.20) (0.820)(8500)(1.227) 2065.5 2082.5 4352 + + 0.785 0.601 0.442 6 30 X 10

Sp = 172.32-0.001482379 15955.88 Sp = 172.32-23.65 S p = 148.67 plg. Para el caso de tubería anclada, no se tienen elongaciones en ella y por lo tanto, en las ecuaciones anteriores, se desprecian los términos que involucran a At.

3.6 POTENCIA DE ARRANQUE NECESARIA En el movimiento del fluido en la bomba, se consideran dos potencias, la potencia hidráulica (H h ), que es una expresión muy útil para calcular el consumo de energía y la potencia por fricción (H f ). Para la potencia hidráulica, se tiene que si un gasto en barriles por día de un fluido con densidad relativa (G), se bombea desde una profundidad (L T ) en pies, la potencia involucrada será:

Hh

q bls/día x 350 G bls/bls x LT pie 1440 min/día x 33000 lbs pie/min/hp

H h = 7.36 x 10 -6 q G L T (hp)

(3.45)

Esta ecuación considera que la bomba está colocada a la profundidad del nivel dinámico y que el efecto de presión en la tubería es despreciado. Una expresión más general, sería: H h = 7.36 x 10 -6 q G L N (hp)

(3.46)

Donde, el nivel neto (L N ), es una diferencia de presión expresada en longitud de columna hidráulica, la cual originará que el fluido viaje desde la bomba hasta la superficie. Se tienen dos niveles diferentes, uno debido a los efectos de presión en la tubería de revestimiento (representa una fuerza que tiende a levantar el fluido) y otro a los efectos de presión en la tubería de producción. (representa una fuerza contra la cual la bomba debe trabajar). En términos de longitud, el efecto de presión en la tubería de revestimien to es la diferencia entre

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la profundidad de colocación de la bomba y la profundidad del nivel dinámico, es decir, L T - D. El efecto de presión en la tubería de producción P tp , se obtiene como un nivel equivalente a ésta y es:

Pt p

Pt p

lbs/plg2 144 plg2 /pie2 62.4G lbs/pie3

0.433G

pie

(3.47)

Entonces, el nivel neto de acuerdo a las presiones manejadas, considera la presión a la profundidad de colocación de la bomba, menos la presión en la tubería de revestimiento, más la presión equivalente en la tubería de producción.

LN

LT

LT D

Pt p 0.433G

LN = D + 2.31 (P tp /G)

(3.48)

Ejemplo de Aplicación para calcular el Nivel Neto (L N ) El nivel dinámico es igual al resultado de la resta de la profundidad de colocación de la bomba menos la distancia en la que se encuentra sumergida ésta en el fluido (sumergencia de la bomba). Calcular el nivel neto a un pozo con una profundidad de colocación de la bomba de 5320 pies la cual se encuentra sumergida 325 pies, el fluido del pozo tiene una densidad relativa de 0.870 y la presión en la tubería de producción es de 70 lbs/plg2.

Valores: Profundidad de colocación de la bomba = Distancia a la que se encuentra sumergida la bomba = D= P tp = G=

5320 pies 325 pies 5320 – 32 = 4995 pies 70 lbs/plg 2 0.870

LN = D + 2.31 (P tp /G) LN = 4995+2.31 (70/0.870) LN = 5180.86 pies

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Un pozo del área Papantla en el Activo de Producción Poza Rica, tiene una bomba colocada a 8500 pies y se encuentra sumergida 400 pies, la presión en la tubería de producción es de 90 lbs/plg2 y la densidad relativa del fluido del pozo es de 0.825. calcular el nivel neto. Valores: Profundidad de colocación de la bomba = Distancia a la que se encuentra sumergida la bomba = D= P tp = G=

8500 pies 400 pies 8500 – 400 = 8100 pies 90 lbs/plg 2 0.825

LN = D + 2.31 (P tp /G) LN = 8100 + 2.31 (90/0.825) LN = 8352 pies Calcular el nivel neto a un pozo con una profundidad de colocación de la bomba de 6100 pies la cual se encuentra sumergida 950 pies, el fluido del pozo tiene una densidad relativa de 0.850 y la presión en la tubería de producción es de 110 lbs/plg2. Valores: Profundidad de colocación de la bomba = Distancia a la que se encuentra sumergida la bomba = D= P tp = G=

6100 pies 950 pies 6100 – 950 = 5150 pies 110 lbs/plg 2 0.850

LN = D + 2.31 (P tp /G) LN = 5150 + 2.31 (110/0.850) LN = 5448.95 pies Para la potencia por fricción se consideran las pérdidas de energía por la fricción entre la bomba y la varilla pulida. Empíricamente se ha encontrado que las pérdidas de energía por fricción en cada carrera pueden ser calculadas a partir de: 1/8 W r x 2 S = 0.25 W r S (lbs-plg) Si se considera una velocidad de bombeo de N (spm), la potencia por fricción, es:

H f

0.25 W S N lbs plg/min r 12 plg/pie x 33000 lbs pie/min/hp

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SUB-TEMA III

Entonces: H f = 6.31 x 10 -7 W r S N (hp)

(3.49)

Ejemplo de Aplicación de Potencia por Fricción (H f ) 1. Un pozo del área Poza Rica, tiene una Unidad de Bombeo Mecánico operando con una carrera de 144 plg y una velocidad de bombeo de 13 spm. El peso total de la sarta de varillas es de 14000 lbs. Calcular la potencia por fricción con la cual opera la Unidad de Bombeo Mecánico. Valores: W r = 14000 lbs S = 144 plg N = 13 spm H f = 6.31 x 10 -7 W r S N H f = 6.31 x 10 -7 (14000)(144)(13) H f = 16.53 hp 2. Un pozo del área Presidente Alemán del Activo de Producción Poza Rica, tiene una Unidad de Bombeo mecánico operando con una velocidad de bombeo de 13 spm y una carrera de 128 plg que opera una sarta de varillas con un peso de 11320 lbs. Calcular la potencia por fricción con la que opera la Unidad de Bombeo Mecánico. Valores: W r = 11320 lbs S = 128 plg N = 13 spm H f = 6.31 x 10 -7 W r S N H f = 6.31 x 10 -7 (11320)(128)(13) H f = 11.88 hp 3. Calcular la potencia por fricción con la que opera una Unidad de Bombeo Mecánico que tiene una carrera de 144 plg y una velocidad de bombeo de 13 spm. El peso de la sarta de varillas es de 8365 lbs Valores: W r = 8365 lbs S = 144 plg N = 13 spm

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SUB-TEMA III

H f = 6.31 x 10 -7 W r S N H f = 6.31 x 10 -7 (8365)(144)(13) H f = 9.88 hp Finalmente, se tiene que la potencia total de la varilla pulida es la suma de la potencia hidráulica más la de fricción, sin embargo, la potencia total de arranque para el motor primario involucra la potencia total de la varilla pulida y un factor de seguridad que logre absorber las pérdidas de potencia sin equipo superficial adicional. Se considera como bueno un factor de seguridad de 1.5, de tal forma que la potencia de arranque necesaria para el motor (H b ) será: H b = 1.5 (H h + H f )

(3.50)

Ejemplo de Aplicación de Potencia de Arranque del Motor (h b ) 1. Una Unidad de Bombeo Mecánico opera con una potencia hidráulica de 10.56 hp y una potencia por fricción de 16.53 hp. Calcular la potencia de arranque necesaria del motor. Valores: Hh = 10.56 hp Hf = 16.53 hp H b = 1.5 (H h +H f ) H b = 1.5 (10.56+16.53) Hb = 40.63 hp El fabricante recomienda un margen de maniobra o tolerancia del 25 % en la potencia especificada por él, debido al ciclo de carga. Entonces: (40.63) (1.25)= 50.7 hp El resultado de este cálculo, es la potencia necesaria que debe tener el motor principal para poner en operación la Unidad de Bombeo Mecánico. 2. Calcular la potencia necesaria de arranque del motor que opera una Unidad de Bombeo Mecánico con una potencia hidráulica de 12.52 y una potencia por fricción de 11.88 hp. Valores: Hh = 12.52 hp Hf = 11.88 hp H b = 1.5 (H h +H f ) H b = 1.5 (12.52+11.88) Hb = 36.6 hp

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SUB-TEMA III

El fabricante recomienda un margen de maniobra o tolerancia del 20 % en la potencia especificada por él, debido al ciclo de carga. Entonces: (36.6) (1.20)= 43.92 hp El resultado de este cálculo, es la potencia necesaria que debe tener el motor principal para poner en operación la Unidad de Bombeo Mecánico.

3. La potencia hidráulica en una Unidad de Bombeo Mecánico es de 11.16 hp y la potencia por fricción es de 9.88 hp. Calcular la potencia necesaria de arranque del motor Valores: Hh = 11.16 hp Hf = 9.88 hp H b = 1.5 (H h +H f ) H b = 1.5 (11.16+9.88) H b = 31.56 hp El fabricante recomienda un margen de maniobra o tolerancia del 27 % en la potencia especificada por él, debido al ciclo de carga. Entonces: (31.56) (1.27)= 40 hp El resultado de este cálculo, es la potencia necesaria que debe tener el motor principal para poner en operación la Unidad de Bombeo Mecánico. Ejemplo de Aplicación de Potencia Hidráulica (H h ) 1. Un pozo del área Poza Rica con sistema artificial de explotación de bombeo mecánico, produce en superficie 310 BPD de un fluido con densidad relativa de 0.870. el nivel neto se encuentra a 5320 pies. Calcular la potencia hidráulica. Valores: q = 310 BPD G = 0.870 LN = 5320 pies H h = 7.36x10 -6 (q)(G)(L N ) H h = (7.36 x 10 -6 )(310)(0.870)(5320) H h = 10.56 hp

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SUB-TEMA III

2. Calcular la potencia hidráulica, a un pozo que tiene su nivel neto a 4855 pies, de un fluido con densidad relativa de 0.825 y que tiene una producción en superficie de 425 BPD. Valores: q = 425 BPD G = 0.825 LN = 4855pies H h = 7.36x10 -6 (q)(G)(L N ) H h = 7.36 x 10 -6 (425)(0.825)(4855) H h = 12.52 hp 3. El nivel neto de un pozo con Unidad de Bombeo Mecánico es de 8500 pies, el fluido del pozo tiene una densidad relativa de 0.850, el pozo tiene una producción en superficie de 210 BPD. Calcular la potencia hidráulica. Valores: q = 210 BPD G = 0.850 LN = 8500 pies H h = 7.36x10 -6 (q)(G)(L N ) H h = 7.36 x 10 -6 (210)(0.850)(8500) H h = 11.16 hp

Ejemplo de Cálculo Un pozo con bombeo mecánico tiene una bomba cuyo émbolo es de 1 ¾” instalada a 4560 pies con una sarta de varillas de succión de ¾” . Si la tubería está anclada y se tiene una velocidad de bombeo de 20.5 spm, una carrera de varilla pulida de 64 plg y una producción de 355 BPD de fluido cuya densidad relativa es de 0.870, considerando que la profundidad de colocación de la bomba esta a la profundidad del nivel dinámico, y que la presión en la tubería de revestimiento es despreciada. a) Calcule la mínima potencia relacionándola con la especificada por el fabricante, para que se pueda utilizar este motor, si el fabricante recomienda una tolerancia o margen de maniobra del 25% en la potencia especificada por él, debido a la carga del ciclo.

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Consultando la tabla 5 del anexo A, se observa que la varilla de ¾” unitario de 1.63 lbs/pie. Entonces:

SUB-TEMA III

tiene un peso

W ri = (L T ) (m i ) W r1 = (4560) (1.63) W r1 = 7432.8 lbs La potencia hidráulica será: H h = (7.36 x 10 -6 )(q)(G)(L N ) H h = (7.36 x 10 -6 )( 355)( 0.870)(4560) H h = 10.36 hp Para una velocidad de bombeo de 20.5 spm, la potencia por fricción, es: H f = (6.31 x 10 -7 )(W r )(S)(N) H f = (6.31 x 10 -7 )(7432.8)(64)(20.5) H f = 6.15 hp Entonces, la potencia de arranque requerida por el motor primario será de: H b = 1.5 (H h + H f ) H b = 1.5 (10.36 + 6.15) H b = 24.76 hp Para que se tenga esta potencia, de acuerdo con la tolerancia que se recomienda, el total debe ser de: (24.76) (1.25)= 30.95 hp El resultado de este cálculo, es la potencia necesaria que debe tener el motor principal para poner en operación la Unidad de Bombeo Mecánico. b)

Determine cuál es el nivel de fluido para este pozo, si la presión en la tubería de producción es de 50 lbs/plg 2 manométrica., y la distancia que se encuentra sumergida la bomba es de 250 pies.

Considere que la tubería de revestimiento está a la presión atmosférica. D = (Profundidad de colocación de la bomba) – (distancia que se encuentra sumergida la bomba en el fluido) D = 4560 pies – 250 pies. D = 4310 pies. El nivel de fluido neto (L N ) está dado por: . LN = D + 2.31 (P tp /G) LN = 4310 + 2.31 (50/0.870) LN = 4443 pies.

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SUB-TEMA IV

4.0 MÉTODOS EMPLEADOS EN LA SELECCIÓN DE UNIDADES DE BOMBEO MECÁNICO. En el diseño de instalaciones de bombeo mecánico, existen diferentes procedimientos, a continuación se presentan dos que son los que más se utilizan en el Activo de Producción Poza Rica, cada uno con el desarrollo de los factores principales involucrados en el diseño de la unidad de bombeo mecánico. Los procedimientos son: I.- Método Craft Holden. II.- Método API-RP-11L.

4.1 MÉTODO CRAFT-HOLDEN La información que debe conocerse para determinar las cargas y desplazamientos de la bomba en el diseño de una instalación de bombeo mecánico son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Nivel de fluido (elevación neta). Profundidad de colocación de la bomba. Velocidad de bombeo. Longitud de la carrera superficial. Diámetro del émbolo. Densidad relativa del fluido. Diámetro nominal de la tubería de producción y si está anclada o desanclada. Tamaño y diseño de las varillas de succión. Geometría de la unidad.

Con esta información se pueden calcular los siguiente s parámetros: 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7.

Carrera del émbolo. Desplazamiento de la bomba. Carga máxima en la varilla pulida. Carga mínima en la varilla pulida. Torsión máxima en la manivela. (Cuando también se conoce el factor de torsión de la unidad) Potencia en la varilla pulida. Contrapeso requerido.

La selección para el problema de diseño se logra a través del ensayo y error. Generalmente se requieren 3 pasos en el diseño de una instalación, los cuales son:

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SUB-TEMA IV

1. Se efectúa una selección preliminar de los component es de la instalación. 2. Las características de operación de la selección preliminar se calculan utilizando las fórmulas básicas, tablas y figuras presentadas más adelante. 3. El desplazamiento y cargas de la bomba se compararon con los volúmenes, rangos de carga, esfuerzos y otras limitaciones de la selección preliminar. Puede ser necesario hacer otras selecciones y cálculos para no exceder las limitaciones de varios componentes de la instalación en su arreglo. Frecuentemente es necesario efectuar más de una selección de equipo antes de obtener la selección óptima. A continuación se presenta el análisis y desarrollo de los principales factores involucrados en el diseño de una unidad de bombeo mecánico. Así como también las tablas y figuras necesarias. ANÁLISIS TEÓRICO DEL MOVIMIENTO DE VARILLAS DE SUCCIÓN Factor de aceleración. El factor de aceleración por el que se debe multiplicar el peso muerto de las varillas para obtener la máxima carga de aceleración se expresa de la siguiente forma:

a g

(4.1)

Considerando un movimiento armónico de las varillas, una partícula del cuerpo se proyecta alrededor de un círculo de referencia cuyo diámetro es la longitud de la carrera de la varilla pulida; el tiempo para una revolución de la partícula alrededor del círculo es igual al tiempo de un ciclo completo de bombeo. El factor de aceleración máxima al inicio de la carrera ascendente o descendente, se expresa en función de la velocidad de la partícula (V p ) de la siguiente forma:

α

Vp 2 rc g

(4.2)

Considerando que V p está dada por el desplazamiento angular por unidad de tiempo, se tiene la siguiente expresión para V p :

2π rc T

Vp

(4.3)

Si N es el número de revoluciones por unidad de tiempo, entonces:

N

1 T

(4.4) 126

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SUB-TEMA IV

Sustituyendo la ecuación (4.4) en la (4.3), se obtiene la siguiente ecuación: Vp= 2

rc N

(4.5)

Sustituyendo (4.5) en (4.2) se obtiene la siguiente expresión para el factor de aceleración; dado por la ecuación (4.6).

V2 p rc g

α

4π 2 rc2 N2 rc g

4π 2rc N2 g

(4.6)

Para un pozo que está en producción, N es la velocidad de bombeo, y r c es el radio del círculo, lo cual se relaciona con la carrera de la varilla pulida, como se indica a continuación:

rc

S 2

(4.7)

Entonces la ecuación (4.6) se expresa como:

2π 2 S N2 g

(4.8)

La longitud de la carrera de la varilla pulida es obtenida normalmente en pulgadas y la velocidad de bombeo en emboladas por minuto, por lo tanto:

2π 2 SN2 Plg/min2 1 pie 1min2 x x 32.2 12 Pg 3600 seg2 pie/seg2

SN2 70500

(4.9)

127

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SUB-TEMA IV

Carrera efectiva del émbolo Para una deformación elástica, esto es, una relación constante entre la tensión aplicada a un cuerpo y la fatiga resultante. E = Módulo de elasticidad = Esfuerzo/Deformación El esfuerzo es una fuerza aplicada por unidad de área.

Esfuerzo

F A

(4.10)

La deformación es un cambio pequeño en la longitud que expresado en función de la longitud total se llama deformación unitaria, entonces:

Deformación

e LT

(4.11)

Comúnmente la fuerza (F) es expresada en libras y el área de sección transversal de un cuerpo bajo tensión en pulgadas cuadradas. La elongación (e) y la longitud original L del cuerpo (sarta de varillas), son expresadas en pulgadas y pies respectivamente, por lo tanto, la ecuación (4.11) se escribe:

Deformación

e 12 L T

(4.12)

Sustituyendo las ecuaciones (4.10) y (4.12) en la definición del módulo de elasticidad, se obtiene la siguiente expresión:

F/A e/12LT

E

12 F L T eA

(4.13)

La elongación del cuerpo se calcula por medio de la siguiente ecuación:

e

12 F L T EA

(4.14)

La fuerza debido a la carga del fluido es la presión diferencial a través del émbolo (con la bomba a una profundidad L T ), actuando sobre el área total del émbolo A p . Esta fuerza se calcula por medio de la siguiente ecuación: F=

p

x Ap

(4.15)

128

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SUB-TEMA IV

Si se supone que la bomba está colocada al nivel dinámico del fluido en el pozo, la presión diferencial será la presión de una columna de fluido de densidad relativa (G) a una profundidad (L T ), y se calcula mediante la siguiente expresión: p

= 0.433 G L T

(4.16)

Cuando el nivel dinámico del fluido está a la profundidad D, se debe considerar la presión bajo el émbolo, debido a la columna en la tubería de revestimiento resultante: p

= 0.433 G L T – 0.433 G (L T - D)

p

= 0.433 G D

(4.17)

De las ecuaciones (4.14), (4.15) y (4.17) se obtiene una nueva expresión para calcular la elongación del cuerpo (e) de la siguiente manera:

e

5.20G D A p L T EA

(4.18)

La ecuación general de elongación de cualquier cuerpo de área transversal, específicamente para la tubería de producción es la siguiente:

et

5.20G D A p L T E At

(4.19)

La ecuación general de elongación de la sarta de varillas es la siguiente:

er

5.20G D A p L T E Ar

(4.20)

En el caso de sartas de varillas de varios diámetros (telescopiadas), se aplica la ecuación (4.20) para cada diámetro o sección de varillas. La elongación total es:

e

5.20G D A p L1 L 2 L3 E Ar1 Ar2 Ar3

(4.21)

129

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SUB-TEMA IV

Además de la elongación causada por la carga de fluido, resulta una elongación adicional por la carga de las varillas dada por su propio peso y por la carga de aceleración. La elongación de las varillas en promedio está dada por su peso (W r /2) considerando la masa total de las varillas concentrada en L T /2 y la elongación resultante de esta carga, al final de la carrera descendente será:

12 Wr

ed

Wr E Ar

L T /2

(4.22)

La elongación final de la carrera ascendente o al inicio de la carrera descendente, está dada por la siguiente ecuación:

e

12 W W r r EA

u

LT

2 (4.23)

r

La elongación neta resultante del sobreviaje del émbolo es:

ep= ed - eu e

e

12 Wr p

Wr E Ar

p

12 W α L T r EA r

L T /2

12 W W r r EA r

LT 2

(4.24)

El peso de la sarta de varillas se calcula de la siguiente forma:

Wr

rLT A r 144

(4.25)

El valor de la densidad relativa de las varillas ( r) equivale a 490 lbs/plg3 ,sustituyendo el valor de la densidad de las varillas en la ecuación (4.25) y después en (4.24) se obtiene la siguiente expresión:

ep

12 LT 490 LT Ar E Ar 144

40.8

LT2 E

(4.26)

130

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SUB-TEMA IV

Algunos autores prefieren el uso de: e p = 32.8 L T 2

/E = Elongación del émbolo en su carrera efectiva.

(4.27)

La diferencia entre la ecuación (3.26) y (3.27) (aproximadamente 25%) tiene poco efecto en el cálculo de la carrera efectiva del émbolo. La carrera efectiva del émbolo, como se ha visto, es la carrera de la varilla pulida disminuida por los efectos de alargamiento de las varillas y de la tubería de producción resultante de la carga de fluido e incrementada por el sobreviaje del émbolo; entonces, la carrera efectiva del émbolo es: S p = S + e p – (e t + e r )

(4.28)

Sustituyendo las ecuaciones (4.19), (4.21) y (4.26) en la ecuación (4.28), se obtiene la carrera efectiva del émbolo para una sarta telescopiada, la cual queda de la siguiente forma:

Sp

40.8 L T 2 S E

5.20 G D A p L T E At

L1 A1

L2 A2

L3 L ... n A3 An

(4.29)

En caso de que la sarta sea de un sólo diámetro, la carrera efectiva del émbolo se expresa con la siguiente expresión:

Sp

40.8 L T 2 S E

5.20 G D A p L T

1

E

At

1 Ar

(4.30)

En caso que la tubería de producción se encuentre anclada, no existe elongación en ella, por lo que las ecuaciones (4.29) y (4.30) se manejan eliminando los términos que involucran A t . Cálculo de las cargas en la varilla pulida El Peso de una Sarta de Varillas de Diámetro Variable está Dada por: W r = m 1 L1 + m 2 L2 + m 3 L3 + ...m n Ln

(4.31)

Las cargas máxima y mínima de aceleración de las varillas, están dadas por: Wr

= Carga máxima de aceleración.

-Wr

= Carga mínima de aceleración.

131

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El volumen de la sarta de varillas y en consecuencia, el volumen de fluidos desplazados (asumiendo que la densidad de las varillas es de 490 lbs/pie 3 ) el volumen queda de la siguiente forma:

Volumen

Wr Peso Densidad 490

(4.32)

La densidad del fluido desplazado es de 62.46 lbs/pie 3 y entonces, la fuerza de flotación está dada por:

Wr - 62.46 490

Fuerzade flotación

0.127 Wr G

(4.33)

El volumen de una columna que tiene como base el émbolo y como altura la sarta de varillas es: Volumen = L T A p /144

(4.34)

El volumen de fluido se obtiene, de la diferencia entre los volúmenes de la columna y de la sarta de varillas, dado por las ecuaciones (4.34) y (4.32). Volumen de fluido = (L T A p /144) – (W r /490)

(4.35)

Entonces, la carga del fluido se expresa de la siguiente manera:

W f

62.46G

LT A p 144

Wr 490

W f = 0.433 G [ (LT A p ) – (0.294 W r )

(4.36)

La carga máxima sobre la varilla pulida que ocurre sobre la carrera ascendente es: W máx = W f + W r + W r

+F

(4.37)

La carga mínima ocurre durante la carrera descendente, y está expresada por: W mín = W r – W r

- 0.127 W r G – F

(4.38)

132

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SUB-TEMA IV

Como el término de fricción (F) no puede calcularse matemáticamente con certidumbre, generalmente se elimina, resultando las ecuaciones (4.37) y (4.38) de la siguiente forma: W máx = W f + W r (1.0 + W mín = W r (1.0 -

)

(4.39)

- 0.127 G)

(4.40)

Diseño para la sarta de varillas de succión (tabla 5 del ane xo A) Con el concepto “los esfuerzos en la parte superior de cada sección son iguales” y las siguientes suposiciones: 1. 2. 3. 4.

Condiciones estáticas (no se consideran cargas por aceleración). La densidad relativa del fluido es 1.0 La carga de fluido actúa sobre el área total del émbolo. La bomba está colocada a nivel del fluido. Se tiene que: W f = 0.433 L T A p Considérese una sarta de 2 secciones de longitud total (L T = L1 + L 2 ). L1 pie; A 1 plg 2 ; m 1 lbs/pie; R 1 = L 1 /L. L2 pie; A 2 , plg 2 ; m 2 lbs/pie; R 2 = L 2 /L. m 1 = Peso unitario de 1ª sección de varillas (lbs/pie). m 2 = Peso unitario de 2ª sección de varillas (lbs/pie). R 1 = Porcentaje fraccional de la 1ª sección de varillas (%). R 2 = Porcentaje fraccional de la 2ª sección de varillas (%). El esfuerzo en la parte superior de la sección inferior es:

0.433L T A p L1 m1

0.433L T A p L T R 1 m1

A r1

Ar1

(4.41)

Asimismo, el esfuerzo en la parte superior de la sección superior es:

0.433L T A p L1 m1 L 2 m 2

0.433A p L T R 1 m1 L T R 2 m 2

A r1

A r2

(4.42)

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Si los esfuerzos en la parte superior de cada sección son iguales:

0.433A p m1 R 1

0.433A p m1 R 1 m 2 R 2

Ar1

Ar 2

(4.43)

Ar1 = Área de las varillas de la 1ª sección. Ar2 = área de las varillas de la 2ª sección. Para tamaños de émbolos y varillas seleccionadas, la longitud de cada sección de varillas puede determinarse usando la ecuación (4.43), teniendo en cuenta que: R 1 + R 2 = 1.0

(4.44)

Para más de 2 secciones de varillas, la ecuación (4.44) varía sólo en su grado de complejidad, en cuyo caso: R 1 + R 2 + ... + R n = 1.0

(4.45)

Desplazamiento de la Bomba y Ritmo de Producción El desplazamiento teórico de la bomba está dado por:

PD

A p Plg2 Sp

Plg Emboladas 1440 min/día N Embolada min. 9702 plg 3 /bls

0.1484BPD

* 9702 = Volumen en plg3 de un barril de petróleo. PD = 0.1484 Ap Sp N BPD

(4.46)

Para un émbolo de diámetro dado, el término 0.1484 Ap es independiente de las condiciones superficiales de operación y es llamado: constante de la bomba (k). P D = K S p N; bls/día/plg/spm.

(4.47)

La eficiencia volumétrica de la bomba, es la relación entre el fluido realmente manejado y el desplazamiento de la bomba, está dada por la siguiente ecuación:

EV

q V

(4.48)

Diseño del Contrabalanceo El contrabalanceo ideal, (debería ser tal, que el motor principal acarrearía el mismo promedio de cargas en las carreras ascendente y descendente:

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Wmáx – Ci = Ci - Wmín

(4.49)

El efecto de contrabalenceo ideal se expresa con la siguiente ecuación: C i = 0.5 (W máx + W mín )

(4.50)

Sustituyendo las ecuaciones (4.37) y (4.38) en (4.50), se tiene la siguiente expresión: Ci = 0.5 [ (W f + W r + W r

+ F) + (W r - W r

- 0.127 W r G – F) ]

C i =0.5 W f + W r (1-0.- 0.0635G)

(4.51)

Cálculo de la Torsión Generalmente una unidad puede estar contrabalanceada dentro del 10 al 5% del valor ideal, suponiendo que el contrabalanceo es de 95% del ideal, la expresión para predecir la torsión máxima es: T p = (W máx – 0.95 C i ) (S/2)

(4.52)

Reducción de Velocidad del Motor Principal al Cigüeñal La potencia es transmitida de la polea de la máquina, a la polea de la unidad por medio de bandas, la velocidad de la banda puede expresarse en función de la velocidad del motor y el diámetro de la polea de la máquina por la siguiente expresión Vb =

d e N e (plg/min).

(4.53)

La velocidad de la polea de la unidad se expresa por la siguiente relación:

Nu

Vb π du

N e d e /d u

(4.54)

Si la relación de engranes en el reductor de engranes es “Z”, la velocidad de bombeo es:

N N u /Z

Ne d e Z du

(4.55)

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Requerimientos de Potencia del Motor Principal Las cargas de potencia que se consideran en el movimiento de fluido de la bomba a la superficie: 1.- La potencia hidráulica 2.- Potencia de pérdidas de energía por fricción 1.- Potencia hidráulica

bls lbs x 350 G x L T pie día bls lbs pie min 1440 x 33000 /hp día min q

Hh

H h = 7.36 x 10 -6 q G L T (Hp)

(4.56)

En la ecuación (4.56) se supone que la bomba está al nivel de trabajo del fluido y desprecia el efecto de presión de la tubería de producción en forma más general.

H h = 7.36 x 10 -6 q G L n

(4.57)

Deben considerarse los efectos de la presión de la columna en la tubería de revestimiento y los de presión en la tubería de producción, por lo tanto

Pt

plg 2 lbs x 144 plg 2 pie 2 lbs 62.4 G pie 3

Pt pie 0.433G

(4.58)

Entonces la elevación neta a través de la cual pasa el fluido desde la bomba a la superficie se expresa con la siguiente ecuación: Ln = L T – (LT – D) + (P t /0.433 G) = D + (2.31 P t /G) 2.- Potencia de pérdidas de energía por fricción. La potencia de pérdidas de energía por fricción es aquella que se manifiesta entre la bomba y la varilla pulida. Empíricamente, las pérdidas de energía por fricción pueden estimarse de la siguiente forma:

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1 Wr x 2 S 0.25 Wr S (plg lbs) 8

(4.59)

Para una velocidad de bombeo de N spm, la potencia por fricción se expresa mediante la siguiente ecuación:

plg - lbs min plg pie lbs 12 x 33000 /hp pie min 0.25 Wr S N

Hf

H f = 6.31 x 10 -7 W r S N

6.31x 10

7

Wr S N (Hp)

(4.60)

La potencia total en la varilla pulida, debe ser la suma de las potencias hidráulica y de fricción; la potencia al freno debe ser dicha suma de potencias y un factor de seguridad de 1.5 especificado por el Instituto Am ericano del Petróleo, para cubrir pérdidas de potencia impredecibles: H b = 1.5 (H h + H f )

(4.61)

La liberación de gas es un factor muy significativo en la estimación de la eficiencia volumétrica, ya que por ejemplo: en pozos con alta relació n gas-líquido se tienen eficiencias muy bajas como el 25% al 50%, en aquellos donde existe una buena separación del gas de formación se tendrán eficiencias del 50% al 70%, en pozos con una buena separación y buena sumergencia de la bomba las eficiencias serán del orden del 70% al 80% y para pozos sin gas, pero con un alto nivel de fluido, las eficiencias volumétricas pueden aproximarse al 100%. Generalmente, la eficiencia volumétrica de la bomba es estimada mediante la experiencia local. Para la selección del tamaño óptimo del émbolo a un gasto de producción deseado y una cierta profundidad, es importante considerar que se deben obtener altas eficiencias y prevenir cargas innecesarias en la sarta de varillas y el equipo superficial. Para realizar una selección preliminar del tamaño del émbolo, cuando la cerrera de la varilla pulida es mayor a 74 plg, se puede utilizar la tabla 2 del anexo A.

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4.2 EJEMPLOS DE APLICACIÓN Ejemplo de aplicación 1 En un pozo del Campo Petrolero de Tajín, se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” a una profundidad de 4275 pies; en el interior de una tubería de producción de 2” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 283 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.825, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba, efectuar los cálculos de selección para una Unidad de Bombeo Mecánico. que deberá operar con una velocidad de 18 spm, una carrera en la varilla pulida de 64 plg y deberá mover una sarta de varillas de un solo diámetro correspondiente a ¾”. Datos: dp d tp LT dr N S q G

= = = = = = = =

1 ¾”. 2”. 4275 pies. ¾”. 18 spm. 64”. 283 bls/día. 0.825.

Como el nivel de fluido es bajo, se considera que la bomba está colocada al nivel del fluido de trabajo, teniéndose entonces: D = L T = 4275 pies. Consultando la tabla 5 del anexo A, se tiene que, para la varilla de ¾”

:

A r = 0.442 plg 2 . m = 1.63 lbs/pie. Todas las varillas de succión miden 25 pies de longitud. Consultando la tabla 1 del anexo A, se tiene que, para un émbolo de 1 ¾”

:

A p = 2.405 plg 2 K = 357 bls/día/plg/spm De la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor para el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción. A t = 1.304 plg 2 .

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Cálculos para la tubería de producción desanclada. 1. Cálculo del Factor de Aceleración.

S N2 70500 64 18 2 70500

0.2941

2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo.

40.8L T 2α E

5.20G D A p L T 1 E Atp

SP

S

Sp

40.8 4275 2 (0.294) 64 30x106

1 Ar

5.20 0.825 4275 2.405 4275 1 1 6 1.304 0.442 30x10

S p = 64 + 7.3098 – 6.2852(3.0293) = 64 + 7.3098 – 19.0398 S p = 52.27 plg 3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N P D = 0.357 (52.27) (18) P D = 335.88 bls/día. 4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

283 x100 335.88

E v = 0.8425 x 100 E v = 84.25 % 5. Cálculo del Peso de las Varillas de un solo Diámetro. Wr

= LT x mi

Wr

= 4275 (1.63) = 6968.25 lbs.

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6. Cálculo del Peso de Fluido. W f = (0.433)(G)[(L T )(A p )-(0.294)(W r )] W f = (0.433)(0.825)[(4275) (2.405) – (0.294)(6968.25)] W f = (0.357225)(8232.7045) W f = 2940.92 lbs. 7. Cálculo del Efecto de Contrabalanceo Ideal. C i = (0.5)(W f )+(W r )[1 – (0.0635)(G)] Ci Ci Ci Ci Ci

= = = = =

(0.5)(2940.92)+(6968.25)[(1 –(0.0635)(0.825)] 1470.46 + 6968.25 (1- 0.05238) 1470.46 + 6968.25 (0.94761) 1470.46 + 6603.18 8073.64 lbs.

8. Cálculo de la Carga Máxima. W máx = W f +(W r )(1.0 +

)

W máx = 2940.92+ (6968.25)(1.0 + 0.2941) W máx = 2940.92 + 9017.6123 W máx = 11958.53 lbs. 9. Cálculo de la Potencia Hidráulica. H h = 7.36 x 10 -6 q G L T H h = 7.36 x 10 -6 (283) (0.825) (4275) H h = 7.34 Hp 10. Cálculo de la Potencia por Fricción. H f = 6.31 x 10 -7 W r S N H f = 6.31 x 10 -7 (6968.25) (64) (18) H f = 5.065 Hp 11. Cálculo de la Potencia Total. H b = 1.5 (H h + H f ) H b = 1.5 (7.34 + 5.06) Hb = 18.6 Hp

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12. Cálculo de la Torsión Pico. T p = [W máx – (0.95)(C i )] (S/2) T p = 11958.53 – (0.95)(8073.64)] (64/2) T p = [11958.53 –7669.95](32) T p = 137,234.56 lbs-plg De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Unidad seleccionada: C-160D-143-64 Donde: = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. 160 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 143 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 64 = Longitud de la carrera en pulgadas. C

Cálculos para la tubería de producción anclada. Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción es A t = 0.0 1. Cálculo del Factor de Aceleración.

S N2 70500 64 18 2 70500

0.2941

2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo.

Sp

Sp

S

40.8L T 2 E

5.20G D A p L T E

1 Ar

40.8 4275 2 0.2941 5.20 0.825 4275 2.405 4275 1 64 6 6 0.442 30x10 30x10

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S p = 64 + 7.3098 – 6.2852 (2.2624) S p = 57 plg 3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N P D = 0.357 (57) (18) P D = 366.28 bls/día. 4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

283 x100 366.28

E v = 0.7726 x 100 E v = 77.26 % Como los valores de S p , P D , y E v no se ocupan en las otras formulas, no es necesario hacer nuevamente los cálculos, por lo que los resultados desde el punto 4 en adelante son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada. Por la tanto: 5. W r = 6968.25 lbs 6. W f = 2940.92 lbs 7. C i = 8073.64 lbs 8. W máx = 11958.53 lbs 9. H h = 7.34 Hp 10. H f = 5.065 Hp 11. H b = 18.6 Hp 12. T p = 137,234.56 lbs-plg De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encu entra en el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón, el desplazamiento teórico de la bomba y le eficiencia volumétrica. Por lo tanto: Unidad seleccionada: C-160D-143-64

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Ejemplo de Aplicación 2 En un pozo del Campo Petrolero de Papantla se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” a una profundidad de 8500 pies, en el interior de una tubería de producción de 2 7 / 8 ” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 350 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.870, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de selección para una Unidad de Bombeo Mecánico que deberá operar con una velocidad de 13 spm, una carrera en la varilla pulida de 168 plg y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7 / 8 ” y ¾” de diámetro. Datos: dp d tp LT dr N S q G D

= = = = = = = = =

1 ¾” = 1.75” 2 7/8” 8500 pies 1”, 7 / 8 ” y ¾” 13 spm 168 plg 350 BPD. 0.870 8500 pies.

Consultando la tabla 5 del anexo A, se tiene que, para la sarta de varillas: A r1 = 1” = 0.785 plg 2 A r2 = 7 / 8 ” = 0.601 plg 2 A r3 = ¾” = 0.442 plg 2 m 1 = 2.88 lbs/pie m 2 = 2.16 lbs/pie m 3 = 1.63 lbs/pie Todas las varillas de succión miden 25 pies de longitud. Consultando la tabla 1 del anexo A, se tiene que, para un émbolo de 1 ¾”

:

A p = 2.405 plg 2 K = 357 bls/día/plg/spm De la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor para el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción. A t = 1.812 plg 2 .

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Cálculos para la tubería de producción desanclada. 1. Cálculo del factor de aceleración.

S N2 70500 (168) 13 2 70500

0.4027

2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo. Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que para un diámetro de émbolo de 1 ¾” y una sarta compuesta por varillas de 1” , 7/8” y ¾” , corresponde una varilla No. 86 con los siguientes porcentajes para cada sección: R1 = 29.4 % R2 = 30.0 % R3 = 40.6 % Entonces: Li = (Ri/100) x LT

i = 1, 2, 3 .... n

L1 = (29.4/100) x (8500) = 2499 pies de varilla de 1” L2 = (30/100) x (8500) = 2550 pies de varilla de 7/8” L3 = (40.6/100) x (8500) = 3451 pies de varilla de ¾”

Sp

Sp 168

S

40.8 L T 2 E

5.20 G D A p

2 40.8 8500 (0.4027) 30x106

E

LT A tp

L1 Ar1

L2 Ar 2

L3 Ar 3

5.20 0.870 8500 2.405 8500 2499 2550 3451 1.812 0.785 0.601 0.442 30x106

S p = (168 + 39.56) – (0.003082729) (19924.98) S p = 207.56 – 61.42 S p = 146.14 plg 3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N

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P D = 0.357 (146.14) (13) P D = 678.23 bls/día. 4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

350 x100 678.23

E v = 0.5160 x 100 E v = 51.6 % 5. Cálculo del Peso de la sarta de Varillas de 3 Diámetros. Wr

= L1 m 1 + L2 m 2 + L 3 m 3

W r = (2499)(2.88) + (2550)(2.16) + (3451)(1.63) W r = 7197.12 + 5508 + 5625.13 W r = 18,330.25 lbs. 6. Cálculo del Peso de Fluido. W f = (0.433)(G) [ (LT )(A p )-(0.294)(W r ) ] W f = (0.433)(0.870) [ (8500) (2.405) – (0.294)(18330.25) ] W f = (0.37671)(20442.5-5389.09) W f = 5670.76 lbs. 7. Cálculo del Efecto de Contrabalanceo Ideal. C i = (0.5)(W f )+(W r ) [ 1 – (0.0635)(G) ] Ci Ci Ci Ci Ci

= = = = =

(0.5)(5670.76) + (18330.25) [ (1 –(0.0635)(0.870) ] 2835.38 + 18330.25 (1- 0.055245) 2835.38 + 18330.25 (0.944755) 2835.38 + 17317.6 20,152.98 lbs.

8. Cálculo de la Carga Máxima. W máx = W f +(W r )(1.0 +

)

145

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SUB-TEMA IV

W máx = 5670.76 + (18330.25)(1.0 + 0.4027) W máx = 5670.76 + 25711.84 W máx = 31,382.6 lbs. 9. Cálculo de la Potencia Hidráulica. H h = 7.36 x 10 -6 q G L T H h = 7.36 x 10 -6 (350) (0.870) (8500) H h = 19.04 Hp 10. Cálculo de la Potencia por Fricción. H f = 6.31 x 10 -7 W r S N H f = 6.31 x 10 -7 (18330.25) (168) (13) H f = 25.26 Hp 11. Cálculo de la Potencia Total. H b = 1.5 (H h + H f ) H b = 1.5 (19.04 + 25.26) Hb = 66.45 Hp 12. Cálculo de la Torsión Pico. T p = [ W máx – (0.95)(C i ) ] (S/2) T p = 31382.6 – (0.95)(20152.98) ] (168/2) T p = [31382.6 – 19145.33](84) T p = 1’027,930.68 lbs-plg De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Unidad seleccionada: C-1280D-365-168 Donde: = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. 1280 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 365 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 168 = Longitud de la carrera en pulgadas. C

146

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SUB-TEMA IV

Cálculos para la tubería de producción anclada. Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción es A t = 0.0 3. Cálculo del Factor de Aceleración.

S N2 70500 168 13 2 70500

0.4027

4. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo.

Sp

Sp 168

S

40.8 L T 2 E

5.20 G D A p

40.8 8500 2 (0.4027) 30x106

E

L1 Ar1

L2 Ar 2

L3 Ar 3

5.20 0.870 8500 2.405 2499 2550 3451 0.785 0.601 0.442 30x106

S p = (168 + 39.56) – (0.003082729) (15234.06) S p = 207.56 – 46.96 S p = 160.6 plg 3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N P D = 0.357 (160.6) (13) P D = 745.34 bls/día. 4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

350 x100 745.34

E v = 0.4695 x 100 E v = 46.95 %

147

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SUB-TEMA IV

Como los valores de S p , P D , y E v no se ocupan en las otras formulas, no es necesario hacer nuevamente los cálculos, por lo que los resultados desde el punto 4 en adelante son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada. Por la tanto: 5. W r = 18330.25 lbs 6. W f = 5670.76 lbs 7. C i = 20152.98 lbs 8. W máx = 31382.6 lbs 9. H h = 19.04 Hp 10. H f = 25.26 Hp 11. H b = 66.45 Hp 12. T p = 1’027,930.68 lbs-plg De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón, el desplazamiento teórico de la bomba y le eficiencia volumétrica. Por lo tanto: Unidad seleccionada: C-1280D-3653-168

Ejemplo de Aplicación 3 En un pozo del Campo Petrolero de Poza Rica, se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” a una profundidad de 6232 pies; en el interior de una tubería de producción de 2 7 / 8 ” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 230 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.870, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de selección para una Unidad de Bombeo Mecánico que deberá operar con una velocidad de 13 spm, una carrera en la varilla pulida de 100 plg y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7 / 8 ” y ¾” de diámetro. Datos: dp d tp LT dr N

= = = = =

1 ¾” = 1.75” 7 2 /8” 6232 pies 1”, 7 / 8 ” y ¾” 13 spm

148

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S q G D

= = = =

SUB-TEMA IV

100 plg 230 BPD. 0.870 6232 pies.

Consultando la tabla 5 del anexo A, se tiene que, para la sarta de varillas: A r1 = 1” = 0.785 plg 2 A r2 = 7 / 8 ” = 0.601 plg 2 A r3 = ¾” = 0.442 plg 2 m 1 = 2.88 lbs/pie m 2 = 2.16 lbs/pie m 3 = 1.63 lbs/pie Todas las varillas de succión miden 25 pies de longitud. Consultando la tabla 1 del anexo A, se tiene que, para un émbolo de 1 ¾”

:

A p = 2.405 plg 2 K = 357 bls/día/plg/spm De la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor para el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción de 2 7 / 8 ” . A t = 1.812 plg 2 . Cálculos para la tubería de producción desanclada. 4. Cálculo del factor de aceleración.

S N2 70500 (100) 13 2 70500

0.2397

5. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo. Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que para un diámetro de émbolo de 1 ¾” y una sarta compuesta por varillas de 1” , 7/8” y ¾” , corresponde una varilla No. 86 con los siguientes porcentajes para cada sección:

149

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SUB-TEMA IV

R1 = 29.4 % R2 = 30.0 % R3 = 40.6 % Entonces: Li = (Ri/100) x LT

i = 1, 2, 3 .... n

L1 = (29.4/100) x (6232) = 1832.20 pies de varilla de 1” L2 = (30/100) x (6232) = 1869.60 pies de varilla de 7/8” L3 = (40.6/100) x (6232) = 2530.19 pies de varilla de ¾”

Sp

Sp 100

S

40.8 L T 2 E

5.20 G D A p

2 40.8 6232 (0.2397) 30x106

E

LT A tp

L1 Ar1

L2 Ar 2

L3 Ar 3

5.20 0.870 6232 2.405 6232 1832.2 1869.6 2530.19 1.812 0.785 0.601 0.442 30x106

S p = (100 + 12.66) – (0.002260184) (14608.52) S p = 112.66 – 33 S p = 79.66 plg 6. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N P D = 0.357 (79.66) (13) P D = 369.70 bls/día. 4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

230 x 100 369.70

E v = 0.622 x 100 E v = 62.2 % 5. Cálculo del Peso de la sarta de Varillas de 3 Diámetros. Wr

= L1 m 1 + L2 m 2 + L 3 m 3

150

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SUB-TEMA IV

W r = (1832.20)(2.88) + (1869.60)(2.16) + (2530.19)(1.63) W r = 5276.73 + 4038.33 + 4124.20 W r = 13,439.26 lbs. 6. Cálculo del Peso de Fluido. W f = (0.433)(G) [ (LT )(A p )-(0.294)(W r ) ] W f = (0.433)(0.870) [ (6232) (2.405) – (0.294)(13439.26) ] W f = (0.37671)(14987.96 – 3951.14) W f = 4157.68 lbs. 7. Cálculo del Efecto de Contrabalanceo Ideal. C i = (0.5)(W f )+(W r ) [ 1 – (0.0635)(G) ] Ci Ci Ci Ci Ci

= = = = =

(0.5)(4157.68) + (13439.26) [ (1 –(0.0635)(0.870) ] 2078.84 + 13439.26 (1- 0.055245) 2078.84 + 13439.26 (0.94475) 2078.84 + 12696.8 14,775.64 lbs.

8. Cálculo de la Carga Máxima. W máx = W f +(W r )(1.0 +

)

W máx = 4157.68 + (13439.26)(1.0 + 0.2397) W máx = 4157.68 + 16660.65 W máx = 20,818.33 lbs. 9. Cálculo de la Potencia Hidráulica. H h = 7.36 x 10 -6 q G L T H h = 7.36 x 10 -6 (230) (0.870) (6232) H h = 9.17 Hp 10. Cálculo de la Potencia por Fricción. H f = 6.31 x 10 -7 W r S N H f = 6.31 x 10 -7 (13439.26) (100) (13) H f = 11.02 Hp

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SUB-TEMA IV

11. Cálculo de la Potencia Total. H b = 1.5 (H h + H f ) H b = 1.5 (9.17 + 11.02) Hb = 30.28 Hp 12. Cálculo de la Torsión Pico. T p = [ W máx – (0.95)(C i ) ] (S/2) T p = 20818.33 – (0.95)(14775.64) ] (100/2) T p = [20818.33 – 14036.85](50) T p = 339,074 lbs-plg De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Unidad seleccionada: C-456D-256-100 Donde: C 456 D 256 100

= Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. = Reductor de engranes con doble reducción. = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. = Longitud de la carrera en pulgadas.

Cálculos para la tubería de producción anclada. Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción es A t = 0.0 1. Cálculo del factor de aceleración.

S N2 70500 (100) 13 2 70500

0.2397

152

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SUB-TEMA IV

2. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo.

Sp

Sp 100

S

40.8 L T 2 E

5.20 G D A p

40.8 6232 2 (0.2397) 30x106

E

L1 Ar1

L2 Ar 2

L3 Ar 3

5.20 0.870 6232 2.405 1832.2 1869.60 2530.19 0.785 0.601 0.442 30x106

S p = (100 + 12.66) – (0.002260184) (11169.23) S p = 112.66 – 25.24 S p = 87.42 plg 3. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N P D = 0.357 (87.42) (13) P D = 405.71 bls/día. 4. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

230 x 100 405.71

E v = 0.566 x 100 E v = 56.6 % Como los valores de S p , P D , y E v no se ocupan en las otras formulas, no es necesario hacer nuevamente los cálculos, por lo que los resultados desde el punto 4 en adelante son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada. Por la tanto: 5. W r = 13439.26 lbs 6. W f = 4157.68lbs 7. C i = 14775.64 lbs 8. W máx = 20818.33 lbs 9. H h = 9.17 Hp 10. H f = 11.02 Hp 11. H b = 30.28 Hp 12. T p = 339,074 lbs-plg

153

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SUB-TEMA IV

De acuerdo al resultado de la torsión máxima y car ga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón, el desplazamiento teórico de la bomba y le eficiencia volumétrica. Por lo tanto: Unidad seleccionada: C-456D-256-100 Ejemplo de Aplicación 4 En un pozo del Campo Petrolero de Tajín se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” a una profundidad de 5100 pies en el interior de una tubería de producción de 2 7 / 8 ” de diámetro, la producción o gasto en superficie es de 180 BPD de un fluido con una densidad relativa de 0.825, donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de selección para una Unidad de Bombeo Mecánico que deberá operar con una velocidad de 13 spm, una carrera en la varilla pulida de 86 plg y deberá mover una sarta de varillas telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7 / 8 ” y ¾” de diámetro. Datos: dp d tp LT dr N S q G D

= = = = = = = = =

1 ¾” = 1.75” 7 2 /8” 5100 pies 1”, 7 / 8 ” y ¾” 13 spm 86 plg 180 BPD. 0.825 5100 pies.

Consultando la tabla 5 del anexo A, se tiene que, para la sarta de varillas: A r1 = 1” = 0.785 plg 2 A r2 = 7 / 8 ” = 0.601 plg 2 A r3 = ¾” = 0.442 plg 2 m 1 = 2.88 lbs/pie m 2 = 2.16 lbs/pie m 3 = 1.63 lbs/pie Todas las varillas de succión miden 25 pies de longitud.

154

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SUB-TEMA IV

Consultando la tabla 1 del anexo A, se tiene que, para un émbolo de 1 ¾”

:

A p = 2.405 plg 2 K = 357 bls/día/plg/spm De la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor para el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción de 2 7 / 8 ” . A t = 1.812 plg 2 . Cálculos para la tubería de producción desanclada. 7. Cálculo del factor de aceleración.

S N2 70500 (86) 13 2 70500

0.2061

8. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo. Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que para un diámetro de émbolo de 1 ¾” y una sarta compuesta por varillas de 1” , 7/8” y ¾” , corresponde una varilla No. 86 con los siguientes porcentajes para cada sección: R1 = 29.4 % R2 = 30.0 % R3 = 40.6 % Entonces: Li = (Ri/100) x LT

i = 1, 2, 3 .... n

L1 = (29.4/100) x (5100) = 1499.4 pies de varilla de 1” L2 = (30/100) x (5100) = 1530 pies de varilla de 7/8” L3 = (40.6/100) x (5100) = 2070.6 pies de varilla de ¾”

Sp

Sp

S

40.8 L T 2 E

2 40.8 5100 (0.2061) 86 30x106

5.20 G D A p E

LT A tp

L1 Ar1

L2 Ar 2

L3 Ar 3

5.20 0.825 5100 2.405 5100 1499.4 1530 2070.6 1.812 0.785 0.601 0.442 30x106

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S p = (86 + 7.29) – (0.001753966) (11955) S p = 93.29 – 20.96 S p = 72.33 plg 9. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N P D = 0.357 (72.33) (13) P D = 335.68 bls/día. 13. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

180 x 100 335.68

E v = 0.536 x 100 E v = 53.6 % 14. Cálculo del Peso de la sarta de Varillas de 3 Diámetros. Wr

= L1 m 1 + L2 m 2 + L 3 m 3

W r = (1499.4)(2.88) + (1530)(2.16) + (2070.6)(1.63) W r = 4318.27 + 3304.80 + 3375.07 W r = 10,998.14 lbs. 15. Cálculo del Peso de Fluido. W f = (0.433)(G) [ (LT )(A p )-(0.294)(W r ) ] W f = (0.433)(0.825) [ (5100) (2.405) – (0.294)(10998.14) ] W f = (0.357225)(12265.5 – 3233.45) W f = 3226.47 lbs. 16. Cálculo del Efecto de Contrabalanceo Ideal. C i = (0.5)(W f )+(W r ) [ 1 – (0.0635)(G) ] Ci Ci Ci Ci Ci

= = = = =

(0.5)(3226.47) + (10998.14) [ (1 –(0.0635)(0.825) ] 1613.23+ 10998.14 (1- 0.0523875) 1613.23 + 10998.14 (0.9476125) 1613.23 + 10421.97 12035.2 lbs. 156

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17. Cálculo de la Carga Máxima. W máx = W f +(W r )(1.0 +

)

W máx = 3226.47 + (10998.14)(1.0 + 0.2061) W máx = 3226.47 + 13264.56 W máx = 16491.03 lbs. 18. Cálculo de la Potencia Hidráulica. H h = 7.36 x 10 -6 q G L T H h = 7.36 x 10 -6 (180) (0.825) (5100) H h = 5.57 Hp 19. Cálculo de la Potencia por Fricción. H f = 6.31 x 10 -7 W r S N H f = 6.31 x 10 -7 (10998.14) (86) (13) H f = 7.75 Hp 20. Cálculo de la Potencia Total. H b = 1.5 (H h + H f ) H b = 1.5 (5.57 + 7.75) Hb = 20 Hp 21. Cálculo de la Torsión Pico. T p = [ W máx – (0.95)(C i ) ] (S/2) T p = 16491.03 – (0.95)(12035.2) ] (86/2) T p = [16491.03 – 11433.44](43) T p = 217,476.37 lbs-plg De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Unidad seleccionada: C-228D-246-86

157

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Donde: = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. 228 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 246 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 86 = Longitud de la carrera en pulgadas. C

Cálculos para la tubería de producción anclada. Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que el área de la sección transversal de la pared de la tubería de producción es A t = 0.0 3. Cálculo del factor de aceleración.

S N2 70500 (86) 13 2 70500

0.2061

4. Cálculo de la Carrera Efectiva del Émbolo.

Sp

Sp 86

S

40.8 L T 2 E

5.20 G D A p

40.8 5100 2 (0.2061) 30x106

E

L1 Ar1

L2 Ar 2

L3 Ar 3

5.20 0.825 5100 2.405 1499.4 1530 2070.6 0.785 0.601 0.442 30x106

S p = (86 + 7.29) – (0. 001753966) (9140.43) S p = 93.29 – 16.03 S p = 77.26 plg 5. Cálculo del Desplazamiento Teórico de la Bomba. PD = K Sp N P D = 0.357 (77.26) (13) P D = 358.26 bls/día.

158

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6. Cálculo de la Eficiencia Volumétrica de la Bomba. E v = q/P D (100)

EV

180 x 100 358.56

E v = 0.502 x 100 E v = 50.2 % Como los valores de S p , P D , y E v no se ocupan en las otras formulas, no es necesario hacer nuevamente los cálculos, por lo que los resultados desde el punto 4 en adelante son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada. Por la tanto: 13. W r = 10998.14 lbs 14. W f = 3226.47 lbs 15. C i = 12035.2 lbs 16. W máx = 16491.32 lbs 17. H h = 5.57 Hp 18. H f = 7.75 Hp 19. H b = 20 Hp 20. T p = 217,476.37 lbs-plg De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra e n el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón, el desplazamiento teórico de la bomba y le eficiencia volumétrica. Por lo tanto: Unidad seleccionada: C-228D-246-86

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4.3 MÉTODO API-RP-11L Para facilitar la comprensión de esta parte, a continuación se definirán las variables que intervienen en las fórmulas, figuras y tablas del método de selección de Unidades de Bombeo Mecánico API-RP-11L. Sp PD PPRL MPRL PT PRHP CBE Ap Ar H LT N S Dp G mr Er Fc Et Fo Kr 1.0/K r Sk r No No’ Kt 1.0/k t W rf Wr F1 F2 T F3 Ta

Carrera del émbolo, plg. Desplazamiento de la bomba, bls/día. Carga máxima en la varilla pulida, lbs. Carga mínima en la varilla pulida, lbs. Torsión máxima, lbs/plg. Potencia en la varilla pulida, hp. Contrapeso requerido, lbs. Área del émbolo plg 2 . Área de la varilla plg 2 . Nivel del fluido, pie. Profundidad de la bomba, pie. Velocidad de bombeo, spm. Longitud de la varilla pulida, plg. Diámetro del émbolo de la bomba, plg 2 . Densidad relativa del fluido. Peso por unidad de longitud de las varillas en el aire, lbs/pie. Constante elástica de las varillas, plg/lbs. Factor de frecuencia útil en el diseño de varillas. Constante elástica de la tubería de producción plg/lbspie. Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo, lbs. Constante de resorte del total de la sarta de varillas. Constante elástica para el total de la sarta de varillas, plg/lbs. Libras de carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida, (S). Frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro, spm. Frecuencia natural de la sarta de varillas combinada, spm. Constante de resorte de la tubería de producción no anclada. Constante elástica para la TP no anclada, plg/lbs. Peso total de las varillas en fluido, lbs. Peso total de las varillas en el aire; lbs. Factor de PPRL. Factor de MPRL. Torsión en la manivela, lbs/plg. Factor de PRHP. Factor de ajuste de torsión para valores de Wrf/Skr diferentes de 0.3.

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Para hacer más fácil la comprensión de las fórmulas utilizadas en el diseño, a continuación se presenta una figura en la que se señalan los factores: F o , F 1 , F 2 , W rf y S.

SIGNIFICADO DE LOS PARÁMETROS ADIMENSIONALES: N/N o , N/N o , y Fo /Sk r 1) N/No = Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro.

2) N/N o ’ = Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas. El valor de la frecuencia natural de la sarta de varillas c ombinada, generalmente es de 30 vibraciones por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez será mayor de 20 spm, por lo tanto, el valor de N/N o variará entre 0.0 y 0.6. La frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas N/N o ’ se define como: 161

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No '

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Fc a N LT

N No

(4.62)

4 N LT Fc a

(4.63)

El fabricante de las varillas recomienda una aceleración, pero en la práctica se obtiene otra, la cual se mencionan a continuación: Teóricamente a = 17000 pie/seg. Prácticamente a = 16300 pie/seg = 978000 pie/min. Por lo tanto:

N No '

N LT 245000Fc

(4.64)

3) F o /SK r = Relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varilla pulida. El parámetro adimensional F o /SK r representa el alargamiento real de las varillas producido por la carga de fluido. Entonces, (F o /K r )/S es el alargamiento de varillas expresado en fracción de la carrera de la varilla pulida. Para sartas de un solo diámetro:

Kr

EA LT

(4.65)

Para sartas de diámetro variable:

1 Kr

1 L1 E A1

L2 A2

...

Ln An

(4.66)

El término Fo/SKr da el alargamiento de las varillas causado por la aplicación estática de la carga de fluido en porcentaje de la carrera de la varilla pulida. Ejemplo:

Fo SK r

0.1

(4.67)

162

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Significa que el alargamiento de varillas es el 10% de la carrera de la varilla pulida. A velocidades muy bajas, el alargamiento adimensional de las varillas y la velocidad de bombeo se relacionan de la forma siguiente:

Sp S

1.0

Fo SK r

(4.68)

Los cálculos de torsión se realizaron usando el cociente W rf /SK r , que es la relación del peso total de las varillas en el fluido y las libras de carga necesarias para alargar la sarta de varillas una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida. En función de lo anterior se tiene que:

Wrf SK r

0.3

(4.69)

Si el valor es = 0.3, se debe hacer la corrección indicada en la figura 7 del anexo B. DEFINICIONES ADICIONALES DEL MÉTODO API Carrera del émbolo: S p = (S p /S) x S - F o x 1/K t

(4.70)

Si la tubería de producción está anclada, el termino 1/kt = 0 El término (S p /S) se obtiene de la figura 1 del anexo B. Desplazamiento de la bomba: P D = 0.1166 x S p x N x D 2

(4.71)

También se puede obtener mediante la fórmula siguiente: PD = K Sp N

(4.72)

El valor de K se obtiene de la tabla 1 del anexo A. Máxima carga en la varilla pulida. La máxima carga en la varilla pulida se calcula en dos formas: 1. Para quienes prefieren expresar la carga de fluido como función del área neta del émbolo: PPRL = 0.433 L T (A p -A r ) + W r + W r (SN 2 /70500)

(4.73)

163

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2. Otra aproximación que da idénticos resultados, define la carga de fluido como función del área total del émbolo, es decir, el ár ea de la sección transversal de las varillas y de la bomba de inserción: PPRL = 0.433 L T (A p ) + W rf + W r (SN 2 /70500)

(4.74)

O bien: PPRL = F o + W rf + W r (NS 2 /70500)

(4.75)

Para unidades con geometría especial: PPRL = F o + W rf + 0.6 W r (SN 2 /70500)

(4.76)

Para unidades balanceadas con aire. PPRL = F o + W rf + 0.7 W r (SN 2 /70,500)

(4.77)

Obviamente el método Craft-Holden para la predicción de PPRL, toma en cuenta la aceleración de la sarta de varillas, pero no así, los efectos armónicos de la vibración de la sarta. El método API para la predicción de PPRL ocupa la ecuación: PPRL = W rf + (F 1 /SK r ) SK r

(4.78)

El término adimensional F 1 /SK r se obtiene de la figura 3 del anexo B. En esta figura se toma en cuenta el efecto armónico de la sarta de varillas, así como los efectos normales de aceleración. El método API no introduce ningún factor para tomar en cuenta las unidades con geometría especial. Mínima carga en la varilla pulida. La fórmula convencional para la mínima carga en la varilla pulida para unidades de geometría convencional es: MPRL = W rf – W r (SN 2 /70500)

(4.79)

Para unidades de geometría especial: MPRL = W rf – 1.4 W r (SN 2 /705000)

(4.80)

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Para unidades balanceadas por aire: MPRL = W rf – 1.3 W r (SN 2 /70500)

(4.81)

Nuevamente la desaceleración de la sarta es considerada, pero los efectos dinámicos no lo son. El método API expresa la predicción de la carga mínima en la varilla pulida en la siguiente forma: MPRL = W rf – (F 2 /SK r ) SK r

(4.82)

El término adimensional F 2 /Skr se obtiene de la figura 4 (Anexo C). En esta figura se consideran los efectos normales de desaceleración, más los efectos armónicos de las varillas. Torsión Máxima El método convencional para el cálculo de la torsión máxima en unidades con geometría convencional es:

PT

S PPRL- MPRL x x G 2

(4.83)

El método API establece para el cálculo de la torsión máxima la siguiente formula: P T = (2T/S 2 K r ) + SK r x S/2 x Ta

(4.84)

Tanto el método convencional como el API para el cálculo de la máxima torsión, suponen que las cargas máxima y mínima ocurren a los 75° y 285° de la posición de la manivela, respectivamente. Otra posición es que no exista golpeteo o interferencia de gas. El API -RP11L no incluye la predicción de torsión máxima para unidades con geometría especial. El método API también supone que la eficiencia mecánica de la unidad de bombeo es 100%, algunos métodos convencionales hacen la misma suposición, aunque la compañía Lufkin usa una eficiencia mecánica de 93%. Una suposición más en el método API y en el Craft-Holden es, que la unidad siempre esté perfectamente balanceada. Potencia en la Varilla Pulida PRHP = (F 3 /SK r ) x SK r x S x N x 2.53 x 10 -6

(4.85) 165

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Contrapeso Requerido. CBE = 1.06 (W rf + ½ F o )

(4.86)

4.4 Ejemplos de Aplicación Ejemplo de aplicación 1 Para un pozo en el campo petrolero Tajín, se tiene una bomba con un émbolo de 1 ¾” instalada en una tubería de producción de 2” con 4275 pies de varillas de succión de ¾” ; se sabe que el nivel de fluido es bajo por lo tanto se considera a la misma profundidad de la bomba, cuando se bombea a 18 spm con una longitud de carrera de 64 plg, la producción es de 283 BPD de un fluido con densidad relativa de 0.825. Efectuar los cálculos necesarios para poder seleccionar una Unidad de Bombeo Mecánico cuando se tiene una tubería de producción: a) b)

Desanclada. Anclada.

Datos: D dtp LT dr H N S q G

= = = = = = = = =

1 ¾” 2” 4275 pies ¾” 4275 pies 18 spm 64 plg 283 BPD 0.825

Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que, para una bomba de 1 ¾” varillas de ¾” :

y sarta de

Er =0.883 x 10-6plg/lbs-pie Fc = 1.0 Consultando la tabla 5 del anexo A, se tiene que, para varillas de ¾” : mr = 1.63 lbs/pie Consultando la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor de la constante elástica para la tubería de producción de 2” Et = 0.500 x 10-6 plg/lbs-pie

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Cálculos para la tubería de producción desanclada I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo. F o = (0.340) (G) (D 2 ) (H) F o = (0.340) (G) (D 2 ) (H) F o = (0.340) (0.825) (1.75) 2 (4275) F o =3672.36 lbs Cálculo de la constante elástica para el total de la sarta de varilla. 1/K r = (E r ) (L T ) 1/K r = E r x L T 1/K r = (0.883 x 10 -6 ) (4275) 1/K r = 3.775 x 10 -3 plg/lbs

Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida. SK r = S/(1/K r ) SK r = 64/3.775 x 10 -3 SK r = 16953.64 lbs 1. Cálculo de relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varilla pulida. (F o /SK r ) F o /SK r = 3672.36/16953.64 Fo/SKr = 0.216 El parámetro adimensional F o /SK r representa el alargamiento real de las varillas producido por la carga de fluido. Entonces, (F o /K r )/S es el alargamiento de varillas expresado en fracción de la carrera de la varilla pulida. 2. Cálculo de relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro. N/N o = (N)(L T )/245000

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N/N o = (18)(4275)/245000 N/N o = 0.314 3. Cálculo de la relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas. N/N o ’= (N/N o )/Fc N/N o ’= 0.314/1.00 N/N o ’ = 0.314 El valor de N o , la frecuencia natural de la sarta de varillas combinado, generalmente es de 30 vibraciones por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez será mayor de 20 spm, por lo tanto, el valor de N/N o variará entre 0.0 y 0.6 Cálculo de la constante elástica para la tubería de producción no ancl ada. 1/K t = (E t )(L T ) 1/K t = (0.500 x 10 -6 )(4275) 1/K t = 2.13 x 10 -3 plg/lbs II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA. Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la ca rrera del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.875 Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ] –(F o )(1/K t ) S p = (0.875)(64) – (3672.36)(2.13 x 10 -3 ) S p = 48.17 plg Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(48.17)(18)(1.75) 2 P D = 309.61 bls/día

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Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A. K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N P D = (0.357) (48.17) (18) P D = 309.54 bls/día NOTA: Si este gasto no se aproxima al que desea, se repetirá el cálculo de las variables no-dimensionales variando el valor de N. III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES Cálculo del peso de las varillas en el aire. W r = (m r )(LT ) W r = (1.63)(4275) W r = 6968.25 lbs Cálculo del peso de las varillas en el fluido. W rf = W r 1-(0.127)(G) W rf = 6968.25 1-(0.127)(0.825) W rf = 6238.15 lbs 1. Cálculos de torsión. W rf /SK r = 6238.15/16954.43 W rf /SK r = 0.368 IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES EN LA DETERMINACIÓN DE: Carga máxima en la varilla pulida Carga mínima en la varilla pulida Torsión máxima Potencia en la varilla pulida Ajuste de torsión máxima, para valores de W rf /SK r diferentes de 0.3 Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos:

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a) b) c) d) e)

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F1/SKr = 0.45 F2/SKr = 0.20 2T/S2Kr = 0.36 F3/SKr = 0.28 Ta = 1.00

V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN 1. Carga máxima en la varilla pulida. PPRL = W rf + (F 1 /SK r ) (SK r ) PPRL = 6238.15 + (0.45)(16954.43) PPRL = 13,867.64 lbs 2. Carga mínima en la varilla pulida. MPRL = W rf – (F 2 /SK r )(SK r ) MPRL = 6238.15 – (0.20)( 16954.43) MPRL = 2,847.26 lbs 3. Torsión máxima. P T = (2T/S 2 K r ) (SK r )(S/2) (Ta) P T = (0.36)(16954.43)(64/2)(1.0) P T = 195,315 lbs-plg 4. Potencia en la varilla pulida. PRHP = (F 3 /SK r )(SK r )(S)(N)(2.53 x 10 -6 ) PRHP = (0.28)(16954.43) (64)(18)( 2.53 x 10 -6 ) PRHP = 13.83 hp 5. Contrabalanceo. CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) CBE = 1.06 x (6238.15 + 3672.36/2) CBE = 8,560.9 lbs De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. 170

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Unidad seleccionada:

SUB-TEMA IV

C-228D-200-74

Donde: = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. 228 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 200 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 74 = Longitud de la carrera en pulgadas. C

Cálculos para la tubería de producción anclada Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que la constante elástica de la tubería de producción es 1/K t = 0.0 Debido a que la constante elástica es cero, la mayoría de los cálculos que se realizaron para la tubería de producción desanclada no cambian, los ún icos valores que cambian son la carrera efectiva del émbolo y el desplazamiento teórico de la bomba. I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: F o = 3672.36 lbs 1/Kr = 3.775 x 10-3 plg/lbs SKr = 16953.64 lbs Fo/SKr = 0.216 N/No = 0.314 N/No’ = 0.314 1/Kt = 2.13 x 10–3 plg/lbs II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA.

Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la carrera del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.875 Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ]

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S p = (0.875)(64) S p = 56 plg Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(56)(18)(1.75) 2 P D = 360 bls/día Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A. K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N P D = (0.357) (56) (18) P D = 359.85 bls/día Como los valores de S p y P D no se ocupan en otras formulas, los resultados son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada. III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES W r = 6968.25 lbs Wrf = 6238.15 lbs Wrf/SKr = 0.368 IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES: Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos: a) F1/SKr = 0.45 b) F2/SKr = 0.20 c) 2T/S2Kr = 0.36 d) F3/SKr = 0.28 e) Ta = 1.00 V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN

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PPRL = 13,867.64 lbs MPRL = 2,847.26 lbs PT = 195,315 lbs-plg PRHP = 13.83 hp CBE = 8560.9 lbs De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón y el desplazamiento teórico de la bomba. Por lo tanto: Unidad seleccionada:

C-228D-200-74

Ejemplo de Aplicación 2 En un pozo del Campo Petrolero de Tajín se tiene una profundidad de 5100 pies en dónde será instalada una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” en 7 el interior de una tubería de producción de 2 / 8 ” , una densidad relativa del fluido de 0.825, y donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos para la selección de una Unidad de Bombeo Mecánico que deberá operar con una velocidad de 13 spm y una carrera en la varilla pulida de 86 plg dando un gasto o producción en superficie de 180 BPD. Este diseño contempla una sarta de varillas telescopiadas compuesta de 3 secciones con diferentes diámetros 1”, 7 / 8 ” y ¾”. Considerar los cálculos con la tubería de producción desanclada y anclada. Datos: D dtp LT dr H N S q G

= = = = = = = = =

1 ¾” 2 7/8” 5100 pies 1”, 7/8” y ¾” 5100 pies 13 spm 86 plg 180 BPD 0.825

Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que, para una bomba de 1 ¾” varillas de 1”, 7 / 8 ” y ¾” :

y sarta de

Er =0.699 x 10-6plg/lbs-pie

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Fc = 1.164 mr = 2.185 lbs/pie Consultando la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor de la constante elástica para la tubería de producción de 2 7/8” Et = 0.221 x 10-6 plg/lbs-pie Cálculos para la tubería de producción desanclada I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo. F o = (0.340) (G) (D 2 ) (H) F o = (0.340) (0.825) (1.75) 2 (5100) F o = 4381.05 lbs Cálculo de la constante elástica para el total de la sarta de varilla. 1/K r = (E r ) (L T ) 1/K r = E r x L T 1/K r = (0.699 x 10 -6 ) (5100) 1/K r = 3.5649 x 10 -3 plg/lbs Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida. SK r = S/(1/K r ) SK r = 86/3.5649 x 10 -3 SK r = 24,124.09 lbs 1. Cálculo de relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varill a pulida. (F o /SK r ) F o /SK r = 4381.05/24124.09 Fo/SKr = 0.1816 El parámetro adimensional F o /SK r representa el alargamiento real de las varillas producido por la carga de fluido. Entonces, (F o /K r )/S es el alargamiento de varillas expresado en fracción de la carrera de la varilla pulida.

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2. Cálculo de relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro. N/N o = (N)(L T )/245000 N/N o = (13)(5100)/245000 N/N o = 0.27 3. Cálculo de la relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas.

N No'

NLT 24500Fc

N No'

(13)(5100) 245000(1.164)

N/N o ’= 0.232 El valor de N o , la frecuencia natural de la sarta de varillas combinado, generalmente es de 30 vibraciones por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez será mayor de 20 spm, por lo tanto, el valor de N/N o variará entre 0.0 y 0.6 Cálculo de la constante elástica para la tubería de producción no anclada. 1/K t = (E t )(L T ) 1/K t = (0.221 x 10 -6 )(5100) 1/K t = 1.1271 x 10 -3 plg/lbs II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA. Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la carrera del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.92 Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ] –(F o )(1/K t ) S p = (0.92)(86) – (4381.05)(1.1271 x 10 -3 ) S p = 74.18 plg

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SUB-TEMA IV

Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(74.18)(13)(1.75) 2 P D = 344.35 bls/día Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A. K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N P D = (0.357) (74.18) (13) P D = 344.26 bls/día NOTA: Si este gasto no se aproxima al que desea, se repetirá el cálculo de las variables no-dimensionales variando el valor de N. III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES Cálculo del peso de las varillas en el aire. W r = (m r )(LT ) W r = (2.185)(5100) W r = 11,143.5 lbs Cálculo del peso de las varillas en el fluido. W rf = W r 1-(0.127)(G) Wrf = 11,143.5 1-(0.127)(0.825) W rf = 9,975.93 lbs 2. Cálculos de torsión. W rf /SK r = 9,975.93/24,124.09 W rf /SK r = 0.413 NOTA: Si el valor de W rf /SK r es mayor de 0.3, efectuar el ajuste en la figura 7 del anexo B; si el valor es menor de 0.3 el ajuste se vuelve negativo.

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SUB-TEMA IV

IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES EN LA DETERMINACIÓN DE: Carga máxima en la varilla pulida Carga mínima en la varilla pulida Torsión máxima Potencia en la varilla pulida Ajuste de torsión máxima, para valores de W rf /SK r diferentes de 0.3 Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos: f) g) h) i) j)

F1/SKr = 0.36 F2/SKr = 0.16 2T/S2Kr = 0.29 F3/SKr = 0.22 Ta = 1.02

V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN 6. Carga máxima en la varilla pulida. PPRL = W rf + (F 1 /SK r ) (SK r ) PPRL = 9975.93 + (0.36)(24124.09) PPRL = 18,660.6 lbs 7. Carga mínima en la varilla pulida. MPRL = W rf – (F 2 /SK r )(SK r ) MPRL = 9975.93 – (0.16)(24124.09) MPRL = 6,116.07 lbs 8. Torsión máxima. P T = (2T/S 2 K r ) (SK r )(S/2) (Ta) P T = (0.29)(24124.09)(86/2)(1.02) P T = 306,843.95 lbs-plg 9. Potencia en la varilla pulida. PRHP = (F 3 /SK r )(SK r )(S)(N)(2.53 x 10 -6 ) PRHP = (0.22)(24124.09) (86)(13)( 2.53 x 10 -6 ) PRHP = 15.01 hp

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SUB-TEMA IV

10. Contrabalanceo. CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) CBE = 1.06 x (9975.93 + 4381.05 /2) CBE = 12,896.44 lbs De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Unidad seleccionada:

C-320D-246-86

Donde: = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. 320 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 246 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 86 = Longitud de la carrera en pulgadas. C

Cálculos para la tubería de producción anclada Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que la constante elástica de la tubería de producción es 1/K t = 0.0 Debido a que la constante elástica es cero, la mayoría de los cálculos que se realizaron para la tubería de producción desanclada no cambian, los únicos valores que cambian son la carrera efectiva del émbolo y el desplazamiento teórico de la bomba. I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: F o = 4381.05 lbs 1/Kr = 3.5649x 10-3 plg/lbs SKr = 24124.09 lbs Fo/SKr = 0.1816 N/No = 0.27 N/No’ = 0.232 1/Kt = 1.1271 x 10–3 plg/lbs II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA.

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SUB-TEMA IV

Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la carrer a del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.875 Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ] S p = (0.875)(86) S p = 72.25 plg Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(72.25)(13)(1.75) 2 P D = 335.39 bls/día Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A. K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N P D = (0.357) (72.25) (13) P D = 335.31 bls/día Como los valores de S p y P D no se ocupan en otras formulas, los resultados son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada. III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES W r = 11,143.5 lbs Wrf = 9,975.93 lbs Wrf/SKr = 0.413 IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES: Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos:

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SUB-TEMA IV

a) F1/SKr = 0.36 b) F2/SKr = 0.16 c) 2T/S2Kr = 0.29 d) F3/SKr = 0.22 e) Ta = 1.02 V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN PPRL = 18660.6 lbs MPRL = 6116.07 lbs PT = 306,843.95 lbs-plg PRHP = 15.01 hp CBE = 12,896.44 lbs De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón y el desplazamiento teórico de la bomba. Por lo tanto: Unidad seleccionada:

C-320D-246-86

Ejemplo de Aplicación 3 En un pozo del Campo Petrolero Poza Rica se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾”Ø a la profundidad de 6232 pies en el interior de una tubería de producción de 2 7 / 8 ” , dando un gasto o producción en superficie de 250 BPD de fluido con una densidad de 0.870, se considera que el nivel dinámico en la tubería de revestimiento está a la profundidad de colocación de la bomba Efectuar los cálculos necesarios para determinar el tipo de Unidad de Bombeo Mecánico que operará con una carrera en la varilla pulida de 100 plg a una velocidad de 13 spm, moviendo una sarta de varilla telescopiada compuesta de 1”, 7 / 8 ” y ¾” de diámetro. Datos: D dtp LT dr H

= = = = =

1 ¾” 2 7/8” 6232 pies 1”, 7/8” y ¾” 6232 pies

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N S q G

= = = =

SUB-TEMA IV

13 spm 100 plg 250 BPD 0.870

Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que, para una bomba de 1 ¾” varillas de 1”, 7 / 8 ” y ¾” :

y sarta de

Er =0.699 x 10-6plg/lbs-pie Fc = 1.164 mr = 2.185 lbs/pie Consultando la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor de la constante elástica para la tubería de producción de 2 7/8” Et = 0.221 x 10-6 plg/lbs-pie Cálculos para la tubería de producción desanclada I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo. F o = (0.340) (G) (D 2 ) (H) F o = (0.340) (0.870) (1.75) 2 (6232) F o = 5645.49 lbs Cálculo de la constante elástica para el total de la sarta de varilla. 1/K r = E r x L T 1/K r = (0.699 x 10 -6 ) (6232) 1/K r = 4.3561 x 10 -3 plg/lbs Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida. SK r = S/(1/K r ) SK r = 100/4.3561 x 10 -3 SK r = 22,956.31 lbs 4. Cálculo de relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varilla pulida. (F o /SK r )

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F o /SK r = 5645.49/22956.31 Fo/SKr = 0.246 El parámetro adimensional F o /SK r representa el alargamiento real de las varillas producido por la carga de fluido. Entonces, (F o /K r )/S es el alargamiento de varillas expresado en fracción de la carrera de la varilla pulida. 5. Cálculo de relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro. N/N o = (N)(L T )/245000 N/N o = (13)(6232)/245000 N/N o = 0.33 6. Cálculo de la relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas.

N No'

NLT 24500Fc

N No'

(13)(6232) 245000(1.164)

N/N o ’ = 0.284 El valor de N o , la frecuencia natural de la sarta de varillas combinado, generalmente es de 30 vibraciones por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez será mayor de 20 spm, por lo tanto, el valor de N/N o variará entre 0.0 y 0.6 Cálculo de la constante elástica para la tubería de producción no anclada. 1/K t = (E t )(L T ) 1/K t = (0.221 x 10 -6 )(6232) 1/K t = 1.377 x 10 -3 plg/lbs II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA. Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la carrera del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.83

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Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ] –(F o )(1/K t ) S p = (0.83)(100) – (5645.49)(1.377 x 10 -3 ) S p = 75.22 plg Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(75.22)(13)(1.75) 2 P D = 349.18 bls/día Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A. K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N P D = (0.357) (75.22) (13) P D = 349.09 bls/día NOTA: Si este gasto no se aproxima al que desea, se repetirá el cálculo de las variables no-dimensionales variando el valor de N. III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES Cálculo del peso de las varillas en el aire. W r = (m r )(LT ) W r = (2.185)(6232) W r = 13,616.92 lbs Cálculo del peso de las varillas en el fluido. W rf = W r 1-(0.127)(G) Wrf = 13616.92 1-(0.127)(0.870) Wrf = 12,112.38 lbs

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1. Cálculos de torsión. W rf /SK r = 12112.38/22956.31 W rf /SK r = 0.527 NOTA: Si el valor de W rf /SK r es mayor de 0.3, efectuar el ajuste en la figura 7 del anexo B; si el valor es menor de 0.3 el ajuste se vuelve negativo. IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES EN LA DETERMIN ACIÓN DE: Carga máxima en la varilla pulida Carga mínima en la varilla pulida Torsión máxima Potencia en la varilla pulida Ajuste de torsión máxima, para valores de W rf /SK r diferentes de 0.3 Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos: a) b) c) d) e)

F1/SKr = 0.47 F2/SKr = 0.22 2T/S2Kr = 0.37 F3/SKr = 0.31 Ta = 1.00

V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN 1. Carga máxima en la varilla pulida. PPRL = W rf + (F 1 /SK r ) (SK r ) PPRL = 12112.38 + (0.47)(22956.31) PPRL = 22,901.84 lbs 2. Carga mínima en la varilla pulida. MPRL = W rf – (F 2 /SK r )(SK r ) MPRL = 12112.38 – (0.22)(22956.31) MPRL = 7062 lbs 3. Torsión máxima. P T = (2T/S 2 K r ) (SK r )(S/2) (Ta) P T = (0.37)(22956.31)(100/2)(1.00)

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SUB-TEMA IV

P T = 424,691.73 lbs-plg 4. Potencia en la varilla pulida. PRHP = (F 3 /SK r )(SK r )(S)(N)(2.53 x 10 -6 ) PRHP = (0.31)(22956.31) (100)(13)( 2.53 x 10 -6 ) PRHP = 23.4 hp 5. Contrabalanceo. CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) CBE = 1.06 x (12112.38 + 5645.49 /2) CBE = 15,831.22 lbs De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Unidad seleccionada:

C-456D-256-100

Donde: = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. 456 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 256 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 100 = Longitud de la carrera en pulgadas. C

Cálculos para la tubería de producción anclada Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que la constante elástica de la tubería de producción es 1/K t = 0.0 Debido a que la constante elástica es cero, la mayoría de los cálculos que se realizaron para la tubería de producción desanclada no cambian, los únicos valores que cambian son la carrera efectiva del émbolo y el desplazamiento teórico de la bomba. I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: F o = 5645.49 lbs 1/Kr = 4.3561 x 10-3 plg/lbs 185

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SKr = 22,956.31 lbs Fo/SKr = 0.246 N/No = 0.33 N/No’ = 0.284 1/Kt = 1.377 x 10–3 plg/lbs II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA. Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la carrera del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.83 Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ] S p = (0.83)(100) S p = 83 plg Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(83)(13)(1.75) 2 P D = 385.29 bls/día Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N P D = (0.357) (83) (13) P D = 385.20 bls/día Como los valores de S p y P D no se ocupan en otras formulas, los resultados son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES

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SUB-TEMA IV

W r = 13,616.92 lbs Wrf = 12,112.38 lbs Wrf/SKr = 0.527 IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES: Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos: a) F1/SKr = 0.47 b) F2/SKr = 0.22 c) 2T/S2Kr = 0.37 d) F3/SKr = 0.31 e) Ta = 1.00 V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN PPRL = 22,901.84 lbs MPRL = 7,062 lbs PT = 424,691.73 lbs-plg PRHP = 23.4 hp CBE = 15,831.22 lbs De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón y el desplazamiento teórico de la bomba. Por lo tanto: Unidad seleccionada:

C-456D-256-100

Ejemplo de Aplicación 4 En un pozo del campo petrolero Presidente Alemán se instalará una bomba de inserción con un émbolo de 1¾”Ø a la profundidad de 8500 pies en el interior de una tubería de producción 2 7 / 8 ”Ø, dando en superficie un gasto o producción de 350 BPD de un fluido con una densidad de 0.870, y donde el nivel dinámico en la tubería de revestimiento se considera a la misma profundidad de colocación de la bomba. Efectuar los cálculos de selección para una Unidad de Bombeo Mecánico que deberá operar con una velocidad de 13 spm, una carrera en la varilla pulida de 168 plg y deberá mover una sarta de varillas telescopiada compuesta por 1”, 7 / 8 ” y ¾” de diámetro. Considerar la tubería de producción d esanclada y anclada.

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Datos: D dtp LT dr H N S q G

= = = = = = = = =

1 ¾” 2 7/8” 8500 pies 1”, 7/8” y ¾” 8500 pies 13 spm 168 plg 350 BPD 0.870

Consultando la tabla 3 del anexo A, se tiene que, para una bomba de 1 ¾” varillas de 1”, 7 / 8 ” y ¾” :

y sarta de

Er =0.699 x 10-6plg/lbs-pie Fc = 1.164 mr = 2.185 lbs/pie Consultando la tabla 7 del anexo A se obtiene el valor de la constante elástica para la tubería de producción de 2 7/8” Et = 0.221 x 10-6 plg/lbs-pie Cálculos para la tubería de producción desanclada I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo. F o = (0.340) (G) (D 2 ) (H) Fo = (0.340) (0.870) (1.75) 2 (8500) F o = 7,700.04 lbs Cálculo de la constante elástica para el total de la sarta de varilla. 1/K r = (E r ) (L T ) 1/K r = (0.699 x 10 -6 ) (8500) 1/K r = 5.9415 x 10 -3 plg/lbs Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas, una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida. SK r = S/(1/K r )

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SUB-TEMA IV

SK r = 168/5.9415 x 10 -3 SK r = 28,275.68 lbs 7. Cálculo de relación del alargamiento de las varillas a la carrera de la varilla pulida. (F o /SK r ) F o /SK r = 7700.04/28275.68 Fo/SKr = 0.272 El parámetro adimensional F o /SK r representa el alargamiento real de las varillas producido por la carga de fluido. Entonces, (F o /K r )/S es el alargamiento de varillas expresado en fracción de la carrera de la varilla pulida. 8. Cálculo de relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro. N/N o = (N)(L T )/245000 N/N o = (13)(8500)/245000 N/N o = 0.451 9. Cálculo de la relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas.

N No'

NLT 24500Fc

N No'

(13)(8500) 245000(1.164)

N/N o ’ = 0.387 El valor de N o , la frecuencia natural de la sarta de varillas combinado, generalmente es de 30 vibraciones por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez será mayor de 20 spm, por lo tanto, el valor de N/N o variará entre 0.0 y 0.6 Cálculo de la constante elástica para la tubería de producción no anclada. 1/K t = (E t )(L T ) 1/K t = (0.221 x 10 -6 )(8500) 1/K t = 1.8785 x 10 -3 plg/lbs

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II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA. Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la carrera del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.97 Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ] –(F o )(1/K t ) S p = (0.97)(168) – (7700.04)(1.8785 x 10 -3 ) S p = 148.49 plg Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(148.49)(13)(1.75) 2 P D = 689.31 bls/día Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A. K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N P D = (0.357) (148.49) (13) P D = 689.14 bls/día NOTA: Si este gasto no se aproxima al que desea, se repetirá el cálculo de las variables no-dimensionales variando el valor de N. III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES Cálculo del peso de las varillas en el aire. W r = (m r )(LT ) W r = (2.185)(8500) W r = 18,572.5 lbs

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SUB-TEMA IV

Cálculo del peso de las varillas en el fluido. W rf = W r 1-(0.127)(G) Wrf = 18572.5 1-(0.127)(0.870) Wrf = 16,520.42 lbs 2. Cálculos de torsión. W rf /SK r = 16520.42/28275.68 W rf /SK r = 0.584 NOTA: Si el valor de W rf /SK r es mayor de 0.3, efectuar el ajuste en la figura 7 del anexo B; si el valor es menor de 0.3 el ajuste se vuelve negativo. IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES EN LA DETERMINACIÓN DE: Carga máxima en la varilla pulida Carga mínima en la varilla pulida Torsión máxima Potencia en la varilla pulida Ajuste de torsión máxima, para valores de W rf /SK r diferentes de 0.3 Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos: f) g) h) i) j)

F1/SKr = 0.65 F2/SKr = 0.31 2T/S2Kr = 0.48 F3/SKr = 0.44 Ta = 0.95

V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN 6. Carga máxima en la varilla pulida. PPRL = W rf + (F 1 /SK r ) (SK r ) PPRL = 16520.42 + (0.65)(28275.68) PPRL = 34,899.61 lbs 7. Carga mínima en la varilla pulida. MPRL = W rf – (F 2 /SK r )(SK r )

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SUB-TEMA IV

MPRL = 16520.42 – (0.31)(28275.68) MPRL = 7,754.95 lbs 8. Torsión máxima. P T = (2T/S 2 K r ) (SK r )(S/2) (Ta) P T = (0.48)(28275.68)(168/2)(0.95) P T = 1’083,071.64 lbs-plg 9. Potencia en la varilla pulida. PRHP = (F 3 /SK r )(SK r )(S)(N)(2.53 x 10 -6 ) PRHP = (0.44)(28275.68) (168)(13)(2.53 x 10 -6 ) PRHP = 68.74 hp 10. Contrabalanceo. CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) CBE = 1.06 x (16520.42 + 7700.04 /2) CBE = 21,592.66 lbs

De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Unidad seleccionada:

C-1280D-365-192

Donde: = Corresponde a una unidad convencional; también puede iniciar con “A” que significa unidad balanceada por aire; o “M”, Mark II unitorque. 456 = Clasificación de la torsión máxima en miles de pulgadas libras. D = Reductor de engranes con doble reducción. 256 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos de libras. 100 = Longitud de la carrera en pulgadas. C

Cálculos para la tubería de producción anclada Los cálculos se efectuarán de la misma forma que con la tubería de producción anclada, pero con la consideración de que la constante elástica de la tubería de producción es 1/K t = 0.0

192

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

SUB-TEMA IV

Debido a que la constante elástica es cero, la mayoría de los cálculos que se realizaron para la tubería de producción desanclada no cambian, los únicos valores que cambian son la carrera efectiva del émbolo y el desplazamiento teórico de la bomba. I CALCULO DE LAS VARIABLES NO-DIMENSIONALES: F o = 7,700.04 lbs 1/Kr = 5.9415 x 10-3 plg/lbs SKr = 28,275.68 lbs Fo/SKr = 0.272 N/No = 0.451 N/No’ = 0.387 1/Kt = 1.8785 x 10–3 plg/lbs II CÁLCULO DE LA CARRERA EFECTIVA DEL ÉMBOLO Y DESPLAZAMIENTO TEÓRICO EN EL FONDO DE LA BOMBA. Consultando la figura 1 del anexo B, se obtiene el valor para el factor de la carrera del émbolo con los valores de N/N o ’ y F o /SK r , entonces: S p /S = 0.97 Cálculo de la carrera efectiva del émbolo. S P = [ (S p /S)(S) ] S p = (0.97)(168) S p = 162.96 plg Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba. P D = (0.1166)(S p )(N)(D 2 ) P D = (0.1166)(162.96)(13)(1.75) 2 P D = 756.48 bls/día Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor de la constante de la bomba de la tabla 1 del anexo A. K= 0.357 Entonces se tiene que: PD = K x Sp x N

193

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

SUB-TEMA IV

P D = (0.357) (162.96) (13) P D = 756.29 bls/día Como los valores de S p y P D no se ocupan en otras formulas, los resultados son los mismos para la tubería de producción anclada y desanclada. III. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS NO-DIMENSIONALES W r = 18,572.5 lbs Wrf = 16,520.42 lbs Wrf/SKr = 0.584 IV OBTENCIÓN DE LOS FACTORES ÚTILES: Consultando las figuras 3, 4, 5, 6, y 7 del anexo B, y con los valores de F o /SK r , N/N o y N/N o ’ se obtienen los siguientes datos: a) F1/SKr = 0.65 b) F2/SKr = 0.31 c) 2T/S2Kr = 0.48 d) F3/SKr = 0.44 e) Ta = 0.95 V. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN

PPRL = 34,889.61 lbs MPRL = 7,754.95 lbs PT = 1’083,071.64 lbs-plg PRHP = 68.74 hp CBE = 21,592.66 lbs De acuerdo al resultado de la torsión máxima y carga máxima en la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando el catálogo Lufkin que se encuentra en el apéndice A. Como la torsión máxima no cambia, así como la carga máxima en la varilla pulida, la unidad seleccionada corresponde a la que se seleccionó anteriormente. Con el cálculo de la tubería de producción anclada, cambia el valor de la carrera efectiva del pistón y el desplazamiento teórico de la bomba. Por lo tanto: Unidad seleccionada:

C-456D-256-100

194

CAPITULO III

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

CAPÍTULO III

APORTACIONES O CONTRIBUCIONES AL DESARROLLO A continuación se presenta una guía rápida para la selección de Unidades de Bombeo Mecánico, con ella se puede saber cuales son los datos necesarios para iniciar la selección de Unidades de Bombeo Mecánico, así como los pasos a seguir para obtener los resultados finales y con ello seleccionar la unidad adecuada a las características que tiene el pozo, como son: profundidad de la sarta y de colocación de la bomba, densidad relativa del fluido, diámetro de la bomba, etc. El objetivo principal de la siguiente tabla es obtener los datos principales para la selección de la Unidad de Bombeo Mecánico adecuada, a partir de los datos que tiene el pozo, utilizando el método API. Datos conocidos del pozo Nivel de Fluido Prof. de la Bomba Diam. de la Tub. Prod. Velocidad de Bombeo Carrera Diam. del Émbolo Diam. de las varillas que componen la sarta

H LT dt N S D dr1 dr2 dr3 Densidad Relativa (fluido) G

= = = = = = = = = =

_________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________

pies pies plg ¿Está anclada? Si O No O spm plg plg plg plg plg

Todos los datos anteriores deben ser conocidos de acuerdo con las características de cada pozo, si no se llegara a llenar alguno de los espacios en blanco, no se podría efectuar el cálculo necesario para la selección de la unidad requerida. Consultando las tablas 3 y 7 del anexo A, pueden obtenerse los siguientes valores: A partir de las características del pozo que se llenaron en los espacios en blanco, se obtienen los valores fundamentales para la selección de la unidad, como es: el peso de la sarta de varillas, módulo de elasticidad de las varillas y de la tubería de producción. 1. mr = _________________ lbs/pie 2. Er = _________________ x 10-6 plg/lbs-pie 3. Fc = _________________ 4. Et = _________________ x 10-6 plg/lbs-pie Con la obtención de estos valores, puede iniciarse los cálculos necesarios para la selección de la Unidad de Bombeo Mecánico adecuada a las características del pozo.

203

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

CAPÍTULO III

A continuación se presentan las formulas necesarias para hacer los cálculos en la selección de la unidad, únicamente debe llenar los espacios en blanco y efectuar las operaciones necesarias, hasta obtener el resultado. Cálculo de las variables no dimensionales 5. Fo = 0.340 x G x D2 x H = 0.340 x ________ x (________)2 x ________ =________ lbs 6. 1/Kr = Er x LT = _________ x ________ = _________ lbs/plg 7. SKr = S/(1/Kr) = ________ 8. Fo/SKr = ________

_________ = ________ lbs

________ = ________

9. N/No = (N x LT)/245000 = (________ x _________) 10. N/No’ = (N/No)/Fc = ________

245000 = ________

________ = ________

11. 1/Kt = Er x LT = ________ x ________ = ________ lbs/plg Consultando los datos de la figura 1 del anexo B, se puede calcular la carrera efectiva del pistón y el desplazamiento teórico de la bomba. En la figura 1 del anexo B, con los valores de la relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas y, con la relación del peso total de la sarta de varillas en el fluido y las libras de carga necesaria para alargar la sarta de varillas una cantidad igual a la varilla pulida,se obtiene el valor del factor de la carrera del émbolo. 12. Sp/S = ________ 13. Sp = [(Sp/S) x S] – [Fo x 1/Kr] = [_______x_______]–[_______x_______]= ______ plg 14. PD = 0.1166 x Sp x N x N2 = 0.1166 x_______x_________ x_________ = ______ BPD NOTA.- Si el desplazamiento teórico de la bomba falla para satisfacer los requerimientos conocidos o anticipados, deberá hacer los ajustes apropiados con los datos que se asumen en los pasos 1 al hasta el 14. Cuando el desplazamiento calculado de la bomba es aceptable, se procederá con los cálculos de selección. Determinación de los parámetros no dimensionales 15. Wr = mr x LT = _________ x _________ = _________ lbs Este resultado es el peso total que componen la sarta de varillas de acuerdo con la profundidad de la misma. 16. Wrf = Wr x [1 – (0.128 x G)] = ________ x [1 – (0.128 x ________)] = __________ lbs

204

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CAPÍTULO III

El resultado anterior, es el peso de las varillas sumergidas en el fluido. Como se observa, el resultado es menor al punto N° 15 debido al efecto de flotación o Principio de Arquímedes. 17. Wrf/SKr = _________

__________ = __________

Si el valor anterior es mayor de 0.3, se deberá efectuar el ajuste en la figura 7 del anexo B; si el valor es menor a 0.3, el ajuste se vuelve negativo. Consultando los datos de las figuras 3, 4, 5, 6 y 7 del anexo B, se obtienen los siguientes valores: 18. F1/SKr = ________ 19. F2/SKr = ________ 20. 2T/S2Kr = ________ 21. F3/SKr = _________ 22. Ta = _________ Los resultados anteriores, son los factores para determinar las características con las cuales debe operar la Unidad de Bombeo Mecánico. A continuación se realizarán los cálculos necesarios para la selección de la unidad. Solución para las características de operación 23. PPRL = Wrf + [(F1/SKr) x SKr] = ________ + [(________ x _______)] = _________lbs 24. MPRL = Wrf – [(F2/SKr) x SKr] =________ - [(________ x ________)] = ________lbs La obtención de los valores anteriores, es la carga máxima y mínima que soportará la Unidad de Bombeo Mecánico, es decir, las libras de peso de las varillas y del fluido. 25. PT = (2T/S2Kr) (SKr)(S/2)(Ta)=_______x_______x (_____ 2)x_____= _______lbs-plg El valor de la torsión máxima obtenido con el cálculo anterior, son las libras por pulgadas de torsión que debe soportar la caja reductora de engranes de la Unidad de Bombeo Mecánico. Para efectos de operación y de acuerdo a las tablas del apéndice cortesía de industrias Lufkin, se debe seleccionar una unidad que soporte un mayor número de lbs-plg de las que se obtuvieron por medio de los cálculos, esto para tener un factor de tolerancia en la caja reductora de engranes. 26. PRHP =(F 3 /SK r )(SK r )(S)(N)(2.53 x 10 -6 ) =____x____x____x____x____x 2.53 x 10 -6 PRHP= _________

205

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CAPÍTULO III

Con el valor de la potencia en la varilla pulida, se puede seleccionar de acuerdo con la tabla 19 del anexo A, el tamaño del motor que deberá operar la Unidad de Bombeo Mecánico. 27. CBE = 1.06 (W rf + ½ F o ) = 1.06 x [_____ x ( 1 / 2 _______)] = ________ lbs La obtención del contrapeso requerido, es el peso necesario que debe tener la manivela de la Unidad de Bombeo Mecánico para que no exista desbalanceo, es decir, que falte o sobre peso en la manivela de la unidad, provocando que el motor llegue a forzarse y a consecuencia de esto, un mayor consumo de energía en el motor.

206

ANEXOS

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ANEXOS

A) TABLAS PARA SELECCIÓN DE UNIDADES DE BOMBEO MECÁNICO

DATOS DEL ÉMBOLO DIÁMETRO plg dp 1 1 1 / 16 1¼ 1½ 1¾ 1 25 / 32 2

ÁREA plg 2 Ap 0.785 0.886 1.227 1.767 2.405 2.408 3.142

CONSTANTE DE LA BOMBA BPD/plg/spm K 0.116 0.131 0.182 0.262 0.357 0.369 0.466

2¼ 2½ 2¾

3.976 4.909 5.940

0.590 0.728 0.881

3¾ 4¾

11.045 17.721

1.639 2.630 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 1 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A1

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ANEXOS

DIÁMETROS DE ÉMBOLO RECOMENDADOS PAR ACONDICIONES ÓPTIMAS. NIVEL DE FLUIDO NETO pie

GASTO – BPD – Ev = 80 X 100 1½ 1¼

200 1¾ 1½

300 2 1¾

400 2¼ 2

500 2½ 2¼

600 2¾ 2½

700 2¾

800 2¾

900 2¾

1000 2¾

3000

1½ 1¼

1¾ 1½

2 1¾

2¼ 2

2½ 2¼

2½ 2¼

2¾ 2½

2¾

2¾

2¾

4000

1¼

1¾ 1½

2 1¾

2¼ 2

2¼ 2

2¼

2¼

2¼

5000

1¼

1¾ 1½

2 1¾

2¾ 1¾

2¼ 2

2¼

6000

1¼

1½ 1¼

1¾ 1½

1¾

7000

1¼ 1 1/8

1½ 1¼

8000

1¼ 1 1/8

2000

Esta tabla, se considera únicamente para carreras de varilla mayores de 74 plg. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 2 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A 2

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ANEXOS

DATOS DE LA BOMBA Y DE LAS VARILLAS No. DE VARI LLA

DIA. DEL ÉMBOLO plg

PESO DE LAS VAR. lbs-pie

CONSTANTE ELÁSTICA plg/lbs pie

FACTOR DE FRECUENCI A

dp

mr

X 10 - 6 , E r

Fc

44

Todos

0.726

1.990

54 54 54 54 54 54 54

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50

0.906 0.929 0.957 0.990 1.027 1.067 1.108

55

Todos

64 64 64 64

SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO

1 1/8

1

7

1.000

-

-

-

-

1.668 1.633 1.584 1.525 1.460 1.391 1.318

1.138 1.140 1.137 1.122 1.095 1.061 1.023

-

-

-

-

44.6 49.5 56.4 64.6 73.7 83.4 93.5

1.135

1.270

1.000

1.382 1.319 1.232 1.141

1.229 1.215 1.184 1.145

-

100.0

1.164 1.211 1.275 1.341

-

-

1.06 1.25 1.50 1.75

-

33.3 37.2 42.3 47.4

33.1 35.9 40.4 45.3

33.5 26.9 17.3 7.4

65 65 65 65 65 65 65 65 65

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.25

1.307 1.321 1.343 1.369 1.394 1.426 1.460 1.497 1.574

1.138 1.127 1.110 1.090 1.070 1.045 1.018 0.990 0.930

1.098 1.104 1.110 1.114 1.114 1.110 1.099 1.082 1.037

-

-

-

34.4 37.3 41.8 46.9 52.0 58.4 65.2 72.5 88.1

65.6 62.7 58.2 53.1 48.0 41.6 34.8 27.5 11.9

-

66

Todos

1.634

0.883

1.000

-

-

-

100.0

75 75 75 75 75 75

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25

1.566 1.604 1.664 1.732 1.803 1.875

0.997 0.973 0.935 0.892 0.847 0.801

1.191 1.193 1.189 1.174 1.151 1.121

-

-

27.0 29.4 33.3 37.8 42.4 46.9

27.4 29.8 33.3 37.0 41.3 45.8

/8

3

/4

5

/8

1

-

100.0

/2

55.4 50.5 43.6 35.4 26.3 16.6 6.5 -

45.6 40.8 33.3 25.1 16.3 7.2

-

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 3 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A 3

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

Continuación de Tabla 3 No. DE VARI LLA

DIA. DEL ÉMBOLO plg

PESO DE LAS VAR. lbs-pie

CONSTANTE ELÁSTICA plg/lbs pie

FACTOR DE FRECUENCI A

dp

mr

X 10 - 6 , E r

Fc

76 76 76 76 76 76 76 76 76 76

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.25 3.75

1.820 1.814 1.733 1.855 1.880 1.908 1.934 1.967 2.039 2.119

0.816 0.812 0.804 0.795 0.785 0.774 0.764 0.751 0.722 0.690

77

Todos

2.224

85 85 85 85

1.06 1.25 1.50 1.75

86 86 86 86 86 86 86 86 87 87 87 87 87 87 87 87 87 87 87

SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO

1 1/8

1

7

1.072 1.077 1.082 1.088 1.093 1.096 1.097 1.094 1.078 1.047

-

-

28.5 30.6 33.8 37.5 41.7 46.5 50.8 56.5 68.7 82.3

71.5 69.4 66.2 62.5 58.3 53.5 49.2 43.5 31.3 17.7

-

-

1.000

1.000

-

-

100.0

-

-

-

1.883 1.943 2.039 2.138

0.873 0.841 0.791 0.738

1.261 1.253 1.232 1.201

-

22.2 23.9 26.7 29.6

22.4 24.2 27.4 30.4

22.4 24.3 26.8 29.5

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75

2.058 2.087 2.133 2.185 2.247 2.315 2.385 2.455

0.742 0.732 0.717 0.699 0.679 0.656 0.633 0.610

1.151 1.156 1.162 1.164 1.161 1.153 1.138 1.119

-

22.6 24.3 26.8 29.4 32.8 36.9 40.6 44.5

23.0 24.5 27.0 30.0 33.2 36.0 39.7 43.3

54.3 51.2 46.3 40.6 33.9 27.1 19.7 12.2

-

-

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.25 3.75 4.75

2.390 2.399 2.413 2.430 2.450 2.472 2.496 2.523 2.575 2.641 2.793

0.612 0.610 0.607 0.603 0.598 0.594 0.588 0.582 0.570 0.556 0.522

1.055 1.958 1.062 1.066 1.071 1.075 1.079 1.082 1.084 1.078 1.038

-

24.3 25.7 27.7 30.3 33.2 36.4 39.9 43.9 51.6 61.2 83.6

75.7 74.3 72.3 69.7 66.8 63.6 60.1 56.1 48.4 38.8 16.4

-

-

-

/8

3

/4

5

/8

33.0 27.6 19.2 10.5

1

/2

-

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 3 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A 4

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

Continuación de Tabla 3 No. DE VARI LLA

DIA. DEL ÉMBOLO plg

PESO DE LAS VAR. lbs-pie

CONSTANTE ELÁSTICA plg/lbs pie

FACTOR DE FRECUENCI A

dp

mr

X 10 - 6 , E r

Fc

SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO

1 1/8

1

7

/8

88

Todos

2.904

0.497

1.000

-

100.0

-

96 96 96 96 96 96

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25

2.382 2.435 2.511 2.607 2.703 2.806

0.670 0.655 0.633 0.606 0.578 0.549

1.222 1.224 1.223 1.213 1.196 1.172

19.1 20.5 22.4 24.8 27.1 29.6

19.2 20.5 22.5 25.1 27.9 30.7

19.5 20.7 22.8 25.1 27.4 29.8

97 97 97 97 97 97 97 97 97

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.25

2.645 2.670 2.707 2.751 2.801 2.856 2.921 2.989 3.132

0.568 0.563 0.556 0.548 0.538 0.528 0.515 0.503 0.475

1.120 1.124 1.131 1.137 1.141 1.143 1.141 1.135 1.111

19.4 20.8 22.5 24.5 26.8 29.4 32.5 36.1 42.9

20.0 21.2 23.0 25.0 27.4 30.2 33.1 35.3 41.9

60.3 58.0 54.5 50.4 25.7 40.4 34.4 28.6 15.2

98 98 98 98 98 98 98 98 98 98 98

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.25 3.75 4.75

3.068 3.076 3.089 3.103 3.118 3.137 3.157 3.180 3.231 3.289 3.412

0.475 0.474 0.472 0.470 0.468 0.465 0.463 0.460 0.453 0.445 0.428

1.043 1.045 1.048 1.051 1.055 1.058 1.062 1.066 1.071 1.074 1.064

21.2 22.2 23.8 25.7 27.7 30.1 32.7 35.6 42.2 49.7 65.7

78.8 77.8 76.2 74.3 72.3 69.9 67.3 64.4 57.8 50.3 34.3

99

Todos

3.676

9.393

1.000

100.0

107 107 107

1.06 1.25 1.50

2.977 3.019 3.085

0.524 0.517 0.506

1.184 1.890 1.195

16.9 17.9 19.4

3

/4 -

5

/8

1

/2

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

16.8 17.8 19.2

17.1 18.0 19.5

-

-

42.3 38.3 32.3 25.1 17.6 9.8

49.1 46.3 41.9

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A 5

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ANEXOS

Continuación de Tabla 3 No. DE VARI LLA

DIA. DEL ÉMBOLO plg

PESO DE LAS VAR. lbs-pie

CONSTANTE ELÁSTICA plg/lbs pie

FACTOR DE FRECUENCI A

dp

mr

X 10 - 6 , E r

Fc

107 107 107 107 107 108 108 108 108 108 108 108 108 108 108

1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.25 3.75

3.158 3.238 3.336 3.435 3.537 3.325 3.345 3.376 3.411 3.452 3.498 3.548 3.603 3.731 3.873

0.494 0.480 0.464 0.447 0.430 0.447 0.445 0.441 0.437 0.432 0.427 0.421 0.415 0.400 0.383

1.197 1.195 1.187 1.174 1.156 1.097 1.101 1.106 1.111 1.117 1.121 1.124 1.126 1.123 1.108

109 109 109 109 109 109 109 109 109 109 109

1.06 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.25 3.75 4.75

3.839 3.845 3.855 3.867 3.880 3.896 3.911 3.930 3.971 4.020 4.120

0.378 0.378 0.377 0.376 0.375 0.374 0.372 0.371 0.367 0.363 0.354

1.035 1.036 1.038 1.040 1.043 1.046 1.048 1.051 1.057 1.063 1.066

SARTA DE VARILLAS, % DE CADA DIÁMETRO

1 1/8

1

7

21.0 22.7 25.0 26.9 29.1 17.3 18.1 19.4 20.9 22.6 24.5 26.5 28.7 34.6 40.6

21.0 22.8 25.0 27.7 30.2 17.8 18.6 19.9 21.4 23.0 25.0 27.2 29.6 33.9 39.5

21.2 23.1 25.0 27.1 29.3 64.9 63.2 60.7 57.7 54.3 50.5 46.3 41.6 31.6 19.9

36.9 31.4 25.0 18.2 11.3 -

-

-

18.9 19.6 20.7 22.1 23.7 25.4 27.2 29.4 34.2 39.9 51.5

81.1 80.4 79.3 77.9 76.3 74.6 72.8 70.6 65.8 60.1 48.5

-

-

-

-

/8

3

/4

5

/8

1

/2

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A 6

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ANEXOS

DATOS PARA DISEÑAR UN APAREJO DE VARILLAS TELESCOPIADAS. DIÁMETRO DE LA SARTA plg 5 3 / 8 – /4

VALORES DE R R1 R2

= =

0.759 0.241

+

0.0896 0.0896

Ap Ap

¾ - 7/8

R1 R2

= =

0.786 0.214

+

0.0566 0.0566

Ap Ap

7

/8 - 1

R1 R2

= =

0.814 0.186

+

0.375 0.375

Ap Ap

5

/8 – ¾ - 7/8

R1 R2 R3

= = =

0.627 0.199 0.175

+ +

0.1393 0.0737 0.0655

Ap Ap Ap

¾ - 7/8 - 1

R1 R2 R3

= = =

0.664 0.181 0.155

+ +

0.0894 0.0478 0.0416

Ap Ap Ap

¾ - 7/8 – 1 – 1 1/8

R1 R2 R3 R4

= = = =

0.582 0.158 0.137 0.123

+ + +

0.1110 0.0421 0.0364 0.0325

Ap Ap Ap Ap

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A 7

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ANEXOS

DATOS DE LA VARILLA DE SUCCIÓN. DIÁMETRO ÁREA plg plg 2 ½ 0.196 5 /8 0.307 ¾ 0.442 7 /8 0.601 1 0.785 1 1 /8 0.994

PESO lbs/pie 0.72 1.16 1.63 2.16 2.88 3.64

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FACTOR DE ACELERACIÓN spm 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

48 1.025 1.033 1.044 1.055 1.068 1.082 1.098 1.115 1.134 1.154 1.174 1.197 1.221 1.246 1.272 1.300 1.330 1.360 1.392

54 1.028 1.038 1.049 1.062 1.077 1.093 1.110 1.129 1.151 1.173 1.196 1.221 1.248 1.277 1.306 1.338 1.371 1.405 1.441

Longitud de carrera de la 64 74 86 100 1.033 1.038 1.044 1.051 1.044 1.051 1.060 1.070 1.058 1.067 1.078 1.091 1.074 1.085 1.099 1.115 1.091 1.105 1.122 1.142 1.110 1.127 1.148 1.172 1.131 1.151 1.176 1.204 1.153 1.177 1.206 1.240 1.179 1.207 1.239 1.278 1.205 1.237 1.275 1.319 1.233 1.269 1.312 1.363 1.262 1.303 1.353 1.410 1.294 1.340 1.395 1.460 1.328 1.379 1.440 1.512 1.363 1.420 1.488 1.567 1.400 1.463 1.538 1.625 1.440 1.508 1.590 1.480 1.555 1.645 1.523 1.605 1.703

varilla pulida (plg) 120 144 168 1.061 1.074 1.086 1.083 1.100 1.117 1.109 1.131 1.153 1.138 1.165 1.193 1.170 1.204 1.238 1.206 1.247 1.288 1.245 1.294 1.343 1.288 1.345 1.403 1.335 1.402 1.469 1.385 1.462 1.436 1.523 1.492 1.552

192 1.098 1.133 1.174 1.21 1.272 1.329 1.392 1.460 1.533

216 1.110 1.150 1.196 1.248 1.306 1.371 1.441

240 1.128 1.167 1.218 1.276 1.340 1.412

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A 8

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DIA. EXTERIOR plg 1.900 2 3/8 2 7/8 3½ 4 4 1/2

ANEXOS

DATOS DE LA TUBERÍA DIA. PESO ÁREA INTERIOR lbs/pie At plg plg 2 1.610 1.995 2.441 2.992 3.476 3.958

2.90 4.70 6.50 9.30 11.00 12.75

0.800 1.304 1.812 2.590 3.077 3.601

CONSTANTE ELÁSTICA Plg/lbs pie X 10 -6 , E t 0.500 0.307 0.221 0.154 0.130 0.111

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FACTORES APROXIMADOS DE TORQUE MÁXIMO UNIDAD CONVENCIONAL CARRERA DE LA VARILLA plg 16 24 30 36 42 48 54 64 74 86 100 120 144 168

FACTOR DE TORQUE (TF máx.) 8.5 13.0 16.0 19.0 22.0 26.0 29.0 34.0 39.0 45.0 52.0 63.0 75.0 87.0 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 8 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A 9

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

FACTORES APROXIMADOS DE TORQUE MÁXIMO UNIDAD MARK II CARRERA DE LA VARILLA TF1 TF2 plg 64 29 37 74 34 43 86 39 51 100 47 57 120 55 71 144 66 88 168 79 102 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 9 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 40 CON 34 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 1000-1100 2¾ 3 /8 24 – 19 7 1100-1250 2½ 3 /8 24 – 19 1250-1650 2¼ 2½ ¾ 24 – 19 1650-1900 2 2½ ¾ 24 – 19 1900-2150 2150-3000 3000-3700 3700-4000

1¾ 1½ 1¼ 1

2½ 2 2 2

¾ /8 – ¾ 5 /8 – ¾ 5 / 8 – 3 /4 5

24 – 19 24 – 19 22 – 18 21 - 18

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 10 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A10

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ANEXOS

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 57 CON 42 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 1150-1300 2¾ 3 /8 24 – 19 7 1300-1450 2½ 3 /8 24 – 19 1450-1850 2¼ 2½ ¾ 24 – 19 1850-2200 2 2½ ¾ 24 – 19 2200-2500 2500-3400 3400-4200 4200-5000

1¾ 1½ 1¼ 1

2½ 2 2 2

¾ /8 – ¾ 5 /8 – ¾ 5 / 8 – 3 /4 5

24 – 19 23 – 18 22 – 17 21 - 17

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 11 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 80 CON 48 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 1400-1550 2¾ 3 /8 24 – 19 7 1550-1700 2½ 3 /8 24 – 19 1700-2200 2¼ 2½ ¾ 24 – 19 2200-2600 2 2½ ¾ 24 – 19 2600-3000 3000-4100 4100-5000 5000-6000

1¾ 1½ 1¼ 1

2½ 2 2 2

¾ /8 – ¾ 5 /8 – ¾ 5 / 8 – 3 /4 5

23 – 18 23 – 18 21 – 17 19 - 17

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 12 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A11

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 114 CON 54 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 1700-1900 2¾ 3 /8 24 – 19 7 1900-2100 2½ 3 /8 24 – 19 2100-2700 2¼ 2½ ¾ 24 – 19 2700-3300 2 2½ ¾ 23 – 18 3300-3900 3900-5100 5100-6300 6300-7000

1¾ 1½ 1¼ 1

2½ 2 2 2

¾ /8 – ¾ 5 /8 – ¾ 5 / 8 – 3 /4 5

22 – 17 21 – 17 19 – 16 17 - 16

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 13 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 160 CON 64 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 2000-2200 2¾ 3 /8 24 – 19 7 2200-2400 2½ 3 /8 23 – 19 7 2400-3000 2¼ 2½ ¾ - /8 23 – 19 3000-3600 2 2½ ¾ - 7/8 23 – 18 3600-4200 4200-5400 5400-6700 6700-7750

1¾ 1½ 1¼ 1

2½ 2 2 2

¾ - 7/8 5 /8 – ¾ - 7/8 5 /8 – ¾ - 7/8 5 /8 – ¾ - 7/8

22 – 17 21 – 17 19 – 15 17 - 15

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 14 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A12

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 228 CON 74 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 2400-2600 2¾ 3 /8 24 – 20 7 2600-3000 2½ 3 /8 23 – 18 7 3000-3700 2¼ 2½ ¾ - /8 22 – 17 7 3700-4500 2 2½ ¾ - /8 21 – 16 4500-5200 5200-6800 6800-8000 8000-8500

1¾ 1½ 1¼ 1

2½ 2 2 2

¾ 5 /8 – 5 /8 – 5 /8 –

- 7/8 ¾ - 7/8 ¾ - 7/8 ¾ - 7/8

19 – 15 18 – 14 16 – 13 14 - 13

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 15 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 320 CON 84 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 2800-3200 2¾ 3 /8 23 – 18 7 3200-3600 2½ 3 /8 21 – 17 3600-4100 2¼ 2½ ¾ - 7/8 – 1 21 – 17 7 4100-4800 2 2½ ¾ - /8 - 1 20 – 16 4800-5600 5600-6700 6700-8000 8000-9500

1¾ 1½ 1¼ 1 1 / 16

2 2 2 2

½ ½ ½ ½

¾ ¾ ¾ ¾

-

7

/8 – 1 /8 – 1 7 /8 – 1 7 /8 – 1 7

19 – 16 18 – 15 17 – 13 14 - 11

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 16 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A13

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

DATOS PARA DISEÑO DE UNIDADES API TAMAÑO 640 CON 144 plg DE CARRERA PROF. DIA. DEL DIA. DE DIA. DE VELOCIDAD BOMBA ÉMBOLO LA TUB. LAS VAR. DE BOMBEO pie plg plg plg spm 7 3200-3500 2¾ 3 /8 – 1 18 – 14 7 3500-4000 2½ 3 /8 - 1 17 – 13 7 4000-4700 2¼ 2½ ¾ - /8 – 1 16 – 13 7 4700-5700 2 2½ ¾ - /8 - 1 15 – 12 5700-6600 6600-8000 8000-9600 9600-11000

1¾ 1½ 1¼ 1 1 / 16

2 2 2 2

½ ½ ½ ½

¾ ¾ ¾ ¾

-

7

14 – 12 14 – 11 13 – 10 12 - 10

/8 – 1 /8 – 1 7 /8 – 1 7 /8 – 1 7

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 17 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

FACTORES DE SERVICIO Servicio No corrosivo Agua salada Ácido sulfhídrico

API C 1.00 0.65 0.50

API D 1.00 0.90 0.70 UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 18 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A14

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

MOTORES ELÉCTRICOS ECONO-PAC II TAMAÑO 1 2 3 4 5

TIPO 5-A 11-A 25-A 35-A 45-A

CAPACIDAD 10 HP 21 HP 50 HP 70 HP 86 HP

MODELO (U.B.M.) 114 160 456 456-640 640

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 19 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A15

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

B) GRÁFICAS PARA DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBEO MECÁNICO

Sp S

Sp , Factorde la carreradel Émbolo S ´ UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 1 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A16

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 2 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A17

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

F1 S Kr

F1 , Carga Pico en la Varilla Pulida S Kr UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 3 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A18

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

F2 S Kr

F2 , Carga Mínima en la Varilla Pulida S Kr

´

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 4 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A19

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ANEXOS

2T S2 Kr

2T , Torsión Máxima S2 Kr UNIVERSIDAD VERACRUZANA

´ DE INGRIA. ´ FACULTAD MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 5 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A20

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

F3 S Kr

F3 , Potenciaen la Varilla Pulida S Kr UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 6 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A21

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

ANEXOS

Ta Ajuste de Torsión Máxima Para Valores de Wrf/S Kr Diferentes de 0.3

Fo S Kr

N Wrf

No'

0.3

Modo de empleo: Multiplicar % Indicado en la curva por Por ejemplo:

Wrf

SKr 0.1

0.600

S Kr N

Fo 0.200 ,

No'

0.300 S Kr

Ajuste= 3 % por cada 0.1 de Incremento en Ajuste Total= 3 x 3 %= 9% Nota: Si

Wrf

Wrf

arriba de 0.3

S Kr

es menor que 0.3 el ajuste se vuelve negativo

S Kr

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 7 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A22

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ANEXOS

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO FIGURA N° 8 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A23

APÉNDICE

EXPLICACIÓN DE LAS DESIGNACIONES DE UNIDADES DE BOMBEO

Tipo de Unidad de Bombeo C-228D-246-66

Longitud de Carrera máxima en Pulgadas

A – Balanceada por Aire

C – Convencional

Clasificación de Carga de Varilla Pulida en Cientos de Libras

M – Mark II Unitorque

Clasificación de Torque Pico en Miles de Libras-Pulgadas

D – Reductor de Engranaje de doble Reducción

A25

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

APÉNDICE

ESPECIFICACIONES DE UNIDADES DE BOMBEO CONVENCIONALES

UNIDAD

C-1824D-365-192 C-912D-305-168 C-912D-365-168 C-1280D-365-192 C-912D-305-192 C-640D-305-168 C-912D-427-144 C-640D-365-168 C-912D-365-192 C-456D-305-168

CAPACIDAD DEL 36,500 30,500 VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE 192,168,145,124 192,168,145,124 CARRERA; plg BALANCÍN 33” X 221 lbs 33” x 201 lbs COLGADOR DE CABLE 1 ¼” X 16” 3 1 /8” X 16” CTRS DE ALAMBRE CTRS MANIVELAS 106110C 106110C COJINETE DEL MUÑÓN 1 SC 1 SC COJINETE IGUALADOR OR OR COJINETE CENTRAL OTGA OTGA

C-912D-365-144 C-640D-365-144

36,500

30,500

42,700

36,500

168,145,124

168,145,124

144,124,106

144,124,106

33” X 221 lbs 1 3/8” X 16” CTRS 94110C 1 SC OR OTGA

33” x 201 lbs 1 ¼” X 16” CTRS 94110C 1 SC OR OTGA

33” X 221 lbs 1 3/8” X 16” CTRS 94110C 1 SC OR OTGA

33” x 201 lbs 1 /8” X 16” CTRS 3

94110C 1 SC OR OTGA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 1 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A26 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; plg BALANCÍN COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE IGUALADOR COJINETE CENTRAL

APÉNDICE

C-640D-305-144 C-640D-256-144 C-640D-365-120 C-640D-305-120 C-456D-305-144 C-456D-256-144 C-456D-365-120 C-456D-365-120 C-320D-256-144 30,500 25,600 36,500 30,500

C-456D-256-120 C-320D-256-120 25,600

C-456D-213-120 C-320D-213-120 C-228D-213-120 21,300

144,124,106

144,124,106

120,105,90

120,102,85

120,102,85

120,102,85

30” X 173 lbs 1 ¼” x 16” CTRS 94110C 1 SC

30” X 173 lbs 1 ¼” x 16” CTRS 94110C 1 SC

30” X 173 lbs 1 3/8” x 12” CTRS 94110C 2 SC

27” x 173 lbs 1 ¼” x 12” CTRS 8495C 2 SC

27” x 173 lbs 1 1/8” x 12” CTRS

27” x 173 lbs 1 1/8” x 12” CTRS

8495C 1 SC

8495C 2 SC

OR

OR

OR

OR

OR

OR

1TGA

1TGA

0TGA

1TGA

2TGA

2TGA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 1 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A27 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; plg BALANCÍN COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE IGUALADOR COJINETE CENTRAL

APÉNDICE

C-320D-305-100

C-456D-256-100 C-320D-256-100

C-228D-213-100

C-228D-173-100 C-160D-173-100

C-320D-246-86 C-228D-246-86

30,500

25,600

21,300

17,300

24,600

100,85,70

100,85,70

100,86,73

100,86,73

86,74,61

27” X 146 lbs

27” X 146 lbs

24” x 117 lbs

24” x 104 lbs

24” x 117 lbs

1 ¼” x 12” CTRS

1 1/8” x 12” CTRS

1 1/8” x 12” CTRS

1 1/8” x 12” CTRS

1 1/8” x 12” CTRS

8495C

8495C

7478C

7478C

8495C

2 SC

2 SC

3 SD

3 SD

1R

1R

1R

2RA

2RA

2TGB

2TGB

2TGB

2TGB

2TGB

2 SC

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 1 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A28 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; plg BALANCÍN COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE IGUALADOR COJINETE CENTRAL

APÉNDICE

C-320D-213-86 C-228D-213-86

C-160D-173-86

C-114D-119-86

C-320D-246-74

C-228D-200-74 C-160D-200-74

21,300

17,300

11,900

24,600

20,000

86,74,62

86,74,62

86,72,59

74,64,54

74,64,54

24” x 104 lbs

24” x 104 lbs

24” x 84 lbs

24” x 104 lbs

24” x 94 lbs

1 1/8” x 12” CTRS

1 1/8” x 12” CTRS

1 1/8” x 12” CTRS

1 1/8” x 9” CTRS

1” x 9” CTRS

7478C

7478C

6468C

7478C

7478C

3 SD

3 SD

4 SD

3 SD

3 SD

2RA

2RA

3R

2RA

2RA

2TGB

2TGB

4TGA

2TGB

2TGB

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 1 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A29 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

APÉNDICE

CONRABALANCEO DE UNIDADES CONVENCIONALES

UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; plg BALANCÍN COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE IGUALADOR COJINETE CENTRAL

C-228D-173-74 C-160D-173-74

C-160D-143-74 C-114D-143-74

C-160D-173-64 C-114D-173-64

C-160D-143-64 C-114D-143-64

17,300

14,300

17,300

14,300

11,900

74,62,51

74,62,51

64,54,44

64,52,40

64,53,42

24” x 84 lbs

24” x 84 lbs

24” x 84 lbs

18” x 71 lbs

18” x 60 lbs

1” x 9” CTRS

1” x 9” CTRS

1” x 9” CTRS

1” x 9” CTRS

1” x 9” CTRS

6468C

6468C

6468C

5456C

4058C

3 SD

4 SD

4 SD

4 SD

5 SA

2RA

3R

3R

3R

4R

2TGB

4TGA

4TGA

4TGA

4TGA

C-80D-119-64

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 2 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A30 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; plg BALANCÍN COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE IGUALADOR COJINETE CENTRAL

APÉNDICE

C-114D-173-54

C-114D-133-54 C-80D-133-54

C-80D-119-54

C-57D-76-54

C-80D-133-48

17,300

13,300

11,900

7,600

13,300

54,44,34

54,45,36

54,45,36

54,41,28

48,40,32

18” x 71 lbs

18” x 60 lbs

18” x 60 lbs

16” x 36 lbs

16” x 57 lbs

/8” X 9”CTRS

¾” X 9” CTRS

¾” X 9” CTRS

1” x 9” CTRS

7

/8” X 9”CTRS

7

5456C

4850C

4850C

4246C

4850C

4 SD

5 SA

5 SA

5 SA

5 SA

3R

4R

4R

5R

4R

4TGA

4TGA

4TGA

5C

4TGA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 2 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A31 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; plg BALANCÍN COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE IGUALADOR COJINETE CENTRAL

APÉNDICE

C-80D-109-48 C-57D-109-48

C-57D-95-48

C-40D-76-48

C-57D-89-42 C-40D-89-42

C-57D-76-42 C-40D-76-42

10,900

9,500

7,600

8,900

7,600

48,37,25

48,37,25

48,37,27

42,33,23

42,33,23

16” X 45 lbs

16” X 45 lbs

16” X 36 lbs

16” X 36 lbs

16” X 36 lbs

/8” X 9”CTRS

¾” x 6 ½” CTRS

¾” x 6 ½” CTRS

7

/8” X 9”CTRS

7

/8” X 9”CTRS

7

4246B

4246B

3644B

3644B

3644B

5 SA

5 SA

6

6

6

5R

5R

7R

7R

7F

5C

5C

6CA

6CA

6CA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 2 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A32 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

APÉNDICE

CONTRABALANCEO DE UNIDADES CONVENCIONALES

UNIDAD

CARRERA; PLG DESEQUIL. ESTRUCTURAL MANIVELAS CONTRABAL. MANIVELAS 4 CONTRAPESOS No. 00R0L 4 PESOS AUXIL. No. 00SL 8 PESOS AUXIL. No. 00SL 4 CONTRAPESOS No. 00R0 4 PESOS AUXIL. No. 00S 8 PESOS AUXIL. No. 00S 4 CONTRAPESOS No. 0R0 4 PESOS AUXIL. No. 0S 8 PESOS AUXIL. No. 0S

C-912D-365-168 C-1280D-365-192 C-912D-305-168 C-912D-427-144 C-640D-256-144 C-640D-305-144 C-640D-365-120 C-640D-305-120 C-1324D-365-192 C-912D-365-192 C-640D-365-168 C-912D-365-144 C-456D-256-144 C-456D-305-144 C-456D-365-120 C-456D-305-120 C-912D-305-192 C-640D-305-168 A-640D-365-144 C-320D-256-144 C-456D-305-168 192 192 168 144 144 144 120 120 -1,985 LBS

-1,800 LBS

-1,500 LBS

-650 LBS

-520 LBS

-400 LBS

+570 LBS

-120 LBS

106110C

106110C

94110C

94110C

94110C

94110C

94110C

8495C

3,215

3,400

4,360

6,190

6,360

6,480

8,670

5.570

19,970

20,155

24,915

25,100

29,860

30,045

16,535

16,720

19,370

23,710

23,970

20,555

20,740

23,900

28,995

24,575

24,760

28,430

34,285

14,835

15,020

17,455

21,475

21,475

18,695

18,880

21,805

26,550

26,825

22,555

22,740

26,150

31,625

29,415 35,670

21,485

26,765

20.430

32,775

25.365

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 3 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A33 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

4 CONTRAPESOS No. 0AR0 4 PESOS AUXIL. No. 0AS 8 PESOS AUXIL. No. 0AS 4 CONTRAPESOS No. 1RO 4 PESOS AUXIL. No. 1S 8 PESOS AUXIL. No. 1S 4 CONTRAPESOS No. 2RO 4 PESOS AUXIL. No. 2S 8 PESOS AUXIL. No. 2S 4 CONTRAPESOS No. 3CRO 4 PESOS AUXIL. No. 3RS 8 PESOS AUXIL. No. 3RS 4 CONTRAPESOS No. 5ARO 4 PESOS AUXIL. No. 5A 8 PESOS AUXIL. No. 5A 8 PESOS AUXIL. No. 5C

APÉNDICE

13,045

13,230

15,440

19,125

19,360

19,480

23,980

18.305

16,090

16,275

18,870

23,130

23,385

23,505

28,725

22.250

19,135

19,320

22,300

27,130

27,410

33,465

26.190

10,865

11,050

12,980

16,250

16,470

16,590

20,580

15.505

13,215

13,400

15,630

19,345

19,580

19,700

24,240

18.555

15,565

15,750

18,280

22,435

22,690

22,810

27,905

21.610

9,580

9,765

11,535

14,565

14,775

14,895

18,585

13.845

11,860

12,045

14,105

17,565

17,790

17,910

22,135

16.810

14,140

14,325

16,675

20,565

20,810

20,930

25,690

19.770

8,340

8,525

10,135

12,935

13,135

13,255

16,650

12.285

10,550

10,735

12,625

15,840

16,055

16,175

20,095

15.175

12,760

12,945

15,115

18,745

18,980

18,100

25,535

18.070

8,505

11,025

11,200

11,340

14,395

10.475

10,165

12,965

13,165

13,285

16,690

12.445

11,825

14,905

15,115

15,235

18,985

14.410

10,465

13,315

13,520

13,640

17,105

12.755

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 3 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ A34 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD CARRERA; PLG DESEQUIL. ESTRUCTURAL MANIVELAS CONTRABAL. MANIVELAS 4 CONTRAPESOS No. 2R0 4 PESOS AUXIL. No. 2S 4 CONTRAPESOS No. 3CR0 4 PESOS AUXIL. No. 3RS 8 PESOS AUXIL. No. 3RS 4 CONTRAPESOS No. 5ARO 4 PESOS AUXIL. No. 5A 8 PESOS AUXIL. No. 5A 4 CONTRAPESOS No. 5CRO 4 PESOS AUXIL. No. 5C 8 PESOS AUXIL. No. 5C

C-320D-246-74 C-228D-200-74 C-160D-200-74 74

APÉNDICE

C-228D-173-74 C-160D-173-74

C-160D-143-74 C-114D-143-74

C-160D-173-64 C-114D-173-64

C-160D-143-64 C-114D-143-64

C-80D-119-64

C-114D-173-64

C-114D-133-54 C-80D-133-54

74

74

64

64

64

54

54

+ 800 LBS

+ 450 LBS

+ 300 LBS

+ 550 LBS

+ 360 LBS

0 LBS

+ 500 LBS

+ 330 LBS

7478C

6468C

6468C

6468C

5456C

4850C

5456C

4850B

5,960

4,235

4,090

4,880

2,665

2,155

3,190

2,845

14,110

11,005

10,870

12,630

8,605

10,115

17,625

13,925

13,790

15,965

11,165

13,105

21,140

16,840

13,725

16,090

12,025

9,360

9,220

10,745

7,290

6,120

8,585

7,470

14,460

11,410

11,275

13,090

9,145

7,74

10,475

9,360

16,890

13,465

13,330

15,440

10,995

12,910

11,250

10,445

8,040

7,900

9,235

6,120

5,135

7,220

6,320

12,660

9,915

9,780

11,380

7,830

6,610

9,210

8,040

14,880

11,795

11,660

13,530

9,535

11,205

9,760

15,870 19,425

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 3 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A35 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

APÉNDICE

ESPECIFICACIONES DE UNIDADES DE BOMBEO MARK II

UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; PLG BALANCÍN COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE CENTRAL COJINETE IGUALADOR COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS

M-1824D-427-216 M-1280D-427-216

M-912D-365-216 M-912D-305-216

M-1280D-427-192 M-912D-427-192

M-912D-305-192 M-912D-365-168 M-640D-305-192 M-640D-365-168 M-456D-305-192

42,700

36,500

30,500

42,700

30,500

36,500

216,192,167

216,191,167

216,192,167

192,168,144

192,167,144

168,149,130

24” x 131 LBS 1 SC P 19 C 232

24” x 131 LBS 1 SC P 19 C 232

24” x 131 LBS 1 SC P 19 C 232

24” x 131 LBS 1 SC P 19 C 232

24” x 131 LBS 1 SC P 19 C 232

24” x 104 LBS 1 SC P 18 C 22 C

1 3/8” X 16” Ctrs

1 3/8” X 16” Ctrs

1 3/8” X 16” Ctrs

1 3/8” X 16” Ctrs

1 3/8” X 16” Ctrs

1 3/8” X 12” Ctrs

216130 MRO

216130 MRO

216130 MRO

192130 MRO

192130 MRO

168108 MRO

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 4 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A36 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD

APÉNDICE

M-912D-305-168 M-912D-365-144 M-912D-305-144 M-640D-246-144 M-640D-305-168 M-640D-365-144 M-640D-305-144 M-456D-246-144 M-456D-305-168 M-456D-365-144 M-456D-305-144 M-320D-246-144

M-456D-365-120

M-640D-305-120 M-456D-305-120 M-320D-305-120

CAPACIDAD DEL 30,500 36,500 30,500 25,600 36,500 30,500 VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE 168,149,130 144,128,112 144,128,112 144,128,112 120,104,88 120,104,88 CARRERA; PLG BALANCÍN 24” X 84 LBS 24” X 84 LBS 24” X 84 LBS 21” X 68 LBS 24” X 84 LBS 24” X 84 LBS COJINETE DEL MUÑÓN 1 SC 1 SC 2 SC 2 SC 1 SC 2 SC COJINETE CENTRAL P 18 P 18 P 18 P 18 P 18 P 18 COJINETE IGUALADOR C 22 C C 232 C 22 C C 22 C C 232 C 22 C COLGADOR DE CABLE 1 1 /4” x 12” Ctrs 13/8” x 12” Ctrs 11/4” x 12” Ctrs 11/8” x 9” Ctrs 13/8” x 12” Ctrs 11/4” x 12” Ctrs DE ALAMBRE MANIVELAS 168108 MRO 144108 MRO 144108 MRO 144108 MRO 120108 MR 120108 MR

M-456D-256-120 M-320D-256-120 M-228D-256-120

25,600 120,104,88 21” X 68 LBS 2 SC P 18 C 22 C 11/8” x 9” Ctrs 120108 MR

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 4 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A37 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD

APÉNDICE

M-320D-213-120 M-320D-305-100 M-320D-256-100 M-228D-173-100 M-228D-213-120 M-228D-256-100

M-228D-246-86

M-228D-213-86 M-160D-213-86

CAPACIDAD DEL 21,300 36,500 25,600 17,300 24,600 21,300 VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE 120,104,88 100,84,68 100,84,68 100,84,68 86,72.4,58.6 86,72.4,58.6 CARRERA; PLG BALANCÍN 21” X 62 LBS 24” X 84 LBS 21” X 68 LBS 16” X 57 LBS 16” X 57 LBS 16” X 45 LBS COJINETE DEL MUÑÓN 2 SC 2 SC 2 SC 2 SC 2 SC 2 SC COJINETE CENTRAL P 18 P 18 P 18 P 16 P 16 P 16 COJINETE IGUALADOR C 22 C C 22 C C 22 C C 19 C 20 N C 20 N COLGADOR DE CABLE 1 1” x 9” Ctrs 1 /8” x 9” Ctrs 11/4” x 12” Ctrs 11/8” x 9” Ctrs 11/8” x 9” Ctrs 11/8” x 9” Ctrs DE ALAMBRE MANIVELAS 120108 MRO 100108 MR 100108 MR 100108 MR 8686 MR 8686 MR

M-160D-173-86

17,300 86,72.4,58.6 16” X 45 LBS 2 SC P 13 C 18 N 1” x 9” Ctrs 8686 MR

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 4 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A38 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

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UNIDAD CAPACIDAD DEL VÁSTAGO PULIDO; lbs LONGITUDES DE CARRERA; PLG BALANCÍN COJINETE DEL MUÑÓN COJINETE CENTRAL COJINETE IGUALADOR COLGADOR DE CABLE DE ALAMBRE MANIVELAS

APÉNDICE

M-114D-143-86

M-228D-200-74 M-160D-200-74

M-228D-173-74 M-160D-173-74 M-114D-173-74

M-114D-143-74

M-114D-173-64

M-114D-143-64

14,300

20,000

17,300

14,300

17,300

14,300

86,74,62

74,60.4,46.8

74,60.4,46.8

74,60,46

64,52,40

64,52,40

14” x 34 LBS 4 SD P 13 C 18 N

16” x 45 LBS 2 SC P 16 C 20 N

16” x 45 LBS 2 SC P 13 C 18 N

14” x 34 LBS 4 SD P 13 C 18 N

14” x 34 LBS 3 SD P 13 C 18 N

14” x 34 LBS 4 SD P 13 C 18 N

1” x 9” Ctrs

1” x 9” Ctrs

1” x 9” Ctrs

1” x 9” Ctrs

1” x 9” Ctrs

1” x 9” Ctrs

8662 MR

7486 MR

7486 MR

7462 MR

6462 MR

6462 MR

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 4 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A39 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

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APÉNDICE

CONTRABALANCEO DE UNIDADES MARK II UNIDAD EMBOLADA DESEQUIL. DE ESTRUCTUR A MANIVELAS Contrap. Manivelas Solas 4 contrapesos No. 130R0 4 contrapesos No. 130D 4 contrapesos No. 00R0 4 pesos Aux. No. 00S 8 Pesos Aux. No. 00S 4 contrapesos No. 0R0 4 pesos Aux. No. 0S 4 pesos Aux. No. 1S

M-1280D-427-216 M-912D-305-216 216”

M1280D-427-192 M-912D-305-168 M-912D-365-144 M-912D-305-192 M-912D-365-168 M-640D-305-168 M-640D-365-144 M-640D-305-192 M-456D-305-168 M-456D-365-144 M-456D-305-192 192” 168” 168” 144”

M-912D-305-144 M-640D-305-144 M-456D-305-144

M-640D-256-144 M-456D-256-144 M-320D-256-144

144”

144”

-7,450 Lbs.

-7,160 Lbs.

-5,385 Lbs.

-4,860 Lbs.

-4,680 Lbs.

- 4,300 Lbs.

- 4,010 Lbs.

216130 MRO

192130 MRO

168108 MRO

168108 MRO

144108 MRO

144108 MRO

144108 MRO

1,930

3,415

490

1,015

3,130

3,515

3,805

21,775

25,010

32,785

36,995

18,140

21,060

16,140

16,665

21,835

22,220

22,510

23,030

26,380

20,860

21,390

27,480

27,865

27,920

31,705

25,585

26,110

33,125

16,070

18,805

14,140

14,665

19,450

19,830

20,765

23,915

18,675

19,200

24,865

25,250

13,890

16,435

12,225

12,750

17,160

17,540

20,120

17,830

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 5 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A40 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

8 pesos Aux. No. 1S 4 contrapesos No. 2R0 4 pesos Aux. No. 2S 8 pesos Aux. No. 2S 4 contrapesos No. 3CR0 4 pesos Aux. No. 3BS 8 pesos Aux. No 3S 4 contrapesos No. 5AR0 4 pesos Aux. No. 5ª 8 pesos Aux: No. 5A 4 contrapesos No. 5CR0 4 pesos Aux. No. 5C 8 pesos Aux. No. 5C 4 contrapesos No. 6R0 4 pesos Aux. No. 6

APÉNDICE

16,705

19,500

14,985

15,510

20,460

20,840

21,130

9,525

11,680

7,960

8,485

12,055

12,440

12,730

12,245

14,645

10,635

11,160

15,255

15,640

15,930

14,970

17,605

13,310

13,835

18,455

18,840

19,125

8,000

10,025

6,505

7,030

10,320

10,705

10,990

10,620

12,875

9,100

9,620

13,420

13,800

14,090

13,240

15,725

11,695

12,210

16,520

16,895

17,190

6,285

8,106

4,850

5,375

8,345

8,725

9,015

8,040

10,070

6,110

7,135

10,450

10,830

11,120

9,795

11,980

7,370

8,895

12,555

12,935

13,225

5,120

6,890

3,695

4,220

6,960

7,345

7,635

6,700

8,610

5,280

5,805

8,855

9,240

9,525

8,280

10,325

6,860

47,385

10,745

11,125

11,415

4,390

6,106

2,970

3,495

6,095

6,480

6,770

5,320

7,110

3,905

4,430

7,215

7,600

7,890

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 5 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ A41 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

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APÉNDICE

CUADRO DE CLASIFICACIONES DE UNIDADES AEROBALANCEADAS

UNIDAD

Clase Longitud de de carga la carrera del pulgadas vástago

Diám. del pistón, Plg.

Tamaño del balancín

A-2560D-470-240

47,000

240-200

14 ½

36 x16 ½ @ 245 #

A-1824D-470-240 A-1824D-427-216 A-1824D-427-192 A-1280D-470-240 A-1280D-427-216 A-1280D-427-192 A-1280D-305-168 A-912D-470-240 A-912D-427-216 A-912D-427-192 A-912D-305-168 A-912D-427-144 A-640D-305-168 A-640D-427-144 A-640D-305-144 A-640D-365-120 A-456D-305-144

“ 42,700 “ 47,000 42,700 “ 30,500 47,000 42,700 “ 30,500 42,700 30,500 42,700 30,500 36,500 30,500

240-200 216-190-162 192-168-144 240-200 216-190-162 192-168-144 168-141-118 240-200 216-190-162 192-68-144 168-141-118 144-120-100 168-141-118 140-120-100 “ 120-100-86 144-120-100

“ “ “ “ “ “ 13 14 ½ “ “ 13 “ “ “ 12 “ “

“ 33 x15 ¾ @201# “ 36 x16 ½ @ 245 # 33 x15 ¾ @201# “ 27 x 14 @ 161# 36 x16 ½ @ 245 # 33 x15 ¾ @201# “ 27 x 14 @ 146# 27 x 14 @ 161# 27 x 14 @ 146# 27 x 14 @ 161# 27 x 14 @ 146# “ “

Cable de alambre, diámetro y centros 1 3/8” x 16” “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ 1 ¼” x 12” “ “

Cojinetes Tamaños de poleas flotantes, pg

Muñón

68” (16D)

OT

E32

P19

334

40,46,51,55,68 (11D) “ “ 40,46,51,55,68 (10D) “ “ “ 28,34,40,46,51 (8D) “ “ 28,34,40,46,51 (7D) “ 28,34,40,46,51 (6D) “ “ “ 28,34,40,46,51 (6D o 8C)

“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “

E26 “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “

“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ P18 “ “

“ “ “ “ “ “ 232 334 “ “ 232 “ “ “ 326 “ “

Igual Poste Tanque ador maestro de aire

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 6 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ A42 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

A-456D-365-120 A-456D-256-120 A-320D-256-120 A-320D-305-100 A-228D-173-100 A-228D-246-86 A-160D-200-74 A-114D-173-64

36,500 25,600 “ 30,500 17,300 24,600 20,000 17,300

APÉNDICE

120-100-86 120-104-90 “ 100-86-74 “ 76-74-64 74-64-54 64-54

“ 11 “ “ 10 “ “ “

“ 24 x 12 ¾ @ 104# “ “ 21 x 12 @ 101# “ 18 x 11 @ 76# 16 x 8 ½ @ 67#

“ “ “ “ 1 1 / 8 ” x 12” “ “ 1” x 9”

“ “ 25,30,36,41¼ (6C o 5D) “ 24½ , 30,36,41½(5Co4D) “ 24¼,29¼,33¼,38 (4Co3D) 19¼,24,33 ¼ (3C)

“ “ 2T “ “ “ 3TA “

“ “ E22 “ “ “ E19 E18

“ “ “ “ P17 “ P16 “

“ 324 “ “ 322 “ “ 318

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 6 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

A43 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIDAD A-2560D-470-220 A-1824D-470-240 A-1280D-470-240 A-912D-470-240 A-1824D-427-216 A-1280D-427-216 A-912D-427-216 A-1824D-427-192 A-1280D-427-192 A-912D-427-192 A-1280D-305-168 A-912D-305-168 A-640D-305-168 A-912D-427-144 A-640D-427-144 A-640D-305-144 A-456D-305-144 A-640D-365-120 A-456D-365-120 A-456D-256-120 A-320D-256-120

APÉNDICE

175

200

225

*Presión promedio, lbs/plg 2 mang. 250 275 300 325 350

2,870

5,740

8,610

11,480 14,350 17,220 20,090 22,960

25,830

28,700

29,850

920

3,220

5,520

7,820

10,120 12,420 14,720 17,020 19,320

21,620

23,920

24,830

3,905

6,475

9,045 11,615 14,185 16,755 19,325 21,895 24,465

27,035

29,605

30,635

2,810

4,700

6,585

10,365 12,250 14,140 16,030 17,915

19,805

21,695

22,450

5,240

7,420

9,605 11,785 13,970 16,150 18,335 20,515 22,700

24,880

27,065

27,935

3,520

5,125

6,725

11,540 13,145 14,475 16,530

17,955

19,560

20,200

4,725

6,630

8,535 10,440 12,345 14,250 16,155 18,060 19,965

21,870

23,775

24535

4,035

5,415

6,795

16,465

17,845

18,400

150

8,475

8,330

8,175

9,935

9,560

10,940 12,320 13,700 15,085

375

400

410

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 7 JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ A44 * CORTESÍA DE INDUSTRIAS LUFKIN

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A-320D-305-100 A-228D-173-100 A-228D-246-86 A-160D-200-74 A-114D-173-64

4,855 2,925 4,045 4,410 2,760

APÉNDICE

6,495 4,060 5,355 5,680 3,550

8,135 5,195 6,670 6,945 4,345

9,775 6,335 7,890 8,215 5,135

11,415 13,055 14,695 16,335 17,975 7,470 8,610 9,745 10,885 12,02 9,295 10,605 11,920 13,230 14,545 9,480 10,750 12,015 13,285 14,550 5,930 6,720 7,515 8,305 9,100

19,615 13,610 15,855 15,820 9,890

21,255 14,295 17,710 17,085 10,685

21,910 14,750 17,695 17,595 11,000

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGRIA. MEC. ELÉCTRICA TRABAJO PRÁCTICO-TÉCNICO TABLA N° 7 CONTINUACIÓN JUAN ADOLFO RAGA MARTÍNEZ

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BIBLIOGRAF´ÍA

BIBLIOGRAFÍA

PRODUCCIÓN DE POZOS II Autor: Díaz Zertuche Héctor Facultad de Ingeniería UNAM México 1986 LUFKIN INDUSTRIES INC. Unidades de Bombeo Mecánico Catálogo Lufkin Texas 1991 OPERACIÓN DE BOMBEO MECÁNICO, Sistemas Artificiales Autor: Díaz Zertuche Héctor Facultad de Ingeniería UNAM México 1988 OPERACIÓN DE BOMBEO MECÁNICO Hernández Cortés Mario Arturo Proyecto Elaboración de Manuales México 2000 Tomo I y II MANUAL DE BOMBEO MECÁNICO, Unidad Hidroneumática OilPatch Enterprises International S.A. de C.V. 1996 MECÁNICA DE FLUIDOS APLICADA Autor: Robert L. Mott Editorial: Pearson 4ª Edición API RECOMMENDED PRACTICE FOR DESING CALCULATIONS FOR SUCKER ROD SYSTEMS (CONVENTIONAL UNITS), METOD API RP 11L American Petroleum Institute Third Edition Texas 1977 CATÁLOGO GENERAL TRICO, INC. Texas