AUTOR La Comunidad Petrolera
Es uno de los
métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal
característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir
movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y
mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del
bombeo mecánico esta compuesto básicamente por las siguientes partes:
unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas, bomba de subsuelo,
anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo).
Un equipo de bombeo
mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un
movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba
sumergible en una perforación. Las bombas sumergibles bombean el
petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático.
Un motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su
acción, suben y bajan un extremo de una eje de metal. El otro extremo
del eje, que a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de
metal que se mueve hacia arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener
una longitud de cientos de metros, está unida a una bomba de
profundidad en un pozo de petróleo. El balancín de producción, que en
apariencia y principio básico de funcionamiento se asemeja al balancín
de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a la
sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada
en la sarta de producción o de educción, a cierta profundidad del fondo
del pozo.
La válvula fija
permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera
descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la
válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de
educción. En la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para
mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la
válvula fija permite que entre petróleo a la bomba. La repetición
continua del movimiento ascendente y descendente (emboladas) mantiene el
flujo hacia la superficie. Como en el bombeo mecánico hay que balancear
el ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede
ubicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la manivela. Otra
modalidad es el balanceo neumático, cuya construcción y funcionamiento
de la recámara se asemeja a un amortiguador neumático; generalmente va
ubicado en la parte delantera del balancín. Este tipo de balanceo se
utiliza para bombeo profundo.
Equipo de Subsuelo
El equipo de
subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de
bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de producción y
bomba de subsuelo.
Tubería de Producción.
La
tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se esta
bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la
resistencia, generalmente la tubería de producción es menos crítica
debido a que las presiones del pozo se han reducido considerablemente
para el momento en que el pozo es condicionado para bombear.
- Cabillas o Varillas de Succión.
- a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también pueden manufacturarse de 30 pies.
- b) Se dispone de longitudes de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general “niples de cabilla” que se utilizan para complementar una longitud determinada y para mover la localización de los cuellos de cabillas, a fin de distribuir el desgaste de la tubería de producción.
- c) Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas.
De acuerdo a las especificaciones de la API, las cabillas de acero sólido es del tipo de cabillas más utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados para acomodar las roscas, un diseño que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha. Todos los efectos negativos inciden en la vida útil de las uniones de las cabillas de succión, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la cabilla, lo cual es ocasionado por un incorrecto enrosque de la misma. Entre las principales fallas podemos encontrar: tensión, fatiga y pandeo. En la producción de crudos pesados por bombeo mecánico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este tipo de problema (pandeo), la corta duración de los cuellos y la tubería debido al movimiento reciproco-vertical o reciprocante (exclusivo en el bombeo mecánico) del cuello en contacto con la tubería causando un desgaste o ruptura de ambas. Para el pandeo (Buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por cabilla según sea la severidad. Hay cabillas que tienen centralizadores permanentes.
Entre los tipos
de cabillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y
fibra de vidrio. Las cabillas continuas (Corod) fueron diseñadas sin
uniones para eliminar totalmente las fallas en el PIN (macho) y la
hembra para incrementar la vida de la sarta. La forma elíptica permite
que una gran sarta de cabillas sea enrollada sobre rieles especiales de
transporte sin dañarlas de manera permanente. Otra ventaja de este tipo
de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API.
Ventajas
a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión.
b) La falta de
uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un
solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de
producción.
c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de cabillas.
Desventajas
a) Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales.
b) En pozos
completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de
la misma requiere de la entrada de una cabria convencional.
- Anclas de Tubería.
- Bomba de Subsuelo.
- Pistón.
Funciones de la Válvula
- a) Secuencia de operación de la válvula viajera: permite la entrada de flujo hacia el pistón en su descenso y posteriormente hacer un sello hermético en la carrera ascendente permitiendo la salida del crudo hacia superficie.
- b) Secuencia de operación de la válvula fija: permite el flujo de petróleo hacia la bomba, al iniciar el pistón su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del sistema bomba-tubería, cuando se inicia la carrera descendente del pistón.
Equipos de Superficie
La unidad de
superficie de un equipo de bombeo mecánico tiene por objeto transmitir
la energía desde la superficie hasta la profundidad de asentamiento de
la bomba de subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el
fondo hasta la superficie. Estas unidades pueden ser de tipo balancín o
hidráulicas. Los equipos que forman los equipos de superficie se
explican a continuación:
- Unidad de Bombeo (Balancín).
- a) La variación de la velocidad del balancín con respecto a las revoluciones por minuto de la máquina motriz.
- b) La variación de la longitud de carrera.
- c) La variación del contrapeso que actúa frente a las cargas de cabillas y fluidos del pozo.
Para la selección de un balancín, se debe tener los siguientes criterios de acuerdo a la productividad y profundidad que puede tener un pozo:
Productividad
- a) Los equipos deben ser capaces de manejar la producción disponible.
- b) Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y equipos de bombeo de pozo.
- c) Factibilidad de disponer de las condiciones de bombeo en superficie adecuada.
Profundidad
- a) La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensión, de elongación y del peso.
- b) Afecta las cargas originadas por los equipos de producción del pozo.
- c) Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos recorridos.
La disponibilidad de los balancines va a depender fundamentalmente sobre el diseño de los mismos. Los balancines sub-diseñados, limitan las condiciones del equipo de producción y en consecuencia la tasa de producción del pozo. Los balancines sobre-diseñados, poseen capacidad, carga, torque y carrera están muy por encima de lo requerido y pueden resultar muchas veces antieconómicos.
Clasificación de los Balancines
- Balancines convencionales. Estos poseen un reductor de velocidad (engranaje) localizado en su parte posterior y un punto de apoyo situado en la mitad de la viga.
- Balancines de geometría avanzada. Estos poseen un reductor de velocidad en su parte delantera y un punto de apoyo localizado en la parte posterior del balancín. Esta clase de unidades se clasifican en balancines mecánicamente balanceados mediante contrapesos y por balancines balanceados por aire comprimido. Los balancines de aire comprimido son 35% más pequeñas y 40% mas livianas que las que usan manivelas. Se utilizan frecuentemente como unidades portátiles o como unidades de prueba de pozo (costafuera).
Características de las Unidad de Bombeo
| Convencional | Balanceada por aire | Mark II |
| 1. Muy eficiente | 1. La de menor eficiencia | 1. Muy eficiente |
| 2. Muy confiable debido a su diseño simple | 2. Las más compleja de las unidades | 2. Igual que la convencional |
| 3. La más económica | 3. La más costosa | 3. Moderadamente costosa |
Diseño de Equipos de Bombeo Mecánico
Es un
procedimiento analítico mediante cálculos, gráficos y/o sistemas
computarizados para determinar el conjunto de elementos necesarios en el
levantamiento artificial de pozos accionados por cabilla. La función de
este procedimiento es seleccionar adecuadamente los equipos que
conforman el sistema de bombeo mecánico a fin de obtener una operación
eficiente y segura con máximo rendimiento al menor costo posible.
- Paso 1: se debe seleccionar el tamaño de la bomba, el diámetro óptimo del pistón, bajo condiciones normales. Esto va a depender de la profundidad de asentamiento de la bomba y el caudal de producción (Ver Tabla 1).
Nota: Todas las tablas y gráficas los colocaré al final de este post para que puedan ser descargados.
- Paso 2: La combinación de la velocidad de bombeo (N) y la longitud de la carrera o embolada (S), se selecciona de acuerdo a las especificaciones del pistón. Se asume una eficiencia volumétrica del 80%. (Ver gráfico 1).
- Paso 3: Se debe considerar una sarta de cabillas (se debe determinar el porcentaje de distribución si se usa más de dos diámetros de cabilla) y el diámetro de pistón, se determina un aproximado de la carga máxima para el sistema en estudio. (Ver gráfico 2).
- Paso 4: Chequear el valor de factor de impulso para la combinación velocidad de bombeo (N) y longitud de carrera (S) establecidos en el Paso 2 (Ver Tabla 2).
- Paso 5: Cálculo de la carga máxima en la barra pulida. Para este propósito será necesario obtener cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los pasos previos. Primero se determinará el peso de las cabillas por pie y la carga del fluido por pie. (Ver Tabla 3). Ahora se calcula el peso de las cabillas en el aire (Wr), la carga dinámica en las cabillas (CD) y la carga del fluido (CF) a la profundidad objetivo.
Wr = peso cabillas (lb/ft) x Prof. (ft)
CD = F.I. x Wr (lb) —–> Donde F.I. (Factor de Impulso)
CF = peso fluido (lb/ft) x Prof. (ft)
Carga máxima barra pulida = CD + CF
- Paso 6: Cálculo de la carga mínima de operación (CM), el contrabalanceo ideal y torque máximo.
CM = Disminución de la carga debido a la aceleración (DC) – fuerza de flotación (FF)
DC = Wr x (1-C) —–> Donde C = (N^2 x S)/70500
FF = Wr x (62,5/490) —–> Valor constante
Para el contrabalanceo ideal se debe proporcionar suficiente efecto de contrabalanceo para darle suficiente valor de carga, el cual va a ser el promedio entre el máximo (carga máx. barra pulida) y el mínimo recién calculado.
Entonces,
Contrabalanceo ideal = promedio de carga (entre máx. y min) – la carga mínima.
Torque máx. = Contrabalanceo ideal x Punto medio de la longitud de carrera (S/2).
- Paso 7: Estimación de poder del motor eléctrico. Conocida la profundidad de operación, °API del crudo y el caudal requerido de producción, se obtiene una constante que es multiplicada por el caudal de producción (Ver gráfico 3).
- Paso 8: Cálculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de P sería el valor de caudal de producción si la bomba trabaja al 100% de eficiencia. El diseño de la bomba debe tener al menos el 80% de eficiencia.
P = C S N
P = Desplazamiento de la bomba
C = Constante de la bomba, depende del diámetro del pistón
N = Velocidad de bombeo (SPM)
- Paso 9: Profundidad de asentamiento de la bomba (Método Shell, Ver Tabla 3). Esto dependerá enormemente de la configuración mecánica del pozo. Si este método no cumple, por lo general se asienta a 60 o 90 pies por encima del colgador. Otras bibliografías hacen referencia que se asienta 300 pies por debajo del nivel de fluido.
Para descargar las tablas y gráficas para realizar el diseño del bombeo mecánico haz clic en el siguiente enlace.
