Área | Actualización tecnológica aplicada a la industria · la tecnología aplicada en los procesos de la industria. Se trata de brindar a los docentes una herramienta que contribuya

3

Programa de Fortalecimiento de Escuelas TécnicasUna escuela hacia el futuro

2 ExPloración y Producción dE PETrólEo: bombeo mecánico

Área | Actualización tecnológica aplicada a la industria

Programa de Fortalecimiento de Escuelas TécnicasUna escuela hacia el futuro

ExPloración y Producción dE PETrólEo:bombeo mecánico

marcelo Artigas

Fundación yPF

consEjo dE adminisTración

Presidente

enrique eskenazi

VicePresidente

ezequiel eskenazi Storey

AdscriPto VicePresidenciA

eduardo Savastano

tesorero ángel Ramos Sánchez

secretArio mauro Dacomo

VocAl

carlos Alfonsi

director ejecutiVo

Silvio José Schlosser

Gerente ÁreA culturA y PAtrimonio

carolina Llosa de Sturla

Gerente ÁreA de educAción

Silvio José Schlosser

Gerente ÁreA desArrollo sociAl

eduardo Savastano

ÁreA de educAción

ingrid Jeppesen Gladys KochenGonzalo Pérez bardeciPatricia Saltimaría Soledad Veiga

ÁreA de culturA y PAtrimonio

Paula maría Ramosmaría eugenia FríasFlorencia Wasser

ÁreA de desArrollo sociAl

Víctor Roldán

comunicAción

Leonora Kievsky

AdministrAción

Romina medina

AsistenciA GenerAl Adriana Seráfica

coordinAdorA del ÁreA de ActuAlizAción tecnolóGicA APlicAdA A lA industriA

Lía nadal

3

ÍndicE

Prólogo ................................................................................................................... 5

Presentación del material .......................................................................................... 7

Sugerencias para el trabajo en el aula-taller .............................................................. 7

marco conceptual .................................................................................................. 8

Aparato individual de bombeo ................................................................................... 8

estudios teóricos ........................................................................................................ 9

Unidad de bombeo

Recorrido de la bomba en el fondo del pozo

eficiencia del sistema y economía de potencia

motores eléctricos

cañería de producción o tubing ............................................................................... 17

Análisis y comportamiento del tubing

barras de bombeo ................................................................................................... 19

Geometría de la varilla

cálculo de diseño de bombeo: sistema de varillas .................................................... 22

Fallas en barras de bombeo ..................................................................................... 24

bombas de profundidad .......................................................................................... 34

Distinto tipo de bombas

Definición de contenidos y actividades .................................................................... 36

Bibliografía ........................................................................................................... 37

Guías prácticas

Guía n° 1/ bombeo mecánico ................................................................................. 38

Guía n° 2/ Diseño del tubing .................................................................................. 39

Para uso en el nivel medio de Educación Técnica Profesional

5

Marco conceptual // Aparato individual de bombeo

E l Programa de Fortalecimiento de Escuelas Técnicas “Una escuela hacia

el futuro” tiene como objetivo principal fortalecer con un alto nivel

académico a un grupo de escuelas técnicas que se encuentran localizadas en las

zonas de influencia de YPF.

Una de las líneas de acción planteadas es la elaboración de materiales didácticos

y bibliográficos destinados a mejorar las condiciones educativas de las escuelas

y respaldar el esfuerzo de los docentes, tanto en su formación continua como

en sus condiciones de enseñanza.

Este fascículo, que forma parte de una colección, se encuadra en los lineamientos

generales planteados en el programa, en particular, al área de Actualización

Tecnológica Aplicada a la Industria.

A lo largo de estos años, se han realizado diversas propuestas que enfatizan la

necesidad de generar para los jóvenes un vínculo más cercano entre la educación

y el mundo del trabajo, debido a que parte de la crisis de la escuela secundaria,

ya sea en nuestro país como en el mundo, se debe al desajuste existente entre

los saberes y las competencias aprendidos en la escuela y las demandas del

ámbito laboral.

Hoy, para la inserción social, cultural y laboral de los jóvenes no alcanza sólo

con la destreza y la habilidad manual y operatoria requerida muchas veces

en los diversos empleos. Además, es imprescindible contar con una completa

formación integral que sólo la escuela es capaz de brindar.

Sin lugar a dudas, nos encontramos ante un real desafío que implica reforzar

los vínculos entre la escuela y la industria a partir de la creación de espacios de

intercambio de las culturas específicas de cada ámbito.

Con esta colección, entonces, esperamos generar un aporte integrando saberes

teóricos, tecnológicos y destrezas técnicas como parte de una formación integral

que facilite la articulación entre lo educativo y lo laboral.

PróloGo

este material tiene como objetivo contribuir al desarrollo del aprendizaje en la escuela de algunos conocimientos de

la tecnología aplicada en los procesos de la industria.

Se trata de brindar a los docentes una herramienta que contribuya en la práctica del aula-taller a establecer, a partir

de un saber específico, la articulación entre lo que se puede aprender en la escuela y lo que se utiliza actualmente en

la tecnología del mundo productivo.

De este modo, se ofrecerá un marco conceptual sobre cada uno de los temas que se irán desarrollando en los dife-

rentes fascículos, acompañados de diversas guías de trabajos prácticos para aplicar en el aula-taller con los alumnos.

en este fascículo se desarrollará el tema “exploración y Producción de Petróleo: bombeo mecánico”.

•Fascículode“ExploraciónyProduccióndePetróleo:BombeoMecánico“

•Guíasdetrabajosprácticos

Sugerencias para el trabajoen el aula-taller con los alumnos

Proponemos crear un espacio para el desarrollo de una experiencia práctica y de resolución de problemas que permita

una focalización de los principales conceptos que se podrían desplegar en ella.

Para el desarrollo de la actividad, se recomienda tener en cuenta:

• Lectura por parte del docente de este fascículo.

• introducción, por parte del docente, de los principales conceptos que figuran en el fascículo, así como

también los que se sugiere tener en cuenta antes de abordar la temática.

• Presentación del tema con preguntas a los alumnos y analizando las diferentes hipótesis que al respecto

tengan.

• Análisis con los alumnos de cuáles son las disciplinas que en la escuela ofrecen conocimientos útiles para

aportar en la comprensión de la temática.

• Preparación de la clase a partir de las guías de trabajos prácticos.

• Desarrollo de la experiencia con los alumnos, repitiendo la prueba más de una vez, de manera tal de poder

contrastar los resultados con las hipótesis previas.

• cierre conceptual retomando las hipótesis de trabajo planteadas por los alumnos.

7

PrEsEnTación dEl maTErial

8

ExPlorACIón Y ProdUCCIón dE PETrólEo: boMbEo MECánICo

aparato individual de bombeo

Evolución dEl sisTEma

¿cómo crees que se puede elevar el petróleo a la superficie?

el origen de elevar un líquido de un pozo por medio de una bomba submarina ac-

cionada desde la superficie por una sarta de barras y un balancín, ha sido conocido y

usado desde hace 2000 años.

Durante los últimos 40 años el progreso en el diseño de instalaciones de bombeo siguió

el progreso en el desarrollo de herramientas, equipos y maquinarias para otras indus-

trias; el resultado es la instalación del bombeo relativamente eficiente de hoy día.

No obstante este sistema que se utiliza para la elevación artificial de petróleo desde los comienzos de la industria petrolera aún hoy mantiene una posición predominante en el 80% del mercado de los yacimientos de elevación artificial.

¿sabes cuál ha sido el progreso de este método de bombeo durante el último

período de 40 años?:

el progreso mostró tres líneas generales de evolución:

1. Esfuerzo para mejorar el rendimiento mecánico de las partes submarinas y de

superficie del mecanismo de bombeo, perfeccionando el diseño del equipo y el material

usado.

2. Estudio de los principios básicos fundamentales: guiar el diseño del sistema de

bombeo.

3. aplicación de conocimiento del comportamiento y rendimiento de los reservorios

de petróleo en el proyecto y análisis de los sistemas de bombeo.

marco concEPTual

9

Viga balancínOjo de izaje de

la cabeza de mula

Cabeza de mula

Cojinetecentral

Cojinete deligualador

Igualador

Biela

Cojinete deperno de bielaPolea ranurada

Freno

Palancadel freno

Varillajedel freno

Basedel motor

Contrapeso

Manivela

Cruceta delportavástago

Estrobo

Escalera

Base


Estudios teóricos

Parecería que una instalación de bombeo es un sistema simple. Actualmente su rendi-

miento es complejo y el análisis del mismo difícil. esto es ocasionado por un número

importante de factores.

existe allí una interdependencia estricta de acción entre los diferentes componentes de

una instalación. esto oscurece y dificulta diagnosticar la acción de cualquier compo-

nente individual. Algunos factores que afectan el rendimiento del sistema no pueden

ser estimados rígidamente y el papel que ellos están desempeñando no puede ser de-

finido con precisión.

unidad dE BomBEo

comPonEnTEs dE una unidad dE BomBEo mEcánico

si analizas el siguiente diagrama: ¿puedes identificar los principales compo-

nentes de una instalación de bombeo?

esta consta esencialmente de siete componentes:

• el motor

• La unidad transmisora de fuerza

• La unidad de bombeo

• Las barras

• el tubing

• La columna de fluido

• La bomba

A causa de la mencionada inter-

dependencia de acción de estos

componentes, es evidente que el

diseño de la instalación debe con-

siderar el sistema entero como

una unidad. Antes de comenzar

a hablar sobre cada uno de estos

componentes se explicará el mo-

vimiento de bombeo.

10


El movimiEnTo dEl BomBEo

Generalmente son hechas ciertas suposiciones para simplificar las consideraciones in-

volucradas.

Una de ellas es que el movimiento es armónico simple, cuando en realidad es sólo

aproximadamentearmónicosimple.

La unidad de bombeo es un mecanismo desarrollado para trasmitir un movimiento

alternativo a la bomba, y para ello convierte el movimiento continuo circular de un

motor impulsor en un movimiento oscilante alternativo aplicado al vástago de bombeo,

mediante un sistema de bielas y balancín.

La designación sugerida por APi (American Petroleum institute) se ve en el siguiente

ejemplo:

c - 228 d-173 - 74

Donde:

c Tipo de Aib (c. convencional)

228 Torque máximo de la caja reductora en miles de libras x pulgada

d indica el tipo de reducción de la caja (simple, doble o triple)

173 carga máxima de la estructura en cientos de libras

74 Valor máximo de la carrera en pulgadas

carGa y TorquE (1):

Los dos parámetros más importantes de medición son el Torque Máximo (1) y la Carga

Máxima, estando el torque directamente relacionado con la caja reductora y la carga

con la estructura. Si bien ambos valores tienen relación física, es necesario tener bien

claro que el exceso de torque daña la caja reductora y no necesariamente a la es-

tructura, y el exceso de carga lo hace exclusivamente con la estructura.

Las cargas más importantes que actúan sobre la estructura de un equipo son las ocasio-

nadas por la masa de las varillas, la masa de los fluidos y las aceleraciones a que están

sometidas.

Las estructuras de los aparatos de bombeo soportan la carga necesaria para elevar a de-

terminada velocidad las barras de bombeo y el fluido producido. el conjunto mecánico

está equipado con un juego de palancas y movimientos montados sobre cojinetes que

requieren un programa de lubricación periódico y preventivo con la frecuencia que se

debe determinar en función de las condiciones de exigencia y el clima donde trabajan.

Una de las condiciones para el buen funcionamiento es el ajuste del chasis a la base, de

tal manera que se asiente en toda su superficie y quede perfectamente sin ningún tipo

de movimiento o vibración.

manteniendo la locación del pozo perfectamente limpia sin objetos extraños, se detecta

en forma inmediata si hubiese algún bulón cortado u otro elemento que pueda perte-

necer al equipo.

(1) Conceptos de carga y torque

Conceptos a trabajar previamente:

11


Respecto a la caja reductora, su función será convertir un movimiento de muchas re-

voluciones y bajo torque en otro de bajas revoluciones y alto torque. Por lo general la

relación que usan las cajas es de 30 a 1, por eso las poleas están preparadas para girar

con 300 RPm y el eje de las manivelas entre 10 y 20 vueltas por minuto.

el torque resultante que tiene que soportar el reductor e impulsar el motor es la di-

ferencia entre el torque producido por la carga y el producido por los contrapesos,

este último destinado a equilibrar al generado por las cargas aplicadas en el vástago.

Justamente los Aib se balancean para disminuir los picos de torque y las demandas de

potencia, de manera de minimizar el efecto de la amplia variación de cargas sobre el

vástago y que el resultado sea una carga torsional lo más uniforme posible.

¿SepodráconsideraralAparatodeBombeocomouna“balanza”?

Sí, y de hacerlo se podrá apreciar:

La carga aplicada en situación estática tendrá un valor que de ninguna manera será el

que se obtenga en movimiento donde se suman los efectos dinámicos y centrífugos. el

rozamiento, el peso alternativo de la columna de fluido y la aceleración, serán variables

a considerar y que conformarán el Rango de cargas.

en situación estática, la carga aplicada determinaría el contrapesado correcto, pero en

situación dinámica, el rango de cargas es quien lo determina. como el torque en la caja

reductora está dado por el valor de las cargas y la relación entre ellas (carga/brazo de

palanca/seno del ángulo), el exceso del mismo se transforma en un elemento suma-

mente dañino para su vida útil y se debe controlar y adecuar.

Un correcto contrapesado debería otorgar el valor mínimo de torque posible para las cargas aplicadas al equipo y un uniforme trabajo de motor.

contrapesado: Si el equipo no tuviera contrapesos, en la carrera ascendente el motor

tendría que levantar sin ayuda el peso de varillas más el fluido y en la carrera descen-

dente el peso de las varillas arrastraría al motor.

¿Cuáleselobjetivodeloscontrapesos?

El objetivo de los contrapesos es lograr que el motor realice el mismo esfuerzo tanto en la carrera ascendente como en la descendente, y tender a uniformar los esfuerzos en todo el sistema.

Carga aplicada a = Carga aplicada B

12


Si fuese necesario solamente levantar una carga de 10 toneladas, podría hacerse sin

problemas utilizando una grúa y no se necesitaría contrapeso alguno.

Sin embargo, en los equipos de bombeo hacen falta los contrapesos para equilibrar las cargas en movimiento y reducir la necesidad de potencia, ya que el motor se usará para mover un sistema mecánico balanceado.

De aquí la importancia de mantener los aparatos perfectamente bien contrapesados.

Los sistemas de contrapesos usuales son: con peso regulable ubicado en la viga del

equipo; con peso regulable pero ubicado sobre la manivela, y el de contrapesos neumá-

ticos con cilindro con aire comprimido.

Para el caso de los contrapesos instalados en la viga se regulan aumentando su acción

a medida que se alejan del punto de apoyo central. en el caso de las manivelas planas,

el efecto será mayor en la medida en que se alejen del eje.

Para el caso de soportes circulares el aumento se dará en la medida en que los contra-

pesos se alejen del soporte hacia el lado opuesto del eje. en los de contrapeso por aire,

el incremento de presión es lo que aumentará el efecto. Todo esto es perfectamente

calculable en función del tipo de equipo y el peso de los segmentos que contrapesan.

GEomETrÍa dE los aParaTos individualEs dE BomBEo (2)

(2) Física: Clases de palancas

UNIDAD DE BOMBEO CONVENCIONAL(Clase I, simétrico)

UNIDAD DE BOMBEO MARK II(Clase III, no simétrico)

F C

Contrapeso

Clase 1: Geometría convencionalPalanca de primer género

Carga

F C

Contrapeso

Clase 3: Palanca de tercer género

Tipo m (Mark II)

Carga

13


TorqueMáximo: es el torque con que se puede hacer trabajar el reductor sin pe-

ligro de rotura del mismo. Para equipos clase i el APi contempla de 40.000 a 912.000

lbs.-pulg. y para clase iii de 14.000 a 912.000 Lbs.-pulg., pudiendo algunos fabricantes

superar estos valores.

capacidad en el balancín: es la carga máxima que se puede colgar de la cabeza

de mula, pudiendo soportarla normalmente toda la estructura del equipo, como así

también cojinetes y accesorios.

Carreramáxima,eslamáximacarreraaobtenerenelvástagopulido, luego se

pueden colocar las carreras menores que le siguen en cada Aib.

Las condiciones de carga en un pozo son:

Carga Máx = (Pbb + Pf) * (1 + a)

Carga Mín = (Pbbs) * (1 - a)

Rango de Carga: RC = Cmáx.- Cmín.

Torque Teórico = RC. * S / 4

Torque Real = (C. Máx. – CB ) * S / 2 o Torque Real = (CB – C. Mín.) * S / 2

Pbb = Peso de la sarta de varillas en el aire (Kgrs. o Libras)

Pf = Peso de fluido a elevar entre tubing y sarta de varillas (Kgrs. o Libras)

a = Factor de aceleración a = f (Carrera, S, GPM al cuadrado)

CB = Efecto de contrapesado o Contrabalanceo (Kgrs. o Libras)

% Uso = T máx Real/ T. Máx. Fabricante o % Uso = C. Máx. Real / Capacidad

Fabrican.

Las bielas al girar con velocidad angular constante en la Unidad convencional (Sistema

a Palanca clase i) producen la inversión de la carrera del vástago en el punto muerto

superior, con aceleración relativamente baja.

en las unidades de bombeo mark ii y en las balanceadas a aire (Sistema de Palanca clase

iii) las características de la aceleración están revertidas. el sistema frontal o de empuje

ascendente comienza la carrera ascendente con baja aceleración pero hace que la re-

versión en el tope sea algo más rápida que en la unidad convencional.

consecuentemente, el Sistema a Palanca clase iii, como el mark ii, y el balanceado a

aire, mueven la máxima carga de las varillas y del fluido al dejar el fondo con aceleración

algo menor que de un movimiento armónico simple, mientras que en la parte superior

de la carrera, la varilla conductora comienza la carrera descendente con una aceleración

mayor que la de un movimiento armónico simple. Aceptando la simplificación de con-

siderar la masa concentrada, la carga pico o máxima en el vástago está controlada por

la magnitud de la aceleración en el momento de dejar el fondo.

14


Cuanto mayor es su valor, mayor será la carga en el vástago (manteniendo las otras condiciones iguales) con el consecuente aumento de los esfuerzos en las varillas y en la carga estructural de la unidad.

Al levantar la carga máxima de las varillas y el fluido dejar el fondo, la inercia de la masa

se suma al peso estático. cuando sucede la reversión arriba, la inercia de la masa se

sustrae del peso de las varillas en flotación.

En otras palabras, la reversión en el fondo, carga al vástago y a la estructura a su valor máximo, mientras la reversión superior lleva esa carga a su valor mínimo.

Debido a la geometría del Aib clase iii y a la baja relación biela-manivela, la unidad

mark ii levanta las varillas y el fluido desde el fondo con aproximadamente un 60% de

la aceleración máxima de la unidad convencional de clase i.

este hecho ha sido ampliamente reconocido por estudiosos de la tecnología de los

sistemas de bombeo. Por ejemplo en su texto “Principios de producción de pozos de

petróleo” el Profesor T. e. W. nind de la Universidad de Saskatchewan afirma:

“en la unidad convencional la aceleración en el fondo de la carrera es algo mayor que

una verdadera aceleración armónica simple mientras que es menor en el tope de la ca-

rrera. este es el principal inconveniente de la unidad convencional, es decir, que en el

fondo de la carrera justo en el momento que la válvula viajera se está cerrando y el peso

del fluido es transferido a las varillas está en su máximo. estos dos factores se combinan

para producir una máxima solicitación en el sistema de varillas que es uno de los fac-

tores limitantes del diseño de la instalación”.

La experiencia ha demostrado que la menor aceleración en el fondo del Mark II generalmente reduce la carga máxima en el vástago, el esfuerzo de las varillas y la carga de la estructura, a menudo hasta en un 10 a 12%.

15


rEcorrido dE la BomBa En El Fondo dEl Pozo

con una carrera en superficie y una velocidad de bombeo dada, parecería que el re-

corrido neto del pistón podría ser el mismo para cualquiera de las geometrías de los

aparatos individuales de bombeo.

este no es el caso. Variando la geometría de superficie para producir ciertas caracterís-

ticas de movimientos tal como una carrera descendente más rápida y una menor velo-

cidad en la reversión del fondo, es posible en muchos casos aumentar apreciablemente

la carga sobre el vástago.

Debido a esta más rápida carrera descendente y a la menor velocidad de la reversión en

el fondo, el mark ii tiende a proveer un recorrido neto mayor en muchos casos, con el

mismo o aún menor pico de carga en el vástago.

Se ha demostrado que el mark ii (clase iii sistema de empuje ascendente) frecuente-

mente tiende a maximizar la carrera neta del pistón más que otras geometrías de uni-

dades de bombeo y en un amplio rango de aplicaciones.

Admitimos que algunas razones para esto son complejas y sólo pueden ser determi-

nadas y entendidas con exactitud usando la poderosa herramienta que es el modelo

matemático “de la resolución” de la ecuación de onda aplicada al bombeo mecánico,

sin embargo.

En general, el mayor recorrido neto del pistón del Mark II se debe a la más rápida carrera descendente con un mayor tiempo de retraso en la reversión al dejar el fondo.

Tanto el estudio práctico como el teórico han probado que esto es cierto en la mayoría

de las condiciones del bombeo mecánico.

EFiciEncia dEl sisTEma y EconomÍa dE PoTEncia (3)

Una de las principales ventajas del Aib con contrabalanceo mecánico es su alta eficiencia.

A diferencia de las bombas hidráulicas, neumáticas y eléctricas, los componentes me-

cánicos del Aib convencional y del mkii tienen pérdidas de calor insignificantes en los

sistemas de contrapesos incapaces de disipar energía.

Una libra-pie de energía aplicada al eje de alta del Aib (convencional o mkii) es propor-

cionada casi intacta como trabajo alternativo provechoso en la cabeza del Aib.

Un motor eléctrico es razonablemente eficiente cuando opera dentro de su rango de

capacidad y con un torque relativamente uniforme; sin embargo su eficiencia cae rápi-

damente bajo cargas variables, tal como ocurre en el impulso de una unidad conven-

cional o balanceada a aire.

(3) Física: Potencia Eléctrica

16


La capacidad de los motores eléctricos para entregar trabajo, depende de la cantidad de

calor que pueda disipar en un intervalo de tiempo dado. esta pérdida de calor, princi-

palmente resultante de impulsar una carga cíclica muy variable, tal como la del bombeo

mecánico, es función del cuadrado de la corriente :

Pérdidadecalor=i2xR.

con la carga proporcional más pareja y uniforme (que resulta en una corriente pro-

porcional, más baja y uniforme) se genera una cantidad menor de trabajo dado en el

vástago, permitiendo así que el motor trabaje más eficientemente.

moTorEs ElécTricos

en los campos petroleros, en general se usan dos tipos de motores para el acciona-

miento de las unidades de bombeo (Aib):

Eléctrico Trifásico asincrónico

motor de accionamiento

combustión interna a Gas o diésel

existe una variedad de fórmulas para determinar la potencia requerida en una insta-

lación de bombeo mecánico. La mayoría es empírica y no se ajusta a la realidad, por fijar

coeficientes de seguridad variables.

en la práctica es común encontrarse con motores que trabajan sobredimensionados o

muy solicitados.

Una formula propuesta es:

Pot.(HP)=RC*GPM*S/250.000

RC:Rangodecargas:CMáx.–CMín.

GPm: Golpes por minutos

s: carrera

17

Marco conceptual // Cañería de producción o tubing

cañería de producción o tubing

Las columnas de tubing (tubería de producción) cumplen varias funciones, citándose las

más importantes:

1.Permitir que por su interior ascienda el fluido procesado por la bomba de Profun-

didad.

2.Proteger al casing del roce con las varillas de bombeo. Si bien el tubing a veces se

mueve, la superficie de contacto es mayor, prolongando así la duración del casing. el

movimiento del tubing se puede anular, instalando un ancla de tubing.

3.Permite evacuar por el espacio anular (entre casing y tubing), el gas liberado y que no

es procesado por la bomba.

4.Permite efectuar mediciones de nivel con ecómetro o sonolog, por el espacio anular.

5.Facilita las operaciones de pesca de las varillas de bombeo y/o bomba. el espacio

anular entre tubing y varillas, permite guiar y centralizar el punto de pesca y pescador.

6.Ante la posibilidad de extraerse el tubing con el equipo de pulling, puede renovarse

parcial o totalmente por deterioro. Permite profundizar o levantar la bomba según los

requerimientos de extracción.

7.Permite incorporar elementos auxiliares como ser: zapato niple, filtros para arena,

separadores de gas, ancla de tubing, packer de producción, caños ranurados etc.

Si bien el bombeo mecánico se caracteriza por el uso de varillas de bombeo, éstas forman con el tubing un conjunto indisociable.

Además de estar asociados en el proceso de extracción, en cada ciclo de bombeo se

transfieren el peso del fluido, entre una y otra carrera.

Las normas APi 5.A contemplan las características dimensionales, tipo de material y

propiedades físicas o resistentes de los tubos y las uniones.

Los diámetros comprenden:

¾”–1”–1.1/2”–2.3/8”–2.7/8”–3.1/2”–4”–4.1/2”(D.Exterior–pulg.)

Los más usuales: 2.3/8”–2.7/8”–3.1/2”

en el mercado se encuentran varias calidades de acero con que se fabrican, existiendo

los grados:

H- 40, J- 55 , c- 75 , n- 80 , P- 105

Un tubing J-55 significa que el límite elástico es 55.000 psi (3.850 Kgr/cm2).

18


análisis y comPorTamiEnTo dEl TuBinG

en la práctica y como consecuencia de las funciones que desempeñan en pozos de

petróleo las cañerías de bombeo (tubing), es necesario someter a cálculo los diversos

esfuerzos a los que se las solicita, siendo estos de variada magnitud.

entre los más significativos podemos destacar los esfuerzos de comprensión radial que

provocan aplastamiento (colapso), presiones internas, esfuerzos de tracción, flexión y

torsión, los que adquieren grandes magnitudes a medida que aumenta la profundidad

del pozo.

en este caso nos referiremos a los esfuerzos de tracción en los tubos y las juntas, que

para garantizar el correcto comportamiento del conjunto, se han creado diversos grados

de acero, así como recalques y roscas cuyos valores mínimos de resistencia se indican de

acuerdo a lo establecido en normas APi bUL 5c3; APi 5A; APi 5AX.

condiciones del análisis para instalaciones de bombeo mecánico

(Guía Nº:1 y 2)

a) el nivel del fluido se lo considera a la profundidad de bombeo a efectos de realizar el

cálculo en las condiciones más desfavorables.

b) Se considera la resistencia de la junta en función de la tensión mínima de fluencia.

c) Se considerara para el análisis, los grados de acero de uso corriente y especial como

también la degradación de tubing por recuperación.

TuBinG soliciTación

Grado I (material nuevo) 100% espesor de pared

Grado II (material recup) 80% espesor de pared

Grado III (material recup) 65% espesor de pared

con los datos aportados por los porcentajes de solicitación de cada grado, se determina

el espesor de la pared del caño recuperado usando como patrón el espesor del caño

nuevo o grado i.

*TUBING GRADOI GRADOII GRADOIII

2.3/8” 4,85 3,86 3,14

2.7/8” 5,51 4,41 3,58

3.1/2” 6,45 5,16 4,19

como datos de interés calculamos las áreas anulares de los tubing para cada grado de

recuperación usando la siguiente ecuación:

A=0,7854*[D2-(D-2e)2]

Donde D: Diámetro exterior o nominal del caño (mm)

e: espesor de la pared del caño (mm)

A: área anular del tubing resultante (mm2)

19

Marco conceptual // barras de bombeo

Barras de bombeo

De todos los componentes de una instalación de bombeo mecánico, la sarta de varillas

es la que rige, en mayor efecto, el rendimiento del sistema, ya que de acuerdo al mayor

o menor estiramiento, define la carrera neta del pistón (Sp) y de ésta depende el caudal

de extracción:

La producción a extraer es: Q(m3/d)=1,44*Sp*Ap*GPM

La carrera neta vale: Sp=Saib–Ebb–Etb+O

Las normas APi (Spec. 11 b) contemplan las características geométricas y las propie-

dades resistentes y químicas para las barras de bombeo de uso petrolero.

no obstante existen otros tipos de varillas fabricadas según diseños o tratamientos es-

peciales que se ofrecen en el mercado para casos específicos. ej.: varillas de fibra de

vidrio, de aceros especiales para alta resistencia, etc.

Las varillas de bombeo (Sucker Rods), los trozos (Pony Rods) y las cuplas (coupling) se

fabrican en un amplio rango y usando modernos métodos y tecnologías.

Diámetros de varillas usados: 5/8”3/4”7/8”1”1.1/8”

Grados o calidad del material: c K d

De acuerdo a la composición química, las barras se dividen en dos grandes grupos:

1. aceros al carbono-manganeso: el manganeso tiende a hacer al acero menos que-

bradizo.

2. aceros de aleaciones: estas aleaciones tienden a:

• Aumentar la dureza, solidez y resistencia a la corrosión.

• Formar estructuras de grano fino.

• obtener mejores resultados en los tratamientos.

Grado “C”: Acero al carbono-manganeso recomendado para servicio mediano en

pozos no corrosivos o fluidos pocos corrosivos.

Grado“K”:Aleación de acero al níquel-molibdeno, recomendado para servicio me-

diano en pozos con fluidos corrosivos (co2, H2S- Anhídrido carbónico y sulfhídrico).

Grado“D”: Aleación de acero al cromo-molibdeno, recomendado para servicios pe-

sados en pozos corrosivos o con fluidos poco corrosivos.

sp: Carrera neta del pistón.ap: Área pistón.GPm: Velocidad bombeo.s aib: Carrera del AIB.E bb: Estiramiento barras.E tb: Estiramiento tubing. (=0 si tiene ancla)o= Efecto de sobrerecorrido

20


GEomETrÍa dE la varilla

Las cargas normales a las que están sometidas las sartas de varillas en cada ciclo de

bombeo son:

Carga Máx = (Pbba + Pf ) * (1 + a)

Carga Mín = (Pbbs) * (1 - a)

Las tensiones normales (esfuerzo de tracción) están dadas a su vez :

Tensión Máxima: Máx = Pmáx / Secc

Tensión Mínima: Mín = Pmín / Secc

disEño dE sarTas dE varillas

existen dos procedimientos para diseñar una sarta de varillas:

materia Prima: De acero obtenidas por laminación en caliente.

“Sucker Rod Quality” calidad del acero (minimiza la decaburación y los defectos super-

ficiales).

Tratamiento Térmico:

• normalizado total (por encima de Ac3, luego de lo cual se obtendrá una estructura

perlítica ferrítica).

• Recocido subcrítico (o revenido).

• Shoot peening”: bombardeo con granallas de acero (logra una eficaz limpieza super-

ficial, eliminando escamas y pequeñas imperfecciones, confiere a las fibras exteriores de

la barra un cierto tensionado, que contribuye a un aumento de la resistencia a la fatiga.

Pbba = Peso de barras en el airePf = Peso del fluidoPbs. = Peso de las barras sumergidasa = Factor de aceleración

secc: Sección o área de la barra

1) igualación de TensionesHace trabajar a la varillas topes de cada tramo, cualquiera sea su diámetro; a la misma tensión, es el método más usado.Γ1=Γ2=Γ3,Γ=P/A(p/ sarta triple)

2)TensiónMáximaAdmisible:Hace trabajar a las varillas al máximo, permitiendo sartas más livianas y económicas, pero su estiramiento es mayor.Usado en casos particulares.A=P/Γmáx.

Du

Ws

Db Df

Dp

We

21

Marco conceptual // barras de bombeo

VarillasnonormalizadasporA.P.I: Varillas de aluminio y varillas de fibra de vidrio

(proceso de poltrusión).

varillas alta resistencia: Su fabricante no garantiza valores de resistencia máxima a

la tracción o límite de fluencia, sino que garantiza una tensión máxima admisible de

trabajo continuo de 50000 psi (35,15 kg/mm2) en cualquier medio.

en resumen:

El diseño o plan de la columna de varillas para un pozo en extracción por bombeo, es un arreglo entre la cantidad de trabajo a realizar y el costo de este trabajo en un período de tiempo.

muchas posibilidades son posibles de contemplar en el diseño de la columna: combi-

nación de profundidad de bombeo, dimensiones del caño de bombeo, cantidad total

del fluido, medida de la bomba y su diseño, velocidad de bombeo, longitud de la ca-

rrera, medida de la unidad y combinación de diámetros de varillas.

Algunas pueden optimizarse para las condiciones existentes del pozo en el momento

de utilizarlos en el yacimiento o utilizando experiencias y cálculos teóricos. Una gran

variedad de diseños, está indicada en la norma APi-RP11L.

22


cálculo de diseños de bombeopor el sistema de varillas

recomendaciones prácticas

este sistema es razonablemente seguro por el conocimiento de las condiciones del pozo

y puede ser modificado por extensión de las condiciones exteriores.

el cálculo de cargas para este sistema de diseño, podrá ser comparado a la carga

máxima posible a admitir por la selección de la medida y grado de la varilla de bombeo

de acuerdo a lo indicado en DiAGRAmA De GooDmAn moDiFicADo SobRe Ten-

SioneS ADmiSibLeS Y RAnGo De TenSioneS. Ver APi-RP11bR.

estos diagramas dan diseños razonables con el límite de carga de las varillas de bombeo

dadas las condiciones de trabajo. están basados en el límite de fatiga de las varillas de

bombeo de acero, comparados con la perfomance de vida experimentada en el yaci-

miento.

selección de varillas de Bombeo:

Luego de conocidas las cargas y de evaluar las características corrosivas de los fluidos

del pozo, se seleccionará el tipo de varilla más apropiado, usualmente, esta selección

consiste en un proceso de ensayo y error que dará como resultado cuál es el material

requerido para las cargas y la composición química de los fluidos.

Factores:

1.CapacidaddeCarga (Diagrama de Goodman), en un ambiente no corrosivo teóri-

camente excederán los 10 millones de ciclos de bombeo. La vida útil disminuye drásti-

camente como causa de diseños pobres, instalaciones inapropiadas, mala manipulación

de las varillas, ambientes corrosivos.

2.Ambientesdetrabajo (características de los fluidos). control y monitoreo de fluidos

del pozo. como regla gral. con % de agua > 20% donde el fluido producido estará en

fase acuosa con gotas de petróleo, se pueden producir manchas de pérdida de material

(pitting), lo cual resultará en una falla.

otras condiciones que también resultarán en fallas son:

• cuando el SH2 en agua se encuentra a presiones parciales > a .05 Psi. (0.0034 atm).

• cuando el co2 en agua es > que 200 ppm.

• cuando el total de cloruros es > que 5000 miligramos / litro

• cuando se haya presente oxígeno en cualquier proporción.

• cuando la temperatura de fondo es > que la temperatura ambiente en superficie.

• cuando el PH del fluido es < que 7.0

• cuando el total de sólidos es abrasivo y mayor de 100 ppm y la velocidad del fluido

es alta.

3.Ataquescomunesporcorrosión: son escamas, oxígeno, cloruros, bacteria, co2

y ácido.

23

Marco conceptual // Cálculo de diseños de bombeo por el sistema de varillas

Escamas (scale): Pueden ser químicas, orgánicas o inorgánicas del fluido producido que

se adhieren a las varillas. Producen escamas y/o desgastan el material en zonas espe-

cíficas, causando así una zona con diferencial de potencial donde puede comenzar la

corrosión. ej. Óxido de hierro u oxidación, So4ca o yeso, So4ba (4)

Oxígeno: comienza con el o2 disuelto en agua salada. Son marcas poco profundas y

anchas. el ataque es rápido.

Cloruros: el ataque generalmente es profundo, de base plana con bordes irregulares.

Se ve favorecido en lugares donde la concentración de o2 es baja.

SH2: es aleatorio y diseminado sobre la superficie de las varillas. La formación de SFe

como resultado del ataque del H2S y agua es un problema secundario de corrosión.

Bacterias Sulfatoreductoras: Las colonias donde crecen tienden a ser aisladas.

cuando se limpia la base del ataque muestra múltiples rajaduras por fragilidad produ-

cidas por el SH2.

(4) Química: Conceptos de inorgánica: sulfuros, cloruros, PH.

24


Fallas en barras de bombeo

A continuación se detallan algunos tipos de fallas más comunes:

Fatiga

Todas las fallas en las columnas de varillas de bombeo son indistintamente por esfuerzos de tensión o fallas de fatiga.

en la Figura nº 1, en la mitad superior de la cara rota, se observará una superficie lisa

pulida. Aunque la carga aplicada se distribuye aproximadamente igual sobre toda el

área de la sección de la varilla, en una superficie dañada se reduce la sección, por lo que

se incrementará la carga o tensión sobre la misma.

corrosión

en la Figura nº 2, se muestran dos causas de fallas de fatiga. el de la izquierda es fatiga

por corrosión.

Figura Nº 1

Figura Nº 2

25

Marco conceptual // Fallas en barras de bombeo

sobrecarga

en la Figura nº 3, se indican dos fallas atribuidas a sobrecargas en la varilla o diseño

deficiente.

mecánicas

Estos son físicamente producidas por el manipuleo o apriete, o causados durante las operaciones de la columna de varillas en el pozo.

dobladuras

Si el cuerpo de la varilla es gradualmente arrastrado arqueándose, o curvándose más

que esto, ésta no deberá bajarse en columnas que estén sometidas a cargas altas.

el ejemplo de la Figura n° 4 indica un doblado o torcido con radio corto.

cada dobladura puede originarse cuando se toma la varilla por los extremos, tendiendo

a doblarse en el medio.

Figura Nº 4

Figura Nº 3

26


Flexión

Las fallas por flexión se producen por el movimiento de la columna de las varillas durante

el ciclo de bombeo. Las varillas no se observan permanentemente dobladas, aunque el

problema se produce en la columna en movimiento.

en el ejemplo de la Figura n° 5, se observa una fractura por tensión de fatiga a lo ancho

de la varilla sin abrasión.

Las condiciones de fallas son producidas por velocidad o inadecuado régimen de

bombeo.

el ejemplo de arriba, de la Figura n° 5, indica el mismo tipo de daño que en el área del

cuerpo, pero en la zona de recalque.

La mitad de las fallas de las varillas de bombeo se deben a daños mecánicos.

daños en las superficies

Una rotura mecánica en la superficie de la varilla de bombeo o cupla, puede causar una

falla. en la Figura n°6, se indican cuerpos que presentan fallas por superficies dañadas.

el grado de la carga, profundidad y orientación del daño y las condiciones que rodean

al pozo, determinan cómo se pueden desarrollar las fallas.

Figura Nº 5

Figura Nº 6

27


desgaste

El desgaste sobre la columna de varillas de bombeo es la pérdida de las superficies de metal por contacto con la cañería de bombeo.

el desgaste produce fallas por reducción de la sección resistente exponiendo nuevas

superficies de metal corrosibles, los cuales acelerarán el ataque de la corrosión y fallas

en las uniones de impacto y daños a los topes.

La Figura n° 7, demuestra una unión donde el desajuste ha eliminado material. Des-

gaste como este tipo nunca debería ocurrir.

en la Figura n° 8, se indican dos tipos de desgaste en el cuerpo de varilla de bombeo.

el ejemplo de arriba indica el desgaste del cuerpo por abrasión. el ejemplo de abajo

muestra un desgaste de corrosión-abrasión, donde la película del inhibidor de corrosión

se ha roto y el metal quedó expuesto a la corrosión.

Figura Nº 7

Figura Nº 8

28


En las uniones (cuplas - machos)

El número de uniones fallidas puede dividirse entre cuplas y machos.

Si la cantidad de tensión aplicada al macho y el resultado de la carga de fricción que se

origina entre la cara del macho y el tope de la cara de la cupla que se produce por el

apriete, se mantiene durante el ciclo de bombeo, la unión no tendrá fallas.

Si por el contrario estas condiciones no se satisfacen, pueden ocurrir una de las cuatro

fallas que se originan en las uniones.

el primer tipo de fallas es el desenrosque de la unión.

La Figura n° 9 indica dos tipos de fallas del macho. el ejemplo de la izquierda es la falla

más común.

La Figura n° 10 muestra dos causas que provocan fallas en las cuplas.

La de la izquierda, indica una falla por apriete incorrecto en más o en menos.

el ejemplo de la derecha en la Figura n° 12 indica la iniciación de la fisura en la cara

exterior de la superficie progresando del interior hacia la rosca, y la tensión de fractura

se desarrolla en todo el perímetro de la cupla.

Figura Nº 9

Figura Nº 10

29


Las picaduras de corrosión sobre el macho o la superficie de la cupla serán causas de

fallas de fatiga por corrosión y acelerarán las tensiones mecánicas, causas de fallas.

en la Figura n° 11, se indican los efectos de un sobreapretado en los machos y cuplas

de unión. el macho de la izquierda fue enroscado con una llave de poder.

La indicación de un excesivo apretado se observa por la deformación concéntrica del tope macho de la varilla, por el apriete contra el tope de la cupla.

como parte del procedimiento de apriete, siempre existe la posibilidad de que las roscas

se engranen de acuerdo a lo indicado en la Figura n° 12.

corrosión

El ataque por corrosión a las barras de bombeo provoca fallas que representan el 50% del total de las mismas y contribuyen a otras fallas de tensión y abrasión.

Las fallas mecánicas llamadas fatigas de tensión por corrosión, son producidas por la

concentración de carga en picaduras por corrosión.

Figura Nº 11

Figura Nº 12

30


incrustaciones

Las incrustaciones, tales como óxido de hierro, sulfato de calcio, o yeso, sulfatos de

hierro y carbonato de hierro, deberán ser evitados, por cuanto al tomarse sobre las

barras, ellas reducen la efectividad de los inhibidores químicos.

en la Figura n° 13, se indican varias disposiciones de incrustaciones.

el ejemplo del centro es la herrumbre formada por la humedad en el fondo del pozo.

esta herrumbre no está consolidada y es fácilmente sacada por abrasión, lo cual hace

que la cara una vez retirada la herrumbre sea rápidamente atacada. La humedad ataca

generalmente a toda la superficie.

el agua de formación con alto contenido de sal es la que ataca más rápidamente.

el ejemplo de abajo es una incrustación gruesa de sulfato de calcio.

Oxígeno

La Figura n° 14 indica la corrosión producida por el oxígeno disuelto en agua salada.

Las picaduras son de base ancha, y las mismas tienden a combinarse unas con otras.

como el oxígeno incrementa su concentración al combinarse con gases ácidos y clorhí-

dricos, el problema de la corrosión se incrementa mucho.

Figura Nº 14

Figura Nº 13

31


SulfurodeHidrógeno

en la Figura n° 15 se ven las características de las picaduras provocadas por el sulfuro

de hidrógeno. Las picaduras se producen al azar, y se esparcen sobre la superficie.

Las bases de las picaduras son redondas y las paredes profundas. Las picaduras se en-

sanchan hacia afuera.

Las superficies de las picaduras y de la varilla, se abren con incrustación gruesa de

sulfuro negro, el cual también corroe el acero. Un tercer mecanismo de corrosión es la

fragilidad que produce el hidrógeno, el cual causa fallas con roturas que tienen caras

aparentemente quebradizas.

Bacterias

en la Figura n° 16, se puede ver el ataque de bacterias muy comunes en el fondo del

pozo y la colonia crece sobre la superficie del acero en ausencia de luz y aire.

Las picaduras son anchas y siempre tienen múltiples roturas en la base de las mismas.

estas múltiples roturas resultan del hidrógeno liberado por el sulfuro, por el producto

de las bacterias, debido a que en su forma de vida corroen y producen fragilidad en la

superficie debajo de la colonia.

Figura Nº 15

Figura Nº 16

32


anhídrido de carbono

en la Figura n° 17 se indican picaduras típicas de dióxido de carbono.

estas picaduras tienen base redonda y las paredes de perforación con bordes agudos y

las mismas se llenan de carbonato de hierro. Las picaduras se interconectan en forma

longitudinal con áreas catódicas alrededor de las líneas de picaduras. el gas dióxido de

carbono forma ácido carbónico cuando el agua tiene bajo pH y este ácido ataca muy

progresivamente al acero.

ácidos

Los ácidos clorhídrico y sulfúrico se forman en el fondo del pozo y en la Figura nº 18,

se indican varios ejemplos de corrosión típicos con la formación de picaduras profundas

por ataques de ácidos.

no se forman incrustaciones en las picaduras.

Galvánica

La corrosión galvánica se produce como resultado de unir dos materiales diferentes.

muchas veces los materiales son compatibles. Pero en la Figura nº 19 se ilustra el ataque

en una cupla de acero al carbono y la varilla fabricada en acero aleado bajo ciertas con-

diciones del fluido.

Las áreas más pequeñas de acero al carbono se sacrifican a expensas de las áreas ma-

yores de acero aleado.

Figura Nº 17

Figura Nº 18

33


Electrólisis

Las electrólisis se producen por corrientes eléctricas inducidas o de dispersión que fluyen

de la columna de la Varilla de bombeo. La picadura resulta de forma irregular y usual-

mente con un cono en la base de la misma. Adecuada puesta a tierra de todo el equipo

puede ayudar a controlar este daño. en la Figura n° 20 se indican estas picaduras y el

resultado de estas fallas.

abrasión

en la Figura nº 21 se indica el resultado de las roturas que produce el gas que lleva en so-

lución materiales sólidos, los cuales producen cortes sobre la superficie de las varillas.

Aprendiendo a reconocer las causas de las fallas de las varillas, quienes operan con

pozos de bombeo deben hacer que el sistema sea más económico y rentable por la re-

ducción del tiempo perdido en la producción.

Figura Nº 19

Figura Nº 20

Figura Nº 21

34


Bombas de profundidad

Tipo de BomBa

Bombas de profundidad standard de pistón metálico

DesignaciónA.P.J.

designación

Barril de pared gruesa Barril con liner Barril de pared fina

Bombas insertables:

Barril fijo asiento superior RHA RLA RWA

Barril fijo asiento inferior RHB RLB RWB

Barril móvil asiento inferior RHT RLT RWT

Bombas de tubing TH TL

xx xxx x x x x x x

Longitud de extensiones del barril ( pies)

Longitud de pistón ( pies)

Longitud de barril ( pies)

Tipo de asiento:

C: Asiento a copas

M: Asiento mecánico

Ubicación asiento:

A: Asiento superior

B: Asiento inferior

T: Asiento inferior barril móvil

Tipo de barril:

H: Pared gruesa

L: Con liner

W: Pared fina

Tipo de bomba:

R: Insertable

T: Tubing pump

diámetro de pistón:

125 1.1/4“

150 1.1/2“

175 1.3/4“

200 2“

225 2.1/5“

275 2.3/4“

diámetro de tubing:

20 2.3/8“ OD

25 2.7/8“ OD

30 3.1/2“ OD

35


distintos tipos de bombas

Bombas Usos Ventajas desventajas

Tubing Pozos sin gas Máx. Desplazamiento Sacar tbg. p/cambiar barril. no muy profundos Robusta Gran espacio nocivo. Cargas elevadas

Barril móvil Pozos con arena, no muy No se aprisiona (Mto. barril) Elevada caída de presión entre profundos, sin gas, bombeo No entra arena en la bomba. pozo y cámara (tubo). Válvula intermitente Ambas jaulas abiertas (> fija pequeña. Tubo pandea pasaje). Presiones ecualizadas. c/cgas. altas.

Barril estac. Pozos profundos, de bajo Presiones ecualizadas: Entrada Se aprisiona con arena al ancl. inferior nivel estático, con gas cercana a vál. De pie. detener el bombeo. Vál. Pie > barril móvil. Se aprisiona al rearrancar en Reducido espacio nocivo bombeo intermitente.

Barril estac. Pozos con arena, Arena no deposita s/anclaje Presiones no ecualizadas.ancl. no muy profundos En bombeo intermitente lasuperior Con gas arena ingresa a la bomba.

36

ExPlorACIón Y ProdUCCIón dEl PETrólEo: boMbEo MECánICo

Definicióndecontenidosyactividades:

Se definen a continuación cuáles serán los contenidos que surgen del desarrollo del

Fascículo ”exploración y Producción de Petróleo: bombeo mecánico”.

contenidos actividades

Producción: Bombeo Mecánico. (Guía Práctica 1).

Cálculo de los parámetros que gobiernan el diseño de un sistema de ex-

tracción mediante bombeo mecánico.

Producción: Diseño del tubing (Guía Práctica 2).

Diseño del tubing en el caso de un sistema anclado con tensión.

BiBlioGraFÍa

Tenaris. (1990) “Selección de Tubing y Casing”

K. Moore. (1981) “Análisis de Fallas en varillas de bombeo”. Tulsa, USA.

Marcelo Hirschfeldt. “bombas Cavidades Progresivas”. Oilproduction.net

Chuck Norman. “recuperación Secundaria”. Tiorco Inc

Wood Group. “ESP for the Petroleum Industry”

38


Objetivo:

calcular en aula los parámetros que gobiernan el diseño de un sistema de extracción

mediante bombeo mecánico.

Fundamento:

como se ha visto, el resultado final de la terminación de un pozo es la confección del

“esquema de Pozo”, donde están los datos del aporte de cada una de las capas que el

geólogo consideró de interés productivo.

Ahora es el turno del ingeniero de Producción para diseñar una instalación que sea

capaz de explotar el potencial del pozo. este proceso incluye el diseño de todos los ele-

mentos que componen el sistema de extracción artificial, a saber: cálculo del potencial

del pozo, tubing, sarta, bomba, Aib y motor.

Prueba:

en esta guía se evaluará el potencial del pozo y otros cálculos de interés.

GuÍas PrácTicas

GUíA n° 1

Producción:bombeo mecánico

1148/1152

1207/1211

1245

1687/1699

1793/1796

2131/2134

2157/2159

Zto: 2188 m

3000 l/h ASF N: 600 m, Sal 8,0 ppm, Temp.: 42 ºCSe cementó con 20 bolsas P. inicial 800 psi, P. final 1400 psi

2100 l/h PF N: 820, Agua: 3%, Sal 7,0 ppm, IT: 3%, Dens. 0,875

300 l/h ASF N: 2010, Sal 8,5 ppm

900 l/h PF N: 1200, Agua: 25%, Sal 6,0 ppm, IT: 28%, Dens. 0,910,Arena y barros: 3%

Dispositivo de 2º

Dispositivo de 2º

S/E. Se probó admisión con 1900 psi. No admite

S/E. Se probó admisión con 1800 psi. No admite

Collar: 2178

39

Guías Prácticas

1. Cálculo del Potencial del Pozo: Del esquema siguiente del pozo PX 1 determinar

en m3/día el volumen de fluido a elevar a superficie.

2. Aparato Individual de Bombeo

a) como se identifica un Aib.?

b) Describa los tipos de palanca y a que clase de Aib corresponde cada tipo.

3. Torque: Determinar el torque teórico si disponemos de un Aib c228-D173-74 y por

cálculos teóricos sabemos que:

Carga máxima: 7123 kg. Carga mínima: 2543 kg.

4. Potencia: con los datos del punto anterior y con una velocidad de 8GPm determinar

la potencia del motor eléctrico.

5. Velocidad: Se quiere extraer un caudal Q de 40 m3/día. Se cuenta con un Aib c228-

D173-74 y una bomba cuyo diámetro de pistón es 1,75”. Determine la velocidad del

Aparato (GPm).

40


40

GUíA n° 2

Producción:diseño del tubing

Objetivo:

Determinado el diámetro óptimo de producción, y si el sistema es anclado con tensión ya

sea ancla o packer, el diseño se torna un poco más complejo que lo visto en las condiciones

de calculo de tubing libre.

Fundamento:

Para realizar el análisis de selección se toma un sistema de ejes coordenados con el cual po-

dremos distribuir correctamente los grados de acero y grados de recuperación del tubing

para cada caso en particular, teniendo como datos los esfuerzos de anclaje y el propio peso

de la cañería pudiéndosela considerar vacía o con fluido.

Tomaremos un ejemplo de diseño para observar las variables que intervienen en el

cálculo.

EJEMPLO:Pozo:P.X.1

Datos: Profundidad del tubing: 2.850 m

Profundidad de instalación del ancla: 2.800 m

diámetro del tubing: 2.7/8 “

Tensión librado de emergencia: 16 Tn

Peso cañería con fluido = 2.800 m * 12,7 Kg/m = 35.560 Kg

diseño:

Debemos diseñar un tubing que soporte el máximo de esfuerzos requeridos incluyendo el

librado de emergencia del ancla. Para tal fin tendremos un esfuerzo total de:

ESF. TOTAL = 16 Tn + 35,560 Tn = 51,560 Tn

Diseñaremos el tubing para un esfuerzo aproximado de 52 Tn.

como este valor de 52 Tn es superior al de resistencia (Pj) del tubing J-55 Grado i (TAbLA 1),

deberemos utilizar una combinación que aportará más resistencia al esfuerzo.

¿cómo determinamos cuál es la profundidad a la que debemos efectuar el cambio de grados

de acero y de recuperación?

Se construye un diagrama de coordenadas distribuyendo en abcisas la resistencia Pj del

tubing con los datos de la TAbLA 1, y en ordenadas la profundidad de acuerdo al gráfico 1.

Se identifican dos puntos (a y b) que se unen en una semirecta que representa las cargas a

distintas profundidades.

Punto a: (16,2800) en el ancla se necesita contar con 16 Tn en caso de librado de emer-

gencia.

Punto b: (52,0) en boca de pozo tenemos que contar con 52 Tn de resistencia.

41

Guías Prácticas

41

Se unen estos dos puntos con una semirecta, y en los cortes correspondientes a las re-

sistencias de cada tubing realizamos los cambios.

Una selección correcta es:

De 2.850 a 1.700 mts. usar tubing J-55 Grado iii

De 1.700 a 1.200 mts. usar tubing J-55 Grado ii

De 1.200 a 650 mts. usar tubing J-55 Grado i ó n-80 Grado iii

De 650 a boca pozo usar tubing n-80 Grado ii

este tipo de selección está condicionado al análisis resistencias y evaluación económica

del momento.

Podríamos agregar como condiciones aún más desfavorables de diseño, que el tubing

además de estar soportando su propio peso más el del fluido, soporte también una carga

extra debida al aprisionamiento de bomba con barras de bombeo o a una simple pesca

de barras, por lo que debemos asumir un valor aún mayor de exigencia del tubing.

PESOTOTAL=Pesotubing+Pesofluido+libradoemergencia+Pesobarrasbombeo

con este valor de peso total diseñaremos el tubing.

a (16:2800)

2.7/8” J55 GIII

2.7/8” N80 GIII

2.7/8” N80 GII

2.7/8” N80 GI

2.7/8” J55 GII

2.7/8” J55 GI

10 20 30 40 50 60 70

1000

2000

3000

Profundidad (metros)

Resistencia (Pj) (Tn)

b (52:00)

Artigas, Marcelo Exploración y producción : bombeo mecánico : actuali-zación tecnológica aplicada a la Industria . - 1a ed. - CABA Fund. YPF, 2010. v. 2, 44 p. : il. ; 30x21 cm. - (Area de actualización tecnológica aplicada a la industria)

ISBN 978-987-98015-7-4

1. Formación Docente. 2. Enseñanza Técnica. I. Título CDD 373.007

Fecha de catalogación: 06/08/2010

Exploración y producción de petróleo: bombeo mecánicoMarcelo Artigas

1a Edición

Cámara Argentina del LibroSarmiento 528Buenos Aires

ISBN 978-987-98015-7-4

Diseño: CastillaSozzani&Asoc

Este libro se terminó de imprimir en el mes de agosto de 2010 con una tirada de 1.000 ejemplares en Talleres Gráficos TramaGarro 3160/70. Buenos Aires, República Argentina.

Queda hecho el depósito que establece la Ley 11.723.

Libro de edición Argentina

No se permite la reproducción parcial o total, el almacenamiento, el alquiler, la transmisión o la transformación de este libro, en cualquier forma o por cualquier medio, sea electrónico o mecánico, mediante fotocopias, digitalización u otros métodos, sin el permiso previo y escrito del editor. Su infracción está penada por las leyes 11723 y 25446.-

Documents

Área | Actualización tecnológica aplicada a la industria · la tecnología aplicada en los procesos de la industria. Se trata de brindar a los docentes una herramienta que contribuya