bcp

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Grafica 1 Oferta de energía
Fuente: Manual BCP para ingenieros
Análisis nodal en BCP
El objetivo principal del análisis nodal durante la etapa de diseño es
conocer el punto de operación de un sistema de levantamiento artificial, en el
cual se relaciona el aporte del yacimiento con el sistema de levantamiento
que incluye la tubería de producción. Para realizar un análisis del sistema, se
requiere el cálculo de las caídas de presión en función de la tasa de flujo
para cada uno de los componentes, este procedimiento se realiza para cada
uno de los tramos del sistema que serán delimitados por un punto llamado
“nodo”, en el cual se desea conocer la condición de operación a partir de
presiones y caudales, lo anterior se denomina análisis nodal.
El nodo puede ser seleccionado en cualquier punto del sistema, para
efectos de diseño de Métodos de Levantamiento Artificial los nodos de
interés son la succión y la descarga de la bomba Desde el punto de vista de
Levantamiento Artificial por Bombeo, los nodos entre los elementos
principales del sistema son (ver figura siguiente):
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1. Nodo 1: El tope de las perforaciones, este es el nodo común entre el
yacimiento y el pozo
2. Nodo 2: La succión de la bomba
3. Nodo 3: La descarga de la bomba
Figura 5 Análisis nodal
Fuente: Manual de bombeo de cavidades progresivas ()
A su vez, el sistema puede tener más divisiones unidas por nodos, el
número de estas divisiones no tiene límite, pueden estar tan lejos o tan cerca
como se quiera, con tal que sea posible establecer entre alias la
correspondiente relación flujo-presión. La relación de presión a lo largo del
sistema puede ser escrita de la siguiente manera:
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Ecuación 4 relación de presión
Pyacimiento-DPtramo A-DPtramo B+ DP bomba- DPtramo C – DP líneas de flujo- P separador = 0
Pyacimiento= presión del yacimiento
DPtramo A= presión diferencial del tramo ubicado entre el yacimiento y el tope
de las perforaciones
DPtramo B= presión diferencial del tramo ubicado entre el tope de las
perforaciones y la entrada de la bomba
DP bomba= presión diferencial originado por la bomba
DPtramo C = presión diferencial del tramo ubicado entre la descarga de la
bomba y el cabeza del pozo
DP líneas de flujo = presión diferencial del tramo ubicado entre el cabezal del pozo
y el separador.
P separador = presión del separador.
Bombas de cavidad progresiva. (B.C.P)
La Bomba de Cavidades Progresivas (B.C.P.) fue inventada en 1932
por un Ingeniero Aeronáutico Francés llamado René Minea, quién estableció
la empresa llamada PCM POMPES S.A. para la fabricación de la misma. En
sus inicios, estas bombas fueron ampliamente utilizadas como bombas de
superficie especialmente para el bombeo de mezclas viscosas. Actualmente,
el mayor número de bombas de cavidades progresivas instaladas para la
extracción de petróleo se encuentran en Canadá.
Las primeras Bombas de Cavidades Progresivas (B.C.P. de subsuelo)
utilizadas en Canadá fueron instaladas en 1979 en pozos de petróleo con
alto contenido de arena y bajas gravedades API (crudos pesados). En la
actualidad, se utilizan también en pozos productores de crudos medianos y
livianos, especialmente con alto contenido de agua.
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En Venezuela, las Bombas de Cavidades Progresivas de subsuelo
comenzaron a evaluarse a mediados de los años 80. Los resultados no
fueron del todo satisfactorios y esto se debió en gran parte a lo relativamente
incipiente de la tecnología en el país y al desconocimiento del alcance y
limitaciones del sistema. Hoy en día, se cuenta con instalaciones exitosas en
pozos de crudos viscosos; bajos y medianos; y aplicaciones a moderadas
profundidades. Las limitaciones del método continúan siendo la incapacidad
de los elastómeros para manejar altas temperaturas, crudos livianos con bajo
corte de agua y alto contenido de aromáticos, medianos a altos volúmenes
de gas libre (el gas afecta la bomba de dos maneras, atacándolo
directamente y por el calor que se genera al ser sustituido los líquidos por la
mezcla gaseosa).
De igual manera, desde el punto de vista mecánico las cabillas
representan un elemento con una capacidad limitada al esfuerzo combinado
al torque y tensión constituyendo algunas veces a ser el equipo que impone
la restricción en el diseño del sistema. Por último, cabe mencionar que estas
bombas son muy versátiles excepto en lo referente a su compatibilidad entre
modelos y marcas ya que ni los Estatores ni los rotores son intercambiables.
Aplicaciones del bombeo por cavidades progresivas.
El sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas debe ser la primera
opción a considerar en la explotación de pozos productores de petróleo por
su relativa baja inversión inicial; bajos costos de transporte, instalación,
operación y mantenimiento; bajo impacto visual, muy bajos niveles de ruido y
mínimos requerimientos de espacio físico tanto en el pozo como en almacén
Las posibilidades de las bombas de ser utilizadas en pozos de crudos
medianos y pesados; de bajas a medianas tasas de producción;
instalaciones relativamente profundas; en la producción de crudos arenosos,
paranínficos y muy viscosos; pozos verticales, inclinados, altamente
24
desviados y horizontales y pozos con alto contenido de agua, las constituyen
en una alternativa técnicamente apropiada para la evaluación del potencial
de pozos o como optimización y reducción de costos.
De igual forma, como alternativa a pozos de gas lift, permite liberar
capacidad de compresión y gas (sobre todo en pozos con altas producciones
de agua) y optimizar la utilización de este último. En general, el sistema de
BCP es una alternativa económica y confiable que resuelve muchos de los
problemas presentados por otros métodos de levantamiento artificial y una
vez optimizado el sistema, su control y seguimiento es muy sencillo.
Rango de aplicación del sistema BCP
Algunos de los avances logrados y que en la actualidad juegan un
papel importante, han extendido su rango de aplicación que incluyen:
Producción de petróleos pesados y bitúmenes (< 18ºAPI) con cortes de
arena hasta un 50 %, producción de crudos medios (18-30 º API) con
limitaciones en él % de SH2, petróleos livianos (>30º API) con limitaciones en
aromáticos, producción de pozos con altos % de agua y altas producciones
brutas, asociadas a proyectos avanzados de recuperación secundaria (por
inyección de agua)
Ventajas del sistema BCP
Los sistemas BCP tienen algunas características únicas qua los hacen
ventajosos con respecto a otros métodos de levantamiento artificial, una de
sus cualidades más importantes es su alta eficiencia total. Típicamente se
obtienen eficiencias entre 50 y 60%. Otras ventajas adicionales:
- Habilidad para producir fluidos altamente viscosos y con altas
concentraciones de arena;
- Habilidad para tolerar altos porcentajes de gas libre (no se bloquea)
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- Ausencia de válvulas o partes reciprocante evitando bloqueo o desgaste de
las partes móviles;
- Muy buena resistencia a la abrasión;
- Bajos costos de inversión inicial y de energía;
- Demanda constante de energía (no hay fluctuaciones en el consumo)
- Simple instalación y operación;
- Bajo mantenimiento;
- Equipos de superficie de pequeñas dimensiones: y
- Bajo nivel de ruido
Desventajas del sistema BCP
Los
sistemas
BCP
también
tienen
algunas
desventajas
en
comparación con los otros métodos. La más significativa de estas
limitaciones se refiere a las capacidades de desplazamiento y levantamiento
de la bomba, así como la compatibilidad de los elastómeros con ciertos
fluidos producidos, especialmente con el contenido de componentes
aromáticos. A continuación se presentan varias de las desventajas de los
sistemas PCP:
- Capacidad de desplazamiento real de hasta 2000 Bls/día o 320 m3/día
(máximo de 4000 Bls/día o 640 m3/día);
- Capacidad de elevación real de hasta 6000 pies o 1850 metros (máximo de
1050 pies o 3500 metros);
- Resistencia a la temperatura de hasta 280 'F o 138 °C (máxima de 350 °F o
178 °C);
- Alta sensibilidad a los fluidos producidos (los elastómeros pueden hincharse
o deteriorarse con el contacto de ciertos fluidos por periodos prolongados de
tiempo);
- Opera con bajas capacidades volumétricas cuando se producen cantidades
de gas libre considerables evitando una buena lubricación)
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- Tendencia del estator a daño considerable cuando la bomba trabaja en
seco por periodos de tiempo relativamente cortos;
- Desgaste por contacto entre las varillas de bombeo y la tubería de
producción puede tornarse un problema grave en pozos direccionales y
horizontales;
- La mayoría de los sistemas requieren la remoción de la tubería de
producción para sustituir la bomba;
- Los sistemas están propensos a altas vibraciones en el caso de operar a
altas velocidades requiriendo el uso de anclas de tubería y estabilizadores o
centralizadores de varillas de bombeo;
- Poca experiencia en el diseño, instalación y operación del sistema.
Sin embargo, estas limitaciones están siendo superadas cada día con
el desarrollo de nuevos productos y el mejoramiento de los materiales y
diseño de los equipos. En su aplicación correcta, los sistemas con bombas
de cavidad progresiva proveen el más económico método de levantamiento
artificial si se configura y opera apropiadamente
Descripción del método de bombeo de cavidades progresivas.
Una bomba B.C.P. está compuesta por un rotor helicoidal de una
sola hélice
que gira dentro de un estator de doble hélice. El rotor está
fabricado en acero de alta resistencia mecanizado con precisión. El estator
esta moldeado con un elastómero resiliente. Se obtiene así la interferencia
adecuada cundo el rotor se inserta dentro del estator, se forman de cadenas
de cavidades progresivas. Al girar el rotor las cavidades selladas entre sí,
moviéndose espiralmente en sentido ascendente sin cambiar de tamaño ni
forma, transportando el producto bombeado.
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Principios de funcionamiento de la BCP.
A grandes rasgos, la Bomba de Cavidades Progresivas (BCP) está
compuesta por el Rotor y el Estator. El Rotor es accionado desde la
superficie por un sistema impulsor que transmite el movimiento rotativo a la
sarta de Cabillas la cual, a su vez, se encuentra conectada al Rotor. El
Estator es el componente estático de la bomba y contiene un polímero de
alto peso molecular con la capacidad de deformación y recuperación elástica
llamado Elastómero.
El funcionamiento de las BCP está basado en el principio ideado por
René Minea (no debe confundirse con la bomba de Arquímedes ya que son
principios totalmente diferentes), la BCP utiliza un Rotor de forma helicoidal
de n lóbulos dentro de un Estator en forma de helicoide de n+1 lóbulos. Las
dimensiones del Rotor y el Estator están diseñadas de manera que producen
una interferencia, la cual crea líneas de sello que definen las cavidades. Al
girar el rotor, estas cavidades se desplazan (o progresan), en un movimiento
combinado de traslación y rotación, que se manifiesta en un desplazamiento
helicoidal de las cavidades desde la succión de la bomba, hasta su descarga.
Figura 7 Sección transversal de una BCP
Fuente: Manual de bombeo de cavidades progresivas
Se cuenta con diversos arreglos de materiales y geometría, sin
embargo la utilizada en la Industria Petrolera Nacional es la de un Rotor
metálico de un lóbulo en un Estator con un material elástico (Elastómero) de
28
dos lóbulos. La Fig.7
muestra una sección transversal de una BCP
convencional (1x2 lóbulos), donde observa como el diámetro del rotor es un
poco mayor que el ancho de la cavidad, produciendo la interferencia (i) que
crea el sello.
Figura 8. Disposición de las Cavidades en una BCP.
Fuente: Manual de bombeo de cavidades progresivas
La Fig. N° 8 muestra un dibujo tridimensional donde se aprecian la
forma y posición de las cavidades formadas entre el Rotor y el Estator.
Nótese que en un mismo plano transversal siempre pueden definirse dos
cavidades, y que el área de estas dos cavidades se complementa, es decir,
cuando una es máxima la otra es mínima, de modo que el área transversal
total es siempre constante.
En la sarta de cabillas se encuentran además lo Acoples de cabillas y
(opcionalmente) los Centralizadores de cabillas, los cuales se utilizan para
prevenir el roce excesivo entre los acoples y la tubería de producción en
29
pozos con marcadas desviaciones (“pata de perro” o “dog legs”), con ángulos
de inclinación muy grandes o en pozos horizontales.
Debajo de la BCP se coloca el Niple de Paro, el cual sirve para
espaciar el Rotor con respecto al Estator. Esta operación será explicada en
detalle en otro apartado de este manual. Opcionalmente y si se requiere, al
Niple de Paro puede conectarse un Ancla de gas, una Empacadura, un Filtro
de Arena, un Ancla Anti-Torque, etc.
Clasificación de las bombas de cavidades progresivas.
Existen diversos criterios con base a los cuales se pueden clasificar
las bombas de cavidades progresivas. Una primera clasificación las divide
en bombas industriales (son bombas horizontales) las cuales abarcan un
gran rango de aplicaciones, como por ejemplo son utilizadas en el agro, en
procesamiento de alimentos, en plantas de tratamiento de agua, etc. La
descripción de estas bombas se encuentra fuera del alcance de este trabajo.
Bombas para aplicaciones petroleras desde extracción de hidrocarburos
hasta recuperación de lodos de perforación y transferencia de fluidos ácidos.
En este documento se han presentado las bombas de cavidades progresivas
destinadas a la extracción de petróleo y gas, en este contexto, se pueden
clasificar las bombas como:
· Bombas Tubulares.
· Bombas Tipo Insertables.
· Bombas de geometría simple.
· Bombas Multilobulares.
· Bombas de para “alto caudal”.
· Bombas de “gran altura”.
30
Descripción de los equipos.
·
Equipos de Subsuelo.
El Estator.
El Estator es un cilindro de acero (o Tubo) revestido internamente con
un Elastómero sintético (polímero de alto peso molecular) moldeado en forma
de dos hélices adherido fuertemente a dicho cilindro mediante un proceso y
especial. El Estator se baja al pozo con la tubería de producción (bombas
tipo Tubular o de Tubería) o con la sarta de cabillas (bombas tipo
Insertables).
Figura 9 muestra un corte longitudinal de un Estator.
Fuente: Weatherford
Un Estator se obtiene por inyección de un Elastómero a alta
temperatura y a alta presión entre la camisa de acero y un núcleo. Este
núcleo, negativo del perfil interno del Estator, es similar a un Rotor de dos
lóbulos. Antes de la inyección del Elastómero, se recubre con un adhesivo la
superficie interna de la camisa de acero (tubo). Luego del vulcanizado el
Elastómero, se enfría y se contrae, lo que permite extraer el núcleo. La
31
magnitud de la contracción depende del tipo de Elastómero; los Estatores
fabricados con el mismo Elastómero y el mismo núcleo, son todos idénticos.
Elastómero.
El Elastómero constituye el elemento más “delicado” de la Bomba de
Cavidades Progresivas y de su adecuada selección depende en una gran
medida el éxito o fracaso de esta aplicación. Es por ello que reviste
internamente al Estator y en si es un Polímero de alto peso molecular con la
propiedad de deformarse y recuperarse elásticamente, esta propiedad se
conoce como resiliencia o memoria, y es la que hace posible que se
produzca la interferencia entre el Rotor y el Estator la cual determina la
hermeticidad entre cavidades contiguas y en consecuencia la eficiencia de la
bomba (bombeo).
Los Elastómeros deben presentar resistencia química para manejar
los fluidos producidos y excelentes propiedades mecánicas para resistir los
esfuerzos y la abrasión. Los Elastómeros más utilizados en la aplicación
BCP, poseen base Nitrílica (convencionales), Hidrogenación Catalítica
(Elastómeros Hidrogenados) o Fluoelastómeros.
Condiciones de elastómeros para PCP
Resistencia a la fatiga: (hasta 500.000.000 de ciclos acumulados de
deformación cíclica)
Elasticidad: Fuerza necesaria por unidad de superficie para estirar una
unidad de longitud.
Dureza Shore “A”: fuerza requerida para deformar la superficie del
elastómero
Resistencia al corte: fuerza necesaria para cortar la muestra en
condiciones ASTM
32
Resiliencia: velocidad para volver a la forma original, para poder volver
a sellar las cavidades
Permeabilidad: para evitar la descompresión
Actualmente existe tres componentes en el mercado de Bomba de
Cavidad progresiva, todo estos componentes son formulados a partir de la
goma de nitrilo. Los componentes y algunas de sus aplicaciones de muestra
a continuación:
Nitrilo con concentración media Acrilonitrilo: este tipo de elastómero
puede ser aplicado en crudo de API menores de 28 grados, con altos cortes
de agua. Así mismo, el material posee excelentes propiedades mecánicas,
teniendo como límite de temperatura de aplicación de 200 grados Fahrenheit.
Nitrilo de alta concentración de acrinitrilo: este material posee alta
resistencia a la presencia de aromática. Puede ser aplicado entre 28 y 38
grados API. El material
soporta temperaturas de hasta 225 grados
Fahrenheit.
Nitrilo altamente saturado y altamente concentración de Acrinitrilo:
este tipo de material no aplica ante la presencia de aromáticos. Sus
propiedades mecánicas son excelentes y soporta temperatura hasta 275
grados Fahrenheit.
Características deseables en los Elastómeros.
·
Buena resistencia química a los fluidos a transportar.
·
Buena resistencia térmica.
·
Capacidad de recuperación elástica.
33
·
Adecuadas propiedades mecánicas, especialmente resistencia a la
fatiga.
Rotor.
El rotor está fabricado con acero de alta resistencia mecanizado con
precisión y recubierto con una capa de material altamente resistente a la
abrasión. Se conecta a la sarta de cabillas (bombas tipo Tubular) las cuales
le transmiten el movimiento de rotación desde la superficie (accionamiento o
impulsor). Un Rotor se fabrica a partir de una barra cilíndrica de acero en un
tono especial. Luego de ser mecanizado se recubre con una capa de un
material duro.
Figura 10.Corte Transversal de un Rotor.
Fuente: Weatherford
Generalmente se trata de un recubrimiento con un proceso electro
químico de cromado. Mientras que los Estatores de un mismo modelo de
bomba, fabricados con el mismo Elastómero, son todos idénticos, los rotores
se mecanizan con varios diámetros y se recubren de varios espesores de
cromado. Las variaciones de estos dos parámetros diámetro y espesor, son
34
los que permiten un ajuste fino de la interferencia. La Figura. N° 10, se
muestra una sección de Rotor.
Niple de paro.
El Niple de Paro es un tubo de pequeña longitud (corto) el cual se
instala bajo el Estator (bombas tubulares) y cuya funciones principales son:
Servir de punto tope al rotor cuando se realiza el Espaciamiento del mismo.
Brindar un espacio libre al rotor de manera de permitir la libre elongación de
la sarta de cabillas durante la operación del sistema. Impedir que el rotor y/o
las cabillas lleguen al fondo del pozo en caso de producirse rotura o
desconexión de estas últimas. Servir de punto de conexión para accesorios
tales como Anclas de Gas o Anti-torque, Filtros de Arena, entre otros.
Figura 11. Nicles de Paro.
Fuente: Weatherford
La Figura. N° 11 muestra los Niple de Paro distribuidos por dos diferentes
conocidas empresas.
35
·
Otros equipos de subsuelo.
Adicionalmente a los equipos mencionados, se cuenta con otros
aditamentos algunos de los cuales son de uso obligatorio bajo ciertas
condiciones. Entre estos equipos se encuentran:
Niple de Maniobra.
Su utilización es obligatoria. El movimiento excéntrico de la cabeza
del rotor junto con el acople de unión a la primera cabilla, describe un circulo
de diámetro mayor que su propio diámetro. El diámetro que permitiría este
movimiento es de D+2E, donde: “D” es el mayor de los dos diámetros, el de
la cabeza del rotor o el diámetro externo del acople. “E” es la excentricidad
de la bomba (dato suministrado por el fabricante o distribuidor).
El Niple de maniobra debe contar con un diámetro interno mayor que
el resultado obtenido con la expresión D+2E. En cuanto a su longitud, la
misma deberá ser la suficiente de manera de garantizar que la cabeza del
rotor (en condiciones de operación) se encuentre en el interior del dicho
Niple. Otra ventaja de este Niple intermedio o Niple de maniobra es que
durante las operaciones (bajada de la completación al pozo) las cuñas,
mordazas, llaves de apriete, etc.; se colocaran en él, en lugar del cuerpo del
estator, evitando así cualquier daño a este último.
Empacadura.
Es un equipo que se activa mecánica o hidráulicamente y que una
vez instalada cierra u obtura completamente el espacio anular entre la
tubería de producción y el revestidor. Este equipo se utiliza en
completaciones donde la producción se lleve hasta la superficie por el
espacio anular. No se recomienda su utilización en pozos con alto contenido
de gas libre a nivel de la bomba y cuya completación considere el manejo de
los fluidos por la tubería de producción.
36
Ancla de Tubería.
Es un dispositivo que fija la tubería de producción al revestidor,
limitando el movimiento axial y rotativo de la sarta. A diferencia de una
empacadura, no realiza un sello en el espacio anular, permitiendo el libre
paso de fluidos a través del anclaje mecánico.
Ancla de Torque.
Al girar la sarta de cabillas hacia la derecha (vista desde arriba) la
fricción entre el rotor y el estator hace que la tubería también tienda a girar
hacia la derecha, en el sentido de su desenrosque. Este efecto puede
originar la desconexión de la tubería, la utilización de un ancla de torque evita
este riesgo. Este equipo se conecta debajo del Niple de paro, se fija al
revestidor por medio de cuñas verticales. Al arrancar la bomba el torque
generado hace que las cuñas se aferren al revestidor impidiendo el giro del
Estator.
Anclas de Gas.
La eficiencia volumétrica de las BCP, al igual que la de otros tipos de
bombas, es afectada de manera significativa por la presencia de gas libre en
su interior. Referirse a los separadores estáticos gas-líquido de fondo de
pozo, generalmente la separación gas – líquido ocurre fuera del ancla
desviándose el gas al espacio anular entre el revestidor y la tubería de
producción y el líquido es enviado a la bomba.
Centralizadores de cabillas
Se suelen colocar solo en aquellos pozos con desviaciones o inclinaciones
muy profundas
37
Figura 12 centralizadores
Fuente: Weatherdord
Los. Se utilizan para evitar el roce de estas con las paredes de la
tuberías de producción. Actúan como un cojinete y estan compuestas de un
vástago cuyas roscan en sus extremos son compatibles con las de las
cabillas y de una camisa plástica de alta resistencia a la abrasión, a los
aromáticos y al H2S.
Niple de Drenaje.
Generalmente se utiliza un Niple de drenaje para desalojar el crudo de
la tubería de producción en aquellos casos cuando no es posible sacar el
rotor de la bomba, por ejemplo cuando falla la sarta de cabillas y no se puede
“pescar” la misma. Es importante no tener crudo en la tubería al momento de
sacar la sarta, ya que de otra manera se corre el riesgo de originar derrames
de crudo indeseados en la superficie contaminando así el medio ambiente.
La mayoría de los Niple de drenaje se activan aplicando presión
interna a la tubería de producción. En el caso de crudo extrapesado, se ha
subestimado, en algunos casos, la presión de descarga de la bomba,
originando que el sistema de drenaje se active durante la operación, con lo
cual es necesario recuperar la tubería.
38
Niple “X”.
Con el fin de detectar agujeros o uniones defectuosas en la sarta de
tubería, se acostumbra realizar una prueba de presión durante la operación
de bajada de la misma. Para realizar esta prueba se puede instalar un Niple
de asiento X, sobre el estator de la bomba, en el cual se asienta una válvula
fija con pescante, la cual es fácil de recuperar luego de la prueba. Si el pozo
presenta
problemas de
corrosión
y la tubería es
re-utilizada,
es
recomendable asentar la válvula en el Niple X e ir probando a medida que se
bajan los tubulares, por ejemplo, cada 10 tubos; de esa manera es más fácil
detectar y corregir la existencia de algún tubo defectuoso.
·
Equipos de Superficie.
Cabezales de Rotación.
El cabezal de rotación sirve de soporte para las cargas axiales, como
accionamiento electro-mecánico (para algunos modelos), evita o retarda el
giro inverso de la sarta de cabillas, aísla los fluidos del pozo del medio
ambiente. Las cargas axiales originadas por el peso de la sarta de cabillas
sumergida en el fluido del eductor y la producida por el diferencial de presión
que levanta la bomba es soportada a través de rodamientos cónicos
ubicados en el cabezal de rotación. Dependiendo del fabricante, pueden
encontrase uno o dos rodamientos actuando en paralelo y distribuyéndose
las cargas.
Motovariadores Mecánicos.
En este sistema el acople entre motor y caja reductora no es directo;
en este caso se realiza a través de un conjunto “variador de velocidad”
formado por correas y poleas de diámetro variable, el cual cumple con la
39
función de permitir el cambio de velocidad de rotación sin requerir la parada
del equipo ni el cambio de componentes.
Esta operación se realiza girando el volante que gobierna la polea
motriz, al mover el volante se varía el diámetro de la polea separando los
discos cónicos que la componen cambiando de esta forma la relación de
transmisión. Los equipos donde se instalan los Motovariadores tienen la
posibilidad de ser ajustados en un rango de velocidades desde 50 R.P.M.
hasta 400 R.P.M.
Motorreductores.
Generalmente en la práctica el rango de operación de las BCP es de
40 a 350 R.P.M. Al girar los motores eléctricos a una velocidad nominal y fija
de aproximadamente 1800 R.P.M. (motores de 4 polos), es necesario contar
con una caja reductora de una relación de transmisión adecuada para llevar
la velocidad angular del motor a velocidades más cercanas a la requerida por
la bomba, además de ser el elemento que suministrará el torque exigido por
el sistema.
En cuanto al cambio de velocidad de operación de la bomba (R.P.M.),
la optimización de la producción y la declinación en la vida productiva de un
pozo, hacen que se requiera de ajustes de esta variable; por lo tanto, y al
ofrecer el motorreductor una velocidad constante, es necesario contar con un
sistema que permita variar las R.P.M. de la bomba, para realizar esta tarea
se utilizan los variadores de frecuencia.
A continuación se presenta a modelo comparativo aplicaciones con
Motovariadores (izquierda) y motorreductor (derecha). Estos diseños
prevalecen en los pozos instalados con BCP en el occidente del país.
40
Figura 13. Evolución de los Equipos de Superficie.
Fuente: Weatherford
Variadores de Frecuencia.
Estos equipos son utilizados en conjunto con los Motorreductores y
con los equipos de polea-correa en los cuales la velocidad es constante (a
menos que se cambie la caja reductora o la relación de poleas) para brindar
la flexibilidad del cambio de velocidad en muy breve tiempo y sin recurrir a
modificaciones mecánicas en los equipos.
El Variador de frecuencia rectifica la corriente alterna requerida por el
motor y la modula electrónicamente produciendo una señal de salida con
frecuencia y voltaje diferente. Al variar la frecuencia, varia la velocidad de
rotación ya que ambas son proporcionales, finalmente al variar la velocidad
de operación, varía la producción. La gran ventaja de estos equipos está
representada por las funciones que brinda entre ellas se destacan:
·
Ajuste de velocidad: Este equipos permite variar la velocidad en un
rango más amplio que los demás sistemas y en un tiempo
relativamente muy cortó.
41
·
Ajuste de arranque y parada: Permiten el ajuste de las rampas de
arranque y parada reduciendo los picos de corriente y controlando el
torque en el sistema.
·
Ajuste de torque: Se puede ajustar el torque de arranque para permitir
arranque seguros, así mismo pueden mantener el torque a bajas
velocidades.
·
Entradas / Salidas analógicas y digitales: Estos equipos poseen
puertos para señales analógicas y/o digitales de manera de captar
alguna variable medida en el pozo o en el cabezal y sobre las cuales
se tomar decisiones y acciones a nivel del programa interno del
variador de frecuencia o generar una señal de salida.
·
Facilita la optimización: La mayoría de las acciones de campo
(supervisión y control) se pueden ejecutar de manera remota.
·
Se reduce la cantidad de equipos montados sobre el cabezal del pozo.
·
Por otra parte, también existen algunas desventajas entre las que se
pueden mencionar.
·
Fragilidad de los equipos: continúan mejorándose para las exigentes
aplicaciones en campo (intemperie, altas temperaturas, humedad,
polvo, corrosión, y otros), por lo tanto algunas de las fallas
presentadas por los mismos pueden estar asociadas a estos factores
ambientales.
·
Poca experiencia por parte de los operadores en este tipo de
tecnología (esto puede superarse con el adiestramiento adecuado).
42
·
Generación de armónicos que se realimentan en la línea de suministro
del fluido eléctrico y que pueden causar daños en los generadores y
en las líneas de transmisión.
Equipos integrados de polea y correa.
Estos equipos son utilizados principalmente en el Oriente del país el
fabricante ofrece principalmente cuatro modelos, de equipos de impulsión de
poleas y correas para los pozos instalados con BCP, estos son accionados
por motores eléctricos, a gas, o por sistemas hidráulicos. Estos cabezales
tienen capacidades desde 5,6 hasta 18 Toneladas de carga axial y desde 40
hasta 300 Hp de potencia.
Figura 14 Equipos Integrados de polea y correas
Fuente: Weatherford
En Venezuela los más utilizados son los cabezales VH-100HP, con el
sistema reductor de velocidad es un conjunto de poleas y correas, el eje
impulsor es de tipo hueco para permitir el paso de una barra pulida de 1-1/4”
o 1-1/2” (ver Fig. N° 13). El soporte del motor se atornilla a la brida del pozo
43
de manera de transmitir el peso de a la misma, se elimina el esfuerzo de
tensión en la “T” de producción y se evita el riesgo de que se desenrosque el
cabezal.
El eje impulsor hueco está soportado por tres rodamientos de
rodillos esféricos de gran capacidad (un rodamiento axial de empuje y dos
rodamientos radiales). Todos son de autoalineados y lubricados con aceite
Figura 15. Cabezal VH-100HP detalles de los rodamientos y componentes
externos
Fuente: Weatherford
Herramienta tecnológicas simuladores
El simulador de procesos es una herramienta de software que agrupa
un conjunto de funcionalidades tales como, bases de datos de propiedades
físicas, propiedades termodinámicas, métodos numéricos, operaciones
unitarias y modelos de cinéticas químicas integradas de forma tal que la
simulación de procesos sea una tarea fácil de llevar a cabo. Cada vez son
más numerosas las propuestas comerciales existentes en el mercado de
software de simulación de procesos, que suministran el simulador bajo el
44
criterio de licencias que en la mayoría de los casos son alquiladas a elevados
costos.
PC-PUMP®
Es un simulador que contiene un módulo de configuración del sistema
que permite introducir información de la geometría del pozo, seleccionar
tamaños de carcasa y tubos, construcción de una sarta de varios fabricantes
de varilla y tipos, y finalmente seleccionar una bomba para evaluar el fondo
del pozo. Por otra parte, un sistema de impulsión del pozo se puede
especificar y analizar.
En las entradas de análisis, se debe especificar las propiedades del
fluido y las condiciones de funcionamiento adecuado para el bien que se está
analizando, PC-PUMP ® tiene funciones fáciles de usar que minimizan el
tiempo de diseño, como la capacidad de ejecutar las comparaciones equipo
por lotes. Además, posee una configuración predeterminada que puede ser
especificado por el usuario para la facilitación sencilla de varios diseños
también.
Utilizados para las pruebas del simulador PCPPUM
-
Existen datos fijos que no se pueden cambiar como los datos
de completación del pozo, datos de producción y datos inherentes del fluido.
-
Datos que se pueden modificar por necesidad como el caudal
de fluido, y/o Profundidad de la bomba.
-
Datos que se seleccionan de acuerdo a las necesidades del
cliente como el modelo de la bomba o diámetro de las varillas.
El modelo de la bomba se debe seleccionar en función del caudal
deseado y de altura esperada, si al correr el programa, los resultados
obtenidos no son satisfactorios, se debe cambiar el modelo de la bomba y
continuar evaluando. Igualmente las varillas se eligen de acuerdo a los
45
resultados obtenidos si el esfuerzo resultante en el eje de impulsión resulta
superior al límites de la varillas, se cambia a un diámetro superior hasta
encontrar el diámetro de la varilla que se ajuste al sistema y que no
sobrepase los limites de esfuerzo.
En tal sentido, la selección adecuada de un sistema de levantamiento
artificial de bombas de cavidad progresiva con todos sus componentes, se
obtiene en función de la experiencia del técnico encargado de realizar los
diseños, quien debe tener muy claros los conceptos de Ingeniería de
producción y los limites esperados en este sistema de levantamiento artificial.
Los resultados obtenidos se arrojan en la hoja de Excel con todos los
parámetros calculados, que se obtienen con los datos que se ingresa al
simulador. Estos deben ser verificados para constatar que la funcionalidad de
la bomba cumpla con los requerimientos de producción esperada y que no
sobrepasen los límites que soporta cada uno de los componentes de este
sistema de bombeo. Si los resultados se encuentran bien determinados para
obtener el diseño optimo, se podrá garantizar un adecuado tiempo de vida
útil y operación del sistema.
Optimización de los parámetros
Cuando se realiza el diseño de una bomba de cavidad progresiva, se
puede tener el caso de presentar varias soluciones generalmente en pozos
que tienen poca profundidad, o cuando el nivel estático se encuentra muy
cerca de la superficie. Existen varios modelos de bombas con los mismos
datos del pozo que cumplen con los requisitos de producción esperada
En este caso la selección de la bomba tendrá que realizarse teniendo
en cuenta los parametros en la vida de la bomba, como son: velocidad de
rotacion, la misma que debe ser moderada y la tasa de produccion
adecuada que nos permita reducir las perdidas de flujo. Puede darse el caso
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de que con los datos disponibles, no se obtenga una solución que satisfaga
los requerimientos de producción deseada; entonces, habrá que realizar
ajuste a los datos proporcionados con la finalidad de ofertar un mejoramiento
del sistema de producción.
Geometría del pozo
El perfil del pozo se especifica en la ficha geometría del pozo se
encuentra en la ventana principal y de esta manera se puede crear uno
usando el modo de diseño también. Al evaluar un pozo direccional, es
importante tener una representación precisa. Durante la perforación o en
algunos casos después de que el pozo se ha completado, se obtiene una
encuesta de dirección que consiste en unas series de profundidad medida, el
Angulo de hoyo y las medidas tomadas desde la superficie de azimut a la
ubicación de fondo de pozo
Configuración del sistema
Selección de la bomba
La ventana de selección de la bomba permite al usuario seleccionar
una o más bombas para el análisis de una extensa base de datos que
contiene casi 2.000 modelos de bombas. Características de la ventana de
selección de la bomba son:
- Módulo de banco de prueba
- Modulo de bomba de encargo
- Modulo de eficiencia
- Estator del modulo Swell
La selección tubular
La ventana de selección tubular permite la selección de revestimiento,
tubos, juntas de cola y la inyección de diluyente. Para el fondo del pozo
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sistemas de accionamiento una mortaja se puede seleccionar en lugar de un
conjunto de cola. PC-PUMP
®
presenta la capacidad de notificar cuando la
bomba seleccionada y el tubo no caben en la caja seleccionada. Tubo cónico
y tuberías de revestimiento también se pueden introducir.
Barra de selección de cadenas
La sarta de varillas ventana de selección permite crear casi cualquier
tipo de cadena de barra con barras de continua, estándar o hueco. Guías
acoplamientos y la barra se pueden añadir, donde el número de guías de la
varilla por varilla se puede especificar o seleccionados por el programa
basado en una fuerza de contacto máxima tubo / barra.
Unidad de superficie de Selección del Equipo
En el modo de superficie del disco, la selección del equipo de la
unidad es opcional. El equipo consta de una superficie drivehead, cinturones,
hidráulica y un motor primario. Drivehead, bombas hidráulicas y motores
hidráulicos se seleccionan a partir de una base de datos de proveedores de
equipo.
Unidad de Selección del Equipo de fondo de pozo
En el modo de avance de fondo de pozo, el equipo de la unidad debe
ser especificado, ya que puede tener un impacto significativo en el flujo entre
las perforaciones y la entrada de la bomba. Equipos de fondo de pozo disco
consta de tres partes: el motor, el "conjunto de la unidad", que PC-PUMP®
define a todo el equipo entre el motor y la bomba (que normalmente incluye
un sello, caja de cambios y eje flexible), y un cable de alimentación. Además
se asegurará de que el cable se ajuste entre los collares de la tubería y la
carcasa. También se asegurará de que el motor y el conjunto de la unidad
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caber dentro de la carcasa o cubierta. Personalizado equipo disco de fondo
de pozo más se puede entrar.
Propiedades del fluido
El líquido se puede especificar que una sola fase (sin gas) o de
múltiples fases (gas en solución y / o gas libre está presente). Propiedades
de los fluidos de una sola fase fluida se pueden introducir mediante la
especificación de la densidad real, o mediante la especificación de la
composición de los fluidos, permitiendo que al programa calcular la densidad.
Propiedades de los fluidos de múltiples fases líquido toma en consideración
la ubicación de la entrada de la bomba (o la cola o la ingesta conjunta de
cubierta si es aplicable) con respecto a las perforaciones para determinar la
cantidad de gas libre en la bomba.
Condiciones de funcionamiento
El panel de las condiciones de operación permite especificar las
condiciones básicas de fondo de pozo y cómo el sistema se ejecutará. El
panel incluye una serie de parámetros de caudal (velocidad del líquido y la
velocidad de la bomba), los parámetros de fondo de pozo de presión (nivel
del líquido, inmersión, presión de fondo y la frecuencia del motor (modo de
fondo de pozo a sólo)) y el IPR (Relaciones Afluencia de rendimiento) de
datos.
Tipos de cálculos
Cuatro opciones de cálculo, la capacidad de realizar cálculos
diferentes en función de la información que busca. Estas opciones se pueden
ahorrar tiempo y proporcionar información sobre el rendimiento del sistema
que no habría sido posible de otra manera.
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-
Cálculo estándar: se ejecuta uno de los casos de cálculo, utilizando
uno de los casos los equipos y una bomba en un conjunto de
condiciones de operación.
-
Comparativa de la bomba: funciona un número de casos, todos con la
carcaza del equipo seleccionado, pero con distintos tipos de bombas.
-
Equipo de comparación: es similar a la comparación de la bomba,
excepto que una bomba se utiliza y casos diferentes equipos se
ejecuta.
-
Lote de comparación: se ejecuta uno de los casos el equipo y una
bomba mediante una serie de condiciones de funcionamiento o
propiedades de los fluidos. Condiciones de funcionamiento o las
propiedades del fluido que se puede variar en un rango específico se
incluyen: líquido tasa, la presión de fondo de pozo, nivel del líquido,
sumersión, velocidad de la bomba, corte de agua, densidad,
frecuencia del motor y viscosidad.
Herramientas de análisis
PC-PUMP® ofrece una amplia variedad de herramientas de análisis
para evaluar y medir el rendimiento de su sistema de fondo de pozo. Además
de asegurar que la bomba tiene el tamaño adecuado para una presión y
volumen, el software controla las cargas varilla para asegurar las barras
tienen la fuerza suficiente para la aplicación, calcula la carga lateral, evalúa
llevar la tubería y las estimaciones de la fatiga.
Importantes variables calculadas son:
· Bomba
de aspiración y presión de descarga
· Bomba
de presión de carga (como% de la presión nominal)
· La
presión hidrostática y de flujo de pérdidas
· Máximo
· Estrés
de la barra de torsión y carga axial
barra de efectivo (como% de rendimiento)
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· Máximo
· Los
de la varilla / tubo de carga de contacto
costos de energía y la eficiencia del sistema
· Sistema
de potencia de entrada y salida de energía primaria de motor
Flujo de energía
Muestra la eficiencia y la energía que se consume de cada
componente del sistema, muestra el desglose de las cargas de presión, par y
la potencia de la bomba a la presión en boca de pozo, la presión hidrostática,
las pérdidas de flujo y el par de fricción.
Unidad de Equipo
Muestra la carga (par, potencia, velocidad, carga axial) y otras
cantidades de salida (por ejemplo, corriente, temperatura del motor) de
interés para cualquiera de las superficies o equipos de la unidad de fondo de
pozo.
Flujo de fluidos básicos
Muestra gráficos de la carcasa y los perfiles de tubo de presión, los
componentes de la presión (es decir, la presión hidrostática frente a la
pérdida de flujo), las pérdidas de flujo (como el causado por el cuerpo de la
varilla y las guías o acoplamientos) y la temperatura del fluido y la viscosidad
efectiva.
Cargas de la barra y flexiones
Muestra en el gráfico la forma del par motor, la carga axial, el esfuerzo
efectivo, la ruptura de torsión, flexión y rotación en comparación con la
profundidad medida. También se muestran cualquier espacio-los requisitos
de la varilla de estirado debido a la carga axial y la expansión térmica.
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Rod / Contacto Tubos
Muestra en el gráfico cargas formulario de contacto, cargas
distribuidas, la ruptura de carga, la barra / tubo de lugares de contacto y guía
de las barras / tubo de lugares de contacto respecto a la profundidad medida.
Flujo multifario
Muestra de los tipos de gráfico de flujo de forma in-situ, y sin solución
de gas, los patrones de flujo y el volumen de la tubería ocupado por un
líquido versus profundidad medida.
Varilla / tubo desgaste
PC-PUMP® puede mostrar las tasas de desgaste de la barra / tubo
basado en el sistema especificado. Ofrece la posibilidad de variar los
materiales en contacto por la sarta de varillas y para mostrar la tasa de
desgaste en función de la profundidad medida.
Barra de fatiga
El módulo de la fatiga varilla da la capacidad de modelar los efectos
de las fluctuaciones de la producción de baja frecuencia (por ejemplo, gas o
agua de slugging). Un análisis de sensibilidad se proporciona a las
fluctuaciones de baja frecuencia, ya que puede ser difícil saber la cantidad de
las cargas pueden variar durante los slugging.
Backspin Análisis
El módulo de Backspin puede calcular la respuesta del sistema a dos
grandes tipos de varilla de situaciones de retroceso: cierre normal de la
bomba y se apoderó. La respuesta de los frenos también puede calcularse si
una curva de frenado es provista por el usuario.
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Arena de asentamiento
Una solución de arena del módulo está disponible para calcular la
velocidad de caudal mínimo (velocidad de ajuste) para evitar que arena se
asiente de nuevo al pozo. En la mayoría de los casos, se recomienda que de
la velocidad de fluido en el tubo sea significativamente mayor a la velocidad
de sedimentación.
Equipos de base de datos
PC-PUMP ofrece una base de datos actual, el modelo integral de las
bombas, las cadenas de la barra, acoplamientos, centralizadores, guías de
varilla, tubería de revestimiento, driveheads, motores hidráulicos y bombas
de superficie, motores de fondo, las asambleas de fondo de pozo en coche y
los cables de alimentación. La mayoría de las especificaciones dentro de la
base de datos han sido obtenidos directamente de los fabricantes de
equipos. La excepción es la información de algunas cadenas de varilla, tubos
y la carcasa que se basan en las normas API.
La amplia selección de las variables de equipamiento y el sistema
permite al usuario hacer la mejor elección de los equipos, sin perjuicio de la
aplicación particular y la disponibilidad del equipo. La base de datos está
encriptado para proteger los datos de propiedad de los proveedores que han
presentado sus diseños de la bomba de C-FER para su inclusión en el
software.
Bombas
La base de datos de la bomba contiene cerca de 2.000 bombas
individuales de 18 diferentes proveedores. La base de datos contiene la
bomba de bombas simples y multilobulares, bombas slimhole, bombas de
inserción y constante bombas de caucho grueso.
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Sarta de varillas
Tres bases de datos contienen equipos del fabricante para las barras,
acoplamientos y guías de varilla para formar la sarta de varillas. La base de
datos contiene más de 150 barra de varillas de 5 vendedores, junto con las
varillas API estándar. Los tipos de varilla de incluir los tipos estándar, la barra
continua y hueco. En la base de datos de acoplamiento, más de 65
estándares y spin-a través de acoplamientos de 11 vendedores se
encuentran disponibles para elegir. La base de datos de guía de la barra
estándar y contiene 120 spin-a través de guías de varilla para elegir.
Tubos y Carcasa
La base de datos contiene más de 30 tubos de tamaños de tubería
diferentes. La base de datos también incluye la tubería de inyección para
inyectar el fondo del pozo diluyente y tubos revestidos de plástico para
reducir la varilla / tubo de desgaste. También se incluyen en la base de datos
son las secciones tailjoint que se pueden unir por debajo de la bomba o
secciones de cubierta montada alrededor del motor que se extiende hasta la
entrada de la bomba. La base de datos de la carcasa contiene más de 50
cajas con diferentes tamaño / peso de las configuraciones.
Unidad de Equipo
El equipo de la unidad de superficie se compone de un drivehead (se
requiere), cinturones (opcional), hidráulica (opcional) y un motor principal
(requerido). PC-PUMP proporciona acceso a más de 200 driveheads, 15 y 24
bombas hidráulicas bombas hidráulicas de los proveedores de equipos
diversos.