bombeo hidraulico.02
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Introducción
Historia y evolución
¿Qué es el BH?
Principios del BH
Funcionamiento
Componentes
Equipo de superficie
Equipo de sub-suelo
Fluido motriz (FM)
Sistema de inyección del FM(abierto FMA, cerrado FMC)
Instalación de fondo
Tipo de BH ( PISTON Y JET)
Cavitación
Especificaciones de componentes
Tuberías utilizadas
Procedimiento Diseño
Fallas
Información requerida
Ventajas
Desventajas
conclusión
En cuanto a popularidad el bombeo hidráulico es menos común en la
industria comparado con el bombeo mecánico y neumático, este tipo de
levantamiento artificial fue desarrollado en 1932 y desde ese momento
ha tenido la misión de transformar la energía mecánica suministrada por
el motor de arrastre en energía oleo hidráulica.
En pocas palabras una bomba debe suministrar un gasto de aceite a
una determinada presión. Este es uno de los métodos mas utilizados
para levantar fluidos de un pozo cuando el yacimiento no cuenta con
energía o presión suficiente para fluir a la superficie.
Una bomba hidráulica es una maquina generadora que transforma
la energía con la que es accionada en energía hidráulica del fluido
incompresible que mueve.
La primera bomba conocida fue descrita
por Arquímedes y se conoce como tornillo
de Arquímedes, en el siglo III a.C.
En el siglo XII Al-Jazari describió e ilustro
diferentes tipos de bombas: reversibles,
de doble acción, de vacío, de agua y
desplazamiento positivo.
La primera bomba hidráulica de fondo
instalada fue en 1932. establecida como
Kobe, por Coberly.
Es un sistema artificial, utilizado
en la industria petrolera, para
elevar fluidos desde el fondo del
pozo hasta el cabezal de
producción, esto se logra
mediante la inyección de un
fluido motriz que va trasmitir
potencia a la bomba de
subsuelo.
El fluido de potencia puede ser agua, aceite o una mezcla de
ambos.
La bomba utilizada en el fondo de pozo así como el Fluido Motriz
inyectado en superficie transmitirán la energía necesaria para
elevar a la superficie los fluidos que aporta el yacimiento.
El Bombeo Hidráulico se basa en el Principio de Pascal el cual enuncia
que la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con la
misma intensidad en todas direcciones.
Ejemplo: En un sistema cuyo
interior esta lleno de fluido y
formado por dos émbolos de
diferente diámetro conectados
entre si, se ejerce una fuerza (FA)
en el émbolo de menor diámetro
(A), crea una presión en el liquido
debajo de dicho émbolo de valor
FA/A. Esta misma presión se
manifiesta en toda la masa del
líquido y ejerce en el embolo
grande (B), una fuerza (FB).
En los tanques de la unidad superficial se recibe el fluido producido, que
es una mezcla del fluido del pozo con el fluido inyectado (dependiendo
del sistema de inyección del Fluido Motriz).
De ahí se envía una parte a la
batería de producción y el restante
una vez limpio de sólidos es
succionado por la bomba múltiple
en superficie para ser inyectado
nuevamente hacia el pozo para
que la bomba de fondo realice su
función de proporcionarle energía
a los fluidos y elevarlos a
superficie.
Los componentes que conforman el sistema de Levantamiento por
Bombeo Hidráulico pueden ser clasificados en dos grandes grupos:
Equipo
de superficie
Equipo de
subsuperficie
Fluido motriz
Tanques de almacenamiento.
Separadores.
Bombas de superficie.
Múltiples de distribución.
Cabezal de boca de pozo
Válvula de control.
Lubricador
Los componentes del equipo de superficie se conforman:
Tanque de almacenamiento.
Este equipo permite
almacenar y tratar el fluido
motriz antes de ser
succionado por la bomba de
superficie.
Separador.
Este se utiliza en superficie para
separar los fluidos producidos por el
pozo agua, aceite y gas.
Y pueden ser verticales u
horizontales dependiendo del
entorno.
Bomba de Superficie.
Su objetivo principal es incrementar la
capacidad de levantamiento y la
eficiencia del sistema.
Las bombas utilizadas en el BH para
bombear el fluido motor desde la
superficie pueden ser triples o
múltiples.
Bomba KOBE triplex para alta presión de bombeo
Bomba national Q300H con
Caterpillar 3406TA
Bomba national de desplazamiento positivo
Bomba centrifuga Multi-tapas
Bomba national Q300H con Caterpillar 3406TA
Múltiples de distribución.
Sirven para regular y/o distribuir el
suministro de fluido de potencia a uno o
más pozos, para esto se usan varios
dispositivos llamados válvulas de control.
Se utilizan múltiples de control cuando se
opera una cantidad apreciable de pozos
desde una batería central.
La mas común a todos los sistemas de
bombeo es la de cuatro vías.
Es aquella válvula capaz de
desviar el fluido a alta presión
para devolverlo al sistema de
presión baja.
Esta válvula controla el volumen
de fluido de la bomba multiplex
hasta la bomba hidráulica del
subsuelo.
Cabezal de boca de pozo.
Entre las funciones principales del cabezal
están:
*Dirigir el FM hacia el fondo del pozo para
bajar y operar la bomba.
*Dirigir el FM hacia el conducto adecuado
para levantar la bomba hasta la superficie.
*Cerrar la línea de FM y proveer un medio
para liberar la presión de la tubería.
Los componentes del equipo de sub-superficie se conforman:
*Bombas hidráulicas
*Sistema de inyección
del fluido motriz (abierto, cerrado)
*TP, TR
*Cavidad
Bomba hidráulica.
Éste tipo de bombas actúan
como un transformador de
energía, ya que convierte la
energía potencial del Fluido
Motriz en una carga de
presión estática suficiente
como para elevar los fluidos
producidos hasta la
superficie.
BH
J
BH
P
Tiene como función la de proporcionar la energía necesaria para accionar el motor de la unidad de producción y además lubricar todas las partes del sistema.
Debido a que el FM estará en contacto con las partes del equipo superficial y de fondo, es recomendable que este no contenga impurezas que puedan, provocar problemas en el futuro, tales como:
*Corrosión. *Abrasión en la tubería de inyección. *Obstrucción de las tuberías. *Mal funcionamiento del motor.
En el sistema de bombeo hidráulico, el crudo o agua se toma del tanque de almacenamiento.
Se envía a la bomba de superficie que puede ser triple o
múltiple. Desde aquí el fluido de potencia, ahora con la presión aumentada por la bomba, esta controlado por las válvulas en el múltiple de distribución y es distribuido en uno o mas pozos.
El fluido de potencia pasa a través de las válvulas del cabezal de pozo y es dirigido a la bomba subsuperficial, éste fluido de potencia acciona el motor que a su vez acciona a dicha bomba. El fluido de potencia regresa a la superficie con el crudo producido y es enviado por tubería a un tanque de almacenamiento para su posterior tratado.
El fluido motriz puede ser agua, aceite o una mezcla de estos.
El FM utilizado para impulsar a la unidad subsuperficial de producción es aceite crudo limpio aunque pueden conseguirse mayores eficiencias utilizando agua limpia como medio hidráulico debido a su menor viscosidad, aunque cabe recordar que es pobre en cuanto lubricidad.
Contenido de sólidos mínimo.
El fluido elegido no debe contener mas de 20 ppm de sólidos, el tamaño de las partículas no deberá exceder a 15 micrones y el contenido de sal no ser mayor de 12 lb/1000 bl de aceite.
Baja viscosidad.
Para elegir el tipo de bomba superficial, si el fluido motriz es sumamente viscoso, la presión de descarga requerida para la bomba deberá ser sumamente alta para moverlo, por lo que se necesita que la viscosidad sea la mas baja posible.
Fluido limpio.
Estará en contacto con las partes del equipo superficial y
de fondo, puede provocar problemas a futuro.
Alto poder de lubricación.
Ya que el fluido motriz estará en contacto directo con
todas las partes mecánicas del motor superficial y por lo
tanto tendrá como función la de lubricar cada una de las
partes que constituyen dicho motor.
La inyección del Fluido Motriz puede manejarse mediante dos tipos de
circuitos:
*Circuito Cerrado
*Circuito Abierto Ambos sistemas son iguales en
cuanto al manejo del fluido de la
parte de los tanques a la unidad de
bombeo pero difieren en la forma de
manejar el fluido motriz que retorna
a la superficie.
Este sistema de inyección fue el primero que se
utilizó y su aplicación es el más sencillo y
económico.
Si se permite la mezcla del fluido motriz con el
fluido del yacimiento a nivel de la bomba de
subsuelo, se debe utilizar un sistema de fluido
motriz abierto (FMA), en caso contrario, se
utiliza un sistema de fluido motriz cerrado
(FMC).
En el circuito abierto el Fluido Motriz regresa a la
superficie mezclado con el fluido producido por el
espacio anular de las tuberías de revestimiento,
producción o inyección, dependiendo del equipo
subsuperficial que se tenga.
Se debe utilizar en la mayoría de los casos, sin
embargo, por razones ecológicas, de seguridad
en sitios poblados, o de espacio físico en
plataformas costa afuera, en algunos casos se
utiliza el sistema FMC.
En este tipo de circuito sólo el fluido
de producción necesita pasar a
través de las instalaciones de
separación, por lo que el Fluido
Motriz permanece en un sistema por
separado sin mezclarse con otro tipo
de fluidos.
Existen dos tipos de instalaciones subsuperficiales básicas que son:
Instalaciones
fijas
Instalaciones
libres
La bomba se conecta al final de la tubería de producción por lo que es necesario realizar movimientos de tubería con equipo de reparación o tubería flexible para su introducción o extracción.
Los diferentes arreglos de este tipo de bomba son:
◦ Bomba Fija de Inserción.
◦ Bomba Fija de Tubería.
• La bomba se conecta a una zapata colocada en la tubería cuyo diámetro interior es mayor que el diámetro exterior de la bomba.
• El FM es inyectado a través de tubería interior y el fluido producido regresa por el espacio anular entre las dos tuberías.
Bomba Fija de
Inserción.
• La bomba va conectada a la TP por lo que pueden ser de mayor diámetro
• El FM es inyectado por la TP y la mezcla de fluidos, inyectado y producido, regresa por el espacio anular de la TR.
Bomba Fija de
Tubería
Las bombas están diseñadas para ser recuperadas o
insertadas mediante la circulación de fluido motriz en las
tuberías.
Esto se realiza inyectando el fluido motriz y se introduce la
bomba hacia abajo para iniciar a producir el pozo. En caso
de contrario se circula el fluido en forma inversa para
regresarla a la superficie para su reparación,
redimensionamiento o cambio.
Existen 2 clases de BH:
*BH
TIPO
PISTON
*BH
TIPO JET
Es aquel que genera y transmite energía al fondo del
pozo mediante un fluido bajo presión que fluye
desde la superficie.
A través de una tubería de inyección, hasta una
unidad de producción subsuperficial la cual está
constituida fundamentalmente de un juego de
pistones reciprocantes acoplados entre si por medio
de una varilla y los cuales impulsan los fluidos
producidos a superficie.
Varilla
Pistón
Válvula
Cuando el FM que viene de la bomba en superficie, ejerce presión sobre la
parte superior del pistón del motor comienza la carrera descendente, el lado
inferior del pistón empujará al fluido motor de retorno hacia la zona de alivio de
la válvula del motor, descargándolo al exterior de la bomba.
Cuando el pistón llega al final de la carrera descendente, el diámetro reducido
en la parte superior del vástago de válvula permite la entrada de fluido motor a
alta presión debajo de la válvula del motor.
Extremo Motor:
Debido a que la válvula de control
tiene mayor área en su parte
inferior que en la superior, esta se
desplazará hacia arriba como
consecuencia de la fuerza
resultante al actuar una misma
presión de fluido motor sobre áreas
distintas y en direcciones opuestas.
Con la válvula de control del motor en la posición superior, las trayectorias de flujo
hacia el pistón de impulsión se invierten, entonces comienza la carrera ascendente.
Cuando el pistón llega al final de la carrera ascendente, el diámetro reducido del
extremo inferior del vástago de la válvula conecta el área debajo de la válvula a la
descarga, o lado de baja presión.
Extremo Motor:
Con la alta presión por encima
de la válvula y solamente con la
presión de descarga abajo, la
válvula de control se desplazará
a su posición superior
completando la carrera para
luego repetir el ciclo.
Carrera Descenden
te.
Carrera Ascendente
.
En la carrera descendente el pistón se mueve hacia abajo, admite el fluido del
pozo a través de la válvula de admisión superior y expulsa al fluido del pozo,
que se encuentra por debajo del pistón, hacia la tubería de retorno hacia la
superficie, a través de la válvula de descarga inferior.
Extremo Bomba:
Las flechas indican que el fluido del pozo está entrando por la izquierda y
llenando la parte superior del cilindro, mientras que el fluido del pozo debajo
del pistón está siendo descargado a través de la válvula de retención inferior.
En la carrera ascendente, el mismo pistón de bombeo desplaza el fluido del
pozo, que se encuentra arriba del pistón, hacia la tubería de retorno a través
de la válvula de expulsión superior.
Simultáneamente la baja presión creada por debajo del pistón abre la válvula
de admisión inferior y entra el fluido del pozo hacia la bomba.
Carrera
Descendente.
Carrera Ascendente
.
Las bombas tipo Pistón pueden ser de:
Acción simple
Doble Acción
Sigue el mecanismo émbolo-
pistón, esta bomba desplaza el
fluido a la superficie en cada
movimiento del émbolo ya sea en
la carrera ascendente o carrera
descendente (pero no en ambas).
Acción simple
Las bombas permiten realizar desplazamiento de fluido durante la carrera ascendente y descendente.
El movimiento del pistón fuera de la válvula de succión, reduce la presión que mantiene la válvula cerrada, abre cuando la presión desciende, y se permiten la entrada de los fluidos del pozo al barril o cilindro de producción.
Al final de la embolada, el movimiento del émbolo da marcha atrás o se invierte, lo cual obliga a la válvula de succión al cierre y a la apertura de la válvula de descarga.
Doble Acción
PROBLEMA CAUSA POSIBLE SOLUCION
Repentino incremento en la
presión de operación en
superficie
a) Descenso del nivel de
fluido, lo que causa mayor
levantamiento neto
b) Generación de parafinas u
obstrucción en la línea del
fluido motriz, línea de flujo
o válvula.
c) Bombeo de material
pesado, como por ejemplo
agua salada o lodo.
a) Circule un tapón soluble
caliente, para remover la
obstrucción.
b) Mantenga la velocidad de
bombeo (no apague el
equipo)
c) Recupere la bomba y
repare o reemplace la
misma.
Incremento gradual en la
presión de operación en
superficie.
a) Gradual disminución del
nivel de fluido
b) Incremento en la
producción de agua
c) Lenta formación de
parafinas
a) Recupere la bomba y
repare la misma. Remueva
la válvula fija.
b) Circule un tapón soluble o
petróleo caliente.
c) Incremente las
emboladas/min de la
bomba y observe presion
PROBLEMA CAUSA POSIBLE SOLUCION
Repentino incremento en la presion de operación en superficie ( la bomba toma fluido motriz)
a) Generación de parafinas en líneas de flujo, tubería de inyección o válvula
b) Taponamiento parcial en la nariz de la bomba.
a)Circule un tapón soluble o petróleo caliente, y remueva obstrucción b) Recupere la bomba y repare nariz.
Lenta disminución de la presion de operación en superficie
a) Lenta generación de parafinas.
b) Desgastes de garganta y boquilla.
a) Recupere la bomba y limpie boquilla
El bombeo hidráulico tipo jet es un sistema artificial de producción especial que fue diseñado en reemplazo del BHP, no ocupa partes móviles y su acción de bombeo se realiza por medio de transferencia de energía entre el fluido motriz y los fluidos producidos mediante el efecto Venturi.
El fluido motriz inyectado desde la superficie pasa por la boquilla que tiene
una área reducida, transforma el fluido de alta presión y baja velocidad en
un fluido de alta velocidad y baja presión(de energía potencial a cinética).
Con esta variación la presión en la entrada de la garganta disminuye lo
que genera que ele fluido de la formación con mayor presión ingrese a la
succión de la bba “cámara de mezcla”(efecto Venturi)
Luego de efectuarse a mezcla en
la cámara y de transferirse la
inercia de fluidos, la mezcla posee
alta energía cinetica. Cuando la
mezcla ingresa en la zona del
difusor se produce una
disminución de la velocidad y un
aumento en la presión de
descarga, lo suficientemente alta
como para levantar los fluidos a superficie.
En la garganta, la presión debe permanecer por encima
de la presión de vapor para prevenir el daño por
cavitación, de lo contrario, ocurrirá formación de burbujas
de vapor.
El daño por cavitación es causado por el colapso de estas
burbujas en la superficie de la garganta, lo cual puede,
eventualmente cambiar el área seccional de esta parte de
la bomba influyendo negativamente en su rendimiento.
BHP
• Alta eficiencia de desplazamiento volumétrico.
• Se pueden utilizar bombas libres (auto recuperables).
• Buena aplicación en pozos desviados.
• Profundidades de aplicación de 5,000 metros.
• Aplicaciones multipozos.
BHJ
•No hay partes en movimiento.
•Puede manejar altos gastos de producción.
•Buena aplicación en pozos desviados.
•Aplicaciones multipozos.
•Bombas Libres (auto recuperables).
•Bajo mantenimiento.
•Diámetros pequeños para aplicaciones con línea de acero o tubería
BHP
• Volúmenes de producción medios de 50 a 1000 BPD.
• Requiere ensambles de fondo específicos.
• Disminuye su eficiencia con la presencia de gas y sólidos
BHJ
• Producción depende de la presión de fondo y RGA.
• Requieren ensambles de fondo específicos.
• Altos requerimientos de presión superficial.
• Baja eficiencia de aprovechamiento de la potencia del motor.
TANQUE DE ASENTAMIENTO Consta de un tanque de 3 anillos, de 750 barriles de capacidad, con un sistema de drene apropiado.
SEPARADOR ATMOSFÉRICO Dispositivo cilíndrico, esbelto de mayor altura que el tanque de asentamiento, la sección superior de mayor diámetro que la inferior. La entrada del fluido debe hacerse por la parte superior. LÍNEA DE ALIMENTACIÓN AL TANQUE Debe ser de 4” de diámetro como mínimo, conectada a las acción inferior del separador y con una válvula de control, que debe de ser de compuerta. La línea de bajo del centro del difusor en un extremo debe de llevar una “T” en posición vertical DIFUSOR Debe ser nivelado perfectamente para evitar fugas de aceite por el extremo mas alto.
LÍNEA DE DESCARGA AL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
Punto de salida de esta línea debe estar localizado a 12 pies del fondo del tanque y es necesario conectarla a la descarga de vapores para evitar efecto sifón.
Debe conectarse al tanque de almacenamiento a 18” de la cúpula para mantener el nivel del fluido necesario para alimentación de la bomba triplex.
LÍNEA DE ALIMENTACIÓN A LA BOMBA TRIPLEX
Debe estar instalada diametralmente opuesta a la línea de descarga al tanque de almacenamiento, para evitar la canalización del tanque.
LÍNEA DE DESCARGA DE VAPORES
Debe tener un diámetro mínimo de 3”, y esta como todas las tuberías superficiales, debe estar protegida contra la corrosión y deterioro mecánico.
Se selecciona de acuerdo con:
El volumen a manejar
Las presiones de operación.
Las longitudes que tiene que cubrir.
La limitación física debido a los diámetros interiores de la tubería de revestimiento
Alimentación a los tanques almacenadores de fluido motriz: tubería de línea de 3”, 4” y 6”.
Alimentación de bomba triplex: tubería de línea de 3” y 4”.
Descarga de las bombas triplex al cabezal de distribución: tubería reforzada de 1”,1-1/4” y 2”.
Descarga del cabezal de distribución a los pozos: tubería reforzada
de 1”,1-1/4” y 2”.
Descarga de pozos a batería de separadores: tubería de línea de 3” y 4”.
Descarga del pozo a los tanques de fluido motriz (circuito cerrado):
tubería reforzada de 1”,1-1/4” y 2.
Estas tuberías son reforzadas (J-55,N80) y se unen entre si por medio
de grampas colocadas una en cada tramo de tubería de inyección, o
bien por medio de flejes metálicos y en la misma forma. Se usa grasa
sellante a base de zincen los coples, con objeto de evitar fugas.
Las medidas mas usuales son:
Tubería de inyección de 3/4”,1”, 1-1/4”, 1-1/2” y 2
Tubería de producción de 2”,2-1/2”,3”, 3-1/2” y 4”
Tubería de descarga de 3/4”, 1”, 1-1/4” y 1-1/2”
Este procedimiento sirve como guía para la elección de una instalación de bombeo
hidráulico y determinar la presión superficial del fluido motriz, necesario para cada
pozo.
Determinar la Pwf para el gasto deseado.
Decidir el tipo de instalación (abierto o cerrado)y si se ventea el gas o se pasa por la
bomba.
Determinar el desplazamiento de la bomba para producir el gas deseado. (Se puede
considerar la eficiencia de la bomba como 80%).
Seleccionar una bomba para manejar el desplazamiento requerido. (usualmente se
trata de elegir una bomba que cumpla con un 85% de seguridad al gasto deseado,
mas de una bomba pueden manejar el gasto.
Verificar la velocidad de la bomba requerida.
Determinar los requerimientos de fluido motriz considerando una eficiencia volumétrica del motor del 80%.
Determinar el volumen total del fluido de retorno y la presión ejercida por la columna de fluidos de retorno.
Determinar las pérdidas de presión por fricción del fluido en el desplazamiento descendente.
Determinar las pérdidas de presión por fricción de fluido que retorna a la superficie.
Encontrar la presión de levantamiento de fluido de retorno (carga+fricción+pth).
Determinar la presión efectiva de la columna de fluidos (carga estática–fricción).
Determinar las pérdidas de fricción en la bomba.
Determinar la presión de operación superficial del fluido motriz.
Seleccionar una bomba triplex adecuada.
Falta de fluido motriz
Obstrucción del flujo
Fugas
Cambios de condiciones del pozo
Desgaste del motor
Contaminación del fluido motriz
Alta producción de gas
Corrosión
Abrasividad
Taponamientos…
Profundidad del pozo.
Especificaciones de TR, TP.
Diagrama de completamiento.
Gravedad especifica del petróleo, agua y gas.
Viscosidad del petróleo.
Porcentaje de agua producida.
La relación gas aceite.
Presión estática, Pws.
Presión en cabeza, Pwh, para entrar en la línea de
producción.
Presión de burbuja, Pb.
• Pueden ser usados en pozos profundos (+/-18000 pies).
• Puede ser utilizado en pozos desviados, direccionales y sitios
inaccesibles.
• Varios pozos pueden ser controlados y operados desde una
instalación central de control.
• Puede manejar bajas concentraciones de arena.
• Es mas flexible para adaptarse a cambios en la producción.
• Químicos o agua se pueden inyectar con el fluido motriz para
condiciones especiales.
• Costo inicial alto.
• Las instalaciones de superficie presentan mayor riesgo, por la
presencia de altas presiones.
• Altos costos en la reparación del equipo.
• No es recomendable en pozos de alto RGP.
• Problemas de corrosión.
• El diseño es complejo.
• Requiere que el personal de operaciones tenga los conocimientos
suficientes, y a falta de esto han resultado las aplicaciones con diseños
no apropiados para las condiciones.
El BH aparece como la solución a todo tipo de
producción artificial de pozos petroleros, sin embargo,
factores prácticos, como contaminantes en el aceite,
arena, agua y depositación de parafinas en tuberías y en
general el excesivo costo de tratamiento particularmente
cuando la producción posee alto corte de agua hacen
que su atractivo sea menor.
BERNAL, MaríaCristina; GONZALES, Luis Alberto; ESTUDIO Y ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE BH UTILIZANDOALGUNOS CAMPOS.
BOMBEO HIDRAULICO TIPO PISTON. REINEL CORZO RUEDA REINEL. SANTOS JUAN CARLOS
