20

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):

21

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:

22

Ecuación 4 relación de presión

Pyacimiento-DPtramo A-DPtramo B+ DPbomba- 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

DPbomba= 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.

23

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)

25

- 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.

27

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.

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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.

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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).

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· 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

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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 de la barra de torsión y carga axial

· Estrés barra de efectivo (como% de rendimiento)

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· Máximo de la varilla / tubo de carga de contacto

· Los 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.