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ASIGNATURA:
SISTEMAS ARTIFICIALES
DE PRODUCCION
2011-1
PROGRAMA PARA EL DISEÑO
DEL PCP
INTRODUCCION
Los pozos productores de petróleo, durante su vida productiva, pueden clasificarse como fluyentes o
de bombeo. Los pozos fluyentes son aquéllos en donde el aceite llega a la superficie por la energía propia
del yacimiento, ya sea por empuje hidráulico, por gas disuelto o por algún otro mecanismo. Los pozos de
bombeo son aquéllos que tienen integrado un Sistema Artificial de Producción (SAP), el cual le proporciona
la energía necesaria a los fluidos para poder elevarlos a la superficie.
En los los ultimos 85 años, el campo de los sistemas artificiales de produccion de hidrocarburos ha cambaido
significativamente. Desde los años 20´s, donde el bombeo mecanico surgia como unico metodo de
produccion por bombeo, hasta la actualidad, cuando existen diversas tecnologias eficientes de
levantamiento adaptables a areas especificas de produccion, las cuales han hecho a un lado la supremacía
del balancin en la produccion de aceite.
El bombeo por Cavidades Progresivas represneta el metodo con mayor indice de crecimeinto anual, lo que
da una clara idea de la aceptacion que ha tenido desde su implementacion. En tan solo 20 años ha logrado
demostrar su excelente eficiencia para realizar el trabajo de levantameinto en diferentes aplicaciones que
van desde la produccion de crudos altamente pesados y viscosos, hasta la extracion de gas metano
proveniente de acuiferos en yacimientos carboniferos, convirtiendose, en muchoas casos, en la unica
alternativa de produccion en condiciones que para otros metodos se calificarian de exigentes, ineficientes y
de alto costo y riesgo.
Sin embargo, a pesar de todas estas caracteristicas positivas a favor de las PCP, la relativa falta de
conocimiento y diversas limitaciones asociadas principalmente con limitadas capacidades volumeetricas y
de levantamiento, relativos cortos tiempos de vida util y la sensibilidad del elastomero ante la presencia de
ciertas y determinadas condiciones, hacen de este metdoo uno de los mas riesgosos desde el punto de vista
operativo.
Evidentemente a medida que se entienda mejor el sistemas, sera posible optimizarlo a traves de mejores
practicas operacionales, desarrollos tecnologicos apropiados y mejor criterio para la selección de
componentes adecuados.
Lso sistemas de PCP estan todavia en sus inicios comparados con otros sistemas, a este sistema se le ha
venido realizando, continuas mejoras, tanto en su rango de aplicación como en termins de ampliar su
comportameinto. Con esto se espera que, al cabo de algunos años, el empleo de este sistemas como
sistema artificial de produccion, crezca de manera constante, como un reflejo de lo eficiente, economico y
practico que ha demostrado ser en la indutria petrolera para la produccion de hidrocarburos .
http://cmtoti.blogspot.com/ ANTECDENTES DEL PCP
La Bomba de Cavidades Progresivas tiene su origen en el “tornillo sin fin”, uno de los numerosos
inventos de Arquímedes (287 a.C - 212 a.C), este invento fue originalmente utilizado como sistema
para sacar agua de la sentina de los barcos y posteriormente como sistema para elevar agua, harina o
grano.
El concepto de Bomba de Cavidad Progresiva como metodo de Levantamiento Artificial fue desarrollado a
finalada de 1920, por René J. Moineau; nacido en franica de 1887, mostrando cualidades intelectuales e
inventivas. En 1913 participa en una carrera de hidroplanos, surgiendo de esta el interes en el desarrollo de
un compresor de aire de alta capacidad, para el cual realiza estudios en la Facultad de Ciencias de la
Universidad de Paris, logrando el grado de Doctor en 1930; su tesis “Un Nouveau Capsilisme” (El nuevo
Capsulismo). Establece las bases de la Bomba de Vavidades Progresivas , inspirado en el tornillo de
Arqumides que data del siglo III. El 13 de mayo de 1930, logra aplicatr para su primera patente un nuevo
cencepto en maquinas mecanicas; aplicacles para bombas, motores y dispositivos de transmision.
En 1932, el Dr. Moineau en asociacion con Gévelot Company forma la compañía “Pompes Compresseurs
Mécanique” (PCM). A partir de 1932 y durante casi 20 años PCM fue el unico fabricante de bombas PCP en
el mundo hasta que se decidió vender la licencia de fabricacion.
En sus inicios, la tecnología de cavidades progresivas estuvo dirigida al desarrollo de sistemas de
transmisión y bombas de transferencia para aplicaciones industriales como: alimentos, paple, agricultura,
petroleo, etc. La primer aplicación en la industria petrolera fue a mediadios de la decada de 1950, cuando
se desarrollaron los primeros motores hidraulicos con mecanismo de doble rotor helicoidal para ser
utilizados en la perforacion de pozos direccionales y no fue sino hasta finales de la decada de 1970 cuadno
se realizaron esfuerzos considerables para utilizarlos como metodo de levantamiento artificial para pozos
productores de hidrocarburos.
En 1979, algunas operadoras canadienses de crudo pesado, cuyos pozos producian fluidos con una alta
produccion de arena, empezaron a experimentar con BCP. Una vez que las pruebas en estas exigentes
aplicaciones fueron exitosas, el desarrollo de sistemas completos de fondo y superficie aumento
rapidamente. En los años siguientes se incremento de manera considerable la frecuencia conq eu se
utilizaban estos sitemas,e n los campos de crudo pesado de Canadá.
De manera paralela, los fabricantes obtuvieros grandes avances, logrando mayores capacidades
volumetricas y de levantamiento, asi como una mejora en la calidad del os elastómeros con respecto a su
resistencia. Ada de 1990 se desarrollaron innovaciones, esto se vio reflejado en el ioncremento del rango
de aplicación de lso sistemas de BCP.
En los ultimos 20 años, los sistemas de bombeo por Cavidad Progresiva hasn experiemtado un desarrollo
gradual como sistema artificial de produccion. Aqunue seria dificil obtener el numero preciso de pozos
operados cone l sitema BCP, existe una estimacion de 30, 000 que se envuentran localizados alrededor del
mundo. Aqunque la gran mayoria de estas instalaciones, alrededor de 18 ,000 estan en canada.
El uso del PCP se esta incrementando rapidamente en el resto del los paises productores del mundo.
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FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
El sistema de levantamiento artificial de Bombeoo por Cavidades Progresivas consiste en elevar los fluidos
dentro del pozo hasta la superficie; incrementando su presion por medio de la bomba de cavidades
progresivas.
La Bomba de cavidades progresivas esta compuesta por dos piezas fundamentales, el rotor y el estator. El
rotor tienen la forma de un tornillo y gira dentro del estator, el cual esta revestido internamente por un
elastomero.
Cuando el rotor gira dentro del estator, se genera una serie de cavidades que se van desplazando desde el
principio hasta el final de la bomba. Las cavidades se llenan del fluido, en la succión, y lo descargan al final
de la bomba con una presión mucho mayor, necesaria para poder elevar los fluidos hasta la superficie, y
poder vencer la contrapresión requerida en la cabeza del pozo.
Debido a que las cavidades están hidráulicamente selladas entre si, el tipo de bombeo, es de desplazamiento positivo.
El movimiento del rotor es generado por una sarta de varillas (o por una varilla contina). La sarta de
varillas transmite el movimiento rotacional al rotor desde un motor ubicado en la superficie, el cual
regula la velocidad de rotación.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Los sistemas PCP 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%. 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.
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.
VENTAJAS
•Habilidad para producir fluidos altamente viscosos.
• Habilidad para producir con altas concentraciones de arena.
•Habilidad para tolerar altos porcentajes de gas libre (no se bloquea).
•Ausencia de válvulas o partes reciprocantes evitando bloqueo o desgaste de las partes móviles.
•Muy buena resistencia a la abrasión.
•Bajos costos de inversión inicial.
•Bajos costos de energía.
• Demanda constante de energía (no hay fluctuaciones en el consumo).
•Simple instalación y operación.
•Bajo mantenimiento.
•Equipos de superficie de pequeñas dimensiones.
•Bajo nivel de ruido.
DESVENTAJAS
•Capacidad de desplazamiento real de hasta 2000 Bls/dia máximo de 4000 Bls/.
•Capacidad de elevación real de hasta 1850 metros (máximo 3500 metros).
•Resistencia a la temperatura de hastA 138 °C (máxima 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).
•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.
http://cmtoti.blogspot.com/ COMPONENTES DEL SISTEMA
La unidad típica del sistema de bombeo por cavidades progresivas está constituida en el fondo del pozo por
los componentes: rotor, estator, varillas, centralizador y tubería de producción. Las partes superficiales son:
motor eléctrico, cabezal de rotación, líneas de descarga, tablero de control, sistema de frenado, sistema de
transmisión de energía (conjunto de bandas), caja de cambios, caja de sello (stuffing box) y eje impulsor.
La integración de los componentes es indispensable, ya que cada uno ejecuta una función esencial en el
sistema para tener las condiciones de operación deseadas que permitan impulsar a la superficie el gasto de
aceite requerido.
El equipo superficial consiste de un pequeño cabezal de rotación y un motor eléctrico de bajo poder. El
cabezal alberga la caja de cambios, un sistema de frenos integrado y un eje impulsor (varilla pulida).
Las varillas están sujetas al eje impulsor del cabezal de rotación (o varilla pulida), el cual está ensamblado
directamente sobre la cabeza del pozo.
El movimiento del eje es provocado por un sistema polea-bandas, en donde el motor primario es el que
genera el movimiento rotacional y es transmitido al eje a través de un juego de bandas conectadas entre
dos conjuntos de poleas, uno sujeto al motor y el otro al eje impulsor.
DISEÑO DEL SISTEMA
Dentro del la industria petrolera una fase de la cadena de valor es el disñeo de l as operaciones a realizar en
un pozo desde la etapa de exploracion hasta el periodo de exploracion.
El éxito del diseño de un aparejo de Bombeo por Cavidades Progresivas (PCP), depende de la buena calidad
de la información utilizada, que incluye: pruebas de producción, tipo de fluidos producidos, estado
mecánico del pozo y datos complementarios que permitan asegurar el funcionamiento confiable del
sistema.
La selección optima de una bomba de cavidades progresivas comienza por la determinacion de dos
parametros fundamentales:
La presion que la bomba debe suministrar de manera que pueda llevar los fluidos desde le
fondo del pozo hasta la superficie.
La tasa de produccion total que debera desplazar la bomba. (que es dado por la sumatoria
de los volumenes de aceite, gas y agua a condiciones de bomba).
La selección del elastomero es primordial debe ser realizada con base a los ensayos de laboratorio y las
exigencias del medio donde sera instalada la bomba.
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GRAVEDAD Y VISCOSIDAD DEL
PETRÓLEO
El petróleo pesado y viscoso genera caídas de presión en la tubería de producción, las cuales deben ser absorbidas
por la bomba, ya que en la medida que el petróleo sea
más pesado y viscoso afectara su
desenvolvimiento. La alta viscosidad incrementa el
valor del torque de las varillas en la tubería.
PRESENCIA DE
CO2 Y H2S
A pesar de que los elastómeros con que se
construye el estator toleran ciertos gases, siempre es recomendable realizar
pruebas de compatibilidad inicial para evitar daños
prematuros y prolongar su tiempo de vida.
CONTENIDO DE GAS EN EL FLUIDO DE FORMACIÓN
De acuerdo al principio de funcionamiento de las
bombas, pueden transportar fluidos multifásicos con alta
RGA a la entrada, pero deben instalarse en el pozo a un
nivel por encima de la profundidad donde la
presión es aproximadamente igual a la presión de burbuja, aunque debe tenerse mucha precaución en el diseño, ya
que a ese nivel el volumen es mayor.
PARAMETROS PARA LA SELECCIÓN DE LA BOMBA
L as bombas son adaptadasa tuberias de 2 3/8, 2 7/8, 3 ½ “y 4” con gastos de hasta 4 mil barriles diarios.
Cada fabricante ofrece un rango de bombas para trabajar en diferentes condiciones, sin embargo, existen 3
puntos clave que debemos tomar en cuenta:
TERMINACION Y PERFIL DEL POZO
De acuerdo a su capacidad las bombas pueden bajarse en tuberías de revestimiento desde 4 ½”. Su
comportamiento de bombeo no se altera por la inclinación en pozos desviados aunque las varillas
deben ser bajadas con protectores. Debe reservarse suficiente espacio anular con la tubería de
revestimiento, para estar preparados en caso de bajar herramientas o hacer alguna pesca.
DATOS DEL YACIMIENTO
En base a la obtención de la curva de afluencia al pozo, se podrá establecer el mejor ritmo de producción
de acuerdo con la capacidad de la formación para aportar fluidos.
CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS A LEVANTAR
PARAMETROS PARA LA SELECCIÓN DE LA
BOMBA
• Terminación y Perfil del pozo
• Datos del yacimiento
• Características de los fuidos a levantar
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA
SELECCIÓN DEL ESTATOR
Para conocer si el estator de la bomba es compatible con la tubería de producción, se emplea la
siguiente ecuación:
dmax = = diametro maximo del estator [pg]
dTR = diametro interno del la TR [pg]
SELECCIÓN DEL ELASTÓMERO Para la selección del elastómero a utilizar es necesario realizar lo siguiente: 1. Realizar un análisis de Presión, Volumen y Temperatura (PVT) de los fluidos producidos para determinar: Viscosidad, Gravedad API, Contenido de Saturados, Aromáticos, Resinas, Asfaltenos.
TEMPERATURA DEL FLUIDO
Generalmente la profundidad donde se
instala la bomba no excede los 2 mil metros, y por ello las temperaturas
son menores a 110 ºC, que es la temperatura crítica
de los elastómeros de nitrilo. Sin embargo, en caso de levantar crudos
pesados con vapor, la temperatura puede alcanzar los 200 ºC,
debiendo usar elastómeros especiales.
PRESENCIA DE AROMÁTICOS
Los elastómeros son muy sensibles al hinchamiento. De acuerdo al contenido de aromáticos se debe
seleccionar el elastómero más apropiado.
PRESENCIA DE ARENA
Los fluidos bombeados pueden contener arena pero deben tomarse en
cuenta las siguientes precauciones:
Evitar que la arena se aglomere en la entrada de
la bomba.
Evitar que durante el paro no sedimente la
arena en la tubería, ya que en el arranque pueden
existir problemas.
http://cmtoti.blogspot.com/ 2. Realizar un estudio de compatibilidad entre el elastómero y los fluidos producidos mediante el cual se evalúa la capacidad mecánica inicial del elastómero y la variación de las propiedades mecánicas en muestras envejecidas.
SELECCIÓN DEL ROTOR
Para la selección del diámetro del rotor debe considerarse el hinchamiento por efecto de la temperatura de
fondo, composición y viscosidad de los fluidos manejados. Con estos datos se realiza una primera selección
del diámetro del rotor utilizando los catálogos de los fabricantes, las experiencias en campo determinarán
la selección definitiva. Se dispone de tres tipos de rotores:
De dimensiones estándar
Subdimensionado
Sobredimensionado
Para la selección, se requiere conocer la temperatura (°F) y viscosidad dinámica (f) del fluido en
centipoises, ya que con estos datos podremos determinar qué tipo de rotor de los arriba mencionados,
será el ideal de acuerdo a la grafica siguiente.
Propiedades de los
elastomeros
Prop. Mecanicas
min. requeridas
Hinchamiento 3 – 5 %
Dureza Shore A 55 – 70 puntos
Resistencia Tensil Mayor a 15 MPa
Enlongacion a la ruptuptura Mayor del 500 %
Resistencia a la fatiga Mayor a Mciclos
Resistencia al corte Mayor a 4 kg/mm
SELECCIÓN DEL NIPLE DE PARO
El niple de paro es un accesorio de la bomba y generalmente es de 1’ de longitud. Para conocer las
dimensiones en cada caso se debe ver el catálogo del fabricante.
SELECCIÓN DE LA BOMBA
CÁLCULO DEL ÍNDICE DE PRODUCTIVIDAD
Existen diversos métodos para predecir el comportamiento de flujo al pozo (Vogel, Fetkovich, etc.), sin
embargo, para este trabajo se considerará la utilización del modelo matemático de Vogel.
Donde:
qo = Gasto de aceite [bpd]
qomáx = Gasto màximo de aceite [bpd]
Pws = Presion de fondo estática [psi]
Pwf = Presion de fondo fluyendo [psi]
CÁLCULO DE LA CAPACIDAD HIDRÁULICA DE LA BOMBA
Dos de las variables a considerar en la selección de una bomba de cavidad progresiva la constituyen su
capacidad de levantamiento (head) y su desplazamiento volumétrico.
La capacidad de almacenamiento de la bomba será la exigencia de levantamiento neta que esta deberá
suministrar para llevar los fluidos desde el subsuelo hasta la superficie. La siguiente expresión define la
capacidad de levantamiento de la bomba:
http://cmtoti.blogspot.com/ Como factor de seguridad para determinar la Pp, se considera un 20 por ciento adicional.
PRESIÓN DE DESCARGA (Pd): Representa la energía o presión requerida para llevar los fluidos desde la
profundidad de asentamiento de la bomba hasta la superficie. La componen los siguientes elementos:
Presión del Cabezal: Es la presión necesaria para llevar los fluidos desde el cabezal del pozo hasta el tanque, manifolds, estaciones de flujo, etc., y depende de la presión en estos puntos y de las características de la línea de flujo.
Peso de la columna hidrostática: Es la presión que ejerce la columna de fluidos (en la tubería de producción) sobre la bomba.
Pérdidas por fricción: Es la presión adicional necesaria para vencer las perdidas a través de la tubería de producción. Presión de Entrada (Pent): Es la presión natural del yacimiento a la profundidad de asentamiento de la bomba (admisión) para producir determinada tasa de flujo. Está relacionada en gran medida a la Pwf del yacimiento, por lo cual la forma ideal de estimarla es a partir de la curva de afluencia del pozo (IPR).
CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE ENTRADA Si se dispone de la curva de IPR la presión de entrada puede ser calculada con el uso de la siguiente expresión:
donde:
Pe : Presion de entrada [psi] Pwf :Presion de fondo fluyendo [psi]
C : Gradiente del agua [0.433 psi/pies]
L : Gravedad especifica del liquido [adimensional] Hperf :Profundidad media de los disparon [pies]
Hb : Porfundidad de entrada de la bomba [pies]
De lo contrario, si no se dispone de la curva de IPR la presión de entrada puede ser calculada utilizando la siguiente ecuación:
Donde: Pe : Presion de entrada [psi] PCHP: Presion ene l anular medida en superficie [psi] C1 : Gradiente de gas [0.0005 psi/pies] C2 : Gradeinteespecifica del gas [0.433 psi/pies]
g : Gravedad especifica del gas [adimensional]
Hfl : Profundidad del nivel dinamico [pies] C2* g * (He –Hfl)] CÁLCULO DE LA PRESIÓN DE DESCARGA Para facilitar la compresión en esta sección, se considerará flujo monofásico (sólo líquido). Con base en esta premisa, la presión de descarga puede ser estimada mediante el siguiente cálculo: Pd = Presion dedescarga [psi] PTHP = Presion en la tuberia de produccion [psi] Pcolumna = Efecto de la columna hidrostatica [psi]
Pfriccion = Perdidas por friccion PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS A CONDICIONES DE BOMBA
http://cmtoti.blogspot.com/ Los perfiles de presión y temperatura a lo largo del pozo cambiarán dependiendo de la terminación del pozo y de su producción. Estos cambios (especialmente los cambios de presión) tendrán un efecto en las propiedades de los fluidos producidos así como los volúmenes que estos ocuparán a condiciones de fondo de pozo. Para poder diseñar adecuadamente la bomba, se debe considerar el volumen total de fluidos a manejar por ésta a condiciones de fondo de pozo. Para calcular estos volúmenes hay que partir de una estimación de la presión de entrada. Para calcular la temperatura a condiciones de entrada de la bomba, se puede utilizar la siguiente ecuación:
Te : Temperatura a la entrada de la bomba (ºF) Twh : Temperatura en el cabezal de l pozo (ºF) He : Prtofundidad de la bomba (pies) Tbh : Temperatura de fondo de pozo (ºF) Hperf : Profundidad de las perforaciones (pies) Ya que se han estimado las presiones y las temperaturas, se puede proceder al cálculo de volúmenes de petróleo, agua y gas a condiciones de la bomba. Primero es necesario estimar algunas propiedades de los fluidos tales como: RELACION GAS – ACEITE (Rs)
Es el volumen de gas entrampado en el aceite
COMPRESIBILIDAD DEL GAS FACTOR Z
PROPIEDADES DE
LOS FLUIDOS
Relacion Gas – Aceite (Rs)
Compresibilidad del Gas Factor Z
Factor de Volumen del Gas (Bg)
Factor de Volumen del Aceite (Bo)
Factor de Volumen del Agua (Bw) (se considera constante)
Volumen de Aceite
Volumen de Gas
Volumen de Agua
Relación que define cuanto volumen de gas puede ser comprimido en función de la temperatura y presión. FACTOR DE VOLUMEN DEL GAS (Bg) Factor que define cuanto ocupa a condiciones de fondo de pozo una unidad de gas libre (a condiciones normales o de tanque)
FACTOR DE VOLUMEN DEL ACEITE (Bo) Factor que define cuanto ocupa a condiciones de fondo de pozo una unidad de aceite libre (a condiciones normales o de tanque) FACTOR DE VOLUMEN DEL AGUA (Bw) (SE CONSIDERA CONSTANTE) Factor que define cuanto ocupa a condiciones de fondo de pozo una unidad de agua libre (a condiciones normales o de tanque) Al tener completas las propiedades de los fluidos anteriores, nos es posible calcular los volúmenes de aceite, gas y agua que deberá transportar la bomba hasta la superficie. Una vez obtenida la capacidad de levantamiento, la producción estimada y recomendando una velocidad de operación de la bomba de 250 revoluciones por minuto (rpm), se selecciona la bomba deseada según los gráficos proporcionados por el fabricante. Para realizar esta selección se deben ejecutar los siguientes pasos: 1. Se ubica en el eje vertical de la tabla la capacidad de levantamiento calculada Pps (considerando el factor de seguridad del 20 por ciento). 2. Se determina la producción deseada referida a la velocidad (rpm) máxima de diseño con la que se construyó la tabla mediante la siguiente expresión: 3. Se ubica la producción calculada en el punto anterior en el eje horizontal de la figura. Considerando la gráfica y teniendo los siguientes datos de operación:
http://cmtoti.blogspot.com/ La intersección de la línea en verde, identifica la bomba a seleccionar: **En caso de que no se disponga de la gráfica anterior, y en cambio, se tenga una tabla descriptiva de las bombas disponibles, podría suceder que nos encontremos con dos bombas diferentes que puedan manejar el mismo gasto, pero diferente capacidad de levantamiento. En esta circunstancia la bomba correcta será aquella que cumpla con el valor calculado de Pps Para la selección de la bomba (diámetro externo del estator), siempre se deben considerar las limitaciones existentes por las dimensiones de las tuberías de revestimiento presentes en el pozo. SELECCIÓN DEL TIPO DE TUBERÍA DE PRODUCCIÓN Lo más recomendable para la selección de las dimensiones de la tubería de producción es mantener el mismo diámetro a lo largo del pozo. En general, los fabricantes definen para cada tipo de bomba, tablas que relacionan la compatibilidad entre la bomba, la varilla y la tubería de producción. CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS DE TENSIÓN Torsión y dimensiones de las varillas de succión. Una vez diseñado el arreglo de tuberías y la posición de cada elemento del sistema dentro del pozo tendremos que estar al pendiente de los esfuerzos a los que se expondrá cada componente dada la presión interna, tensión, colapso y torsión existente en superficie y al fondo. SELECCIÓN DEL GRADO DE LA VARILLA Depende de las características de los ambientes de operación. En general, en ambientes corrosivos se requieren varillas grado K y en ambientes no corrosivos se utilizan varillas grado C.
DIMENSIONES DE LA VARILLA Revisar la tabla donde se presentan las características principales de las varillas de succión (Diámetro, peso, área efectiva, longitud, etc.) CÁLCULO DE LAS CARGAS AXIALES SOBRE LAS VARILLAS La carga axial que soportan las varillas de bombeo está determinada por el peso de las varillas, el efecto de la presión sobre la bomba y por las fuerzas de levantamiento o empuje.
http://cmtoti.blogspot.com/ TORSIÓN GENERADA POR LA RESISTENCIA AL TORQUE En aplicaciones de bombeo de cavidades progresivas el torque puede ser definido como la energía necesaria para girar el rotor dentro del estator y la sarta de varillas dentro de los fluidos contenidos en la tubería de producción llevándolos hasta la superficie. En este tipo de sistemas está compuesto principalmente por: - Torque por fricción: requerido para vencer la interferencia entre el rotor y el estator. - Torque Hidráulico: es la energía necesaria para vencer la fuerza originada por el diferencial de presión en la bomba. - Torque Resistivo: se origina por los esfuerzos de corte entre los fluidos producidos y la sarta de varillas, coples y centralizadores. Para definir el esfuerzo de torsión se hace necesario calcular el torque total que considera los efectos del torque mecánico y torque por fricción según la siguiente expresión: El torque por fricción depende de la interferencia rotor/estator, tipo de rotor, grosor del cromo, del elastómero utilizado, de la geometría y longitud de la bomba y de las propiedades de los fluidos producidos. Este valor se obtiene de los ensayos en el banco de pruebas. El torque hidráulico (Th)es directamente proporcional al diferencial de presión en la bomba y al desplazamiento de la misma.
El torque resistivo (Tr) depende principalmente del espacio anular entre la tubería de producción y la sarta de varillas, de la geometría de los centralizadores y acoples, de la viscosidad de los fluidos producidos y la velocidad de operación de la bomba. Esta expresión es válida para regímenes de flujo laminar y turbulento. Para fluidos de baja viscosidad (<1000 cp) el torque resistivo puede ser despreciado (ej. crudos ligeros, pozos que producen con alto corte de agua, relativa temperatura de fondo, etc.) La potencia requerida para accionar la bomba es función directa del torque total y puede ser estimada mediante la siguiente expresión: SELECCIÓN DEL ANCLA DE GAS. En aquellos casos donde la separación de gas natural no es suficiente y la viscosidad del fluido lo permite, se recomienda el uso de un separador estático de gas (ancla de gas). Uno de los factores por los cuales no se aplica un separador dinámico en pozos con bombeo por cavidades progresivas es porque las velocidades de rotación alcanzadas son muy bajas y no permiten accionar eficientemente el separador centrífugo.
EQUIPOS DE SUPERFICIE CÁLCULO DE POTENCIA Y SELECCIÓN DEL MOTOR. Una vez seleccionada la bomba, se toma su curva de comportamiento correspondiente. Esta curva varía dependiendo del fabricante, pero en general con ella podemos calcular los requerimientos de potencia al motor (HPc) y la velocidad de rotación (rpm) necesaria para producir el gasto de aceite (qo) para el diseño. La potencia del motor considerando los esfuerzos combinados, también puede ser calculada mediante la CODIGO DEL PROGRAMA
http://cmtoti.blogspot.com/ program pcp1 implicit none real::E,D,dd,pe,pr,A,V,pbdp,api,hperf,hb,pentrada,gamagp,agua real::m,tempf,gamao,p_a,a,rso,boo,b_o,abo,dpf,dtp,ftp1,aaa,densm,pcolumna real::temps,tbomb,zz,az,bz,cz,dz,pprz,ppcz,tprz,tpcz,bg,dvar,pesovar,longvar,elasvar real::fss,faa,flevantamiento,lvarillas,lbomba,aeio,dcop,xyz,abc,avar real::torqt,torqh,torqf,torqr, potenciar real::muo,amu,bmu,muom,xmu,ymu,zmu,qo,qomax,pws,pwf,py,J,i integer::nvari,l real,dimension(11)::presion,gasto write(*,*)' UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO' write(*,*)'' write(*,*)' FACULTAD DE INGENIERIA' write(*,*)'' write(*,*)' DIVICION DE INGENIERIA EN CIENCIAS DE LA TIERRA' write(*,*)'' write(*,*)' SISTEMAS ARTIFICIALES DE PRODUCCION' write(*,*)'' write(*,*)' Diseño del sistema ' write(*,*)' de' write(*,*)' Bombeo de cavidades progresivas' write(*,*)'' write(*,*)'' write(*,*)' EQUIPO 7' write(*,*)'' write(*,*)' http://cmtoti.blogspot.com/ '
write(*,*)'' pause call system ("cls") write(*,*)'Ingresa los datos' write(*,*)'Pws[psi]' read(*,*) pws write(*,*)'Pwf[psi]' read(*,*) pwf write(*,*)'qo[BPD]' read(*,*) qo write(*,*)'Contrapresion en la boca del pozo [psi]' read(*,*)pbdp write(*,*)'introduce los grados API del aceite' read(*,*)api write(*,*)'introduce el valor de gamagp' read(*,*)gamagp write(*,*)'introduce la temperatura en el fondo [F]' read(*,*)tempf write(*,*)'introduce la temperatura en la cabeza del pozo [F]' read(*,*)temps write(*,*)'profundidad media de los disparos [ft]' read(*,*)hperf write(*,*)'profundidad de la entrada de la bomba [ft]' read(*,*)hb
write(*,*)'dtp, diametro de la tuberia de produccion [in]' read(*,*)dtp write(*,*)'WOR [blo/blw]' read(*,*)agua tbomb=temps+hb*((tempf-temps)/hperf) write(*,*) qomax=qo/(1- .2*(pwf/pws) - .8*(pwf/pws)**2) l=1 do i=0,pws,0.1*pws presion(l)=i gasto(l)=qomax*(1- .2*(i/pws) - .8*(i/pws)**2) l=l+1 end do write(*,*)" pwf gasto" do l=11,1,-1 write(*,*)presion(l),gasto(l) end do write(*,*)'' write(*,*)'' gamao=141.5/(131.5+api) pentrada=pwf-(0.433*gamao*(hperf-hb)) write(*,*)'' write(*,*)'CALCULO DE LA CARGA DINAMICA TOTAL' p_a=10**(0-2.57364+2.35772*log10(pentrada)-0.703988*((log10(pentrada))**2)+0.098479*((log10(pentrada))**3)) if (api>=40)then a=0.130 rso= gamagp*((p_a*(api**0.989) /( tbomb**a) )**(1/0.816)) b_o=rso*((gamagp/gamao)**0.526)+0.968*tbomb abo= 2.91329*log10(b_o) - 0.27683*((log10(b_O))**2)-6.58511 boo=1+(10**abo) else a=0.172 rso= gamagp*((p_a*(api**0.989) /( tbomb**a) )**(1/0.816)) b_o=rso*((gamagp/gamao)**0.526)+0.968*tbomb abo= 2.91329*log10(b_o) - 0.27683*((log10(b_O))**2)-6.58511 boo=1+(10**abo) end if write(*,*)'MEDIANTE LA CORRELACION DE OISTEIN' write(*,*)'' write(*,*)'presion de entrada en la bomba de ',pentrada,'[psi]' write(*,*)'temperatura de entrada en la bomba de',tbomb,'[F]' write(*,*)'bo @ entrada de la bomba=',boo,'[bls/bls]'
http://cmtoti.blogspot.com/ write(*,*)'rs @ entrada de la bomba=',rso,'[ft3/bl]' write(*,*)' ' write(*,*)' VISCOSIDAD MEDIANTE LA CORRELACION DE ' write(*,*)' BEAL,CHEW Y CONNALLY ' !muo,amu,bmu,muom,xmu,ymu,zmu zmu=3.0324-0.02023*api ymu=10**zmu xmu=ymu*tbomb**(0-1.163) muom=(10**xmu)-1 bmu=5.44*((rso+150)**(0-0.338)) amu=10.715*((rso+100)**(0-0.515)) muo=amu*(muom**bmu) write(*,*)'viscosidad =',muo,'[cp]' write(*,*)' ' !---------------calculo de Z tpcz=168+325*gamagp-12.5*(gamagp**2) tprz=(tbomb+460)/tpcz ppcz=677+15*gamagp-37.5*(gamagp**2) pprz=pentrada/ppcz cz=0.132-0.32*log10(tprz) dz=10**(0.3106-0.49*tprz+0.1824*(tprz**2)) bz=((0.62-0.23*tprz)*pprz)+(((0.066/(tprz-0.86))-0.037)*(pprz**2))+((0.32/(10**(9*(Tprz-1))))*(pprz**6)) az=(1.39*((tprz-0.92)**0.5))-0.36*tprz-0.101 zz=az+((1-az)/exp(bz))+cz*(pprz**dz) bg=0.005025*((tbomb+460)*zz)/pentrada write(*,*)'el factor de compresibilidad Z=',zz write(*,*)'el factor de volumen Bg=',bg,'[bl/ft3]' !---------------- m=350.5*(gamao+1.01*agua)+0.0764*rso*gamagp aaa=dtp*1000000/(qo*m) ftp1=0.005415-0.000572*aaa+0.0001848*(aaa**1)+0.000005843*(aaa**3) densm=gamagp*62.47*.3931+0.0752*gamagp*(1-.3931) dpf=0.0069444*(densm+((ftp1*((qo*m)**2))/(2.979*100000*densm*((dtp)**5)))) pcolumna=0.433*hb*gamagp WRITE(*,*)'' write(*,*)'LAS CAIDAS DE PRESION POR FRICCION SE OPTIENEN MEDIANTE ' write(*,*)'LA CORRELACION DE POETTMANN Y CARPENTER' write(*,*)'' write(*,*)'el gradiente de caida de presion por friccion es=',dpf,'[psi/ft]' write(*,*)'' write(*,*)'la caida de presion en la Tp por friccion es ',dpf*hb,'[psi]' write(*,*)'la presion ejercida por la columna de fluido sobre la bomba es ',pcolumna,'[psi]' write(*,*)'la presion requerida en la descarga de la bomba es de ',dpf*hb+pcolumna+pbdp,'[psi]' write(*,*)'' write(*,*)'' write(*,*)'SELECCIONAR LA BOMBA' write(*,*)'considerando no rebasar el diametro interno de la TR' write(*,*)'D, interno estator [mm]' read(*,*)D write(*,*)'d, diametro rotor [mm]'
read(*,*)dd write(*,*)'Pe, longitud de la bomba [mm]' read(*,*)pe write(*,*)'Pr, longitud de in ciclo [mm]' read(*,*)pr E=(D-dd)/2 A=4*dd*E V=(A*pe)/1000000000 write(*,*)'' write(*,*)'E. excentricidad del rotor =',E,'[mm]' write(*,*)'volumen de la cavidad generada ',A/100,'[cm2]' write(*,*)'V. el desplazamiento por cada vuelta es =',V,'[m3]' write(*,*)'el gasto es =',V*60*24,'m3/d/rpm =',V*60*24*6.2898,'bbl/d/rpm' write(*,*)'q @100 RPM =',V*60*24*6.2898*100,'bbl/d=',V*60*24*100,'m3/d' write(*,*)'q @250 RPM =',V*60*24*6.2898*250,'bbl/d=',V*60*24*250,'m3/d' write(*,*)'q @500 RPM =',V*60*24*6.2898*500,'bbl/d=',V*60*24*500,'m3/d' write(*,*)'' write(*,*)'SELECCIONAR EL TIPO DE VARILLA CONSIDERANDO:' write(*,*)'CARCTERISTICAS DEL AMBIENTE DE OPREACION' write(*,*)'DIAMETRO MAXIMO EN LA TP' write(*,*)'' 1000 WRITE(*,*)' VARILLAS DIPSONIBLES' write(*,*)' DIAMPETRO AREA PESO EN EL CONSATNTE DE LONGITUD' write(*,*)'# API[in] [in2] AIRE [lb/ft] ELASTICIDAD [ft]' write(*,*)' [in/lb/ft]' write(*,*)'---------------------------------------------------------------' write(*,*)'1 5/8 0.307 1.13 1.270*10^-6 30' write(*,*)'2 3/4 0.442 1.63 0.883*10^-6 30' write(*,*)'3 7/8 0.601 2.2 0.649*10^-6 30' write(*,*)'4 1 0.785 2.88 0.497*10^-6 30' write(*,*)'5 1 1/8 0.994 3.67 0.393*10^-6 30' write(*,*)'--------------------------------------------------------------' write(*,*)'SELECCIONA UNA OPCION' read(*,*)nvari select case (nvari) case(1) dvar=0.625 avar=0.307 pesovar=1.13 elasvar=1.270*0.000001 longvar=30 case(2) dvar=0.75 avar=0.442 pesovar=1.63 elasvar=0.883*0.000001 longvar=30 case(3) dvar=0.875 avar=0.601 pesovar=2.2
http://cmtoti.blogspot.com/ elasvar=0.649*0.000001 longvar=30 case(4) dvar=1 avar=0.785 pesovar=2.88 elasvar=0.497*0.000001 longvar=30 case(5) dvar=1.125 avar=0.994 pesovar=3.67 elasvar=0.393*0.000001 longvar=30 case default write(*,*)'ESCOGE UNA OPCION QUE EXISTA' goto 1000 END SELECT write(*,*)'Diametro externo del cople o centrador [in]' read(*,*)dcop write(*,*)'CALCULO DE LAS CARGAS AXIALES SOBRE LAS VARILLAS' write(*,*)'' aeio=(2*(dd*0.03937)**2)+(13*E*dvar)+(16*E**2) lbomba=0.79*(((dpf*hb+pcolumna+pbdp)-pentrada)*0.6*(aeio)-(dpf*hb+pcolumna+pbdp)*(dvar**2))!lbs lvarillas=pesovar*(hb-(pe*0.0032808))!lbs xyz=(log(dvar/dtp))/(((dtp**4)-(dvar**4))*(log(dvar/dtp))+(((dtp**2)-(dvar**2))**2)) abc=dvar+(((dtp**2)-(dvar**2))/(2*dvar*(log(dvar/dtp)))) fss=0.000006242*(hb-(pe*0.0032808))*V*60*24*6.2898*100*dvar*xyz*abc faa=0.7854*dpf*2*((dcop**2)-(dvar**2)) flevantamiento=faa*fss write(*,*)'la carga axial es ',lbomba+lvarillas+flevantamiento,'[lbs]' write(*,*)'de la cual ',lbomba,'[lbs] por el efecto de la presion sobre la bomba' write(*,*)'de la cual ',lvarillas,'[lbs] por el peso de las varillas' write(*,*)'de la cual ',flevantamiento,'[lbs] por fuerzas de levantamiento y empuje' write(*,*)'' write(*,*)'CALCULO DE LATORSION GENERADA POR LA RESISTENCIA AL TORQUE' !torqt,torqh,torqf,torqr,100RPM torqh=0.000897*V*60*24*6.2898*((dpf*hb+pcolumna+pbdp)-pentrada) torqr=(0.0000000477*(dvar**2)*(dtp**2)*(hb-(pe*0.0032808))*muo*100)/((dtp**2)-(dvar**2)) write(*,*)'torque hidraulico + torque resistivo =',torqh+torqr,'[ft*lb] @ 100 rpm' write(*,*)'introduce el torque por friccion [ft*lb]' read(*,*)torqf torqt=torqh+torqf+torqr potenciar=(0.000191*100*torqt)*1.2 write(*,*)'la potencia requerida por la bomba es de ',potenciar,'[HP]' pause end program pcp1
BIBLIOGRAFIA: SISTEMA DE BOMBEO POR CAVIDADES PROGRESIVAS: DISEÑO, OPERACIÓN Y OPYIMIZACION DE SU FUNCIONAMIENTO. TESIS UNAM. AUTOR ALEJANDRO FERNANDEZ ARELLANO. AÑO 2005 DISEÑO BASICO Y SELECCIÓN PC PUMP. OIL PRODUCTION.NET SISTEMA DE BOMBEO POR CAVIODADES PROGRESIVAS APLICADO A POZOS DESVIADO. TESIS UNAM. AUTOR: ESQUIVEL ORTEGA, SALVADO EXPLOTACION DE YACIMIENTOS DE CRUDO PESADO. TESIS UNAM. AUTOR: CARRIL NARANJO, JOSE EDUARDO