FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEO DE BOMBEO MECNICO

Para una buena se leccin del equipo a utilizar es necesario conocer datos que soporten la decisin, entre estos podemos citar:

El gasto o tasa de produccin esperada. Las cargas a soportar por las cabillas. Las cargas en la caja de engranajes de la unidad de bombeo. Aporte del yacimiento, etc.

Las bombas de subsuelo pertenecen a la familia de bombas de desplazamiento positivo del tipo reciprocantes, las cuales son colocadas en el fondo del pozo. Este elemento es el primero que se debe de considerar al disear una instalacin de bombeo mecnico para un pozo, ya que de acuerdo al tipo, tamao y ubicacin se dimensiona el resto de los componentes del sistema.

Gasto de produccin,

Qo = 1/K Profundidad

Con un nivel de fluido a 1,000 pies se puede producir hasta 4,000 bpd.Pero a profundidades > 7,000 pies apenas se producir 500 bpd.

Manejo de slidos, estos pueden generar efectos indeseables en la bomba, llegando al punto de paralizar el movimiento del pistn en el barril y a su vez crear incrementos de esfuerzos en las cabillas y en la unidad de bombeo. Lo anterior se debe a que la bomba de fondo contiene componentes metlicos en movimiento y con ajuste especfico.

Profundidad y Sarta de Cabillas, Estas son el medio de transporte de la energa desde el equipo de superficie hacia la bomba de subsuelo. La transmisin de energa est influenciada por el comportamiento de la sarta, que a su vez depende de la profundidad.

La sarta de cabillas son de alta esbeltez, y la relacin entre la longitud del elemento y el ancho de su seccin transversal es mayor que su dimetro, lo anterior, hace que estas se comporten como un cuerpo flexible comportamiento que las hace sensibles a la profundidad. Factor que debe de tomarse en cuenta al momento de disear.

En la Figura se puede apreciar cmo influye la profundidad en los costos de inversin y a su vez con el gasto d fluido manejado.

Conforme aumenta la profundidad los costos se incrementan a causa de la sarta ms larga y a su vez se requieren de unidades de bombeo de mayor capacidad para poder manejar una sarta de mayor peso, longitud y mayor demanda hidrulica. Por lo tanto, a medida que se tiene una profundidad mayor la carrera efectiva de la bomba de subsuelo se reduce, a causa de la elongacin de la sarta de cabillas y de la tubera perdiendo parte del movimiento efectivo de la unidad de bombeo al convertirse este en elongacin a lo largo de la sarta.

Costo de inversin, el BM se encuentra en ventaja desde el punto de vista econmico, con respecto a los dems sistema para un rango de 300 bpd. Gastos mayores a este es preferible utilizar otro tipo d levantamiento como es el caso del hidrulico y para gastos por arriba de 800 bpd el BEC pudiera ser la mejor opcin.

Cargas en las cabillas y el caja de engranajes, estos proporcionaran dimensin al equipo de superficie y a la sarta de cabilla. Estos se debern calcular a partir del potencial del pozo, la cantidad de flujo manejado y el dimetro de la bomba.

Costo de la energa y eficiencia del sistema, Al disear un sistema de levantamiento es importante considerar cual es la prioridad del diseo, es decir, si de requiere una configuracin para extraer el mximo gasto de los fluidos o si se necesita una con el ptimo consumo de energa. Esto ltimo es vlido cuando los costos de energa afectan sensiblemente la rentabilidad del proyecto.

Esto puede ser:

Si se trata de minimizar los costos de energa, se pueden utilizar bombas ms grandes y velocidades de bombeo menor, pero a su vez, las bombas ms grandes incrementan las cargas en las cabillas y los torques en la caja de engranaje, por lo tanto, se requieren de unidades de bombeo ms grande, esto por supuesto incide en los costos de inversin.

Si se quiere utilizar bombas de menor dimensin, pero con igual produccin, es necesario aumentar la velocidad de carrera de bombeo, esto incrementa el consumo de energa pero, podra reducir el requerimiento de tamao de la unidad de bombeo. Bsicamente se tiene un compromiso entre eficiencia, carga en la cabilla y el tamao d la unidad de bombeo.

Anlisis Nodal

El objetivo principal es conocer el punto de operacin de un sistema de levantamiento artificial, en donde se relaciona el aporte del yacimiento con el sistema de levantamiento que incluye la tubera de produccin hasta la superficie.

Los dos criterios que se deben cumplir en un anlisis nodal son:

El flujo hacia el nodo debe ser igual al flujo que sale del mismo. Solo puede existir una presin en el nodo, a un gasto de flujo dado.

Para el caso del Bombeo Mecnico, el sistema puede considerarse compuesto por los siguientes elementos principales:

El yacimiento El pozo (incluyendo los componentes y elementos de este tipo de levantamiento ubicados en el fondo del pozo, y La lnea de flujo, la cual incluye separadores y tanques de almacenamiento

Los nodos entre los elementos principales del sistema son:

La cima de los disparos, este es el nodo comn entre el yacimiento y el pozo. El cabezal del pozo, el cual es el nodo comn entre el pozo y la lnea de flujo.

El nmero de nodos no tiene lmites, pueden estar tan lejos o tan cerca como se desee, con tal de que sea posible establecer entre ellas la correspondiente relacin flujo presin.

La relacin a lo largo el sistema puede ser escrita como sigue:

P yacimiento DP nodo A DP nodo C + DP bomba Dp nodo D DP lnea de flujo P separador = 0

P yacimiento = Presin de yacimientoDP nodo A = Presin diferencial del nodo ubicado entre el yacimiento y la cima de disparosDP nodo C = Presin diferencial del nodo ubicado entre le cima de disparos y la entrada de la bomba.DP bomba = Presin diferencial originado por la bomba.Dp nodo D Presin diferencial del nodo ubicado entre la descarga de la bomba y el cabezal del pozo.DP lnea de flujo = Presin diferencial del nodo ubicado entre el cabezal del separador y el separador.P separador = Presin del separador

Ubicacin de nodos en un sistema de bombeo mecnico

Uno de los principales componentes del anlisis total del sistema, es la presin en los disparos o pwf. Para obtener la presin en este punto, se recurre al comportamiento de afluencia IPR, el cual, cubre la regin del yacimiento al fondo del pozo. Para el anlisis se cuentan con las ecuaciones de gradiente de presin en tuberas.

PROCEDIMIENTO DE DISEO EN BOMBEO MECNICO

Lo importante en el diseo de una instalacin de bombeo mecnico es predecir los requerimientos de:

Cargas Potencias y Contrabalance Relaciones de esfuerzos Torques y Gastos de produccin

Una vez conocidos estos parmetros, el equipo apropiado puede ser seleccionado para cumplir los requerimientos establecidos.

Mtodo API RP 11L

Este mtodo est basado bajo las siguientes consideraciones:

Llenado completo de la bomba de subsuelo (sin interferencia de gas o golpe de fluido). Cabilla de acero con diseo API. Unidades de bombeo de geometra convencional. Poco deslizamiento del motor. Unidad perfectamente balanceada. No debe de existir grandes efectos de friccin o aceleracin de fluido. No hay efectos por aceleracin del fluido. Tubera de produccin anclada. Profundidades mayores a 2,000 pies.

Todos los datos obtenidos de estas cartas dinagrficas se utilizaron para desarrollar curvas adimensionales y luego fueron validadas con un gran nmero de diseo prctico.Procedimiento de Clculo

El clculo de las RP 11L requiere de los siguientes pasos principales:

1.- Recoleccin de datos, estos pueden ser de una instalacin existente o de datos calculados.2.- Clculo de parmetros adimensionales independientes.3.- Utilizando las grficas de diseo API, obtener los parmetros adimensionales dependientes.4.- A partir de los parmetros adimensionales dependientes, se determina los parmetros operacionales del sistema.

EJEMPLO DE APLICACIN

Datos:

Unidad de bombeo: ConvencionalLongitud de carrera en superficie: 100 pulgadasCombinacin de cabillas (No. 76): 7/8 x Profundidad de la bomba: 6,000 piesDimetro del pistn: 1.25 pulgadasVelocidad de bombeo: 11 gpmGravedad especfica del fluido: 0.8Tubera de produccin: anclada

Calcular: Las cargas Esfuerzos Potencia Contrabalanceo requerido y El torque para un pozo con estas caractersticas de bombeo

Solucin:

a) Para una bomba con pistn de 1.25 de dimetro y una combinacin de cabillas de 7/8 x , el mtodo API sugiere la siguiente distribucin por tamao de cabillas: Tabla 2.7 Kermit Brown 30.6% de 7/8 = 1,825 pies L1= 0.306 (6,000) = 1,836 pies 69.4% de = 4,175 pies L2= 0.694 (6,000) = 4,164pies Total 6,000 pies 6,000pies

b) Peso de las cabillas en el aire (Wr) es igual a 1,814 lbs /pie (dato tabulado). Entonces el peso total de la sarta (W) ser:

W = longitud de la sarta x peso por unidad de longitudW = 6,000 pies x 1,814 lbs / pie = 10,884 lbs.Como la sarta de cabillas est sumergida en un fluido con gravedad especfica de 0.8, su peso ser menor, debido a la flotabilidad.

El Peso Total de la Sarta de Cabillas en Flotacin (Wrf) sera:

Wrf = W [1 0.128 (G)]

Donde:

Wrf = Peso total de cabillas en flotacin [lbs]W = Peso total de cabillas en el aire [lbs]G = Gravedad especifica del fluido [adimensional]

Entonces:

Wrf = W [1 0.128 (G)]Wrf = 10,884 lbs [1 0.128(0.8)] G = Dato del problema Wrf = 9,769 lbs.

c) La Carga de Fluido Sobre la Bomba (Fo), depende de la gravedad especfica del fluido (G) propiamente dicho, la profundidad de levantamiento (H) y el dimetro del pistn (D). As que;

Fo = 0.340 x G x D2 x H Carga de fluido sobre la bomba es laFo = 0.340 (0.8) (1.25)2 (6,000) columna hidrosttica dentro del pozo.Fo = 2,550 lbs.

La informacin suministrada indica que la bomba est instalada en el fondo; por lo tanto, si el pozo tiene un nivel de fluido alto, el Levantamiento Neto (H) ser menor de 6,000 pies.

d) El Clculo de Estiramiento de Cabillas Adimensional, (Fo / SKr) es una de las relaciones claves para determinar una carta dinagrficas parecida. La constante elstica de la sarta de cabillas (Er) es un valor tabulado en el reporte. Esto es:

Er = 0.812 x 10-6 pulgs / lbs pie Er = Elastic Constant

Las propiedades de estiramiento total de la sarta de cabillas, estn relacionadas con su constante Kr, cuyo recproco es: 1 ------ = Er x L Kr 1 ----- = 0.812 x 10-6 x 6,000 = 4.872 x 10-3 0.0049 x 10-3 pulg / lbs Kr

Esto significa que los 6,000 pies de cabillas se estiraran 4.87 x 10-3 pulgadas por cada libra aplicada sobre ella. Ahora podemos ya Calcular la Relacin Adimensional de Estiramiento:

Fo 2,550 (0.0049) --------- = ---------------------- = 0.125 S Kr 100

Esto quiere decir, que los 6,000 pies de cabillas se estiraran alrededor del 12.5% de la carrera de superficie, cuando levanta 2,550 lbs de carga de fluido. Entonces, la Carrera del Pistn (SP) ser:

SP = longitud de carrera - estiramiento SP = 100 12.5 = 87.5 pulgadas

e) La otra relacin importante es la Velocidad de Bombeo Adimensional (N / No). Este factor es el coeficiente entre la velocidad de bombeo y la frecuencia natural de las cabillas. Esta ltima, es la frecuencia mediante la cual, la sarta de cabillas vibrar sin friccin, y si estuviera fija en el tope y libre en el fondo. Aplicando la siguiente ecuacin:

N N L ------- = --------------- No 24,5000 Fc

24,5000 Fc No = ----------------- L

24,5000 (1,077) No = ----------------------- = 44 cpm 6,000

El valor 1.077 es el factor de correccin (Fc) obtenido de la Tabla 2 1, columna 5, el cual depende del diseo de las cabillas. Es importante destacar que, la frecuencia natural de una sarta combinada es mayor que una de un solo dimetro de igual longitud; es decir, Fc es mayor que 1 cuando se utiliza una combinacin de dimetros de cabillas.

Fc = Frequency Factor (de Kermit Brown)

El factor 0.269 sale del dimetro del pistn (1.25) y el dimetro ms cercano a 7/8 (en porcentaje 26.9/100 = 0.269)

Para el ejemplo significa que, la sarta utilizada vibrar naturalmente (si no existe friccin) a razn de 44 ciclos/minuto si est fija en el tope y libre en el fondo.

Igualmente la Velocidad de Bombeo Adimensional, para la sarta combinada 7/8 x , sera:

N 11 (6,000)------- = ---------------------- = 0.25 No 24,500 (1.077)

La relacin de (N/N) significa que la velocidad de 11 gpm es el 25% de la frecuencia natural de la sarta combinada de 44 cpm.

Ambas relaciones de (N/No) son necesarias como informacin al computador para sus correlaciones.

f) En la Figura 2.3 se muestra una grfica que permite obtener una relacin adimensional (F1/SKr), para calcular la carga mxima en la barra pulida, utilizando los factores adimensionales base conocidos; N / No = 0.269 y F1/SKr = 0.125

De dicha figura, obtenemos F1/SKr = 0.31. Entonces,

F1 = 0.31 (SKr) 100F1 = 0.31 ----------- = 6,327 lbs. 0.0049De acuerdo a la Figura 2.3, se obtiene la siguiente relacin, Para Obtener Carga Mxima en la Barra Pulida (PPRL):

PPRL = Wrf + F1

Siendo:

PPRL = 9,769 + 6,396 = 16,096 lbs.

Esto significa que la mxima carga sobre la estructura o viga de la unidad ser 16,096 lbs, y esto determina las especificaciones de carga de la unidad de bombeo. La seleccin, bien podra ser, un balancn con una capacidad estructural de 25.3 Mlbs y trabajara en 63.6%. Pero, en ningn caso, se debera utilizar uno con capacidad de 14.3 Mlbs porque estara sobrecargado.

g) De la Figura 2.4, se obtiene la relacin adimensional (F2/SKr) = 0.151, utilizando los mismos factores base de velocidad (N/No) = 0.269 y el estiramiento de cabillas (Fo/SKr) = 0.125.

De tal manera:

F2 = 0.151 (SKr)

100 F2 = 0.151 ------------ = 3,082 lbs 0.0049

Haciendo referencia de la Figura, Podemos Calcular la Carga Mnima en la Barra Pulida:

MPRL = Wrf F2 MPRL = 9,769 3,082 = 6,687 lbs

La importancia del clculo de esta carga mnima es la siguiente:

Si la carga es negativa, se requiere unas consideraciones diferentes de diseo; por ejemplo, una velocidad de bombeo ms baja. Estos se explica, porque las cabillas no bajaran lo suficientemente rpido en las carreras descendente; por lo tanto, producira un fuerte golpe en el sistema elevador/espaciador, lo cual se traduce en daos sobre el equipo mecnico. Esto es conocido como problemas de seno. Este golpe puede ser imperceptible pero afectara la eficiencia de bombeo.

El rango entre cargas mximas y mnimas en la barra pulida, gobiernan los lmites de esfuerzos impuestos sobre la sarta de cabillas, y sin factores claves en la fatiga y vida til de la misma.

h) El torque mximo en la caja de engranajes, es otro parmetro importante en la seleccin de la unidad de bombeo. La Figura 2.5 muestra una grfica para calcular una relacin adimensional de torque (2T/S2 Kr), usando los valores, tambin adimensionales, de velocidad y estiramiento de cabillas, mencionados en los pasos anteriores

De dicha Figura 2.5 obtenemos

2T ---------- = 0.255 S2Kr

Entonces: 0.255 (S) 2 Kr 0.255 (100)2 T = ------------------------ T = -------------------- = 260.2 Mlbs-pulg. 2 2 (0.0049)Originalmente, cuando el computador fue utilizado para generar cartas dinagrficas calculadas, el peso especfico de las cabillas en flotacin (Wrf) fue estimado para valores de (Wrf/SKr) = 0.3. Si el fluido del pozo bajo anlisis es diferente a esta operacin, es necesario hacer una correccin al torque calculado. Para este ejemplo, sera:

Wrf 9,769 (0.0049) --------- = ----------------------- = 0.478 el cual es diferente de 0.3 SKr 100

Como (Wrf/SKr) es diferente a 0.3 se utiliza la Figura 2.6 para realizar la correccin respectiva al torque calculado.Utilizando los Factores Adimensionales Base de Velocidad N/No= 0.25 (no usar N/No= 0.269) y de 32% por cada valor de 0.1 en Wrf/SKr por encima de 0.3. Entonces, el valor de ajuste (Ta) al torque calculado es:

(0.478 0.3) Ta = 1 + 0.032 ---------------------- = 1.057 0.1

El Torque Mximo Corregido (PT) ser:

PT = Ta (T)

PT = 1.057 (260.2 x 103) = 275 Mlbs pulg.

Esto significa que una caja de engranajes con capacidad de 228 Mlbs-pulg estara sobrecargada bajo estas condiciones; en cambio, una de 320 Mlbs-pulg no lo estara y trabajara en un 86% de su capacidad mxima.

i) La cantidad de peso necesario para el contrabalance de la unidad de bombeo, tambin debe ser considerado en el diseo. El Mtodo API, utiliza la siguiente ecuacin para Determinar el Contrabalance Efectivo ( CBE ):

CBE = 1.06 (Wrf + 0.5 Fo)

Entonces,

CBE = 1.06 [9,769 + 0.5 (2,550)] CBE = 11,707 lbs

En principio, 11,707 lbs de contrabalance efectivo en la barra pulida debe balancear la unidad, de tal manera que, el torque mximo en la carrera ascendente sea igual al de la carrera descendente. Este valor de contrabalance es equivalente a 5,853.5 lbs-pulg.

j) La Potencia Requerida para Mover la Carga en la Barra Pulida (PRHP) se obtiene a travs de la siguiente ecuacin:

PRHP = (F1SKr) x SKr x S x N x 2.53 x 10-6

F1 PRHP = --------- S2 Kr (2.53 x 10-6) SKr

La Relacin Adimensional (F1 / SKr) se obtiene de la Figura 2.7, utilizando los valores adimensionales fundamentales de velocidad (N/No = 0.269) y de estiramiento de cabillas (F0 /SKr = 0.125).

Del grfico obtenemos F3/SKr = 0.19. Entonces:

(0.19) (100)2 (11) (2.53 x 10-6 PRHP = ------------------------------------------ 0.0049

PRHP = 10.8

Esto indica que la potencia necesaria para mover las cargas del pozo, soportar por la barra pulida, es de 10.8 HP. Pero, el motor debe tener una capacidad o potencia mayor de 10.8 HP, debido a las cargas cclicas del motor, prdidas mecnicas en la caja de engranajes y estructura de la unidad de bombeo. Probablemente, un motor con una potencia doble a la calculada ser adecuado.

Entonces,

Potencia del Motor Requerido = 2 x 10.8 = 21.6 HP

k) La carrera del pistn de la bomba de subsuelo, gobierna el gasto de produccin, conjuntamente con la velocidad de bombeo, tamao de la bomba y capacidad misma de produccin del pozo. La relacin adimensional de longitud de carrera (Sp/S) se obtiene de la Figura 2.8, con los valores adimensionales base de velocidad N / No = 0.25 (No N / No = 0.269) y de estiramiento de cabilla Fo/SKr = 0.125.

Obtenindose el valor de Sp / S = 1.01

El valor obtenido de Sp / S = 1.01 significa que la carrera efectiva del pistn en el fondo (Sp) es 1% mayor que la superficie (S). Es decir,

Sp = S x 1.01 = 100 x 1.01 = 101 pulg

Como la tubera de produccin est anclada, el estiramiento de esta no tiene efecto sobre la carrera efectiva del pistn.

El Desplazamiento de la Bomba es calculado, utilizando la siguiente ecuacin, como sigue:

P = 0.1166 x Sp x N x D2

P = 0.1166 x 101 x 11 x (1.25)2 = 202.4 bpd

Esto significa que la bomba tiene la capacidad de levantar 202.4 bpd (Eficiencia 100%), pero no quiere decir que esta sea la produccin real del pozo. El efecto de escurrimiento mecnico, encogimiento asociado del petrleo y llenado de la bomba, deben ser considerados en la eficiencia volumtrica.

Los clculos que involucra el mtodo API no son complicados, pero se consume mucho tiempo en su utilizacin. En tal sentido, se programaron varios casos, parecidos al efectuado, utilizando el computador y se generaron alrededor de 60,000 casos predictivos, con una gran variedad de combinaciones de equipos, profundidades y gastos de produccin. Esta informacin est tabulada en el Boletn API 11 L3, ste compendio hace el diseo de una instalacin de bombeo mecnico, mucho ms fcil y elimina el tedioso tiempo de clculo.