BOMBEO HIDRAÚLICO

1. HISTORIA

Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve.

El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta supresión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli.

En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes y se conoce como tornillo de Arquímedes, descrito por Arquímedes en el siglo III a. C., aunque este sistema había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII a. C.

En el siglo XII, Al-Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendobombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua ybombas de desplazamiento positivo.

2. INTRODUCCIÓN

Para la explotación de un yacimiento existen varios métodos de producción en distintos pozos o en su punto de drenaje. Para obtener la máxima producción y por lo tanto un gran beneficio económico es necesario seleccionar el método de producción óptimo. Este es el que permite mantener los niveles de producción de la manera más rentable posible.

En cuanto a popularidad el bombeo hidráulico es menos común en la industria comparada con el bombeo mecánico y neumático, este tipo de levantamiento artificial fue desarrollado en 1932 y desde ese momento ha tenido la misión de transformar laenergía mecánica suministrada por el motor de arrastre en energía oleo hidráulica. En pocas palabras una bomba debe suministrar un caudal de aceite a una determinada presión. Este es uno de los métodos más utilizados para levantar fluidos de un pozo cuando el yacimiento petrolífero no cuenta con energía o presión suficiente para fluir a la superficie.

3. PRINCIPIO DE OPERACIÓN

El bombeo hidráulico es un sistema artificial de producción que se caracteriza principalmente por generar y comunicar energía al fondo del pozo por medio de un fluido (fase líquida) a alta presión.

El fluido presurizado que utiliza este sistema artificial de producción es inyectado desde superficie a través de unatubería de inyección, hasta una unidad de bombeo subsuperficial, la cual se coloca dependiendo del nivel de la columna de fluido a producir.

El fluido a alta presión se conoce como fluido de potencia o fluido motriz y puede seragua, diésel o crudo ligero. El fluido motriz acciona una bomba subsuperficial, la cual funciona como untransformador para cambiar la energía potencial del fluido motriz en una carga de presiónestática, la cual es transmitida a los fluidos del pozo para que estos puedan ser transportados hasta la superficie.

4. COMPONENTES BÁSICOS

Los componentes básicos, tanto del bombeo hidráulico tipo jet como del tipo pistón son los enunciados a continuación.

Tanque para fluido motriz: En esta unidad se almacena el fluido de potencia (únicamente fluido de potencia libre de contaminantes) que será succionado y posteriormente inyectado al pozo con la ayuda de una unidad de potencia.

Equipo de separación: En este punto es donde llega la mezcla del fluido motriz y los fluidos del pozo. La función principal es separar tanto el fluido motriz (para ser reinyectado en el pozo) como el fluido de producción (para ser almacenado y conducido a su refinamiento o venta).

Unidad de potencia: Es un equipo de alta potencia superficial que es principalmente una bomba accionada por un motor. Esta unidad suministra la potencia demandada por el sistema para inyectar el fluido motriz y operar una o varias unidades de producción subsuperficiales.

Bomba subsuperficial: Es considerada como una unidad de producción subsuperficial, la cual convierte la energía potencial del fluido motriz en una carga de presión estática suficiente para transportar los fluidos producidos hacia la superficie.

4.1. Equipos de Superficie

Tanques de almacenamiento, tanques de lavado, separadores y/o tratadores.Cuando se utiliza petróleo como fluido de potencia a un sistema abierto, dicho fluido se obtiene de los tanques de almacenamiento o de los oleoductos. Si se está produciendo en un sistema cerrado con un fluido de potencia, bien sea agua o petróleo, se debe disponer de una tanque de almacenamiento y equipos de control para limpieza de sólidos.

Bomba multiplex o triplex. Son bombas de acción reciprocante; la bomba multiplex consta de un terminal de potencia (cigüeñal, biela y engranajes) y de un terminal de fluido (pistones individuales con válvulas de retención a la entrada y a la descarga).

Válvulas de control. Usadas para regular y distribuir el suministro de fluido de potencia de uno o más pozos. La válvula de 4 vías es la que permite diferentes procesos durante el bombeo.

Multiplex de control. se utiliza para dirigir los flujos a cada uno de los pozos; una válvula de presion regula constantemente la presion del flujo de potencia del multiplex así como la cantidad del mismo que se necesita en cada pozo cuando se usa una bomba reciprocante.

Lubricadores. Es una pieza de la tubería extendida con una línea lateralmente para desviar el flujo cuando se baja o extrae la bomba del pozo.

4.2. Equipos de subsuelo

Arreglo de tubería. Permite clasificar los diferentes tipos de instalaciones, tales como el insertador fijo, el entubado fijo, el de bomba libre tipo paralelo y el de bomba libre tipo entubado.

Bomba hidráulica de succion. El principio de operación de las bombas hidráulicas reciprocantes es similar al de las bombas de cabillas en el bombeo mecánico, solo que en una instalación de bombeo hidráulico tipo pistón la cabilla se encuentra en el interior de la bomba.

Sistema de fluido motor.En los sistemas de bombeo hidráulico, el fluido motor transmite la potencia a la bomba de subsuelo y, a la vez, lubrica todas las partes móviles de la misma. El transporte del fluido motor y del fluido producido se realiza a través de un sistema de tuberías que depende del tipo de sistemas de fluido o de potencia: bien sea de fluido cerrado o de fluido abierto.

Sistema de fluido cerrado (FMA). En este caso, el fluido motor no se mezcla con el pozo, lo cual hace necesario el uso de tres tuberías en el fondo del pozo: una para inyectar el fluido de potencia, una de retorno del mismo y otra del fluido de producción.

Sistema de fluido abierto (FMA). En el sistema abierto, el fluido motor se mezcla con el fluido del pozo, lo cual hace necesario el uso de dos tuberías en el fondo: una para inyectar el fluido de potencia y otra para el retorno de la mezcla.

Bombas  hidráulicas. Las bombas hidráulicas de subsuelo constituyen el principal componente del sistema en el fondo del pozo. El principio de operación de estas bombas es similar al de las bombas de cabillas. Las bombas hidráulicas utilizan un pistón accionado por cabillas y dos o mas válvulas de retención. La bomba puede ser de simple acción o de doble acción. Una bomba de acción simple sigue prácticas de diseño similares a las de una bomba de cabillas. Se denomina de acción simple porque desplaza el fluido hasta la superficie, en el recorrido ascendente o en el descendente (no en ambos).

Bomba de doble acción. La bomba de doble acción tiene válvulas de succión y de descarga en ambos lados del pistón. Por esta razón esta bomba desplaza el fluido hasta la superficie en ambos recorridos,

ascendente y descendente, con la acción combinada de apertura y cierre de las válvulas de succión y de descarga del pistón.

Bombeo por cabilla e hidráulico. En una instalación de bombeo por cabillas la unidad de superficie y la bomba de subsuelo se unen por medio de la sarta de cabillas. En cambio, en una unidad de bombeo hidráulico, la cabilla se encuentra en el interior de la bomba. Las bombas de cuatro vías se usan en el motor para cambiar la alta presión del fluido de potencia a baja presión y descarga en ambos lados del pistón del motor, de manera alternativa. Estas válvulas del motor se utilizan con bombas de doble acción, para dar igual fuerza en el recorrido ascendente y descendente.

4.2.1. Funcionamiento

Cuando el pistón del motor llega al final de la carrera descendente, el diámetro reducido en la parte superior del vástago de válvula permite la entrada del fluido a alta presión, debajo de la válvula del motor. Debido a que la válvula tiene mayor área en la parte inferior que en la superior, se desplazara hacia arriba, como consecuencia de la fuerza resultante al actuar una misma presión sobre zonas distintas y en direcciones opuestas. Cuando la válvula de motor está en la posición superior, las trayectorias del flujo hacia el pistón se invierten, comenzando la carrera ascendente de la bomba.

Cuando el pistón del motor llega al final de la carrera ascendente, el diámetro reducido del extremo inferior del vástago de válvula conecta el área debajo de la válvula a la descarga. Con la alta presión por encima de la válvula y solamente la presión de descarga abajo, la válvula se desplazara a su posición superior y se repetirá el ciclo.

5. TIPOS DE BOMBEO HIDRAULICO

En función del tipo de bomba subsuperficial que se usa, el bombeo hidráulico se clasifica como bombeo hidráulico tipo pistón y tipo jet.

5.1. Bombeo hidráulico tipo pistón: La bomba utilizada en este sistema artificial de producción consta fundamentalmente de dos pistones unidos entre sí, por medio de una varilla. Uno superior denominado “pistón motriz”, que es impulsado por el fluido motriz y que comunica potencia al pistón inferior o “pistón de producción”, el cual a su vez, impulsa el aceite producido.

Para este tipo de bombeo Existen dos tipos básicos de sistemas de inyección de fluido motriz:

Sistema cerrado:El fluido motriz superficial y subsuperficial permanece en un conducto cerrado y no se mezcla con los fluidos producidos.

Sistema abierto: El fluido motriz se mezcla con el fluido producido en el fondo del pozo.

Ambos fluidos retornan a la superficie mezclados.

Ventajas del bombeo hidráulico tipo émbolo.

Puede operarse en pozos direccionales. Es de fácil adaptarse para su automatización. Fácil para agregar inhibidores de corrosión. Puede instalarse como un sistema integral. Es adecuado para el bombeo de crudos pesados. Puede instalarse en áreas reducidas (plataformas o áreas urbanas). Resulta económico.

5.2. Bombeo hidráulico tipo jet: En este sistema artificial de producción el fluido motriz entra en la parte superior de la bomba tipo jet pasa a través de una tobera, donde virtualmente la presión total del fluido motriz es convertida a una carga de velocidad. Inmediatamente después de la tobera, el fluido motriz es mezclado con los fluidos producidos en la cámara de mezclado de la bomba. Mientras los fluidos son mezclados, parte de la cantidad de movimiento del fluido motriz es transferido al fluido producido.

La mezcla de fluido resultante en la cámara tiene suficiente carga total para fluir contra el gradiente de los fluidos producidos. La mayor parte de esta carga, sin embargo, aún se encuentra en forma de una carga de velocidad. La sección final de trabajo de la bomba tipo jet, es el difusor, de mayor área que convierte la carga de velocidad a una carga estática de la columna de fluidos, permitiéndoles fluir hacia la superficie.

La bomba tipo jet ofrece la ventaja de no tener partes móviles, la cual permite producir cualquier tipo de fluido motriz o producido. Además, este tipo de bombas pueden ser utilizadas a cualquier profundidad, facilitando así, su instalación en cualquier pozo.

Por otra parte, las desventajas de la bomba tipo jet son su baja eficiencia (generalmente en un rango de 20-30 %) y la necesidad de emplear altas presiones de succión para evitar cavitación en la bomba.

Ventajas del bombeo hidráulico tipo jet

La bomba jet puede tolerar fluidos de menor calidad, ya sea fluido motriz o del pozo, ya que no contienen componentes mecánicos reciprocantes.

La bomba jet puede ser adaptada a casi cualquier conexión de fondo. Pueden ser obtenidos mejores índices de productividad en comparación

con una bomba hidráulica convencional, siempre y cuando se utilice el mismo tamaño de tubería.

6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BOMBEO HIDRAULICO6.1. VENTAJAS Producir grandes caudales desde mayores profundidades, esto es con

relación a los demás sistemas de levantamiento artificial. Se puede tener la flexibilidad para adaptarse a los cambios de caudales de

producción de las arenas productoras. Las bombas hidráulicas para su cambio no requiere de torre de acondicionamiento.

Las bombas hidráulicas de pistón tienen mejores eficiencias a grandes profundidades que una bomba de varillas porque no existe el problema de estiramiento de la sarta.

Todas las bombas hidráulicas pueden accionarse desde una sola fuente de fluido motriz.

Las bombas jet manejan con facilidad grandes relaciones de gas y petróleo. Las bombas jet son las que menor mantenimiento requieren por su reducido

numero de partes además estos equipos se puede reparar en el sitio de trabajo (pozo).

Con la bomba jet se puede manejar altos volúmenes de producción y dentro de esta sólido.

6.2. DESVENTAJAS Como se trabaja con presiones de operación altas (2000-3800psi) hace que

el trabajo se lo realice con gran meticulosidad ya que una mala operación puede acarrear problemas con graves consecuencias.

La reparación de las bombas pistón se las tiene que realizar en un taller adecuado con aparatos de control y calibración, esto es para controlar y chaquear las tolerancias permisibles de reusó de cada una de sus partes.

El fluido motriz tiene que ser limpio. El fluido motriz de una bomba pistón tiene que por preferencia ser petróleo

con bajo porcentaje de agua (0.2% - 0.4%). Cuando los pozos producen con una bomba jet y adicionalmente porcentaje

de agua es alto, tendremos mayor consumo de químicos (demulsificante), las unidades de power oil trabajan a mayores revoluciones/minuto por lo

tanto se consumirá más combustible (diésel), se requiere mayor potencia (HP).

La bomba jet necesita una presion de succión relativamente alta para evitar la cavitación.

7. PARÁMETROS DEL BOMBEO HIDRÁULICO Alto dependimiento del HP requerido. Bajo en mantenimiento de bombas,

costos relacionados con el tamaño de la garganta y las boquillas. Su confiabilidad es buena con un apropiado tamaño de garganta y boquillas

de la bomba para las condiciones de operación. Debe evitarse operarse en rangos de cavitacion en la garganta de la bomba. Problemas para presiones mayores a 4000 lpc.

Fácil de remover. Algunos se dan como pago de su valor. Buen mercado para las triples bombas.

Su eficiencia es de buena a pobre, máxima eficiencia solo en 30% altamente influenciado por el fluido de potencia más el gradiente de producción. Eficiencia típica entre 10-20%.

Su flexibilidad es de buena a excelente, tasa de fluido de poder y presión ajustable a condiciones de producción capacidad de levantamiento. Selección de gargantas y boquillas de amplia gama de tallas de volumen y capacidad.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS SLB. Bombeo Hidráulico. http://www.slideshare.net/gabosocorro/bombeo-

hidralico-tipopistn

Badillo D. 8479/d/34746650/34-BOMBEO-HIDRÁULICO-TIPO-PISTÓN jet: http://cmtoti.blogspot.mx/2010/12/software-diseno-bombeo-hidraulico-

tipo.html Maggiolo Ricardo, Optimización de la Producción mediante Análisis Nodal.

ESP OIL Engineering Consultants. Julio de 2008.

Ramírez Sabag Jetzabeth Dra., Productividad de Pozos Petroleros.

Facultad de Ingeniería, UNAM, México 2007.