FACTORES A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE BOMBEOMECÁNICO Para una buena se lección del equipo a utilizar es necesario conocer datos que soporten la decisión, entre estos podemos citar: El gasto o tasa de producción 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 diseñar una instalación de bombeo mecánico para un pozo, ya que de acuerdo al tipo, tamaño y ubicación se dimensiona el resto de los componentes del sistema. Gasto de producción, 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 producirá 500 bpd. Manejo de sólidos, estos pueden generar efectos indeseables en la bomba, llegando al punto de paralizar el movimiento del pistón 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 metálicos en movimiento y con ajuste específico. Profundidad y Sarta de Cabillas, Estas son el medio de transporte de la energía desde el equipo de superficie hacia la bomba de subsuelo. La transmisión de energía está 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 relación entre la longitud del elemento y el ancho de su sección transversal es mayor que su diámetro, 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 diseñar. En la Figura se puede apreciar cómo influye la profundidad en los costos de inversión y a su vez con el gasto d fluido manejado. Conforme aumenta la profundidad los costos se incrementan a causa de la sarta más 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 hidráulica. 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 elongación de la sarta de cabillas y de la tubería perdiendo parte del movimiento efectivo de la unidad de bombeo al convertirse este en elongación a lo largo de la sarta. Costo de inversión, el BM se encuentra en ventaja desde el punto de vista económico, con respecto a los demás sistema para un rango de 300 bpd. Gastos mayores a este es preferible utilizar otro tipo d levantamiento como es el caso del hidráulico y para gastos por arriba de 800 bpd el BEC pudiera ser la mejor opción. Esto último es válido cuando los costos de energía afectan sensiblemente la rentabilidad del proyecto. Esto puede ser: Si se trata de minimizar los costos de energía. las bombas más grandes incrementan las cargas en las cabillas y los torques en la caja de engranaje. es necesario aumentar la velocidad de carrera de bombeo. Estos se deberán calcular a partir del potencial del pozo. es decir. esto incrementa el consumo de energía pero. esto por supuesto incide en los costos de inversión. pero a su vez. carga en la cabilla y el tamaño d la unidad de bombeo. Básicamente se tiene un compromiso entre eficiencia. Si se quiere utilizar bombas de menor dimensión.Cargas en las cabillas y el caja de engranajes. si de requiere una configuración para extraer el máximo gasto de los fluidos o si se necesita una con el óptimo consumo de energía. Costo de la energía y eficiencia del sistema. la cantidad de flujo manejado y el diámetro de la bomba. Al diseñar un sistema de levantamiento es importante considerar cual es la prioridad del diseño. Análisis Nodal . por lo tanto. pero con igual producción. podría reducir el requerimiento de tamaño de la unidad de bombeo. se pueden utilizar bombas más grandes y velocidades de bombeo menor. se requieren de unidades de bombeo más grande. estos proporcionaran dimensión al equipo de superficie y a la sarta de cabilla. con tal de que sea posible establecer entre ellas la correspondiente relación flujo – presión. la cual incluye separadores y tanques de almacenamiento Los nodos entre los elementos principales del sistema son: La cima de los disparos. pueden estar tan lejos o tan cerca como se desee.El objetivo principal es conocer el punto de operación de un sistema de levantamiento artificial. El número de nodos no tiene límites. en donde se relaciona el aporte del yacimiento con el sistema de levantamiento que incluye la tubería de producción hasta la superficie. Para el caso del Bombeo Mecánico. 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. Los dos criterios que se deben cumplir en un análisis nodal son: El flujo hacia el nodo debe ser igual al flujo que sale del mismo. Solo puede existir una presión en el nodo. El cabezal del pozo. a un gasto de flujo dado. y La línea de flujo. La relación a lo largo el sistema puede ser escrita como sigue: . este es el nodo común entre el yacimiento y el pozo. el cual es el nodo común entre el pozo y la línea de flujo. DP línea de flujo = Presión diferencial del nodo ubicado entre el cabezal del separador y el separador. P separador = Presión del separador Ubicación de nodos en un sistema de bombeo mecánico . Dp nodo D Presión diferencial del nodo ubicado entre la descarga de la bomba y el cabezal del pozo. DP bomba = Presión diferencial originado por la bomba.P yacimiento – DP nodo A – DP nodo C + DP bomba – Dp nodo D – DP línea de flujo – P separador = 0 P yacimiento = Presión de yacimiento DP nodo A = Presión diferencial del nodo ubicado entre el yacimiento y la cima de disparos DP nodo C = Presión diferencial del nodo ubicado entre le cima de disparos y la entrada de la bomba. Para el análisis se cuentan con las ecuaciones de gradiente de presión en tuberías. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EN BOMBEO MECÁNICO Lo importante en el diseño de una instalación de bombeo mecánico es predecir los requerimientos de: Cargas . Para obtener la presión en este punto. es la presión en los disparos o pwf. el cual. cubre la región del yacimiento al fondo del pozo.Uno de los principales componentes del análisis total del sistema. se recurre al comportamiento de afluencia IPR. 000 pies. Potencias y Contrabalance Relaciones de esfuerzos Torques y Gastos de producción Una vez conocidos estos parámetros. No debe de existir grandes efectos de fricción o aceleración de fluido. Unidad perfectamente balanceada. Unidades de bombeo de geometría convencional. Cabilla de acero con diseño API. el equipo apropiado puede ser seleccionado para cumplir los requerimientos establecidos. Tubería de producción anclada. No hay efectos por aceleración del fluido. Todos los datos obtenidos de estas cartas dinagráficas se . Método API RP – 11L Este método está basado bajo las siguientes consideraciones: Llenado completo de la bomba de subsuelo (sin interferencia de gas o golpe de fluido). Poco deslizamiento del motor. Profundidades mayores a 2. EJEMPLO DE APLICACIÓN Datos: Unidad de bombeo: Convencional Longitud de carrera en superficie: 100 pulgadas Combinación de cabillas (No.A partir de los parámetros adimensionales dependientes.000 pies Diámetro del pistón: 1. 3. 76): 7/8” x ¾” Profundidad de la bomba: 6.Utilizando las gráficas de diseño API... 4.Recolección de datos. estos pueden ser de una instalación existente o de datos calculados.utilizaron para desarrollar curvas adimensionales y luego fueron validadas con un gran número de diseño práctico.Cálculo de parámetros adimensionales independientes.8 . 2.. se determina los parámetros operacionales del sistema.25 pulgadas Velocidad de bombeo: 11 gpm Gravedad específica del fluido: 0. obtener los parámetros adimensionales dependientes. Procedimiento de Cálculo El cálculo de las RP 11L requiere de los siguientes pasos principales: 1.. 25” de diámetro y una combinación de cabillas de 7/8” x ¾”.6% de 7/8” = 1. el método API sugiere la siguiente distribución por tamaño de cabillas: Tabla 2.164pies Total 6.814 lbs /pie (dato tabulado). su peso será menor.825 pies L 1= 0.000 pies x 1.694 (6.836 pies 69.306 (6.000) = 4. Entonces el peso total de la sarta (W) será: W = longitud de la sarta x peso por unidad de longitud W = 6.000) = 1.814 lbs / pie = 10.000 pies 6.Tubería de producción: anclada Calcular: Las cargas Esfuerzos Potencia Contrabalanceo requerido y El torque para un pozo con estas características de bombeo Solución: a) Para una bomba con pistón de 1. El Peso Total de la Sarta de Cabillas en Flotación (Wrf) sería: .7 Kermit Brown 30.884 lbs.000pies b) Peso de las cabillas en el aire (Wr) es igual a 1.175 pies L2= 0.8. Como la sarta de cabillas está sumergida en un fluido con gravedad específica de 0. debido a la flotabilidad.4% de ¾” = 4. 8)] G = Dato del problema Wrf = 9.769 lbs. c) La Carga de Fluido Sobre la Bomba (Fo).128(0.8) (1.340 (0.550 lbs. depende de la gravedad específica del fluido (G) propiamente dicho.000) Fo = 2.Wrf = W [1 – 0.25)2 (6. Fo = 0. la profundidad de levantamiento (H) y el diámetro del pistón (D).340 x G x D2 x H Fo = 0.884 lbs [1 – 0. Así que.128 (G)] Wrf = 10. Carga de fluido sobre la bomba es la columna hidrostática dentro del pozo.128 (G)] Donde: Wrf = Peso total de cabillas en flotación [lbs] W = Peso total de cabillas en el aire [lbs] G = Gravedad especifica del fluido [adimensional] Entonces: Wrf = W [1 – 0. . 000 = 4.125 S Kr 100 .= 0. Esto es: Er = 0. d) El Cálculo de Estiramiento de Cabillas Adimensional.812 x 10-6 pulgs / lbs – pie Er = Elastic Constant Las propiedades de estiramiento total de la sarta de cabillas.= ---------------------. cuyo recíproco es: 1 -----. están relacionadas con su constante Kr.550 (0.000 pies.000 pies de cabillas se estiraran 4.= Er x L Kr 1 ----. por lo tanto.0049) --------. el Levantamiento Neto (H) será menor de 6.872 x 10-3 ≈ 0. Ahora podemos ya Calcular la Relación Adimensional de Estiramiento: Fo 2. (Fo / SKr) es una de las relaciones claves para determinar una carta dinagráficas parecida. si el pozo tiene un nivel de fluido alto.87 x 10-3 pulgadas por cada libra aplicada sobre ella.0049 x 10-3 pulg / lbs Kr Esto significa que los 6.= 0.812 x 10-6 x 6.La información suministrada indica que la bomba está instalada en el fondo. La constante elástica de la sarta de cabillas (Er) es un valor tabulado en el reporte. 5000 Fc No´ = ----------------L 24.550 lbs de carga de fluido. Esta última. columna 5. es la frecuencia mediante la cual.5% de la carrera de superficie.= 44 cpm 6.077 es el factor de corrección (Fc) obtenido de la Tabla 2 – 1.000 El valor 1.5 pulgadas e) La otra relación importante es la Velocidad de Bombeo Adimensional (N / No´).5000 (1. el cual depende del diseño de las cabillas. la Carrera del Pistón (SP) será: SP = longitud de carrera .000 pies de cabillas se estiraran alrededor del 12. la sarta de cabillas vibrará sin fricción.5 = 87. que los 6. Es importante destacar .077) No´ = ----------------------. cuando levanta 2. y si estuviera fija en el tope y libre en el fondo.5000 Fc 24.Esto quiere decir.estiramiento SP = 100 – 12. Aplicando la siguiente ecuación: N NL ------. Este factor es el coeficiente entre la velocidad de bombeo y la frecuencia natural de las cabillas. Entonces.= --------------No´ 24. 9/100 = 0. es decir.269) . Fc es mayor que 1 cuando se utiliza una combinación de diámetros de cabillas. Fc = Frequency Factor (de Kermit Brown) El factor 0.que. la frecuencia natural de una sarta combinada es mayor que una de un solo diámetro de igual longitud.269 sale del diámetro del pistón (1.25”) y el diámetro más cercano a 7/8” (en porcentaje 26. f) En la Figura 2. sería: N 11 (6.Para el ejemplo significa que.000) ------. Igualmente la Velocidad de Bombeo Adimensional.= 0. utilizando los factores adimensionales base conocidos.077) La relación de (N/N´) significa que la velocidad de 11 gpm es el 25% de la frecuencia natural de la sarta combinada de 44 cpm.3 se muestra una gráfica que permite obtener una relación adimensional (F1/SKr).500 (1.25 No´ 24. para la sarta combinada 7/8” x ¾”.269 y F1/SKr = 0.125 . para calcular la carga máxima en la barra pulida. N / No´ = 0. la sarta utilizada vibrará naturalmente (si no existe fricción) a razón de 44 ciclos/minuto si está fija en el tope y libre en el fondo.= ---------------------. Ambas relaciones de (N/No´) son necesarias como información al computador para sus correlaciones. De dicha figura.31 ----------.327 lbs.31.0049 De acuerdo a la Figura 2.31 (SKr) 100 F1 = 0. 0. se obtiene la siguiente relación. Entonces.3. F1 = 0. obtenemos F1/SKr = 0. Para Obtener Carga Máxima en la Barra Pulida (PPRL): PPRL = Wrf + F1 .= 6. y esto determina las especificaciones de carga de la unidad de bombeo. Esto significa que la máxima carga sobre la estructura o viga de la unidad será 16.096 lbs.3 Mlbs y trabajaría en 63. se obtiene la relación adimensional (F2/SKr) = 0. se debería utilizar uno con capacidad de 14.Siendo: PPRL = 9.125.769 + 6. Pero.396 = 16.6%. La selección. bien podría ser. en ningún caso.4.3 Mlbs porque estaría sobrecargado. .096 lbs.151.269 y el estiramiento de cabillas (Fo/SKr) = 0. utilizando los mismos factores base de velocidad (N/No´) = 0. g) De la Figura 2. un balancín con una capacidad estructural de 25. . porque las cabillas no bajarían lo suficientemente rápido en las carreras descendente.687 lbs La importancia del cálculo de esta carga mínima es la siguiente: Si la carga es negativa.769 – 3.082 = 6. lo cual se traduce en daños sobre el equipo mecánico. Este golpe puede ser imperceptible pero afectaría la eficiencia de bombeo. Esto es conocido como “problemas de seno”. por ejemplo.0049 Haciendo referencia de la Figura.151 (SKr) 100 F2 = 0. una velocidad de bombeo más baja.082 lbs 0.= 3.De tal manera: F2 = 0. . por lo tanto. Estos se explica. produciría un fuerte golpe en el sistema elevador/espaciador.151 -----------. se requiere unas consideraciones diferentes de diseño. Podemos Calcular la Carga Mínima en la Barra Pulida: MPRL = Wrf – F2 MPRL = 9. El rango entre cargas máximas y mínimas en la barra pulida. y sin factores claves en la fatiga y vida útil de la misma. gobiernan los límites de esfuerzos impuestos sobre la sarta de cabillas. La Figura 2. mencionados en los pasos anteriores . h) El torque máximo en la caja de engranajes. usando los valores.5 muestra una gráfica para calcular una relación adimensional de torque (2T/S2 Kr). es otro parámetro importante en la selección de la unidad de bombeo. también adimensionales. de velocidad y estiramiento de cabillas. 255 .5 obtenemos 2T ---------.De dicha Figura 2.= 0. Para este ejemplo.3. es necesario hacer una corrección al torque calculado.6 para realizar la corrección respectiva al torque calculado.255 (S) 2 Kr T = -----------------------2 0.0049) Originalmente. Si el fluido del pozo bajo análisis es diferente a esta operación. 2 (0.769 (0.= ----------------------.= 260.478 el cual es diferente de 0.2 Mlbs-pulg.3 SKr 100 Como (Wrf/SKr) es diferente a 0.0049) --------.255 (100)2 T = -------------------. el peso específico de las cabillas en flotación (Wrf) fue estimado para valores de (Wrf/SKr) = 0. . cuando el computador fue utilizado para generar cartas dinagráficas calculadas.S2Kr Entonces: 0. sería: Wrf 9.= 0.3 se utiliza la Figura 2. Utilizando los Factores Adimensionales Base de Velocidad N/No´= 0.057 0.1 El Torque Máximo Corregido (PT) será: .032 ---------------------.3) Ta = 1 + 0.3.478 – 0.269) y de 32% por cada valor de 0. el valor de ajuste (Ta) al torque calculado es: (0.= 1.25 (no usar N/No´= 0.1 en Wrf/SKr por encima de 0. Entonces. 550)] CBE = 11. utiliza la siguiente ecuación para Determinar el Contrabalance Efectivo ( CBE ): CBE = 1.06 (Wrf + 0.853.06 [9. una de 320 Mlbspulg no lo estaría y trabajaría en un 86% de su capacidad máxima.057 (260.PT = Ta (T) PT = 1.5 lbs-pulg.707 lbs de contrabalance efectivo en la barra pulida debe balancear la unidad. de tal manera que. j) La Potencia Requerida para Mover la Carga en la Barra Pulida (PRHP) se obtiene a través de la siguiente ecuación: .5 (2. 11. Este valor de contrabalance es equivalente a 5. i) La cantidad de peso necesario para el contrabalance de la unidad de bombeo. también debe ser considerado en el diseño. Esto significa que una caja de engranajes con capacidad de 228 Mlbs-pulg estaría sobrecargada bajo estas condiciones. en cambio.707 lbs En principio.5 Fo) Entonces. el torque máximo en la carrera ascendente sea igual al de la carrera descendente.2 x 103) = 275 Mlbs – pulg.769 + 0. El Método API. CBE = 1. PRHP = (F1SKr) x SKr x S x N x 2. utilizando los valores adimensionales fundamentales de velocidad (N/No´ = 0.53 x 10-6) SKr La Relación Adimensional (F1 / SKr) se obtiene de la Figura 2.125).53 x 10-6 F1 PRHP = --------.7.269) y de estiramiento de cabillas (F0 /SKr = 0. .S2 Kr (2. 19.53 x 10-6 PRHP = -----------------------------------------0. Entonces: (0.0049 .19) (100)2 (11) (2.Del gráfico obtenemos F3/SKr = 0. con los valores adimensionales base de velocidad N / No´ = 0.6 HP k) La carrera del pistón de la bomba de subsuelo.8 HP. gobierna el gasto de producción. es de 10. debido a las cargas cíclicas del motor.8.8 = 21. Pero.PRHP = 10.269) y de estiramiento de cabilla Fo/SKr = 0. pérdidas mecánicas en la caja de engranajes y estructura de la unidad de bombeo. Entonces.125.8 HP.25 (No N / No´ = 0.8 Esto indica que la potencia necesaria para mover las cargas del pozo. La relación adimensional de longitud de carrera (Sp/S) se obtiene de la Figura 2. soportar por la barra pulida. . tamaño de la bomba y capacidad misma de producción del pozo. un motor con una potencia doble a la calculada será adecuado. conjuntamente con la velocidad de bombeo. Potencia del Motor Requerido = 2 x 10. Probablemente. el motor debe tener una capacidad o potencia mayor de 10. . El Desplazamiento de la Bomba es calculado. Sp = S x 1.1166 x 101 x 11 x (1.01 El valor obtenido de Sp / S = 1.1166 x Sp x N x D2 P = 0.4 bpd . como sigue: P = 0.25)2 = 202.01 = 100 x 1. Es decir.01 significa que la carrera efectiva del pistón en el fondo (Sp) es 1% mayor que la superficie (S). utilizando la siguiente ecuación.01 = 101 pulg Como la tubería de producción está anclada. el estiramiento de esta no tiene efecto sobre la carrera efectiva del pistón.Obteniéndose el valor de Sp / S = 1. parecidos al efectuado. deben ser considerados en la eficiencia volumétrica. mucho más fácil y elimina el tedioso tiempo de cálculo.Esto significa que la bomba tiene la capacidad de levantar 202. pero se consume mucho tiempo en su utilización. se programaron varios casos. Esta información está tabulada en el Boletín API 11 L3. Los cálculos que involucra el método API no son complicados. . El efecto de escurrimiento mecánico.4 bpd (Eficiencia 100%). utilizando el computador y se generaron alrededor de 60. pero no quiere decir que esta sea la producción real del pozo. profundidades y gastos de producción.000 casos predictivos. encogimiento asociado del petróleo y llenado de la bomba. con una gran variedad de combinaciones de equipos. éste compendio hace el diseño de una instalación de bombeo mecánico. En tal sentido.
Report "Aplicacion Práctica Factores a Considerar en El Diseño de Bombeo Mecánico"