Diseño de Bombeo Mecánico 10/02/2014 1 BOMBEO MECÁNICO
Diseo de Bombeo Mecnico
10/02/2014 1 BOMBEO MECNICO
Bombeo mecnico Componentes de superficie
Motor principal
Reductor de engranajes
Unidad de bombeo
Varilla pulida
Transformer
Control BoxElectricMotor
Polished RodStuffing Box
Tubing
Sucker Rods
Pump
Caja de control
Transformador
Varilla pulida
Motor elctrico
Tubera de produccin
Lubricador
Varillas
Bomba
10/02/2014 2 BOMBEO MECNICO
Componentes de superficie
Motor principal
Motor elctrico o de combustin interna
Proporciona energa mecnica con un movimiento rotatorio del eje del motor
Reductor de engranajes
Reduce la alta velocidad rotacional del motor a la velocidad de bombeo requerida
Incrementa el torque (La capacidad de una fuerza para provocar que un cuerpo gire alrededor de un eje
particular)
10/02/2014 3 BOMBEO MECNICO
Componentes de superficie
Unidad de bombeo
Transforma el movimiento rotacional del eje de la caja de engranajes en un movimiento
reciprocante en el extremo del balancn
(cabeza de caballo)
Varilla pulida
Conecta el balancn con la sarta de varillas y proporciona una superficie de sello hermtico
en la cabeza del pozo.
10/02/2014 4 BOMBEO MECNICO
Componentes de fondo
Sarta de varillas
Es responsable de la transmisin del movimiento reciprocante de la varilla pulida a la bomba.
Bomba
Contiene la vlvula viajera y la vlvula fija.
Succiona fluidos del anular al barril de la bomba.
Transfiere momentum a los fluidos que van a ser producidos a travs del tubing.
10/02/2014 5 BOMBEO MECNICO
Esquema de una bomba
Varillas
Barril de trabajo
mbolo
Vlvula fija
Vlvula viajera
Carrera ascendente Carrera descendente
10/02/2014 6 BOMBEO MECNICO
Carrera ascendente
La vlvula viajera se cierra debido a la presin de los fluidos dentro de la tubera
de produccin.
El levantamiento de la sarta de varillas empuja al mbolo y a los fluidos sobre el
mbolo hacia arriba.
La vlvula fija se abre y los fluidos al interior del casing ingresan al barril.
10/02/2014 7 BOMBEO MECNICO
Carrera descendente
La presin incrementada obliga a cerrar la vlvula fija
La vlvula viajera se abre permitiendo que el fluido se desplace sobre el mbolo
10/02/2014 8 BOMBEO MECNICO
Mtodos de diseo
Mtodo simplificado Desarrollado para pozos someros o poco
profundos
Ecuaciones simples (confiables) para los parmetros operacionales
API RP 11L Es vlido a mayores profundidades donde el
mtodo simplificado falla.
Satisfactoriamente usado en la industria petrolera por ms de 30 aos.
10/02/2014 9 BOMBEO MECNICO
Comportamiento de un sistema de
bombeo mecnico
Varillas
Profundidad
Presin
Motor principal
Tubera de produccin
Bomba
Unidad de bombeo
Produccin
Reservorio
SISTEMA DE BOMBEO MECNICO
Presin de entrada de la
bomba
Presin de descarga de la
bomba
10/02/2014 10 BOMBEO MECNICO
Referencia
Gabor Takacs: Modern Sucker-Rod Pumping- PenWell Books
10/02/2014 11 BOMBEO MECNICO
Esquema de un sistema de bombeo
mecnico
10/02/2014 12 BOMBEO MECNICO
Configuraciones bombeo mecnico
Convencional
10/02/2014 13 BOMBEO MECNICO
Configuraciones bombeo mecnico
Mark II
10/02/2014 14 BOMBEO MECNICO
Configuraciones bombeo mecnico
Balanceado por Aire
10/02/2014 15 BOMBEO MECNICO
10/02/2014 16 BOMBEO MECNICO
Configuraciones bombeo mecnico
Torque Maestro
Designacin de Unidades de
Bombeo
10/02/2014 17 BOMBEO MECNICO
Mtodos de Diseo
Solucin matemtica para el movimiento de varillas.
Mtodo ms preciso
Requiere el uso de simuladores numricos
Nosotros nos limitaremos al API RP 11L
www.api.org
10/02/2014 18 BOMBEO MECNICO
Diseo y Anlisis
La prediccin de las condiciones operativas es de vital importancia para el
diseo de nuevas instalaciones y para el
anlisis de las existentes
Cargas en varilla pulida
Longitud de la carrera en el fondo
Torques
10/02/2014 19 BOMBEO MECNICO
Carga en la Varilla Pulida
Depende del peso en la sarta de varillas, Wr
Fuerza de flotacin
Friccin mecnica y de fluidos
Usualmente despreciados
Fuerzas dinmicas en la sarta
La carga del fluido siendo producido
10/02/2014 20 BOMBEO MECNICO
Carga en la Varilla Pulida
10/02/2014 21 BOMBEO MECNICO
Requisitos para el diseo
Cargas en la varilla pulida
Longitud de la carrera al fondo
Torques
10/02/2014 22 BOMBEO MECNICO
Carga Mxima en la Varilla Pulida
(PPRL)
Mxima fuerza hacia abajo sobre
el balancn
Ocurre cuando las varillas se estn
moviendo hacia
arriba y se est
levantando lquido
F
rW
TD
DD
DLF ,
ULF ,
10/02/2014 23 BOMBEO MECNICO
Cargas despreciando la aceleracin Mtodo simplificado
Peso de la sarta de varillas en el aire
Fuerza de la presin del fluido sobre el mbolo
Ap rea del mbolo, ft2
Arod rea de la varilla en el fondo, ft2
rW
c
rodpTL
D,Lg
AAgDF
10/02/2014 24 BOMBEO MECNICO
Fuerza hacia arriba sobre el mbolo debido a la presin del fluido en el anular
DD Nivel dinmico del fluido, ft
Medido con un ecmetro
c
DTpL
U,Lg
DDgAF
10/02/2014 25 BOMBEO MECNICO
Cargas despreciando la aceleracin Mtodo simplificado
Carga Dinmica Mtodo Simplificado
Se calcula multiplicando la masa de las varillas por su aceleracin
Asume una carga puntual concentrada
Factor de aceleracin de Mills (adimensional)
S Longitud de la carrera de la varilla pulida,
pulgadas.
N Velocidad de bombeo en EPM (emboladas por minuto).
70500
2NS
10/02/2014 26 BOMBEO MECNICO
Carga Mxima en la Varilla Pulida - Mtodo
Simplificado Para Unidades Convencionales
En muchos textos el ltimo trmino se desprecia con la finalidad de compensar
las prdidas por friccin desconocidas.
Carga del fluido:
c
TrodL
c
DpL
rg
DgA
g
DgAWPPRL
1
c
DpL
og
DgAF
10/02/2014 27 BOMBEO MECNICO
Carga Mnima en la Varilla Pulida
(MPRL)
F
BrW ,
TD
DD
Ocurre cuando las varillas se encuentran en la carrera descendente.
Las varillas estn sujetas a un empuje debido al fluido que las rodea.
Empuje de las varillas menos fuerzas dinmicas
10/02/2014 28 BOMBEO MECNICO
Balance de Fuerzas- Carrera
Descendente
MPRL= Empuje de las varillas Fuerzas Dinmicas
Empuje de las varillas:
Fuerzas Dinmicas (Mtodo simplificado):
rod
LrodrW
rW
10/02/2014 29 BOMBEO MECNICO
Carga Mnima en la Varilla Pulida
Mtodo Simplificado
SGW
WMPRL
r
rod
Lr
128.01
1
SG gravedad especfica del fluido
10/02/2014 30 BOMBEO MECNICO
Ejemplo
Encontrar las cargas mxima y mnima en la varilla pulida para una sarta de varillas de 5000
ft compuesta de 42.3 % de varillas de , 40.4 % de varillas de 5/8 de dimetro y 17.3% de varillas de 1/2 de dimetro. El dimetro del mbolo de la bomba de fondo es 1.5 y el nivel de fluido est a 4800 ft. La velocidad de la
bomba es 10 EPM, la longitud de la carrera es
120 y la gravedad especfica del fluido es 0.95.
10/02/2014 31 BOMBEO MECNICO
Solucin
Determinar el peso total de las varillas, Wr De la tabla,
Factor de aceleracin
lbf 6375
726.0173.0135.1404.0634.1423.05000
rW
17.0
70500
101202
10/02/2014 32 BOMBEO MECNICO
Tabla de propiedades de las varillas
Dimetro
Varilla
rea del
metal
Peso en
el aire
Constante
Elstica
pg pg2 lb/pie pg/(lb pie)
0.196 0.726 1.990 E-6
0.307 1.135 1.270 E-6
0.442 1.634 0.883 E-6
0.601 2.224 0.649 E-6
1 0.785 2.904 0.497 E-6
1 0.994 3.676 0.393 E-6
1 1.227 4.538 0.318 E-6
10/02/2014 33 BOMBEO MECNICO
Solucin
Carga del fluido en el mbolo
Carga mxima en la varilla pulida
lbf 3487
480024
5.14.6295.0
2
c
DpL
og
DgAF
lbf 10964
1
or FWPPRL
10/02/2014 34 BOMBEO MECNICO
Solucin
Carga mnima en la varilla pulida
lbf 4513
17.095.0128.016375
128.01
SGWMPRL r
10/02/2014 35 BOMBEO MECNICO
Torque Mximo Dimensionamiento del Motor
Torque en el eje de la manivela
Requerimientos de la sarta de varillas
Requerimientos de contrapeso
Asunciones
Unidad de bombeo balanceada
La PPRL y la MPRL ocurren cuando el factor de torque es mximo.
in-lbf 4
)(S
MPRLPPRLPT
10/02/2014 36 BOMBEO MECNICO
Longitud de carrera del mbolo
La longitud de carrera del mbolo en la superficie y en el fondo del pozo difiere considerablemente debido a que:
La sarta de varilla es elstica
La tubera de produccin tambin es elstica
Definicin: La longitud de carrera del mbolo es el desplazamiento del mbolo respecto a la vlvula fija. (Unidades: pulgadas)
10/02/2014 37 BOMBEO MECNICO
La presin del fluido acta en forma alterna
sobre la vlvula viajera y
sobre la vlvula fija.
En la carrera ascendente vlvula viajera
En la carrera descendente vlvula fija
Estiramiento adicional debido a la aceleracin.
Carrera ascendente
Estiramiento de la tubera de produccin
Estiramiento de las varillas
Carrera descendente
10/02/2014 38 BOMBEO MECNICO
Longitud de carrera del mbolo
A bajas velocidades de bombeo (las cargas dinmicas son insignificantes) Tubera de produccin sin anclaje
Tubera de produccin anclada (sin estiramiento de la tubera de produccin)
er y et son las elongaciones de las varillas y de la
tubera de produccin en pulgadas.
trp eeSS
rp eSS
10/02/2014 39 BOMBEO MECNICO
Longitud de carrera del mbolo
Elongacin de las varillas
Er constante elstica (ver tabla)
L longitud de una seccin de varillas,ft
Fo- carga del fluido sobre el mbolo,lbf
orr LFEe
10/02/2014 40 BOMBEO MECNICO
Dimetro
Varilla
rea del
metal
Peso en
el aire
Constante
Elstica
pg pg2 lb/pie pg/(lb pie)
0.196 0.726 1.990 E-6
0.307 1.135 1.270 E-6
0.442 1.634 0.883 E-6
0.601 2.224 0.649 E-6
1 0.785 2.904 0.497 E-6
1 0.994 3.676 0.393 E-6
1 1.227 4.538 0.318 E-6
Varillas de fibra de vidrio
10/02/2014 41 BOMBEO MECNICO
Dimetro
Varilla
rea de
Varilla
Peso en
el aire
Constante
Elstica
pg pg2 lb/pie pg/(lb pie)
0.442 0.48 4.308 E-6
0.601 0.64 3.168 E-6
1 0.785 0.80 2.425 E-6
1 1.227 1.29 1.552 E-6
Elongacin de la tubera de produccin
Et constante elstica, (ver tabla) Lt longitud de la seccin de la tubera de produccin, ft Fo- carga del fluido sobre el mbolo, lbf
ottt FLEe
Dimetro del tubing
Dimetro externo
Dimetro interno
rea metal
Constante Elstica
pg pg pg pg2 pg/(lb pie)
1.9 1.900 1.610 0.800 0.500 E-6
2 2.375 1.995 1.304 0.307 E-6
2 2.875 2.441 1.812 0.221 E-6
3 3.500 2.992 2.590 0.154 E-6
4 4.000 3.476 3.077 0.130 E-6
4 4.500 3.958 3.601 0.111 E-6
10/02/2014 42 BOMBEO MECNICO
Elongacin dinmica(pulgadas)
Debida a fuerzas inerciales
Es mxima al final de las carreras.
Causa un desgaste por elongacin en la sarta de varillas
Tambin se llama sobrecarrera del embolo
Modelo simplificado carga concentrada
261036.1 Leo
10/02/2014 43 BOMBEO MECNICO
Elongacin total
Tubera de produccin sin anclaje
Tubera de produccin anclada
otrp eeeSS
orp eeSS
10/02/2014 44 BOMBEO MECNICO
Tuberas de produccin y varillas
telescopiadas
Si las varillas y/o las sartas de tuberas son telescopiadas, debemos sumar las
elongaciones de cada seccin.
i
i
io LEFe
10/02/2014 45 BOMBEO MECNICO
Ejemplo
Calcular la longitud de carrera del mbolo para una sarta de varillas de 5000 ft
compuesta por 42.3% de varillas de , 40.4% de varillas de 5/8 y 17.3% de varillas de . Usar los resultados del ejercicio anterior al determinar las cargas.
10/02/2014 46 BOMBEO MECNICO
Solucin
Elongacin de las varillas
Suma de las elongaciones de cada seccin
pg 4.21
173.01099.1404.01026.1423.010833.0
50003487
666
i
ririor LeFe
10/02/2014 47 BOMBEO MECNICO
Solucin
Elongacin de la tubera
Sobrecarrera del mbolo
pg9.3
3487500010211.0 6
te
pg8.5
17.050001036.1 26
oe
10/02/2014 48 BOMBEO MECNICO
Solucin
Longitud de carrera del mbolo
pg5.100
8.59.34.21120
pS
10/02/2014 49 BOMBEO MECNICO
Desplazamiento de la bomba
De la longitud de la carrera al fondo del pozo, el desplazamiento volumtrico de la
bomba por da est dado por:
PD desplazamiento de la bomba en RB/da
d dimetro del mbolo (pg)
21166.0 dNSPD p
10/02/2014 50 BOMBEO MECNICO
Ejemplo
Calcular el desplazamiento de la bomba para el ejemplo anterior.
Solucin
RB/d264
5.1105.1001166.0
1166.0
2
2
dNSPD p
10/02/2014 51 BOMBEO MECNICO
Pregunta:
Una bomba de varillas
produce fluidos slo en la
carrera ascendente?
10/02/2014 52 BOMBEO MECNICO
Diseo de la sarta de varillas
Debemos usar un solo dimetro de varilla? Las varillas cercanas al mbolo soportan
cargas menores (el peso del fluido) Las varillas cercanas a la superficie soportan
el peso del fluido as como el peso de todas las otras varillas
Usar una sarta telescopiada El dimetro de las varillas decrece con la
profundidad
10/02/2014 53 BOMBEO MECNICO
Sarta telescopiada ideal La sarta telescopiada no
debe tener puntos calientes de esfuerzos Esfuerzo = carga/rea
Se requieren esfuerzos uniformes
La sarta de varillas viene en dimetros discretos Por lo que los esfuerzos
uniformes son inalcanzables
Hay que equilibrar esfuerzos en las sartas de varillas
Ideal Tapered StringSarta telescopiada ideal
10/02/2014 54 BOMBEO MECNICO
Tamao de varilla
En un punto dado, el dimetro mnimo aplicable de la varilla debe soportar el esfuerzo mximo de tensin.
Los esfuerzos de tensin son cclicos Mximos en la carrera ascendente
Mnimos en la carrera descendente
Se debe tener en cuenta la fatiga del metal
10/02/2014 55 BOMBEO MECNICO
Resistencia a la tensin
Para cargas pequeas, una barra de metal se estira una cantidad proporcional a la carga aplicada y retorna a su dimensin original cuando se remueve la carga. Ley de Hooke Se aplica hasta el lmite elstico
Ms all del lmite elstico una carga adicional deformara permanentemente la varilla.
Resistencia a la tensin es el esfuerzo mximo que un material puede soportar antes de que ocurra una falla estructural.
10/02/2014 56 BOMBEO MECNICO
Fatiga del Metal
Condicin de debilidad inducida en las partes metlicas de mquinas, vehculos, o estructuras por esfuerzos o cargas repetidos, que finalmente provocan una fractura bajo un esfuerzo mucho menor que el esfuerzo necesario para causar una fractura en una sola aplicacin.
10/02/2014 57 BOMBEO MECNICO
Lmite de Resistencia a la Fatiga
El nivel mximo de esfuerzo con el cual el equipo operar bajo condiciones
cclicas de carga durante 10 millones de
ciclos completos.
Es afectado por las condiciones de operacin
Agua salada
Sulfuro de hidrgeno
10/02/2014 58 BOMBEO MECNICO
Diagrama de Goodman
10/02/2014 59 BOMBEO MECNICO
Esfuerzos en las varillas
Esfuerzo mximo, psi
Esfuerzo mnimo, psi
2max
4rd
PPRLS
2min4
rd
MPRLS
10/02/2014 60 BOMBEO MECNICO
Esfuerzo Mximo Permisible
Para evitar la rotura de las varillas por la fatiga del metal se necesita de un
esfuerzo mximo permisible.
SF Factor de servicio
T Resistencia a la tensin de la varilla
SFST
Sa
min5625.0
4
10/02/2014 61 BOMBEO MECNICO
Factores de Servicio
La mxima resistencia a la tensin ( T ) para los grados API C y D
son 90 000 y 115 000 psi respectivamente.
Ambiente Factores de servicio
Grado C Grado D
No - Corrosivo 1.00 1.00
Agua Salada 0.65 0.90
Sulfuro de Hidrgeno 0.50 0.70
10/02/2014 62 BOMBEO MECNICO
Diseo telescopiado de la sarta
Trata de igualar la distribucin de los esfuerzos en las varillas.
Existen varios mtodos disponibles
Mtodo Simplificado
Mtodo de West
Mtodo de Neely /Mtodo API
10/02/2014 63 BOMBEO MECNICO
Mtodo Simplificado
Objetivo Mantener los esfuerzos mximos de las varillas en un valor
basado en un porcentaje de la resistencia
a la tensin del material de la varilla.
Establecer el esfuerzo mximo en la parte superior de cada seccin
telescopiada igual.
10/02/2014 64 BOMBEO MECNICO
Ejemplo 7/8 6/8 - 5/8
10/02/2014 65 BOMBEO MECNICO
Mtodo Simplificado
pg pg combinaciones R1 = 76.67 7.08 d2
pg pg combinaciones R1 = 79.44 4.32 d2
pg 1 pg combinaciones R1 = 80.70 2.92 d2
pg pg - 1 pg combinaciones R1 = 67.24 6.96 d2
R2 = 15.60 + 3.82 d2
Donde:
R1 y R2 son los porcentajes de longitud de las secciones telescopiadas de varillas, empezando desde la bomba, y d es el dimetro del pistn de la bomba, pg.
10/02/2014 66 BOMBEO MECNICO
Mtodo Simplificado
Proporciona un tiempo de vida razonable de las varillas para pozos poco profundos.
Usando este mtodo, prcticamente todas las roturas de las varillas se deben a la fatiga.
Tambin se lo aplica a varillas tipo E de alta resistencia.
El mximo esfuerzo permitido es constante, independientemente del rango de la tensin (50 000 psi)
10/02/2014 67 BOMBEO MECNICO
Ejemplo
Disear una sarta telescopiada de varillas API 65 utilizando varillas tipo E para una profundidad de
asentamiento de la bomba de 5000 pies y un
dimetro de la bomba de 2.5 pulgadas. Asumir
que se est bombeando agua.
Nota: una sarta API 65 se refiere a dos sartas, la superior con dimetro de 6/8 pulgadas y la sarta
inferior de 5/8 pulgadas.
La sarta API 64 est compuesta de varillas de 6/8 pg, 5/8 pg y 4/8 pg ( pg, pg y pg).
10/02/2014 68 BOMBEO MECNICO
Solucin
De las frmulas
Longitud de la seccin de : 1621 ft
Longitud de la seccin de : 3379 ft
%42.32
5.208.767.762
1
R
10/02/2014 69 BOMBEO MECNICO
Solucin
Comprobar que el diseo de la sarta de varillas se ajuste a los requerimientos de los
esfuerzos mximos permisibles.
Peso de la sarta de varillas:
lbf 5521634.13379
lbf 1840135.11621
86
85
W
W
10/02/2014 70 BOMBEO MECNICO
Solucin
Carga del fluido
Esfuerzo Mximo (sin considerar aceleracin)
lbf 10625500024
5.24.62
2
oF
psi 40690442.0/5521184010625
psi 40600307.0/184010625
8/6max,
8/5max,
S
S
10/02/2014 71 BOMBEO MECNICO
Solucin
Esfuerzo Mnimo
Puesto que las varillas tipo E tienen una capacidad de esfuerzo mximo permisible de 50 000 psi,
independientemente del rango de la tensin, el
diseo es seguro.
psi 16650442.0/55211840
psi 5990307.0/1840
8/6min,
8/5min,
S
S
10/02/2014 72 BOMBEO MECNICO