ANTECEDENTES Estudio de Compatibilidad de Elastmeros para BCP
Frente a Crudos de PDVSA Tierra Oeste campo Mara Pesado, Pozos:
DM-160, DM-153, DM-119, DM-166, DM-163, DM-159, DM-055, DM-065 y
DM-006. (Luis Cap. EQUIMAVENCA, 22 Octubre 2007. Este informe cubre
la evaluacin del comportamiento de los materiales elastmericos que
conforman el estator de las bombas de cavidades progresivas (BCP)
fabricadas por PCM y distribuidas por EQUIMAVENCA, Para ello se
realizo la evaluacin selectiva de tres tipos de elastmeros a saber:
159 AA Nitrilo con muy buenas propiedades mecnicas y qumicas, 199
Nitrilo con menor resistencia a la abrasin y mayor resistencia
qumica, 198 Nitrilo Hidrogenado con mayor resistencia a la
temperatura y a la abrasin; cada formulacin de elastmero se someti
a un ensayo de envejecimiento a temperatura constante de 160F.
Simulando condiciones de operacin en fase liquida y siguiendo los
procedimientos estandarizados para determinar el hinchamiento y la
dureza. Para evaluar en forma comparativa el efecto del fluido
sobre el comportamiento de las muestras de elastmero, se realizo la
medicin del porcentaje de hinchamiento en peso, que experimentan
como producto de la interaccin con el crudo. Este se obtuvo a
partir del registro de las masas iniciales y finales que
presentaban las probetas antes y despus del ensayo. El hinchamiento
es el indicador directo de la compatibilidad del elastmero con el
fluido de ensayo y es uno de los factores que limita la durabilidad
del material. Por otro lado, la variacin de la dureza en las
muestras, antes y despus del ensayo, permiti el calculo de cmo esta
propiedad fue afectada por la interaccin del crudo. De acuerdo al
ensayo del envejecimiento el elastmero 159 AA NBR es el que mejor
se comporta frente a los Crudos de los Pozos, DM-160, DM-153,
DM119, DM-166, DM-163, DM-159, con un hinchamiento en promedio de
2,67% y una cada de dureza en promedio de 5.42 puntos, estos
valores se encuentran dentro de los lmites establecidos por PCM. Es
necesario resaltar que si bien, la variacin en las propiedades
durante el ensayo de envejecimiento nos permite estimar la
resistencia de los elastmeros al Crudo, el haber obtenido un
resultado dentro de los limites establecidos para el caso del
elastmero 159 AA NBR, no debe ser interpretado como garanta de una
mayor vida til para la BCP, ya que, existen propiedades de mayor
peso que influyen directamente en el desempeo como son: Resistencia
Tensil y la elongacin, resistencia a la fatiga, resistencia a la
abrasin y el desgaste, buena resistencia trmica, as
como a las condiciones reales de operacin como la velocidad de
rotacin (r.p.m), presencia de gases, etc.
Marco Terico2.1. Bombas de Cavidades Progresivas 2.1.1.
Definicin.
Bomba de desplazamiento positivo rotativo cuyo funcionamiento se
basa en el principio del tornillo de Arqumedes, la cual consta
esencialmente de dos engranajes helicoidales interiores entre si
(rotor y estator). El principio del sistema de bombeo de cavidades
progresivas es muy sencillo una vez que conjunto estator-rotor se
coloca a la profundidad programada la unin de ambos forma Cavidades
Definidas y Cerradas a medida que el rotor gira, las cavidades
progresan hacia arriba desde la admisin hasta la descarga de la
bomba. El movimiento giratorio es generado en superficie por el
motovariador y trasmitido a la bomba a travs de un cabezal de
rotacin y la sarta de cabilla que hace la conexin hacia la
superficie. Rangos de Aplicacin. El rango de aplicacin de este
mtodo se encuentra representado en la siguiente tabla:Tabla N
2.1.2.1.- Rangos de Aplicacin para BCP. Rango Caudal (B/D)
Viscosidad (Cps) Gravedad API Profundidad (pies) Manejo de Gas (%)
Temperatura (F) Revestidor Terica 50 3700 0 muy viscosos 8 40 12000
0 80 350 4-1/2 Real 2500 5 48000 8,5 30 7522 20 40 280 4-1/2
Componentes de Sistema. 2.1.1.1. Equipos de Subsuelo
El equipo de subsuelo esta constituido por la bomba la cual
consta principalmente por tres componentes bsicos estator, rotor y
el niple de paro; cabillas, tubera de produccin y accesorios.
Estator. Es un cilindro de acero ( tubo), con un elastmero sinttico
(goma endurecida) en forma de doble hlice adherido fuertemente a
dicho cilindro. El estator se baja con la tubera de produccin
(bombas tubulares) con sarta de cabillas (bombas tipo
insertado).
Fig. 2.1.3.1. Equipos de subsuelo de una bomba BCP
Elastmero. Es un polmero de alto peso molecular con la propiedad
de deformacin y recuperacin elstica. Estos deben presentar
resistencia qumica para manejar
los fluidos producidos y adems deben poseer excelentes
propiedades mecnicas para resistir los esfuerzos de abrasin.
Caractersticas: acrinonitrilo. Caucho nitrilo hidrogenado.
Fluoelastmeros. fatiga.
Material Elastmero Utilizado.
Caucho nitrilo convencional con bajo, medio y alto contenido
de
Caractersticas Deseables en los Elastmeros.
Buena resistencia qumica a los fluidos a transportar. Buena
resistencia trmica. Capacidad de recuperacin elstica. Adecuadas
propiedades mecnicas especialmente resistencia a la
Propiedades Mecnicas Mnimas Requeridas:
Hinchamiento del 3 al 5 % (ocurre al entrar en contacto con los
Dureza Shore A 55 a 70 ptos (grado de dureza) Resistencia tensil
mayor a 15 MPascal. Elongacin a la ruptura mayor a 500% (capacidad
de elongacin a Resistencia a la fatiga mayor a 55.000 ciclos (debe
soportar Resistencia al corte mayor a 4 Kg/min.
fluidos del pozo).
5 veces su tamao sin romperse). 55.000 repeticiones sin perder
sus propiedades elsticas)
Rotor. Tiene forma de tornillo sin fin, se conecta a la sarta de
cabillas y esta constituido con acero de alta resistencia y cromado
(lo que o hace resistente a la abrasin). La capa de cromo vara segn
el fabricante. Nota: Los rotores especiales tiene un espesor de
cromado de 0.20 mm a 0.30 mm mayor.
Figura N 2.1.3.2. Rotor.
Niple de Paro: Es un trozo de tubo colocado en el extremo
inferior del estator con el objeto de impedir que el rotor y la
sarta de cabillas lleguen hasta el fondo del pozo, en caso de
producirse una rotura o desconexin de la sarta de cabillas. Tambin
es fundamental en el espaciamiento de la bomba, al servir de
referencia de la parte inferior del estator. Niple de paro GEREMIA.
Niple de paro EMIP.
L/2 L ROSCA EUE o NU* (CAJA) PASADOR
PLACA PERFORADA ROSCA NU (PIN) 8 o 10 RD ROSCA EUE (PIN)
PASADOR
PLACA PERFORADA
Figura N 2.1.3.3. Niple de Paro.
Accesorios. Centralizadores de Cabilla.
Colocados en la uniones ( cuellos) de las cabillas, su funcin es
mantener centralizada la sarta y evitar que haga contacto con la
superficie interna de la tubera de produccin. Ancla de Gas:
Es un dispositivo que facilita la separacin gas-lquido mediante
cambios en la direccin y/o velocidad del fluido, por efectos
centrfugos, por diferenciales de presin, etc. reduciendo la entrada
de gas en la bomba y obteniendo de esta manera una mayor eficiencia
volumtrica en la misma. Se coloca debajo del niple de paro o del
ancla antitorque. En crudos muy viscosos un ancla de gas podra
constituir una restriccin de entrada de fluido a la bomba, en este
caso no es recomendable el uso de la misma. Las mas usadas en
P.D.V.S.A son tipo copas (Gilbert-cups) y el ancla tipo Poorman.
Siendo mas eficiente en el campo el de copas (Gilbert-cups). Ancla
Antitorque.
Dispositivo colocado debajo del estator que esta diseado para
evitar la desconexin de la tubera de produccin del estator. Esta
herramienta posee generalmente tres o cuatro cuas las cuales, a
medida que la tubera trata de girar en el sentido de su desconexin
estas se adhieren fuertemente al revestidor. Niples de Tubera.
En el uso de las tuberas de poco dimetro es necesario prestar
atencin a la combinacin de dimetros cabillas-tuberas, ya que en la
medida en que el rea entre el cuello de la cabilla y la pared
interna de la tubera sea menor se corre riesgo de desgaste por roce
entre ambos materiales y/o diferenciales de presin que incrementan
os requerimientos de la capacidad nominal de la bomba.
Cabillas. En la aplicacin B.C.P., las cabillas se encargan de
trasmitir el movimiento giratorio desde los equipos de superficie
al rotor de la bomba. La cabillas utilizadas son las mismas que se
emplean en el sistema de bombeo mecnico tradicional, no obstante,
existen cabillas diseadas especialmente para B.C.P. cuya diferencia
radica en su capacidad para soportar mayor torque, lo cual es una
exigencia primordial de este mtodo de levantamiento artificial.
Cargas Axiales. Peso de la sarta sumergida en fluido. Fuerza axial
en el rotor provocado por el diferencial de Fuerza de arrastre del
fluido sobre la superficie de las
presin en la bomba. cabillas. Cargas Torsionales. Torque
necesario para accionar la bomba. Torque necesario para hacer rotar
la sarta de cabillas dentro
de la tubera llena de fluido.
Figura N 2.1.3.4. Cabillas.
2.1.1.2. Equipos de Superficie. El equipo de superficie esta
constituido con dos elementos con
caractersticas modulares, el cabezal de rotacin y el
accionamiento de superficie.
MOTOR ELCTRICO
CAJA REDUCT
ARO ESPACIAD
ACOPLE CABLE ELCTRICO ASAS
ARRANCADOR CONVENCIONAL BRIDA API 6B LNEA DE FLUJO
CRUCETA DE P
VLVULA DE 2 (TOMA DE SONOLOG)
Figura N 2.1.3.5. Equipo de Superficie.
Cabezal de Rotacin. Es el encargado de soportar el peso de la
sarta de cabillas, como el peso generado por la columna de fluido
sobre el rotor. Ambos efectos originan una fuera axial, la cual
deber ser soportada por el cabezal de rotacin, especficamente por
los rodamientos del mismo. El Rodamiento Cojinete esta compuesto de
dos arandelas y un juego de bolas rodamientos entre ellas. Este
rodamiento del cabezal de rotacin requiere de lubricacin por
aceites o grasas para mantener su buen estadote operacin y evitar
daos que incidan en remplazos prematuros.
CUBIERTA PROTECTORA
COLUMNAS DE LA VENTANA EJE DE TRANSMISIN DEL MOVIMIENTO
GIRATORIO TAPN DE VENTEO
ANILLO DE SUJECIN VISOR DE NIVEL ACEITE TAPN DE DRENAJE
TORNILLO DE AJUSTE DEL MECANISMO ANTI-RETORNO PLACA DE
IDENTIFICACIN
CAJA DE PRENSA ESTOPAS
PRENSA ESTOPAS TORNILLO DE AJUSTE DEL PRENSA ESTOPAS BRIDA API
6B 3-1/8 2000 PSI EJE INFERIOR DEL CABEZAL (SR: 1)
Figura N 2.1.3.6. Cabezal de Rotacin.
Nomenclatur a BV191M
SignificadoBV1: Configuracin #1. V: Disposicin Vertical. 9:
Capacidad Axial 9000 Kg a 500 rpm 1: Dimetro de Conexin con la
sarta de cabillas de 1. M: Diseo del Cabezal modificado. BV2:
Configuracin #2. V: Disposicin Vertical. 9: Capacidad Axial 9000 Kg
a 500 rpm 1-1/8: Dimetro de Conexin con la sarta de cabillas de
11/8. M: Diseo del Cabezal modificado. BV1: Configuracin #. V:
Disposicin Vertical. 15: Capacidad Axial 15000 Kg a 500 rpm 1-1/8:
Dimetro de Conexin con la sarta de cabillas de 11/8. M: Diseo del
Cabezal modificado.
BV2911/8M
BV21511/8M
Tabla N 2.1.3.7. Modelos de Cabezales de Rotacin.
En PDVSA Occidente ms del 95% de los cabezales de rotacin
instalados, son fabricados por Weatherford (antes Geremia). Las
configuraciones #1 y #2 difieren principalmente en el dimetro de la
conexin con la sarta de cabillas, ya que en configuraciones #1
dicha conexin es de 1; en la #2 se observa que es de 1-1/8.
Secciones del Cabezal de Rotacin.
Ventana o Cabezal (Seccin Superior).
Esta soporta el peso del Motovariador motoreductor, acoplado por
medio de una brida de 350 mm de dimetro. Generalmente en esta zona
se encuentra un acople que une al eje del motoreductor con el
extremo superior del eje del Cabezal. En los Cabezales fabricados
por PCM POMPES adems de encontrarse el acople de eje en esta zona
tambin se encuentra el mecanismo antiretorno freno del cabezal de
Rotacin. Cmara de Rozamiento (Seccin Central).
En el exterior de esta zona se encuentran las asas de sujecin,
las cuales permiten elevar el cabezal de rotacin para su transporte
o movilizacin, la placa de identificacin del lquido, el tornillo de
ajuste del mecanismo antiretorno y el visor del nivel de aceite.
Dentro de la carcasa se encuentran se encuentran dos elementos de
contacto rodante:
Rodamiento Superior: Es el encargado de soportar las cargas
radiales presentes en el sistema. Rodamiento Inferior: Es el
encargado de soportar la carga axial originada por el peso de la
sarta de cabillas y de la columna de fluido sobre el rotor.
Freno: Esta constituido por el mecanismo antiretorno con una
capacidad de torque mximo de 1135 Lbs-pie para el modelo BV1 y 2542
Lbs-pie para el modelo BV2. El sistema se encuentra compuesto por
una zapata de material friccionante ubicada a un lado del cabezal,
la cual es ajustada al disco de frenado por medio de un tornillo
roscado ubicado en el exterior del cabezal. El rodamiento inferior
se encuentra sumergido en una cmara sellada de aceite. Ya que el
rodamiento ubicado en la parte superior no esta en esta cmara es
necesario utilizar un sistema de lubricacin alterno por lo que se
utiliza una bomba centrfuga esto se conoce como lubricacin
forzada.
Cmara de Prensa Estopa (Seccin Inferior).
En esta zona se encuentra el paquete de empacaduras del eje de
transmisin. Este se encuentra conformado por 8 aros de tefln y
grafito. Las empacaduras para evitar deben fugas lubricarse y
ajustarse estas peridicamente (contaminacin),
empacaduras poseen un sistema de lubricacin por grasa.
Accionamiento: Es un conjunto de equipos electromecnicos
encargados de generar la potencia necesaria y soportar el torque
requerido para inducir y mantener en movimiento el conjunto de
cabillas-rotor. Generalmente el accionamiento de superficie
esta
constituido
por
un
sistema
Motovariador-Arrancador
(Accionamiento mecnico) Motoreductor-Variador de frecuencia
(Accionamiento electrnico).
Motovariador. Motor elctrico: El motor elctrico es del tipo
Jaula de
Este consta de tres elementos: Ardilla, Nema B de cuatro polos.
Gira a una velocidad nominal de 1750-1800 rpm a una frecuencia de
60 ciclos por segundo (60 Hertz). Sistema Mecnico de Variacin de
Velocidad: Esta basado en poleas cnicas y una correa ajustable
mediante un volante externo al girar el volante en un sentido u
otro, la polea motriz se abre o cierra variando el rea de contacto
entre esta y la correa, lo cual origina que la polea conducida gire
ms rpido o mas lentamente. Caja Reductora: Consta de un sistema de
piones y
engranajes de diferentes dimetros cuyos objetivos son los
siguientes: Proporcionar el torque requerido por el sistema para
iniciar y mantener los equipos de subsuelo (rotor y cabillas) en
movimiento. Reducir la velocidad proporcionada por el motor
elctrico (17501800 rpm) a valores ms cercanos a los requeridos por
el sistema (bomba).
Variador de Frecuencia.
Es un equipo electrnico cuya funcin es la de ajustar la
velocidad de rotacin del motor a travs de variaciones en la
frecuencia de la corriente suministrada. Este equipo puede variar
la frecuencia de la corriente, desde cero hasta la frecuencia
nominal o ms.
2.1.2. Ventajas de las Bombas de Cavidades Progresivas. El
sistema de bombeo por cavidades progresivas (BCP) ofrece las
siguientes ventajas: Bajo costo de inversin. Permite el bombeo de
una gran variedad de fluidos, incluyendo los de alta viscosidad,
arenosos, parafnicos con altos cortes de agua y altas cantidades de
gas libre. La arena es manejada eficientemente debido a la
resistencia del elastmero y el mecanismo de bombeo; la presencia de
gas no obstruir la bomba. Torque constante, como resultado la
friccin en las cabillas y el arrastre son reducidos disminuyendo el
riesgo de falla por fatiga y desprendimiento de cabillas. La
simplicidad del equipo disminuye el mantenimiento ya que no
requiere herramientas ni procedimientos especiales. Adicionalmente
si la bomba es de tipo insertable se obtienen los siguientes
beneficios: No es necesario retirar la tubera de produccin del pozo
para retirar la bomba del fondo. La sustitucin de la bomba de fondo
puede ser realizada con la ayuda de una pequea mquina de
subsuelo.
Reduccin en el tiempo de parada del pozo, y por tanto reduccin
de la produccin diferida.
2.1.3. Desventajas de las Bombas de Cavidades Progresivas.
Aunque puede manejar alto volmenes de gas si se opera en seco por
largos periodos de tiempo el roce continuo del rotor sobre el
elastmero no lubricado terminara quemando la bomba. No se dispone
bombas para profundidades mayores a 3660. La temperatura de
operacin sera una limitante.
2.1.4. Parmetros para la Seleccin de Bombas. 2.1.4.1. Seleccin
del Tamao de la Bomba. Las bombas son adaptadas a tuberas de 2-3/8,
2-7/8, 3-1/2 y 4 (OD). Se pueden bombear hasta 5600 BPD a 500 RPM y
0 Head con un P de hasta 2200 LPC segn el tipo de bomba. Cada
fabricante define sus tipos y estos se seleccionan de acuerdo a:
Completacin y perfil de pozo. Datos del yacimiento. Caractersticas
de los fluidos producidos. Completacin y Perfil del Pozo.
De acuerdo a su capacidad las bombas pueden bajarse en
revestidores de 4-1/2 a 5-1/2 o de mayor dimetro. El comportamiento
del bombeo no se altera por la inclinacin de la bomba en el pozo
pero las cabillas deben ser bajadas con protectores.
Datos del Yacimiento.
Conociendo el comportamiento de afluencia de la formacin
productora y estableciendo un nivel dinmico ptimo se tendr una tasa
de flujo aportada por el yacimiento. En base a esta tasa se
selecciona el tipo de bomba que tenga esta capacidad con una
velocidad de rotacin relativamente baja, adems la bomba debe tener
un nivel de sumergencia 300. Caractersticas de los Fluidos
Producidos. Gravedad y Viscosidad del Petrleo.
El petrleo pesado y viscoso genera cadas de presin e la tubera
de produccin las cuales deben ser absorbidas por la bomba de esta
manera desmejora en la medida que el petrleo es mas pesado y
viscoso, adicionalmente la viscosidad incrementa el valor del
torque de las cabillas en la tubera. Contenido de Gas y Fluido de
Formacin:
De acuerdo al principio de funcionamiento de las BCP, ellas
pueden transportar fluidos multifsicos con altas RGP en la entrada,
de all que pueden instalarse en el pozo a un nivel por encima de la
profundidad donde la presin es aproximadamente igual a la presin de
burbujeo, aunque debe tenerse mucha precaucin en el diseo.
Temperatura del Fluido.
Generalmente la profundidad donde se instala la bomba no excede
a los 6500 y por lo tanto operan a temperaturas menores de 200 F
que es la temperatura crtica de los elastmeros de nitrilo. Sin
embargo, en caso
de levantar crudos pesados con vapor, la temperatura puede
alcanzar los 392 F siendo necesario utilizar elastmeros
especiales.
Figura N 2.1.4.1. Efectos de Alta Temperatura en el
Elastmero
Presencia de Arena.
Los fluidos bombeados pueden contener arena pero deben de
tomarse las siguientes precauciones.
Evitar que la arena se aglomere en la entrada de la bomba.
Asegurarse que durante las paradas de la bomba no sedimente la
arena en la tubera ya que en el arranque pueden existir
problemas.
En caso de produccin de arenas las bombas son diseadas con
rotores revestidos con cromo y elastmeros muy elsticos.
Figura N 2.1.4.2. Efectos de la Abrasin en el Figura N 2.1.4.3.
Efectos de la Abrasin en el Rotor. Elastmero.
Presencia de CO2 y H2S.
A pesar de que los elastmeros con que se construye el estator
toleran ciertos gases, siempre es recomendable realizarle una
prueba inicial de chequeo. Presencia de Aromticos.
Los elastmeros son muy sensibles a hinchamientos. De acuerdo al
contenido de aromticos se debe seleccionar el elastmero mas
apropiado.
Figura N 2.1.4.4. Efectos de los Aromticos en el Elastmero.