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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


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)


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.


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.


Esquema de una bomba

Varillas

Barril de trabajo

mbolo

Vlvula fija

Vlvula viajera

Carrera ascendente Carrera descendente


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.


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


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.


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


Referencia

Gabor Takacs: Modern Sucker-Rod Pumping- PenWell Books


Esquema de un sistema de bombeo

mecnico


Configuraciones bombeo mecnico

Convencional



Mark II



Balanceado por Aire




Torque Maestro

Designacin de Unidades de

Bombeo


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


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


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


Carga en la Varilla Pulida


Requisitos para el diseo

Cargas en la varilla pulida

Longitud de la carrera al fondo

Torques


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 ,


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


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


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


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


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


Balance de Fuerzas- Carrera

Descendente

MPRL= Empuje de las varillas Fuerzas Dinmicas

Empuje de las varillas:

Fuerzas Dinmicas (Mtodo simplificado):

rod

LrodrW

rW


Carga Mnima en la Varilla Pulida

Mtodo Simplificado

SGW

WMPRL

r

rod

Lr

128.01

1

SG gravedad especfica del fluido


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.


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


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


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


Solucin

Carga mnima en la varilla pulida

lbf 4513

17.095.0128.016375

128.01

SGWMPRL r


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


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)


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



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



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


Dimetro

Varilla

rea del

metal

Peso en

el aire

Constante

Elstica


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


Dimetro

Varilla

rea de

Varilla

Peso en

el aire

Constante

Elstica


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


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


Elongacin total

Tubera de produccin sin anclaje

Tubera de produccin anclada

otrp eeeSS

orp eeSS


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


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.


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


Solucin

Elongacin de la tubera

Sobrecarrera del mbolo

pg9.3

3487500010211.0 6

te

pg8.5

17.050001036.1 26

oe


Solucin


pg5.100

8.59.34.21120

pS


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


Ejemplo

Calcular el desplazamiento de la bomba para el ejemplo anterior.

Solucin

RB/d264

5.1105.1001166.0

1166.0

2

2

dNSPD p


Pregunta:

Una bomba de varillas

produce fluidos slo en la

carrera ascendente?


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


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


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


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.


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.


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


Diagrama de Goodman


Esfuerzos en las varillas

Esfuerzo mximo, psi

Esfuerzo mnimo, psi

2max

4rd

PPRLS

2min4

rd

MPRLS


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


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


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


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.


Ejemplo 7/8 6/8 - 5/8


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.


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)


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).


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


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


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


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


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