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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN MARACAY
BALANCÍN PETROLERO(Informe)
Autores: Docente:Materia:
Sección:
San Cristóbal, julio de 2016
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN 3
OBJETIVO GENERAL 4
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4
MARCO TEÓRICO 4
MATERIALES UTILIZADOS 15
ESQUEMA DE LA MAQUETA 16
CONSTRUCCIÓN 16
PARTES DE LA MAQUETA 18
FUNCIONAMIENTO 18
CÁLCULOS 19
CONCLUSIONES 24
BIBLIOGRAFÍA 25
ANEXOS 26
2
INTRODUCCIÓN
La física es un término que proviene del griego y su significado es
realidad o naturaleza, de allí que es la ciencia encargada de estudiar y
explicar los diferentes fenómenos físicos. Diariamente estamos en contacto
con diferentes máquinas que facilitan nuestro día a día, donde se puede
presenciar diferentes leyes físicas las cuales fueron empleadas por
científicos e ingenieros para su construcción.
Un ejemplo de ello en la industria petrolera son los sistemas de bombeo
empleados, uno de esos sistemas es el mecánico, el cual es conocido como
balancín petrolero donde se puede apreciar un sistema mecánico complejo a
simple vista, pero en realidad solo es el diseño en base diferentes principios
de máquinas y mecanismos simples con la finalidad de conservar la energía.
En el presente informe, se presentara con detalle la elaboración de un
prototipo de balancín petrolero, con la finalidad de demostrar las diferentes
leyes que se aplican en su diseño.
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OBJETIVO GENERAL
Construir un balancín petrolero a escala donde se visualicen las diferentes
leyes físicas que aplica para su funcionamiento.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Definir las diferentes leyes físicas que se aplican en el diseño de un
balancín petrolero.
Calcular las variables necesarias para el diseño del balancín petrolero.
Diseñar el prototipo del balancín petrolero.
Analizar el funcionamiento del balancín petrolero en base a las leyes
físicas.
MARCO TEÓRICO
Sistema de bombeo mecánico
Es un procedimiento de succión y transferencia casi continua del petróleo
a la superficie, considerando que el yacimiento posee una determinada
presión, la cual es suficiente para que el petróleo alcance un determinado
nivel en el pozo.
Los sistemas de bombeo mecánico está compuesto por:
Equipos de superficie (unidad de bombeo o balancín)
Motor
Varillas
Bomba de sub-suelo
4
Figura 1. Partes del sistema de bombeo mecanico
Aplicaciones
Pozos de profundidades hasta 8000 pies (no mayores a 9000 pies).
Pozos de crudos extra pesados, pesados, medianos y livianos.
No es recomendable aplicar en pozos que producen altos volúmenes
de gas.
Puede realizar levantamientos de crudos a altas temperaturas, así
como de fluidos viscosos.
No debe existir presencia de arena.
Solo en pozos unidireccionales.
Se puede usar en pozos desviados.
Funcionamiento de un sistema de bombeo mecánico
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La bomba se baja dentro la tubería de producción y se asienta en el fondo
con el uso de empacaduras. La bomba es accionada por medio de las
varillas que le transmiten el movimiento desde el aparato de bombeo (éste
consta de un balancín al cual se le transmite el movimiento de vaivén por
medio de la biela y la manivela, éstas se accionan a través de una caja
reductora movida por un motor).
El balancín de producción imparte un movimiento de sube y baja a la
sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la
sarta de producción o de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.
La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. Por un
lado en la carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se
abre la válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de
educción. Por el otro, la válvula viajera se cierra para mover hacia la
superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre
petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y
descendente mantiene el flujo hacia la superficie.
Balancín petrolero
Es la unidad de bombeo mecánico también conocido como: caballito,
pumpa, pumping jack y últimamente AIB (Aparato Individual de Bombeo), es
un equipo que convierte el movimiento rotacional del motor (eléctrico o de
combustión interna) en movimiento recíproco vertical requerido por la barra
pulida. Los primeros balancines se usaron aprovechando que el mecanismo
de palancas empleado para perforar el pozos petroleros.
Industrialmente el balancín es un mecanismo que requiere poco
mantenimiento para el trabajo que realiza, pero por otra parte, el hecho de
tener manivelas de dos brazos puede representar una situación de riesgo
para el personal que labora junto a esta máquina.
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Las unidades de bombeo están divididas en dos grupos según el tipo de
palanca a la cual pertenece, y estas son:
Convencionales o clase I: tiene el pivote entre la carga del pozo y la
generación de torque y “hala” a la barra pulida.
Geométrica avanzada o clase III: tiene la generación de torque entre
el pivote y la carga del pozo y “empujan” a la barra pulida.
Figura 2. Balancín convencional
Figura 3. Balancín Geométrica avanzada
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Ventajas:
Puedes ser usado durante toda la vida productiva del pozo.
Las unidades pueden cambiarse a otro pozo a costos mínimos.
La capacidad de bombeo puede ser cambiada fácilmente para
adaptarse a las condiciones del pozo.
Puede usar gas o electricidad como fuente de poder.
Los componentes son fáciles de sustituir.
Desventajas:
Susceptible a presentar bloqueo por acumulación de gas.
La unidad de bombeo es pesada y necesita mucho espacio lo cual
obstruye el ambiente.
En sitios poblados puede representar un peligro para las personas
Leyes físicas que aplican en el balancín convencional
Conservación de energía:
La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de
energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro
sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede
transformarse en otra forma de energía.
Conservación de energía mecánica
La energía mecánica se puede definir como la capacidad de producir un
trabajo mecánico que posee un cuerpo debido a causas de origen mecánico,
como su posición o su velocidad. Existen dos formas de energía mecánica
que son la energía cinética y la energía potencial.
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Para sistemas abiertos formados por partículas que interactúan mediante
fuerzas puramente mecánicas o campos conservativos la energía se
mantiene constante con el tiempo:
Emec=Ec+Ep+Ee=cte .
Donde:
Ec = es la energía cinética del sistema.
Ep = es la energía potencial gravitacional del sistema.
Ee = es la energía potencial elástica del sistema.
Ley de newton
También conocidas como leyes del movimiento de Newton, son tres
principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas
planteados por la mecánica, en particular aquellos relativos al movimiento de
los cuerpos, que revolucionaron los conceptos básicos de la física y el
movimiento de los cuerpos en el universo.
La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, dice
que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá
indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante
La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de
fuerza. neta aplicada sobre un cuerpo la cual es proporcional a la
aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de
proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que:
F=ma
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La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción
dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste
realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
Maquinas simple tipo I
Una máquina simple que consiste esencialmente en una barra que se
apoya o puede girar sobre un punto (punto de apoyo o fulcro) y está
destinada a vencer una fuerza (resistencia) mediante la aplicación de otra
fuerza (potencia).
Las maquinas tipo I, se caracteriza por tener el fulcro entre la fuerza a
vencer y la fuerza a aplicar, el fulcro se encuentra situado entre la potencia y
la resistencia, la potencia puede ser menor que la resistencia, aunque a
costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la
resistencia.
Figura 4. Maquina simple tipo I
En física, la ley que relaciona las fuerzas de una palanca en equilibrio se
expresa mediante la ecuación:
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P×Bp=R×Br
Donde:
P= potencia (fuerza aplicada)
R= resistencia (fuerza a vencer)
Bp= brazo o distancia entre la potencia y el fulcro (brazo 2)
Br=brazo o distancia entre la resistencia y el fulcro (brazo 1)
Fulcro= punto de apoyo
Movimiento circular uniforme (m.c.u)
Es un movimiento de trayectoria circular en el que la velocidad angular es
constante. Esto implica que describe ángulos iguales en tiempos iguales. En
él, el vector velocidad no cambia de módulo pero sí de dirección (es tangente
en cada punto a la trayectoria). Esto quiere decir que no tiene aceleración
tangencial ni aceleración angular, aunque sí aceleración normal.
El movimiento circular uniforme es un movimiento periódico, es decir, se
repite cada cierto tiempo con iguales características. Esto nos permite definir
las siguientes magnitudes:
Período: Se trata del tiempo que tarda el cuerpo en dar una vuelta
completa. Se representa por T y se mide en segundos (s). Su
expresión viene dada por:
T=2πω
Frecuencia: Se trata del número de vueltas que el cuerpo da en cada
segundo. Se representa por f y se mide en la inversa del segundo (s-
1), que también se denomina hercio (Hz). Su expresión viene dada
por:
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f= ω2π
La frecuencia: es la inversa del período. Relacionando frecuencia,
período y velocidad angular mediante las expresiones anteriores, por
tanto, queda:
f= 1Tω=2π
T=2 πf
Finalmente la relación entre la velocidad angular y la velocidad lineal
permite escribir la última expresión que relaciona velocidad angular,
velocidad lineal, período, frecuencia y radio en el movimiento circular
uniforme.
v=ωr=2πTr=2πfr
La variable r representa el radio. En el movimiento circular uniformemente
acelerado, por ejemplo, no tiene sentido hablar de frecuencia o de período.
Mecanismos de trasmisión circular: estos mecanismos se encargan de
transmitir el movimiento circulas desde el transmisor (motor) al receptor, para
aumentar o reducir la velocidad de giro entre el eje motriz y el eje conducido.
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Figura 5. Mecanismo de trasmisión de poleas
La transmisión por correa como se muestra en la figura5, es un
mecanismo que permite transmitir un movimiento entre dos ejes situados a
distancia. Cada eje se conecta a una rueda o polea, y entre ambas pasa una
correa que transmite el movimiento circular por rozamiento.
La polea es una rueda que gira libremente alrededor de su eje, está
provista de un canal en su periferia para que sirva de guía a una cuerda,
correa o cadena de la que recibe o a la que le da el movimiento.
La relación de transmisión está dada por:
i= N 2N 1
=D 1D 2
Donde:
i = relación de transmisión
N1= velocidad de giro del eje motriz
N2= velocidad de giro del eje conducido
D1= diámetro de la polea o rueda matriz
D2= diámetro de la polea o rueda conducida
Biela manivela
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Es un mecanismo que transforma un movimiento circular en un
movimiento de traslación, o viceversa.
Biela: es un elemento rígido y largo que permite la unión articulada
entre la manivela y el émbolo. Está formada por la cabeza, la caña o
cuerpo y el pie. La forma y la sección de la biela pueden ser muy
variadas, pero debe poder resistir los esfuerzos de trabajo, por eso es
hecha de aceros especiales o aleaciones de aluminio.
Manivela: es una palanca con un punto al eje de rotación y la otra en
la cabeza de la biela. Cuando la biela se mueve alternativamente,
adelante y atrás, se consigue hacer girar la manivela gracias al
movimiento general de la biela. Y al revés, cuando gira la manivela, se
consigue mover alternativamente adelante y atrás la biela y el émbolo
Figura 6. Sistema biela manivela
Donde físicamente se puede expresar las siguientes ecuaciones:
El recorrido de desplazamiento de la biela:
L (carrera )=2r
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Donde:
L= es la longitud de desplazamiento de la biela
r = es la longitud de la manivela (radio)
La biela manivela se completa dos carreras por cada vuelta de la
manivela, de manera que la relación entre velocidad es
v=2ωrω
Y su velocidad máxima
vm=2ω
Donde:
Vm = velocidad media
w = velocidad de giro de la manivela
r = brazo de la manivela
Motor de corriente continúa
El motor de corriente continua, denominado también motor de corriente
directa, motor CC o motor DC, es una máquina que convierte la energía
eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la
acción que se genera del campo magnético.
MATERIALES UTILIZADOS
Madera de 4 milímetros de grosor
Silicón caliente
Tuerca y tornillos para la unión
Palillos de floristería
Motor de 5 voltios
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Tubo de plástico
Alambre
Hilo resistente
Liga
Pila de 1,5 v
Interruptor
cable
ESQUEMA DE LA MAQUETA
CONSTRUCCIÓN
1. Se marca 12cm desde el extremo de una base donde se colocaron el
soporte de la maquina (17,3cm x 1cm), y sobre el soporte se colocara
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otra base de 3,5cm x1,5cm; luego se marcara 17 cm desde el
extremo de la base, para colocar un tercer soporte de 17,5cm x 1cm.
2. Sobre la base de 3,5cm x1,5cm, se colocan los soportes de 2cm x 1,2
cm con unos oricios de 0,5 cm para el eje, la colocación de estos
soporte debe tener una separación de 0.4 cm aproximadamente entre
ellos desde el centro de la base.
3. Entre los soporte se coloca un trozo de madera de 17,5 cm x 1,6cm
que servirá de balanza, realizando un orificio de 0,5 cm en el centro
del trozo y sobre él se coloca en forma horizontal otro toroso de
madera de la misma área y se fija a los soporte mediante el eje a
implementar.
4. Para la polea se cortan dos trozos de madera de 4,2cm de diámetro y
uno de 3,7 cm de diámetro, a los tres se le realiza un orificio en el
centro de la circunferencia. Para luego pegar los de mayor diámetro al
de menor diámetro.
5. Se fijan los soportes de la polea de 5,7cm x 1,2 cm debajo de donde
termina el brazo que va a funcionar de balanza, con unos orificios a
0,7 cm de un extremo para mediante un eje fijar la polea a la cual se le
colocara una liga que servirá de correa con el motor.
6. Sobre los mismo soporte de la polea pero fuera se monta los soporte
de la manivela de 4,3cm x 1,1 cm con orificios de 0,7 cm en cada
extremo del soporte, uno se ajusta al eje de la polea y el otro se ajusta
a la biela de 16,1cm x 1cm, esta tendrá también dos orificios a 0,6 cm
en cada extremo uno que ira sujeto a la manivela y el otro se sujetara
mediante un eje al extremo de la balanza que se encuentra sobre el
sistema mecánico de la biela-manivela.
7. Las pesas y el cabezote se realizara con anime y se colocaran sobre
los extremos que corresponden sin que choquen con ninguna
superficie o sistema.
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8. Se coloca el motor DC con su respetivo pulsador y baterías, a unos 6
cm del soporte de la polea aproximadamente, verificando que la liga
quede tensada entre el motor y la polea.
9. Debajo del cabezote se fija un trozo de tubo puede ser de lapicero con
una medida de 7,5 cm, y al cabezote se coloca un trozo de hilo y
alambre los cuales debe introducirse sobre el tubo antes fijado.
10.Se realiza los retoques necesarios de pintura y ajustes pertinentes de
ser necesarios para el funcionamiento correcto.
PARTES DE LA MAQUETA
FUNCIONAMIENTO
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La estructura o soporte componente más fuerte ya que debe soportar las
cargas mayores; la viga viajera, es la encargada de soportar los esfuerzos
de flexión que se generan en sus extremos por la carga del pozo y el empuje
en los brazos.
El Caimán es el punto de referencia para la alineación longitudinal del
balancín y la barra pulida (guaya). Si no hay una buena alineación
longitudinal, la guaya se puede ir rompiendo poco a poco con el roce de la
pestaña del Cabezote y ocasionar un accidente y que el pozo.
El Cabezote es curvado en su parte delantera para asegurar que
solamente toque la barra pulida cuando está horizontal.
En el extremo opuesto del Caimán está unida mediante un eje a la biela
la cual transmite el movimiento oscilatorio y esta a su vez se une con la
manivela que transforma el movimiento rotatorio de la Manivela en oscilatorio
en el Caimán.
La Manivela, a su vez, está conectada al Eje a través de la Correa y
Poleas (Engranaje y Motor) conectadas al Eje de Alta la energía suministrada
por el Motor.
En la Manivela están las Pesas o Contrapesas las cuales van montadas
sobre rieles para facilitar su desplazamiento para efectos del balanceo de la
unidad.
CÁLCULOS
Circuito moro DC
Datos del Motor
Voltaje: 5V
Velocidad: 5100 rpm, 534,07 rad/seg
Potencia: 0,3 w
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5v→8500rpm3v→xx=3v ×8500 rpm5 v=5100 rpm
La velocidad angular suministrado por el motor es de 5100 rpm
Relación de transmisión de energía en las poleas:
Datos:
N1 = 5100 rpm
D1 = 0,8 cm
D2= 4,2 cm
N 2N 1
=D 1D 2
N 2= N1×D 1D 2
=5100rpm×0,8cm4,2cm
=471,43rpm
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La relación de transmisión se emplea para reducir la velocidad de giro de
la manivela
i= N 1N 2
= 5100 rpm417,43rpm
=10,82
Momento de torsión suministrado
P=MωM= Pω
= 0,3w534,07 rad / seg
=5,62 x10−4Nm
Momento de torsión producido:
Mprod=Msumi x e x iMprod=5,62 x10−4Nm x 0,97 x10,82=5,89 x10−3Nm
La eficiencia (e) tomada es en base a la eficiencia de un balancín
convencional.
Sistema de biela manivela
Fuerza ejercida por la manivela
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M=F x dF=Md
=5,89 x10−3 Nm
3x 10−3m=1,96N
Desplazamiento de la biela
L (carrera )=2rL (carrera )=2x 0,3cm=0,6cm
Velocidad máxima de la biela
vm=2w=2x 471,43 rpm=942,86 rpm=98,73 rad /seg
Velocidad tangencial
v=ωr=98,73 radseg
x3 x10−3=0,296m /seg
Frecuencia del movimiento de la biela
f= ω2π
=942,86 rpm2π
=150,06Hz
Periodo
T=1f= 1150,06Hz
=6,66 x 10−3 vuelta por segundo
Palanca de la viga viajera
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P×Bp=R×BrR=P x BpBr
=1,96 N x 8,75 cm8,75cm
=1,96 N
La fuerza que es capaz de levantar o de generar el cabezote para perforar
en el prototipo es de 1,96 N, tomando en cuenta que no se toma en cuenta la
masa de los mimos por ser de anime y es relativamente descartable esa
masa al igual que la de las pesas.
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CONCLUSIONES
El balancín petrolero es una maquina industrial empleada para la
extracción de petróleo, y está constituido por un sistema mecánico el cual
mediante la conservación de energía y la aplicación de la leyes de newton,
este utiliza diferente principios de la máquinas y mecanismos de transmisión
de movimiento y multiplicación de fuerzas, para perforar el terreno y
mediante un sistema hidráulico extraer petróleo del subsuelo.
Si bien existen otros tipos de procesos de extracción, este es el más
recomendado en la industria debido a su factibilidad en el mantenimiento,
movilidad y durabilidad, aunque representa un riesgo a quienes la manipulan
debido a sus diferentes componentes mecánicos.
Para el sistema hidráulico se aplica la ley de darcy la cual describe las
características del movimiento del agua a través de un medio poroso.
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BIBLIOGRAFÍA
FISICALAB. (19 de 07 de 2016). Ecuaciones del movimiento circular.
Obtenido de https://www.fisicalab.com/apartado/ecuaciones-
mcu#contenidos
Maroto Centeno, J. (19 de 07 de 2016). Universidad de Jaen.
Obtenido de www4.ujaen.es/~jamaroto/MAQUINAS%20SIMPLES
%20Y%20COMPUESTAS.pdf
Partidas, H. (2003). Bombeo mecanico optimizacion, diagnostico y
operacion. San Tome: ESP OIL.
S/F. (19 de 07 de 2016). Thales. Obtenido de
https://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html
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ANEXOS
26
Partes de un sistema de bombeo mecanico
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Memoria Fotográfica
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