bombeo mecanico avanzado

8/3/2019 Bombeo Mecanico Avanzado

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THETA ENTERPRISE, INC.Software Avanzado de Optimizacin para Bombeo por CabillasConsultara y EntrenamientoJohn G. Svinos, Presidente.

OFICINA CENTRAL CORPORATIVAVentas, Soporte Tcnico para RODSTAR, RODDIAG, XDIAG, CBALANCE yDYNOSTAR, T1 Dyno, Entrenamiento, y servicios de consultara.

John G. Svinos PresidenteNumero de telfono: (714) 526-8878Nmero de Fax: (714) 526-8875

Numero efax: (714) 908-7287Email:[email protected]

Rudy Nesmith Programador Senior.Nmero de Telfono: (714) 526-8878Email: [email protected]

Theta Enterprise, Inc.1211 West Imperial Hwy.,Suite 105Brea, CA. 92821-3733 USA

OFICINAS, DIVISION BAKERSFIELDXSPOC. Desarrollo y soporte Tcnico.

Terry Treiberg Gerente de Divisin y Jefe de desarrollo de XSPOCEmail: [email protected] de Telfono: (661) 633-2792Numero efax: (240) 371-8016

Theta Enterprise, Inc.

1701 Westwind DriveSuite 226Bakersfield, CA. 93301 USA.


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Optimizacin

De Bombeo Mecnico Theta Enterprise, Inc. 1989-2005

Por:JohnG. Svinos, Presidente

Theta Enterprise, Inc.1211 West Imperial Hwy., Suite 105

Bera, CA 92821-USATelfonos: (714) 526-8878, Fax: (714) 526-8875

http://www.gotheta.com

Traduccin al Espaol

Ing. Herdly EscalanteTsu. Cherry CardonaRevision:

Ing. Julian SanchezMaracaibo, Venezuela 2005

Direcciones de E_mail:John G. Svinos-Presidente: [email protected] Treiberg Gerente de desarrollo de XSPOC: [email protected]: Sandy B. Rodrguez Gerente de Oficina: [email protected] Tcnico del Software: Rudy Nesmith: [email protected]


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AdvertenciaEsta obra es propiedad de Theta Enterprise, y esta

protegida por derechos de autor y COPYRIGHT.

Esta expresamente prohibida su reproduccin parcial o

total por cualquier medio y restringido su uso sin la

autorizacin previa por escrito de Theta Enterprise.Cualquier violacin de estas disposiciones es contraria a

la ley e implica acciones civiles y penales a los

infractores.

Informacin sobre esta obra puede ser solicitada en:

En USA: Theta Enterprise, 1211 West Imperial Hwy.,

Suite 105

Brea, CA 92821 USA, www.gotheta.com

En Venezuela: UPCO de Venezuela, Av 19 entre calles

65 y 66, Maracaibo-Edo Zulia. Tlf: +58 (0261) 7830228 /

7830731, Fax: 7830060.

Nota: Este trabajo es una traduccin parcial del ManualROD PUMPING OPTIMIZATION con derechos deautor Theta Enterprise, Inc. Los trabajos tcnicos,ensayos, documentos anexos y diapositivas de lapresentacin no estn disponibles en este formato.


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TABLA DE CONTENIDOS

INTRODUCCIONFuentes de reduccin de rentabilidad

Herramientas modernas de Optimizacin de bombeo mecnicoQue esperar de este cursoTecnologas modernasVentajas y desventajas del bombeo mecnico

1. REVISION DE FUNDAMENTOS1.1 Tensin y Presin1.2 Trabajo1.3 Potencia1.4 Energa1.5 Torque y momento

2. EL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS2.1 UNIDAD MOTRIZ

2.1.1 Motores elctricos2.1.2 Motores ultra de alto deslizamiento2.1.3 Motores a gas

2.2 UNIDADES DE BOMBEO2.2.1 Diseo de la Unidad2.2.2 Geometra de la Unidad de bombeo2.2.3 Nomenclatura de la Unidad de bombeo2.2.4 Anlisis Kinematico de la unidad de bombeo

2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS2.3.1 Contrapesos

2.4 BARRA PULIDA, ESTOPERAS Y LINEAS DE FLUJO.2.4.1 Vlvulas de contrapresion

2.5 SARTA DE CABILLAS2.6 TUBERIA DE PRODUCCION2.7 BOMBA DE SUBSUELO

2.7.1 Accin de las vlvulas2.7.2 Accin de las vlvulas y cargas de fluido

2.8 ANCLAS DE GAS

2.9 EQUIPO ADICIONAL DE FONDO DE POZO3. EQUIPO DE FONDO

3.1 BOMBAS DE FONDO3.1.1 Designacin API de las bombas3.1.2 Bombas de tubera

3.1.2.1 Instalacin de la bomba3.1.2.2 Cuando usar bombas de tubera3.1.2.3 Cuando no usar bombas de tuberas

3.1.3 Bombas de cabillas insertables3.1.3.1 Instalacin de la bomba

3.1.3.2 Cuando usar3.1.3.3 Cuando no usar


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3.2 BOLAS Y ASIENTOS3.3 PISTONES

3.3.1 Pistones de empaque suave3.3.2 Pistones metal-metal

3.4 BOMBAS ESPECIALES

3.4.1 Bomba insertable de tres tubos3.4.2 Bombas de dos etapas3.4.3 Vlvula de Carga3.4.4 Bombas de vlvula upper ring

3.5 DESPLAZAMIENTO DE LA BOMBA Y ESCURRIMIENTO3.5.1 Desplazamiento de la bomba y eficiencia volumtrica3.5.2 Escurriento de fluido a travs del pistn

3.6 ANCLAS DE GAS3.6.1 Tipos de anclas de gas.3.6.2 Gua para el diseo de anclas de gas.3.6.3 Diseo paso a paso para anclas de gas modificadas poor

boy3.6.4 ejemplo del diseo de ancla de gas modificada poor boy

4. MEDICIONES DE CAMPO4.1 EL SISTEMA DEL DINAMOMETRO4.2 USO DEL DINAMOMETRO COMO UNA HERRAMIENTO DE

DIAGNOSTICO4.2.1 Instalacin y remocin de los transductores de carga yposicin.4.2.2 Chequeo de vlvulas en la vlvula fija y viajera.4.2.3 Clculos del escurrimiento en la bomba desde la vlvulaviajera.4.2.4 Chequeo de la Vlvula fija.4.2.5 Efecto en la medida del contrabalanceo.4.2.6 Grafico de amperaje.4.2.7 Longitud de la carrera y emboladas por minuto por minuto.4.2.8 Data de la unidad de bombeo y Unidad motriz.

5. ANALISIS DE TORQUE5.1 FACTOR TORQUE5.2 CALCULO DEL TORQUE NETO EN LA CAJA DE ENGRANAJE

5.3 CAGAS EN LA BARRA PULIDA5.4 MAXIMO MOMENTO DE CONTRABALANCEO5.5 EJEMPLO DEL ANALISIS DE TORQUE5.6 CALCULOS DEL FACTOR DE TORQUE5.7 DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES

5.7.1 Tendencia del diagrama de cargas permisibles.

6. BALANCEO DE LA UNIDAD DE BOMBEO6.1 BALANCEANDO LA UNIDAD CON AMPERAJE

6.1.1 Ventajas y desventajas de balancear la unidad conampermetro

6.2 BALANCEANDO LA UNIDAD CON TABLAS Y GRAFICOS DECONTRABALANCEO.


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6.3 BALANCEANDO LA UNIDAD A TRAVES EL SOFWARE6.3.1 CBALANCE contra el balanceo de la unidad a travs del

ampermetro.6.4 EFECTO DEL BALANCEO EN EL COMPORTAMIENTO DEL

SISTEMA.

6.4.1 Factor de cargas cclicas.

7. SARTA DE CABILLAS DE SUCCION7.1 GRADOS DE CABILLAS API

7.1.1 Tamaos de cabillas limitados por tubera7.2 CARGAS EN LAS CABILLAS7.3 CABILLAS DE ACERO NO API7.4 CABILLAS DE FIBRA DE VIDRIO

7.4.1 Ventajas de las cabillas de fibra de vidrio7.4.2 Desventajas de las cabillas de fibra de vidrio

7.5 ANALISIS DE TENSION EN LAS SARTAS DE CABILLAS

7.5.1 Diagrama de Goddman modificado7.5.2 Factores de servicio7.5.3 Ecuacin del diagrama modificado de Goodman paraanlisis de tensin.7.5.4 Anlisis de tensin en cabillas Electra7.5.5 Anlisis de tensin en cabillas Norris 97, LTV HS, y UPCO50K.7.5.6 Anlisis de tensin en cabillas de fibra de vidrio7.5.7 Anlisis de tensin con el mtodo MGS

7.6 BARRAS DE PESO7.6.1 Por que usar barras de peso?

7.7 FALLAS EN CABILLAS DE SUCCION

8. DISEO DEL SISTEMA8.1 DESARROLLO DEL METODO API RP11L8.2 DESARROLLO DEL METODO DE LA ECUACION DE ONDA8.3 CONSIDERACIONES EN EL DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEOPOR CABILLAS

8.3.1 Gua para el diseo de sistema de bombeo por cabillas8.4 CALCULO DE LA TASA OBJETIVO DE PRODUCCION

8.4.1 Mtodo del IP constante

8.4.2 Usando el ndice de productividad8.4.3 Mtodo de Vogels8.4.4 Productividad del pozo por encima de la presin deburbujeo.

8.5 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS USANDO ELAPI RP11L8.6 DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO POR CABILLAS.

8.6.1 El programa RODSTAR8.7 OTROS CALCULOS EN EL DISEO DEL SISTEMA

8.7.1 Fuerza para desasentar la bomba8.7.2 Tamao de la barra pulida

8.7.3 Tamao de la polea del motor y longitud de las correas8.7.4 Velocidades de bombeo mnimas y mximas.


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9. ANALISIS DIAGNOSTICO

9.1 FUNDAMENTOS EN EL ANALISIS DIAGNOSTICO EL SISTEMA DEBOMBEO POR CABILLAS

9.1.1 caractersticas de los pozos grupo 1

9.1.2 Caractersticas de los pozos grupo 29.1.3 Beneficios adicionales del anlisis diagnostico porcomputadora

9.2 ANALISIS DINAMOMETRICO DE FONDO PARA POZOS DELGRUPO 1.

9.2.1 Accin de las vlvulas como una funcin de la presin delbarril9.2.2 Calculo de la presin de entrada de la bomba y el nivel defluido9.2.3 Calculo de las cargas de fluido y la carrera neta de la bomba9.2.4 Lneas de ajuste para separar friccin de las verdaderas

cargas de fluido9.3 EXPLICACION DETALLADA DE LA FORMA DE LAS CARTAS

DINAGRAFICAS DE FONDO9.3.1 Interferencia por gas9.3.2 Golpe de fluido9.3.3 Fuga en la vlvula viajera o el pistn9.3.4 Fuga en la vlvula fija9.3.5 Tubera desanclada9.3.6 Mal funcin del ancla de tubera9.3.7 Golpe de bomba en la carrera descendente9.3.8 Barril de la bomba colapsado (Abollado)-pistn atascado9.3.9 Barril de la bomba desgastado o rajado9.3.10 Altas aceleraciones de fluido (Inercia de fluido)

9.4 COMBINACION DE DOS O MAAS PROBLEMAS DE BOMBAS9.5 ANALISIS DIAGNOSTICO CON EL SOFTWARE RODDIAG

9.5.1 Check List RODDIAG9.5.2 Explicacin de los resultados del RODDIAG

Picos y cargas mnimas de la barra pulida Potencia en la barra pulida Eficiencia del sistema Eficiencia volumtrica de la bomba

Costo elctrico por barril Potencia mnima requerida por el motor Pesio de las cabillas en el fluido Cargas en la estructura de la Unidad Informacin de la tubera de produccin Informacin sobre bombas Clculos a partir de la carta dinagrafica de fondo Anlisis tensional de la sarta de cabillas Data de la unidad de bombeo Anlisis de torque

Tamao requerido por el motor para las condicionesexistentes


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Consumo de energa Grficos dinamometricos.

10. CONTROLADORES DE BOMBEO10.1 Problemas con golpe de fluido10.2 Temporizadores vs controladores de bombeo

10.3 Operacin de los controladores de bombeo10.4 Mtodos para la deteccin del golpe de fluido10.4.1 Mtodo de cargas en un punto10.4.2 Mtodo del cuadrante.10.4.3 Mtodo del rea.10.4.4 Mtodo de la velocidad del motor.

10.5 Estado del arte en el monitoreo y control de sistemas con bombeomecnico.

10.5.1 Sistemas stand-alone.10.5.2 Sistemas de supervisin de controladores de bombeo

10.6 Sistema experto para diagnostico remoto de problemas.

10.6.1 Programa de computadora Xdiag.10.6.2 Resumen de las caractersticas de Xdiag.


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LISTA DE FIGURAS

Figura I-1. Efecto de la Eficiencia del sistema en los costos de electricidad.Figura I-2. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 90%.Figura I-3. Costos Elctricos de levantamiento para cortes de agua del 95%.

Figura I-4. Capacidad del bombeo Mecnico.Figura 1.1. Ejemplo de clculo de Torque.Figura 2.1. Sistema de bombeo Mecnico.Figura 2.2. Curvas de Torque-Velocidad. NEMA D vs Alto deslizamiento.Figura 2.3. Nomenclatura de Unidades de bombeo convencional.Figura 2.4. Nomenclatura de Unidades de bombeo Mark II.Figura 2.5. Nomenclatura de Unidades de bombeo balanceadas por aire.Figura 2.6. Definicin de desbalance Estructural.Figura 2.7. Definicin de ngulo de compensacin de la manivela.Figura 2.8. Operacin de las vlvulas de bomba de cabilla.Figura 2.9. Cargas de fondo sobre el pistn vs posicin para bomba llena.

Figura 2.10. Operacin del ancla de gas (Poor boy).Figura 2.11. Equipo de fondo del sistema de bombeo.Figura 3.1. Designacin de bombas API.Figura 3.2. Bombas API.Figura 3.3. Operacin de la vlvula Charger.Figura 3.4. Operacin de la vlvula de anillos.Figura 3.5. Ancla de gas Natural.Figura 3.6. Operacin del ancla de gas tipo empacadura.Figura 4.1. Ejemplo de carta dinagrafica.Figura 4.2. Sistema Dinamometrico.Figura 4.3. Ejemplo del chequeo de vlvulas.Figura 4.4. Identificacin de manivelas Mark II (Por dentro de la manivela).Figura 5.1. Calculo del torque neto sobre la caja de engranaje.Figura 5.2. Definicin del factor de torque.Figura 5.3. Determinacin del torque neto sobre la caja de engranaje.Figura 5.4. Determinacin de cargas sobre la barra pulida para anlisis detorque.Figura 5.5. Medicin del Efecto de contrabalance.Figura 5.6. Carta dinagrafica para ejemplos de anlisis de torque.Figura 5.7. Grafico de torque para ejemplo de anlisis de torque.Figura 5.8. Ejemplo de carta dinagrafica con diagrama de cargas permisibles.

Figura 5.9. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos paraunidades Mark II con cabillas de acero.Figura 5.10. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos paraunidades convencionales con cabillas de fibra de vidrio.Figura 5.11. Ejemplo de cargas permisibles y grficos dinamometricos paraunidades Mark II con cabillas de fibra de vidrio.Figura 6.1. Grficos de amperaje para unidades en condiciones fuera debalance y balanceadas.Figura 6.2. Cuadros ejemplo de contrabalanceo para unidades Lufkin.Figura 6.3. Ejemplo de tablas de contrabalanceo para Unidades American.Figura 6.4. Ejemplo de reporte del software CBALANCE.

Figura 6.5. Terminologa de la posicin de las contrapesas utilizada porCBALANCE.


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Figura 7.1. Construccin del Diagrama API de Goodman modificado.Figura 7.2. Uso del diagrama API de Goodman modificado.Figura 7.3. Diagrama de tensin (Norris 97, LTV HS y UPCO 50K)Figura 7.4. Aumento de la tensin por causa de corrosin.Figura 8.1. ndice de productividad constante para curvas IPR.

Figura 8.2. Curva IPR de Vogel.Figura 8.3. Diseo tradicional de ensayo y error.Figura 8.4. Sistema experto de diseo RODSTAR:Figura 9.1. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.2. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.3. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.4. Forma de las cartas dinagraficas de fondo.Figura 9.5. Calculo de la presin de entrada en la bomba y nivel de fluido.Figura 9.6. Calculo de las cargas de fluido y embolada neta con modelo exactode friccin.Figura 9.7. Determinacin de las cargas de fluido, embolada bruta y neta a

partir de la carta de fondo calculada.Figura 9.8. Interferencia de gas con bomba espaciada demasiado arriba.Figura 9.9. Golpe de fluido.Figura 9.10. Fuga en la vlvula viajera o en el pistn.Figura 9.11. Fuga en la vlvula fija o estacionaria.Figura 9.12. Tubera desanclada o ancla de tubera no sujeta.Figura 9.13. Malfuncionamiento del ancla de tubera.Figura 9.14. Pistn golpeando en el fondo (Bomba llena).Figura 9.15. Baril de la bomba doblado o pistn atascado.Figura 9.16. Barril de la bomba rajado o gastado.Figura 9.17. Aceleracin alta de fluido (Bomba llena)Figura 9.18. Efecto de la profundidad de la bomba en la forma de la cartadinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 1).Figura 9.19. Efecto de las emboladas por minuto en la forma de la cartadinagrafica para pozos del grupo 2 (ejemplo # 2).Figura 9.20. Efecto del tamao del pistn en la forma de la carta dinagraficapara pozos del grupo 2 (ejemplo # 3).Figura 9.21. Superposicin de cartas dinagraficas.Figura 9.22. Ejemplo de hoja de datos del RODDIAG.Figura 9.23.Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 1)Figura 9.24. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 2)

Figura 9.25. Reporte ejemplo del RODDIAG (pagina # 3)Figura 10.1 Eventos que preceden el golpe de fluido como una condicin deestado estable.Figura 10.2. Operacin de controladores de bombeo.Figura 10.3. Mtodo de punto de carga para controladores de bombeo.Figura 10.4. Mtodo del cuadrante para controladores de bombeo.Figura 10.5. Mtodo del rea para controladores de bombeo.Figura 10.6. Limites mnimos y mximos para cargas en la barra pulida.Figura 10.7. Sistema centralizado de control.


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INTRODUCCION

El Bombeo mecnico es el ms comn de los mtodos de levantamiento

artificial. Aproximadamente el 95% de todos los pozos en los Estados Unidos

estn bajo levantamiento artificial. El Bombeo mecnico abarca cerca del 90%

de todos los pozos haciendo de este el mtodo primario de levantamiento

domestico. Beam Pumping (otra forma de llamar al bombeo por cabillas cuando

una unidad con viga viajera es usada) es el ms antiguo y ampliamente usado

mtodo de levantamiento artificial costa adentro. Es usualmente el ms

econmico y el sistema ms fcil de mantener cuando es diseado y operado

apropiadamente.

Incrementar la eficiencia del sistema de bombeo mecnico ha sido

siempre importante. La figura I-1 muestra como la eficiencia del sistema y el

corte de agua afecta el costo de electricidad por barril de fluido producido. Si

bien este ejemplo grafico es para una bomba a una profundidad de 5000 pies y

costos de electricidad de 0.07 Kwh, las conclusiones sacadas de esto pueden

aplicarse a todos los sistemas de levantamiento artificial a pesar de la

profundidad y costos de energa.

La eficiencia del sistema es la relacin de la mnima energa requerida

para la produccin actual dividida entre la energa real consumida por el motor.

Un 50% de eficiencia del sistema es excelente y es la eficiencia mas alta que

puede esperarse tenga un sistema de bombeo mecnico convencional. Sin

embargo, pocos sistemas por bombeo mecnico realmente operan en un 50%

de eficiencia. Problemas comunes tales como golpe de fluido, pistn de la

bomba desgastado, fugas en la vlvula viajera o fija, y una unidad severamente

fuera de balance, pueden reducir la eficiencia del sistema hasta menos de un

30%. Una bomba severamente daada o una fuga en la tubera puedenresultar en una eficiencia del sistema menor al 30%.

Como se muestra en la Figura I.1, a cada vez ms bajos cortes de agua,

los costos por consumo elctrico podran ser bajados lo suficiente para que el

pozo sea rentable. Sin embargo, a medida que aumenta el corte de agua,

incluso una pequea cada en la eficiencia tiene un gran impacto en los costos

de levantamiento. Como altos cortes de agua son muy comunes en la mayora

de los campos petroleros de hoy, permanecer cercanos a la lnea del 50% deeficiencia es vital para la sobre vivencia econmica. Esto es obvio si se mira la


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Figura I-2 y I-3. Estas figuras son derivadas a partir de la Figura I-1 para cortes

de agua entre 90% y 95% respectivamente. Como se muestra en la Figura I-2,

a medida que la eficiencia del sistema va bajando, el costo por barril de

petrleo se incrementa muy rpido de 0.92 $/bbl para eficiencias del 50% hasta

4.62 $/bbl para eficiencia del sistema igual a 10%. Como se muestra en la

Figura I-3 la tendencia se mantiene cierta para cortes de agua del 95%. Sin

embargo, los costos por barril son dos veces tan altos como para cortes de

agua del 90%.

Fuentes de Reduccin de Rentabilidad:

Para optimizar el comportamiento de sistemas por bombeo mecnico es

importante identificar y entender los problemas que reducen la rentabilidad. Las

dos principales fuentes de reduccin de rentabilidad son baja eficiencia del

sistema y fallas en el equipo. Nosotros podemos subdividir este de la siguiente

manera:

Eficiencia baja del sistema:

Bomba desgastada.

Golpe de fluido.

Unidad desbalanceada.

Mal diseo del tamao del motor.

Fallas del equipo:

Cabillas partidas.

Fuga en tubera.

Fallas en la bomba.

Fallas en la caja de engranaje.

Este curso ensea las habilidades que se necesitan para encontrar,

corregir, prevenir y minimizar los problemas mencionados. La clave para

mejorar la rentabilidad es tenar el conocimiento y las herramientas para

incrementar la eficiencia y reducir las fallas del equipo. El entrenamiento

apropiado en los fundamentos del bombeo mecnico es necesario para


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entender como trabaja el sistema, que puede salir mal, y que hacer sobre los

problemas comunes y los no tan comunes.

Herramientas Modernas en la Optimizacin de Bombeo Mecnico.

Una buena comprensin de los fundamentos del bombeo mecnico y el

uso inteligente de las actuales tecnologas avanzadas de computadoras para

bombeo mecnico pueden cambiar el punto de vista en problemas de campo.

En vez de aceptar baja eficiencia, altos costos de energa, y fallas en el equipo

como un hecho cotidiano, podras entender y ser capaz de minimizar el impacto

de estos problemas. Grandes ahorros e incrementos en los ingresos son

posibles si puedes optimizar el comportamiento del sistema por bombeo

mecnico usando tecnologa moderna. Las principales herramientas para

optimizar el sistema son:

Software de Anlisis Diagnostico: Ayuda a detectar problemas con el

sistema existente de bombeo. RODDIAGes un programa de computadora

desarrollado por Theta enterprise para este propsito. El capitulo del

Anlisis diagnostico describir el uso de tales programas de computadora.

Software Predictivo (diseo):Permite predecir el efecto de los cambios

en el sistema existente, o predecir el comportamiento o las cargas del

nuevo sistema. El programa de computadora RODSTAR discutido en

Diseo del Sistema es la herramienta mas avanzada disponible para este

propsito.

Software para Balancear la Unidad de Bombeo: El nico

comercialmente disponible programa de computadora ha sido desarrollado

por Theta Enterprise y es llamado CBALANCE. Este programa permite:1)

Encontrar el momento de contrabalanceo existente sin necesidad de mediren el campo el efecto del contrabalanceo. 2) Determinar hacia donde

mover las pesas para balancear la unidad. 3) Determinar si las pesas

existentes son suficientes para balancear la unidad. 4) Decidir que tipo y

cuantas pesas ordenar al momento de comprar una unidad de bombeo

nueva.

Controladores de Bombeo: Incrementan la eficiencia del sistema y

minimizan las fallas por fatiga. Los Controladores de bombeo minimizanlos efectos adversos del golpe de fluido, que es la ms comn de las


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condiciones de operacin en pozos por bombeo mecnico. El capitulo de

controladores de pozos discute como estos controladores trabajan y como

estos pueden afectar el comportamiento del sistema.

Que debe esperar de este curso:

Este curso esta diseado para ayudarte a entender los principios bsicos

del bombeo mecnico y para familiarizarte con la tecnologa moderna de

diagnostico. Te enseara como identificar problemas en las cabillas y como

mejorar su diseo. Este curso cubre los fundamentes y te brinda bases slidas

para incrementar tus conocimientos. Despus de completar este curso habrs

aprendido lo siguiente:

Como cada componente del sistema de bombeo trabaja y los efectos en

el resto del sistema.

Como calcular el torque en la caja de engranaje, construir un diagrama

de cargas permisibles, y balancear la unidad de bombeo.

Como grabar y usar cartas dinagraficas para detectar fallas en pozos y

calcular las cargas tensinales de las cabillas API y no API de acero o

fibra de vidrio.

Como trabajan las bombas de cabillas, que tipo de bombas estn

disponibles y cuando usarlas.

Como hacer clculos de productividad de pozos para ver si pueden

producir mas fluido.

Las ventajas y desventajas de los mtodos de diseo API RP 11L, y el

de la ecuacin de onda, sus limitaciones, y los rangos de aplicacin.

Como mejorar el diseo del sistema usando mtodos modernos basados

en la ecuacin de onda y sistemas de tecnologa experta.

Como interpretar la forma de las cartas dinagraficas de fondo y entender

la razn de la misma.

Diferenciar entre pozos profundos y someros y las herramientas que

necesitas para disear y analizarlos apropiadamente. Tambin, cual es

el efecto de la inercia del fluido en pozos someros con altas tasas de

produccin.


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Los problemas causados por el golpe de fluido, como funcionan los

controladores de bombeo y como usarlos apropiadamente.

Los beneficios de usar programas de computadoresInteligentes yotras

tcnicas modernas para optimizar el comportamiento del sistema.

Tecnologa moderna:

En los aos recientes, la tecnologa de la computadora ha revolucionado

cada aspecto del bombeo mecnico. Ahora puedes usar computadoras para

disear, identificar, balancear, y monitorear sistemas de bombeo. Los

desarrollos ms recientes en tecnologa de computadora para bombeo

mecnicos incluyen simuladores muy precisos del sistema de bombeo y

programas de computadoras Inteligentes. Estos paquetes de herramientas

son el estado del arte de la tecnologa en una forma fcil de usar. Si bien esta

tecnologa es nueva, esta avanzando rpidamente. La necesidad de producir

los pozos de la forma ms rentable posible podra resultar en un incremento en

el uso de computadoras en los aos por venir. Todava la habilidad de los

poderosos programas de computadoras no ha podido eliminar la necesidad de

entender las bases del bombeo mecnico. Se ha simplemente cambiado el

nfasis en hacer manualmente clculos tediosos, a aplicar resultados. Este es

un paso en la direccin correcta debido a que mayor esfuerzo puede

dedicrsele a la optimizacin del comportamiento de pozos.

Sin el conocimiento de los principios bsicos del bombeo mecnico el

Ingeniero podra sentirse inseguro acerca de las tecnologas de punta de los

programas de computadoras, controladores de bombeo, monitoreo remoto, etc.

Estos podran parecer misteriosos y difciles de entender. Estos sentimientos

son comprensibles. Todava, estos representan solo falta de conocimiento oentendimiento incompleto de los fundamentos del bombeo mecnico.

Este curso provee el conocimiento necesario para entender las

herramientas modernas de optimizacin del bombeo mecnico. Si se entienden

los fundamentos ac cubiertos entonces podrs racionalmente evaluar

cualquier nueva tecnologa que aparezca. As, Podrs confiar en tu propio juicio

en ves de creer en el de alguien ms o sentirte inseguro acerca de cosas que

no entiendes.


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Bombeo Mecnico, Ventajas y Desventajas:

Como cualquier otro mtodo de levantamiento artificial, el bombeo

mecnico tiene sus pros y contras que son importantes cuando se determina

que mtodo de levantamiento usar para una aplicacin particular. Uno de los

factores ms importantes a considerar es la mxima tasa de produccin que

deseas de tus pozos. La Figura I-4muestra el rango de aplicacin del bombeo

mecnico. Como puede verse, dependiendo de la profundidad de la bomba, el

bombeo mecnico puede no cumplir con la capacidad de produccin deseada.

Como muestra la Figura I-4, la capacidad de produccin del bombeo mecnico

cae rpidamente con profundidad. Sin embargo, en el rango en el que puede

usarse el Bombeo Mecnico, es difcil superar su eficiencia, versatilidad y

facilidad de servicio.

Usualmente la decisin de que mtodo de levantamiento utilizar

depende de muchos factores que incluyen: Localizacin geogrfica,

disponibilidad de electricidad o gas, produccin de arena u otros slidos,

desviacin del pozo, acumulacin de escamas y parafinas, costos del equipo,

etc. Para ayudarte en tales dediciones, lo que sigue es un resumen de las

principales ventajas y desventajas del bombeo mecnico:

Ventajas Desventajas

Fcil de operar y servicios

Puede cambiarse fcilmente la tasa de

produccin cambiando la velocidad de

bombeo o la longitud de la carrera

Puedes disminuir la presin de entrada

de la bomba para maximizar la

produccin.

Usualmente es el mtodo delevantamiento artificial ms eficiente.

Pueden intercambiarse fcilmente las

unidades de superficie.

Pueden utilizarse motores a gas si no hay

disponibilidad elctrica

Puedes usar controladores de bombeo

para minimizar golpe de fluido, costos de

electricidad y fallas de cabillas.

Puede ser monitoreado de manera

Es problemtico en pozos desviados.

No puede usarse costa afuera por el

tamao del equipo de superficie y la

limitacin en la capacidad de produccin

comparado con otros mtodos.

No puede manejar produccin excesiva

de arena.

La eficiencia volumtrica caedrsticamente cuando se maneja gas

libre

Las tasas de produccin caen rpido con

profundidad comparada con otros

mtodos de levantamiento artificial.

No es oportuno en reas urbanas.


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remota con un sistema controlador de

bombeo.

Puedes usar modernos anlisis

dinamometricos de computadora para

optimizar el sistema.


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CAPITULO 1

REVISION DE FUNDAMENTOS

Todos los temas, incluyendo el bombeo mecnico, estn basados en

principios y fundamentos. Estas ideas bsicas son necesarias para entender eltema como las bases lo son para un edificio. Esto es porque, incluso si tu estas

familiarizado con los tpicos a seguir, es una buena idea darles un vistazo a

cualquier concepto que podras necesitar revisar para continuar con el resto de

los captulos. Tambin, mantn en mente que El diccionario de levantamiento

Artificial (Apndice B) al final de este manual contienen definiciones tiles de

trminos con los que podras no estar familiarizado.

1.1 TENSION Y PRESION:

La tensin es definida como fuerza por unidad de rea, Por ejemplo, si

jalas una cabilla con un rea seccional de 1 plg2 con una fuerza de 1000 lbs,

entonces la tensin en la cabilla ser:

lpcoplbsp

lbsTension 1000lg/1000

lg1

1000 22

==

La tensin se refiere a slidos y es diferente a la presin (ver discusin

abajo). El concepto de tensin y cargas tensinales son importantes para

entender como disear y analizar las cabillas de succin.

Presin: Es tambin definida como fuerza por unidad de rea. Sin

embargo, la presin se refiere al resultado de las fuerzas en las superficies de

un fluido. Por ejemplo, el gradiente de presin del

agua es de 0.433 lpc/pie. Si un tanque contiene

agua a una altura de 100 pies la presin en el fondo

el tanque ser de 43.3 lpc (100*0.433). Si el readel fondo del tanque es de 100 plg2 entonces la


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fuerza aplicada en el fondo del tanque ser:

lbspplbsAPF 330.4lg100lg/3.43 22 ===

El flujo de fluidos es de una regin de alta presin a una de baja presin. Elfluido del yacimiento fluye hacia el fondo del pozo debido a que esta es la zona

de baja presin. Una bomba de cabillas disminuye la presin en el fondo del

pozo al disminuir al mnimo el nivel de fluidlo por encima de si. Mientras mas

baja es la presin en el fondo del pozo, mayor ser la cantidad de fluido que

aportara la formacin al pozo y por supuesto a la bomba. La cantidad de fluido

en el pozo determinara el flujo de fluidos desde la formacin. Un alto nivel de

fluido sobre la bomba reduce la tasa de produccin debido a las grandespresiones aplicadas sobre la formacin. Si se detiene la unidad de bombeo, el

nivel de fluido aumentara hasta que la presin del fondo del pozo sea igual a la

de la formacin. En este punto el flujo de fluidos desde la formacin se

detendr. La presin de fondo de pozo a la cual el flujo de fluidos se detiene se

denomina presin esttica.

1.2 TRABAJO:

El trabajo es la fuerza que se aplica contra un cuerpo durante una cierta

distancia. Por ejemplo, si se aplica una fuerza de 1000 lbs a un bloque para

moverlo 10 pies, entonces el trabajo hecho ser:

lbspiespieslbsDFW === 000.10101000

El trabajo es independiente del tiempo. Solo depende de la magnitud de

la fuerza y la distancia a travs de la cual la fuerza acta. En el ejemplo de

arriba el trabajo hecho fue de 10.000 pies-lbs, sin importar cuanto tiempo tomo

mover el bloque.

1.3 POTENCIA:

La potencia muestra que tan rpido puede realizarse el trabajo. Cuanto

mas rpido se realice el trabajo, mayor ser la potencia requerida. En el

ejemplo de arriba, si te toma 10 segundos mover el bloque 10 pies, entonces la

potencia ser:


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seglbspiesseg

lbspies

t

WPotencia /)(000.1

10

000.10=

==

Comnmente se expresa la potencia en unidades de caballos fuerza (hp)

o watts (w). Como 1 hp es igual a 550 pies-lbs/seg., la potencia requerida en el

ejemplo anterior ser:

hpseglbspies

hp

seg

lbspies82.1

/)(550

1)(000.1=

Tambin, como 1 hp=747.7 W, la potencia en vatios para este ejemplo

ser:

W357.182.17.745 =

Si se quisiera mover el mismo bloque la misma distancia de 10 pies en

5 segundos, entonces se necesitara el doble de la potencia calculada

(1.82*2=3.64 hp). Por lo tanto, si se necesita una maquina para mover el

bloque, esta necesitara un motor con mas de 3.64 hp.

1.4 ENERGIA:Energa es la capacidad, o potencial para realizar un trabajo. Una batera

elctrica tiene energa debido a que puede hacer un trabajo cuando la conectas

a una maquina como un ventilador elctrico. El gas natural contiene energa

que puede ser convertida en trabajo cuando se quema en un motor a gas. Las

maquinas convierten la energa en trabajo til. Por ejemplo, un motor elctrico

convierte energa elctrica en el trabajo necesario para bombear crudo. La

eficiencia de una maquina es la relacin entre la energa necesaria pararealizar el trabajo y la cantidad de energa real consumida durante el trabajo.

El sistema de cabillas de succin es uno de los mtodos de

levantamiento artificial ms eficientes cuando es diseado y operado con

propiedad. La eficiencia mxima del sistema (Desde el motor hasta la bomba)

es usualmente un 45% o 55% dependiendo de la profundidad de la bomba,

condicin de la bomba, etc. Cerca de la mitad de la energa dentro del sistema

se pierde en calor, friccin y fuga de fluidos. Si la bomba esta defectuosa, si la


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unidad esta severamente fuera de balance, o si la tubera tiene una fuga, las

prdidas de energa aumentan y la eficiencia del sistema disminuye.

1.5 TORQUE Y MOMENTO:

El Torque es una fuerza de torsin. La Figura 1.1 muestra la conexin de

la manivela al eje. Si se aplica una fuerza F de 1000 lbs a una distancia de 10

plg desde el centro del eje, el eje podra experimentar un torque igual a:

xlbspplbsXFT lg000.10lg101000 ===

El momentoes definido como la tendencia a causar rotacin alrededor

de un punto. En otras palabras es bsicamente lo mismo que el torque. En

bombeo por cabillas, el momento se refiere al torque en la caja de engranaje

producido por las contrapesas y la manivela de la unidad de bombeo. Para

calcular el torque en el eje debido a una aplicacin de una fuerza F, se debe

multiplicar la fuerza por la distancia horizontal desde el centro del eje hasta el

punto donde se aplica la fuerza. Si la manivela en la Figura 1.1 rotara alrededor

del eje entonces el torque en el eje a cualquier posicin seria:

)( XsenDsenFDFT ===

Donde D es la distancia horizontal desde el centro del eje a la fuerza F.

La distancia X es la longitud de la manivela. Theta es el ngulo de la manivela

tomando como punto de referencia las 12 en punto de las agujas del reloj. El

mximo torque o momento ocurre cuando theta es igual a 90 o 270 debido a

que en esta posicin el seno es igual a 1. Para cualquier otro ngulo es menor.

Por ejemplo, a 45 en torque en el eje es:

[ ] lbspsenT === lg070.707.71000)45(101000

Este es menor que el mximo momento calculado de 10.000 lbs-plg

calculado arriba cuando la manivela (crack) esta horizontal (=90). Cuando el

ngulo de la manivela es 0 o 180 el torque en el eje es cero debido a que la

distancia D es igual a cero.


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Posicin de Mximo Torque

Figura 1.1. Ejemplo de Calculo de Torque


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DIVISION DEL SISTEMA DE BOMBEO

MECANICO:


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CAPITULO 2

EL SISTEMA DE BOMBEO MECANICO

La funcin del sistema de bombeo mecnico por cabillas es transmitir la

potencia hasta la bomba de fondo para levantar los fluidos del yacimiento hastala superficie. La bomba de cabillas, bombeando el fluido que fluye desde la

formacin hasta el fondo del pozo, disminuye la presin en el fondo. Un

diferencial de presin grande entre la formacin y el fondo del pozo incrementa

la tasa de produccin.

Como muestra la Figura 2.1, el sistema de bombeo por cabillas consiste

en equipo de superficie y de fondo. El equipo de superficie incluye la unidad

motriz (motor elctrico o motor a gas), unidad de bombeo, barra pulida, prensaestopa, cabezal, y lneas de flujo. El equipo de fondo incluye el revestidor,

tubera de produccin, sarta de cabillas, bomba de fondo, ancla de gas

(opcional), niple de asentamiento, niple perforado y ancla de lodo (tubo de

barro). En este capitulo se examinara cada componente del sistema para

entender como trabaja y como afecta el resto del sistema.

2.1 UNIDAD MOTRIZ:

La unidad motriz es tpicamente un motor elctrico o a gas. La mayora

de las unidades motrices son motores elctricos. Motores a gas son usados en

locaciones sin electricidad. La funcin de la unidad motriz es suministrar la

potencia que el sistema de bombeo necesita. La unidad motriz afecta el

consumo de energa y las cargas de la caja de engranaje. Los hpdel motor

dependen de la profundidad, nivel de fluido, velocidad de bombeo y balanceo

de la unidad. El tamao de la unidad motriz se cubrir en el Capitulo deDiseo

del Sistema. Sin embargo, es importante entender que el tamao de la unidad

motriz puede tener un impacto significativo en la eficiencia del sistema. En la

mayora de los campos petroleros los motores estn usualmente sobre

dimensionadas. Esto garantiza que estarn disponible suficientes caballos de

fuerza en el sistema pero al precio de bajar la eficiencia. Motores elctricos

alcanzan sus eficiencias ms altas cuando las cargas estn cercanas a la

potencia de la etiqueta (Placa del motor). Cuando un motor esta poco cargado

la eficiencia es menor.


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Los motores elctricos y a gas son componentes de bajo torque y altos

rpm. La variacin de velocidad de la unidad motriz afecta la caja de engranaje,

las cargas en las cabillas y tambin la velocidad de bombeo. Variaciones de

velocidad altas del motor reducen el torque neto en la caja de engranaje. Por


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ejemplo, en la carrera ascendente donde la barra pulida soporta las mayores

cargas, el motor desacelera. Debido a esta reduccin de velocidad, la inercia

de los contrapesos (resistencia al cambio en velocidad) ayuda a reducir el

torque de la caja de engranaje liberando energa kinetica almacenada. Esto

tambin reduce las cargas picos en la barra pulida reduciendo la aceleracin de

la barra pulida. En la carrera descendente la unidad acelera resultando en

cargas mnimas sobre la barra pulida. Por lo tanto, variaciones de velocidad

altas en la unidad motriz "aplanan las cartas dinamograficas al compararse

con unidades motrices de baja variacin de velocidad. Esto resulta en rangos

bajos de tensin y por ende en disminucin de la fatiga en las cabillas.

La siguiente figura es un ejemplo de diferencias en las forma de las

cartas dinagraficas entre un motor NEMA D con una variacin de velocidad del

8% y un motor de alto deslizamiento con una variacin de velocidad del 35%.

Esto es para un pozo de 9000 pies con una unidad de bombeo Mark II.

2.1.1 Motores Elctricos:Los motores elctricos para bombas de cabillas son principalmente

motores de induccin de tres fases. NEMA D (Nacional Electrical

Manufacturers Association) clasifica los motores segn el deslizamiento y las

caractersticas de torque durante el arranque. El porcentaje de deslizamiento

es definido como:

)1.2(100)(

Ecuacion

S

SSS

g

flg

=


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Donde Sg es la velocidad sincrona del motor (usualmente 1200 rpm) y

Sn es la velocidad para cargas completas.

La variacin de velocidad es diferente del deslizamiento. Se define

como:

)2.2(100)(

max

minmax

var EcuacionS

SSS

=

NEMA D es el motor de unidad de bombeo mas ampliamente

reconocido. Su rango de deslizamiento va desde 5% hasta 13%. Otros motores

en el campo petrolero incluyen NEMA C con un mximo deslizamiento de 5% y

NEMA B con un mximo deslizamiento de 3%.

2.1.2 Motores de Ultra Alto Deslizamiento:

Motores elctricos especiales con deslizamiento mayor al 13% son

denominados motores de ultra alto deslizamiento. Estos son diseados para

variaciones altas de velocidad y pueden ayudar a reducir los torques picos en

la caja de engranaje y las cargas de las cabillas. Puedes calibrar los motores

ultra de alto deslizamiento en diferentes modos dependiendo del deslizamiento

y torque en el arranque deseado. El modo en bajo torque ofrece los ms bajos

torque en la arrancada y las variaciones de velocidad ms grandes. El modo de

alto torque ofrece los mayores torque en la arrancada y las variaciones de

velocidad mas bajas. Motores de Ultra alto deslizamiento usualmente tienen un

modo medio o bajo-medio con caractersticas entre los modos de bajo y alto

torque.

Un dimencionamiento correcto del motor de ultra alto deslizamientopodra tener una variacin de velocidad de hasta un 50%. Usualmente esto

resulta en torques ms bajos en la caja de engranaje y cargas en las cabillas

comparado a sistemas con unidades motrices de bajo deslizamiento. Un motor

ultra de alto deslizamiento debe ser correctamente dimensionado y aplicado

para las condiciones correctas del pozo para reducir el torque a travs de las

variaciones altas de velocidad. Un motor sobre diseado puede no cargarse lo

suficiente para variar la velocidad y podra realmente comportarse como unmotor NEMA D.


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2.1.3 Motores a Gas:

Existen dos tipos de motores a gas. Motores de baja velocidad con uno o

dos cilindros, y motores multicilindros de alta velocidad. Motores de baja

velocidad tienen velocidades de 700 rpm o menores y alto torque. Motores

multicilindros pueden tener altas variaciones de velocidad (hasta un 35%) mas

que motores de baja velocidad.

Motores de gas tpicamente queman gas rentado y son generalmente

ms baratos que operar motores elctricos. Sin embargo, los costos de capital

y el mantenimiento son usualmente ms altos que para motores elctricos.

Motores a gas son primordialmente utilizados en locaciones remotas sin

disponibilidad de electricidad.

2.2 UNIDADES DE BOMBEO:

La funcin de la unidad de bombeo es convertir el movimiento rotacional

de la unidad motriz al movimiento ascendente-descendente de la barra pulida.

Una unidad de bombeo apropiadamente diseada tiene el tamao exacto de

caja de engranaje y estructura. Tambin tiene suficiente capacidad de carrera

para producir el fluido que deseas.

Si bien todas las unidades de bombeo tienen caractersticas comunes,

estas tambin tienen diferencias que podran influenciar significativamente el

comportamiento del sistema. Para maximizar la eficiencia del sistema necesitas

entender las ventajas y las desventajas de las diferentes geometras de las

unidades de bombeo para las condiciones de los pozos. Esto puede hacerse

simulando el sistema de bombeo con un moderno programa de diseo como el

RODSTAR que puede asertivamente modelar toda la geometra de las

unidades de bombeo. Con tales programas de computadora puede predecirsela produccin, cargas, tensin, torque y consumo de energa para diferentes

geometras de unidades de bombeo para la aplicacin. Este es la manera mas

precisa de comparar unidades.


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2.1.1.-Diseo de la Unidad.

La API ha desarrollado un mtodo estndar para describir las unidades

de bombeo. Es como sigue:

La letra C significa unidad convencional, tal como la unidad mostrada en

la Figura 2.1. La letra M significa una unidad Mark II y la letra A una unidadbalanceada por aire. Tambin pueden verse otras combinaciones de letras

simples o dobles para nuevos tipos de unidades de bombeo tales como RM

para unidades Lufkin Mark Revers. El primer nmero es la designacin de la

capacidad de carga de la caja de engranaje en Miles libras-plg (torque), En el

ejemplo, la capacidad de la caja de engranaje es hasta 320.000 lbs-plg. El

segundo nmero es la capacidad de la estructura en cientos de libras. En el

ejemplo este rango significa que para evitar sobre cargas en la estructura de la

unidad, la barra pulida no debe exceder de 25.600 lbs. El ultimo numero


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muestra el longitud mxima de la carrera de la unidad en pulgadas (100 plg en

el caso ejemplo). Las unidades de bombeo usualmente tienen desde 2 hasta 5

longitudes de carrera. Los catlogos de las unidades muestran todas las

longitudes de carrera disponibles.

2.2.2 Geometra de las Unidades de Bombeo:

Las siguientes pginas muestran los tipos de unidades de bombeo ms

populares. Estas son:

1. Tipo convencional

2. Mark II

3. Balanceadas por Aire

Unidades de Bombeo Convencional

Ventajas:1. Costos de Mantenimiento

bajos.2. Cuesta menos que otras

Unidades.3. Usualmente es mejor que

el Mark II con sarta decabillas de fibra de vidrio.

4. Puede rotar en sentidohorario y antihorario.

5. Puede bombear ms

rpido que las UnidadesMark II sin problemas.6. Requiere menos

contrabalanceo que lasMark II.

Desventajas:1. En varias aplicaciones no es tan eficiente como el Mark II u otros tipos de unidades.2. Podra requerir cajas de engranaje ms grandes que otros tipos de unidad

(especialmente con cabillas de acero).

Unidades de Bombeo Mark IIVentajas:

1. Tiene menor torque enla mayora de los casos.

2. Podra costar menos (-5%, -10%) comparadacon el siguiente tamaoen una unidadconvencional.

3. Es ms eficiente que lasunidadesconvencionales en lamayora de los casos.


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Desventajas:1. En varias aplicaciones, no puede bombear tan rpido como una unidad convencional

debido a su velocidad en la carrera descendente.2. Solo puede rotar en sentido antihorario.3. En caso de existir golpe de fluido podra causar mas dao a la sarta de cabillas y la

bomba.4. Puede colocar la base de la sarta de de cabillas en severa compresin causando fallas

por pandeo.5. Puede experimentar torques mas altos que las unidades convencionales cuando se

usan cabillas de fibra de vidrio, adems, de la posibilidad de colocarlas en compresin.

Unidades de Bombeo Balanceadas por Aire

Ventajas:1. Es ms compacta y fcil de

balancear que las otrasunidades.

2. Los costos de transporte sonmas bajos que otras unidades(debido a que pesa menos)

3. Vienen en tamaos msgrandes que cualquier otrotipo de unidad.

4. Puede rotar tanto en sentidohorario como antihorario.

Desventajas:1. Son ms complicadas y

requieren mayormantenimiento (compresor deaire, cilindro de aire).

2. La condensacin del aire enel cilindro puede constituir un serio problema.

3. La caja de engranaje podra daarse si el cilindro pierde la presin de aire.

Otras caractersticas interesantes de las unidades balanceadas por aire son:

1. Perfecto contrabalanceo con el toque del dedo.2. Longitudes de carrera de hasta 20 pies para pozos con alto potencial.3. Fcil de Instalar.

Existen tambin otros varios tipos de unidad tales como las de bajo

perfil, hidrulicas, de carreras largas (tales como Rotaflex), y otras unidades de

geometra inusual. Sin embargo, la mayora de los pozos son bombeados con

los tres principales tipos de unidades mencionados. La razn principal de la

duracin de la popularidad de estas unidades de bombeo es por que estas han

sido usadas por ms tiempo que las otras y han probado ser confiables,

durables, y fciles de mantener. Dependiendo de la aplicacin, hay ventajas y

desventajas para cada tipo de unidad. Ninguna unidad puede reclamar para si

el mejor comportamiento en todas las aplicaciones. Por ejemplo, si el espacio

es limitado entonces una unidad balanceada por aire es la mejor opcin por lo


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compacto de su diseo. Si se usan cabillas de fibra de vidrio entonces una

unidad convencional ser mejor que un Mark II como ser explicado luego. En

pozos profundos con cabillas de acero, una unidad Mark II puede tener el ms

bajo torque neto en la caja de engranaje, etc.

La manera mas precisa de encontrar la mejor geometra de unidad para

una aplicacin dada es usar programas predictivos de computadora tales

como el RODSTAR. Con estos programas se puede modelar la unidad de

bombeo usando kinematica (caractersticas de movimiento) de manera muy

precisa, de la misma forma te permite comparar el comportamiento de

diferentes unidades de bombeo para aplicaciones especificadas. Tambin

permite evaluar que sentido de rotacin es mejor aplicarle a la manivela (En

sentido de las agujas el reloj o en contra del sentido de las agujas).

2.2.3 Nomenclatura de las Unidades de Bombeo.

Las Figuras 2.3, 2.4 y 2.5muestran los nombres de los componentes de

las unidades de bombeo convencionales, Mark II y balanceadas por aire. Las

siguientes son definiciones de algunos trminos adicionales de las unidades de

bombeo:

Desbalance estructural: Es la fuerza que se necesita para que la barra

pulida mantenga la viga viajera en una posicin horizontal con los brazos

pitman desconectados de los pins de la manivela. Esta fuerza es positiva

cuando acta hacia abajo y negativa cuando acta hacia arriba. Ver la Figura

2.6 para una explicacin visual del desbalance estructural. El desbalance

estructural para unidades convencionales puede ser o positivo o negativo. Para

unidades Mark II es siempre negativo.

Angulo de compensacin de la manivela:Este es el ngulo entre elpin de la manivela y los brazos de las contrapesas. La Figura 2.7muestra como

se puede medir el ngulo de fase de la manivela. Para unidades Mark II el

ngulo de fase es positivo. Para manivelas del tipo Torqmaster este es

negativo. Para la mayora de las unidades de bombeo convencionales el

ngulo de fase de la manivela es cero.

El propsito del ngulo de fase de la manivela es ayudar a reducir el

torque en la caja de engranaje mejorando la fase entre las cargas en la barrapulida y el momento de las contrapesas.


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FIGURA 2.4FIGURA 2.4



37/292



38/292


39/292


40/292

REVERSEMARK

LOWP

ROFILE

C

HURCHILLBEAM

PORTA

BLE/TRAILERMOUNT

LUFKIN


41/292


42/292


43/292


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2.2.4 Anlisis Kinematico de las Unidades de Bombeo:

Para evaluar el comportamiento de los diferentes tipos de Unidades de

bombeo, es importante simular con precisin sus caractersticas kinematicas.

El informe de la SPE al final de este capitulo titulado Un anlisis Kinematico

exacto de las Unidades de bombeodescribe un mtodo para calcular la posicin

de la barra pulida, velocidad, y aceleracin para cualquier ngulo de la

manivela. Este modelo kinematico puede usarse para calcular la posicin

angular, velocidad y aceleracin de cualquier parte de la unidad de bombeo.

Usando este mtodo kinematico se pueden comparar la velocidad de la

barra pulida y la aceleracin de diferentes unidades, Sin embargo, debe

mantenerse en mente que el comportamiento del sistema de las unidades de

bombeo depende en la interaccin de todos los componentes del sistema. La

geometra de las unidades de bombeo es un factor muy importante pero no es

el nico. Otros elementos incluyen la profundidad del pozo, tamao de la

bomba, diseo de la sarta de cabillas, material de las cabillas, y tipo de unidad

motriz. Por lo tanto, el modelo kinematico de la unidad de bombeo debe

combinarse con el mtodo predicativo de la ecuacin de onda para comparar

con exactitud unidades de bombeo para condiciones de pozo dadas.

La unidad de bombeo tiene una gran influencia en el comportamiento del

sistema. Afecta las cargas en la barra pulida, carrera en la bomba, tamao del

unidad motriz, torques picos, y consumo de energa. Un anlisis matemtico

detallado de la geometra de la unidad de bombeo esta ms all del alcance de

este curso. El mtodo del anlisis kinematico descrito en el informe # 12201 de

la SPE provee una explicacin detallada de cmo modelar unidades de

bombeo, calcular factores de torque, y cualquier otro valor relacionado con elmovimiento de la unidad.

2.3 CAJA DE ENGRANAJE Y CONTRAPESOS

La funcin de la caja de engranaje es convertir torque bajos y altas rpm

de la unidad motriz en altos torque y bajas rpm necesarias para operar la

unidad de bombeo. Una reduccin tpica de una caja de engranaje es 30:1.

Esto significa que la caja de engranaje reduce los rpm a la entrada 30 vecesmientras intensifica el torque de entrada 30 veces.


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2.3.1 Contrapesos

Si la caja de engranaje tuviera que suplir todo el torque que la unidad de

bombeo necesita para operar, su tamao debera ser demasiado grande.

Afortunadamente, al usar contrapesos, el tamao de la caja de engranaje

puede ser minimizado.

Los contrapesos ayudan a reducir el torque que la caja debe suministrar.

Estos ayudan a la caja durante la carrera ascendente cuando las cargas en la

barra pulida son las ms grandes. En la carrera descendente, la caja de

engranaje levanta los contrapesos con la ayuda de las cargas de las cabillas,

quedando listos para ayudar nuevamente en la carrera ascendente. En otras

palabras, en la carrera ascendente, las contrapesas proporcionan energa a la

caja de engranaje (Al caer). En la carrera descendente estos almacenan

energa (subiendo). La condicin operacional ideal es igualar el torque en la

carrera ascendente y descendente usando la cantidad correcta del momento

de contrabalanceo. Cuando esto ocurre la unidad esta Balanceada.

Una unidad fuera de balance puede sobrecargar el motor y la caja de

engranaje. Esto puede resultar en fallas costosas y perdidas de produccin si

no se corrige a tiempo. Para determinar si la unidad esta balanceada, debe

hacerse un anlisis de torque o registrar un grafico de amperaje del motor en la

carrera ascendente y descendente.

2.4 BARRA PULIDA, PRENSA ESTOPA Y LINEA DE FLUJO:

La barra pulida conecta la unidad de bombeo a la sarta de cabillas y es

la nica parte de la sarta que es visible en la superficie. Como su nombre lo

dice, la barra pulida tiene una superficie lisa y brillante. La superficie de la barra

pulida previene el desgaste de las empacaduras del prensaestopa. Lasempacaduras del prensa estopa estn diseadas para prevenir fugas de fluido.

Si el pozo no produce suficiente petrleo para mantener lubricada la barra

pulida entonces un lubricador es usualmente instalado encima del prensa

estopa. Este lubricador prevendr daos en la prensa estopa y la barra pulida

con la constante lubricacin.

Las empacaduras del prensa estopa son apretadas para prevenir fugas

en el cabezal. Pero, si se aprietan demasiado, podran incrementarse lasperdidas de potencia en la barra pulida resultando en una mala interpretacin


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de la carta dinagrafica por la distorsin de las cargas sobre la barra pulida. La

funcin principal de la barra pulida es soportar el peso de la sarta de cabillas,

bomba y fluido. Por lo tanto, la barra pulida experimenta cargas ms altas que

cualquier otra parte de la sarta.

Las lneas de flujo conectan el cabezal del pozo con el separador.

Aunque este curso no cubre los equipos ms all del cabezal, es importante

entender el efecto de la presin de la lnea de flujo en el sistema de bombeo

por cabillas. Como si discuti arriba, la barra pulida soporta el peso de la sarta

de cabillas y el fluido. Tambin, debe sobreponerse a la presin en la lnea.

Altas presiones en la lnea pueden resultar en altas cargas en la barra pulida y

una baja en la eficiencia. Estas cargas adicionales en la barra pulida

dependern del dimetro del pistn. Mientras ms grande sea el tamao del

pistn, ms grande ser el efecto de la presin de la lnea de flujo en el

sistema.

2.4.1 Vlvula de Contrapresin:

En pozos con exceso de gas tendr que instalarse un orificio o pressure

backen la lnea de flujo. Esto es necesario para evitar cabeceo o interrupcin

de la produccin. Esto ocurre cuando:

Cuando el fluido producido se acerca a la superficie del pozo la presin

va en descenso. Esto causa expansin del gas dentro de la tubera de

produccin desalojando el lquido hacia la superficie. A medida que el gas

fuerza la salida del lquido hacia las lneas de flujo, la presin en la tubera

disminuye, y ms y ms gas podr expandirse.

Cabeceos causan ciclos de alta produccin seguidos por periodos de

baja produccin o ninguna produccin. Al comienzo del cabeceo, el gas enexpansin empuja el liquido dentro de las lneas de flujo y aumento la

produccin momentneamente. Sin embargo, el lquido que deja la tubera es

reemplazado por ms y ms gas libre. Eventualmente, la tubera queda seca, y

la produccin se detiene hasta que la tubera se llene con fluido nuevamente.

En un pozo de bombeo, el cabeceo es indeseable y debe ser controlado. La

forma mas comn de detener el cabeceo es usando un orificio o una vlvula de

desahogo de presin. Este dispositivo incrementa la presin en la lnea de flujopara evitar el gas se expanda y cause cabeceo. Incrementar la presin en la


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tubera 50-60 lpc es frecuentemente suficiente para detener el cabeceo. La

vlvula de presin de desahogo es diseada para cerrar cuando la presin de

tubera es baja y para abrir cuando la presin de la tubera aumenta. La bola en

este tipo de vlvula se mantiene cerrada con un resorte enrollado. Cuando la

presin en la tubera excede la tensin del resorte la vlvula se abre.

Si bien esto mantiene libre de cabeceo al pozo, debido a la presin

agregada al pistn, el sistema deber realizar un trabajo mayor. Esto sin duda

disminuye la eficiencia del sistema. Por lo tanto, vlvulas de presin de retorno

y orificios deben usarse solo cuando el pozo presenta cabeceo.

2.5 SARTA DE CABILLAS:

La sarta de cabillas conecta la bomba de fondo con la barra pulida. La

funcin principal es transmitir el movimiento oscilatorio de la barra pulida a la

bomba. Esto proporciona la potencia necesaria por la bomba para producir

hidrocarburos. La resistencia, vida til y fuerzas friccinales de la sarta de

cabillas tiene un impacto significativo en la economa de un pozo.

Las cabillas de succin son hechas de acero o fibra de vidrio. La

mayora de las cabillas son fabricadas 100% en acero. Sartas parcialmente

acero y fibra de vidrio son tambin comunes en muchos campos petroleros.

Estas son principalmente utilizadas en localizaciones con problemas de

corrosin, para reducir cargas en la unidad de bombeo, para evitar la compra

de unidades excesivamente grandes o para incrementar la tasa de produccin.

Cabillas de acero son fabricadas en longitudes de 25 o 30 pies. Cabillas de

fibra de vidrio son construidas en longitudes de 25, 30 o 37,5 pies. El tamao

de cabillas de fibra de vidrio mas comn es 37.5 pies. Esto reduce el numero

de acoples haciendo la sarta tan ligera como sea posible. El rango del dimetrode cabillas de acero va de 0.5 plg hasta 1.25 plg, para las de fibra de vidrio se

encuentran rangos desde 0.75 plg hasta 1.5 plg.

Cada cabilla de la sarta debe soportar las cargas de fluido y el peso de

las cabillas por debajo de ellas. Para minimizar los costos y las cargas

tensinales, la sarta de cabillas se disea usualmente de forma ahusada

(adelgazamiento en forma cilndrica-Ver Figura 2.1). Dimetros mayores de

cabillas son colocados en el tope y ms pequeos en la base. Dependiendo dela profundidad, la sarta de cabillas va desde una (1) hasta cinco (5) secciones


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ahusadas. Las secciones tpicas son 1-7/8-3/4 o 7/8-3/4. Barras de peso

(Cabillas de dimetro mayor para el fondo de la sarta) son comnmente usadas

para sobreponerse a las fuerzas de flotacin y minimizar la compresin en las

cabillas en la base de la sarta. En el diseo de las sartas de cabillas, un ensayo

para determinar el porcentaje en cada seccin debera resultar en las mismas

cargas tensinales al tope de cada seccin de cabillas. El diseo de sarta de

cabillas se discutir con ms detalle luego.

La sarta de cabillas tiene un impacto mayor en el comportamiento del

sistema. Afecta las cargas en la barra pulida y la caja de engranaje, consumo

de energa, torque en la caja de engranaje, carrera de fondo, y frecuencia de

fallas de las cabillas.

2.6 TUBERIA DE PRODUCCIN:

El fluido se produce a travs del anular tubera-cabillas hasta la

superficie. Cuando la tubera esta anclada al anular, esta tiene un efecto menor

en el comportamiento del sistema en la mayora de los casos. Si la tubera no

esta anclada entonces podra afectar las cargas sobre las cabillas y el

desplazamiento de la bomba debido a su estiramiento. El estiramiento de la

tuberia ser cubierto con ms detalle luego. Algunos problemas que pueden

afectar el comportamiento del sistema incluyen:

1. Restricciones de flujo debido a parafinas y escamas.

2. Cuellos de botella pueden ocurrir cuando la bomba tiene dimetros

mayores que el dimetro interno de la tubera.

3. Hoyos desviados que incrementan la friccin entre cabillas y tubera.

4. Tubera que es demasiado pequea para la tasa de produccin.

Todos estos problemas resultan en cargas ms altas en todos loscomponentes del sistema. Tambin, fugas en tubera pueden disminuir

significativamente la eficiencia del sistema si no es detectada y corregida a

tiempo.

2.7 BOMBAS DE SUBSUELO:

La tpica bomba por cabillas de succin es un arreglo embolo-cilindro. En

la terminologa de campos petroleros el embolo es llamado pistn y el cilindro se leconoce como barril de la bomba. El pistn tiene una vlvula de bola y asiento


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llamado vlvula viajera debido a que viaja hacia arriba y hacia abajo con el

pistn. A la entrada del barril de la bomba existe otra vlvula llamada vlvula

fija debido a que esta fijada a la tubera y no se mueve. La Figura 2.8muestra

un diagrama simplificado de las bombas de cabillas. Entender la operacin de

la bomba es esencial para la comprensin total del sistema incluyendo la

interpretacin de la forma de las cartas dinagraficas.

La operacin de la bomba afecta todos los componentes del sistema.

Esta influye en las cargas sobre la sarta de cabillas, unidad de bombeo, caja de

engranaje y motor. Sistemas con bombas de calibres grandes son muy

sensibles a la presin en la lnea de flujo, incluso pequeos aumentos en la

presin de la lnea podran incrementar significativamente las cargas en la

barra pulida.

2.7.1 Accin de las Vlvulas:

Para entender como trabaja la bomba hay que darle un vistazo a la

accin de las vlvulas, asumiendo que la bomba esta llena con liquido

incompresible tal como petrleo muerto o agua. La Figura 2.8muestra como se

comportan las vlvulas viajeras y fijas durante el ciclo de bombeo.


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Carrera Ascendente:

En la carrera ascendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia

arriba, la vlvula viajera cierra y levanta las cargas del fluido. Esto genera un

vaci en el barril de la bomba que causa la apertura de la vlvula fija

permitiendo que el fluido proveniente del yacimiento llene la bomba.

Carrera Descendente:

En la carrera descendente, cuando el pistn comienza a moverse hacia

abajo, la vlvula fija se cierra y el fluido en el barril de la bomba empuja la

vlvula viajera abriendo esta. El pistn viaja a travs del fluido que se ha

desplazado hacia la bomba durante la carrera ascendente. Luego el ciclo se

repite.

Para un caso ideal de bomba llena y fluido incompresible, en la carrera

ascendente la vlvula viajera cierra, la fija abre y el fluido comienza a ser

bombeado a travs de la tubera hasta la superficie. En la carrera descendente,

la vlvula viajera abre y la fija cierra. Sin la accin de las vlvulas, la produccin

no seria posible. Si la vlvula fija no abre, el fluido no entrara a la bomba. Si la

vlvula viajera no abre entonces el fluido no entrara a la tubera.

2.7.2 Accin de las Vlvulas y Cargas de Fluido:

La accin de las vlvulas es tambin importante para entender como las

cargas de fluido son aplicadas al pistn de la bomba y la sarta de cabillas. Esto

es necesario para entender la caga sobre las cabillas, forma de la carta

dinagrafica y comportamiento de las cabillas de succin. Una carta dinagrafica

es un grafico de carga versus posicin. Si pudiera colocarse un instrumento

para medir las cargas justo arriba del pistn de la bomba, se terminara con unacarta dinagrafica de fondo. Para entender como seria la carta dinagrafica de la

bomba para el caso de bomba llena, Veamos la Figura 2.9. Para este ejemplo

la tubera esta anclada (Se examinara el efecto del movimiento de la tubera en

la forma de la carta dinagrafica mas adelante).

Carrera ascendente:

Al comienzo de la carrera ascendente, la vlvula viajera cierra (punto Ade la Figura 2.9). A este punto la vlvula viajera levanta las cargas del fluido.


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Estas cargas permanecen constantes durante el recorrido ascendente (del

punto A hasta B).

Carrera descendente:

En la carera descendente, cuando el pistn comienza el movimiento

hacia abajo, la vlvula viajera abre (punto C). En este punto la vlvula viajera se

libera de la carga de fluido y la presin del mismo se transfiere a la tubera a

travs de la vlvula fija. Por lo tanto, la vlvula viajera no lleva la carga de fluido

durante la carrera descendente (desde el punto C al D).

Las diferencias de carga entre los puntos A y D (o B y C) son las cargas

del fluido en el pistn. De acuerdo a la Figura 2.9 las cargas de fluido son

transferidas instantneamente desde D hasta A y desde B hasta C. Esto es

verdad solo al asumir incompresibilidad del fluido y bomba llena. Algunas veces

tal como cuando pozos con alta produccin de gas son bombeados, la

transferencia de cargas de fluido no son instantneas. La tasa de

levantamiento de carga depende de la integridad de la bomba, el tipo de fluido

bombeado, espaciamiento de la bomba, y si la tuberas esta o no anclada.


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2.8 ANCLA DE GAS:

La bomba de cabillas de succin esta diseada para bombear liquido. La

presencia de gas en el lquido producido reduce la eficiencia de la bomba. En la

carrera descendente, la bomba comprime el gas hasta que la presin dentro

del barril es lo suficientemente alta para abrir la vlvula viajera. Dependiendo

de la cantidad de gas libre, una gran parte de la carrera ascendente puede

desperdiciarse en la compresin del gas antes que algn lquido sea producido.

Debido a esto, eficiencias volumtricas menores al 50% son comunes cuando

el gas entra a la bomba. En la carrera ascendente, como el gas entra a la

bomba, este ocupa una gran parte del volumen de la bomba. Esto reduce la

cantidad de lquido que puede entrar a la bomba. Las anclas de gas ayudan a

reducir la cantidad de gas libre que entra en la bomba. Esto ocurre al permitir la

separacin del gas y su flujo hacia la superficie a travs del anular revestidor-

tubera antes de su entrada a la bomba.

La Figura 2.10 muestra un diagrama simplificado de cmo trabaja el

ancla de gas. Forzando el fluido a moverse hacia abajo antes de entrar a la

bomba, la mayor parte del gas se separa y fluye hacia arriba entre el anular

revestidor-tubera. En pozos con problemas de interferencia de gas la entrada

de la bomba debe moverse por debajo de las perforaciones. Esto permitir la

separacin del gas que fluir hacia arriba antes que entrar entro de la bomba.


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2.9 EQUIPO ADICIONAL DE BOMBEO:

La Figura 2.11 muestra el equipo de subsuelo ms comnmente usado

en pozos con bombeo por cabillas. El sistema de separacin de gas incluye el

niple perforado, el ancla de gas y tubo de barro, y el tapn al final el tubo de

barro (bull plug). El bull plug y el niple perforado aseguran que ninguna basura

(sucio, swab rubber, etc) entren en la bomba. El tubo de barro esta conectado

al niple perforado y es la cmara que permite que el gas se separe desde el

liquido antes de entrar a la bomba. El niple perforado es donde el fluido entra a

la bomba.

El niple de asentamiento (o zapata) es un acople de tubera

especialmente diseado que es internamente ahusado (estrechamiento) y

permite asentar la bomba con un fuerte sello. Los niples de asentamiento

tienen por igual cierre mecnico o por copas de friccin. Cuando una bomba de

tubera es usada, la vlvula fija se conecta en la base del pistn. Luego que la

vlvula esta fija en el niple de asentamiento, la sarta de cabillas se gira en

contra de las agujas del reloj para liberar el pistn. Para bombas insertadas, el

ensamblaje completo de la bomba se fija a la sarta de cabillas. Luego es

bajada dentro de la tubera hasta que se fija en el niple de asentamiento. El

fondo de la bomba tiene un

ensamblaje que se acopla al

niple. Luego que la bomba se

asienta el pistn es espaciado

dentro del barril para evitar

golpear el tope o base del baril de

la bomba.


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Copyright 1983 Society of Petroleum Engineers of AIMEThispaperwes presenled at the 581h Annual Technical Conference and Exhibit ion bald in San Francisco, CA, October 5-S, 1983 The material iesubjectto cor rection by the au thor , Permiss ion to copy ie res lr ickd to an abst rac l o f not more than 300 words. Wr ite SPE, 6200 North Cen tral Expreaaway,Drawer 64706, Oallaa, Texaa 75206 USA, Telex 730989 SPEDAL

ABSTRACT t h e s a me c l a s s c a n a l s o b e d i f f e r e n t d e p en d i n go nt h e ma n u f a c t u r e r s h o i c e o f t h e u n i t s g e o me t r i cA n ew p ump i n gu n i t K i n ema t i cAn a l y s l sme t h o d d i me n s i o n s .wa s d e v e l o p e d f o r t h e c a l c u l a t i o no f p o s i t i o n ,v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o no f t h e p o l i s h e d r o d , a n d T h e p u r p o s eo f t h i s p a p e r i s t o p r e s e n t a n e wt o r q u e f a c t o r s a s f u n c t i o n so f c r a n k a n g l e . T h i sme t h o d c a n a l s o b e u s e d t o c a l c u l a t et h e a n g u l a r me t h o d o f a n a l y z i n g a n d c omp a r i n g t h e k i n e ma t i cp o s i t i o n , v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o no f a n y p a r t o f c h a r a c t e r i s t i c sf p u mp i n g u n i t s a n d t o a i d i n t h et h e p u mp i n gu n i t me c h a n i s m, u n d e r s t a n d i n go f t h e c omp l i c a t e dmo t i o n o f t h ep o l i s h e dr o d a n d r o d s t r i n g .

I t i s mo r e a c c u r a t e t h a n p r e v i o u s me t h od s PREV I OUSMORKb e c a u s e i t p r o d u c e se x a c t r e s u l t s , I t c a n b e u s e dt o c omp a r e p u mp i n g u n i t s , a n d c a n a n a l y z e u n i t swi t h v a r y i n g c r a n k s pe e d s . l t c a n I mp r o v e g e a r - Gr a y l wa s t h e f i r s t t o d e v e l o p a me t h od f o rt h e k i n ema t i ca n a l y s i s o f p ump i n g u n i t s . I n h i sb o x t o r q u e a n a l y s i sb y i n c l u d i n gi n e r t i a e f f e c t s , p a p e r , Gr a y e x p l o r e d t h e d i f f e r e n c e s i n t h ea n d c a n a l l o w t h e u s e o f c o n v e n t i o n a ld y n a g r a p h sf o r t h e p r e d i c t i o no f d own h o l ed y n a g r a p h s . p o l i s h c d r o d mo t i o n d u e t o g eo me t r y v a r i a t i o n so fd i f f e r e n t p u mp i n g u n i t s , a n d t h e i n f l u e n c eo f t h eI N TRODUCT I ON p u mp i n g u n i t o n t h e o v e r a l l b e h a v i o r o f t h e r o dp ump i n g s y s t e m. Hi s me t h o d , h o we v e r , i s

T h e ma j o r i t y o f U. S . we l l s a r e o n b e a m r e l a t i v e l yc o mp l e xa n d r e q u i r e sa d i g i t a l c o mp u t e rt o s o l v e f o r t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n dp ump i n ga nd t h e i r n umb e r i s i n c r e a s i n g . Ho we v e r , a c c e l e r a t i o n f t h e p o l i s h e dr o d . Gr a y p r e s e n t s % a l t h o u g hp u mp i n gu n i t s h a v e b ee n i n u s e f o r a l o n gt i me , t h e i r k i n e ma t i c c h a r a c t e r i s t i c sh a v e n o t c omp l e x e q u a t i o n f o r t h e c a l c u l a t i o no f p o l i s h e db e e n t h o r o u g h l ys t u d i e do r u n d e r s t o o d . r o d p o s i t i o n a s a f u n c t i o n o f c r a n k a n g l e . I no r d e r t o o b t a i n t h e v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o no ft h e p o l i s h e d r o d , h e d i f f e r e n t i a t e s h a t e q u a t i o nBe a m p u mp i n g u n i t s c a n b e d i v i d e d i n t o t wo n ume r i c a l l y .ma j o r c l a s s e s : Cl a s s I l e v e r s y s t e ms r e p r e s e n t e d Gr a y s me t h o d r e l a t e s t h e c r a n ka ng l e a n d p o l i s h e dr o d p o s i t i o no n l y . Ve l o c i t i e sb y t h e c o n v e n t i o n a l p u mp i n g u n i t s h o wn i nF i g u r e l a , a n d Cl a s s 1 11 l e v e r s y s t e ms r e p r e s e n t e d a n d a c c e l e r a t i o n so f t h e i n t e r me d i a t e i n k s a r en o t c a l c u l a t e d .b y t h e Ma r k 1 1 a n d A i r Ba l a n c e u n i t s s h o wn I nF i g u r e s lb and c, r e s p e c t i v e l y , Al l p ump i n gu n i t s S i n c e Gr a y s p a p e r , n o o t h e r k i n e ma t i co p e r a t e o n t h e s ame b a s i c p r i n c i p l eo f c o n v e r t i n gt h e r o t a r y mo t i o n o f t h e c r a n k a r m i n t o t h e a n a l y s i sme t h o d h a s b ee n f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e ,e x ; ~ ~ ~ ,f o r a n e q ua t i o n s i mi l a r t o Gr a y s used byo s c i l l a t o r ymo t i o n o f t h e p o l i s h e d r o d , Ho we v e r ,t h a t i s wh e r e t h e i r s i mi l a r i t i e s n d . T wo p u mp i n gu n i t s ma d e b y t wo d i f f e r e n tma nu f a c t u r e r s u t w i t ht h e s a me AP I ma x i mu ml o ad a nd t o r q u e r a t i n g s a n d

A l t h o u ght h e a bo v e me t h o d i s n o t t h e b e s t wa yt o c i n e ma t i c a l l y n a l y z e p u mp i n g u n i t s , i t wa s t h et h e s a me s t r o k e l e n g t h wo u l d a p p e a r e q u a l l y s u i t e df o r u s e o n a g i v e n we l l . T h i s , h o we v e r , i s n o t f i r s t t o s h o w t h e i mp o r t a n c eo f t h e p u mp i n g u n i t~ ; ; s ; ; ; e . No t o n l y a r e i ; u mp ; r ~ m~ i t so f d i f f e r e n t g e o me t r yo n t h e p o l i s h e dr o d mo t i o n .d i f f e r e n t mo v e r p o we r K I NEMAT I CANA LYS I SOF PUMP I NGUNI T Sr e q u i r e me n t s , ma x i mwn p o l i s h e d r o d l o a d , a n ao v e r a l l p ump i n g e f f i c i e n c y ,b u t p ump i n g un i t s o f I n o r d e r t o c a l c u l a t et h e p o s i t i o n , v e l o c i t y ,a n d a c c e l e r a t i o no f t h e p o l i s h e d r o d ? i t i s

~ e ? e r e n c e sa n d i l 1u s t r a t i o na t e n d o f p a l s r . n e c e s s a r y t o s o l v e t h e f o u r - b a r l i n k a g e p r o b l e m.T h e mo t i o n o f t h e f o u r - b a r l i n k a gec a n b e a na l y z e d

_

SPE~~rr@wsmcf AtMESPE 12201Exact Kinematic Analysis of Pumping Unitsb y J . G. Sv i n o s ,Gu l fResearch&Development Cs.


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ma t h e ma t i c a l l yo r r a p h l c a l l y .! Gr a p h i c a l me t h o d s F r o m g e ome t r y , t h e f o l l o wi n gq u a n t i t i e swe r ea r e s i mp l e r b u t I me c o n s u mi n g b e c a u s e a n e t i o b t a ln e d :d i a g r a m mu s t b e ma d e f o r e a c h v a r i a t i o n t n t h ec r a n k a n g l e o r b a r l e n g t h s . T h e y a r e a l s o l e s sI2 w . 0 + a f o r c o n v e n t i o n a la c c u r a t e t h a n ma t h e ma t i c a l me t h o d s . Ot t h e e .ma t h e ma t i c a l me t h o d s , t h e c o mp l e x n umb e r v e c t o r 2 ~ . 6 + a f o r ~ r k I I a n d A l r Ba l a n c er e p r e s e n t a t i o n s b e s t s u i t e d f o r t h e a n a l y s i s o ft h e p u mp i n gu n i t me c h a n i s m.aREPRESENTAT I ONF VECTORSUI TH COMPL EXNUMBERS = s i ~ - l ( + ) ( 5 )

A v e c t o c I n t h e X - Y p l a n e s u c h a s s h o wn I nF i g u r e 2 c a n b e r e p r e s e n t e da s a c omp l e x n umb e rRA= XA+ i Y ~ , wh e r e x a n d Y a r e t h e r e a l p o i n t sl b L ~ )r e p r e s e n t l n t h e X a n Y c o o d l n a t e s o f p o i n t A ,dn d 1 = - I s t h e i ma g i n a r y p a r t . T h e v e c t wc o mp o ne n t sXAa n d y A a r e e q u a l t o : B = e o s - l L 2 + K2 - R2( 2 KL ) * ( j ) ( 7 )XA= R COSO (1) wh e r eYA= R S106 ( 2 )

Il f o r OO< 0 2< nj =a n d

R= m ( 3 )- l f o r z < 0 2 < 2 n

- 1 P2 + L 2 - C2 ) - ~wh e r e R i s t h e ma gn i t u d eo f t h e f ~ S l t l Onv e Ct Or & . e 3 m COS [~F r o m Eu l e r s ( 8 )r e l a t l o n , = c o s e + I s l n e .T h e r e f o r e , t h e p o s l t l o nv e c t o r e o f p o i n t A c a n b ewr i t t e na s :&= Re l e ( 4 ) 0 4 m Co s - l P2 - C2 - L 2( ~ ] - I I ( 9 ]

T h i s c o mp l e x v e c t o r e x p r e s s i o n I s mo r ec o n c i s e a n d e a s i e r t o d i f f e r e n t i a t e h an a n y o t h e rv e c t o r r e p r e s e n t a t i o n . x = COS - l ( C2 + L 2 . p 2S i n c e t h e b a s i c f o u r - b a r l i n k a g e f o r me d b y 2 CL ) ( l o )v e c t o r s K , R, P a n d C i s t h e s a me f o r b o t h Cl a s s Ia n d Cl a s % I T I T e v e r 3 y s t e ms a s s h o wn i n F i g u r e s3a n d 4 , t h e b a s i c b a r l i n k a g es o l u t i o ni s i d e n t i c a lf o r b o t h c a s e s . * = x + f 3 (11)F o r t h e k i n e ma t i c a n a l y s i s me t h o d o f t h i sp a pe r , t h e f o l l o wi n gc o n v e n t i o n swe r e a d o p t e d ( s e eF i g u r e s 3 a nd 4 ) : A t t h e b o t t o mo f t h e s t r o k e ,

q An g l e s e , 9 3 , 9r e f e r e n c i l i n e t - ; n ; ; 2 ~ e m~ ; ~ T Z ; e f ; ~ ; ~ V = $ Bc = e o s - l [ C2 + K2 ; ( P+ R) 2 1 = $ TMc o u n t e r c l o c k wi s ed i r e c t i o n f o r c o n v e n t i o n a l ( 1 2 )u n i t s , a n d c l o c k wi s ef o r Ma r k II.q F o r c o n v e n t i o n a l p ump i n g u n i t s , t h e c r a n k A t t h e t o p o f t h e s t r o k e ,a n g l e e i s z e r o a t t h e 1 2 o c l o c kp o s i t i o na n di s p o s i t i v e i n t h e c l o c k wi s ed i r e c t i o n . T h ea n g u l a r v e l o c i t yo f t h e c r a n k i s a l s o , t a k e na s ~ = + T c = COS-l [- 1 *BMp o s i t i v ei n t h e c l o c k wi s ed i r e c t i o n .

F o r Ma r k 1 1 a n d A i r Ba l a n c e u n i t s , t h e c r a n k ( 1 3 )qa n g l e e I s z e r o a t t h e 6 o c l o c k p o s i t i o na n di s p o s i t i v ei n t h e c o u n t e r c l o c k wi s ei r e c t i o n . T h e p o s i t i o n o f p o i n t V ( s e e F i g u r e s3 o r 4 ) c a nb e e x p r e s s e di n c o mp l e xn umb e r n o t a t i o na s :

q T h e s y mb o l s u s e d f o r t h e p wn p i n gu n i t g eme t r i cd i me n s i o n s a r e t h e s ame a s t h e o n e s u s ed i n i e 2 i e 3 1 0 4t h e AP I ST D 11E3, ~. Re + Pe = K+ Ce (14)


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S P E 0 1 2 2 0 1 J . G, Sv l n o s 31By d l f f e r e n t l a t l n gt h e a b o v e e x p r e s s i o n w f t h If the c r a n k a n g u l a r v e l o c l t y I s c o n s t a n t ,r e s p e c t t o t i me , t h e f o l l o wi n ge x p r e s s i o nf o r t h e t h e n e 2 = 0 a n d t h e a b o v e e q u a t i o n sb e c ome :v e l o c l t yo f V i s o b t a i n e d :

1 0 2 . ,1 0 3 i e 4g = R82 i e e s = 6 3 [ ( 6 4 - 6 2 ) cot(e4- (32) -+ P i 3 1 e = C6 4 1 e (15)- ( 6 3 - 54) c 0 t ( e 3 - 04)1r ( 2 4 )

~ v I R6 2 c o s e 2 - R~ 2 s l n e 2 + I P6 3 c o s 0 3 -P i 3 s i n 0 3 . ,m l c 4 4 c o s 0 4 - c 1 4 s l n e 4 e 4 = ? 4 [ ( 6 2 - 6 3 ) c o t ( e 2 - 6 3 ) -( 1 6 )

By e q u a t i n g t h e r e a l a wl I ma g i n a r y p a r t s , t h e - ( 3 3 - 8 4 ) c o t ( e 3 - 0 4 ) ]f o l l o wl n gs y s t e mo f e q u a t i o n si s o b t a i n e d : ( 2 5 )

R? i 2s i n e 2 + P8 3 s i n e 3 = C; 4 s i n e 4 ( 1 7 )R; 2 Co s e z + P i 3 c o s e3 = C; 4 c o s e 4 ( 1 8 )

By s o l v i n g t h e a b o v e s i mu l t a n e ou se q u a t i o n s , t h ef o l1o wi n g e q ua t i o n swe r e o b t a ln e d f o r t h e a ng u l a rv e l o c i t i e so f b a r s P a nd C:

438%i n ( e 4 - e 2 )p v (19)R; 2 s i n ( 0 3 - e 2 ) ( 2 0 )8 4 = ~ s l n ~ e 3 - e 4 ~

o rR6 2 P J3 C8 4

= s i n ( e - e = s i n ( e 3 - 0 2 ) Q f n ( e 3 - 4 J 4 2 1 ( 2 1 )B y t a k i n g t h e r a t i o o f t h e d e r i v a t i v eo f e a c ht e r m d l v l d e d b y I t s e l f ( I . e . ~ j q ) , a n d a f t e rs i mp l i f y i n g , h e f o l l o wl n ge qu a t i o n swe r e o b t a i n e df o r t h e a n g u l a r a c c e l e r a t i o n s f b a r s P a n d C:

.,e 3 = 8 ~ ~ -3 82 ( 6 3 - 6 4 ) c o t ( e 3 - 0 4 ) ++ (84-62) c o t ( e 4 - 02)] ( 2 2 )

., ;26 4 = 3 4 [ ~ - ( S3 = 6 4 ) c o t ( e 3 - e 4 ) +Q+ ( ~ 2 - ~ 3 ) c o t ( e 2 - e 3 ) ] ( 2 3 )

POL I S HEOROD POS I T I ONF r o m g e o me t r y , t h e p o l 1 s h e d r o d p o s it l o n i sg i v e n :

PR = + = A ( 6 4 + u ) ( 2 6 )Ba s e d o n Eq u a t i o n ( 2 6 ) , PR I s z e r o wh e n t h ewa l k i n g b e a m A I s h o r i z o n t a l . I t i s p o s i t i v ewh e nA i s a b o v e t h e h o r i z o n t a l ,

A mo r e u s e f u ~ e x p r e s s i o no f &h e p o l i s h e d r o dp o s i t i o n c a n o b t a i n e d d e f i n i n g an o n d i me n s i o n a lp o s i t i o na s f o l l o ws :( 2 7 )

s= ( P RB - PRT ) = ( v B - q I T )* A ( 2 8 )

( 2 9 )T h e a b o v e e q u a t i o n i s a n e x p r e s s i o no f t h ep o l i s h e d r o d p o s i t i o na s a f r a c t i o no f t h e s t r o k el e n g t h a b o v e t h e l o we r mo s t p o s i t i o n f o r a g i v e nc r a n k a n g l e , W e q u a l s 1 a t t h e t o p o f t h eu p s t r o k ea n d O a t t h e b o t t o m.

POL I S HEDROD VE LOC I T YAND ACCE LERA T I ONT h e p o l i s h e d r o d v e l o c i t y i s o b t a i n e d b yt a k i n g t h e d e r i v a t i v e o f e q u a t i o n ( 2 6 ) wi t h

r e s p e c t t o t i me ,VR = A* 8 4 ( 3 0 )

S i ~ , , i l a r l y ,h e p o l i s h e d r o d a c c e l e r a t i o n s g i v e nb y :AR = A ; 4 ( 3 1 )


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4 Ex a c t K i n e ma t i cAn a l y s i so f Pu mp i n gUn i t s S PE 0 1 2 2 0 1TORQUEFACTORCALCULAT I ON

T h e t o r q u e f a c t o r a t a n y c r a n k a n g l e e i s an u mb e r wh i c h i f mu l t i p l i e d b y t h e p o l i s h e d r o dl o a d , wI 1 l g i v e t h e t o r q u e r e q u i r e da t t h e c r a n ks h a f t o f t h e p u mp i n gu n i t r e d u c e r .B y n e g l e c t i n gf r i c t i o n a l l o s s e s a n d i n e r t i ae f f e c t s , t h e e n e r g y s u p p l i e d a t t h e c r a n k s ha f te q u a l s t h e e ne r g y d e l i v e r e dt o t h e p o l i s h e dr o d .

T * 8 2 = PRL * . ( 3 2 ). . T~.% ( 3 3 ); 2

DYNAMI CPOL I SHEDROD LOAD I NGF r o m Ne wt o n s s e c o n d l a w, t h e s u m o f t h ef o r c e s on t h e p o l i s h e dr o d i s e q u a l t o :

T h e p o l i s h e dr o d l o a d i s , t h e r e f o r e ,g i v e n b y :PRL = M+ : c AR= W( I + ~ ) ( 3 5 )

T h e t e r m i n p a r e n t h e s e swi l l b e c a l l e d t h ea c c e l e r a t i o n a c t o r

T h e a c c e l e r a t i o n a c t o r i s a me a s u r e o f t h e; ~ ; ~ ~ t l o no f t h e d y na mi c r o d l o a d f r o mt h e s t a t i cA P PL I C AT I ONOF T HE RES UL T S

In o r d e r t o u n d e r s t a n d h o w t h e k i n e ma t i ca n a l y s i s r e s u l t s c a n b e u s e d t o e v a l u a t e t h ep e r f o r ma n c eo f p u mp i n g u n i t s , t h e e f f e c t s o f t h ep o l i s h e d r o d mo t i o n o n t h e r o d s t r i n g a n d s y s t e me f f i c i e n c ywi l l b e e x a mi n ed .1) Po l i s h e dRo d L o a d

As e q u a t i o n ( 3 5 ) i n d i c a t e s ,t h e p o l i s h e dr o d l o a d i s a f u n c t i o n o f p o l i s h e d r o da c c e l e r a t i o n . T h e p e a k p o l i s h e d r o d l o a do c c u r s d u r i n g t h e u p s t r o k ewh e n t h e p o l i s h e dr o d s u p p o r t sb o t h t h e we i g h t o f t h e r o d s t r i n ga n d f l u i d . T h e r e f o r e , t h e s ma l l e r t h ea c c e l e r a t i o nd u r i n g t h e u p s t r o k e , t h e l e s s t h ep e a k p o l i s h e dr o d l o a d wi l l b e .T h e p o l i s h e dr o d a c c e l e r a t i o nd u r i n g t h ed o wn s t r o k e s ho ws h o w f a s t t h e o l i s h e d r o d

bombeo mecanico avanzado

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