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1
Agenda:
Visión Integral del Bombeo por Cavidades Progresivas
i.
Descripción general del sistema
ii.
Componentes básicos
- Equipos de fondo de pozo.
- Accesorios.
iii.
Animación del Sistema
iv.
Equipos Auxiliares
v.
Equipos de Superficie
vi.
Diseño de Sistemas por Cavidades Progresivas
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3
Descripción General del Sistema
Los Sistemas BCP consisten típicamente de un accionamiento de
superficie, la Bomba de Cavidad Progresiva propiamente dicha, la sarta de
varillas de bombeo, la tubería de producción y otros aditamentos de fondo y
superficie.
La Bomba (BCP) comprende dos elementos principales:
Un Rotor elemento de forma helicoidal, el cuál gira y se desplaza excéntricamente
dentro de un elemento con geometría de doble hélice, el Estator, el cual contiene un
polímero de alto peso molecular (elastómero).
En la mayoría de las instalaciones, el estator se conecta al final de la tubería
de producción y el rotor a la sarta de varillas la cual transmite a este, desde
un accionamiento en superficie, la energía necesaria para la acción de
bombeo (rotación y torque).
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4
Descripción General del Sistema
Equipo de Superficie
Equipo de Subsuelo
Poleas y Correas
Sarta de Tubería
Cabezal
Varillas con Cuplas
Motor Electrico
Stuffing Box
Estator BCP
Te de Bombeo
Rotor BCP
Varilla Pulida
Varillas con Cuplas
Niple de Paro
Anti-Torque
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5
Rangos de Aplicación
Rango Típico
Máximo
600 a 4,500
< 11,000
Volumen de Operación
(BPD)
5 a 2,500
5,000
Temperatura de
Operación (°F)
68° a 140°
250°
0° a 6°
15°
Profundidad de
Operación, TVD (ft)
Desviación (°/100ft)
Manejo de la Corrosión
Manejo de Sólidos
Gravedad API del Fluido
Fuerza Motriz
Aplicación Offshore
Eficiencia del Sistema
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Malo
Bueno
8° < API < 45°
Eléctrico, Diesel o Gas
Bueno
55% a 70%
6
Ventajas
• Sistema de levantamiento artificial de mayor eficiencia.
• Excelente para producción de crudos altamente viscosos.
• Capacidad para manejar altos contenidos de sólidos y moderado
contenido de gas libre.
• No tiene válvulas, evitando bloqueos por gas.
• Buena resistencia a la abrasión.
• Bajos costo inicial y potencia requerida.
• Equipo de superficie relativamente pequeño.
• Consumo de energía continuo y de bajo costo.
• Fácil de instalar y operar.
• Bajo mantenimiento de operación.
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Limitaciones
• Tasas de producción de hasta 10 B/D/RPM (5,000 B/D).
• Levantamiento neto de hasta 11,000 pies (4,800 psi).
• Temperatura de operación de hasta 210 ºF (máximo 250 ºF).
• El elastómero tiende a hincharse o deteriorarse cuando es expuesto al
contacto con ciertos fluidos (aromáticos, aminas, H2S, CO2, etc.).
• Baja eficiencia del sistema cuando existe alto contenido de gas libre.
• Tendencia del estator a dañarse si trabaja en seco, aún por períodos
muy cortos.
• Desgaste de varillas y tubería en pozos altamente desviados.
• Tendencia a alta vibración si el pozo trabaja a altas velocidades
(máximo 500 rpm).
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9
Componentes del Sistema
Equipos de subsuelo (Bomba)
• Bomba de desplazamiento positivo compuesta
por dos componentes principales:
• El Rotor:
Es la única parte móvil de la bomba, construido de
acero de alta resistencia, con superficie cromada
(resistencia a la abrasión); es maquinado con “n”
lóbulos.
• El Estator:
Componente estacionario (o fijo) compuesto por un
tubo de acero revestido internamente con un polímero
de alto peso molecular (elastómero) el cual tiene
forma de doble hélice (n+1 lóbulos).
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Animación Bomba de Cavidad Progresiva
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11
Equipos de Fondo - Accesorios
Movimientos excéntricos del rotor
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12
Componentes del Sistema
Equipos de subsuelo (Bomba)
• Bomba de geometría convencional
• Geometría 1:2.
1: lóbulo del rotor.
2: lóbulos del estator.
• Más del 97% de las instalaciones en todo el mundo.
Características principales:
– Grosor variable del elastómero lo cual origina una
transferencia de calor, una expansión térmica y un
hinchamiento irregular.
– Ajuste irregular rotor-elastómero una vez hinchado este.
– Bombas de alta capacidad de desplazamiento volumétrico,
requieren de relativos grandes diámetros de estator.
– Bombas con altas capacidad de levantamiento, requieren ser
muy largas.
A menos que se indique lo contrario, toda la información expuesta en
este taller estará referida a las bombas de geometría 1:2.
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13
Componentes del Sistema
Elastómero de espesor constante (Bomba)
• Usualmente construida solo en geometría 1:2.
• Mismos principios operativos que la geometría
convencional.
• Características Principales:
– Mejor disipación de calor.
– Dado el grosor constante del caucho, este presenta una
expansión térmica y un hinchamiento uniforme.
– Es mas preciso el ajuste elastómero – rotor en escenarios
de hinchamiento y alta temperatura.
– Al presentar mayores estabilidad del lóbulo (cavidad) y
consistente ajuste elastómero-rotor la capacidad de presión
por etapa es mayor.
– Se prevén menores hinchamientos y mayor capacidad de
levantamiento.
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14
Componentes del Sistema
Bomba multilobular
• Normalmente fabricada en geometría 2:3
• Características Principales:
– Comparado con la geometría 1:2
• Una línea adicional de sellado (por la inclusión de una cavidad
adicional) incrementa la capacidad de levantamiento.
– Ofrece la misma capacidad de elevación con una bomba más corta.
• Una cavidad adicional incrementa la capacidad de desplazamiento.
– Dado que existen mas superficies de contacto entre el rotor y el
estator, la fricción tiende a ser mayor.
– Aunque la excentricidad es menor, la vibración es más alta.
– Por lo antes expuesto, la bomba presenta mayores ciclos de
histéresis, mayor fatiga.
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15
Configuración del Rotor
Lóbulo Simple: El
centro de la sección
transversal NO es el
mismo centro del
rotor.
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Multilóbulos: El centro de la sección transversal
SI es el mismo centro del rotor.
16
Geometría de la Bomba
Controlada por 4 parámetros:
1 Relación de lóbulos.
2 Paso del estator.
3 Diámetro del rotor.
4 Offset, excentricidad.
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Offset o Excentricidad
• La excentricidad es la diferencia entre el diámetro mayor y menor
del rotor.
• La geometría de la bomba rige el movimiento excéntrico del rotor
alrededor de la línea de centro del estator.
Major Diameter (D)
Stator Center Line
Rotor Center Line
D
Eccentricity (e)
d
e
Minor Diameter (d)
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Dinámica de las Cavidades
• Las cavidades son una longitud de paso del estator.
• En una BCP 1:2 hay siempre dos cavidades, uno en cada lado del
rotor.
• Una cavidad empieza cuando la otra finaliza.
• Cuando una cavidad se cierra otra se abre; el área de sección
transversal es constante lo que origina un flujo sin pulsaciones.
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Capacidad Volumétrica de la BCP
V= A.P = C.4.e.d.P
4 x Excentricidad
V: Desplazamiento (Bls/dia/rpm) d: Diámetro del Rotor (mm)
A: Área sección transversal
P: Longitud Paso del Estator (mm)
e: Excentricidad (mm)
SIMILAR AREA TRANSVERSAL
BAJA EXCENTRICIDAD
C: Constante (9.057E-6)
Paso del Estator
Paso del Rotor
Area
Efectiva
de Flujo
Rotor
Diámetro
Rotor
Estator
SIMILAR CAPACIDAD VOLUMETRICA
ALTA EXCENTRICIDAD
CORTA SECCIÓN TRANSVERSAL
PASO LARGO
LARGA SECCIÓN TRANSVERSAL
PASO CORTO
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Ejercicios:
• Calcular el desplazamiento (Bbls/día/rpm) y el caudal teórico
(Bbls/día) para una bomba con 6.2mm de excentricidad, diámetro del
rotor 39.2mm, paso del estator 185mm y a la velocidad de 275 rpm.
• Calcular el caudal teórico (Bbls/día) para una bomba con un drift del
rotor de 48.4mm, diámetro del rotor 42.2mm, paso del estator 300mm
y a la velocidad de 150 rpm.
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Rate de Presión en un BCP (Lift)
• Levantamiento Nominal de la Bomba
– La mayoría de los modelos de bombas convencionales tienen un
levantamiento nominal de 66 psi/paso del estator
• Rate de Presión = # de pasos del estator x 66 psi
• La mayoría de los diseños de sistemas BCP tienen un 50 a
90% de carga
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Performance Hidráulica de la BCP
La hidráulica de la BCP depende de:
1. Numero de líneas continuas de sello (cavidades, etapas)
2. Interferencia o compresión entre el rotor y el estator en
condiciones de operación
– Expansión térmica
– Hinchamiento líquido
» Interacción Físico-química entre el elastómero y los
constituyentes agresivos del petróleo (aromáticos, CO2,
H2S)
3. Velocidad de Rotación de la Bomba
4. Viscosidad del Fluido
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23
Cavidades de la Bomba vs. Presión
0
35
70
105
0
35
70
105
140
175
210
Para una similar geometría de la cavidad (d, e, paso del estator), una
bomba de mas etapas podrá trabajar bajo mayores cargas de presión
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24
Interferencia/Compresión vs. Tamaño del Rotor
100
50
90
45
Oversize Rotor
40
70
Alta
presión
30
Rotor
60
35
Standard Rotor
Effective
Flow
Area
40
30
25
Stator
50
20
Undersize Rotor
15
Compresión o
Interferencia
Baja
presión
20
10
10
5
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Desplazamiento (Bls/día)
Prueba de Caudal (RPM)
80
1400
1600
1800
2000
Presión Diferencial (psi)
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25
Efecto Térmico e Hinchamiento
Levantamiento requerido
para la aplicación
120
Rate de
Levantamiento
100
80
60
Efecto del Fluido
40
Efecto Térmico
Rotor
Prueba de Caudal (RPM)
Punto de Operación
20
Prueba Base
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Presión Diferencial (psi)
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26
Efecto de la Viscocidad
100
50
Fluido muy Viscoso
45
80
40
70
35
Fluido Viscoso
60
30
50
25
40
20
Agua
30
15
20
10
10
5
0
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Desplazamiento (Bls/día)
Prueba de Caudal (RPM)
90
2000
Presión Diferencial (psi)
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27
Velocidad Recomendada vs. Viscosidad
Viscosidad
(cp)
Velocidad optima
(RPM)
Máxima velocidad
(RPM)
< 500
150
500
500 – 5,000
125
400
> 5,000
100
250
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28
Cantidad de Deslizamiento Constante
• Tenemos una BCP con capacidad volumétrica de 1 bls/d/rpm,
probada @ 300 rpm, obteniendo 70% de eficiencia del levantamiento
neto requerido.
• La producción teórica será:
1 Bls/día/rpm x 300 rpm = 300 Bls/día
• Si la eficiencia es 70% la producción real será:
300 Bls/día/rpm x 0,7 = 210 Bls/día
• Entonces, el deslizamiento es este caso será:
300 Bls/día - 210 Bls/día = 90 Bls/día
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29
Cantidad de Deslizamiento Constante
• Si la bomba corre a 100 RPM:
Producción Teórica:
• Si la bomba corre a 400 RPM:
Producción Teórica:
1 Bls/día/rpm x 100 rpm = 100 Bls/día
1 Bls/día/rpm x 400 rpm = 400 Bls/día
100 Bls/día - 90 Bls/díaslip = 10 Bls/día
400 Bls/día - 90 Bls/díaslip = 310 Bls/día
• Entonces, la Eficiencia
Volumétrica será:
10 Bls/día / 100 Bls/día = 10 % de Eficiencia
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• Entonces, la Eficiencia Volumétrica
será:
310 Bls/día / 400 Bls/día = 77,5 % de Eficiencia
30
Histéresis
• Capacidad de un material de volver a su forma original.
• Las fuerzas oscilatorias causan un incremento del calor interno del
elastómero debido a la fricción intermolecular.
• La extensión de la vulcanización resulta en un cambio de las
propiedades mecánicas del elastómero.
• Las fallas por histéresis son causadas por:
– Ajuste de interferencia Rotor/Estator
– Alta Presión Diferencial
– Hinchamiento
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31
Histéresis
• Frecuencia de Deformación:
– Controlada por la velocidad de operación.
– A mayor velocidad, mayor será el efecto.
• Tasa de Flujo:
– La disipación del calor es controlada por:
• Tipo de Fluido
• Volumen Producido
• Trabajo de la Bomba en Vacío
• Velocidad de Flujo
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32
Histéresis
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33
Histéresis
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34
Histéresis
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35
Histéresis
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36
Elastómeros
Cauchos de Nitrilo
•
La mayoría de los elastómeros utilizados para
BCP son clasificados como caucho de nitrilo,
Buna N o NBR.
•
Es un compuesto de Acrilonitrilo (ACN) y
Butadeno.
•
Variando el contenido de acrilonitrilo se
obtiene un amplio rango de propiedades
físicas y químicas.
•
El contenido de ACN varía considerablemente
entre los diferentes fabricantes, de 15% a 50%.
•
Los fabricantes generalmente ofrecen cauchos
medio-alto ACN (25-35%) y ultra-alto ACN
(>40%).
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37
Elastómeros
Contenido de Nitrilo
• El contenido de Acrilonitrilo es generalmente la
primera consideración cuando se diseña un
componente de caucho.
• Además, deben incluirse de 10 a 20
ingredientes para la elaboración del polímero:
plastificantes, aceleradores, activadores y
antioxidantes.
• Debido a estas variaciones, cada producto
comercial tendrá diferentes propiedades
dependiendo de la formulación utilizada.
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38
Parámetros de Limitación de las BCP
12,000
10,000
Pump Rated Lift (feet)
8,000
6,000
9 5/8" casing
4,000
4 1/2" casing
7" casing
5 1/2" casing
2,000
0
0
200
400
600
800
1,000
1,200
Pump Volume Capacity (bpd/100RPM)
Maximos valores de levantamiento (profundidad) y volumen (caudal) no pueden ser
alcanzados de forma simultanea. Operación limitada por el diámetro del casing
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39
Nomenclatura por Fabricante
1.- WEATHERFORD (GEREMIA): BRASIL
Ejemplo: 18 35 400
18 = 1.800 Presión de Levantamiento
35 = Diámetro Nominal Rotor
400 = Máximo Caudal @ 500 RPM
WEATHERFORD: CANADA
Ejemplo: 200 4100
200
= 200 BLS/DÍA/100 RPM
4100 = 4100’ de Levantamiento
2.- Robin Meyer (MOYNO): CANADA
Ejemplo: 120N170
120 = 12.000 Máxima Profundidad de
Levantamiento (Pies)
N
= Medida Nominal
170 = Caudal (BFPD) @ 100 RPM
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3.- PCM – EMIP: FRANCIA
Ejemplo: 1200TP1350
1200
= Máximo Caudal en M³/D @ 500 RPM
TP
= BOMBA DETUBERIA
1350
= Máxima Profundidad de Levantamiento (Mts)
4.- NETZSCH: BRASIL
Ejemplo: NTZ 278 120 ST 14
NTZ
= FABRICANTE NETZSCH
278
= Diámetro Externo del Estator
120
= Máxima Presión de Levantamiento (BAR)
ST
= Bomba Simple Lóbulo 2:1
14
= Caudal (M³/D @ 100 RPM )
5.- MONOFLOW: INGLATERA
Ejemplo: 120N170
120
= 12.000 Prof. Máxima de Levantamiento (Pies)
N
= Medida Nominal
170
= Caudal (BPD) @ 100 RPM
40
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41
Animación del Sistema
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42
Componentes del Sistema
Equipos de subsuelo (Niples de Paro)
El niple de paro se coloca en el extremo inferior del
estator.
Su función principal es la de servir de punto de
referencia para las maniobras de espaciamiento del
rotor.
Adicionalmente, brinda la holgura necesaria para
permitir el estiramiento de la sarta de varillas bajo
condiciones de operación e impide que estas o el
rotor lleguen hasta el fondo del pozo en caso de
producirse una desconexión o rotura en la sarta de
varillas.
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43
Equipos de Fondo - Varillas de Bombeo
Características Generales
• Transmite potencia (torque) desde el
sistema de superficie a la bomba en fondo
de pozo
• En las aplicaciones BCP las varillas están
sometidas a esfuerzos combinados de
tensión y torsión.
– La capacidad de resistencia a la tensión de
las varillas es afectada por el componente
torsional.
– Cargas de flexión cíclicas pueden ocurrir en
zonas de curvatura de la trayectoria del
pozo (dog legs).
– La construcción de la varilla es mas crítica
debido a las cargas de torsión aplicada
constantemente.
• Las varillas están disponibles en diseños
sólidos o huecos, convencionales o
continuas.
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44
Equipos de Fondo - Varillas Convencionales
Características Generales
• Fabricada en diferentes metalurgias para suplir las diferentes
exigencias y aplicaciones:
– API las clasifica como Grado C, D, y K.
– Se cuenta con grados especiales para altas exigencias de carga.
– Ideal para pozos verticales o aplicaciones con bajas desviaciones
(dog legs).
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45
Equipos de Fondo - Varillas Convencionales
Características Generales
• La existencia de acoplamientos representa una
limitación para algunas aplicaciones:
– Restricción de flujo cuando se manejan
fluidos viscosos o altas tasas de producción.
– Altas cargas laterales (cargas de contacto
concentradas)
en
pozos
inclinados,
desviados u horizontales.
• Acentuado desgaste de tubería/acoples de
varilla
– Si la construcción de la varilla es deficiente
o el torque de apriete inadecuado, puede
llevar a roturas o desconexiones de la sarta.
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47
Equipos de Fondo - Accesorios
Tubería de Drenaje
Shear Coupling
Tubería/Adaptador de Estator
Guías de varilla
Pup Joint
Pony Rods
Adaptador de Varilla/Rotor
Estator de Bomba
Rotor de Bomba
Niple de Paro
Ancla Anti-Torque
Valvula de seguridad fondo de pozo
Separador de Gas
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48
Equipos de Fondo - Accesorios
Niple Espaciador
Tanto la cabeza del rotor como el acople que lo une a la primera varilla (o
ponny rod) se desplazan en dos o mas direcciones al mismo tiempo que
rotan, este desplazamiento producto de la excentricidad, puede originar
un roce entre estos componentes y la tubería de producción, por eso se
hace necesario contar con un niple espaciador con un diámetro interno
que permita este libertad para este movimiento.
El diámetro debe ser D+2E, donde:
D = Máximo (cabeza del rotor, diámetro externo del acople de varilla)
E = Excentricidad
Otra ventaja es la de evitar que el
estator sufra daños al colgarlo en
la boca del pozo utilizando cuñas,
llaves, mordazas, etc.
La longitud del niple no deberá
propiciar flexión en el estator
durante su manipulación.
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Equipos de Fondo - Accesorios
Ancla Anti-Torque
– Aunque se lo considera un accesorio, se usa
casi en todas las instalaciones de PCP dado
que provee seguridad y su costo no es
relevante.
– Evita la rotación y consecuente retroceso de
la varilla de tubería cuando el sistema está
operando (dirección de agujas del reloj).
– Fácil liberación en dirección opuesta
(contraria a agujas de reloj) cuando el sistema
se detiene y gira retrocediendo.
– Normalmente no provee anclaje axial del
sistema, facilitando su remoción cuando es
requerido.
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50
Equipos de Fondo - Accesorios
Separador o ancla de gas
Su función principal es la de separar el gas libre antes de que el mismo
entre a la bomba, de manera de incrementar su eficiencia de bombeo.
Su configuración interna fuerza al fluido para que fluya en un patrón
específico (normalmente acelerándolo o creando dirección de flujo
disruptiva) con objeto de separar al gas del líquido.
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Equipos de Fondo - Accesorios
Tail Joint (juntas de cola)
Gas
El ciertos casos es necesario separación adicional.
Estator
(bomba)
El separador de gas minimiza la entrada de gas en la
bomba pero no es 100% eficiente.
Su debe tratar (en lo posible) de que su extremo inferior
se encuentre bajo la base arena productora.
Tail Joint (cola)
El propósito es simular la separación natural de gas.
Es posible colocar un niple perforado en su extremo
inferior a manera de filtro de sólidos y de ancla natural.
Arenas
Productoras
Separador
de Gas
El tail joint se instala debajo de la bomba o del ancla de
gas.
Liquido
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Características de los Fluidos a Levantar
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53
Características de los Fluidos a Levantar
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54
Selección de una BCP
• Para la selección de una bomba los dos puntos críticos de
diseño son:
– Suficiente capacidad de desplazamiento para obtener la
producción requerida.
– Suficiente
capacidad
de
presión
para
superar
el
levantamiento neto requerido por el sistema.
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55
Volumen
• La bomba se debe diseñar y seleccionar de manera que tenga
capacidad de producir la tasa requerida a las condiciones de
operación:
Q
diseño

100  Qrequerida

Donde:
Qdiseño
=
Tasa de Diseño (Bls/día)
Qrequerida
=
Tasa Requerida (Bls/día)

=
Eficiencia Volumétrica de la Bomba (%)
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56
Volumen
• La tasa de flujo de diseño siempre será mayor a la tasa requerida
debido a las ineficiencias del sistema:
Vmínimo
Qdiseño

N
Donde:
Vmínimo
=
Desplazamiento Mínimo Requerido (Bls/día/rpm)
Qdiseño
=
Tasa de Diseño (Bls/día)
N
=
Velocidad de Operación (rpm)
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57
Volumen de Gas
• Si se tiene información del Bg, se puede determinar la cantidad de
gas en la succión de la bomba:
Qgpip  0.17811xQgsup xBg   0.17811xQosup xRs xBg 
Donde:
Qgsup
=
Caudal de gas en superficie (SCFD)
Qosup
=
Caudal de petróleo en superficie (BPD)
Rs
=
Razón de solubilidad
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58
Presión
• La capacidad mínima de presión requerida es determinada por el
levantamiento neto necesario, es decir, la diferencia entre la presión
de descarga y la de entrada:
Pneto  Pdescarga  Pentrada
Donde:
Pneto
=
Levantamiento Neto Requerido (psi)
Pdescarga
=
Presión de Descarga (psi)
Pentrada
=
Presión de Entrada (psi)
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59
Presión
• La presión de entrada de la bomba es determinada por la energía
del yacimiento (comportamiento IPR). Puede calcularse como:
Pentrada  Pcasing  Pgas  Plíquido
Donde:
Pentrada
=
Presión de Entrada (psi)
Pcasing
=
Presión de Superficie del Anular (psi)
Pgas
=
Presión de la Columna de Gas (psi)
Plíquido
=
Presión de la Columna de Líquido (psi)
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60
Presión
• La presión de descarga es determinada por el requerimiento de
energía en la superficie y la configuración mecánica del pozo:
Pdescarga  Ptubing  Plíquido  Ppérdidas
Donde:
Pdescarga
=
Presión de Descarga (psi)
Ptubing
=
Presión de Superficie (psi)
Plíquido
=
Presión de la Columna de Líquido (psi)
Ppérdidas
=
Pérdidas de Flujo (psi)
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61
Presión
• La presión de la columna de líquido o gas puede ser calculada
como:
Pcolumna  H    C
Donde:
Pcolumna =
Presión de la Columna de Líquido o Gas (psi)
H
=
Altura Vertical de la Columna (pies)

=
Densidad del Fluido (lbs/pie3)
C
=
Constante (Imperial: 6,94E-3)
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Presión
• Pérdidas de Flujo es afectada por:
– La viscosidad del fluido.
– Comportamiento de flujo en la tubería de producción.
– Comportamiento de flujo a través de
centralizadores y guías de la sarta de varillas.
los
acoples,
– Tasas de flujo elevadas.
– Los esfuerzos de corte superficiales sobre las varillas, acoples y
demás accesorios de la sarta producen un torque de resistencia
al movimiento rotativo.
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63
Ejemplo
• Datos del Pozo:
– Casing
:
5 pulg.
– Profundidad de Asentamiento
:
2789 pies
– Tasa de Flujo Esperada
:
226 Bls/día
– Nivel de Fluido Dinámico
:
2215 pies
– Viscosidad de Fluido
:
2400 cp
– Densidad del Fluido
:
61.1 lbs/pie3
– Eficiencia de la BCP
:
80%
– Densidad del Gas
:
0.42 lbs/pie3
– Presión de Casing
:
60 psi
– Presión de Tubing
:
80 psi
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64
Ejemplo
– Relación Gas-Petróleo
:
56 SCF/STB
– Pérdidas de Flujo
:
377 psi
• Consideraciones:
– Restricciones con el tamaño del casing.
– Capacidad de levantamiento de la bomba.
– Capacidad de desplazamiento de la bomba.
• Basado en éstas consideraciones, seleccionar la bomba más
apropiada entre las opciones que se presentan a continuación.
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65
Ejemplo
Bomba # 1
Bomba # 2
Bomba # 3
Bomba # 4
Presión Nominal
1305 psi
1740 psi
1595 psi
1740 psi
Diámetro Externo
4,13 pulg
4,25 pulg
4,53 pulg
3,54 pulg
Excentricidad
0.274 pulg
0.186 pulg
0.243 pulg
0.214 pulg
Diámetro de Rotor
1,49 pulg
1,49 pulg
1,69 pulg
1,57 pulg
Paso del Estator
6,3 pulg
12,6 pulg
10,3 pulg
6,3 pulg
Desplazamiento
1,75 Bl/d/rpm
2,05 Bl/d/rpm
2,50 Bl/d/rpm
1,25 Bl/d/rpm
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66
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69
Equipos de Superficie
Cabezal de Rotación
Sus funciones básicas son:
• Sostener la sarta de varillas y manejar las cargas
axiales del sistema.
• Suministrar el torque requerido en la barra pulida.
• Rotar la sarta de varillas a la velocidad requerida en
forma segura.
• Proveer una liberación segura a la energía
almacenada durante las paradas del sistema.
• Prevenir que los fluidos producidos escapen del
sistema y contaminen el medio ambiente.
Para lograr estas funciones, el Cabezal consta de los
siguientes componentes:
• Caja de engranajes.
• Sistemas de Transmisión (ejes, poleas, correas, cajas
reductoras, etc.).
• Mecanismo de control del backspin (freno o sistema
de control de giro inverso).
• Soporte para el motor eléctrico.
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70
Equipos de Superficie
Cabezal de Rotación
• Los Cabezales son montados sobre el Tee de
bombeo del pozo utilizando una brida o conexión
roscada.
• Típicamente en una Brida 3-1/8” 2000 o 3000 PSI
(RJ 31) o EUE API Pin 2-7/8”.
• Dependiendo de su configuración, los Cabezales
pueden ser manejados por un motor eléctrico o
un motor de combustión interna.
• Existen básicamente tres configuraciones de
cabezales:
– Hidráulicos (Unidades de Potencia).
– De ángulo recto.
– Directos.
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71
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73
Requerimiento de Torque y Potencia
• El torque puede ser definido como la energía necesaria para hacer
girar el rotor y mover el fluido hacia superficie.
• El Torque de la Bomba comprende un componente hidráulico y un
componente de fricción:
– Torque Hidráulico es la energía requerida para vencer la presión
diferencial a través de la bomba.
– Torque de Fricción es la energía requerida para vencer el ajuste
de interferencia entre rotor y estator. F(fit, recubrimiento,
elastómero, L).
– Torque Viscoso es la energía requerida para desplazar un fluido a
través de las cavidades de la bomba. F(viscosidad).
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74
Requerimiento de Torque y Potencia
• El torque es directamente proporcional a la presión diferencial y al
desplazamiento de la bomba.
Ttotal  Thidraulico  Tviscoso  T fricción
• Con el cálculo de Torque podemos dimensionar la sarta de varillas
que se puede usar en el sistema.
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75
Torque y Potencia
• Torque Hidráulico: Es el torque requerido para mover el fluido.
Thid  0.0897xQxPdesc arg a
Donde:
Thid
Q
= Torque hidráulico (lbs-pie)
= Desplazamiento de la bomba (Bls/día/RPM)
• Torque Viscoso: Es el torque producido por las características del
fluido.
Tvis cos o
2.381x10 8 xDr3 xLxxN

Dt  Dr
Donde:
N
= Revoluciones de trabajo (RPM)
L
= Longitud de las varillas (pies)
Dt
= Diámetro interno del tubing (pulg)
Dr
= Diámetro de varilla (pulg)
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76
Torque y Potencia
• Potencia Hidráulica: Es la potencia para mover el fluido.
HPhid  1.94e4 xTtotal xN
Donde:
N
= Revoluciones de trabajo (RPM)
• Selección del cabezal y dimensionamiento del motor.
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77
Ejemplo
• Calcular el Torque Hidráulico y la Potencia requerida por la
Bomba #2 en el ejemplo anterior operando con una Presión
diferencial de 1337 psi.
Torque de fricción de la bomba #2 = 45 lbs-pie.
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78
Cálculo de Cargas Axiales - Varillas
• La carga axial que soportan las varillas de bombeo está determinada
por el peso de las varillas, el efecto de la presión sobre la bomba y
por las fuerzas de levantamiento o empuje.
Carga _ Axial  Wr  Cargabomba
Wr  Wvarilla xL
Cargabomba  Pd xAefectiva _ rotor
 d 

Aefectiva _ rotor    r   2 E 
 2 

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2
80
Tablas de Datos – Varillas API
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81
Número de Reynolds
• Régimen de flujo en función del número de Reynolds.
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Pérdidas en Flujo Laminar
Presion_Perdidas 
CxQxLx
Dt  Dr 2 / Dt2  Dr2



Donde:
C
=
Constante (7.96 E-6)
Q
=
Caudal (Bls/día)
L
=
Profundidad en el punto de succión de la bomba (pies)
U
=
Viscosidad del fluido predominante(cp)
Dt
=
Diámetro interno de la tubería (in)
Dr
=
Diámetro de la varilla (in)
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Pérdidas en Flujo Turbulento
Donde:
C
=
Constante (4.317 E-8)
Q
=
Caudal (Bls/día)
L
=
Profundidad en el punto de succión de la bomba (pies)
U
=
Viscosidad del fluido predominante(cp)
ρ
=
Densidad de la mezcla (lb/pie3)
Dt
=
Diámetro interno de la tubería (in)
Dr
=
Diámetro externo de la varilla (in)
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Especificaciones - BCP’s BMW Convencionales
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85
Especificaciones - BCP’s BMW Convencionales
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86
Especificaciones - BCP’s BMW Slim Hole
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87
Especificaciones - BCP’s WFT Convencionales
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88
Especificaciones - Conexiones BCP’s WFT
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89
Especificaciones - Tubing
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90
Diseño de un Equipo BCP
Datos del fluido
Datos del pozo

Casing
: 5-12 in. 15.5 lb/ft

Tubing
: 2-7/8 in. 6.5 lb/ft

Varilla
: 7/8 in. D (750 ft-lbs)

Profundidad : 3550 ft

Bomba

Accesorios de fondo
: 3600 ft
: 24 pies

Grav. del petróleo
: 20ºAPI

Grav. esp. del agua
: 1.12

Gradiente del agua
: 0.433 psi/ft

Grav. esp. del gas
: 0.7

Gradiente del gas
: 0.0005 psi/ft

Viscosidad oil
: 60cp
Parámetros de diseño
(Sep. de gas y Niple de Paro)
Datos de Producción

Max. Rpm
: 400 rpm

Q requerido
: 644 bbls/día

Max. presión carga
: 90%

%Agua
: 75%

Eficiencia bomba
: 80%

Nivel de fluido
: 3500 ft

Presión tubing
: 55 PSI

Presión casing
: 60 PSI
* Considerar fluido abrasivo
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Datos del reservorio

Pr
: 2500 psi

Pwf
: 1000 psi

BHT
: 120°F
Elastómeros
Elastomer Type
Characteristics
Mechanical Properties
Buna
High Nitrile
Hydrogenated
Viton
FKM
Soft
Medium
NBRM 55
NBRM 64
NBRM 70
NBRA 70
HNBR (P)
59O-55
59O
68A-1
45C (P)
366/55
366
356
G62A
N080
G60
HTR
Excellent
Good
Good
Poor
Abrasive Resistance
Very Good
Good
Good
Poor
Aromatic Resistance
Good
Very Good
Good
Excellent
H2S Resistance
Good
Very Good
Excellent
Excellent
Very Good
Good
Excellent
Excellent
95°C (203°F)
105°C (221°F)
135°C (275°F)
150°C (302°F)
Water Resistance
Temperature Limit **
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Diseño de un Equipo BCP

Calcular el Qw requerido.

Calcular el aporte máximo de petróleo del reservorio.

Seleccionar un elastómero adecuado.

Calcular la presión de entrada y de descarga.

Definir el tipo de flujo (laminar o turbulento).

Calcular la pérdida de carga en la tubería de producción.

Seleccionar la bomba adecuada para las condiciones dadas.

Calcular el % de carga de las varillas.

Dimensionar el rotor y efectuar las recomendaciones pertinentes.

Calcular la carga axial y el esfuerzo máximo en las varillas.

Calcular la potencia de la bomba y recomendar la potencia del motor.

Seleccionar un cabezal que cumpla con los requerimientos.

Calcular el torque de salida de la transmisión del cabezal.
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