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Programa de Fortalecimiento de Escuelas Técnicas Una escuela hacia el futuro Área | Actualización tecnológica aplicada a la industria 2 ExPloración y Producción dE PETrólEo: bombeo mecánico 3 Programa de Fortalecimiento de Escuelas Técnicas Una escuela hacia el futuro exploración y producción DE PETRÓleo: bombeo mecánico Marcelo Artigas Fundación YPF Consejo de Administración Presidente Enrique Eskenazi Vicepresidente Ezequiel Eskenazi Storey Adscripto Vicepresidencia Eduardo Savastano Tesorero Ángel Ramos Sánchez Secretario Mauro Dacomo Vocal Carlos Alfonsi Director Ejecutivo Silvio José Schlosser Gerente Área Cultura y Patrimonio Carolina Llosa de Sturla Gerente Área de Educación Silvio José Schlosser Gerente Área Desarrollo Social Eduardo Savastano Área de Educación Ingrid Jeppesen Gladys Kochen Gonzalo Pérez Bardeci Patricia Salti María Soledad Veiga Área de Cultura y Patrimonio Paula María Ramos María Eugenia Frías Florencia Wasser Área de Desarrollo Social Víctor Roldán Comunicación Leonora Kievsky Administración Romina Medina Asistencia General Adriana Seráfica Coordinadora del Área de Actualización Tecnológica Aplicada a la Industria Lía Nadal Índice Prólogo .................................................................................................................... 5 Presentación del material ........................................................................................... 7 Sugerencias para el trabajo en el aula-taller ............................................................... 7 Marco conceptual ................................................................................................... 8 Aparato individual de bombeo.................................................................................... 8 Estudios teóricos......................................................................................................... 9 Unidad de bombeo Recorrido de la bomba en el fondo del pozo Eficiencia del sistema y economía de potencia Motores eléctricos Cañería de producción o tubing................................................................................ 17 Análisis y comportamiento del tubing Barras de bombeo.................................................................................................... 19 Geometría de la varilla Cálculo de diseño de bombeo: sistema de varillas..................................................... 22 Fallas en barras de bombeo...................................................................................... 24 Bombas de profundidad........................................................................................... 34 Distinto tipo de Bombas Definición de contenidos y actividades ..................................................................... 36 Bibliografía . .......................................................................................................... 37 Guías prácticas Guía N° 1/ Bombeo mecánico.................................................................................. 38 Guía N° 2/ Diseño del tubing................................................................................... 39 3 Para uso en el nivel medio de Educación Técnica Profesional Marco conceptual // Aparato individual de bombeo PRÓLOGO E l Programa de Fortalecimiento de Escuelas Técnicas “Una escuela hacia el futuro” tiene como objetivo principal fortalecer con un alto nivel académico a un grupo de escuelas técnicas que se encuentran localizadas en las zonas de influencia de YPF. Una de las líneas de acción planteadas es la elaboración de materiales didácticos y bibliográficos destinados a mejorar las condiciones educativas de las escuelas y respaldar el esfuerzo de los docentes, tanto en su formación continua como en sus condiciones de enseñanza. Este fascículo, que forma parte de una colección, se encuadra en los lineamientos generales planteados en el programa, en particular, al área de Actualización Tecnológica Aplicada a la Industria. A lo largo de estos años, se han realizado diversas propuestas que enfatizan la necesidad de generar para los jóvenes un vínculo más cercano entre la educación y el mundo del trabajo, debido a que parte de la crisis de la escuela secundaria, ya sea en nuestro país como en el mundo, se debe al desajuste existente entre los saberes y las competencias aprendidos en la escuela y las demandas del ámbito laboral. Hoy, para la inserción social, cultural y laboral de los jóvenes no alcanza sólo con la destreza y la habilidad manual y operatoria requerida muchas veces en los diversos empleos. Además, es imprescindible contar con una completa formación integral que sólo la escuela es capaz de brindar. Sin lugar a dudas, nos encontramos ante un real desafío que implica reforzar los vínculos entre la escuela y la industria a partir de la creación de espacios de intercambio de las culturas específicas de cada ámbito. Con esta colección, entonces, esperamos generar un aporte integrando saberes teóricos, tecnológicos y destrezas técnicas como parte de una formación integral que facilite la articulación entre lo educativo y lo laboral. 5 PResentación del material Este material tiene como objetivo contribuir al desarrollo del aprendizaje en la escuela de algunos conocimientos de la tecnología aplicada en los procesos de la industria. Se trata de brindar a los docentes una herramienta que contribuya en la práctica del aula-taller a establecer, a partir de un saber específico, la articulación entre lo que se puede aprender en la escuela y lo que se utiliza actualmente en la tecnología del mundo productivo. De este modo, se ofrecerá un marco conceptual sobre cada uno de los temas que se irán desarrollando en los diferentes fascículos, acompañados de diversas guías de trabajos prácticos para aplicar en el aula-taller con los alumnos. En este fascículo se desarrollará el tema “Exploración y Producción de Petróleo: Bombeo Mecánico”. •Fascículo de “Exploración y Producción de Petróleo: Bombeo Mecánico“ •Guías de trabajos prácticos Sugerencias para el trabajo en el aula-taller con los alumnos Proponemos crear un espacio para el desarrollo de una experiencia práctica y de resolución de problemas que permita una focalización de los principales conceptos que se podrían desplegar en ella. Para el desarrollo de la actividad, se recomienda tener en cuenta: • Lectura por parte del docente de este fascículo. • Introducción, por parte del docente, de los principales conceptos que figuran en el fascículo, así como también los que se sugiere tener en cuenta antes de abordar la temática. • Presentación del tema con preguntas a los alumnos y analizando las diferentes hipótesis que al respecto tengan. • Análisis con los alumnos de cuáles son las disciplinas que en la escuela ofrecen conocimientos útiles para aportar en la comprensión de la temática. • Preparación de la clase a partir de las guías de trabajos prácticos. • Desarrollo de la experiencia con los alumnos, repitiendo la prueba más de una vez, de manera tal de poder contrastar los resultados con las hipótesis previas. • Cierre conceptual retomando las hipótesis de trabajo planteadas por los alumnos. 7 ExPlorACIón Y ProdUCCIón dE PETrólEo: boMbEo MECánICo marco concEPTual aparato individual de bombeo Evolución dEl sisTEma ¿cómo crees que se puede elevar el petróleo a la superficie? el origen de elevar un líquido de un pozo por medio de una bomba submarina accionada desde la superficie por una sarta de barras y un balancín, ha sido conocido y usado desde hace 2000 años. Durante los últimos 40 años el progreso en el diseño de instalaciones de bombeo siguió el progreso en el desarrollo de herramientas, equipos y maquinarias para otras industrias; el resultado es la instalación del bombeo relativamente eficiente de hoy día. No obstante este sistema que se utiliza para la elevación artificial de petróleo desde los comienzos de la industria petrolera aún hoy mantiene una posición predominante en el 80% del mercado de los yacimientos de elevación artificial. ¿sabes cuál ha sido el progreso de este método de bombeo durante el último período de 40 años?: el progreso mostró tres líneas generales de evolución: 1. Esfuerzo para mejorar el rendimiento mecánico de las partes submarinas y de superficie del mecanismo de bombeo, perfeccionando el diseño del equipo y el material usado. 2. Estudio de los principios básicos fundamentales: guiar el diseño del sistema de bombeo. 3. aplicación de conocimiento del comportamiento y rendimiento de los reservorios de petróleo en el proyecto y análisis de los sistemas de bombeo. 8 Marco conceptual // Aparato individual de bombeo Estudios teóricos Parecería que una instalación de bombeo es un sistema simple. Actualmente su rendimiento es complejo y el análisis del mismo difícil. Esto es ocasionado por un número importante de factores. Existe allí una interdependencia estricta de acción entre los diferentes componentes de una instalación. Esto oscurece y dificulta diagnosticar la acción de cualquier componente individual. Algunos factores que afectan el rendimiento del sistema no pueden ser estimados rígidamente y el papel que ellos están desempeñando no puede ser definido con precisión. Unidad de Bombeo Componentes de una unidad de bombeo mecánico Si analizas el siguiente diagrama: ¿puedes identificar los principales componentes de una instalación de bombeo? Esta consta esencialmente de siete componentes: • El motor • La unidad transmisora de fuerza • La unidad de bombeo • Las barras • El tubing • La columna de fluido • La bomba Cabeza de mula A causa de la mencionada interdependencia de acción de estos componentes, es evidente que el diseño de la instalación debe considerar el sistema entero como una unidad. Antes de comenzar a hablar sobre cada uno de estos componentes se explicará el movimiento de bombeo. Viga balancín Cojinete del igualador Ojo de izaje de la cabeza de mula Cojinete central Igualador Manivela Escalera Biela Cojinete de perno de biela Polea ranurada Palanca del freno Estrobo Cruceta del portavástago Freno Varillaje del freno Contrapeso Base Base del motor 9 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Conceptos a trabajar previamente: El movimiento del bombeo Generalmente son hechas ciertas suposiciones para simplificar las consideraciones involucradas. Una de ellas es que el movimiento es armónico simple, cuando en realidad es sólo aproximadamente armónico simple. La unidad de bombeo es un mecanismo desarrollado para trasmitir un movimiento alternativo a la bomba, y para ello convierte el movimiento continuo circular de un motor impulsor en un movimiento oscilante alternativo aplicado al vástago de bombeo, mediante un sistema de bielas y balancín. La designación sugerida por API (American Petroleum Institute) se ve en el siguiente ejemplo: C - 228 D-173 - 74 Donde: C Tipo de AIB (C. convencional) 228 Torque máximo de la caja reductora en miles de libras x pulgada DIndica el tipo de reducción de la caja (simple, doble o triple) 173Carga máxima de la estructura en cientos de libras 74 Valor máximo de la carrera en pulgadas (1) Conceptos de carga y torque Carga y Torque (1): Los dos parámetros más importantes de medición son el Torque Máximo (1) y la Carga Máxima, estando el torque directamente relacionado con la caja reductora y la carga con la estructura. Si bien ambos valores tienen relación física, es necesario tener bien claro que el exceso de torque daña la caja reductora y no necesariamente a la estructura, y el exceso de carga lo hace exclusivamente con la estructura. Las cargas más importantes que actúan sobre la estructura de un equipo son las ocasionadas por la masa de las varillas, la masa de los fluidos y las aceleraciones a que están sometidas. Las estructuras de los aparatos de bombeo soportan la carga necesaria para elevar a determinada velocidad las barras de bombeo y el fluido producido. El conjunto mecánico está equipado con un juego de palancas y movimientos montados sobre cojinetes que requieren un programa de lubricación periódico y preventivo con la frecuencia que se debe determinar en función de las condiciones de exigencia y el clima donde trabajan. Una de las condiciones para el buen funcionamiento es el ajuste del chasis a la base, de tal manera que se asiente en toda su superficie y quede perfectamente sin ningún tipo de movimiento o vibración. Manteniendo la locación del pozo perfectamente limpia sin objetos extraños, se detecta en forma inmediata si hubiese algún bulón cortado u otro elemento que pueda pertenecer al equipo. 10 Marco conceptual // Aparato individual de bombeo Respecto a la caja reductora, su función será convertir un movimiento de muchas revoluciones y bajo torque en otro de bajas revoluciones y alto torque. Por lo general la relación que usan las cajas es de 30 a 1, por eso las poleas están preparadas para girar con 300 RPM y el eje de las manivelas entre 10 y 20 vueltas por minuto. El torque resultante que tiene que soportar el reductor e impulsar el motor es la diferencia entre el torque producido por la carga y el producido por los contrapesos, este último destinado a equilibrar al generado por las cargas aplicadas en el vástago. Justamente los AIB se balancean para disminuir los picos de torque y las demandas de potencia, de manera de minimizar el efecto de la amplia variación de cargas sobre el vástago y que el resultado sea una carga torsional lo más uniforme posible. ¿Se podrá considerar al Aparato de Bombeo como una “balanza”? Sí, y de hacerlo se podrá apreciar: Carga aplicada A = Carga aplicada B La carga aplicada en situación estática tendrá un valor que de ninguna manera será el que se obtenga en movimiento donde se suman los efectos dinámicos y centrífugos. El rozamiento, el peso alternativo de la columna de fluido y la aceleración, serán variables a considerar y que conformarán el Rango de Cargas. En situación estática, la carga aplicada determinaría el contrapesado correcto, pero en situación dinámica, el rango de cargas es quien lo determina. Como el torque en la caja reductora está dado por el valor de las cargas y la relación entre ellas (carga/brazo de palanca/seno del ángulo), el exceso del mismo se transforma en un elemento sumamente dañino para su vida útil y se debe controlar y adecuar. Un correcto contrapesado debería otorgar el valor mínimo de torque posible para las cargas aplicadas al equipo y un uniforme trabajo de motor. Contrapesado: Si el equipo no tuviera contrapesos, en la carrera ascendente el motor tendría que levantar sin ayuda el peso de varillas más el fluido y en la carrera descendente el peso de las varillas arrastraría al motor. ¿Cuál es el objetivo de los contrapesos? El objetivo de los contrapesos es lograr que el motor realice el mismo esfuerzo tanto en la carrera ascendente como en la descendente, y tender a uniformar los esfuerzos en todo el sistema. 11 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Si fuese necesario solamente levantar una carga de 10 toneladas, podría hacerse sin problemas utilizando una grúa y no se necesitaría contrapeso alguno. Sin embargo, en los equipos de bombeo hacen falta los contrapesos para equilibrar las cargas en movimiento y reducir la necesidad de potencia, ya que el motor se usará para mover un sistema mecánico balanceado. De aquí la importancia de mantener los aparatos perfectamente bien contrapesados. Los sistemas de contrapesos usuales son: con peso regulable ubicado en la viga del equipo; con peso regulable pero ubicado sobre la manivela, y el de contrapesos neumáticos con cilindro con aire comprimido. Para el caso de los contrapesos instalados en la viga se regulan aumentando su acción a medida que se alejan del punto de apoyo central. En el caso de las manivelas planas, el efecto será mayor en la medida en que se alejen del eje. Para el caso de soportes circulares el aumento se dará en la medida en que los contrapesos se alejen del soporte hacia el lado opuesto del eje. En los de contrapeso por aire, el incremento de presión es lo que aumentará el efecto. Todo esto es perfectamente calculable en función del tipo de equipo y el peso de los segmentos que contrapesan. Geometría de los aparatos individuales de bombeo (2) (2) Física: Clases de palancas Clase 1: Geometría convencional Palanca de primer género UNIDAD DE BOMBEO CONVENCIONAL (Clase I, simétrico) F C Contrapeso Carga Clase 3: Palanca de tercer género Tipo M (Mark II) UNIDAD DE BOMBEO MARK II (Clase III, no simétrico) 12 F C Contrapeso Carga Marco conceptual // Aparato individual de bombeo Torque Máximo: Es el torque con que se puede hacer trabajar el reductor sin peligro de rotura del mismo. Para equipos Clase I el API contempla de 40.000 a 912.000 lbs.-pulg. y para Clase III de 14.000 a 912.000 Lbs.-pulg., pudiendo algunos fabricantes superar estos valores. Capacidad en el balancín: Es la carga máxima que se puede colgar de la cabeza de mula, pudiendo soportarla normalmente toda la estructura del equipo, como así también cojinetes y accesorios. Carrera máxima, es la máxima carrera a obtener en el vástago pulido, luego se pueden colocar las carreras menores que le siguen en cada AIB. Las condiciones de carga en un pozo son: Carga Máx = (Pbb + Pf) * (1 + a) Carga Mín = (Pbbs) * (1 - a) Rango de Carga: RC = Cmáx.- Cmín. Torque Teórico = RC. * S / 4 Torque Real = (C. Máx. – CB ) * S / 2 o Torque Real = (CB – C. Mín.) * S / 2 Pbb = Peso de la sarta de varillas en el aire (Kgrs. o Libras) Pf = Peso de fluido a elevar entre tubing y sarta de varillas (Kgrs. o Libras) a = Factor de aceleración a = f (Carrera, S, GPM al cuadrado) CB = Efecto de contrapesado o Contrabalanceo (Kgrs. o Libras) % Uso = T máx Real/ T. Máx. Fabricante o % Uso = C. Máx. Real / Capacidad Fabrican. Las bielas al girar con velocidad angular constante en la Unidad Convencional (Sistema a Palanca Clase I) producen la inversión de la carrera del vástago en el punto muerto superior, con aceleración relativamente baja. En las unidades de bombeo Mark II y en las balanceadas a aire (Sistema de Palanca Clase III) las características de la aceleración están revertidas. El sistema frontal o de empuje ascendente comienza la carrera ascendente con baja aceleración pero hace que la reversión en el tope sea algo más rápida que en la unidad convencional. Consecuentemente, el Sistema a Palanca Clase III, como el Mark II, y el balanceado a aire, mueven la máxima carga de las varillas y del fluido al dejar el fondo con aceleración algo menor que de un movimiento armónico simple, mientras que en la parte superior de la carrera, la varilla conductora comienza la carrera descendente con una aceleración mayor que la de un movimiento armónico simple. Aceptando la simplificación de considerar la masa concentrada, la carga pico o máxima en el vástago está controlada por la magnitud de la aceleración en el momento de dejar el fondo. 13 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Cuanto mayor es su valor, mayor será la carga en el vástago (manteniendo las otras condiciones iguales) con el consecuente aumento de los esfuerzos en las varillas y en la carga estructural de la unidad. Al levantar la carga máxima de las varillas y el fluido dejar el fondo, la inercia de la masa se suma al peso estático. Cuando sucede la reversión arriba, la inercia de la masa se sustrae del peso de las varillas en flotación. En otras palabras, la reversión en el fondo, carga al vástago y a la estructura a su valor máximo, mientras la reversión superior lleva esa carga a su valor mínimo. Debido a la geometría del AIB Clase III y a la baja relación biela-manivela, la unidad Mark II levanta las varillas y el fluido desde el fondo con aproximadamente un 60% de la aceleración máxima de la unidad convencional de Clase I. Este hecho ha sido ampliamente reconocido por estudiosos de la tecnología de los sistemas de bombeo. Por ejemplo en su texto “Principios de producción de pozos de petróleo” el Profesor T. E. W. Nind de la Universidad de Saskatchewan afirma: “En la unidad convencional la aceleración en el fondo de la carrera es algo mayor que una verdadera aceleración armónica simple mientras que es menor en el tope de la carrera. Este es el principal inconveniente de la unidad convencional, es decir, que en el fondo de la carrera justo en el momento que la válvula viajera se está cerrando y el peso del fluido es transferido a las varillas está en su máximo. Estos dos factores se combinan para producir una máxima solicitación en el sistema de varillas que es uno de los factores limitantes del diseño de la instalación”. La experiencia ha demostrado que la menor aceleración en el fondo del Mark II generalmente reduce la carga máxima en el vástago, el esfuerzo de las varillas y la carga de la estructura, a menudo hasta en un 10 a 12%. 14 Marco conceptual // Aparato individual de bombeo Recorrido de la bomba en el fondo del pozo Con una carrera en superficie y una velocidad de bombeo dada, parecería que el recorrido neto del pistón podría ser el mismo para cualquiera de las geometrías de los aparatos individuales de bombeo. Este no es el caso. Variando la geometría de superficie para producir ciertas características de movimientos tal como una carrera descendente más rápida y una menor velocidad en la reversión del fondo, es posible en muchos casos aumentar apreciablemente la carga sobre el vástago. Debido a esta más rápida carrera descendente y a la menor velocidad de la reversión en el fondo, el Mark II tiende a proveer un recorrido neto mayor en muchos casos, con el mismo o aún menor pico de carga en el vástago. Se ha demostrado que el Mark II (Clase III sistema de empuje ascendente) frecuentemente tiende a maximizar la carrera neta del pistón más que otras geometrías de unidades de bombeo y en un amplio rango de aplicaciones. Admitimos que algunas razones para esto son complejas y sólo pueden ser determinadas y entendidas con exactitud usando la poderosa herramienta que es el modelo matemático “de la resolución” de la ecuación de onda aplicada al bombeo mecánico, sin embargo. En general, el mayor recorrido neto del pistón del Mark II se debe a la más rápida carrera descendente con un mayor tiempo de retraso en la reversión al dejar el fondo. Tanto el estudio práctico como el teórico han probado que esto es cierto en la mayoría de las condiciones del bombeo mecánico. Eficiencia del sistema y economía de potencia (3) Una de las principales ventajas del AIB con contrabalanceo mecánico es su alta eficiencia. A diferencia de las bombas hidráulicas, neumáticas y eléctricas, los componentes mecánicos del AIB convencional y del MkII tienen pérdidas de calor insignificantes en los sistemas de contrapesos incapaces de disipar energía. (3) Física: Potencia Eléctrica Una libra-pie de energía aplicada al eje de alta del AIB (convencional o MkII) es proporcionada casi intacta como trabajo alternativo provechoso en la cabeza del AIB. Un motor eléctrico es razonablemente eficiente cuando opera dentro de su rango de capacidad y con un torque relativamente uniforme; sin embargo su eficiencia cae rápidamente bajo cargas variables, tal como ocurre en el impulso de una unidad convencional o balanceada a aire. 15 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico La capacidad de los motores eléctricos para entregar trabajo, depende de la cantidad de calor que pueda disipar en un intervalo de tiempo dado. Esta pérdida de calor, principalmente resultante de impulsar una carga cíclica muy variable, tal como la del bombeo mecánico, es función del cuadrado de la corriente : Pérdida de calor = i2 x R. Con la carga proporcional más pareja y uniforme (que resulta en una corriente proporcional, más baja y uniforme) se genera una cantidad menor de trabajo dado en el vástago, permitiendo así que el motor trabaje más eficientemente. Motores eléctricos En los campos petroleros, en general se usan dos tipos de motores para el accionamiento de las unidades de Bombeo (AIB): Eléctrico Trifásico Asincrónico Motor de Accionamiento Combustión interna a Gas o Diésel Existe una variedad de fórmulas para determinar la potencia requerida en una instalación de Bombeo Mecánico. La mayoría es empírica y no se ajusta a la realidad, por fijar coeficientes de seguridad variables. En la práctica es común encontrarse con motores que trabajan sobredimensionados o muy solicitados. Una formula propuesta es: Pot. (HP) = RC * GPM * S / 250.000 RC: Rango de cargas: C Máx. – C Mín. GPM: Golpes por minutos S: Carrera 16 Marco conceptual // Cañería de producción o tubing Cañería de producción o tubing Las columnas de tubing (tubería de producción) cumplen varias funciones, citándose las más importantes: 1. Permitir que por su interior ascienda el fluido procesado por la Bomba de Profundidad. 2. Proteger al casing del roce con las varillas de bombeo. Si bien el tubing a veces se mueve, la superficie de contacto es mayor, prolongando así la duración del casing. El movimiento del tubing se puede anular, instalando un ancla de tubing. 3. Permite evacuar por el espacio anular (entre casing y tubing), el gas liberado y que no es procesado por la bomba. 4. Permite efectuar mediciones de nivel con ecómetro o sonolog, por el espacio anular. 5. Facilita las operaciones de pesca de las varillas de bombeo y/o bomba. El espacio anular entre tubing y varillas, permite guiar y centralizar el punto de pesca y pescador. 6. Ante la posibilidad de extraerse el tubing con el equipo de pulling, puede renovarse parcial o totalmente por deterioro. Permite profundizar o levantar la bomba según los requerimientos de extracción. 7. Permite incorporar elementos auxiliares como ser: zapato niple, filtros para arena, separadores de gas, ancla de tubing, packer de producción, caños ranurados etc. Si bien el bombeo mecánico se caracteriza por el uso de varillas de bombeo, éstas forman con el tubing un conjunto indisociable. Además de estar asociados en el proceso de extracción, en cada ciclo de bombeo se transfieren el peso del fluido, entre una y otra carrera. Las Normas API 5.A contemplan las características dimensionales, tipo de material y propiedades físicas o resistentes de los tubos y las uniones. Los diámetros comprenden: ¾” – 1” – 1.1/2” – 2.3/8” – 2.7/8” – 3.1/2” – 4” – 4.1/2” (D. Exterior –pulg.) Los más usuales: 2.3/8” – 2.7/8” – 3.1/2” En el mercado se encuentran varias calidades de acero con que se fabrican, existiendo los grados: H- 40, J- 55 , C- 75 , N- 80 , P- 105 Un tubing J-55 significa que el límite elástico es 55.000 psi (3.850 Kgr/cm2). 17 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Análisis y comportamiento del tubing En la práctica y como consecuencia de las funciones que desempeñan en pozos de petróleo las cañerías de bombeo (tubing), es necesario someter a cálculo los diversos esfuerzos a los que se las solicita, siendo estos de variada magnitud. Entre los más significativos podemos destacar los esfuerzos de comprensión radial que provocan aplastamiento (colapso), presiones internas, esfuerzos de tracción, flexión y torsión, los que adquieren grandes magnitudes a medida que aumenta la profundidad del pozo. En este caso nos referiremos a los esfuerzos de tracción en los tubos y las juntas, que para garantizar el correcto comportamiento del conjunto, se han creado diversos grados de acero, así como recalques y roscas cuyos valores mínimos de resistencia se indican de acuerdo a lo establecido en normas API BUL 5C3; API 5A; API 5AX. Condiciones del análisis para instalaciones de bombeo mecánico (Guía Nº:1 y 2) a) El nivel del fluido se lo considera a la profundidad de bombeo a efectos de realizar el cálculo en las condiciones más desfavorables. b) Se considera la resistencia de la junta en función de la tensión mínima de fluencia. c) Se considerara para el análisis, los grados de acero de uso corriente y especial como también la degradación de tubing por recuperación. TUBING SOLICITACIÓN Grado I (material nuevo) 100% espesor de pared Grado II (material recup) 80% espesor de pared Grado III (material recup) 65% espesor de pared Con los datos aportados por los porcentajes de solicitación de cada grado, se determina el espesor de la pared del caño recuperado usando como patrón el espesor del caño nuevo o grado I. * TUBING GRADO I GRADO II 2.3/8” 4,85 3,86 GRADO III 3,14 2.7/8” 5,51 4,41 3,58 3.1/2” 6,45 5,16 4,19 Como datos de interés calculamos las áreas anulares de los tubing para cada grado de recuperación usando la siguiente ecuación: A= 0,7854 * [D2 - (D-2e)2] Donde D: Diámetro exterior o nominal del caño (mm) e: Espesor de la pared del caño (mm) A: Área anular del tubing resultante (mm2) 18 Marco conceptual // Barras de bombeo Barras de bombeo De todos los componentes de una instalación de bombeo Mecánico, la sarta de varillas es la que rige, en mayor efecto, el rendimiento del sistema, ya que de acuerdo al mayor o menor estiramiento, define la carrera neta del pistón (Sp) y de ésta depende el caudal de extracción: La producción a extraer es: Q (m3/d) = 1,44 * Sp *Ap * GPM La carrera neta vale: Sp = S aib – E bb – E tb + O Sp: Carrera neta del pistón. Ap: Área pistón. GPM: Velocidad bombeo. S aib: Carrera del AIB. E bb: Estiramiento barras. E tb: Estiramiento tubing. (=0 si tiene ancla) O= Efecto de sobrerecorrido Las Normas API (Spec. 11 B) contemplan las características geométricas y las propiedades resistentes y químicas para las barras de bombeo de uso petrolero. No obstante existen otros tipos de varillas fabricadas según diseños o tratamientos especiales que se ofrecen en el mercado para casos específicos. Ej.: varillas de fibra de vidrio, de aceros especiales para alta resistencia, etc. Las varillas de Bombeo (Sucker Rods), los trozos (Pony Rods) y las cuplas (Coupling) se fabrican en un amplio rango y usando modernos métodos y tecnologías. Diámetros de varillas usados: 5/8” 3/4” 7/8” 1” 1.1/8” Grados o Calidad del Material: C K D De acuerdo a la composición química, las barras se dividen en dos grandes grupos: 1. Aceros al carbono-manganeso: El manganeso tiende a hacer al acero menos quebradizo. 2. Aceros de Aleaciones: Estas aleaciones tienden a: • Aumentar la dureza, solidez y resistencia a la corrosión. • Formar estructuras de grano fino. • Obtener mejores resultados en los tratamientos. Grado “C”: Acero al carbono-manganeso recomendado para servicio mediano en pozos no corrosivos o fluidos pocos corrosivos. Grado “K”: Aleación de acero al níquel-molibdeno, recomendado para servicio mediano en pozos con fluidos corrosivos (CO2, H2S- Anhídrido carbónico y sulfhídrico). Grado “D”: Aleación de acero al cromo-molibdeno, recomendado para servicios pesados en pozos corrosivos o con fluidos poco corrosivos. 19 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Dp Df Ws Du Db Geometría de la varilla We Las cargas normales a las que están sometidas las sartas de varillas en cada ciclo de bombeo son: Carga Máx = (Pbba + Pf ) * (1 + a) Carga Mín = (Pbbs) * (1 - a) Pbba = Peso de barras en el aire Pf = Peso del fluido Pbs. = Peso de las barras sumergidas a = Factor de aceleración Las tensiones normales (esfuerzo de tracción) están dadas a su vez : Tensión Máxima: Máx = Pmáx / Secc Secc: Sección o área de la barra Tensión Mínima: Mín = Pmín / Secc Diseño de sartas de varillas Existen dos procedimientos para diseñar una sarta de varillas: 1) Igualación de Tensiones Hace trabajar a la varillas topes de cada tramo, cualquiera sea su diámetro; a la misma tensión, es el método más usado. Γ1 = Γ2 = Γ3, Γ = P / A (p/ sarta triple) 2) Tensión Máxima Admisible: Hace trabajar a las varillas al máximo, permitiendo sartas más livianas y económicas, pero su estiramiento es mayor. Usado en casos particulares. A = P / Γ máx. Materia Prima: De acero obtenidas por laminación en caliente. “Sucker Rod Quality” calidad del acero (minimiza la decaburación y los defectos superficiales). Tratamiento Térmico: • Normalizado total (por encima de AC3, luego de lo cual se obtendrá una estructura perlítica ferrítica). • Recocido subcrítico (o revenido). • Shoot peening”: Bombardeo con granallas de acero (logra una eficaz limpieza superficial, eliminando escamas y pequeñas imperfecciones, confiere a las fibras exteriores de la barra un cierto tensionado, que contribuye a un aumento de la resistencia a la fatiga. 20 Marco conceptual // Barras de bombeo Varillas no normalizadas por A.P.I: Varillas de aluminio y varillas de fibra de vidrio (proceso de poltrusión). Varillas alta resistencia: Su fabricante no garantiza valores de resistencia máxima a la tracción o límite de fluencia, sino que garantiza una tensión máxima admisible de trabajo continuo de 50000 psi (35,15 kg/mm2) en cualquier medio. En resumen: El diseño o plan de la columna de varillas para un pozo en extracción por bombeo, es un arreglo entre la cantidad de trabajo a realizar y el costo de este trabajo en un período de tiempo. Muchas posibilidades son posibles de contemplar en el diseño de la columna: combinación de profundidad de bombeo, dimensiones del caño de bombeo, cantidad total del fluido, medida de la bomba y su diseño, velocidad de bombeo, longitud de la carrera, medida de la unidad y combinación de diámetros de varillas. Algunas pueden optimizarse para las condiciones existentes del pozo en el momento de utilizarlos en el yacimiento o utilizando experiencias y cálculos teóricos. Una gran variedad de diseños, está indicada en la Norma API-RP11L. 21 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Cálculo de diseños de bombeo por el sistema de varillas Recomendaciones prácticas Este sistema es razonablemente seguro por el conocimiento de las condiciones del pozo y puede ser modificado por extensión de las condiciones exteriores. El cálculo de cargas para este sistema de diseño, podrá ser comparado a la carga máxima posible a admitir por la selección de la medida y grado de la varilla de bombeo de acuerdo a lo indicado en DIAGRAMA DE GOODMAN MODIFICADO SOBRE TENSIONES ADMISIBLES Y RANGO DE TENSIONES. Ver API-RP11BR. Estos diagramas dan diseños razonables con el límite de carga de las varillas de bombeo dadas las condiciones de trabajo. Están basados en el límite de fatiga de las varillas de bombeo de acero, comparados con la perfomance de vida experimentada en el yacimiento. Selección de Varillas de Bombeo: Luego de conocidas las cargas y de evaluar las características corrosivas de los fluidos del pozo, se seleccionará el tipo de varilla más apropiado, usualmente, esta selección consiste en un proceso de ensayo y error que dará como resultado cuál es el material requerido para las cargas y la composición química de los fluidos. Factores: 1. Capacidad de Carga (Diagrama de Goodman), en un ambiente no corrosivo teóricamente excederán los 10 millones de ciclos de bombeo. La vida útil disminuye drásticamente como causa de diseños pobres, instalaciones inapropiadas, mala manipulación de las varillas, ambientes corrosivos. 2. Ambientes de trabajo (características de los fluidos). Control y monitoreo de fluidos del pozo. Como regla gral. con % de agua > 20% donde el fluido producido estará en fase acuosa con gotas de petróleo, se pueden producir manchas de pérdida de material (pitting), lo cual resultará en una falla. Otras condiciones que también resultarán en fallas son: • Cuando el SH2 en agua se encuentra a presiones parciales > a .05 Psi. (0.0034 atm). • Cuando el CO2 en agua es > que 200 ppm. • Cuando el total de cloruros es > que 5000 miligramos / litro • Cuando se haya presente oxígeno en cualquier proporción. • Cuando la temperatura de fondo es > que la temperatura ambiente en superficie. • Cuando el PH del fluido es < que 7.0 • Cuando el total de sólidos es abrasivo y mayor de 100 ppm y la velocidad del fluido es alta. 3. Ataques comunes por corrosión: son escamas, oxígeno, cloruros, bacteria, CO2 y ácido. 22 Marco conceptual // Cálculo de diseños de bombeo por el sistema de varillas Escamas (scale): Pueden ser químicas, orgánicas o inorgánicas del fluido producido que se adhieren a las varillas. Producen escamas y/o desgastan el material en zonas específicas, causando así una zona con diferencial de potencial donde puede comenzar la corrosión. Ej. Óxido de hierro u oxidación, SO4Ca o yeso, SO4Ba (4) Oxígeno: comienza con el O2 disuelto en agua salada. Son marcas poco profundas y anchas. El ataque es rápido. (4) Química: Conceptos de inorgánica: sulfuros, cloruros, PH. Cloruros: El ataque generalmente es profundo, de base plana con bordes irregulares. Se ve favorecido en lugares donde la concentración de O2 es baja. SH2: es aleatorio y diseminado sobre la superficie de las varillas. La formación de SFe como resultado del ataque del H2S y agua es un problema secundario de corrosión. Bacterias Sulfatoreductoras: Las colonias donde crecen tienden a ser aisladas. Cuando se limpia la base del ataque muestra múltiples rajaduras por fragilidad producidas por el SH2. 23 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Fallas en barras de bombeo A continuación se detallan algunos tipos de fallas más comunes: Fatiga Todas las fallas en las columnas de varillas de bombeo son indistintamente por esfuerzos de tensión o fallas de fatiga. En la Figura Nº 1, en la mitad superior de la cara rota, se observará una superficie lisa pulida. Aunque la carga aplicada se distribuye aproximadamente igual sobre toda el área de la sección de la varilla, en una superficie dañada se reduce la sección, por lo que se incrementará la carga o tensión sobre la misma. Figura Nº 1 Corrosión En la Figura Nº 2, se muestran dos causas de fallas de fatiga. El de la izquierda es fatiga por corrosión. Figura Nº 2 24 Marco conceptual // Fallas en barras de bombeo Sobrecarga En la Figura Nº 3, se indican dos fallas atribuidas a sobrecargas en la varilla o diseño deficiente. Figura Nº 3 Mecánicas Estos son físicamente producidas por el manipuleo o apriete, o causados durante las operaciones de la columna de varillas en el pozo. Dobladuras Si el cuerpo de la varilla es gradualmente arrastrado arqueándose, o curvándose más que esto, ésta no deberá bajarse en columnas que estén sometidas a cargas altas. El ejemplo de la Figura N° 4 indica un doblado o torcido con radio corto. Cada dobladura puede originarse cuando se toma la varilla por los extremos, tendiendo a doblarse en el medio. Figura Nº 4 25 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Flexión Las fallas por flexión se producen por el movimiento de la columna de las varillas durante el ciclo de bombeo. Las varillas no se observan permanentemente dobladas, aunque el problema se produce en la columna en movimiento. En el ejemplo de la Figura N° 5, se observa una fractura por tensión de fatiga a lo ancho de la varilla sin abrasión. Figura Nº 5 Las condiciones de fallas son producidas por velocidad o inadecuado régimen de bombeo. El ejemplo de arriba, de la Figura N° 5, indica el mismo tipo de daño que en el área del cuerpo, pero en la zona de recalque. La mitad de las fallas de las varillas de bombeo se deben a daños mecánicos. Daños en las superficies Una rotura mecánica en la superficie de la varilla de bombeo o cupla, puede causar una falla. En la Figura N°6, se indican cuerpos que presentan fallas por superficies dañadas. El grado de la carga, profundidad y orientación del daño y las condiciones que rodean al pozo, determinan cómo se pueden desarrollar las fallas. Figura Nº 6 26 Marco conceptual // Fallas en barras de bombeo Desgaste El desgaste sobre la columna de varillas de bombeo es la pérdida de las superficies de metal por contacto con la cañería de bombeo. El desgaste produce fallas por reducción de la sección resistente exponiendo nuevas superficies de metal corrosibles, los cuales acelerarán el ataque de la corrosión y fallas en las uniones de impacto y daños a los topes. La Figura N° 7, demuestra una unión donde el desajuste ha eliminado material. Desgaste como este tipo nunca debería ocurrir. Figura Nº 7 En la Figura N° 8, se indican dos tipos de desgaste en el cuerpo de varilla de bombeo. El ejemplo de arriba indica el desgaste del cuerpo por abrasión. El ejemplo de abajo muestra un desgaste de corrosión-abrasión, donde la película del inhibidor de corrosión se ha roto y el metal quedó expuesto a la corrosión. Figura Nº 8 27 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico En las uniones (Cuplas - Machos) El número de uniones fallidas puede dividirse entre cuplas y machos. Si la cantidad de tensión aplicada al macho y el resultado de la carga de fricción que se origina entre la cara del macho y el tope de la cara de la cupla que se produce por el apriete, se mantiene durante el ciclo de bombeo, la unión no tendrá fallas. Si por el contrario estas condiciones no se satisfacen, pueden ocurrir una de las cuatro fallas que se originan en las uniones. El primer tipo de fallas es el desenrosque de la unión. La Figura N° 9 indica dos tipos de fallas del macho. El ejemplo de la izquierda es la falla más común. La Figura N° 10 muestra dos causas que provocan fallas en las cuplas. La de la izquierda, indica una falla por apriete incorrecto en más o en menos. El ejemplo de la derecha en la Figura N° 12 indica la iniciación de la fisura en la cara exterior de la superficie progresando del interior hacia la rosca, y la tensión de fractura se desarrolla en todo el perímetro de la cupla. Figura Nº 9 Figura Nº 10 28 Marco conceptual // Fallas en barras de bombeo Las picaduras de corrosión sobre el macho o la superficie de la cupla serán causas de fallas de fatiga por corrosión y acelerarán las tensiones mecánicas, causas de fallas. En la Figura N° 11, se indican los efectos de un sobreapretado en los machos y cuplas de unión. El macho de la izquierda fue enroscado con una llave de poder. La indicación de un excesivo apretado se observa por la deformación concéntrica del tope macho de la varilla, por el apriete contra el tope de la cupla. Figura Nº 11 Como parte del procedimiento de apriete, siempre existe la posibilidad de que las roscas se engranen de acuerdo a lo indicado en la Figura N° 12. Figura Nº 12 Corrosión El ataque por corrosión a las barras de bombeo provoca fallas que representan el 50% del total de las mismas y contribuyen a otras fallas de tensión y abrasión. Las fallas mecánicas llamadas fatigas de tensión por corrosión, son producidas por la concentración de carga en picaduras por corrosión. 29 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Incrustaciones Las incrustaciones, tales como óxido de hierro, sulfato de calcio, o yeso, sulfatos de hierro y carbonato de hierro, deberán ser evitados, por cuanto al tomarse sobre las barras, ellas reducen la efectividad de los inhibidores químicos. En la Figura N° 13, se indican varias disposiciones de incrustaciones. El ejemplo del centro es la herrumbre formada por la humedad en el fondo del pozo. Esta herrumbre no está consolidada y es fácilmente sacada por abrasión, lo cual hace que la cara una vez retirada la herrumbre sea rápidamente atacada. La humedad ataca generalmente a toda la superficie. El agua de formación con alto contenido de sal es la que ataca más rápidamente. El ejemplo de abajo es una incrustación gruesa de sulfato de calcio. Figura Nº 13 Oxígeno La Figura N° 14 indica la corrosión producida por el oxígeno disuelto en agua salada. Las picaduras son de base ancha, y las mismas tienden a combinarse unas con otras. Como el oxígeno incrementa su concentración al combinarse con gases ácidos y clorhídricos, el problema de la corrosión se incrementa mucho. Figura Nº 14 30 Marco conceptual // Fallas en barras de bombeo Sulfuro de Hidrógeno En la Figura N° 15 se ven las características de las picaduras provocadas por el sulfuro de hidrógeno. Las picaduras se producen al azar, y se esparcen sobre la superficie. Las bases de las picaduras son redondas y las paredes profundas. Las picaduras se ensanchan hacia afuera. Las superficies de las picaduras y de la varilla, se abren con incrustación gruesa de sulfuro negro, el cual también corroe el acero. Un tercer mecanismo de corrosión es la fragilidad que produce el hidrógeno, el cual causa fallas con roturas que tienen caras aparentemente quebradizas. Figura Nº 15 Bacterias En la Figura N° 16, se puede ver el ataque de bacterias muy comunes en el fondo del pozo y la colonia crece sobre la superficie del acero en ausencia de luz y aire. Las picaduras son anchas y siempre tienen múltiples roturas en la base de las mismas. Estas múltiples roturas resultan del hidrógeno liberado por el sulfuro, por el producto de las bacterias, debido a que en su forma de vida corroen y producen fragilidad en la superficie debajo de la colonia. Figura Nº 16 31 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Anhídrido de carbono En la Figura N° 17 se indican picaduras típicas de dióxido de carbono. Estas picaduras tienen base redonda y las paredes de perforación con bordes agudos y las mismas se llenan de carbonato de hierro. Las picaduras se interconectan en forma longitudinal con áreas catódicas alrededor de las líneas de picaduras. El gas dióxido de carbono forma ácido carbónico cuando el agua tiene bajo pH y este ácido ataca muy progresivamente al acero. Figura Nº 17 Ácidos Los ácidos clorhídrico y sulfúrico se forman en el fondo del pozo y en la Figura Nº 18, se indican varios ejemplos de corrosión típicos con la formación de picaduras profundas por ataques de ácidos. No se forman incrustaciones en las picaduras. Figura Nº 18 Galvánica La corrosión galvánica se produce como resultado de unir dos materiales diferentes. Muchas veces los materiales son compatibles. Pero en la Figura Nº 19 se ilustra el ataque en una cupla de acero al carbono y la varilla fabricada en acero aleado bajo ciertas condiciones del fluido. Las áreas más pequeñas de acero al carbono se sacrifican a expensas de las áreas mayores de acero aleado. 32 Marco conceptual // Fallas en barras de bombeo Figura Nº 19 Electrólisis Las electrólisis se producen por corrientes eléctricas inducidas o de dispersión que fluyen de la columna de la Varilla de Bombeo. La picadura resulta de forma irregular y usualmente con un cono en la base de la misma. Adecuada puesta a tierra de todo el equipo puede ayudar a controlar este daño. En la Figura N° 20 se indican estas picaduras y el resultado de estas fallas. Figura Nº 20 Abrasión En la Figura Nº 21 se indica el resultado de las roturas que produce el gas que lleva en solución materiales sólidos, los cuales producen cortes sobre la superficie de las varillas. Aprendiendo a reconocer las causas de las fallas de las varillas, quienes operan con pozos de bombeo deben hacer que el sistema sea más económico y rentable por la reducción del tiempo perdido en la producción. Figura Nº 21 33 Exploración y Producción de petróleo: bombeo mecánico Bombas de profundidad Designación A.P.J. Bombas de Profundidad standard de Pistón Metálico Tipo de Bomba Designación Barril de pared gruesa Barril con liner Barril de pared fina Bombas insertables: Barril fijo asiento superior RHA RLA RWA Barril fijo asiento inferior RHB RLB RWB Barril móvil asiento inferior RHT RLT RWT Bombas de tubing TH TL xx xxx x x x x x x Longitud de extensiones del barril ( pies) Longitud de pistón ( pies) Longitud de barril ( pies) Tipo de Asiento: C: Asiento a copas M: Asiento mecánico Ubicación Asiento: A: Asiento superior B: Asiento inferior T: Asiento inferior barril móvil Tipo de barril: H: Pared gruesa L: Con liner W: Pared fina Tipo de bomba: R: Insertable T: Tubing pump Diámetro de pistón: 125 1.1/4“ 150 1.1/2“ 175 1.3/4“ 200 2“ 225 2.1/5“ 275 2.3/4“ Diámetro de tubing: 34 20 2.3/8“ OD 25 2.7/8“ OD 30 3.1/2“ OD Marco conceptual // Fallas en barras de bombeo Distintos tipos de bombas Bombas Usos VentajasDesventajas Tubing Pozos sin gas Máx. Desplazamiento no muy profundos Robusta Sacar tbg. p/cambiar barril. Gran espacio nocivo. Cargas elevadas Barril Móvil Pozos con arena, no muy profundos, sin gas, bombeo intermitente No se aprisiona (Mto. barril) No entra arena en la bomba. Ambas jaulas abiertas (> pasaje). Presiones ecualizadas. Elevada caída de presión entre pozo y cámara (tubo). Válvula fija pequeña. Tubo pandea c/cgas. altas. Barril Estac. Pozos profundos, de bajo Ancl. inferior nivel estático, con gas Presiones ecualizadas: Entrada cercana a vál. De pie. Vál. Pie > barril móvil. Reducido espacio nocivo Se aprisiona con arena al detener el bombeo. Se aprisiona al rearrancar en bombeo intermitente. Barril Estac. Ancl. Superior Pozos con arena, Arena no deposita s/anclaje no muy profundos Con gas Presiones no ecualizadas. En bombeo intermitente la arena ingresa a la bomba. 35 Exploración y Producción del petróleo: bombeo mecánico Definición de contenidos y actividades: Se definen a continuación cuáles serán los contenidos que surgen del desarrollo del Fascículo ”Exploración y Producción de Petróleo: Bombeo Mecánico”. 36 Contenidos Actividades Producción: Bombeo Mecánico. (Guía Práctica 1). Cálculo de los parámetros que gobiernan el diseño de un sistema de extracción mediante bombeo mecánico. Producción: Diseño del tubing (Guía Práctica 2). Diseño del tubing en el caso de un sistema anclado con tensión. BiBlioGraFÍa Tenaris. (1990) “Selección de Tubing y Casing” K. Moore. (1981) “Análisis de Fallas en varillas de bombeo”. Tulsa, USA. Marcelo Hirschfeldt. “bombas Cavidades Progresivas”. Oilproduction.net Chuck Norman. “recuperación Secundaria”. Tiorco Inc Wood Group. “ESP for the Petroleum Industry” ExPlorACIón Y ProdUCCIón dE PETrólEo: boMbEo MECánICo GuÍas PrácTicas GUíA n° 1 Producción: bombeo mecánico Objetivo: calcular en aula los parámetros que gobiernan el diseño de un sistema de extracción mediante bombeo mecánico. Fundamento: como se ha visto, el resultado final de la terminación de un pozo es la confección del “esquema de Pozo”, donde están los datos del aporte de cada una de las capas que el geólogo consideró de interés productivo. Ahora es el turno del ingeniero de Producción para diseñar una instalación que sea capaz de explotar el potencial del pozo. este proceso incluye el diseño de todos los elementos que componen el sistema de extracción artificial, a saber: cálculo del potencial del pozo, tubing, sarta, bomba, Aib y motor. Prueba: en esta guía se evaluará el potencial del pozo y otros cálculos de interés. 1148/1152 3000 l/h ASF N: 600 m, Sal 8,0 ppm, Temp.: 42 ºC Se cementó con 20 bolsas P. inicial 800 psi, P. final 1400 psi 1207/1211 2100 l/h PF N: 820, Agua: 3%, Sal 7,0 ppm, IT: 3%, Dens. 0,875 1245 Dispositivo de 2º 1687/1699 900 l/h PF N: 1200, Agua: 25%, Sal 6,0 ppm, IT: 28%, Dens. 0,910, Arena y barros: 3% 1793/1796 S/E. Se probó admisión con 1900 psi. No admite Dispositivo de 2º 2131/2134 300 l/h ASF N: 2010, Sal 8,5 ppm 2157/2159 S/E. Se probó admisión con 1800 psi. No admite Zto: 2188 m 38 Collar: 2178 Guías Prácticas 1. Cálculo del Potencial del Pozo: Del esquema siguiente del pozo PX 1 determinar en m3/día el volumen de fluido a elevar a superficie. 2. Aparato Individual de Bombeo a) como se identifica un Aib.? b) Describa los tipos de palanca y a que clase de Aib corresponde cada tipo. 3. Torque: Determinar el torque teórico si disponemos de un Aib c228-D173-74 y por cálculos teóricos sabemos que: Carga máxima: 7123 kg. Carga mínima: 2543 kg. 4. Potencia: con los datos del punto anterior y con una velocidad de 8GPm determinar la potencia del motor eléctrico. 5. Velocidad: Se quiere extraer un caudal Q de 40 m3/día. Se cuenta con un Aib c228D173-74 y una bomba cuyo diámetro de pistón es 1,75”. Determine la velocidad del Aparato (GPm). 39 ExPlorACIón Y ProdUCCIón dE PETrólEo: boMbEo MECánICo GUíA n° 2 Producción: diseño del tubing Objetivo: Determinado el diámetro óptimo de producción, y si el sistema es anclado con tensión ya sea ancla o packer, el diseño se torna un poco más complejo que lo visto en las condiciones de calculo de tubing libre. Fundamento: Para realizar el análisis de selección se toma un sistema de ejes coordenados con el cual podremos distribuir correctamente los grados de acero y grados de recuperación del tubing para cada caso en particular, teniendo como datos los esfuerzos de anclaje y el propio peso de la cañería pudiéndosela considerar vacía o con fluido. Tomaremos un ejemplo de diseño para observar las variables que intervienen en el cálculo. EJEMPLO:Pozo:P.X.1 Datos: Profundidad del tubing: 2.850 m Profundidad de instalación del ancla: 2.800 m diámetro del tubing: 2.7/8 “ Tensión librado de emergencia: 16 Tn Peso cañería con fluido = 2.800 m * 12,7 Kg/m = 35.560 Kg diseño: Debemos diseñar un tubing que soporte el máximo de esfuerzos requeridos incluyendo el librado de emergencia del ancla. Para tal fin tendremos un esfuerzo total de: ESF. TOTAL = 16 Tn + 35,560 Tn = 51,560 Tn Diseñaremos el tubing para un esfuerzo aproximado de 52 Tn. como este valor de 52 Tn es superior al de resistencia (Pj) del tubing J-55 Grado i (TAbLA 1), deberemos utilizar una combinación que aportará más resistencia al esfuerzo. ¿cómo determinamos cuál es la profundidad a la que debemos efectuar el cambio de grados de acero y de recuperación? Se construye un diagrama de coordenadas distribuyendo en abcisas la resistencia Pj del tubing con los datos de la TAbLA 1, y en ordenadas la profundidad de acuerdo al gráfico 1. Se identifican dos puntos (a y b) que se unen en una semirecta que representa las cargas a distintas profundidades. Punto a: (16,2800) en el ancla se necesita contar con 16 Tn en caso de librado de emergencia. Punto b: (52,0) en boca de pozo tenemos que contar con 52 Tn de resistencia. 40 Guías Prácticas Se unen estos dos puntos con una semirecta, y en los cortes correspondientes a las resistencias de cada tubing realizamos los cambios. Resistencia (Pj) (Tn) 10 20 30 40 50 60 70 b (52:00) 1000 2000 a (16:2800) 3000 2.7/8” J55 GIII 2.7/8” J55 GII 2.7/8” N80 GIII Profundidad (metros) 2.7/8” J55 GI 2.7/8” N80 GII 2.7/8” N80 GI Una selección correcta es: De De De De 2.850 1.700 1.200 650 a a a a 1.700 mts. 1.200 mts. 650 mts. boca pozo usar tubing usar tubing usar tubing usar tubing J-55 J-55 J-55 n-80 Grado iii Grado ii Grado i ó n-80 Grado iii Grado ii este tipo de selección está condicionado al análisis resistencias y evaluación económica del momento. Podríamos agregar como condiciones aún más desfavorables de diseño, que el tubing además de estar soportando su propio peso más el del fluido, soporte también una carga extra debida al aprisionamiento de bomba con barras de bombeo o a una simple pesca de barras, por lo que debemos asumir un valor aún mayor de exigencia del tubing. PESOTOTAL=Pesotubing+Pesofluido+libradoemergencia+Pesobarrasbombeo con este valor de peso total diseñaremos el tubing. 41 Exploración y producción de petróleo: bombeo mecánico Marcelo Artigas 1a Edición Cámara Argentina del Libro Sarmiento 528 Buenos Aires ISBN 978-987-98015-7-4 Diseño: CastillaSozzani&Asoc Artigas, Marcelo Exploración y producción : bombeo mecánico : actualización tecnológica aplicada a la Industria . - 1a ed. - CABA Fund. YPF, 2010. v. 2, 44 p. : il. ; 30x21 cm. - (Area de actualización tecnológica aplicada a la industria) ISBN 978-987-98015-7-4 1. Formación Docente. 2. Enseñanza Técnica. I. Título CDD 373.007 Fecha de catalogación: 06/08/2010 Este libro se terminó de imprimir en el mes de agosto de 2010 con una tirada de 1.000 ejemplares en Talleres Gráficos Trama Garro 3160/70. Buenos Aires, República Argentina. Queda hecho el depósito que establece la Ley 11.723. Libro de edición Argentina No se permite la reproducción parcial o total, el almacenamiento, el alquiler, la transmisión o la transformación de este libro, en cualquier forma o por cualquier medio, sea electrónico o mecánico, mediante fotocopias, digitalización u otros métodos, sin el permiso previo y escrito del editor. Su infracción está penada por las leyes 11723 y 25446.-
