INTRODUCCION-BOMBEO HIDRAULICO Para la explotación de un yacimiento existen varios métodos de producción en distintos pozos o en su punto de drenaje. Para obtener la máxima producción y por lo tanto un gran beneficio económico es necesario seleccionar el método de producción óptimo. Este es el que permite mantener los niveles de producción de la manera más rentable posible. La mejor manera técnica y económica de producir un pozo es por flujo natural, por lo general la mayoría de los pozos son capaces de producir de esta manera en la primera etapa de su vida; pero, una vez se finaliza esta es necesario seleccionar un método de levantamiento Artificial que sea eficiente. Para seleccionar el mejor método de levantamiento artificial primero se debe tener en cuenta los siguientes parámetros: Disponibilidad de fuentes de energía en superficie, Característica del petróleo que se va a producir, la profundidad y presión estática del yacimiento, el índice de producción , la tasa máxima permitida para que no se generen problemas de producción, etc. En cuanto a popularidad el bombeo hidráulico es menos común en la industria comparada con el bombeo mecánico y neumático, este tipo de levantamiento artificial fue desarrollado en 1932 y desde ese momento ha tenido la misión de transformar la energía mecánica suministrada por el motor de arrastre en energía oleo hidráulica. En pocas palabras una bomba debe suministrar un caudal de aceite a una determinada presión. Este es uno de los métodos más utilizados para levantar fluidos de un pozo cuando el yacimiento petrolífero no cuenta con energía o presión suficiente para fluir a la superficie. HISTORIA Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes y se conoce como tornillo de Arquímedes, descrito por Arquímedes en el siglo III a. C., aunque este sistema había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII a. C. En el siglo XII, Al-Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo bombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua y bombas de desplazamiento positivo. Evolución del Bombeo Hidráulico 1932 Primera bomba hidráulica de fondo instalada. Establecido como Kobe, Inc. Por C.J. Coberly 1958 Fluid Packed Pumb desarrolla Oilmaster balance de tipo Bomba hidráulica. 1964 Kobe es comprado por Baker Odil tolos. Sigue operando como Kobe, Inc. 1972 Kobe, Inc. Corre la primera Bomba jet para producir pozos petroleros. 1972 Fluid Packed Pump introduce el patentado sistema “Unidraulic”. 1977 Fluid Packed Pump cambia el nombre por National Production Systems. 1984 Kobe, Inc, es comprado por Trico Industries, manofacturera de varillas de Bombeo y varillas de bombas de fondo. 1987 National Production System se asocia con Oilwell Supply Company. 1987 Trico Industries es comprada por PACCAR Inc., manufacturera de camiones. 1994 La línea de productos Oilmaster (línea de productos hidráulicos de National Oilwell) es comprada por Trico Industries. 1997 Trico Industries es comprada por EVI 1998 EVI y Weatherford se fusionan para convertirse en Weatherford Internacional. Wearherford Artificial Lift Systems es una unidad operacional de la compañía. 2001 Wearherford Artificial Lift Systems es comprada por Guiberson hydraulic pump product line de Halliburton. PRINCIPIO Y FUNCIONAMIENTO DEL BOMBEO HIDRAULICO PRINCIPIO El bombeo hidráulico se basa en un principio sencillo: “Ley de Pascal” la cual expone que “La presión ejercida sobre la superficie de un fluido se transmite con igual intensidad en todas las direcciones”. Así se trasmite presión desde un equipo de bombeo centralizado o individual en la superficie a través de una tubería llena de líquido, hasta cualquier número de pozos petroleros. Aplicando este principio es posible inyectar desde la superficie un fluido a alta presión que va a operar el pistón motor de la unidad de subsuelo en el fondo del pozo. Este fluido conocido como fluido de potencia o fluido motor, es utilizado por una bomba de subsuelo que actúa como un transformador para convertir la energía de dicho fluido a energía potencial o de presión en el fluido producido que es enviado hacia la superficie. Los fluidos de potencia más utilizados son agua y crudos livianos que pueden provenir del mismo pozo. El pistón motor esta mecánicamente ligado a otro pistón que se encarga de bombear el aceite producido por la formación. En cuanto a su función, podemos considerar dos posibilidades extremas de bombas: las que dan un gran caudal a pequeña presión y las que dan un pequeño caudal a alta presión. La misión del primer tipo será evidentemente llenar rápidamente las conducciones y cavidades del circuito (como ocurre al hacer salir un cilindro que trabaje en vacío). Las del segundo tipo servirán para hacer subir y mantener la presión en el circuito. Claro que en la mayoría de los casos no se van a usar dos bombas y hay que buscar un compromiso entre estos extremos. Otras consideraciones llevan a la necesidad de construir bombas que tengan características determinadas. Así, para obtener una velocidad constante en un cilindro, nos hará falta una bomba de caudal constante. Si queremos después mantener el cilindro en posición - para lo que nos basta compensar las fugas - no necesitaremos todo el caudal, por lo que nos puede interesar una bomba capaz de trabajar a dos caudales constantes: uno alto y otro bajo. Otro tipo de problemas exigirá bombas de caudal regulable en uno o en dos sentidos, bombas de potencia constante, etc. Las bombas se fabrican en muchos tamaños y formas - mecánicas y manuales – con muchos mecanismos diferentes de bombeo y para aplicaciones muy distintas. Componentes del Equipo Los componentes que conforman el sistema de Levantamiento por Bombeo Hidráulico pueden ser clasificados en dos grandes grupos: Equipo de superficie Equipo de subsuelo BOMBA HIDRAULICA Una bomba hidráulica es un dispositivo tal, que recibiendo energía mecánica de una fuente exterior, la transforma en una energía de presión transmisible de un lugar a otro de un sistema hidráulico a través de un líquido cuyas moléculas estén sometidas precisamente a esa presión. Los sistemas de bombeo hidráulico proporcionan una flexibilidad extraordinaria en la instalación y capacidad de funcionamiento para cumplir una amplia gama de requerimientos de extracción artificial. La instalación de la potencia superficial puede ponerse en un lugar central para servir a pozos múltiples, o como una unidad conveniente montada sobre patín localizada en el lugar del pozo individual. El requerimiento de equipo mínimo en el cabezal del pozo acomoda de cerca el pedestal de perforación espaciado de cerca, o las terminaciones de plataforma, así como los requerimientos superficiales de perfil bajo. Capacidades de Funcionamiento Las capacidades de funcionamiento significativas de este sistema de hidráulico de extracción incluyen: Caudales de producción desde 100 hasta 15.000 BPD - ajustables en la superficie, del 20 a 100% de capacidad • Profundidades de operación mayores de 15.000 pies • Selección de bombas de chorro de pistón de desplazamiento positivo para que funcionen en tubos de 2" a 4 pulgadas • Las bombas de desplazamiento positivo pueden lograr máximo volumen de desagüe remanente • Las bombas de chorro manejan altas relaciones de gas/petróleo, y fluidos del pozo que son arenosos, corrosivos o de alta temperatura • Uso del agua o crudo producido como fluido de potencia • Sistemas de fluido de potencia cerrados para que las instalaciones de la bomba de pistón aíslen el fluido de potencia de la producción • Las bombas de chorro y de pistón pueden encajar intercambiadas en el mismo conjunto del fondo del pozo de "bomba libre Funcionamiento En el sistema de bombeo hidráulico, el crudo (o agua) se toma del tanque de almacenamiento y se alimenta a la bomba Triple/Múltiple. El fluido de potencia, ahora con la presión aumentada por la bomba triple, esta controlada por las válvulas en la estación de control y distribuida en uno o más pozos. El fluido de potencia pasa a través de las válvulas del cabezal del pozo y es dirigido a la bomba hoyo abajo. En una instalación de bomba de pistón, este fluido de potencia acciona el motor que a su vez acciona la bomba. El fluido de potencia regresa a la superficie con el crudo producido y es enviado por tubería a tanque de almacenamiento. Todos los sistemas de bombeo hidráulico incorporan los segmentos funcionales siguientes: • Almacenamiento del fluido de potencia El sistema de tanque depurador, donde el crudo de potencia mezclado y la producción regresan del (los) pozo(s) con el crudo que la bomba triple toma de la parte superior del tanque. • Máquina motriz: Motor eléctrico, de gas o diesel. •Bomba superficial: Bombas triple/múltiple de alta presión están diseñadas especialmente para este fin. • Estación de control: El fluido de potencia se puede dirigir a un múltiple de distribución a cualquier distancia de la planta y de allí se puede controlar la velocidad de la bomba de cada pozo de entre muchos. •Cabezal del pozo: La ausencia del equipe móvil permite muchas disposiciones de cabezales de pozo; arriba o abajo del suelo, arriba o abajo del agua, etc. •Configuraciones subterráneas: Una variedad de sistemas hoyo abajo se pueden utilizar. Dos tipos básicos son el de "tubería de revestimiento libre" y el "libre paralelo". •Bomba hoyo abajo: El principio de operación del diseño de una bomba de pistón hoyo abajo es extremadamente simple. El motor es accionado por el fluido de potencia controlado por la válvula del motor. El pistón del motor lleva una varilla (que acciona hidráulicamente la válvula) que conecta al pistón de la bomba. El diseño Kobe utiliza varillas y pistones que son huecos de modo quela misma presión del fluido de potencia se ejerce en las mismas áreas superior e inferior, de modo que el conjunto está siempre en equilibrio hidráulico total. Las características de diseño resultan en las siguientes ventajas importantes: Bomba apagada o carga errática - La bomba es protegida por la válvula del motor. Además, de invertir el pistón del motor, la válvula también controla su aceleración y en casos de carga parcial de la bomba la válvula "gobierna" para impedir danos de empalamiento . Equilibrio hidráulico - El pistón y el conjunto de varillas esta siempre equilibrado axialmente. Todos los otros elementos hidráulicos en la bomba también están equilibrados radialmente. Producción de arena y agua - El sistema incorporado de lubricación de alta precia protege todos los encajes deslizables con el fluido de potencia de alta presión. Traba por gas - Imposible con las bombas Kobe. La longitud de la carrera positiva permite un mínimo de diseño de volumen de juego. Con la fuga constante de algo del fluido de potencia más allá del pistón, el volumen del juego se vuelve cero y todo el gas se agota. Velocidad de la bomba - Las bombas Kobe están diseñadas a propósito para carreras relativamente cortas y alta eficiencia. En termines de velocidad, las velocidades son similares al bombeo de varillas. Por ejemplo, 80 carreras de 12" por minuto en una bomba Kobe/Oilmaster tienen la misma velocidad que una unidad de varilla que funcione a 15 carreras de 64" por minuto El diseño de carrera corta mantiene ligera la masa reciprocante y las velocidades mas altas son prácticas. Mientras que las velocidades nominales se han puesto come guías de diseño, la velocidad de la bomba está casi enteramente limitada por la habilidad de cambiar la succión de la bomba Los sistemas de bombeo hidráulico se dividen en dos clases de acuerdo al tipo de bomba de subsuelo: bombas hidráulicas de pistón y las bombas hidráulicas tipo jet. Aunque la bomba hidráulica de pistón es un dispositivo de alta eficiencia volumétrica, sus debilidades operacionales en términos de calidad del fluido motriz, no la hace una olución versátil y por el contrario es muy limitada su aplicación. CAPACIDAD DE BOMBEO HIDRÁULICO EN COMPARACIÓN CON OTROS SISTEMAS El bombeo hidráulico provee un alto rango de capacidad de levantamiento. Hay instalaciones exitosas en profundidades de 1000 pies hasta 18000 pies y caudales de producción de 50 bfpd hasta 10000 bfpd aunque hoy el sistema tiene mayor uso en pozos desde 500 pies hasta 10000 pies y producción de 50 bfpd hasta 3000 bfpd. Cuando de introdujo la bomba hidráulica tipo pistón en los años 1930 se comprobaba con el sistemas de bombeo mecánico. Poco después de su introducción se experimento con instalaciones hasta 25000 pies en el estado de Mississippi de los Estados Unidos. Se reconocía que el bombeo mecánico estaba limitado por tener que levantar miles de pies de varillas para transmitir el movimiento oscilante desde la superficie a la bomba de fondo. Adicionalmente no hay varillas de suficiente resistencia para llegar a las profundidades que llega el bombo hidráulico aunque vale anotar que la potencia que se puede transferir con el bombeo hidráulico también puedes ser limitada por el caudal que puede ser inyectado a la bomba de fondo. Hoy existe una bomba tipo pistón con capacidad de 13000 bfpd. En pozos profundos el bombeo hidráulico cuenta con mayor eficiencia porque no tiene que levantar 15 toneladas de acero (varillas) VENTAJAS Y DEL BOMBEO HIDRÁULICO DESVENTAJAS Ventajas 1. La bomba libre se recupera con la circulación en reversa. 2. El Bombeo hidráulico es más flexible para adaptarse a los cambios en los caudales de producción. 3. El bombeo hidráulico puede producir mayores caudales desde mayores profundidades. 4. La bomba funciona más confiable en pozos horizontales, direccionales o desviados. 5. Químicos o agua se puede inyectar con el fluido motriz para condiciones especiales. 6. Provee economía en equipo superficial en aplicaciones de varios pozos con un sistema en la superficie. 7. La bomba de fondo se adapta a complementos de pozo especiales con separaciones de gas. 8. la bomba puede ser construida de material para corrosión 9. La bomba tipo jet puede tolerar sólidos 10. La bomba tipo jet puede tolerar producción de gas 11. La bomba jet no tiene móviles, requiere menos mantenimiento y se puede reparar en el campo. 12. La bomba pistón es efectiva para pozos de baja presión de fondo. Desventajas 1. Hay falta generalizada de conocimientos sobre el sistema. 2. La falta de conocimientos han resultado en varias historias de aplicaciones con diseños no apropiados para las condiciones del pozo. 3. S considera compleja la fabricación y reparación de la bomba pistón. 4. Requiere que el personal de operaciones tenga los conocimientos suficientes. 5. La alta presión en la superficie presenta potencia de riesgo. INFORMACIÓN DEL POZO Profundidad del pozo total y perforaciones Especificaciones de tubería de revestimiento Especificaciones de tubería de producción Diagrama de completamiento Gravedad especifica del petróleo, agua y gas Viscosidad del petróleo Porcentaje de agua producida La relación de gas producido al aceite producido en pies cúbicos por barril de petróleo Presión estática a mediados de perforaciones, psi Presión requerida en cabeza para entra en línea de producción Presión de burbuja del petróleo Presión de vapor del petróleo Temperatura de fondo Temperatura de cabeza de pozo Caudal deseado en bpd Presión dinámica en psi: presión a mitad de perforaciones identificando la producción durante la medición de dicha presión Condiciones especiales: 1. Producción de arena 2. Elementos corrosivos 3. Parafinas o asfáltenos PRODUCTIBILIDAD Un diseño preciso y exitoso para condiciones conocidas depende de la información utilizada. Uno de los datos importantes pero frecuentemente no confirmada en pozos nuevos es la presión dinámica del pozo. Normalmente esta presión identifica la profundidad que se tomo y la producción con esa presión de fondo. Cuando un pozo esta cerrado la presión a mitad de la perforación se denomina presión estática. Cuando se empieza a producir la presión en el mismo punto baja. Esta presión fluyente es el resultado de una producción de prueba. Si se conoce la presión estática con datos de la presión fluyente se puede proyectar comportamiento del pozo para definir condiciones de levantamiento con producción óptima. El índice de productividad es la caída de presión a mitad de perforación por barril producido por día y es importante en la proyección de optimización de producción. El trabajo final es definir la presión de entrada de la bomba a la rata de producción seleccionada la cual debe considerar características del pozo y el yacimiento. Considere la profundidad de la bomba con respecto a la mitad de las perforaciones. La presión fluyente se ajusta por la diferencia en presión debido a la diferencia en profundidad. Si se cuenta con dos puntos de operación como puede ser la presión estática y la presión de prueba mencionada anteriormente, se puede proyectar una línea recta que da indicación de la productividad del pozo pero esta practica no considera características reales del yacimiento. Por ejemplo pozos de yacimientos de gas en solución frecuentemente encontrados en yacimientos de carbonatos normalmente tienen una caída de presión incremental como demuestra la curva de Vogel en la grafica de productividad de un pozo. Adicionalmente hay interpretaciones como el de Standing que considera daños en el pozo. Un trato detallado de este tema esta fuera del alcance, pero demuestra la importancia de conocer las características generales del pozo en el diseño de sistemas de levantamiento artificial. Todo método de levantamiento requiere sumergencia en fluidos de la bomba de fondo. COMPONENTES DE EQUIPO EMPLEADOS EN EL BOMBEO HIDRAULICO EQUIPOS DE SUPERFICIE TANQUES DE ALMACENAMIENTO –TANQUES DE LAVADO – SEPARADORES Y/O TRATADORES Cuando se utiliza petróleo como fluido de potencia en un sistema abierto, dicho fluido se obtiene de tanques de almacenamiento (tanque donde esta contenido el fluido y que se lleva a la bomba Triple/Múltiple.) y oleoductos de donde se suministran al sistema de bombeo o de distribución. Si esta en un sistema cerrado, el fluido de potencia bien sea agua o petróleo es manejado en circuito cerrado el cual debe disponer de su propio tanque de almacenamiento y equipos de limpieza de sólidos separadores y/o tratadores, estos equipos operan independientemente de las operaciones de las estaciones de producción. Así mismo encontramos un tanque separador de Fluidos TANQUE SEPARADOR: es aquel tanque donde el crudo de potencia mezclado y la producción regresan del (los) pozo(s) con el crudo que la bomba toma de la parte superior del tanque. UNIDAD DE POTENCIA El bombeo hidraulico se caracteriza por trasmitir energia en forma de presiòn y caudal de fluido inyectado, (llamado fluido motriz) desde la superficie hasta el fondo del pozo para accionar una bomba en el fondo. Esta funcion de trasmitir energìa se denomina “Ley Pascal”, la cual indica que la presión aplicada a un fluido es trasmitida con la misma intensidad a todas las paredes que contiene eln fluido. De esta forma se trasmite energìa al fondo del pozo con un alto nivel de eficiencia. Bomba de superficie La energia del fluido motriz inyectado acciona la bomba en el fondo del pozo. La bomba que inyecta la energia en superficie es normalmente la bomba reciprocante de desplazamiento positivo. Quizá una de las complicaciones del sistema es que la bomba opera al lado del pozo donde aspira fluidos con gas en solucion y descarga a presiones mayores a 3000 psi. Estas condiciones complican el trabajo de la bomba reciprocante de dezplazamiento positivo. Esquema del sistema de potencia del SBH MOTOR ELECTRICO Los motores eléctricos son maquinas eléctricas que transforman en energía mecánica la energía eléctrica que absorben por sus bornes. Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentación, se clasifican en: Motores de corriente continua De excitación independiente. De excitación serie. De excitación (shunt) o derivación De excitación compuesta (compund). Motores de corriente alterna Motores síncronos Motores asíncronos -Monofásico o o o De bobinado auxiliar De espira en cortocircuito Universal -Trifásicos o De rotor bobinado o De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla). Todos los motores de corriente continua así como los síncronos de corriente alterna incluidos en la clasificación anterior tienen una utilización y unas aplicaciones muy especificas. Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que tienen una aplicación mas generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo coste de fabricación. La velocidad de sincronismo de los motores eléctricos de corriente alterna viene definida por la expresión: n = 60f p Donde: n: Numero de revoluciones por minuto. f: Frecuencia de la red. p: Numero de pares de polos de la maquina. La unidad de potencia Es el sistema que suministra la potencia necesaria para el funcionamiento de la unidad de inyección y de la unidad de cierre. Los principales tipos de sistemas de potencia se pueden clasificar como. 1. 2. 3. Sistema de motor eléctrico con unidad reductora de engranajes Sistema de motor hidráulico con unidad reductora de engranajes Sistema hidráulico directo Sistema de potencia eléctrico: El sistema eléctrico se utiliza generalmente en máquinas relativamente pequeñas. Este sistema se emplea tanto para el giro del tornillo como para la apertura y cierre del molde. La máquina emplea dos sistemas mecánicos de engranajes y palancas acodadas, uno para el cierre del molde y otro para el tornillo. Cada uno accionado por un motor eléctrico independiente. El accionamiento del tornillo cuando realiza la inyección lo ejecuta un cilindro hidráulico. En los sistemas con motor eléctrico, la velocidad puede ajustarse sólo en un determinado número de valores, lo cual puede ocasionar problemas en la reproducción de parámetros de operación y dificultar la obtención de piezas con una calidad constante. Los motores eléctricos generan grandes torques de arranque, por lo que debe tenerse precaución al usar tornillos con diámetros pequeños para evitar que se rompan. Sistema de potencia hidráulico: Los motores hidráulicos son los más comúnmente utilizados, su funcionamiento se basa en la transformación de la potencia hidráulica del fluido en potencia mecánica. A diferencia de los sistemas electromecánicos, donde la potencia es transmitida a través de engranajes y palancas, en un sistema con fluidos estos elementos se sustituyen, parcial o totalmente, por tuberías de conducción que llevan el fluido a presión a los pistones de inyección y de cierre del molde. El fluido que más se utiliza es el aceite debido, principalmente, a sus propiedades lubricantes en aplicaciones que involucran grandes cargas. En los sistemas hidráulicos es común utilizar presiones que varían entre los 70 y 140 kg/cm 2. Las ventajas del motor hidráulico con respecto al eléctrico pueden resumirse principalmente en: Fácil variación de velocidades, regulando el volumen de fluido. La relación entre el torque y la velocidad es aproximadamente lineal. El límite de torque se determina por la presión limitante y el torque de arranque es aproximadamente igual al de funcionamiento. Permite arranques y paradas rápidos debido al pequeño momento de inercia. Permite relaciones bajas de peso potencia, lo que posibilita alcanzar altas velocidades de inyección del material BOMBA DE FLUIDO MOTRIZ: El fluido del recipiente de acondicionamiento se alimenta hasta la bomba de fluido motriz en la superficie (bomba multiplex o triplex) que proporciona el lìquido presurizado para operar la bomba hidráulica en el subsuelo. La bomba de fluido motriz se impulsa con un motor eléctrico, a diesel o a gas. Bomba national de desplazamiento positivo Bomba Kobe triplex para alta presion de bombeo Bomba centrifuga de Multi-tapas Bomba National Q300H con Caterpillar 3406TA Componentes de la bomba: Embolos de acero al carburo y empacaduras de kelvar. Elección de tamaños de embolos y camisas para proporcionar el volumen y presión requeridos para el funcionamiento de las unidades de produccion en el subsuelo. Múltiples opciones ára impulsar la bomba – mediante un reductor de engranajes o impulso por bandas en forma de V. Amortiguador de vibraciones en la descarga. Valvula para alivio de presion y valvula manual de derivación. Interruptores de seguridad – apagado por presión alta y baja, más interruptores por nivel bajo de aceite en la caja de engranajes de la bomba y en el reductor de engranajes. Protecciones para el volante, el acuple y las bandas. Enfriamiento con agua de los escapes o arrestador de chispa en los motores, cuando sea aplicable, para seguridad en cuanto incendios. Velocidad de la bomba: Las bombas Kobe están diseñadas a propósito para carreras relativamente cortas y alta eficiencia. En termines de velocidad, las velocidades son similares al bombeo de varillas. Por ejemplo, 80 carreras de 12" por minuto en una bomba Kobe/Oilmaster tienen la misma velocidad que una unidad de varilla que funcione a 15 carreras de 64" por minuto. El diseño de carrera corta mantiene ligera la masa reciprocante y las velocidades las altas son practicas. Mientras que las velocidades nominales se han puesto come guías de diseño, la velocidad de la bomba está casi enteramente limitada por la habilidad de cambiar la succión de la bomba. BOMBAS DE SUPERFICIE Las bombas en este tipo de levantamiento para bombear fluido al motor pueden ser triples o múltiples. BOMBAS TRIPLEX: son bombas que utilizan embolo, camisa de metal a metal y una válvula tipo bola. BOMBAS MULTIPLEX O BOMBAS DE FLUIDO MOTRIS: Bomba que se impulsa con un motor eléctrico a diesel o a gas tiene una terminal de potencia y una de fluido el terminal de potencia. SALIDA DE FLUIDO DE LA BOMBA NATIONAL: La dinámica de la bomba reciprocante de desplazamiento positivo produce pulsaciones normales cuando esta diseñada bien y cuenta con mortiguador de pulsaciones pero estas pueden incrementar en mas de 1000 psi cuando hay cavitación. AMORTIGUADOR DE PULSACIONES Un amortiguador de pulsaciones esta instalado cerca de la descarga de la (<10”) bomba multiplex con el fin de disipar el choque de “ariete hidráulica” en el sistema, problema que puede presentarse por las pulsaciones en la salida de la bomba multiplex. De no amortiguanse las fluctuaciones de presión de la bomba multiplex, este golpe de ariete podria volverse tan severo que quiebra las conexiones de cabezal. A medida de que las olas de choque creadas por las pulsaciones avancen más lejos desde la bomba, se amplifica la ola de choque que viene como reflejo. De permitirse que continuen sin amortiguarlas, estas pulsaciones amplificadas tambien se reflejarán de regreso hacia la bomba de fluido motriz, destruyendo la bomba. Por esta razón, el amortiguador de pulsaciones debe ubicarse lo más cerca posible a la descarga de la bomba multiplex (<10” de la brinda en la descarga de la bomba). Amortiguador de pulsaciones de Descarga de Bomba Las presiones de operación del bombeo hidraulico estan entre 1500 y 5000 psi. La bomba de superficie se puede accionar con motor electrico, de CPM o motor a gas natural. Actualmente existen varias instalaciones utilizando bombas centrifugas de multi-tapas que minimizan el mantenimiento usual de empaques y valvulas en las bombas reciprocantes. FLUIDO MOTOR O DE POTENCIA. Los fluidos empleados con más frecuencia son agua o crudos livianos provenientes del pozo, pero todo depende de las condiciones del mismo. Por condiciones ambientales y de seguridad es preferible utilizar agua. Sin embargo, cuando se usan crudos livianos, es posible diluir los crudos pesados y extrapesados del fondo del pozo, disminuyendo su viscosidad. Cuando existe el riesgo de producirse problemas de corrosión, deposición de asfaltenos, parafinas y la formación de emulsiones, es posible añadir químicos para prevenir este tipo de problemas si el fluido de potencia es crudo. La inyección del fluido de potencia requiere de un sistema hidráulico instalado en superficie, que posee un equipo de tratamiento para eliminar el gas y los sólidos indeseados que se encuentren en el fluido a ser inyectado Es recomendable tratar fluidos que se utilizan como fluido motriz, el objetivo de tratar el fluido es mejorar la vida util de equiposde fondo y superficie. Adicionalmente se intenta hacer una separacion de aceite y agua para seleccionar el fluido motriz mas adecuado para las condiciones especificas. El fluido motriz tratado se almacena para alimentar la bomba de superficie considerando requerimientos de presión de alimenyación (NPSH: cabeza positiva de succión) necesaria para evitar cavitación o vibracion excesiva. SISTEMAS DE CONTROL MÚLTIPLES DE CONTROL Cuando se opera una cantidad apreciable de pozos desde una batería central, frecuentemente se usa un múltiple de control. (Para dirigir los flujos directamente a cada uno de los pozos Medidores de flujo global o individual) Para cada pozo se pueden instalar en el múltiple de control de fluido de potencia. Para regular y/o distribuir el suministro de flu ido de potencia a uno o más pozos, se usan varios tipos de válvulas de control. La válvula común a todos los sistemas de bombeo libre es la de cuatro vías o válvula control del cabezal del pozo. LOS MULTIPLES DE CONTROL DEBEN PROPORCIONAR: Presión nominal debajo de trabajo de 5000 psi Conexiones bridadas con sellos para evitar y fugas por fatiga de materiales Derivación automática, activada por la presión, para garantizar la seguridad en la operación y una presión uniforme de operación y una presión uniforme de operación Posibilidad de agregar inyectores de tapones solubles, de ser requeridos Perfil bajo para ayudar a eliminar los problemas de vibración y sostenimiento Un diseño que permita que una o mas unidades de potencia se conecten Facilidad de conectarse con estaciones de pozos adicionales Tubería del múltiple con capacidad adecuada para resistir la presión prevista de operación Tubería del múltiple que logre características de fluji ininterrumpido y minimice las pérdidas de presión Calibrar los instrumentos que miden el fluido motriz y los manómetros de presión en forma periódica para aumentar su exactitud de funcionamiento TABLERO DE CONTROL Es muy común en las aplicaciones petroleras generalmente para este caso un panel Murphy con indicadores y controles de límite para garantizar la seguridad en el arranque, operación y apagado, el tablero normalmente esta en carcarza NEMA 3R este se monta en la parte de la plataforma con patines de la unidad PFTU para evitar que las vibraciones causen fallas en su funcionamiento, los controles siempre deben mantenerse calibrados con el fin de lograr una protección adecuada para el personal equipos y bienes. Los dispositivos estándar generalmente proveen el monitoreo de: 1. Bajo nivel de lubricante de la bomba 2. Bajo nivel de lubricante de empaques 3. Alta presión en la descarga 4. Baja presión en la descarga 5. Alta presión en la succión 6. Baja presión en la succión 7. Vibración de bomba y motor 8. Alta temperatura de motor 9. Presión de aceite de motor VALVULAS DE CONTROL DE PRESION Y BYPASS (Derivación) La válvula manual de control de presión es aquella que permite desviar el fluido a alta presión para devolverlo al sistema de presión baja. Esta válvula controla el volumen del fluido de la bomba multiplex hasta la bomba hidráulica en el subsuelo. Esta cuenta con orificios internos que no fueron diseñados para realizar un sello completo. Para el mejor funcionamiento de la válvula debe contar con un flujo mínimo desviado (by-pass) entre 50 y 70 bpd. El diseño es así para evitar que el asiento de la válvula sentara resultados en picos de presión destructivos a bombas de pistón. Los orificios son ranuras formadas en una camisa de acero al carburo- tungsteno con aperturas controladas mediante el movimiento de un tapón integral de acero al carburo dentro del a camisa hasta la posición deseada. El tapón integral cubre o descubre las ranuras u orificios permitiendo que un volumen mayor o menor de fluido salga por la válvula de derivación e ingrese por a la línea de desvío. A medida que se desvié mas fluido motriz menos fluido se inyecta al pozo lo que desacelera los golpes de la bomba cuando es del tipo pistón y reduce la presión de operación en un sistema tipo jet. La válvula para el control de flujo es un dispositivo sencillo que produce pocos problemas en su funcionamiento. El volumen de fluido desviado permanecerá muy estable, siempre que no haya grandes fluctuaciones de presión en el sistema. Adicionalmente se debe reconocer que el desvío de mucho fluido baja la eficiencia del sistema ya que está desviando fluido motriz que no se usa para levantar la producción. La válvula de control de presión y by-pass debe operarse con menos de 100 bpd de fluido desviado de by-pass ya que el desgaste de las partes internas sube con mayor flujo y con sólidos en el fluido motriz. LUBRICADOR Es una pieza de tubería extendida con una línea lateral para desviar el flujo de fluido cuando se baja o se extrae la bomba del pozo. También se utiliza para controlar la presencia de gases corrosivos que pueden obstaculizar la bajada de la bomba o su remoción del pozo. ELEMENTOS DE FONDO Tubería de producción (Tubing) Es la sarta de tubos que se encuentran instalados desde superficie hasta fondo del pozo. Tubería de Revestimiento (Casing) Esta tubería va cementada a las paredes del pozo, se tienen diámetros de 5½” ,7”, 9 5/8”,10 3/8”y13 3/8”. Cavidad: Es un conjunto de extensiones, camisas y acoples con agujeros dispuestos de manera especial para determinado tipo de bomba (pistón o jet). En el interior de la cavidad se aloja la bomba. Aisladores de Zonas (Packer) Son elementos cuyo mecanismo mecánico o hidráulico hacen que sellen las paredes del Casing y el Tubing. Camisas Van colocadas directamente en el intervalo de la arena productora, así permiten que solo el fluido de la arena en que dicho elemento se encuentra ingrese. Válvula de pie (Standing Valve) Son necesarios en sistemas abiertos para crear el efecto “U” y prevenir que el líquido que está circulando regrese de nuevo al reservorio. SISTEMA DE FLUIDO MOTRIZ En los sistemas de bombeo hidráulico, el fluido motor transmite la potencia a la bomba de subsuelo y, a la vez, lubrica todas las partes móviles de la misma. El transporte del fluido motor y del fluido producido se realiza a través de un sistema de tuberías que depende del tipo de sistemas de fluido o de potencia: bien sea de fluido cerrado o de fluido abierto. SISTEMA DE FLUIDO ABIERTO (OPF) En el sistema OPF, la bomba superficial obtiene crudo limpio ( o agua) de un tanque do asentamiento o de un recipiente separado/reservorio. Esto hace necesario el uso de dos tuberías en el fondo: una para inyectar el fluido de potencia y otra para el retorno de la mezcla. Este sistema tiene la característica general que todos los fluidos provenientes del pozo (producción y fluido motriz o de potencia) deben pasar a través de las facilidades de producción para tratamiento en superficie. Exige especial control en cuanto a calidad y pureza para sus condiciones optimas de anticorrosividad y contaminación, puesto que el fluido es renovado constantemente. El petróleo crudo fue utilizado como fluido motriz con mayor frecuencia en el sistema abierto, por sus propiedades de lubricación y disponibilidad en las cantidades requeridas. Es prudente utilizar crudos entre los 20 y 50 ºAPI y aproximadamente 10 Cstk de viscosidad para obtener resultados razonablemente óptimos. . Si hay varios pozos y se requieren varias bombas de superficie, se puede utilizar un solo tanque de fluido motriz como cabeza para la succión de las bombas. Para este sistema es necesario tener los siguientes equipos: 1. Separadores 2. Tratadores 3. Botas de gas 4. Tanque para fluido de potencia 5. Tanque de almacenamiento de crudo 6. Bombas de superficies 7. Manifold 8. Cabeza de pozo Hay cuatro disposiciones básicas hoyo abajo en el sistema OPF, que son: Inserción fija - En este sistema, la bomba hoyo abajo se inserta en una sarta pequeña de tubo adentro de la tubería de producción. El fluido de potencia de entrada va hacia abajo, en la pequeña sarta interior, y la producción más el f luido de potencia agotado regresan arriba en el espacio anular dentro de las dos sartas. Gas libre se produce a través del espacio anular del tubo de producción y la tubería de revestimiento. Tubería de revestimiento fija - En este sistema, la bomba hoyo abajo se inserta en cualquier tamaño de tubo y se apoya en un obturador de la tubería de revestimiento. El fluido de potencia de entrada va hacia abajo en esta sarta de tubo y la producción más el fluido de potencia agotado regresan hacia arriba en el espacio anular. Todo el gas libre se debe producir a través de la bomba. Paralela "libre" - En este sistema, dos sartas de tubo, conectadas en el fondo con un bloque de cruceta, se insertan independiente y simultáneamente, y se inserta una válvula fija recuperable. La "bomba libre" es circulada a bajo en la mayor de las dos sartas por el fluido de potencia, y al sentar hace un sello de asiente en la válvula fija y un sello superior en un collar especial. Comienza la circulación continuada del fluido de potencia y funciona el motor de la bomba. La producción más el fluido de potencia van a trabes del bloque de cucota del fluido y regresa arriba en la sarta del tubo más pequeño. El gas libre es producido a graves del espacio anular de la tubería de revestimiento - producción. Tubería de revestimiento "libre" - En este sistema, una sarta de tubo se inserta y apoya en un obturador de la tubería de revestimiento. La "bomba libre" es circulada hacia abajo de esta sarta y en funcionamiento el fluido de potencia agotado más la producción se producen hacia arriba en el espacio anular de la tubería de revestimiento. Todo el gas libre se debe producir a través de la bomba. SISTEMA DE FLUIDO CERRADO (CPF) En este caso, el fluido motor no se mezcla con el pozo, lo cual hace necesario el uso de tres tuberías en el fondo del pozo: una para inyectar el fluido de potencia, una de retorno del mismo y otra del fluido de producción; Por tanto el fluido de potencia no requiere ir a las facilidades de tratamiento o de producción. Este sistema es exclusivo para bombeo hidráulico tipo pistón y no se puede usar para tipo jet, ya que se necesita la mezcla de los fluidos de potencia y producción. En efecto, el fluido de potencia hidráulica está en un "circuito cerrado". El mismo fluido se usa una y otra vez sólo con la adición de una cantidad pequeña para reponer el fluido. El fluido de reposición reemplaza al fluido usado para lubricar el extremo de la bomba de pistón hoyo abajo. El fluido de potencia usado se puede seleccionar de una variedad amplia de fluidos disponibles pero el más común es el crudo limpio o agua producidos. Por cuanto el fluido de potencia en el sistema cerrado no se mezcla con la producción, la fuente principal de contaminación del fluido se elimina. Así, el sistema CPF asegura una larga vida útil de la bomba proporcionando mejor calidad del fluido de potencia. Además, el sistema simplifica la prueba del pozo porque el fluido de potencia circulado no se necesita restar del fluido que regresa para obtener el crudo neto producido. SISTEMAS DE FLUIDO DE POTENCIA DE FLUJO INVERSO (RFPF) Los sistemas de fluido de potencia de flujo inverso (RFPF) mantienen los fluidos producidos fuera de la tubería de revestimiento. Los sistemas RFPF son aplicados típicamente en las instalaciones de bomba de chorro, como un sistema OPF. Hay tres configuraciones de sistemas RFPF que son: (1) tubería de revestimiento (circulación inversa); (2) manguito desplazable; y (3) paralela. Los sistemas de tubería de revestimiento y de manguito desplazable usan el espacio anular de la tubería de revestimiento/producción para el suministre del fluido de potencia mientras la sarta de producción que contiene la bomba – regresa la producción y el fluido de potencia gastado. Los sistemas de tubería de revestimiento y de manguito desplazable permiten la protección de corrosión de la tubería de revestimiento con el fluido de potencia tratado. La presión de estallido de la tubería de revestimiento limita la presión de suministro del fluido de potencia que se puede aplicar en la tubería y en las instalaciones de manguito desplazable. El sistema paralelo típicamente usa una sarta de tubo de tamaño más pequeño para el suministro del fluido do potencia y una sarta principal más grande que contiene la bomba y regresa la producción y el fluido de potencia gastado. TIPOS BASICOS DE COMPLETAMIENTO PARA LAS INSTALACIONES DE FONDO BOMBAS HIDRÁULICAS BOMBAS LIBRES: Son bombas que no requieren equipos o técnicas especiales para su instalación, normalmente la unidad de instalación es el único accesorio utilizado para su instalación, la instalación de este tipo de bombas se logra utilizando las válvulas en el cabezal de pozo para controlar la circulación de fluido Generalmente son arreglos que permiten la circulación de la bomba dentro y fuera del pozo en el interior de la tubería de producción. La instalación de la bomba se logra utilizando una valvula de cuatro vías (para que haya control en el cabezal) cuando la bomba entra en la cavidad y se sella la presión sube hasta el nivel requerido y la bomba comienza a accionarse , la velocidad o presión de la bomba se regula inyectando más o menos fluido motriz según se requiera. Para recuperar la bomba se debe aliviar la presión en la tubería y mover las palancas en la válvula de cuatro vías a su posición para sacar la bomba esto revierte el flujo de fluido motriz para que se le bombee por el espacio anular del casin y retorne por la sarta de la tubería. Clases: OPF Bomba de Casing Libre. OPF Bomba Libre en Paralelo. OPF Bomba de Circulación Reversa. BOMBAS FIJAS O INCERTADAS: Son bombas en las cuales la tubería debe sacarse con el fin de recuperar la bomba, para utilizar este tipo es importante el uso de filtros o válvulas en su instalación, generalmente te usa para el bombeo de condensados y agua en pozos de gas, así como para limpiar pozos arenados. Existen dos clases: Insertadas en la tubería. Insertadas en el Casing. BOMBAS INCERTADAS EN LA TUBERIA: se instalan en el extremo inferior de una sarta de tubería flexible que se coloca concéntricamente dentro de una sarta de tubería de mayor diámetro BOMBAS INCERTADAS EN EL CASING: se introducen en el pozo en el extremo inferior de la tubería y se colocan en un Packer. COMPLETAMIENTO El bombeo hidraulico ofrece muchos diseños para completar un pozo pero la gran mayoria de los sistemas instalados y nuevos se hacen con completamiento casing libre. La bomba es libre para recuperacion con circulación de fluido y el casing o anular del revestimiento se utiliza para retornar fluidos a la superficie. Si se inyecta por la tuberia se domina inyección directa. Instalaciones de fondo básicas En este diseño el fluido motriz se inyecta por la tubería mezclándose con fluidos del pozo que entran debajo del empaque. La descarga de la bomba sube a la superficie por el anular. Se incluye una válvula fija que mantien la columna llena de fluido cuando se retira la bomba y permite la circulación de la bomba jet con flujo en reversa sin pérdida de fluidos al yacimiento. Casing libre- flujo directo: La instalación de cavidades según la configuración casing-libre requiere el uso de un packer fijado permanentemente, o un packer fijado por tensión. Completamiento de Pozo Tipo Casing Free con flujo directo Este tipo de completamiento requiere que la bomba se posicione encima de perforaciones y que todo el gas producido pase por la bomba. Ya mayoría de las fallas del sistema de bombeo hidráulico se debe a la aplicación de este completamiento en pozos con alto gas o baja presión de entrada a la bomba. Casing-Libre-flujo en reversa: El mismo completamiento pero con equipos especializados se puede instalar un sistema con flujo en reversa donde el fluido es inyectado por el anular y la producción del pozo combinado con fluido motriz sube por la tubería. Este completamiento es usado en casos de fluidos corrosivos y en mar afuera para minimizar el riesgo de continuación. Completamiento de pozo en camisa de circulación con flujo en reversa Empaques de pozo (Packers): El sistema casing libre requiere de instalaciones de empaques (packers). Los packers de producción permanentes ofrecen la ventaja de que permanecen en su sitio sin depender del peso de la tubería. Packers fijados por la compresión: los Packers fijados por compresión pueden utilizarse, siempre que el peso de su fijación sea controlado para evitar cualquier deformación de la cavidad, como ya se explico. Packers fijados por la tensión: Los packers fijados por la tensión son aplicables también, pero al establecer la tensión de fijación hay que tomar en cuenta el efecto del estiramiento por la presión de operación en la tubería de fluido motriz. Paralelo libre: la alternativa frecuentada para pozos de alta producción de gas es el completamiento de tuberías pararlas que usa una sarta para inyectar fluido motriz y el otro para el retorno dejando el anular para la producción de gas. El sistema es el mas aceptado en yacimientos de baja energía porque permite la instalación de la bomba bajo perforaciones lo cual optimiza la separación de gas en el fondo. Adicionalmente mejora la presión de entrada de la bomba. La contrapresión del anular también ayuda a mejorar la presión de entrada a la bomba. Desafortunadamente se limita por menor área de flujo que provee el tubo de retorno. El completamiento paralelo libre no requiere empaque. En vez de de anclajes de la tubería, nuevamente colocados por compresión y tensión. packers, se trata Anclajes de compresión: Los anclajes de compresión, requieren la aplicación del peso justo para asegurar que se coloquen bien, ya que habrá el peso de una segunda sarta de tunería aplicada a la sarta principal de tubería. Anclajes de tensión: Los anclajes de tensión deben tratarse de modo similar a los packers colocados por tensión, exceptuándose que se toma en cuenta el peso adicional de una segunda sarta de tubería. Sarta de tubería: La sarta paralela de tubería se coloca en forma independiente a la sarta principal. Se asienta utilizando una cabeza de asentamiento tipo cóncavo, que es parte del conjunto de fondo de pozo. La cabeza de asentamiento se construye de tal manera que, cuando la nariz del arpón de asentamiento la impacte en cualquier parte, se lo dirige al agujero para su sellamiento. Las cabezas de asentamiento son principalmente de dos dimensiones exteriores: una, para instalación en casing de 5.5 pulgadas de diámetro exterior, y una para utilizarse en el casing de 7 pulgadas de diámetro exterior o mas. Los arpones de asentamiento están equipados con una nariz redondeada, para que pueda deslizarse libremente en la superficie superior de la cabeza de asentamiento. Un conjunto de 12 sellos tipo “chevron” hacen contacto con la superficie interior de la cabeza, con seis sellos a cada lado de un hueco de descarga, para sellarlo. Así, el arpón, se equilibra por las presiones para evitar cualquier peligro de que se desasiente la sarta de tubería. Con esta configuración, mientras más presión se aplique a la sarta paralela, mas se aprieta el sello. El peso aplicado a las sartas paralelas debe mantenerse muy bajo. Un peso excesivo tendera a torcer la cavidad, dificultando el ingreso de la bomba de la cavidad. Semejante condición producirá un desgaste prematuro de la bomba y presiones extremadas de operación por la deformación de las bombas. BOMBEO HIDRAULICO TIPO PISTON 1. LA UNIDAD DE PRODUCCIÓN El conjunto motor-bomba en el subsuelo, maquina reciprocante que actúa por presión de fluido unida mediante una varilla concéntrica en un solo paquete a una bomba de doble desplazamiento, reguladas sus entradas y salidas por un sistema de válvulas que impiden el regreso del fluido y garantizan la acción de la bomba. El movimiento reciprocante causado por la presión del fluido motriz, se lleva a cabo mediante la intervención de una válvula motor o válvula inversora, incluida en la bomba que reversa el fluido motriz hacia los extremos del cilindro motor cada vez que su pistón se aproxima al final de la carrera. El trabajar con alta frecuencia, aunque con carrera corta, iguala o supera en desplazamientos las bombas de varillas (Bombeo Mecánico). Así, una bomba de varillas de 64’’ de longitud de carrera, actuando a 15 carreras por minuto, desplaza en volumen una cantidad menor de líquido que la desplazada por una bomba hidráulica de igual tamaño nominal, trabando a 80 carreras por minuto y con un desplazamiento de sólo 12” por carrera. UNIDAD DE BOMBA HIDRÁULICA TIPO PISTÓN. NIVEL DE MOTO BOMB El fluido motriz cumple un circuito que se origina por la succión de las bombas de potencia a través de tubería de gran capacidad para entregarlo con presión requerida por el sistema múltiple de distribución que lo hace llegar individualmente a al cabeza de cada pozo en particular. Una bomba hidráulica de producción consta de un acople entre el motor y la bomba. La unidad es instalada debajo del nivel de fluido a extraer como se muestra en la figura 5, Un fluido motriz a alta presión es dirigido al motor a través de un conducto y luego cuando este ha gastado su energía es dirigido junto con la producción del pozo hacia la superficie a través de otro conducto. Los motores de fluido motriz a alta presión causan un mejor comportamiento que los motores de vapor excepto cuando el fluido motriz es aceite o agua en vez de vapor. La bomba, dirigida por el motor, bombea el fluido desde la boca del pozo. Originalmente el motor y la bomba fueron designadas como “unidad de producción”, pero en la practica siempre fueron llamados “bomba”. CICLO DE LA BOMBA En general la bomba de bombeo hidráulico tipo pistón funciona de la siguiente forma: el motor de esta bomba es mostrado en la figura 6, en donde el fluido motriz a alta presión es mostrado dirigiéndose directamente a la parte superior del pistón de la bomba mientras que el fluido de baja presión del motor es dirigido de la zona más baja del pistón hacia la zona de descarga. Válvula del motor Válvula de la varilla Pistón del motor Varilla central Conecta al pistón de la bomba MOTOR DE LA BOMBA, CARRERA DESCENDENTE. Cuando el pistón alcanza el fin de la carrera, el diámetro reducido en la parte superior de la varilla del pistón permite que el fluido de alta presión entre hacia la parte baja del motor como se muestra en la figura 7 debido a que en ese momento la válvula tiene una mayor área en el fondo que en el tope, se moverá hacia arriba. FIN DE LA CARRERA DESCENDENTE. Con la válvula del motor en posición para subir, como se muestra en la figura 8 la dirección de flujo cambia, entonces la bomba comienza a hacer la carrera ascendente. INICIO DE LA CARRERA ASCENDENTE. Cuando el pistón encuentra el fin de la carrera ascend ente, como se muestra en la figura 9, el diámetro reducido cerca del extremo más b ajo de la varilla de la válvula conecta el área bajo la válvula a la descarga, o lado de baja presión de la bomba. Con la presión alta en la parte baja de la bo mba y la desca rga en la parte alta, el motor comenzara su carrera descendente y el proceso se repetirá . FIN DE LA CARRERA ASCENDENTE La bomba que se muestra en la figura 10, esta haciend o una carrera descendente. Esta bomba es de doble acción, esto quiere decir que bombea cuando sube y cuando baja. Las flechas muestran que el liquido de producción está entrando por la izquierda en la parte alta y siendo descargado por la derecha en la parte baja. Las válvulas de bola controlan que el fluido de producción fluya correctamente. Válvulas de Válvulas de BOMBA HIDRÁULICA CARRERA DESCENDENTE. La bomba completa es mostrada en la figura 11, en la carrera ascendente los fluidos del pozo entran por la parte baja mientras que son descargados por la parte alta. El propósito del hueco en la parte baja de la varilla del pistón es balancear las áreas y las fuerzas durante las carreras ascendente y descendente. BOMBA HIDRÁULICA COMPLETA Gran numero de bombas hidráulicas son instaladas como bombas libres, de esta manera éstas pueden ser circuladas dentro y afuera del pozo en la secuencia que se muestra en la figura 12. Pozo Lleno Bomba Operando Bomba Entrando Válvula Cerrada INSTALACIÓN DE BOMBA LIBRE. Saliendo Válvula Cerrada Válvula Abierta Válvula Cerrada CLASES DE BOMBAS •Bombas tipo A: Tienen los pasajes de fluido motriz internos a la bomba, esto hace que sean aplicables a cualquier instalación pero tienen limitación en su capacidad de desplazamiento. •Bombas tipo B: Son diseñadas para instalaciones de “bomba libre” con ensamblajes de fondo especiales en los cuales los pasajes de fluido son externos a la bomba. •Bombas tipo D: Son una variación de las bombas tipo b con la adición de un segundo pistón motriz, para incrementar el desplazamiento del motor y capacidad de levantamiento. •Bombas tipo E: Son bombas de alta capacidad de desplazamiento porque disponen de dos pistones que son a su vez de bombeo y motrices. Diferentes Tipos de Bomba TIPOS DE ARREGLOS DE POZO Básicamente son dos los sistemas utilizados por los equipos de subsuelos limitado solo por las características de espacio en el hueco en cada caso: 1. Sistema fijo o insertado: La unidad de producción o bomba de subsuelo se baja desde superficie fija a la tubería que conduce el fluido motriz. 2. Sistema de bomba libre: como su nombre lo indica, la unidad de producción se baja libremente y es empujada por el mismo fluido dentro de la tubería de conducción. Por un simple cambio en la dirección de flujo en la tubería de conducción la bomba puede bajarse o sacarse con fluido motriz. TIPOS DE ARREGLOS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Fijo Insertado. Fijo al Revestimiento. Fijo al Revestimiento con Venteo. Libre al Revestimiento. Libre al Revestimiento con Venteo. Libre Paralelo Abierto. Libre Paralelo Cerrado Tipo A. Libre Paralelo Cerrado Tipo B. Cuando la bomba se atornilla en la tubería de fluido motriz y es bajada en el pozo mediante la misma, se llama a esta una bomba tipo fija. Cuando la bomba esta fija a la tubería del fluido motriz y éste esta libre para ser circulado desde el fondo hacia afuera nuevamente, se denomina un arreglo tipo libre. Ambos arreglos pueden utilizarse para sistema abierto o cerrado. Dos bombas conectadas juntas (hidráulicamente paralelas) pueden ser instaladas en un sistema de bomba libre para una doble capacidad. Las bombas hidráulicas son particularmente apropiadas para pozos profundos, pozos desviados, pozos multi–completados y plataformas costa fuera. Fijo Insertado Este nombre se aplica a los arreglos de tubería que se muestra en la figura 14A, En estos arreglos el gas es venteado a través del revestimiento. Gas Venteado Fluido Motriz Producción + Fluido Motriz Fluido Motriz Gas venteado ducción + fluido motriz fluido motriz OPF Producción + Fluido Motriz OPF OPF FIJO AL REVESTIMIENTO Este es el nombre aplicado para el arreglo mostrado en la figura 14B, donde el revestimiento es usado para transporte de fluido. En este arreglo, el gas es llevado por la bomba. Instalaciones de este tipo generalmente usan grandes bombas (3-13/16” OD). Algunas veces un conducto separado es usado para ventear el gas desde el empaque como se muestra en la figura 14C. El venteo es necesario para pozos que produciendo por debajo del punto de burbuja con una alta relación gas–liquido. LIBRE PARALELO Instalaciones de este tipo son mostradas en la figura 15. Las bombas en las figuras 15A y 15B son las de tipo convencional que se desasientan con el fluido de producción. El gas es venteado a través del anular en estos arreglos. Fluido Motriz Producción Gas Gas Venteado Producción + Fluido Motriz Fluido Motriz OPF Fluido Motriz OPF A B SISTEMA DE RECOBRO DE FLUIDOS De acuerdo con el sistema de fluido motriz utilizado existen dos formas de recobro de fluidos: 1. Recuperación por una sola corriente 2. Recuperación por corrientes individuales RECUPERACION POR UNA SOLA CORRIENTE Coincide en su definición con lo aplicado en un sistema de fluido motriz abierto, se refiere por lo tanto a la forma como se recobra el aceite motriz gastado que en este caso se hace mezclado con los fluidos de producción agua, aceite y gas. Existen diferentes tipos de diseños en la recuperación de fluidos por una sola corriente: DE BOMBA INSERTADA En este sistema la bomba o unidad de producción se baja directamente con la tubería que conduce el fluido motriz: Bomba tipo revestimiento: Esta bomba se utiliza para manejar volúmenes abundantes de producción y se baja directamente dentro de la tubería de revestimiento. Bomba tipo “Tubing”: En este caso la bomba es de poca capacidad de producción, se baja con la tubería de fluido motriz. La corriente de retorno se maneja por el anular entre las dos tuberías (tubería de producción y tubería de aceite motriz; Este arreglo permite conducir los fluidos gaseosos por el espacio anular entre la tubería de producción y el revestidor del pozo. DE BOMBA LIBRE La bomba o unidad de producción se transporta a través de la tubería motriz hidráulicamente empujada por fluido hacia el pozo o hacia fuera del pozo. Requiere por lo tanto una cavidad receptora en el fondo al final de la tubería motriz que actúe como asiento y permita que el sistema trabaje. Bomba libre tipo revestimiento: La bomba se baja dentro la tubería motriz y los fluidos producidos una vez mezclados con el fluido motriz gastado se recobran a través del espacio anular entre el revestidor y la tubería de la bomba, por lo consiguiente debe manejarse el gas como el fluido en la mezcla. Bomba libre entubación en paralelo: Cuando el manejo y producción del gas es problema, este debe producirse por separado de los fluidos líquidos, es así que existe este tipo de arreglo que requiere bajar dos tuberías en paralelo de igual o diferente diámetro dentro del revestidor del pozo que se unen en forma de U a profundidad de la bomba; usualmente la tubería de mayor diámetro se utiliza para transportar el fluido motriz y por supuesto la bomba; Este fluido motriz una vez realiza su trabajo, se mezcla con los fluidos del pozo y retorna por la tubería paralela de menor diámetro, facilitando la producción del gas problema por el espacio anular. RECUPERACION POR CORRIENTES INDIVIDUALES: Compatible la descripción con el sistema cerrado de fluido motriz, en este sistema los fluidos deben ser recuperados por conductos separados; el fluido motriz así como los fluidos a producir salen a superficie por conductos diferentes; Varios son los arreglos que existen de acuerdo con las capacidades y problemas en el manejo de los fluidos. BOMBA FIJA O INSERTADA Al igual que en el sistema anterior descrito se baja la bomba con la tubería del fluido motriz pero debe adicionalmente bajarse otra tubería paralela que se encargará de transportar de vuelta el fluido motriz; Todos los diseños son por lo tanto semejantes a los anteriores descritos; sistema abierto. BOMBA LIBRE En este caso y por analogía con los sistemas de bomba libre tipo entubación en paralelo, se obtendrá un diseño que incluye tres tuberías paralelas dentro del pozo; una que transporta hacia la bomba el fluido motriz, la segunda que retorna a superficie el fluido gastado, la tercera por donde salen a superficie los fluidos de producción. DISEÑO DEL SISTEMA HIDRÁULICO PARA BOMBAS TIPO PISTON Una bomba hidráulica de subsuelo es un pistón motor y un pistón bomba solidamente unidos. figura 18. El fluido motriz a alta presión es dirigido al pistón motor a través de un conducto transmitiéndole movimiento y tanto el fluido usado como el producido son dirigidos a superficie a través de otro conducto. En la práctica al conjunto motor y bomba se le denomina “bomba”, pero en el trato corriente el motor se refiere al extremo motor de la bomba y la bomba al extremo de bombeo. Hay catorce modelos de bomba, donde cada uno es único en su diseño de extremo motor y/o extremo de bombeo. El extremo motor de una bomba se muestra en la figura 5: Bomba Kobe tipo A ( pistón motor simple y pistón bomba doble) Bomba Kobe tipo A (pistón motor y pistón bomba simple) Bomba Kobe tipo B (pistón motor simple y pistón bomba doble) Bomba Kobe tipo B (pistón motor y pistón bomba simple) Bomba Kobe tipo D ( pistón motor doble y pistón bomba simple) Bomba Kobe tipo E. Bomba Sargent (pistón motor simple y pistón bomba simple) Bomba Johnson – Fagg (pistón motor simple y pistón bomba simple) Bomba fluid packed VFR (pistón motor simple y pistón bomba simple) Bomba fluid packed F, FE y FEB. Bomba Kobe tipo D (pistón motor doble y pistón bomba doble) Diagrama de Diferentes Tipos de Bombas CONSIDERACIONES DEL DISEÑO Cuando diseñamos una instalación de bombeo hidráulico debemos tomar las siguientes decisiones: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Decidir si es sistema abierto (OPF) o sistema cerrado (CPF) Decidir si se va ventear el gas o se va a bombear. Escoger un arreglo para la tubería de producción. Escoger una planta de energía situada en el pozo. Escoger bombas de superficie. Diseñar el sistema de limpieza de fluidos motrices. Etapas del diseño •Selección de bombas. •Caudal de inyección (ejemplo). •Caudal de producción (ejemplo). •Balance de presiones en sistemas cerrados. •Balance de presiones en sistemas abiertos. •Balance de presiones en una bomba hidráulica. •Pasos para el diseño de un sistema bombeo hidráulico tipo pistón. BOMBEO DE GAS Para instalaciones en que la bomba requiera comprimir gas libre, la figura da las suficiencias teóricas a diferentes relaciones de gas aceite y presiones de fondo. Si la eficiencia determinada es baja (30 – 50%) el gas debe ser venteado en lugar de ser bombeado. En este punto la curva del IPR para el pozo debe ser consultada para determinar si puede ser permitida una presión de fondo máxima. Diagrama de Eficiencia Teórica del Extremo de Bombeo. SELECCIÓN DE LA BOMBA La selección de la bomba se debe hacer basándose en unas tablas donde se muestran los diferentes tipos de bombas con sus respectivas características como son: El tamaño de la bomba. El tamaño de la tubería de producción que debe ser corrida en el pozo Valores de una cantidad llamada P/E. Estos valores están relacionados con la presión de superficie requerida para un levantamiento dado. MáximoP/ E 10000 LevantamientoNetoft Desplazamiento máximo de la bomba. Usualmente cuando dos o mas tamaños de bomba pueden ser usados, se escogerá aquella con la máxima capacidad de levantamiento de fluidos (valor más bajo de P/E);Esto porque requerirá menos presión en superficie el fluido motriz. Desplazamiento en BPD/SPM del extremo motor y del extremo de bombeo respectivamente; de estos valores depende la determinación de la rata de fluido motriz requerida para producir una cantidad dada. Todo esto es mostrado en la figura 20, donde podemos corroborarlo por cada columna. Diagrama de Especificaciones de una Bomba Kobe Tipo A. FRICCIÓN EN LA BOMBA Diagrama para Hallar Pérdidas de Presión por Fricción en la Bomba. La figura representa la fricción mecánica e hidráulica en la bomba. De las curvas en la figura se obtiene la viscosidad de fluido motriz a la temperatura de fondo para luego entrar a la figura anterior. Los valores obtenidos de la figura mencionada muestran valores máximos basados en el pistón bomba más grande operando al 100% de eficiencia del extremo de bombeo. Cuando la rata de fluido a través del extremo de bombeo se disminuye por pistones más pequeños o por gas, la fricción total es un poco más baja que la obtenida en la carta. Esto es por que aproximadamente el 25% de la fricción total es fricción del fluido en el extremo de bombeo de la bomba Diagrama para hallar la Viscosidad del Fluido Motriz La forma de ecuación de P es: P = FEE + FPE Donde, FEE = Fricción en el extremo motor = 0.75 P FPE = Fricción en el extremo de bombeo = 0.25 P. través del extremo de bombeo y es La ecuación de corrección de FPE está en proporción directa a las ratas de flujo a: Diagrama para Hallar Pérdidas de Presión en Tubería FPE 0.25 P * q4 del Pistón UsadoQ4 / Q'4 q4 del pistón de máximo tamaño El valor obtenido de P en la figura 12 es muy cercano o aproximado al valor obtenido de P después de la corrección, por lo tanto esta corrección se puede despreciar. Figura 24. Diagrama para Hallar la Viscosidad del Agua. CÁLCULOS DE PRESIÓN Las presiones, las pérdidas de presión por fricción y densidades de fluido involucradas en los sistemas CPF Y OPF se muestran en las diapositivas. La presión total disponible para manejar el motor es P1 y la presión de descarga del motor es P2. La presión de descarga del extremo de bombeo es P3 y su presión de llenado es P4. Haciendo un diagrama de la bomba en donde se muestran las fuerzas que actúan se obtiene la siguiente ecuación: P1AR-P2(AE -AR)+P1(AE -AR)+P3(AP-AR)+P4(AP-AR)+P1AR = 0 Simplificando: (P1-P2)(AE-AR) - (P3-P4) (AP-AR) = 0 P -P -(P -P ) 1 2 3 4 AP AR =0 AE - AR La fricción en la bomba, Fp, no se muestra en la diapostiva del balance de presión porque esta no opera sobre un área; esta es una función de la velocidad de la bomba, de los pasadizos de fluido en la bomba y de la fricción mecánica de la bomba. Como esta se opone al movimiento tendrá un signo negativo y nuestra ecuación queda: P -P -(P -P ) ) 1 2 3 4 La cantidad ( AP AR AE - AR AP AR AE - AR -F=0 P ) es la relación de área neta de la bomba y área neta del motor y para esta bomba es tanto la misma tanto para la carrera ascendente como para la carrera descendente. Como esta es una bomba de doble acción, esta relación es también volumétrica (desplazamiento del extremo bomba / desplazamiento del extremo motor) y es definida como la “relación bomba a motor” o como P/E. Las bombas de acción simple requieren cerca del 20% de fluido motriz extra para hacer la carrera descendente no productiva (para llenar el extremo de bombeo ) por lo tanto su relación volumétrica es diferente de su P/E. Por esta razón las bombas de simple acción se refieren a P/E como la “relación de presión”. En las tablas de especificación se encuentran los valores numéricos de P/E para cada tamaño de bomba. La ecuación general para todas las bombas hidráulicas es como sigue: P1-P2-(P3-P4) P/E –FP = 0 Sustituyendo los valores para P1 P2 , P3 y P4 para sistema CPF obtenemos: (H1G1-F1+PS)-( H1G1-F2+PPR)-(H1G4+F3+PFL-H4G4) P/E –FP = 0 la finalidad del calculo de presiones es obtener la presión necesaria en superficie (Ps) para inyectar el fluido motriz y despejando Ps para el sistema CPF se obtiene: PS = F1+F2+PPR+FP+((H1-H4)G4+F3+PWH) P/E Para el sistema OPF P2 = P3 la ecuación general para todas las bombas hidráulicas en este sistema es: P1-P3-(P3-P4) P/E –FP = 0 Sustituyendo para P1, P3 y P4 se obtiene: H1G1-F1+PS = (H1G3+F3+PWH) (1+P/E)-H4G4 (P/E) + FP Despejando Ps para el sistema OPF: PS = (H1G3+F3+PWH) (1+P/E)- PWF(P/E) + FP – (H1G1-F1) PASOS PARA DETERMINAR LA PRESION DE SUPERFICIE (PS) Para hallar Ps debemos primero determinar SPM, Fp, Q1, F1 y (F2 para el sistema CPF ), G3 y F3. el procedimiento en detalle es: 1. Con Q4, eficiencia del extremo de bombeo y desplazamiento de la bomba calcular los SPM usando la ecuación: Q4 = q4 * SPM * (Q4/ Q’4) En donde: Q4 = rata de producción total real, BPD = Q 5+Q 6 Q5 = rata de producción de aceite, BPD. Q6 = rata de producción de agua, BPD. Q4/Q’4 = eficiencia del extremo del bombeo; generalmente esta entre el 80 y 90%. q4 = desplazamiento del extremo de bombeo por SPM, BPD/SPM; SPM = strockes por minuto. 2. Determinar la friccionen la bomba, Fp de la siguiente forma: De la figura 22 determinamos la viscosidad del aceite en centistokes. Con la gravedad API a la temperatura de formación, con la viscosidad, con el tipo de bomba previamente escogida y con el porcentaje de velocidad promedio, en la figura 21 determinamos la perdida de presión por fricción en la bomba. Porcentaje de velocidad = SPM (real)SPM SPM(maxima) * 100 En donde: SPM (real) = strockes por minuto obtenidos en el paso anterior. SPM (máximo) = strockes por minuto leídos en las tablas de la bomba. 3. De los SPM(real), eficiencia del extremo motor y desplazamiento del motor por SPM, BPD/SPM, calcular Q1 usando la ecuación : Q1= q1*SPM(real) Q1' / Q 1 En donde: Q1 = Rata de fluido motriz real en BPD q1 = Desplazamiento del extremo motor por SPM, BPD/SPM SPM = Strockes por minuto (real) Q1’ / Q1 = Eficiencia del extremo motor, generalmente entre el 80 y 90%. 4. Encontrar F1 y F2 usando las cartas de perdidas de presión por fricción en la tubería del Anexo 2 con Q1 y viscosidad del aceite a la temperatura promedio leída en la figura 22. La temperatura promedio es la media aritmética entre la temperatura de superficie y la temperatura de fondo, en º F. F1 es la perdida de presión por fricción en la tubería de inyección de fluido motriz. F2 es la perdida de presión por fricción en la tubería de retorno de fluido motriz. 5. Calcular G3 para sistema abierto usando: G3 = Q1G1 Q5G5 Q6G6 Q1 Q4 En donde: G3 = Gradiente de la columna de fluidos producidos, LPC/pie Q1 = Rata de fluido motriz real, BPD G1 = Gradiente de la columna de aceite motriz, LPC/pie. Q5 = Rata de producción de aceite, BPD. G5 = Gradiente columna de aceite de formación, LPC/pie. Q6 = Rata de producción de agua, BPD. G6 = Gradiente dela columna de agua, LPC/pie. Q4 = Q5 + Q6. 6. Determinar la viscosidad promedio usando: Q Q Q 3 1 1 5 5 6 6 Q Q 1 4 En donde: 3 = Viscosidad promedia fluidos producidos en la columna de retorno, cstk. 1 = Viscosidad del fluido motriz. 5 = Viscosidad del aceite de formación, cstk. 6 = Viscosidad del agua, cstk; leída en la figura 24. 7. Si es sistema abierto determinar F3 usando las cartas de perdidas de presión por fricción. Usando las cartas de pérdidas de presión por fricción. Figuras 23. F3 es la perdida de presión por fricción en la tubería de retorno de fluidos producidos en el sistema abierto. 8. Reemplazar los valores calculados en la ecuaciones dependiendo si es sistema abierto o cerrado y obtener la presión de superficie (Ps). CALCULO DE POTENCIA Una ecuación de potencia en unidades de campo usada en bombeo hidráulico es: H.P. = 1.7 * 10 –5 * P * Q En donde : P = Es el cambio de presión, LPC. Q = Rata de liquido en BPD. Esta ecuación puede ser usada para calcular la potencia de la bomba en superficie o la potencia del extremo de bombeo en la bomba de subsuelo. BOMBEO HIDRÁULICO TIPO PISTON NO VENTEADO No es recomendable para aquellos pozos que tienen un alto GOR, ya que la eficiencia de la bomba se reduce a valores menores del 25%. Los costos de mantenimiento y operación se ven afectados por la necesidad de un caudal de aceite motriz casi siete veces mayor a lo producido, y por los altos costos por mantenimiento de la bomba de subsuelo, debido a la alta velocidad tan alta del pistón motor y el desgaste de las válvulas de asiento por causa del paso del gas a través de la bomba. El sistema de levantamiento artificial por medio del bombeo hidráulico tipo pistón, se puede aplicar técnicamente a casos con las siguientes características: - Pozos que produzcan menos de 10.000 bpd. Pozos con profundidades menores de 22.000 pies. Que los crudos tengan bajo contenido de arena. Pozos con presiones de flujo de 300 psi. En pozos con relaciones GAS-ACEITE menores de 300 scf/stb BOMBEO HIDRÁULICO TIPO PISTON CON SARTA DE VENTEO DE GAS realizo el Con el propósito de observar las ventajas que técnica y económicamente se obtienen al evitar el paso del gas del fluido del pozo a través de la bomba, se diseño para los pozos que producen por bombeo hidráulico, venteando el gas. Con esto se obtiene una mayor eficiencia para un caudal de fluido de inyección menor, que comparada con la eficiencia y el caudal de fluido de inyección del sistema no venteado es altamente favorable. DISEÑO DEL SISTEMA Para el diseño de este sistema se utilizan las tasas de producción máximas que en la práctica se pueden lograr, con el propósito de determinar el tamaño y tipo de bomba adecuada para el sistema OPF considerando que el gas va a ser venteado a la superficie a través de una sarta de tubería de menor diámetro. El procedimiento de diseño es similar al anterior sistema pero con la diferencia que las eficiencias del extremo del motor y el extremo de bombeo son más altas. Ejemplo de Diseño Un pozo produce 200 BPD de aceite con una gravedad API de 40 y 100BPD de agua con una gravedad especifica de 1.03. Determinar el tamaño apropiado de la bomba para una instalación de paralelo considerando un sistema OPF, con una tubería de inyección de fluido motriz de 2 7/8” y una tubería de producción de 2 3/8”. El gas va a ser venteado a la superficie a través del anular del revestimiento. Encontrar además la presión requerida en superficie para la inyección de fluido motriz considerando los siguientes datos: P4 h1 PFL Q’1 / Q1 Q4 / Q’4 Gravedad API del Fluido Motriz Temperatura de Fondo del Hueco Temperatura de Superficie 600 LPC 10.000 pies 75 LPC 90 % 85 % 40 º API 180 º F 100 º F SOLUCION: Selección del tamaño apropiado de la bomba Con: Tubería de 2 7/8” Profundidad de asentamiento: 10.000 pies Producción deseada: 300 BPD 10.000 Máximo P / E = 10.000 1.0 Examinamos las bombas de tamaño nominal de 2 ½” apropiado para correr en una tubería de 2 7/8” y obtenemos: 2½x1½ 2 ½ x 2 x 1 5/8” VFR 252017 252016 2½x1¼x1¼“ Con P/E = 0.83 Capacidad max. 370 BPD Con P/E = 0.8 Capacidad max. 547 BPD Con P/E = 1.0 Capacidad max. 858 BPD Con P/E = 0.64 Capacidad max. 540 BPD Con P/E = 1.0 Capacidad max. 492 BPD De acuerdo a las especificaciones dadas para cada tamaño de bomba escogido y a las condiciones de pozo como son una capacidad máxima de bomba de 300 BPD y un P/E max = 1.0 escogemos la bomba 252016 de la figura 7 ya que nos da un factor de seguridad en la profundidad de asentamiento pues para P/E = 0.64, L = 15628 pies, además tiene una capacidad de 540 BPD que es mayor a la necesaria. 1.Calculo de los SPM Especificaciones de la bomba escogida 252016 q1 = 16.5 BPD / SPM q4 = 10.6 BPD/SPM P/E = 0.64 Velocidad máxima = 51 SPM. Q4 = q4 x SPM x Q4 / Q’4 SPM = Q4 300 33.3 ' q4 x Q4 / Q4 10.6 x 0.85 3. Cálculo de las pérdidas de presión por fricción en la bomba, F p -De la figura 22, leemos la viscosidad del aceite de 40 º API a una temperatura de fondo de 180 º F y obtenemos: u = 1.5 CSTK -De la Tabla 1 leemos la gravedad especifica del aceite de 40 º API y obtenemos: G.E. = 0.8251 -Calculamos el porcentaje de velocidad: % Velocidad = (SPM)Real x 100 33.3*100 65% (SPM)Maximo 51 % Velocidad = 65% -De la Figura 18, con la bomba escogida, % velocidad y viscosidad determinamos las pérdidas de presión por fricción en la bomba. Fp = 410 LPC x G.E. Fp = 410 LPC x 0.8251 = 338 LPC Si se desea se hace la corrección en las perdidas de presión por fricción en la bomba. 3. Cálculo de la rata de fluido motriz, Q1 Q1 = q1 x SPM 16.5 x 33.3 610 BPM Q1'/Q1 0.9 Q1 = 610 BPM 4. Calculo de las perdidas de presión por fricción en la tubería de inyección de fluido motriz, F1 Estos cálculos deben hacerse a la temperatura promedio del fluido -Temperatura promedia = T = p Tp = 140 º F Tf Ts 180 100 140º F 2 2 Leemos las pérdidas de presión por fricción para un Q 1 = 610 BPD y una tubería de producción de 2 7/8”. F1 = 1.6 LPC / 1000 pies x G.E. F1 = 1.6 LPC / 1000 pies x 10.000 pies x 0.8251 = 13 LPC F1 = 13 LPC 5. Calculo del gradiente de la columna de fluido producido, G3. Leemos los gradientes tanto para fluido motriz como para fluido producido ambos con 40 º API. G1 = G5 = 0.3574 LPC/ pies -Calculamos el gradiente del agua con G.E. = 1.03 G6 = 0.433 x G.E. = 0.433 x 1.03 = 0.446 LPC / pie G3 = G3 = Q1*G1 Q5 *G5 Q6 *G6 Q1 Q5 Q6 (610)(0.3574) (200)(0.3574) (100)(0.446) 0.367 610 200 100 G3 = 0.367 LPC / pie 6. Calculo de la gravedad especifica del fluido producido G3 = 0.433 x G.E.3 G.E.3 = 0.367 / 0.433 = 0.848 G.E.3 = 0.848 7. Calculo de las perdidas de presión por fricción F3, en la tubería de retorno de fluido producido y fluido motriz con diámetro de 2 3/8”. Calculo de la viscosidad promedio de la columna de fluidos producidos; estos cálculos deben hacerse a la temperatura promedio de 140 º F. 3 Q11 Q55 Q6 6 Q1 Q 5 Q6 La viscosidad del agua , u6, se lee en la Figura 20 a la temperatura promedio de 140 º F. 6 = 0.46 CSTK (610)(2.1) (200)(2.1) (100)(0.46) 3= 610 200 100 u3 = 1.92 CSTK A 910 BPD y 1.92 CSTK las perdidas de presión por fricción en la sarta de retorno de fluidos producidos, F3, es: F3 = 11 LPC x G.E. 11 LPC x 10.000 pies x 0.848 93 LPC 1000 pies 1000 pies F3 = 93 LPC 8. Calculo de la presión necesaria en superficie, Ps, para inyección de fluido motriz en el sistema abierto. Ecuación general: P1 – P2 – (P3 – P4) P / E – Fp = 0 OPF : P1 = h1G1 – F1 + Ps P2 = P3 P3 = h1G3 + F3+ P wh P4 = h4G4 = P wf P1 = h1G1 – F1 + Ps P1 = (10.000 x 0.3574) – 13 + Ps P1 = 3561 LPC P3 = h1G3 + F3 + Pwh P3 = (10.000) (0.367) + 93 + 75 = 3838 LPC P3 = 3838 LPC Remplazando en la ecuación general: (3561 + Ps) – 3838 – (3838 - 600) 0.64 – 338 = 0 Ps = 615 – (3238) (0.64) = 0 Ps = 2687 LPC Presión requerida en superficie para inyección de fluido motriz. BOMBEO HIDRÁULICO TIPO JET El bombeo hidráulico tipo jet es un sistema artificial de producción especial que fue diseñado en remplazo del bombeo hidráulico tipo pistón, y que a diferencia del tipo pistón, no ocupa partes móviles y su acción de bombeo se realiza por medio de transferencia de energía entre el fluido motriz y los fluidos producidos mediante el efecto venturi. La bomba jet no cuenta con partes móviles para efectuar el efecto de levantamiento, lo cual minimiza el desgaste y que se presenta solo por erosión de sólidos presentes en el fluido; adicionalmente, los componentes ocupan un espacio pequeño que permite que la bomba pueda ser adaptada a varios completamientos de pozo. La bomba puede ser fabricada con material de alta resistencia a la abrasión (carburo de tungsteno), alta resistencia a la corrosión (acero inoxidable) o cerámicas. Principio de operación La descripción del principio de funcionamiento de las bombas jet se puede realizar en base en la figura, y en la cual se puede ver que los componentes principales de una bomba de este tipo son: Boquilla (Nozzle) Garganta (Throat Difusor (difuser) El fluido motriz inyectado desde la superficie al pasar por la boquilla (nozzle) que tiene un área reducida, transforma el flujo de alta presión y baja velocidad en un flujo de alta velocidad y baja presión (de energía potencial a cinética). Con esta variación, la presión en la entrada de la garganta disminuye lo que genera que el fluido de la formación con mayor presión ingrese a la succión de la bomba “cámara de mezcla” (efecto venturi) Luego de efectuarse la mezcla en la cámara y de transferirse la inercia del fluido motriz al fluido del pozo, la mezcla posee alta energía cinética. Cuando la mezcla ingresa en la zona del difusor se produce una disminución en la velocidad (energía cinética) y un aumento en la presión de descarga (energía potencial), lo suficientemente alta como para levantar los fluidos a superficie, por esta razón en el bombeo hidráulico tipo jet, solo se usa el sistema abierto de fluido motriz. El área de la boquilla y garganta proporcionan la relación del fluido motriz a fluido producido “relación entre la presión de descarga y la taza de flujo a esa presión de descarga”. Se puede recuperar fácilmente la bomba por circulación para cambios de boquilla y garganta si la selección es equivocada o en casos donde cambian las características del pozo Frecuentemente el comportamiento de la bomba jet cuenta con mejor eficiencia con presiones de entrada a la bomba mayores 100psi por mil pies de levantamiento, bajas presiones de entrada a la bomba incrementan la relación de fluido motriz requerido para producir. Hay instalaciones de que circulan 600bpd de fluido motriz para producir 50bpd con presión de entrada a la bomba menor a 30psi pero son pozos de alta desviación o fluidos muy corrosivos. BOQUILLAS Y GARGANTAS DE LA BOMBA JET Las bombas jet pueden ser equipadas con boquillas entre 0.05” a 0.6” y gargantas con diámetros entre 0.8” y 1.0”, aunque los diámetros más útiles están entre 0.1 a 0.3” de boquilla y de 0.15 a 0.6” de garganta debido al nivel de levantamiento requerido y la capacidad de flujo de tuberías comunes en la industria. Boquillas de mayor diámetro proveen mayor potencia para producir mayores caudales o proveer mayor levantamiento para pozos profundos, si la boquilla no brinda suficiente energía con la máxima capacidad de presión del sistema de potencia de superficie, se requiere seleccionar una boquilla mas grande. Una relación donde la boquilla toma el 85% del espacio de la garganta, proporciona una relación de fluido motriz a fluido producido eficiente que sirve para producir pozos profundos o yacimientos de baja presión. Una combinación de boquilla que solo toma el 15% del área de la garganta, normalmente requiere presiones más altas y se utiliza en pozos someros o de alta presión de fondo No existe estándar para nombra la combinación de boquilla garganta entre fabricantes pero el efecto es el mismo, donde el área de la boquilla esta dentro del 15% y el 85% del área de la garganta y el mas común es el 40%. Por ejemplo utilizando el fabricante A (National Oilwell) la boquilla 8 combinada con garganta 8 proporciona una combinación llamada 8ª que tiene una relación de área de la garganta de 0.38 (38%), si la misma boquilla 8 se combina con la garganta 9 la combinación se llama 8b con relación de áreas de 0.299, si la boquilla 8 se combina con la garganta 7 la combinación se llama 8X con una relación de áreas de de 0.483. CAVITACIÓN DE LA BOMBA JET La velocidad del fluido del pozo tiene que acelerar entre 200 y 300 pies por segundo para entrar a la garganta. La presión estática del fluido cae hasta llegar a la presión de vapor del fluido a altas velocidades, en estas condiciones se producen las burbujas de vapor en la bomba y cuando éstas son arrastradas a zona de mayor presión se produce un colapso instantáneo de las mismas, con lo que el fluido circundante tiende a llenar rápidamente el vacío creado chocando con la garganta, esto forman hendiduras en las superficies limítrofes o cavidades bajas de vapor (cavitación), con rápido deterioro como resultado. BOMBA JET CLAW® CONVENCIONAL En pozos con tubería de revestimiento (casing) deteriorado, es recomendable utilizar solamente este tipo de bomba, debido a que la presión de retorno por el espacio anular es baja. Se utiliza comúnmente para la producción continua de los pozos y para pruebas de producción. Se desplaza y se recupera hidráulicamente. La Bomba Jet Claw® Convencional se aloja en una camisa deslizable o en una cavidad. BOMBA JET CLAW® REVERSA Smart Jet Claw® La bomba Jet Claw® Smart se utiliza en pozos exploratorios de desarrollo o producción para pruebas y evaluaciones de pozos. Este tipo de bomba está incorporada con una válvula especial de cierre en fondo, y sensores electrónicos. La válvula de cierre, reduce el efecto de almacenamiento, (wellbore storage), optimizando las pruebas de restauración de presión (Build Up). Los sensores electrónicos registran de manera precisa los cambios de presión y temperatura en el fondo, durante la ejecución de diferentes pruebas de presión, permite realizar múltiples flujos y cierres del pozo. También se pueden alojar muestreadores para realizar datos PVT, éstas características permiten reducir el tiempo y minimizar costos en una sola operación. Ventajas Su válvula de cierre, optimiza las pruebas de restauración de presión, minimizando el tiempo de almacenamiento en el fondo del pozo. Son construidas en acero de alta calidad con tratamiento térmico, lo cual prolonga su vida útil en ambientes severos. Aplicable en pozos exploratorios, de desarrollo o producción. Debido a su metalurgia, es usada para la recuperación de ácidos y solventes, ideal para la limpieza en pozos arenados. REPRESENTACIÓN MATEMÁTICA TIPO JET Nomenclatura Pn = Presión en el orificio (nozzle pressure) Ps = Presión de succión de bomba (pump suction pressure) Pd = Presión de descarga de bomba (Pump discharge pressure) Qn = Caudal de inyección (Power fluid) Qs = Caudal de succión (Produced fluid) Qd = Caudal de descarga ( Qs+Qn ) An = Area del orificio (nozzle section) At = Area de la garganta ( throat section) As = Area de succión (At-An) Considerando ecuaciones de conservación de energía e inercia para flujo por la boquilla, pasajes de succión, garganta y difusor, la siguiente ecuación estima el flujo por una boquilla. Caudal en la boquilla Caudal de succión Caudal de descarga Velocidad en la garganta Igual se presentan relaciones geométricas y condiciones de operación en formulas adimensional para poder utilizar las graficas de comportamiento de una combinación de boquilla y garganta adimensional. Relación adimensional de área. Perdidas de presión Las pérdidas en el levantamiento asociadas son proporcionales al cuadrado de la diferencia de las velocidades a los flujos que se mezclan. Entonces, la perdida de energía en función del tiempo en la zona de la mezcla o “garganta” se expresa como: L = Qn * Уfm *(Vn-Vt)²/2g + Qs*Gm*(Vs-Vt)²/2g Presión de descarga La energía suplida a en la descarga “Boquilla” (En) por unidad de tiempo, se expresa como: Donde: Hn = Capacidad Levantamiento del fluido motriz, en pies. Hd = Capacidad Levantamiento del fluido en la descarga, en pies. Уm= Gravedad Especifica de la mezcla del fluido motriz, en Lpc/Pie Razón adimensional de flujo másico Relación de levantamiento: La Relación de Levantamiento “N” esta asociada a las capacidades netas de cada fluido (Crudo, Motriz y Mezcla) La Eficiencia de una bomba Jet esta definida por una relación entre la pérdida de potencia del fluido producido en función de las perdidas de potencia del fluido motriz (%Ef) Área mínima para evitar la cavitación: . Curvas de comportamiento adimensional para bombas jet La figura muestra un conjunto de curvas de comportamiento adimensional para razones de áreas típicas de boquillas y garganta de 0.5, 0.40, 0.30, 0.25, 0.20 y 0.15, el fluido motriz y fluido producido son de igual densidad y se utilizó 0.03 como coeficiente de perdida de boquilla Kn y 0.2 como coeficiente de pérdida en la garganta y difusor Ktd Las respectivas eficiencias están asociadas al valor de M (Flujo Masico) y siempre usan los coeficientes encontrados por O’Brien y Gosline, esto es: Kn = 0,15 (Boquilla) Ks = 0,0 (Succion) Kt = 0,28 (Tobera) Kd=1,0(Difuso) Las ecuaciones matemáticas presentadas anteriormente son para líquidos, pero en ciertas ocasiones el gas esta presente en los pozos, afectando el comportamiento de las bombas. Cunningham, encontró que si se añade el volumen del gas libre al volumen del líquido como si se tratase de líquido, el comportamiento de las bombas sigue bastante bien las curvas estándar. Standing proporcionó una correlación para varias condiciones de pozo Además es necesario añadir un área adicional para que pase el gas por el espacio anular de la garganta: Entonces el área mínima para evitar cavitación es: Ejemplo de procedimiento para un diseño de bomba jet 1. Construir la curva del IPR de la formación 1. Determinar el gradiente de presión del fluido producido (succión) y del fluido motriz utilizando las siguientes ecuaciones: 2. Determinar la mínima área de succión para evitar cavitación 3. Seleccionar de los fabricantes una boquilla y garganta cuyo valor de área anular de la garganta sea mayor o igual al calculado en el paso 3 Para este caso se elige la boquilla 7 de National: 0.0169”, con boquilla 7 y garganta 7 se consigue una relación de área de: (0.0103/0.0271)=0.4 4. Escoger un valor para la presión superficial de inyección. Usualmente se escogen valores entre 2000 y 4000 psi; para pozos profundos se usan valores más altos como de 2500psi. 5. Calcular la presión y el caudal de la boquilla Para el fluido motriz se considera flujo monofásico y se procede iterativamente entre presión y caudal 6. Determinar la propiedades de mezcla de fluidos Caudal de descarga: Corte de agua de la descarga: GOR de la descarga: Viscosidad de la mezcla en la descarga: 7. Calcular la presión de descarga El cálculo se realiza usando las propiedades de la descarga y cualquier correlación de flujo multifàsico: Pd= 1780 usando Hagedon and Brown 8. Calcular la razón adimensional de presiones “levantamiento) 9. Calcular la razón adimensional de flujo másico 10. Verificar el valor de la razón de flujo másico Empezar con el valor de la relación adimensional de presiones N calculado anteriormente e interceptar con la curva de mayor eficiencia. Leer el valor de la razón de flujo másico M y comparar con el calculado en el paso 10. Si los valores coinciden, la solución es correcta, de lo contrario se debe realizar correcciones sobre la tasa de flujo de la succión o sobre la presión de superficie. M=1.04 para R=0.25, M=0.789 del paso 10. Estos valores son diferentes, por tanto la tasa de flujo correcta es: 11. Regresar al paso 7 y empezar la iteración. Luego de 3 iteraciones se consigue: M=1.10 para R=0.25 y Qs=678BPD 12. Calcular el área de la garganta y seleccionar el tamaño correcto Usar las tablas de tamaños de boquilla y garganta. Escoger la garganta cuya área sea más cercana al área celulada. Se escoge la garganta 9 13. Determinar el área de flujo límite para evitar cavitación. 14. Calcular la potencia requerida en superficie para la bomba Se asume un 90% de eficiencia para la bomba triplex Seleccionar una bomba triplex o multiplex con una potencia igual o mayor a la potencia requerida. 15. Repetir el procedimiento para diferentes presiones y tasas de producción Mantener los mismos valores de la geometría de la bomba. Trazar los valores de presiones y tasa de producción a la presión constante de inyección. Si el punto de diseño no, no es el punto de intersección entre las curvas de entrada y salida del flujo, repetir el procedimiento desde el paso 3 cambiando la presión de inyección. Ventajas • La bomba Jet no tiene partes móviles lo que significa alta duración y menor tiempo en tareas de mantenimiento. • Pueden ser fácilmente operadas a control remoto. • Puede bombear todo tipo de crudos, inclusive crudos pesados. • Las bombas de subsuelo pueden ser circuladas o recuperadas hidráulicamente. Esta ventaja es muy importante por que reduce los requerimientos de los equipos de reacondicionamiento (workover) para hacer el mantenimiento a los equipos de subsuelo. • La bomba Jet es fácilmente optimizada cambiando el tamaño de la boquilla y la garganta, adicionalmente la reparación y mantenimiento se realiza en solo quince minutos. • Puede realizar cierre en fondo para restauración de presiones. • Los memory gauges pueden alojarse dentro de la bomba. • Minimiza las pérdidas de presión por fricción. • Por el diseño, su eficiencia supera a las existentes. • Debido a su metalurgia es utilizada para recuperación de ácidos o solventes. • Ideal para hacer limpieza en pozos arenados. • Trabaja en pozos direccionales, horizontales o verticales. • Puede generar diferenciales de presión en la formación, sin necesidad de hacer cambio de bomba. • Obtención inmediata de los datos del yacimiento como el IP, presión de reservorio y presión de fondo fluyente. • Puede alojarse en camisas de circulación, cavidades, coiled tubing o mandriles de gas lift. • Aplicable en pozos exploratorios, de desarrollo o producción. • apropiadas para zonas urbanas o cerca de zonas urbanas, plataformas costa afuera y zonas ambientalmente sensibles. • Puede manejar fluidos contaminados con CO2, SO2, gas y arena. • Los costos operativos son bajos Desventajas La bomba jet requiere de alta potencia Debe sumergirse en aproximadamente un 15% para desempeñarse correctamente En pozos donde se tiene un alto corte de agua se requiere inyectar químicos para reducir emulsiones producida por la bomba jet en los tanques de almacenamiento. PROBLEMAS OPERATIVOS Costo inicial alto. Las instalaciones de superficie presentan mayor riesgo, por la presencia de altas presiones. Altos costos en la reparación del equipo. No es recomendable en pozos de alto RGP. Problemas de corrosión. El diseño es complejo. Cuando hay bajas presiones a la entrada de la bomba, esta tiende a la cavitación, lo que indica que cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, el líquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, "aplastándose" bruscamente las burbujas. El fluido motriz requiere limpieza cuando se utilizan los fluidos de la formación. EJEMPLO DE BOMBEO HIDRAULICO EN COLOMBIA CAMPO GUARILAQUE: es un campo ubicado en la cuenca de los llanos Orientales de las compañías Ecopetrol y Perenco operado por la compañía Perenco Colombia Limited en el Casanare que a la fecha Enero de 2011 produce 2.223 BPDC y tiene una producción Fiscalizada de 0,01MPCPDC posee un pozo muy sobresaliente con que después de su flujo natural está produciendo mediante Bombeo hidráulico con las siguientes características: POZO GUARILAQUE 5: Guarilaque 5 es un pozo actualmente en producción con bombeo hidráulico que tiene las siguientes especificaciones: Levantamiento artificial Tipo Bomba jet NCPC 2.0 Corte de agua IP Pi PFR Potencia Optimización Objetivo Optimización Bombeo Hidráulico Jet OIH 2.0” MV 93,5% 4,51 2640 psi 2800 BPD 140 HP 2004 -2005 Incrementar en mínimo 20 bls netos de crudo es decir 300 BFPD mediante la bomba jet New Coleman Criterios de selección para la Optimización Producción actual con mínima potencia (menor presión y caudal). Presiones y Caudales dentro del rango de operación de los equipos de superficie. Producción objetivo pueda ser obtenida con la configuración seleccionada Resultados después de 15 días de prueba: Pi= 2360 psi PFR= 3090 BFPD, HHP= 138 HP Producción 3630 BFPD, WC=92% WHP= 100 psi CONCLUSIONES Este sistema es ideal en pozos desviados, practico en pozos v e r t i c a l e s y e n localizaciones inaccesibles para ratas y profundidades que lo justifiquen. E l e q u i p o se puede utilizar con ventajas en pozos profu ndos y aún e n p o z o s superficiales con grandes ratas. T eór icam ent e el b om beo hidráulico aparece como la solución a todo ti p o d e pr o d uc c ión artificial de pozos petroleros. Sin em bargo, fa c t o r e s p r á c t i c o s , c o m o contaminantes en el aceite, arena, agua y sólidos en suspensión, depositación de parafinas en las tuberías y en general el excesivo costo de tratamiento particularmente cuando la producción posee alto corte de agua hacen que su atractivo sea menor. Probablemente el factor más importante que gobierna el éxito y la economía de las operaciones en bombeo hidráulico es una buena calidad del f luido motriz. Antes de arrancar un sistema hidráulico es conveniente circular suficiente fluido a través de todo el circuito con el fin de asegurar la limpieza de todo el equipo y evitar daños causados por escoria de soldadura o partículas u objetos extraños dentro de la tubería. El sistema de bombeo hidráulico de tipo pistón es una opción eficiente para la producción en yacimientos bajo las condiciones especificadas anteriormente, con la posibilidad de mantenimientos reducidos, control de producción desde superficie, y producción de gas. El bombeo de tipo pistón ha entrado en desuso por la complejidad del mecanismo interno y la imposibilidad de llevar a cabo un mantenimiento in situ, junto con las eficiencias comparadas de otros mecanismos ya existentes. BIBLIOGRAFÍA BERNAL, María Cristina; GONZALEZ, Luis Alberto; RUEDA GUEVARA, Armando. ESTUDIO Y ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBEO HIDRÁULICO UTILIZADO EN ALGUNOS CAMPOS EN COLOMBIA. Bucaramanga 1985. Tesis de Grado. ROJAS GOMEZ, Clímaco Eduardo; SIERRA LESMES, Eder. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DEL REEMPLAZO DEL SISTEMA DE BOMBEO HIDRÁULICO POR BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE ENEL CAMPO CANTAGALLO – YARIGUI. Bucaramanga 1988. Tesis de Grado. COHEN COHEN.Edwin Anibal; JIMÉNEZ DIAZ, Ricardo Fabián; QUINTERO PEÑA, William. IMPLEMENTACION DE UNA HERRAMIENTA SOFTWARE PARA FACILITAR EL DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO HIDRÁULICO. Bucaramanga 1995. Tesis de grado. BOMBEO HIDRAULICO TIPO PISTON. REINEL CORZO RUEDA Reinel. SANTOS Juan Carlos. REY Blas Octavio. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER.Tesis. 2002