nuevas tecnologías de levantamiento artificial (trabajo).docx
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UNIVERSIDAD DE ORIENTENÚCLEO DE MONAGAS
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADASDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO
CURSOS ESPECIALES DE GRADOÁREAS DE CRUDOS PESADOS
Profesora: Seminaristas:
Ing. Milagros Sucre Abboud, Gheisson
Fajardo, Mariana 18462374
Maturín, Junio 2014
NUEVAS TECNOLOGIAS APLICADAS EN METODOS DE
LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL PARA YACIMIENTOS
DE CRUDOS PESADOS Y EXTRAPESADOS
INTRODUCCIÓN
Los yacimientos de crudos pesados y extrapesados en Venezuela poseen la
particularidad de poseer energía suficiente para llevar los fluidos hasta el fondo
del pozo, pero no la suficiente para continuar el recorrido hasta superficie, debido
a la alta viscosidad del crudo y el agotamiento de presión; es por esta razón que
se requiere la aplicación de métodos de levantamiento artificial para lograr la
extracción de los fluidos. Sin embargo, no todos los métodos existentes son
aplicables en yacimientos con estas características; los más usados son: bombeo
mecánico (BM), bombeo de cavidad progresiva (BCP) y bombeo electrosumergible
(BES). Por otra parte, las unidades convencionales de éstos métodos se han
venido reemplazando por nuevas tecnologías que permiten ampliar el rango de
aplicabilidad y mitigar los problemas inherentes a la explotación de crudos
pesados y extrapesados.
NUEVAS TECNOLOGÍAS APLICADAS A BOMBEO MECÁNICO
1. Bombeo Mecánico Hidroneumático
Es un sistema de bombeo mecánico asistido por nitrógeno. Maneja una mezcla de
tecnología neumática con tecnología hidráulica, por medio de tres piezas móviles
(acumulador de presión, cilindro hidráulico y bomba hidráulica). Posee capacidad
para manejar mayores cargas en la barra que las unidades convencionales,
flexibilidad en su aplicación, reducción en consumo de energía, fácil preparación
de la instalación y mantenimiento y funcionamiento con bajos niveles de fluido.
Figura 1. Esquema de la Unidad de Bombeo Mecánico Hidroneumático
Equipo en superficie.
El equipo de superficie está compuesto por: el motor eléctrico, la bomba
hidráulica, el acumulador de presión, el tanque de aceite, la unidad de bombeo y el
cabezal del pozo.
Motor eléctrico. Es aquel que le proporciona potencia a la bomba hidráulica. La
carga del motor es cíclica, es decir, la demanda de potencia es alta durante el
recorrido ascendente, cuando la sarta de varillas y el peso del fluido han sido
levantados y prácticamente no se requiere entrada de potencia durante el
recorrido descendente, cuando las varillas caen por su propio peso.
Figura 2. Motor eléctrico
Acumulador de presión. Es un cilindro con pistón interno, el cual en su parte
superior contiene nitrógeno y en la parte inferior aceite hidráulico. El acumulador
se llena de nitrógeno colocando una de las botellas a la entrada para el suministro
del mismo y manteniendo abierta la válvula hasta que cese el paso de gas, este
procedimiento se debe repetir con todas las botellas y el acumulador hasta
alcanzar una presión de 1500 psi. La cantidad óptima de aceite es entre 15 y
18,75 galones.
Figura 3. Acumulador de presión
Botellas de Nitrógeno. Son cuatro recipientes para almacenar el nitrógeno que
requiere la unidad para su funcionamiento.
Figura 4. Botellas de nitrógeno
Bomba hidráulica. Se encarga de aportar la potencia necesaria por debajo al
segundo pistón del cilindro hidráulico en carrera ascendente y por encima en
carrera descendente.
Figura 5. Bomba hidráulica
Tanque de aceite. En este recipiente se almacena el aceite que es el fluido
hidráulico encargado de hacer el empuje necesario en la carrera ascendente y
descendente. La temperatura de éste aceite nunca debe exceder los 150°F.
Figura 6. Tanque de aceite
Mástil o Unidad de Bombeo. Es un acople mecánico que guía el movimiento
ascendente-descendente suministrado por el cilindro hidráulico para operar la
bomba de fondo que está unida a la sarta de varillas y la barra pulida.
Figura 7. Unidad de Bombeo
Las principales partes de la unidad son:
Cilindro hidráulico. Es el cilindro que está compuesto por dos pistones adheridos
a una barra pulida, estos pistones generan tres cámaras en las cuales actúa el
aceite hidráulico.
Pedestal. Torre de aproximadamente 7 metros en la cual se alojan los sensores
para el cambio de dirección de la carrera y del elevador, los cuales están unidos
por la varilla de succión en uno de los extremos del cilindro actuador y en el otro
extremo por la varilla pulida.
Guaya. Alambre de acero compactado que sirve se sostén al sistema de
levantamiento (elevador y sarta de cabillas) ver figura 8. (1)
Elevador. Es el encargado de sujetar la sarta de cabillas con el sistema de guayas
conectados al cabezote. Ver figura 8 (2)
Espaciador. Espacio que existe desde la parte inferior del elevador y la placa de
referencia donde se ubica el equipo dinagráfico. Ver figura 8 (3)
Figura 8. Guaya, elevador y espaciador.
Barra Lisa. Es una barra de acero sólido que tiene conexiones en ambos
extremos para las varillas de bombeo. Es la barra más fuerte de toda la sarta por
lo tanto es más grande que el tamaño de la sección superior de varillas. Sus
funciones son transmitir el movimiento de bombeo a las varillas y permitir la
formación de un sellamiento contra las fugas de los fluidos del pozo, por lo que su
superficie externa es pulida.
Figura 9. Barra Lisa
Cabezal de Pozo. La barra lisa se mueve dentro del cabezal de la tubería de
producción, sobre el cual se instala la tee de bombeo y ésta a su vez hacen que
los fluidos producidos por la bomba vayan dentro de la línea de flujo, una válvula
cheque se instala sobre ésta línea para evitar que los fluidos ya producidos se
devuelvan al pozo.
Sobre la Barra Lisa se instala una abrazadera a una altura adecuada para permitir
que la Barra Portavarillas levante la Sarta de Varillas. El prensa estopas se instala
justo por encima de la tee de bombeo y su objetivo es evitar la fuga de fluidos del
pozo alrededor de la Barra Lisa, es importante ajustar periódicamente el
hermetismo de los anillos de empaque para evitar la fuga y no apretarlos tanto
para evitar las fuerzas de fricción que surgen de la Barra lisa.
Figura 10. Cabezal de pozo. Unidad Hidráulica
Equipo de fondo. El equipo de fondo del Sistema de Bombeo Mecánico
hidroneumático al igual que los Sistemas de Bombeo Mecánico tradicionales está
compuesto por: La sarta de varillas compuesta por varillas de succión que
proporciona el acople mecánico entre la bomba de subsuelo y el sistema de
anclaje que permite mantener la tubería de producción en tensión.
Figura 11. Sarta de varillas en sus empaques. Figura 12. Bomba de subsuelo
Funcionamiento
El funcionamiento de ésta unidad, está asociado con el empuje de fluido hidráulico
sobre pistones en carrera ascendente y descendente. Por debajo del primer pistón
(parte superior del mástil) actúa fluido hidráulico, el cual está conectado al
acumulador de presión. El nitrógeno que se encuentra en la parte superior del
acumulador provee la presión necesaria para amortiguar el peso en la carrera
descendente y aportar potencia hidráulica en la carrera ascendente, logrando con
esto disminuir hasta 2/3 de la energía requerida para levantar el peso sobre la
barra pulida. El segundo pistón ubicado en el mástil es dirigido por una bomba
hidráulica, la cual aporta potencia por debajo de este en carrera ascendente y por
encima en carrera descendente. El sentido de empuje del aceite hidráulico es
direccionado por una servo válvula ubicada en la bomba, la cual recibe señales de
los sensores de proximidad ubicados en el mástil cambiando con esto el sentido
de la carrera.
Figura 13. Principio de operación del bombeo mecánico hidroneumático
2. Unidad de Bombeo Mecánico Rotaflex
El Rotaflex es una unidad de baja velocidad de bombeo y carrera larga. En dichos
equipos el motor eléctrico está conectado directamente a una caja reductora, la
cual transmite el movimiento de rotación a una rueda dentada motora que conduce
una cadena a velocidad relativamente constante.
Dicha cadena viaja entre la rueda dentada mencionada anteriormente y otra fijada
en la parte superior de la torre. Figura 14.
Figura 14. Sistema de cadena y contrapeso
El contrapeso del equipo consiste en un cuadro de 9400 lb con placas de acero
que pueden agregarse o quitarse con el objeto de balancear el torque de la
unidad. El mismo se encuentra fijo a uno de los eslabones de la cadena por medio
de un carro inversor, y se mueve solidariamente con ésta en las carreras
ascendentes y descendentes. Los cambios de sentido se producen en las ruedas
dentadas inferior y superior, cuando dicho eslabón, fijo al carro inversor del
contrapeso, pasa a través de ellas. Figura 15
Figura 15. Movimiento del contrapeso. Ejemplo de un cambio de sentido de
carrera.
El contrapeso se encuentra a su vez conectado al extremo de una cinta
conductora flexible. Ésta lo conecta con el vástago pulido de la sarta de varillas
pasando por un tambor giratorio en el tope de la torre. De esta manera, en la
carrera ascendente del pistón, el contrapeso baja; mientras que en la carrera
descendente, el contrapeso sube. Figura 3.
Figura 16. Conexión entre contrapeso y vástago
Figura17. Unidad de Bombeo Mecánico Rotaflex
Características de la Unidad de Bombeo Rotaflex
La principal característica de estas unidades es la larga carrera que poseen (288”
el modelo 900 y 306” el modelo 1100) en comparación con los equipos de bombeo
tradicionales. En contrapartida, el régimen de bombeo al que pueden trabajar las
unidades Rotaflex es menor, no pudiendo superar los 4.5 émbolos por minuto
según recomendaciones del fabricante (sin variador de velocidad). Las bajas
velocidades y las carreras largas resultan en un llenado más completo de la
bomba, además de reducir el ciclo de esfuerzo de las varillas. Constructivamente
poseen un brazo de palanca más corto que las unidades de bombeo
convencionales, lo que permite trabajar con cargas estructurales del mismo rango
exigiendo con menor torque a la caja reductora (el brazo de palanca es de 18”,
que es la distancia entre el eje de la rueda dentada motora y el perímetro de la
misma). Figura 18.
Figura 18. Caja reductora. Brazo de palanca de 18”.
Otra característica distintiva de estos equipos de carrera larga es la de tener una
velocidad constante en la mayor parte de las carreras ascendente y descendente.
Esto evita el efecto de la aceleración en la sarta de varillas.
Ventajas
Manejo eficiente de altos volúmenes, mayores cargas y desviación de
pozos.
Reduce el desgaste en las cabillas y las tuberías. Incrementando la vida
útil.
Menos ciclos.
Aumento en la eficiencia del sistema
Fácil de Instalar y hacer servicio.
Torques menores, lo que se traduce en menores requerimientos de
energía. EL ROTAFLEX NO GENERA TORQUE :-o
Reducción significativa de las cargas dinámicas, resultando en menores
costos operacionales.
Proporciona una mejor razón de compresión a la bomba de subsuelo, lo
que minimiza problemas de bloqueo por gas, permitiendo mayor aumento
de líquido en la misma.
Facilidad para balancearlo ya que esta operación consiste simplemente en
quitar o agregar bloques a la caja de contrapesas.
3. Unidad de Bombeo Mecánico DynaPump.
Es una unidad de bombeo hidráulico de mayor carrera que un balancín
convencional, que se conecta a la sarta de bombeo del pozo para poder extraer el
crudo desde el subsuelo. Es versátil, permitiendo asentar a altas profundidades y
extraer la producción donde un balancín convencional no puede.
Descripción del sistema DynaPump
La unidad DynaPump consiste en dos componentes principales: unidad de
bombeo y la unidad motriz. La unidad de bombeo es un elevador de carrera larga,
activado hidráulicamente, que se conecta a la barra lisa. La unidad motriz es el
centro de control, la cual provee la capacidad para convertir la energía eléctrica en
energía hidráulica y de controlar la carrera de la bomba por medio de un
ordenador, según sea necesario.
Figura 19. Unidad de Bombeo Mecánico DynaPump.
Unidad de bombeo. Consta de los siguientes componentes:
Polea
Contrapeso
Cilindro triple
Elevador
Guaya
Base metálica
Unidad de bombeo. La unidad de bombeo está compuesta de un cilindro
hidráulico de tres cámaras, una base estructural para servicio pesado, dos
cilindros grandes que contienen gas nitrógeno bajo presión y un mecanismo de
levantamiento, compuesto por poleas y guayas.
Un sistema accionado por gas nitrógeno está conectado a una de las cámaras de
subida del cilindro y actúa como un mecanismo de contrapeso, básicamente para
contrarrestar el peso de las varillas y una porción de la carga del fluido. El
contrapeso puede ser ajustado con la simple variación de la presión ejercida por el
gas en los cilindros de almacenamiento. Por lo tanto, la dirección y la velocidad de
la bomba son controladas mediante el envío de fluido hidráulico, bien a la cámara
superior o inferior del cilindro. Ya que la bomba es controlada mediante un
ordenador, los límites de velocidad y de carrera pueden ser establecidos
independientemente, lo cual permite establecer rápidas carreras ascendentes y
lentas carreras descendentes o viceversa.
Sistema eléctrico
Manejador de velocidad variable (VFD)
Computadora (PLC)
Protección eléctrica: fusibles
Transformador primera etapa
Arrancador de motores
Modem (radio/ teléfono)
Sistema hidráulico
Bombas
Tanque de aceite
Filtros
Sistema de enfriamiento
Sistema de arranque
Múltiples, válvulas, mangueras.
Unidad motriz. La unidad motriz proporciona la fuerza motriz y controla la unidad
de bombeo. Está formado por dos componentes principales: un sistema de
bombeo hidráulico y un centro de comunicación y control. El sistema de bombeo
hidráulico se conecta a la unidad de bombeo por medio de dos mangueras
primarias de alta presión y cuatro mangueras secundarias de control/regulación.
El centro de control y comunicaciones consta de un sólido estado electrónico y
controles remotos, lo cuales son diseñados para mantener el equipo en libre
operación. La electrónica incluye controles computarizados que permite que la
bomba sea controlada por sensores de retroalimentación, para asegurar un
preciso funcionamiento, tanto de la velocidad como la posición de ésta. La
computadora también está diseñada para la comunicación externa por medio de
un modem, un radio transmisor o usando directamente una línea telefónica. Esto
permite que la bomba sea monitoreada y controlada de forma remota.
Parámetros considerados para la selección de pozos candidatos:
Disponibilidad de energía eléctrica.
Configuración mecánica vertical.
Pozos (BES, BM) de bajo caudal menor a 600 BFPD
Pozos (BES) de alto caudal en un rango de 3000-6000 BFPD
El diámetro del revestidor debe ser suficiente (mínimo 5 ½”)
Profundidad hasta 15000 pies.
Relación Gas Petróleo no mayor a 1000 PC en condiciones normales.
Pozos sin problemas mecánicos en la completación.
Pozos sin programa de trabajo o reparaciones a futuro.
Pozos para cambio de método de BES a BM y para pozos de BM
(Balancín) a BM (DynaPump) cuya profundidad de asentamiento supere los
8000’.
Ventajas
Aplicación en pozos horizontales y crudos pesados
Mayores capacidades de flujo
Mayores recorridos – Hasta 360”
Precio competitivo: 24 – 36% menor en relación a Unidades
Convencionales (BM)
Potencia de operación baja
Mayores capacidades de carga – hasta 80.000lbs.
Velocidad variable
Autodiagnóstico
Bajo costo de infraestructura e instalación
Bajo costo de transporte
Consume de 3 a 5 veces menos energía que BES y bombeo con balancín.
Comparación de la unidad DynaPump con Balancín Convencional
DYNAPUMP ROTAFLEX
Posee velocidad variable en ambas direcciones
No posee velocidad variable en ambas direcciones
Posee un máximo de 360" de carrera Posee un máximo de 366" de carreraPosee controlador de velocidad No posee controlador de velocidad
El consumo de energía es de (45 -55)% menos que el convencional
El consumo de energía es de (15 -25)% menos que el convencional
La carga admisible es de 80 000lbs La carga admisible es de 10 000lbs
La temperatura de funcionamiento está entre (-40 a 140) °F
La temperatura de funcionamiento está entre (-40 a 140) °F
DYNAPUMP BALANCIN CONVENCIONAL
Posee velocidad variable en ambasdirecciones
No posee velocidad variable en ambasdirecciones
Posee un máximo de 360” de carrera Posee un máximo de 240” de carrera
Posee controlador de velocidad No posee controlador de velocidad
Bajo consumo de energía (40 a 55% menos) Moderado consumo de energía
Para el cambio de carrera y velocidadrequiere sólo introducir un valor en elsoftware de la computadora
Para el cambio de carrera y velocidad serequiere una cuadrilla de obreros y una grúa.
Toma la carta dinagráfica automáticamentePara la toma de la carta dinagrafica serequiere una cuadrilla de obreros
Para la instalación se requiere 4 horas Para la instalación se requiere 36 horas
Posee amplio manejo de rango deproducción
Bajo manejo de rango de producción
El re-espaciado de la bomba de subsuelo sehace a través del software de lacomputadora.
Para el re-espaciado de la bomba desubsuelo se requiere una cuadrilla deobreros.
NUEVAS TECNOLOGÍAS APLICADAS AL BOMBEO DE CAVIDAD PROGRESIVA (BCP)
1. Bombas de cavidades progresivas insertables
Las BCP Insertables son bombas convencionales (rotor – estator); con sistemas
de anclaje de anillos de fricción que permiten su inserción en la tubería de
producción y posteriormente ser reemplazadas con cabillero. Los equipos están
constituidos por estator, rotor con un diseño de punta de flecha, ancla de torque
para su asentamiento interno en la tubería de producción, mandril de
asentamiento y niple de asiento.
Adicionalmente en el tope del sistema insertable se cuenta con un anillo flotante,
el cual, al entrar en contacto con el nuevo diseño del rotor permite remover el
estator y sacar la bomba del pozo.
Si una operación de cambio de bomba fuese necesaria, la operación de trabajo al
pozo conduce a sacar por un lado el rotor acoplado a las cabillas y por otro lado la
tubería de producción con el estator en su extremo. Así pues resultan dos
operaciones sucesivas de ascenso y descenso para instalar una nueva bomba.
Cuando se trata de pozos de baja productividad, se desea realizar la operación de
cambio de bomba al mínimo costo. Con la finalidad de reducir sensiblemente el
tiempo de maniobra y asegurar una buena rentabilidad de un pozo completado
con bombas de cavidad progresiva, se concibió un sistema que permite el anclado
de la bomba al extremo de la tubería de producción, sin necesidad de sacar esta
última. En consecuencia, el ascenso y descenso de la BCP se efectúa en una
operación única.
Figura 20. Componentes de BCP Insertable.
Aplicabilidad de las BCP insertables
El uso de BCP Insertable está enfocado tanto para pozos con declinación en la
producción o bajo aporte, con la visión de mantenerlos activos bajo un sistema
económicamente factible y de esta manera obtener estabilidad operacional en el
campo; como para pozos nuevos con alto potencial con la finalidad de ahorrar
costos en servicios por reemplazo de bombas.
En el caso del área donde los pozos son de un potencial menor a 300 Bls, esta
tecnología de BCP Insertable aplica para incrementar la rentabilidad en la
producción de éste tipo de pozos, disminuyendo el tiempo de servicio en el
reemplazo de completaciones BCP, lo que a su vez incide en la reducción del
tiempo de inicio a producción luego de una falla y servicio.
Ventajas
No necesita ser removida la columna de tubería de producción para extraer
la bomba de fondo.
La sustitución de la bomba de fondo puede ser realizada con ayuda de un
equipo pequeño de servicio.
Los costos de servicio y mantenimiento son reducidos.
La torsión de trabajo es baja, razón por la cual se pueden utilizar varillas de
diámetro menor disminuyendo el roce con el tubing.
2. Bombeo de Cavidades Progresivas Tipo Metal-Metal
Los sistemas BCP convencionales tienen limitaciones en cuanto a la degradación
física y química de los elastómeros en ciertas aplicaciones, como altas
temperaturas de fondo y altas concentraciones de gases corrosivos (CO2 ó H2S)
en los fluidos que se están produciendo; es por esto que se ha desarrollado el
sistema BCP tipo metal-metal. Estos ofrecen un estator hecho completamente de
metal, lo cual permite que el sistema sea capaz de soportar temperaturas más
altas, y la producción de fluidos con contaminantes que ya no van a reaccionar
con el elastómero.
Las bombas de cavidades progresivas tipo metal-metal se han aprobado en
campos de crudo pesado y extrapesado que utilizan métodos de recuperación
térmica, como inyección alterna de vapor, inyección continua de vapor, SAGD o en
inyección de vapor combinado con solvente.
Figura 21. Instalaciones de BCP metal-metal en aplicaciones de alta temperatura.
El diseño del BCP metal-metal consiste en:
Un rotor recubierto similar al rotor de la bomba BCP convencional
Un estator hidroformado
Una envoltura externa que permite la conexión de todos los elementos así
como las conexiones API para adaptar con la tubería de producción.
Figura 22. Esquema Rotor-Estator BPC Metal-Metal
La BCP metal-metal está diseñada para tener un tiempo de vida mínimo de un año
(8000 horas) y la habilidad para manejar hasta 5% de contenido de arenas en el
aceite. Estos sistemas requieren instalaciones y herramientas de operación
similares a las de un BCP convencional, pero existen unos pasos adicionales que
se involucran en el arranque de las bombas metálicas.
En términos de funcionalidad, los sistemas BCP metal –metal logran el sellado
mediante un espacio ajustado entre el rotor y el estator, y no por ajuste de
interferencia como en el caso de las bombas convencionales, por lo que cuando
se están bombeando fluidos con baja viscosidad se pueden presentar
deslizamientos y bajas eficiencias, pero en caso de bombear fluidos con
viscosidades mayores a 100cp estos sistemas son muy efectivos. Igualmente son
capaces de soportar cortes de agua por encima de 60%.
Componentes del Sistema de Bombeo con Cavidades Progresivas Metal-
Metal.
Equipo de Superficie
Cabezal resistente altas temperaturas. Tienen la misma función de un cabezal
convencional, existen cabezales de 40 HP, 60 HP, 125 HP Y 200 HP
Figura 23. Cabezal resistente a altas temperaturas para BCP metal-metal
Sello preventor de fugas. Se ha probado en campo para operaciones con SAGD
y estimulación cíclica de vapor.
Válvulas preventoras. Válvulas que se instalan en la parte superior del pozo
para provocar el cierre del mismo frente a una surgencia descontrolada o
reventón, cuando el petróleo y/o gas de las formaciones atravesadas traten de fluir
a superficie.
Figura 24. Válvula preventoras para sistema BCP Metal-Metal
Variador de frecuencia. Para incrementar la flexibilidad de producción
controlando la tasa de flujo.
Monitor de desempeño de la bomba. Sirve para conocer el comportamiento de
la bomba en cualquier instante.
Equipos de Subsuelo
Completamiento. Se debe usar sarta de tuberías convencionales, continuas o
huecas. El resto de la sarta se puede comparar un completamiento de BCP
convencional: una barra de 3m o de 7.62m que permita el movimiento excéntrico
del rotor; y una barra pulida de 1,5 – 3m más larga que el rotor que permita al
tubing ser inundado con agua, fluido producido o vapor. La barra lisa también
provee una superficie de sellado suave para el sello de alta temperatura.
Centralizador metálico resistente a altas temperaturas. Son útiles para
aplicaciones en pozos desviados para que la bomba no quede recostada en la
tubería.
Figura 25. Centralizador metálico resistente a altas temperaturas
Bujías de paro. Vitales para la instalación del BCP metal. Sirve para espaciar la
sarta de varillas cuando éstas se ensanchan al aplicar a la bomba una
temperatura y diferencial de presión.
Anclas anti-vibraciones /anti-torque. Reducen el movimiento del tubing,
vibraciones y resonancia armónica. El ancla se instala por debajo de la bomba
para prevenir la rotación de la sarta.
Figura 26. Ancla anti-vibración para BCP metal-metal
Ventajas
Fácil control de la tasa de flujo
Fácil de instalar. Similar al BCP convencional
Rango de temperatura de operación alto, más de 390 °F
Acepta bajas o altas viscosidades
Puede operar con baja presión de fondo fluyente
No hay cizallamiento ni formación se emulsiones
Fácil puesta en marcha inicial a altas viscosidades
El acero no reacciona con el fluido bombeado en la mayoría de los casos, y
que el espaciamiento entre las partes sea constante a cualquier
temperatura de operación.
Los elementos de bombeo tipo Metal-Metal están diseñados para
aproximadamente 1200 metros de levantamiento.
La tecnología metal-metal es adecuada para la inyección de solventes
Menor costo capital que los sistemas de Bombeo Electrosumergible.
Desventajas
Presenta las mismas desventajas de una BCP convencional respecto a la
profundidad limitada de asentamiento de las bombas.
No maneja altos caudales
Maneja menor producción de arena que una BCP convencional debido su
estructura de metal-metal.
Componentes del sistema BCP Metal
Equipo en superficie
Cabezal resistente a las temperaturas: Tienen la misma funcionalidad de un
cabezal convencional, y existen cabezales de 40 HP, 60 HP, 125 HP y 200
HP.
NUEVAS TECNOLOGÍAS DE VARILLAS, APLICABLES A BOMBEO
MECÁNICO Y BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
1. Varillas huecas para Bombeo de Cavidades Progresivas.
En el sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas o BCP, se utiliza una bomba
del tipo tornillo rotativo. El movimiento de rotación es transmitido desde la
superficie hacia la bomba a través de una sarta de varillas de bombeo. Estas
varillas son fabricadas conforme a la norma API 11B, cuyo diseño y
especificaciones fueron definidos para trabajar únicamente bajo cargas de
tracción. Dicha especificación prevé que las varillas sean utilizadas en otro
sistema de bombeo artificial: el bombeo mecánico alternativo o bombeo por
balancín. Progresivamente, se fue implementando el uso de estas varillas como
estándar para el accionamiento de los sistemas BCP, pero el progreso y avance
tecnológico de las bombas incrementaron las profundidades y caudales posibles
de extraer, lo que se tradujo en mayores requerimientos para las varillas. Sin
duda, este aumento de las exigencias operativas implicó un aumento en las
roturas prematuras de las varillas, lo que generó mayores costos operativos del
sistema o limitó su campo de aplicación.
A través del Centro de Investigación Industrial de Tenaris, se desarrolló la varilla
de bombeo hueca PCPRod®, diseñada para resistir altas cargas de torsión
aumentando la confiabilidad del BCP y la reducción de costos operativos.
Una de las alternativas que presenta la varilla hueca es la de inyectar por el
interior de la misma un diluyente para el bombeo de crudo pesado y extra pesado.
Esto mejora la eficiencia de la inyección y reduce en gran medida la complejidad
de las instalaciones gracias a la eliminación de tubería y capilares de inyección.
Figura 27. BCP con varilla hueca
Ventajas Comparativas del Uso de PCPRod®
Elimina las fallas prematuras por rotura de pines de varillas causadas por
sobre torque durante la operación del pozo.
Permite operar bombas de alto caudal (superior 100m3/d - 600bpd) en
forma confiable a altas profundidades (más de 1.200m/3.600 ft).
Reduce la fricción entre varillas y tubing por el diseño de su unión flush. La
fricción localizada en cuplas y tubing de las varillas de bombeo
convencionales ocasiona importantes costos operativos debido a roturas en
la tubería de producción. Esto no ocurre con las varillas huecas PCPRod®,
ya que se elimina el cambio brusco de geometría en las uniones de las
varillas y eso permite una mejor distribución de las cargas de rozamiento.
Reduce 30-50% los costos de instalación iniciales para extraer idénticos
caudales en sistemas de bombeo mecánico o electro-sumergible (BES).
Reduce los costos de instalación y operativos para la inyección de
diluyentes en la producción de crudos pesados y extra pesados (respecto a
capilares).
Aumenta la efectividad en la inhibición de corrosión.
Reduce los problemas de manipuleo: PCPRod® no requiere herramientas
especiales de montaje y se puede instalar rápidamente (una sarta de 1.000
m requiere de 3 a 5 horas aproximadamente).
Reduce el efecto del backspin (giro inverso de la bomba al detenerse). Esto
facilita el redimensionamiento del cabezal de superficie.
2. Varilla continua.
Sarta de varilla continua, sin conexiones a lo largo de la sarta lo que implica sólo
dos conexiones: una en la parte superior y otra en la parte inferior. Como
resultado, las cargas de contacto se dispersan a lo largo de la varilla completa, lo
que reduce considerablemente el desgaste de la tubería de producción y de la
varilla. Esto se traduce en menos intervenciones costosas de pozo y vida útil más
extensa para el ensamble de varilla. Es aplicable para diferentes configuraciones
de pozo: profundos, inclinados, desviados, verticales y horizontales.
De acuerdo a la configuración de los sistemas de sección transversal de la varilla,
puede ser usada para Bombeo Mecánico (BM) y Bombeo de Cavidad Progresiva
(BCP):
Bombeo Mecánico (BM): Los sistemas de sección transversal semielíptica y
redondeada de funcionan eficazmente en aplicaciones de BM. La selección
adecuada de la sección transversal aplicable reduce las tensiones internas por
flexión, compresión y tracción en la varilla, lo que minimiza la carga impuesta
sobre la bomba y mejora la eficiencia de bombeo.
Bombeo de Cavidad Progresiva (BCP): Los sistema de selección redondeada
funcionan de manera eficaz en estas aplicaciones. En un sistema de BCP, las
sartas reducen el torque aplicado a motores y bombas, y minimizan los requisitos
de potencia generales. Esto, a su vez, reduce el tamaño requerido de la BCP, lo
que disminuye la carga sobre los componentes del sistema y puede resultar en
ahorros operativos a causa de menos fugas en la tubería de producción, menos
pérdidas de flujo y una eficiencia del sistema superior.
Figura 28. Comparación de los espacios anulares
Figura 29. Comparación de las cargas de contacto
Transporte. Para este sistema se requiere de un transporte que permita la
movilización del carrete de la varilla continua. Normalmente se utiliza un remolque
equipado con un eje rotatorio para la alineación y retención del carrete, y con
dispositivos de bloqueo para asegurar y proteger la carga durante el transporte
hasta el pozo.
Figura 30. Transporte con carrete de varilla continua
Ventajas:
Elimina acoples, centralizadores y guías de varilla.
Espacio anular más grande entre la tubería de producción y la sarta de
varilla.
Minimiza las pérdidas de presión
Reduce errores de pin y acoplamiento
Reduce la cantidad de tensión sobre la unidad de superficie
Reduce los costos de producción
NUEVAS TECNOLOGÍAS APLICADAS AL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE.
1. Bombeo Electrosumergible con Cavidades Progresivas (BESCP)
Este sistema se caracteriza por ser una combinación entre un motor sumergible y
una bomba de cavidad progresiva BCP, la bomba es impulsada desde la base de
la misma, esta tecnología combina las ventajas de la aplicación BCP con la
confiabilidad de los motores BES.
Figura 31. Unidad BESCP
El sistema BESCP incluye en el sistema de fondo, una caja reductora (GRU)
patentada por Baker Hughes, que se incorpora en el sistema para reducir la
velocidad del motor para la operación de la bomba BCP e incrementa el torque
suministrado a la bomba. El motor utilizado para manejar el GRU es el mismo que
se utiliza en un sistema tradicional BES. Igualmente incluye un eje flexible, una
comba BCP, una sección de sellos y la conexión a una superficie a través de un
cable. El desgaste mecánico entre la sarta de varillas y la tubería ha sido un
problema significativo en pozos desviados. La tecnología BESCP elimina las
varillas y expande el rango de operación de los sistemas BCP, particularmente en
pozos horizontales o desviados. En aplicación de fluidos muy viscosos la
eliminación de sarta de varillas alberga una zona de mayor flujo en la tubería de
producción, disminuyendo las pérdidas de flujo e incrementando la eficiencia del
sistema.
Componentes del sistema BESCP
Equipo de subsuelo
Eje flexible: Convierte la rotación excéntrica de la bomba en rotación concéntrica
del sello, transfiere el empuje al sello y está diseñado para altas cargas radiales.
Figura 32. Eje flexible del sistema BESCP
Sección Sello: Previene que el fluido del pozo y contaminantes ingresen a la caja
reductora y el motor, también permite que el aceite del motor y la caja reductora se
expanda o contraiga, además iguala la presión interna del motor, la caja reductora
y la presión del fluido en el pozo amortiguando en empuje generado desde la
bomba.
Caja reductora (GRU): Este componente se utiliza debido a que los sistemas
BCP giran más lento que los motores BES. Los motores eléctricos estándar BCP
giran aproximadamente a 3600rpm a 60Hz, pero el rango típico de operación de
las BCP está entre 100 y 500 rpm, (ver figura). Además utiliza aceite dieléctrico de
alta resistencia y posee sistema de doble planetario, el cual puede reducir la
velocidad de 9 a 11 veces las rpm originales. Este diseño permite retener más del
98% de la eficiencia del motor.
Figura 33. Reportes de reducción de velocidades
La GRU también cumple con otro requerimiento de BCP y es proporcionar un
mayor torque, necesario para superar el ajuste de interferencia entre el rotor y el
estator. El diseño de la GRU permite la reducción de la velocidad y el aumento de
torque de salida, permitiendo que el motor trabaje más fácil a lo largo de la vida útil
del sistema.
Motor. Es el que provee giro y torque al eje de la bomba, está especificado para
una determinada potencia, voltaje, corriente y frecuencia, está constituido por
rotores y cojinetes ensamblados a lo largo de un eje, insertado dentro de un
estator bobinado, contiene aceite sintético para garantizar correcta lubricación de
los cojinetes, para su correcta refrigeración, necesita un flujo circulando a través
de su diámetro exterior.
Equipo en superficie.
Para el funcionamiento de este sistema se debe asegurar ciertas condiciones y
equipos en superficie, los cuales se nombran a continuación:
Suministro eléctrico. Se requiere de una fuente de poder para alimentar
eléctricamente el controlador en superficie y el variador de acuerdo a los KVA que
se requieren para operar el equipo BESCP (mínimo 50 KVA). En caso de utilizar
un generador eléctrico, es muy importante que sea apto para trabajar con
variadores de frecuencia, esto con el objeto de poder sobrellevar los armónicos
generados. El generador debe proporcionar 480 VAC trifásico en la salida. Si se
utiliza una línea de electricidad, usualmente el voltaje disponible es de mediana
tensión (entre 13.2 a 34 KV).
Transformador SDT (Shift Down Transformer). Este elemento es necesario si
se utiliza un suministro eléctrico de mediana tensión. El objetivo es reducir el
voltaje de la línea de suministro eléctrico que se disponga en campo (por ejemplo
13200-480 o 34500-480). Si se utiliza un generador, no se requiere de este
componente.
Variador de frecuencia. Este elemento permite controlar la frecuencia del motor
de fondo y por consiguiente la producción del pozo. Este componente protege el
sistema mediante la detección de condiciones cambiantes, como el flujo o la
presión que podrían causar daños. Se pueden programar alarmas y limites en el
variador, permitiendo cambios automáticos para optimizar la producción y las
condiciones de operación.
Transformador SUT (Shift Up Transformer). Este elemento se requiere para
elevar el voltaje de salida del variador de 480 V al voltaje requerido por el motor
de fondo del equipo BESCP (1100 a 4100 V).
Caja de venteo. Permite la conexión eléctrica entre el equipo de superficie y el
cable que proviene del equipo de fondo.
Skid. Se refiere a la instalación en superficie (caseta) en donde se instalan todos
los equipos de superficie. Adicionalmente ofrece protección al equipo y ofrece
suministro eléctrico para otros elementos de apoyo (por ejemplo iluminación
interna). El skid debe estar correctamente instalado sobre una planchada y con
conexión a tierra.
Cable. Éste conecta el motor de fondo con el sistema de control de superficie de
control de superficie y tiene varias configuraciones que se adaptan tanto a las
propiedades del fluido como a la geometría del pozo. Se puede encontrar cable
redondo y plano, el cable redondo tiene mejores propiedades eléctricas, pero hay
casos en los que por cuestiones de espacio debido al diámetro del pozo se
requiere utilizar cable plano para minimizar daños.
Mitigación de armónicos: Es posible instalar un dispositivo de mitigación de
armónicos antes del variador de frecuencia con el fin de garantizar, aunque su
implementación no es obligatoria. El sistema de mitigación de armónicos escogido
igualmente debe ajustarse a la potencia del variador de frecuencia.
Características y beneficios
Sistema con alta eficiencia volumétrica. Reducción de gastos de operación.
Sistema con menos varillas. Elimina el desgaste mecánico entre la tubería y
las varillas en pozos horizontales y desviados.
Aumento de capacidad de torque. Permite motores más pequeños para
manejar el sistema.
Diseño de doble engranaje planetario. Aumento de la fiabilidad y
optimización del motor y velocidad de bombeo.
Sistema de solo aceite. Elimina la necesidad de sistemas múltiples para
aceite y sellos para el motor y reductor de engranajes.
Alta eficiencia del separador de gas horizontal. Proporciona eficiencia en la
separación del gas en pozos desviados y horizontales.
Consumo optimizado. Permite la tasa de máximo la menor caída de
presión.
A través del tubing transmite la implementación del sistema. Se remueven
los problemas asociados a giro inverso.
2. Bombeo Electrosumergible (Viper – Centrilift)
Los componentes de la Unidad de Bombeo Electrosumergible (Viper – Centrilift)
son:
Equipos de Subsuelo
Bombas
Sección de entrada (intakes) y separador de Gas
El motor de BES
Protector
Cable de Potencia
Sensor de Presión
Cable de extensión al Motor
Equipos de Superficie.
Transformador
Tablero de Control
Variador de Frecuencia
Caja de Venteo
Cabezal
Soporte de la Tubería
Cambio de Configuración del Tipo de Flujo en los Alabes del BES (Viper –
Centrilift)
El tipo de flujo que imparten los impulsores y de los álabes de la bomba y su
relación con la envolvente de la bomba dan lugar a variaciones en la intensidad de
las pérdidas por choque, la fricción del fluido y la turbulencia.
En el desarrollo del nuevo diseño de la BES (Viper – Centrilift) se consideró
cambiar con respecto a sus homologas convencionales, el patrón de flujo que
imparten los alabes. El nuevo diseño de la configuración de los alabes, imparte un
régimen de flujo tipo radial debido que mediante pruebas experimentales de la
bomba en el levantamiento de fluidos viscosos demostraron, aumento de la
energía cinética del fluido motivado a la reducción del factor de fricción o por
perdidas de fricción interna con las paredes del sistema. El flujo predomina en la
BES convencionales es de tipo helicocentrÍfugo o mixto.
La nueva configuración del BES (Viper – Centrilift), con flujo radial suelen
tener un número reducido de alabes, por lo que genera mayor áreas de
conducción del fluido, lo que le permite trabajar con crudos que contengan alto
porcentajes de elementos sólidos sin que se produzca atascos. Los álabes del
nuevo diseño, son ajustables con el objetivo de permitir fijar la inclinación de los
mismos, con el fin, que dé el mejor rendimiento bajo condiciones reales.
Figura 34. Cambio del tipo de flujo en el nuevo
diseño del BES Viper – Centrilift
Características de las Etapas de la Bomba Electrosumergible (Viper-
Centrilift)
La bomba electrosumergible para crudo de alta viscosidad (BES Viper)
evaluada, es la primera desarrollada específicamente para las condiciones
existentes en la faja petrolífera del Orinoco; cuya etapa se diseñó basándose en la
experiencia obtenida con las bombas electrosumergibles convencionales
instaladas en pozos del área de crudos extra Pesado (FPO), para producciones
entre 1000 y 3000 BPD, dicha bomba presenta las siguientes características:
Etapa de aplicación específica para pozos con fluido de alta viscosidad, el
diseño permite minimizar las pérdidas por fricción en álabes y pérdidas
hidráulicas y mecánicas con respecto a su homologas convencionales.
La Geometría incluye un impulsor y difusor con álabes más cortos y más
altos, con elevados ángulos de incidencia.
Alabes de menor tamaño y menor cantidad (sólo 6 álabes) lo cual provee
mayor área efectiva de flujo.
Mayor levantamiento y menor consumo de potencia por etapa (en
comparación con sus similares.
Diseñada para manejo de crudos altamente viscosos mediante la reducción
de la fricción en puntos clave de las etapas (cojinetes, disco y por fricción
interna).
En la siguiente figura se puede observar el incremento de la sección vertical
en los alabes de la etapa en la bomba electrosumergible (Viper – Centilift), es
evidente que su homóloga presenta una etapa 30% más pequeña en cuanto a
altura se refiere lo que conlleva a que la viper tenga una mayor altura de descarga
y por consiguiente mayor eficiencia en el levantamiento de crudos viscosos.
Figura 35. Comparación del nuevo diseño del impulsor BES Viper – Centrilift con
respecto a su homóloga convencional. (Fuente: Baker Centrilift.2007)
El diseño de la bomba (BES) Viper presenta una configuración de 5 a 7
alabes por etapa con el objetivo de disminuir el área de contacto con el fluido
disminuyendo el factor de fricción lo que se traduce en aumento de eficiencia en
cuanto a levantamiento de crudo pesado y extrapesado se refiere.
Figura 36. Diseño de alabes de una bomba electrosumergible (Viper – Centilift).
CONCLUSIONES
La Unidad de Bombeo Mecánico Hidroneumática es aplicable para requerimientos
de reducción de costos y consumos de energía, facilidades de instalación y
mantenimiento, y donde los niveles de fluidos son relativamente bajos.
Las bajas velocidades y las carreras largas de la Unidad de Bombeo Rotaflex,
resultan en un llenado más completo de la bomba, además de reducir el ciclo de
esfuerzo de las varillas.
La aplicación del sistema de levantamiento por bombeo mecánico utilizando la
unidad DynaPump es un campo de producción de crudos pesados es tanto técnica
como económicamente viable. Posee centro de control, la cual provee la
capacidad para convertir la energía eléctrica en energía hidráulica y de controlar la
carrera de la bomba por medio de un ordenador, que además permite un
autodiagnóstico en tiempo real.