Trazos paileros para realizar trazos, cortes y calculos.pptx
BCP. nicole pirela.
1. RepúblicaBolivariana de Venezuela.
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Extensión Maracaibo
Escuela de Ingeniería de Petróleo.
Producción de Hidrocarburos
Bombeo de Cavidades
Progresivas
Alumna:
Nicole Pirela
Maracaibo, agosto de 2020.
2. Métodos de levantamiento artificial
Un método de levantamiento artificial de producción
es aquel que se utiliza cuando el yacimiento ha perdido
su energía natural y es necesario aplicar energía
adicional para lograr desplazar los fluidos desde el
pozo hasta la superficie. El objetivo primordial de estos
métodos de producción es mantener la rentabilidad del
yacimiento.
3. Bombeo de cavidad progresiva (BCP)
Es una bomba de desplazamiento
rotativo positivo compuesta por un
rotor metálico móvil y una fase
estacionaria (estator) que está
recubierto internamente por
elastómero de forma de doble hélice.
Este sistema se adapta en particular a
fluidos viscosos, pesados aún si estos
transportan partículas sólidas, y/o
flujos bifásicos de gas y petróleo.
4. 4
Reseña histórica del BCP
Fue inventada en 1932 por un Ingeniero Aeronáutico
Francés llamado René Moineau, quién estableció la
empresa llamada PCM POMPES S.A. para la fabricación
de la misma.
Bombas de superficie especialmente para el bombeo de
mezclas viscosas.
Actualmente, el mayor número de bombas de cavidades
progresivas instaladas para la extracción de petróleo se
encuentran en Canadá.
Se utilizan también en pozos productores de crudos
medianos y livianos, especialmente con alto contenido
de agua.
5. 5
Reseña histórica del BCP
En Venezuela, las Bombas de Cavidades Progresivas de
subsuelo comenzaron a evaluarse a mediados de los
años 80. Los resultados no fueron del todo
satisfactorios y esto se debió en gran parte a lo
relativamente incipiente de la tecnología en el país y al
desconocimiento del alcance y limitaciones del sistema.
Hoy en día, se cuenta con instalaciones exitosas en
pozos de crudos viscosos; bajos y medianos; y
aplicaciones a moderadas profundidades.
Las limitaciones del método continúan siendo la incapacidad de los elastómeros
para manejar altas temperaturas, crudos livianos con bajo corte de agua y alto
contenido de aromáticos, medianos a altos volúmenes de gas libre.
Las cabillas representan un elemento con una capacidad limitada al esfuerzo
combinado al torque y tensión constituyendo algunas veces a ser el equipo que
impone la restricción en el diseño del sistema.
Bombas muy versátiles.
6. “
6
Principio de operación
Consta básicamente de un cabezal de accionamiento en superficie y una
bomba de fondo compuesta de un rotor de acero, en forma helicoidal de
paso simple y sección circular, que gira dentro de un estator de
elastómero vulcanizado.
La operación de la bomba es sencilla; a medida que el rotor gira
excéntricamente dentro del estator, se van formando cavidades selladas
entre las superficies de ambos, para mover el fluido desde la succión de
la bomba hasta su descarga.
El estator va en el fondo del pozo enroscado a la tubería de producción
con un empaque no sellante en su parte superior. El diámetro de este
empaque debe ser lo suficientemente grande como para permitir el paso
de fluidos a la descarga de la bomba sin presentar restricción de ningún
tipo.
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7
Principio de operación
El rotor va roscado en las varillas por medio del niple espaciador o
intermedio, las varillas son las que proporcionan el movimiento desde la
superficie hasta la cabeza del rotor. La geometría del conjunto es tal, que
forma una serie de cavidades idénticas y separadas entre sí. Debido a
que las cavidades están hidráulicamente selladas entre sí, el tipo de
bombeo es de desplazamiento positivo.
Otro elemento importante en este tipo de instalaciones es el sistema de
anclaje, que debe impedir el movimiento rotativo del equipo ya que, de lo
contrario, no existirá acción de bombeo. En vista de esto, debe conocerse
la torsión máxima que puede soportar este mecanismo a fin de evitar
daños innecesarios y mala operación del sistema.
8. Tipos de instalación BCP
Tipos de
instalación
BCP
Instalación
convencional
Instalación
insertable
9. Instalación convencional
Primero se baja la tubería de producción se la ancla con un packers luego
de la fijación se baja el estator y rotor que son instalados de forma
separada; es decir, la instalación del estator se desarrolla con la sarta de
tubería de producción y posteriormente se realiza la instalación de la
sarta de cabillas con el rotor.
En este tipo de instalación se demora y consume más tiempo y en
consecuencia mayor inversión, las varillas son las que proporcionan el
movimiento giratorio, son enroscadas al rotor generando el movimiento
giratorio que el sistema exige para ponerse en marcha. Este tipo de
instalación hoy en día ya no es tan usada.
10. Instalación insertable
En la configuración de bombas insertables el estator se baja al fondo del
pozo conjuntamente con el resto del sistema de subsuelo. En otras
palabras, la bomba completa es instalada con la sarta de varillas sin
necesidad de remover la columna de tubería de producción, minimizando
el tiempo de intervención y, en consecuencia, el costo asociado ha dicho
trabajo.
La bomba es la misma que en la configuración convencional con la
diferencia de que viene adaptada a un sistema de acople que permite
obtener un equipo totalmente ensamblado como una sola pieza.
Al rotor se le conecta una extensión de varilla la cual sirve como apoyo al
momento de espaciado de la bomba. Los acoples superior e inferior de
esta extensión sirven de guía y soporte para la instalación de este
sistema.
11. Instalación insertable
Para su asentamiento en fondo de pozo, se cuenta con dos (2) tipos de
sistema de anclaje:
•Anclaje con Niple-11: posee un ancla axial superior (trava del Niple N-
11) la cual es asentada en el Niple N-11, estándar en toda la Faja
Petrolífera del Orinoco, el cual es instalado junto con la tubería de
producción antes de la instalación de BCP Insertable; y un ancla radial de
tubería en la parte inferior (diámetros de tubería de 3 1/2", 4 1/2" y 5
1/2") para evitar vibraciones y movimiento giratorio del sistema.
•Anclaje con Niple N-12 Modificado: posee un Niple de Trava Tipo Garra
(inferior) para ser anclado en el Niple N-12 el cual es instalado junto con
las camisas de asentamiento de la BCP Insertable y la sarta de tubería
de producción; y en la parte superior un Buje con Anillo de Veda como
función para maniobra de asentamiento y hermeticidad de equipo
inserto.
12. Instalación insertable
Ventajas
No necesita ser removida la columna de tubería de producción para extraer la
bomba del 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 pueden utilizarse varillas de
diámetro menor disminuyendo el roce con el tubing.
13. 13
Equipos de subsuelo
Bomba: la bomba es de desplazamiento positivo
rotatorio. Su funcionamiento se basa en el principio de
la bomba Moineao para transportar los fluidos. Está
constituido básicamente por dos elementos: estator y
rotor.
Tubería de producción: es una tubería de acero que
comunica la bomba de subsuelo con el cabezal y la línea
de flujo. En caso de haber instalado un ancla de torsión,
la columna se arma con torsión óptimo API,
correspondiente a su diámetro.
Sarta de varillas: es un conjunto de varillas unidas entre
sí por medio de cuplas formando la mencionada sarta,
se introduce en el pozo y de esta forma se hace parte
integral del sistema de bombeo de cavidad progresiva.
La sarta está situada desde la bomba hasta la
superficie.
14. 14
Equipos de subsuelo
Estator: usualmente está conectado a la tubería de
producción; es una hélice doble interna y moldeado a
precisión, hecho de un elastómero sintético el cual está
adherido dentro de un tubo de acero. En el estator se
encuentra una barra horizontal en la parte inferior del
tubo que sirve para sostener el rotor y a la vez es el
punto de partida para el espaciamiento del mismo. Se
debe prestar mucha atención al seleccionar el
elastómero.
Elastómero: es una goma en forma de espiral y está
adherida a un tubo de acero el cual forma el estator. El
elastómero es un material que puede ser estirado varias
veces su longitud original teniendo la capacidad de
recobrar rápidamente sus dimensiones una vez que
la fuerza es removida.
15. 15
Equipos de subsuelo
Rotor: suspendido y girado por las varillas, es la única
pieza móvil en la bomba. Este consiste en una hélice
externa con un área de sección transversal redondeada,
tornada a precisión hecha de acero al cromo para darle
mayor resistencia contra la abrasión. Tiene como
función principal bombear el fluido girando de modo
excéntrico dentro del estator, creando cavidades que
progresan en forma ascendente. Estando el estator y el
rotor al mismo nivel, sus extremos inferiores del rotor,
sobresale del elastómero aproximadamente unos 460
mm a 520 mm, este dato permite verificar en muchos
casos si el espaciamiento fue bien realizado.
Centralizador: empleado en la tubería con el propósito
de minimizar el efecto de variaciones y a la vez para
centralizar la bomba dentro de la tubería de producción.
16. 16
Equipos de subsuelo
Niple Intermedio o Niple Espaciador: su función es la de
permitir el movimiento excéntrico de la cabeza del rotor
con su cupla o reducción de conexión al trozo largo de
maniobra o a la última varilla, cuando el diámetro de la
tubería de producción no lo permite. En este caso es
imprescindible su instalación.
Niple De Paro: es parte componente de la bomba y va
roscado al extremo inferior del estator y define así la
posición de este, es decir, el estator, en principio, no
posee tope o base. Al colocar el nicle de paro en
cualquiera de sus extremos, queda definido ese extremo
como la base. Su función es:
oHacer de Tope al rotor en el momento del
espaciamiento, para que el rotor tenga el espacio
suficiente para trabajar correctamente.
oServir de pulmón al estiramiento de las varillas, con la
unidad funcionando.
oComo succión de la bomba.
17. 17
Equipos de subsuelo
Trozo De Maniobra: es muy importante instalar un
trozo de esta medida inmediatamente por encima del
rotor, en lugar de una varilla, cuando gira a velocidades
superiores a las 250 RPM. El trozo de maniobra, al ser
de menos de la mitad del largo de la varilla, se dobla
menos o no se dobla, dependiendo de su diámetro.
Ancla de torsión: es el elemento de la columna donde el
esfuerzo de torsión es mayor, no siempre es necesaria
su instalación, ya que en bombas de menor caudal a
bajas velocidades y bajas profundidades no se tienen
torques importantes y no se producen grandes
vibraciones. No obstante, es recomendable en todos los
casos.
Niple de asiento: es una pequeña unión sustituta que se
corre en la sarta de producción. Permite fijar la
instalación a la profundidad deseada y realizar una
prueba de hermeticidad de cañería.
18. 18
Equipos de subsuelo
Mandril A Copas: permite fijar la instalación en el niple
de asiento y produce la hermeticidad entre la instalación
de tubería de producción y el resto del pozo. El término
mandril tiene muchos significados. Puede referirse al
cuerpo principal de una herramienta o un eje.
Zapato probador de hermeticidad: en caso de ser
instalado (altamente recomendado), se debe colocar
siempre arriba del niple intermedio. Para poder probar
toda la cañería y además como su diámetro interno es
menor que el de la tubería de producción no permite el
paso de centralizadores a través de él.
Caño Filtro: se utiliza para evitar, (en el caso de rotura
de estator con desprendimiento de elastómero), trozos
de tamaño regular del mismo, pueden estar dentro del
espacio anular.
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Centralizadores de Cabillas: los centralizadores de cabillas se suelen
colocar sólo en aquellos pozos con desviaciones o inclinaciones muy
pronunciadas. Hasta ahora no existe un acuerdo validado respecto a los
criterios para la ubicación de estos dispositivos
Niples de Drenaje: generalmente se utiliza un niple de drenaje para
desalojar el crudo de la tubería de producción en aquellos casos cuando
no es posible sacar el rotor de la bomba, por ejemplo cuando falla la
sarta de cabillas y no se puede “pescar” la misma. Se activan aplicando
presión interna a la tubería de producción.
Niples “X”: con el fin de detectar agujeros o uniones defectuosas en la
sarta de tubería, se acostumbra realizar una prueba de presión durante
la operación de bajada de la misma, para dicha operación se utilizan los
niples X.
Equipos auxiliares o accesorios
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Anclas de gas: son tres secciones de anclas de 3 pies cada una, con
céntricos en los revestidos de producción cuya función es provocar una
doble separación de gas en el fluido que se desea producir, la primera
separación es natural el gas es desprendido del fluido que genera un
nivel de sumergencia en el espacio anular del revestidor-tubería.
Ancla de Gas Tipo Poorman: se emplea para aplicaciones de separación
de gas en pozos con crudos altamente viscosos y en donde las Anclas
Tipo Copas representan una restricción a la entrada de fluido a la succión
de la bomba tomando en cuenta que la gravedad API de los crudos
manejados sea tal que se vea limitada la movilidad del crudo en este
punto..
Acople flexible: utilizado para transferir el movimiento generado por el
motor al cabezal de rotación. Existen cuatro formas de flexión. Absorben
todo tipo de golpes, vibración y desalineamiento.
Equipos auxiliares o accesorios
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-Torsional: los acoples de elemento flexible tienen una capacidad
excepcional de absorber los golpes y amortiguar las vibraciones. Los
elementos flexibles Hytrel pueden deformarse torsionalmente hasta 7º
dentro de su rango de torque.
-Angular: el diseño único de los acoples dentados, permite la absorción
del desalineamiento angular sin desgaste. Estos límites permiten alinear
acople mediante el uso de una escala y de un compás.
-Paralelo: el desalineamiento paralelo se absorbe sin desgaste o pérdida
considerable de energía. La elasticidad lateral del elemento flexible
minimiza las cargas sobre los rodamientos que normalmente se asocian
con el desalineamiento paralelo.
- Axial: Los acoples flexibles pueden ser usados en aplicaciones con un
limitado movimiento axial. La compresibilidad axial de los elementos
flexibles permite que el eje flote, sin transmitir en lo absoluto la carga en
ella.
Equipos auxiliares o accesorios
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Equipos auxiliares o accesorios
BOP integrales: sus siglas en inglés Blowout Preventer significan
Sistema que Impide Reventones. Es un equipo mecánico proyectado a la
seguridad del sistema BCP de fondo, creando una restricción en el
espacio anular ubicado entre la sarta de cabillas y la sarta de la tubería
del pozo.
BOP con "t" de flujo integral: es un dispositivo nuevo en sistemas BCP,
fue diseñado para cumplir con diferentes necesidades, una de ellas es
proteger al personal que labora durante las instalaciones de la bomba,
ya que no se contaba con la forma de evitar arremetidas mientras se
bajan las cabillas.
23. Una vez obtenidos los parámetros, mínimos de operación, necesarios
para accionar el equipo de subsuelo, es necesario dimensionar
correctamente los equipos de superficie que sean capaces de proveer la
energía requerida por el sistema.
Los componentes de superficie de dividen en tres sistemas que son:
Equipos de superficie
Cabezal de
rotación
Sistema de
frenado
Sistema de
transmisión
24. Debe ser diseñado; para manejar las cargas axiales de las varillas y
transmitir el movimiento rotacional a las mismas mediante el rango de
velocidad a la cual debe funcionar, la capacidad de freno y la potencia
necesaria.
Este es un equipo de accionamiento mecánico instalado en la superficie
directamente sobre la cabeza de pozo. Consiste en un sistema de
rodamientos o cojinetes que soportan la carga axial del sistema, un
sistema de freno (mecánico o hidráulico) que puede estar integrado a
la estructura del cabezal o ser un dispositivo externo.
Cabezal de rotación
25. Se conoce el dispositivo utilizado para transferir la energía desde la
fuente de energía primaria (motor eléctrico o de combustión interna)
hasta el cabezal de rotación.
Para la transmisión de torsión de una máquina motriz a una máquina
conducida, existen al menos tres métodos muy utilizados: transmisión
con engranajes, correas flexibles de caucho reforzado y cadenas de
rodillos.
Sistema de transmisión
Dependiendo de la potencia, posición de los ejes, relación de transmisión,
sincrónica, distancia entre ejes y costo; se seleccionará el método a
utilizar.
26. La segunda función importante del cabezal es la de frenado que requiere
el sistema. Cuando un sistema BCP está en operación, una cantidad
significativa de energía se acumula en forma de torsión sobre las varillas.
Si el sistema se para repentinamente, la sarta de varillas de bombeo
libera esa energía girando en forma inversa para liberar torsión.
Adicionalmente, a esta rotación inversa se le suma la producida debido a
la igualación de niveles de fluido en la tubería de producción y el espacio
anular, en el momento de la parada.
Sistema de freno
Al perder el control de la marcha inversa, las altas velocidades pueden
causar severos daños al equipo de superficie, desenrosque de la sarta de
varillas y hasta la rotura violenta de la polea el cabezal, pudiendo
ocasionar esta situación daños severos al operador.
27. Características del sistema de frenado:
El freno tiene la capacidad requerida para manejar conjuntos de alta
potencia con bombas de gran dimensión.
El motor hidráulico que equipa el cabezal es de alta eficiencia y respuesta
inmediata en ambos sentidos de giro.
El manifould comando permite un rango de regulación según las
exigencias del equipo. Ya que se puede optar por un freno progresivo, así
evitando aprisionamiento de la bomba de fondo; caso contrario se puede
optar por un bloqueo del mismo según los requerimientos operativos.
El freno de disco asegura una mejor dispersión del calor generando un
frenado prolongado.
Las pastillas del freno se pueden reemplazar fácilmente en el campo por
el buen acceso al caliper de freno que se tiene.
El freno funciona automáticamente tan pronto como hay contrarrotación
y la velocidad de contrarrotación se puede ajustar fácilmente por el alto
rango de regulación que consta el manifould comando.
Sistema de freno
28. De lo frenos utilizados se pueden destacar los siguientes:
Freno de accionamiento por fricción: compuesto tradicionalmente de un
sistema de disco y pastillas de fricción, accionadas hidráulicamente o
mecánicamente cuando se ejecuta el giro a la inversa. Este tipo de freno
es utilizado generalmente para potencias transmitidas menores a 75
HP.
Sistema de freno
Freno de accionamiento Hidráulico: es muy utilizado debido a su mayor
eficiencia de acción. Es un sistema integrado al cuerpo del cabezal que
consiste en un plato rotatorio adaptado al eje del cabezal que gira
libremente en el sentido de las agujas del reloj (operación de una BCP).
Dependiendo del diseño del cabezal, este mecanismo hidráulico puede
accionarse con juegos de válvula de drenaje, embragues mecánicos, etc.
29. 29
Ventajas
Típicamente se obtienen eficiencias entre 50 y 60 %.
Producción de fluidos altamente viscosos (2000-
500000) centipoises;
Bajo costo de inversión, la inversión de capital es del
orden del 50% al 25% del de las unidades
convencionales de bombeo, dependiendo del tamaño,
debido a la simplicidad y a las pequeñas dimensiones
del cabezal de accionamiento.
Los costos operativos son también mucho más bajos.
Se señala ahorros de energía de hasta 60% al 75%
comparado con unidades convencionales de bombeo
eficiente. El sistema de accionamiento es también
eficiente a causa de que la varillas de bombeo no se
levantan y bajan, solo giran.
Los costos de transporte son también mínimos, la
unidad completa puede ser transportada con una
camioneta.
30. 30
Ventajas
Opera eficientemente con arena debido a la resiliencia del material del estator y al mecanismo
de bombeo.
La presencia de gas no bloquea la bomba, pero el gas libre a la succión resta parte de su
capacidad, como sucede con cualquier bomba, causando una aparente ineficiencia;
Amplío rango de producción para cada modelo, rangos de velocidades recomendados desde
25 hasta 500 RPM, lo que da una relación de 20 a 1 en los caudales obtenidos. Este rango se
puede obtener sin cambio de equipo.
La ausencia de pulsaciones en la formación cercana al pozo generará menor producción de
arena de yacimientos no consolidados. La producción de flujo constante hacen más fácil
la instrumentación.
El esfuerzo constante en la sarta con movimientos mínimos disminuye el riesgo de fallas por
fatiga y la pesca de varillas de bombeo;
Su pequeño tamaño y limitado uso de espacio en superficies, hacen que la unidad BPC sea
perfectamente adecuada para locaciones con pozos múltiples y plataformas de producción
costa fuera.
El bajo nivel de ruido y pequeño impacto visual la hace ideal para áreas urbanas;
Ausencia de partes reciprocantes evitando bloqueo o desgaste de las partes móviles; y
Simple instalación y operación.
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31
Desventajas
Resistencia a la temperatura de hasta 280°F o 138°C (máxima de 350°F
o 178°C);
Alta sensibilidad a los fluidos producidos (elastómeros pueden hincharse
o deteriorarse con el contacto de ciertos fluidos por períodos
prolongados de tiempo);
Tendencia del estator a daño considerable cuando la bomba trabaja en
seco por períodos de tiempo relativamente cortos (que cuando se
obstruye la succión de la bomba, el equipo comienza a trabajar en seco);
Desgaste por contacto entre las varilla y la cañería de producción en
pozos direccionales y horizontales; y
Requieren la remoción de la tubería de producción para sustituir la
bomba (ya sea por falla, por adecuación o por cambio de sistema).
32. Los elastómeros son la base del sistema BCP en el que está moldeado el
perfil de doble hélice del estator. De su correcta determinación y su
interferencia con el rotor depende en gran medida la vida útil y eficiencia
de la BCP.
El elastómero es un elemento que puede ser estirado un mínimo de dos
veces de su longitud y recuperar inmediatamente su dimensión original.
Elastómeros
Condiciones de elastómeros para BCP
Resistencia a la fatiga; hasta 500.000.000 de ciclos acumulados de
deformación cíclica.
Elasticidad; Fuerza necesaria por unidad de superficie para estirar una
unidad de longitud (resistencia a la presión).
Dureza shore; fuerza requerida para deformar la superficie del
elastómero.
Resistencia al desgarramiento.
33. Resistencia a la abrasión; pérdida de material por abrasión.
Resilencia: velocidad para volver a la forma original, para poder volver a
sellar las cavidades.
Permeabilidad; para evitar la descompresión explosiva, en paros de
producción de pozos con gas libre en la succión de la bomba.
Condiciones de elastómeros para BCP
34. El hinchamiento rigina una excesiva interferencia y como consecuencia,
un torque excesivo en las cabillas y calentamiento (y posible destrucción)
del Elastómero.
Condiciones de elastómeros para BCP
El Endurecimiento afecta negativamente a la resiliencia y como
consecuencia la eficiencia de la bomba.
El Reblandecimiento deteriora la hermeticidad entre las cavidades y por
ende la eficiencia de la bomba. Cada Fabricante posee sus propios
desarrollos y por lo general utilizan nomenclaturas propias, no obstante,
las bases son Nitrílos, bases Hidrogenadas o Fluoelastómeros.
Los cambios comunes en las propiedades mecánicas de los elastómeros
son_:
Hinchamiento Endurecimiento Reblandecimiento
35. Los principales elastómeros que se usan en la industria petrolera son el
caucho de nitrilo butadieno NBR (nitrile butadiene rubber), cadenas
poliméricas de butadieno y acrilonitrilo (ACN).
Elastómetos para petróleo
El butadieno posee un doble enlace tenso de carbono; que favorece
las reacciones químicas permitiendo agregar aditivos que mejoran sus
propiedades.
Proceso de vulcanización; los aditivos se mezclan mecánicamente y
luego se moldea y vulcaniza la mezcla para acelerar el proceso de
formación de las enlaces.
Se utiliza más de una docena de aditivos en cada compuesto específico
de caucho, tales como azufre que provee enlaces reductores de fricción,
catalizadores de vulcanizado. Etc.
Características del NBR Y ACN.
NBR
36. Dureza shore > % de ACN >resistencia a los aromáticos y al CO2.
Dureza shore > % de carbono > resistencia mecánica.
Baja resistencia al H2S pues ataca el enlace triple del ACN.
Los oleófilos tienden a absorber petróleo.
Baja resistencia al agua caliente.
Características del NBR Y ACN.
NBR
ACN
Este compuesto el que le aporta las propiedades necesarias para
afrontar los requerimientos de la explotación de petróleo. El contenido
de ACN en los elastómeros para petróleo está comprendido entre 18 y
50 %, produciendo diferentes efectos sobre sus características y
propiedades.
37. Estos elastómeros son utilizados cuando las características se los pozos
son extremas; los más usados son: caucho de nitrilo butadieno
hidrogenado HNBR (hydrogenated nitrile butadiene rubber) y el
clorosulfuro de polietileno.
Buena resistencia al H2S el hidrogeno satura el triple enlace del ACN.
Muy buena resistencia a la temperatura.
Propiedades mecánicas medias.
Descompresión explosiva pobre.
Baja resistencia a los aromáticos y al CO2.
Muy baja resistencia al agua caliente.
Cauchos especiales
HNBR
38. Excelente resistencia al agua caliente y al CO2.
Muy baja resistencia al petróleo.
Buena resistencia a la abrasión.
Se utiliza para pozos de agua y gas.
Cauchos especiales
Clorosulfuro de polietileno
Propiedades mecánicas dinámicas de los elastómeros
El elastómero es un compuesto que posee propiedades "visco-
elásticas", dicho en otras palabras, en un proceso de deformación cíclica
el elastómero tiene la habilidad única de almacenar y disipar energía
simultáneamente.
Las gomas sintéticas, en la mayoría de sus aplicaciones, son sometidas a
cierto grado de deformación cíclica o absorción de cargas, situación típica
observada en la operación de una BCP.
39. La base de esta discusión se centra en que las propiedades mecánicas
dinámicas de una goma sintética sometidas a una deformación (< 25%)
son independientes a la magnitud de la deformación. Y al contrario, son
fuertemente dependiente de la arquitectura molecular, temperatura,
frecuencia de deformación y componentes varios.
Los datos de las propiedades dinámicas mecánicas son obtenidas a
través de ensayos de desplazamiento de la goma (compresión o tensión)
aplicando una deformación sinusoidal cíclica, llamado Módulo
de elasticidad Complejo (E*).
Este módulo está compuesto por:
E" Modulo de elasticidad. Componente elástica. (Energía recuperable)
que se encuentra en fase con el desplazamiento.
E"" Modulo de elasticidad. Componente viscosa. (Energía irrecuperable).
Para una deformación sinusoidal, la relación entre la componente
viscosa (E") y la componente elástica (E") esta representado por la
relación Tan d.
Tan d = E" / E“
Propiedades mecánicas dinámicas de los elastómeros
40. Pero el contenido de acrilonitrilo (ACN) ayuda al elastómero a adquirir
propiedades y características especiales para resistir las exigencias
operativas del sistema BCP. La contrapartida del agregado es que
cuanto mayor es el contenido de ACN en el elastómero, menor es la
elasticidad y la resiliencia del mismo, aumentando la componente
viscosa y en consecuencia el almacenamiento de energía en su interior
(aumenta el Tan d).
Propiedades mecánicas dinámicas de los elastómeros
41. 41
Geometría
La geometría de la bomba está sujeta a la relación de lóbulos entre rotor y estator, y
está definida por los siguientes parámetros: cada ciclo de rotación del rotor produce
dos cavidades de fluido.
El área es constante, y la velocidad de rotación constante, el caudal es uniforme;
Esta es una importante característica del sistema que lo diferencia del bombeo
alternativo con descarga pulsante. Esta acción de bombeo puede asemejarse a la de
un pistón moviéndose a través de un cilindro de longitud infinita.
La mínima longitud requerida por la bomba; para crear un efecto de acción de
bombeo es UN PASO, ésta es entonces una bomba de una etapa. Cada longitud
adicional de paso da por resultado una etapa más. El desplazamiento de la bomba,
es el volumen producido por cada vuelta del rotor (es función del área y de la
longitud de la cavidad).
En tanto, el caudal es directamente proporcional al desplazamiento y a la velocidad
de rotación.
42. 42
Geometría
La capacidad de un sistema BCP para vencer una determinada presión está dada
por las líneas de sello hidráulico formados entre ROTOR y ESTATOR. Para obtener
esas líneas de sello se requiere una interferencia entre rotor-estator, es decir una
compresión entre rotor y estator.
Posición relativa del rotor y el estator en una bomba de lóbulo simple.
Existen distintas geometrías en sistemas BCP, y las mismas están relacionadas
directamente con el número de lóbulos del estator y rotor.
La relación entre el número de lóbulos del rotor y el estator permite definir la
siguiente nomenclatura:
43. 43
Geometría
Bombas de geometría simple. Son aquellas en las cuales el número de lóbulos del
rotor es de uno, mientras que el estator es de dos lóbulos (relación 1x2).
Bombas Multilobulares. A diferencia de las bombas de geometría simple, las
multilobulares ofrecen rotores de 2 o más lóbulos en Estatores de 3 o mas (relación
2x3, 3x4, etc.). Estas bombas ofrecen mayores caudales que sus similares de
geometría simple. Teóricamente estas bombas ofrecen menor torque que las
bombas de geometría simple, adicionalmente, considerando el mismo diámetro, las
bombas multilobulares ofrecen mayores desplazamientos volumétricos lo cual sería
una oportunidad para obtener bombas insertables de mayor tasa.
Ventajas Geometría Simple Lóbulos:
Menor número de etapas.
Mayores velocidades.
Menos torque hidráulico.
Mayor manejo de fluidos a baja
presión.
Ventajas Geometría Multi Lóbulos:
Más producción.
Más levantamiento.
Menos velocidad.
Bombas más cortas.
44. 44
Geometría
La distribución de efectos es dada por la cantidad de veces que la línea de sellos se
repite, define el número de etapas de la bomba. Cada etapa está diseñada para
soportar una determinada presión diferencial, por lo tanto a mayor número de
etapas, mayor es la capacidad para vencer una diferencial de presión. Se pueden
presentar distintas combinaciones que afectan a la distribución de la presión dentro
de la bomba:
45. 45
Geometría
Interferencia entre rotor y elastómero.
Diferencia entre el diámetro externo de la sección del rotor y el menor diámetro del
estator.
Necesaria para generar presión diferencial entre cavidades, que requiere un sellado
hermético entre rotor y estator.
Es la característica más importante a determinar para obtener una larga vida útil
una vez dimensionado el equipo BPC.
Baja interferencia: disminuye la eficiencia de la bomba.
Alta interferencia: pronta rotura por histéresis.
Distribución y efectos
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Diseño de BCP y selección de la bomba
Para la selección de una bomba BCP se deben tener en cuenta ciertas
variables que restringirían dicha selección. Entre ellas podemos nombrar
a: - Caudal a extraer. - Profundidad de la bomba. - Diámetro del casing. -
Tipo de fluido (viscosidad, aromáticos, arena, % de agua ). La combinación
de estas variables me determinara: - Geometría (―singlelobe‖,
―multilobe‖). - # de etapas. - Diámetro de tubing y varillas de bombeo. -
Tipo de elastómero (contenido de acrilonitrilo, hidrogenados, biton, etc.).
Otra variable de diseño y selección es la interferencia entre rotor y
estator (ajuste). Una apropiada selección de la interferencia puede ser
considerada como una de las variables más importantes de la selección
de una bomba PCP, siendo esta en muchos casos la variable a mejorar
para aumentar la vida útil del sistema.
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Diseño de BCP y selección de la bomba
Antes de comenzar a diseñar un método de producción, es de suma
importancia contar con todos los datos necesarios para ello y los
mismos deben de ser del todo confiables a fin de garantizar el diseño
adecuado, en este punto hay que destacar que no existe una solución (o
diseño único) y que la misma depende de diversos factores técnico
económicos incluyendo las políticas de explotación del yacimiento.
Existe una diversidad de ecuaciones, tablas, nomogramas, etc, para el
diseño o selección de los equipos; no obstante, muchos de estos
recursos fueron elaborados bajo determinadas suposiciones, las cuales
no siempre reflejan la realidad del campo.
Para solventar lo anteriormente expuesto, se han desarrollado
numerosos programas comerciales de computo (software), los cuales
incluyen sofisticados y complejos algoritmos de cálculo para predecir
comportamientos multifásicos, mecánicos e hidráulicos en el pozo.
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Diseño de BCP y selección de la bomba
Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar
los gradientes de presión y la capacidad de levantamiento de la bomba.
Esta información también afecta otras decisiones, tales como la posición
de asentamiento de la bomba, y la colocación de centralizadores de
cabilla.
Conocer la completación mecánica del pozo es muy importante para
determinar la colocación de la bomba o del ancla de gas, sobre todo en
aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava.
La historia de producción de arena del pozo es un elemento de decisión
importante al momento de determinar la profundidad de colocación de
la bomba. Por ejemplo, en un pozo completado en una zona con historia
de alta producción de arena, es conveniente colocar la bomba a menor
profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente
colocar una cola o tubo de barro más largo.
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Diseño de BCP y selección de la bomba
En general, entre más baja se coloque la bomba más alto es el caudal
que se podrá alcanzar, pues es posible lograr menores presiones de
fondo fluyente, y probablemente una mejor eficiencia volumétrica. Sin
embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por
el sistema, la cual aumentará el nivel de abrasión, perjudicando así la
vida útil de los equipos de subsuelo.
En caso de no contar con una medición de la presión de cabezal, es
necesario conocer la geometría de la línea de flujo para estimar los
cambios de presión entre la estación y el cabezal por elevación y la
pérdidas por fricción.
Las curvas de catálogo son representaciones del comportamiento
promedio de las bombas utilizando generalmente agua y un rotor
estándar, es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba,
una vez adquirida esta, con el rotor seleccionado y construir la curva real
comparándola con la del catálogo; esto es importante tanto antes de
instalar la bomba en el pozo, como parte del protocolo de pruebas una
vez recuperada la misma para determinar su posible reutilización.
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Diseño de BCP y selección de la bomba
Para la selección del diámetro de la tubería de producción es necesario
considerar en primer lugar el esquema de producción (por el eductor o
por el anular). En el caso de producción por el espacio anular se puede
usar una tubería más pequeña, pero debe asegurarse que exista espacio
suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para
absorber el movimiento excéntrico del rotor, especialmente a nivel del
acople.
Al momento de diseñar la sarta de cabillas es posible emplear sartas
ahusadas, pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado
por la cabilla se debe al torque producido en la bomba, por lo tanto la
mejora que se observa en el tramo superior, al reducir el peso de la
sarta, no compensa la reducción de resistencia asociada a la reducción
de diámetro del tramo inferior.
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Diseño de BCP y selección de la bomba
La eficiencia volumétrica de las BCP, al igual que la de otros tipos de
bombas, es afectada de manera significativa por la presencia de gas
libre. Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de
gas significativas a la entrada de la bomba, se recomienda invertir
esfuerzos en la separación de gas.
Las propiedades físico químicas del crudo y el gas son de gran
importancia para determinar la concentración de aquellos componentes
que atacan los elastómeros en el líquido son los aromáticos y asfaltenos
y en el gas el CO2 y el H2S.
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Diseño de BCP y selección de la bomba
En el caso particular de crudos pesados y extrapesados, muchas veces
se presenta el fenómeno de la espumosidad del crudo, mediante la cual
el gas se encuentra disperso en forma de pequeñas burbujas dentro del
crudo, confiriéndole al fluido una movilidad muy por encima de lo
esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad
bastante menor a la del líquido. Lo contrario ocurre con la formación de
emulsiones, en cuyo caso las caídas de presión suelen estar muy por
encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo.
Para realizar una correcta selección del moto-reductor, es necesario
contar con el torque requerido en superficie a la máxima velocidad de
bombeo esperada. Este torque depende del tipo de bomba, el diferencial
de presión en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el
eductor.
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Diseño de BCP y selección de la bomba
No existe una solución única para un diseño BCP, la idea es elegir la mas
adecuada dependiendo de las políticas o criterios que se manejen tales
como mayor producción, rentabilidad, estandarización, soporte del
suplidor de los equipos (asesoría post venta), etc.
La selección del elastómero y del rotor es de suma importancia ya que
de ellos dependerá la magnitud de la interferencia y por ende la
eficiencia de la bomba.
