Bombeo por Cavidades Progresivas

Bombeo por Cavidades
Progresivas
República Bolivariana de Venezuela
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Producción de Hidrocarburos – SAIA Extensión Maracaibo
Ainee Montiel C-27.689.389
Ing.Petróleo
Profesora: Deisy Díaz
Agosto, 2020

Índice
Bombeo por Cavidad Progresiva
● Introducción
● Principios
● Tipos de Instalación
● Aplicación
● Ventajas y Desventajas
● Equipos de Superﬁcies
● Equipos de Subsuelos
● Procedimiento de Diseño
● Ejemplo práctico
● Conclusión

Introducción
El propósito de los métodos de levantamiento artificial es minimizar los
requerimientos de energía en la cara de la formación productora, con el
objeto de maximizar el diferencial de presión a través del yacimiento y
provocar la mayor afluencia de fluidos. El sistema de levantamiento artificial
por bombeo de cavidad progresiva es una bomba de desplazamiento rotativo
positivo. Esa bomba es accionada desde la superficie por medio de cabillas
que transmiten la energía a través de un motor eléctrico ubicado en la
superficie. Hoy en día el bombeo por cavidades progresivas es destacado
como sistema de levantamiento artificial, en recuperación de petróleos
pesados. El uso de estas bombas se extendió a diferentes países como;
Venezuela, Argentina, California, Canadá entre otros.

Consiste en una máquina rotativa de
desplazamiento positivo, compuesta por un rotor
metálico, un estator cuyo material es
elastómeros, un sistema motor y un sistema de
acoples flexibles.
Proporciona un método de levantamiento
artificial que se puede utilizar en la producción de
fluidos muy viscosos y posee pocas partes
móviles por lo que su mantenimiento es
relativamente sencillo.

Su operación se basa en la acción continua de una
bomba de cavidades progresivas estilo tornillo sin fin,
cuyos requerimientos de potencia son suministrados
por un motor eléctrico de superficie o subsuelo.
Cuando el motor está ubicado en la superficie, la
transmisión de energía a la bomba se da a través de
un eje o varillas que comunican el motor y la bomba
desde la superficie hasta el subsuelo. Cuando el
motor está en el fondo, se lleva un cable desde
superficie el cual les proporcionará la energía al
motor para que opere y mueva la bomba.

Principios de Bombeo por Cavidad Progresiva
Una vez que el conjunto estator – rotor se coloca a
la profundidad programada, la unión de ambos
forman cavidades definidas y selladas, a medida
que el rotor gira, las cavidades progresan hacia
arriba desde la admisión a la descarga de la
bomba, transportando los fluidos a través de la
tubería de producción desde el pozo hasta la
estación de flujo.
El movimiento rotatorio es generado en superficie
por el motovariador y transmitido al rotor a través
del cabezal de rotación y la sarta de cabillas.

Tipos de instalación de Bombeo por
Cavidad Progresiva
Instalación Convencional
Se inicia bajando la tubería de producción, se vincula con un packers para
bajarla a el estator y rotor que son instalados de forma separada; en este tipo
de instalación se consume más tiempo y en consecuencia mayor inversión.
Las varillas son las que proporcionan el movimiento giratorio, son enroscadas
al rotor generando así el movimiento que el sistema exige para ponerse en
marcha.

Instalación Insertable
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 el costo asociado a dicho trabajo. 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.
Tipos de instalación de Bombeo por
Cavidad Progresiva

Aplicación de Bombeo por Cavidad Progresiva
● Usado principalmente en el
desagüe de pozos de gas.
● Pozos Derivados.
● Limitados solo para yacimientos
pocos profundos, posiblemente
5000 pies.
● Explotación del petróleo pesado
o liviano.

Ventajas del Bombeo por Cavidad Progresiva
● Bajas inversiones para pozos
someros.
● Bajos Costos.
● Fácil de instalar y operar.
● Aumenta su eficiencia conforme
aumenta la viscosidad del fluido.
● Altas eficiencia volumétricas.
● Ofrece mayor resistencia que
cualquier otro sistema al operar
con altos contenidos de arenas y
alta RGP.
● Buena resistencia a la abrasión.
● Utilización de motores pequeños.
● Relativamente silencioso.
● Ocupa poco espacio en la
superficie.

Desventajas del Bombeo por Cavidades
Progresivas
● La temperatura a la profundidad de la
bomba afecta el elastómero, baja
tolerancia a altas temperaturas.
● No opera con eficiencia a grandes
extensiones de cabillas necesarias.
● No se emplea en crudo livianos.
● Se requiere de workover para el
mantenimiento del equipo.
● No es compatible con CO2, ni demás
fluidos de tipo ácidos.
● El elastómero se deteriora en
exposición a ciertos fluidos.
● El estator tiende a dañarse si
la bomba trabaja al vacío.

Equipos de Superﬁcies
● Cabezal Giratorio: Sostiene la sarta de
cabillas y la hace rotar.
● Motor: Acciona el cabezal giratorio a través
de poleas y cadenas.
● Barra Pulida y Grapa: Está conectada a la
sarta de cabillas y soportada del cabezal
giratorio mediante una grapa.
● Prensa Estopa: Sella espacios entre la barra
pulida y la tubería de producción.

Equipos de Subsuelo
● Tubería De Producción: Comunica la
bomba de subsuelo con el cabezal y la
línea de ﬂujo.
● Sarta De Cabillas: Conjunto de cabillas
unidas entre sí introducidas en el pozo.
● Estator: Hélice doble interna, fabricada
con un elastómero sintético adherido
dentro de un tubo de acero.
● Rotor: Hélice externa con un área de
sección transversal redondeada y
tornada a precisión.
● Elastómero: Goma en
forma de espiral adherida
al estator.

Procedimiento de diseño de Bombeo de
Cavidad Progresiva
● Estimación de capacidad de aporte de ﬂuidos de arena productora. Debe
graﬁcarse la IPR con base en la prueba de producción del pozo, presión
estática y presión de burbujeo, para determinar la oferta de la arena
productora. Estimar caudal máximo permisible de producción, de
acuerdo a la IPR y considerando futuros problemas de agua, gas y/o
arena. Seleccionar el caudal de diseño y su respectiva Pwf.
● Determinación del nivel dinámico de líquido. estimación de gradiente de
presión de la mezcla, altura de la mezcla, nivel dinámico.
● Determinación de profundidad de asentamiento de la bomba
● Estimación de presión y temperatura de entrada de la bomba.

● Determinación de los parámetros PVT de los ﬂuidos a condiciones de
entrada de la bomba.
● Determinación de fracción de gas en la entrada de la bomba y cálculo de
tasa de ﬂujo.
● Escoger RPM y factor de cabezal según los niveles de producción.
● Cálculo de desplazamiento de la bomba y determinación de head rating.
● Selección de bomba requerida, determinación de RPM ajustados a la
bomba.
● Selección del diámetro de la cabilla, de acuerdo al tamaño de la tubería
de producción. Cálculo de potencia del motor.
Procedimiento de diseño de Bombeo de
Cavidad Progresiva

Ejemplo Práctico
Datos
● Profundidad máxima de Bomba: 3200 pies
● Nivel estático: 1000 pies
● Nivel dinámico: 2645 pies
● Producción petróleo para 2645 pies: 80 b/d
● Producción agua para 2645 pies: 20 b/d
● Gradiente estático en el anular: 0,373 lpc/pie
● Gradiente dinámico en el anular: 0,370 lpc/pie.
● Gradiente de los ﬂuidos en el eductor: 0,425 lpc/pie
● Presión en cabezal tubería producción.: 100 lpc
● Presión en cabezal revestidor: 0 lpc
● Diferencial de presión en el eductor: 240 lpc
● Velocidad máxima: 250 r.p.m
Consideraciones
● Desprecie el volumen de gas
en el anular.
● Considere viscosidad muy
baja (1 cps)
● Asuma tasa de gas en la
bomba, despreciable
(RGP/RGL muy bajas).
● Utilice ecuaciones para IP
constante.
● Considere un factor de
seguridad para el head de
20%.

Ejemplo Práctico
Calcular:
● Tasa de producción (considere
una sumergencia de 200 pies).
● Presión / head en la bomba.
● Seleccionar bomba.
● Velocidad de operación.
● Diámetro de cabillas.
● Carga axial en el cabezal.
● Potencia en el eje.
● Torque.
● Vida útil de los rodamientos.
● Seleccionar modelo de cabezal.

Ejemplo Práctico
Calculo de Tasa de Producción
IP constante
IP = Q / (Ps – Pwf)
Ps = 0,373 lpc/pie x (3200 – 1000) pies = 821 lpc
Pwf = 0,370 lpc/pie x (3200 – 2645) pies = 205 lpc
IP = 100 b/d / (821 – 205) lpc = 0,162 b/d /lpc
QMáx = IP x Ps = 0,162 b/d /lpc x 821 lpc = 133 b/d

Ejemplo Práctico
Calculo de Tasa de Producción
Considerando una sumergencia de 200 pies en la bomba el nivel dinámico a
estas condiciones de operación sería de : 3000 pies (3200´-200´) .
La Presión ﬂuyente sería :
Pwf= 0.3700 lpc/pie x (3200 –3000) pies = 74 lpc
Finalmente la tasa para un nivel dinámico de 3000 pies es de:
Q = IP x (Ps – Pwf)
0,162 b/d /lpc x (821 –74) lpc = 121 b/d.

Cálculo de la presión de la bomba
ΔP = P2 – P1
P1 = CHP + G1xND + G2xH = 0 + 0 + 0,370x(3200-3000) = 74 lpc
P2 = THP + G3xPB + DP_Fr = 100 + 0,425x3200 + 240 = 1700 lpc
ΔP = 1700 – 74 lpc = 1626 lpc x Fs = 1951 lpc
Head = 1626 lpc / 0,433 lpc/pie = 3755 pies x Fs = 4506 pies.
Se trabajará con 1950 lpc ó 4500 pies (1372 mts).
Ejemplo Práctico

Con un head de 1370 mts:
Ejemplo Práctico
Se aprecia que todas las bombas, excepto la 30TP2000, cumplen con el
criterio de velocidad de operación menor a 250 r.p.m. (Criterio de diseño)

Selección de Bomba
Revisando las especiﬁcaciones de las tres bombas pre-seleccionadas se
obtienen requerimientos de potencias en el eje del impulsor de:
● 60TP2000; 5,0 Kw = 6,7 Hp
● 80TP2000; 5,5 Kw = 7,3 Hp
● 120TP2000; 5,5 Kw = 7,3 Hp
Suponiendo que las tres puedan mecánicamente ser instaladas en el pozo, se
seleccionará la bomba 80TP2000 para disponer de cierta capacidad de reserva
en caso de que el pozo responda con mayor producción. La bomba 80TP2000
puede instalarse en el pozo con tubería de 2-3/8” o 2-7/8”.
Asumiremos tubería de 2-7/8”.
Ejemplo Práctico

Torque Requerido
Torque hidráulico: Torque debido a la fricción de la sarta de cabillas girando
en el fluido, el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es función
del desplazamiento de la bomba y de la altura hidráulica.
Torque debido a la fricción de la sarta de cabillas girando en el fluido: Es
función de la velocidad de rotación, el diámetro y longitud de la sarta de
cabillas (profundidad de la bomba), el área del espacio anular entre las
cabillas y la tubería de producción.
Ejemplo Práctico

Ejemplo Práctico
Según el nomograma se prodrían utilizar cabillas de ¾ , ya que la tubería es
de 2-⅞ se podría elegir una sarta de cabillas de ⅞ grado D

Carga Axial
● Profundidad de bomba = 3200 pies.
● Diámetro de cabillas = 7/8 “
● Fr = 3500 daN
● Altura = 4500 pies
● Bomba serie 2-3/8”
● Fh = 1000 daN
● Carga axial = 4500
● daN =10115 lbs. = 4,6 Tn
Ejemplo Práctico
Con la carga axial y la velocidad de
rotación se utilizan las curvas de los
rodamientos de los cabezales de rotación
y en función del cabezal elegido, se puede
calcular el tiempo de vida.

Seleccionando el cabezal de rotación modelo AV1-9-7/8¨, con 4,6 Tn de carga
axial y girando a 145 r.p.m, se obtiene una duración mayor a las 100 Mhoras.
Ejemplo Práctico

Diseño Final
● Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies.
● Tubería de 2-7/8” con cabillas de 7/8”.
● Velocidad de operación 145 r.p.m.
● Cabezal de rotación de 9000 lbs
● La potencia del motor dependerá del equipo de
superﬁcie a utilizar, estos es, motovariador,
moto reductor o equipos de poleas y correas.
● La potencia en el eje es de 7,3 Hp
● El torque del sistema 264 lbs-pie.
Ejemplo Práctico

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