Este documento describe el funcionamiento de las bombas de cavidad progresiva (PCP). Explica que estas bombas constan de un rotor metálico helicoidal que gira dentro de un estator fijo moldeado en forma de doble hélice. Mientras el rotor gira, se forman cavidades de flujo que se desplazan axialmente bombeando el fluido. También analiza los componentes, instalación, ventajas y desventajas de este tipo de bombas.

1. BOMBEO DE CAVIDADES
PROGRESIVAS
Angee Clavijo
Ferney Leiton
Adrian Rojas
Carlos Rozo
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 1

2. ¿QUÉ ES UNA PCP?
La bomba PCP esta constituida por dos piezas longitudinales en forma de
hélice, una que gira en contacto permanente dentro de la otra que esta fija,
formando un engranaje helicoidal:
2.El rotor metálico, es la pieza interna conformada por una sola
hélice
3. 2. El estator, la parte externa está constituida por una camisa de acero
revestida internamente por un elastómero, moldeado en forma de hélice
enfrentadas entre Si, cuyos pasos son el doble del paso de la hélice del rotor.
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3. AVANCES
• Producción de petróleos pesados y bitúmenes (<18 API) con cortes de
arena hasta del 50%
• Producción de crudos medios ( 18-30%API) con limitaciones en el
porcentaje de SH2
• Petróleos livianos(>30% API)con limitaciones en aromáticos
• Producción de pozos con altos % de agua y altas producciones brutas,
asociadas a proyectos avanzados de recuperación secundaria ( por
inyección de agua).
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4. VENTAJAS
• Alta eficiencia total
• Habilidad para producir fluidos altamente viscosos
• Habilidad para producir con altas concentraciones de arena
• Habilidad para tolerar altos porcentajes de gas libre ( no se bloquea)
• Ausencia de válvulas o partes reciprocantes evitando el bloqueo o
desgaste de las partes móviles
• Muy buena resistencia a la abrasión
• Bajos costos de inversión inicial
• Bajos costos de energía
• Demanda constante de energía
• Simple instalación y operación
• Bajo mantenimiento
• Equipos de superficie de pequeñas dimensiones
• Bajo nivel de ruido.
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5. DESVENTAJAS
• Las capacidades de desplazamiento real de hasta 2000 Bls/dia o 320
m3/dia (máximo 4000 Bls/dia o 64 m3/dia)
• Capacidad de elevación de hasta 6000 pies 0 1850 metros (máximo
10050 pies o 3500 metros)
• Resistencia a la temperatura de hasta 280 f o 138 c (máxima de 350 f o
178 c)
• Alta sensibilidad a los fluidos producidos ( los elastómeros pueden
hincharse o deteriorarse con el contacto de ciertos fluidos por
periodos prolongados de tiempo)
• Opera con bajas capacidades volumétricas cuando se producen
cantidades de gas libres considerables (evitando una buena
lubricación)
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6. • Tendencia del estator a daño considerable cuando la bomba trabaja en
seco por tiempos relativamente cortos
• Desgaste por contacto entre varillas de bombeo y la tubería de
producción puede tornarse grave en pozos direccionales y horizontales
• La mayoría de los sistemas requieren la remoción de la tubería de
producción para sustituir la bomba
• Los sistemas están propensos a altas vibraciones en el caso de operar
a altas velocidades requiriendo el uso de anclas de tubería y
estabilizadores o centralizadores de varillas de bombeo
• Poca experiencia en el diseño, instalación y operación del sistema
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7. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
El Estator y el Rotor no son
concéntricos , un motor transmite
movimiento rotacional al rotor que
lo hace girar en si propio eje este
movimiento forman una serie de
cavidades idénticas y separadas
entre si.
Cuando el rotor gira en el interior
del estator estas cavidades se
desplazan axialmente desde el
fondo del Estator hasta la
descarga creando un efecto de
succión
Las cavidades están
hidráulicamente selladas y el tipo
de bombeo es de PROGRESIVAS
BOMBEO DE CAVIDADES desplazamiento
positivo. PRODUCCIÓN II 7

8. D= Diámetro mayor del rotor
dr= Diámetro de la sección transversal del rotor
E= Excentricidad del rotor.
Ps= Paso del estator (Longitud de la cavidad = longitud de la etapa)
Pr = Paso del rotor
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9. Cada ciclo de rotación del rotor produce dos
cavidades de flujo. La sección de esta cavidad esta
dada por.
A= 4 * d * E
El área y la velocidad son constantes. Así como el
caudal permanece uniforme. Estas características
del sistema son la deferencia entre el bombeo
alternativo con descarga pulsante.
El desplazamiento de la bomba, es el volumen
producido por cada vuelta del rotor, (En función del
área y de la longitud de la cavidad)
V = A*L = 4*dr*E*Ps
En tanto, el caudal es directamente proporcional al
desplazamiento y a la velocidad de rotación N
Q=V*N = 4*dr*E*Ps*N
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10. La capacidad de la bomba PCP está dada por las líneas de sello
hidráulico formados entre el ROTOR-ESTATOR.
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11. GEOMETRIAS
Existen distintas geometrías en bombas PCP, y están relacionadas
directamente con el número de lóbulos del estator y rotor. Y se
clasifican en dos grandes grupos.
• Singlelobe o single lobulares: Geometría 1:2
•Multilobe o multilobulares: Geometria 2:3 , 3:4 entre otras.
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12. PRESIÓN EN LA BOMBA – DISTRIBUCIÓN Y
EFECTOS
La presión desarrollada dentro de la bomba depende de:
• Numero de líneas de sello – etapas
• Interferencia o compresión entre rotor y estator.
La mayor o menor interferencia o compresión se puede lograr variando
el diámetro
La expansión del elastómero hace que la interferencia aumente. Está
expansión se pueda dar por
• Expansión Térmica .
• Expansión química .
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13. Cada sello es una etapa en la bomba, diseñadas para soportar una
determinada presión diferencial. Se pueden presentar distintas
combinaciones que afectan la distribución de la presión dentro de la
bomba.
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PRODUCCIÓN II 13

14. ELASTÓMEROS
Elemento que puede ser estirado un mínimo de 2 veces su
longitud y recuperar inmediatamente su dimensión original.
Son la base del sistema PCP 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 de
la PCP.
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15. CONDICIONES DE ELASTOMEROS PARA PCP
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 15

16. BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 16

17. COMPONENTES DE UN SISTEMA PCP
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 17

18. INSTALACION TIPICA
• Consiste en un rotor de acero de forma helicoidal y un estator elastómero
sintético moldeado en un tubo de acero.
• El estator es bajado al fondo del pozo siendo parte del extremo inferior
de la columna de tubos de producción, el rotor es conectado y bajado y
bajado junto a las varillas de bombeo. El movimiento de rotación del
rotor dentro del elastómero es transmitido por las varillas que están
conectadas a un Cabezal.
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PRODUCCIÓN II 18

19. COMPONENTES DE LA COLUMNA DE
TUBINGS
ELASTOMERO
PCP
TUBING
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 19

20. ELEMENTOS DE LA SARTA DE VARILLAS DE
BOMBEO
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 20

21. INSTALACIÓN EN SUPERFICIE
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 21

22. CABEZAL DE ROTACION
Es un equipo que se acciona mecánicamente instalado en la superficie
sobre la cabeza del pozo.
cabezal directo
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PRODUCCIÓN II 22

23. PARTES
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 23

24. TIPOS DE CABEZAL
CABEZAL DIRECTO:
•Carga axial de 33,000 libras
•Torque continuo de 1,000 pie x libra.
•potencia de 75 KW (100 HP)
•El eje impulsor hueco permite el paso de una barra pulida de 1 1/4 o 1 1/2
pulg
•La contra rotación (back-spin) está controlada por un freno a disco
automático y de accionamiento hidráulico.
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25.  Cabezal directo (sin caja reductora):
La relación es directa y viene determinado por la velocidad del motor y la
velocidad requerida por el sistema.
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PRODUCCIÓN II 25

26. CABEZAL ANGULAR:
•Carga axial de 41,800 libras
•Torque continuo de 1,000 pie x libra.
•potencia de 75 KW (100 HP)
•La contra rotación (back-spin) está controlada por un freno a disco
automático y de accionamiento hidráulico.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
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27.  Cabezal angular (con caja reductora):
 La rotación entre el eje del motor y el cabezal es inversamente
proporcional a la relación total de transmisión.
 El torque es directamente proporcional a la relación total de
transmisión.
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28. MOTORREDUCTOR:
•Facilidad para obtener velocidades bajas.
•Posibilidad de utilizar un motor de combustión interna cuando no hay
disponible energía eléctrica.
•Carga axial de 33,000 libras
•Torque continuo de 1,000 pie x libra.
•Potencia de 75 KW (100 HP)
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PRODUCCIÓN II 28

29. SISTEMAS DE TRANSMISION
Puede ser un motor eléctrico o de combustión interna que transmite
energía hasta el cabezal de rotación.
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PRODUCCIÓN II 29

30. En ocasiones se utilizan poleas como cajas reductoras para manejar
velocidades menores a 150 RPM, con el fin de no hacer forzar el motor a
trabajar a bajas RPM, ya que la insuficiencia de disipación de calor podría
generar la falla del mismo.
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PRODUCCIÓN II 30

31. TIPOS DE SISTEMAS DE TRANSMISIÓN
Sistema con poleas y correas:
La relación con poleas y
correas se selecciona de
acuerdo al tipo de cabezal y a
la potencia/torque que se
deba transmitir a las varillas
de bombeo.
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32. SISTEMA DE FRENADO
• Cuando el sistema PCP esta en funcionamiento, se acumula gran
energía en forma de torsión sobre las varillas.
• Si se para el sistema repentinamente la energía de las varillas se
libera y gira inversamente para generar torsión.
• Este proceso se conoce como Back Spin.
• Durante este proceso se pueden alcanzar velocidades muy altas y
genera grandes daños:
 Daños en equipo de superficie
 Desenrosque de la sarta de varillas
 rotura violenta de la polea de cabezal.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 32

33. BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 33

34. PRODUCCIÓN II 34

35. TIPOS DE FRENOS
Freno de accionamiento por fricción:
Es utilizado para potencias transmitidas menores a 75 HP.
Posee un sistema de disco y pastillas por fricción accionadas mecánica o
hidráulicamente
Son instalados por fuera del sistema del cuerpo de cabezal.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 35

36. Freno de accionamiento hidráulico:
 Es de los mas utilizados por su gran eficiencia.
 Esta integrado al cuerpo del cabezal que consiste en un plato rotario
que gira en sentido de las agujas del reloj.
 Al ocurrir el Back spin el plato acciona un mecanismo hidráulico que
genera resistencia al movimiento inverso.
Dependiendo del diseño del cabezal el
mecanismo puede accionarse con juegos
de válvula de drenaje, embragues
mecánicos, entre otros.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 36

37. FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO
DE LA BOMBA.
Interferencia.
• Es una característica que intrínsecamente está asociada a la eficiencia de
la bomba en cuanto a su desplazamiento y a su capacidad para
transportar los fluidos hasta la superficie es el grado de ajuste o “apriete”
entre el elastómero y el rotor
• En una PCP se define como la diferencia entre el diámetro del rotor y el
diámetro menor de la cavidad del estator, esta garantiza que exista el
sello entre las cavidades que permite la acción de bombeo.
• Cuando la bomba es sometida a una diferencia de presión entre su
succión y su descarga, el fluido trata de romper este sello para regresar a
las cavidades anteriores, lo cual se conoce como escurrimiento
• Si la interferencia es muy pequeña el sello se rompe fácilmente
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38. Eficiencia y escurrimiento
La eficiencia volumétrica se calcula como la relación entre el caudal
real de la bomba y su caudal Teórico.
A una presión diferencial igual a cero, la eficiencia volumétrica
debería ser igual al 100 %, aunque se pueden encontrar
diferencias debido a pequeñas diferencias dimensionales del
rotor y/o estator.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 38

39. Efecto del escurrimiento sobre la eficiencia volumétrica de la bomba.
Esta disminución
es debido al
escurrimiento del
fluido a través de
la línea de sello
rotor/estator
desde la zona de
mayor presión a la
de menor.
El escurrimiento: Diferencia entre el desplazamiento (caudal) real de la bomba a una
determinada presión diferencial y el caudal real inicial a presión cero.
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PRODUCCIÓN II 39

40. • Por ser una función de la presión diferencial, la eficiencia
volumétrica y el deslizamiento también dependerán de :
4. La capacidad de elevación de la bomba (presión máxima o
numero de etapas)
6. La viscosidad del flujo.
8. Interferencia entre estator y rotor (ajuste)
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 40

41. Eficiencia en función de la capacidad de elevación de la bomba
Se puede apreciar que a medida que aumenta el numero de etapas de la bomba, el
escurrimiento disminuye y la eficiencia aumenta, debido a que cada cavidad soporta
menor presión.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 41

42. Eficiencia en función de la viscosidad del fluido
Esta también contribuye a disminuir el escurrimiento y aumentar la
deficiencia volumétrica a medida que su valor es mayor.
La eficiencia inicial
menor en el caso
de fluidos mas
viscosos se debe a
que el área de flujo
transversal se ve
afectada por la
adherencia del
elemento viscoso a
las paredes tanto
del estator como
del rotor.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 42

43. Eficiencia en función de la interferencia rotor/estator
A una presión diferencial dada, el escurrimiento y la eficiencia
volumétrica son extremadamente dependientes del ajuste por
interferencia entre rotor y estator.
A medida que el
fluido se deslice a
través de las líneas
de sello a una
presión diferencial
dada,
disminuyendo las
perdidas por
escurrimiento.
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 43

44. FALLAS EN ELASTOMEROS
HISTERESIS
•Deformación cíclica excesiva del
elastómero
•Interferencia entre el rotor y estator alta
•Elastómero sometido a alta presión
•Alta temperatura/ poca disipación del
calor
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 44

45. ELASTÓMERO QUEMADO POR LA ALTA
TEMPERATURA
•Cuando la bomba trabaja sin fluido (sin
lubricación) por largos periodos de tiempo
•La falta de fluido puede deberse a la falta
de producción del pozo u obstrucciones de
la sección
•Se eleva la temperatura y se produce la
quema del elastómero
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 45

46. ELASTÓMERO DESPEGADO
•Falla en el proceso de fabricación, debido a
la falta de pegamento
•Puede también combinarse con efectos del
fluido producido y las condiciones del pozo
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 46

47. ABRASIÓN
•La severidad puede depender de:
abrasividad de las partículas, cantidad,
velocidad del fluido dentro de la bomba y a
través de la sección transversal de la
cavidad
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 47

48. FALLAS EN ROTORES
Desgaste por abrasión sin
afectar el material base
Cromado saltado sin afectar el
material base
Desgaste por abrasión sin afectar el
material base y si afectar el cromado
en forma total
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PRODUCCIÓN II 48

49. Desgaste profundo localizado
Desgaste metal - metal
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 49

50. GUÍA PARA EL DIEÑO DE UN PCP
3.Datos del pozo
4.Datos de la bomba
5.Calculo teórico del caudal
6.Cálculo de presión sobre la bomba
7.Cálculo de la potencia consumida
8.Cálculo de torques
9.Cálculo de esfuerzos axiales
1. Debido a la presión sobre la bomba
2. Debido al peso de la varilla
12.Cálculo de las tensiones combinadas
13.Cálculo de estiramiento de la sarta de varillas
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 50

51. 3. Cálculo teórico del caudal
La sección de la cavidad es
generada por :
A=4*d*E
El desplazamiento de la bomba,
es el volumen producido por
cada vuelta del rotor:
V=A*Pe (cm3)
El caudal es directamente
proporcional al desplazamiento y
a la velocidad de rotación N:
Q=V*N C
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 51

52. 4. Cálculo de presión sobre la bomba
La presión total sobre la bomba está dada por:
•Presión de boca del pozo (Dato)
•Presión por fricción
P. fricción= Long tubing * factor de pérdida
•Presión debido a la columna de liquido a elevar
TDH= Pbdp + Pfricción + P nivel
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 52

53. 5. Cálculo de potencia requerida
Para el caso de bombas PCP se considera un rendimiento = 0,6 – 0,7
6. Cálculo de torques
Torque= K*Hp K – 5252 para torque (lb*ft)
RPM
RPM = Qrequerido
C*Efi
7. Cálculo de esfuerzos axiales
1. Debido al peso de la varilla (F1)
F1= longitud *peso de varilla
2. Debido a la presión sobre la bomba (F2)
F = F1+F2
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 53

54. 8. Cálculo de las tensiones combinadas
BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 54

55. RANGO DE APLICACIÓN
• Producción de crudo pesado y bitumen (<12° API)
con cortes de arena hasta 50
• Producción de crudos medianos (de 12 a 20 ° API)
con contenido limitado de H2S
• Producción de crudos livianos dulces (> 20 API)
con limitaciones en el contenido de aromáticos
• Pozos de agua superficial
• Pozos productores con altos cortes de agua y
temperaturas relativamente altas
• Evaluación de nuevas áreas de producción.
PRODUCCIÓN II 55

56. CLASIFICACIÒN
• Bombas Tubulares.
• Bombas tipo Insertable
• Bombas de geometría simple
• Bombas Multilobulares
• Bombas de Alto Caudal
• Bombas de gran altura (head).
PRODUCCIÓN II 56

57. Tubulares Insertable
• El estator y el rotor son elementos • El estator y el rotor son
totalmente independientes el uno elementos independientes,
del otro. ambos son ensamblados de
• El estator se baja en el pozo manera de ofrecer un conjunto
conectado a la tubería de único el cual se baja en el pozo
producción con la sarta de cabillas hasta
conectarse en una zapata o niple
• Al rotor, este se conecta y se baja al
de asentamiento
pozo con la sarta de cabillas
Geometría simple Multilobulares
• Son aquellas en las cuales el • Ofrecen relaciones 2x3,
número de lóbulos del rotor 3x4, etc . estas bombas
es de uno, mientras que el ofrecen mayores caudales
estator es de dos lóbulos que sus similares de
(relación 1x2). geometría simple.
PRODUCCIÓN II 57

58. BOMBEO DE CAVIDADES PROGRESIVAS
PRODUCCIÓN II 58