Este documento describe los métodos operacionales para unidades de bombeo mecánico convencionales, incluyendo el cálculo de la longitud de recorrido del pistón, el desplazamiento del pistón, y la carga sobre la barra lisa. También discute el efecto de contrabalance y los tipos de motores utilizados para impulsar estas unidades, así como las ventajas y desventajas de los bombeos mecánicos.

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Impartida por: Ing. Raúl Carmona Díaz
Wendy Gutierrez Pech Pamela Ramírez Badillo Juan
Janet Dominguez Quiroz Aileen Mejenes García Montserrat Reyes Ascencio
Presentado por:

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Métodos operacionales para unidades de Bombeo Mecánico
Convencionales

5. A. Longitud de recorrido del pistón
 Para una sarta de tubería de producción anclada el
recorrido del pistón es calculado mediante:

6.  Si la tubería de producción no esta anclada, la elongación de la
tubería de producción debida a la disminución de la carga de
fluido en el recorrido del pistón esta dado por:

7.  B.- Desplazamiento del pistón
 Si se asume un 100% de eficiencia de llenado( es decir
si el barril esta lleno completamente con liquido durante
todo el recorrido), el volumen diario desplazado por la
bomba puede ser calculado con base a la longitud de
recorrido del pistón:

8.  C.-Carga sobre la barra lisa
 La carga máxima y mínima sobre la barra lisa durante el
ciclo del bombeo:

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12.  El efecto de contrabalance tiende a equilibrar las fuerzas
generales en el ciclo de bombeo, debido a que en el
ascenso se produce las condiciones de mayor trabajo al
levantar la carga, por el aceleramiento de la sarta de
cabillas durante la embolada.
 El trabajo presenta un descenso menor si el
contrabalance no es adecuado y se producirá un
desequilibrio de fuerzas en el sistema y el consumo de
energía es mucho mayor y desde luego pueden ocurrir
daños en los equipos.

13.  Su principal función es la de almacenar energía en la
carrera descendente cuando la carga en el vástago
pulido es baja y la de dar energía en la carrera
ascendente cuando la carga en el vástago es alta,
distribuyendo uniformemente las cargas y torques que
debe sustentar al motor primario.

15.  El efecto sucede cuando el motor primario acarrea las mismas
cargas promedio en la carrera ascendente y descendente.
 El efecto de Ci es:
Donde:
WMAX: carga máxima en el vástago pulido= lbs
WMIN: carga mínima en el vástago pulido = lbs
WF: carga del fluido= lbs
WR: peso de la sarta de varillas= lbs

16.  Donde:
 WRF: peso total de las varillas en fluido=lbs
 Fo: carga de fluido diferencial en el area total del pistón=
lbs

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Ventajas y desventajas

18.  Es el encargado de suministra la energía necesaria a la unidad
de bombeo para levantar los fluidos de pozo. Es motores
pueden ser de combustión interna o eléctricos.
 Los motores de combustión interna pueden ser de baja o alta
velocidad; los de baja velocidad operan entre 200 y 600 rpm y
poseen un cilindro, los de alta velocidad funcionan entre 800 y
1400 rpm.
 En la actualidad el tipo de motor mas utilizado en la industria
petrolera es el motor eléctrico, este posee también una
velocidad constante (baja velocidad ) y una potencia que varia
entre 5 y 100 hp, el motor de velocidad variable (alta velocidad)
su potencia varia entre los 10 y 200 hp este ultimo utilizado
para alto deslizamiento.

19.  Los motores eléctricos para bombas de cabillas son
principalmente motores de inducción de tres fases.
NEMA D (Nacional Electrical Manufacturers Association)
clasifica los motores según el deslizamiento y las
características de torque durante el arranque.
 NEMA D es el motor de unidad de bombeo mas
ampliamente reconocido.
 Su rango de deslizamiento va desde 5% hasta 13%.
Otros motores en el campo petrolero incluyen NEMA C
con un máximo deslizamiento de 5% y NEMA B con un
máximo deslizamiento de 3%.

20.  Motores eléctricos especiales con deslizamiento mayor
al 13% son denominados motores de ultra alto
deslizamiento. Estos son diseñados para variaciones
altas de velocidad y pueden ayudar a reducir los torques
picos en la caja de engranaje y las cargas de las
cabillas. Puedes calibrar los motores ultra de alto
deslizamiento en diferentes modos dependiendo del
deslizamiento y torque en el arranque deseado. El modo
en bajo torque ofrece los más bajos torque en la
arrancada y las variaciones de velocidad más grandes.
El modo de alto torque ofrece los mayores torque en la
arrancada y las variaciones de velocidad mas bajas.
Motores de Ultra alto deslizamiento usualmente tienen
un modo medio o bajo-medio con características entre

21.  Existen dos tipos de motores a gas. Motores de baja
velocidad con uno o dos cilindros, y motores multicilindros
de alta velocidad. Motores de baja velocidad tienen
velocidades de 700 rpm o menores y alto torque. Motores
multicilindros pueden tener altas variaciones de velocidad
(hasta un 35%) mas que motores de baja velocidad.
 Motores de gas típicamente queman gas rentado y son
generalmente más baratos que operar motores eléctricos.
Sin embargo, los costos de capital y el mantenimiento son
usualmente más altos que para motores eléctricos.
Motores a gas son primordialmente utilizados en
locaciones remotas sin disponibilidad de electricidad.

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23.  En la realidad, diseñar sistemas de Bombeo Mecánico
es un proceso de ensayo y error que usualmente resulta
en un sistema que podría estar muy distante del ideal.
Debido a que obtener un diseño ideal requiere de
equipos y datos que bien no podrían estar disponibles,
sólo los parámetros del sistema más obvios son
usualmente considerados como:

24.  Para una buena selección del equipo a utilizar es
necesario conocer datos que soporten la decisión, entre
estos datos podemos citar:
 La tasa de producción esperada, las cargas a soportar
por las cabillas, las cargas en la caja de engranajes de
la unidad de bombeo, costos de energía, aporte del
yacimiento.
 A continuación se describen algunos de los factores más
importantes a considerar:

25.  Las bombas de subsuelo pertenecen a la familia de bombas de
desplazamiento positivo, del tipo reciprocante. Estas bombas son
colocadas en el fondo del pozo, a profundidades que oscilan entre
200 y 7000 pies. La bomba de subsuelo es el primer elemento que
se debe considerar al diseñar una instalación de bombeo mecánico
para un pozo, ya que de acuerdo al tipo, tamaño y ubicación, se
dimensiona el resto de los componentes del sistema.
(a)El émbolo se mueve hacia
abajo cerca del fondo de la
carrera.
(b) El émbolo sube, cerca del
fondo de la carrera.
(c) El émbolo sube cerca de la
parte superior de la carrera.
(d) El émbolo se mueve hacia

26.  Se presenta el trabajo mostrado por “High-Rate Artificial
Lift” en donde se observa los caudales manejados por
bombeo mecánico en función de la profundidad. En el se
muestra que la cantidad de fluido manejado es
inversamente proporcional a la profundidad, estamos
hablando que a 1000 pies de profundidad estaríamos en
capacidad de manejar hasta 4000 barriles de fluido por
día, en cambio para profundidades por encima de 7000
pies, apenas manejaríamos hasta 500 barriles de fluido
diario.

27.  Los sólidos pueden generar efectos indeseables en la
bomba, llegando al punto de paralizar el movimiento del
pistón en el barril y a su vez crear incrementos de
esfuerzos en cabillas y en la unidad de bombeo. Esto es
debido a que la boma de subsuelo es un conjunto de
componentes metálicos en movimiento con un ajuste
específico.

28.  La sarta de cabillas es el medio de transporte de la
energía desde el equipo de superficie hacia la
bomba de subsuelo. Por supuesto, esta transmisión
de energía esta influenciada por el comportamiento
de la sarta, que a su vez depende de la
profundidad.
 Esto hace que la sarta de cabillas se comporte
como un cuerpo flexible y su movimiento este
influenciado por la inercia que se genera a partir del
movimiento transmitido desde la unidad de bombeo.
En este sentido el sistema de bombeo mecánico es
sensible a la profundidad, y se debe tomar en
cuenta al momento de diseñar.

29.  El análisis económico soporta el diseño de un sistema
de levantamientoartificial, ya que evalúa los costos de la
inversión con respecto a la producción del pozo y
asegura un flujo positivo de caja en la operación.
 Como ejemplo, la figura 1.3 compara los costos de
inversión de tres tipos de levantamiento artificial
(bombeo mecánico, bombeo hidráulico y bombeo
electrosumergible) con respecto a la tasa de flujo
manejada y a una profundidad común de 5000 pies.

30.  De esta gráfica se puede decir que el Bombeo Mecánico
se encuentra en ventaja, desde punto de vista
económico, con respecto a los otros métodos de
levantamiento para un rango de producción hasta 300
barriles por día, caudales mayores a este valor, es
preferible utilizar otro sistema de levantamiento, en este
caso bombeo hidráulico, y para el manejo de caudales
por encima de 800 barriles por día, la mejor opción es el
bombeo electrosumergible.

32.  Cuando se realiza un diseño en levantamiento artificial
es importante tomar energía y en cuenta cual debe ser
la prioridad de diseño, es decir, si se requiere una
eficiencia del configuración para la máxima producción
de fluidos, o si se necesita un sistema configuración con
el óptimo consumo de energía. Esto es válido cuando
los costos de energía afectan de manera sensible la
rentabilidad del proyecto.

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34.  ¿Qué son las bombas subsuperficiales?
La bomba subsuperficial son las que consiste en un
barril metálico o pistón accionado desde la superficie y
de dos válvulas selladoras que abren y cierran
alternadamente cuando el émbolo se desplaza.

35. Las bombas subsuperficiales accionadas por varillas
para pozos productores de aceite, se pueden clasificar
en tres grupos principales:
 Bombas de tubería de revestimiento.
 Bombas de tubería de producción.
 Bombas de inserción.

37. En éstas bombas no utiliza la tubería de producción, están
ancladas con un empacador a la pared interior de la
tubería de revestimiento.
Son aplicables en la producción de grandes volúmenes de
fluido, ya que tiene mayor capacidad que cualquier otro
tipo de bomba.
No son eficientes en pozos con alta producción de gas, la
capacidad de las varillas limita su uso, su costo y
reparación en comparación con otras bombas, es menos
económico.
Este tipo de bombas son sólo una versión más grande de

38. Las bombas de tubería de producción pueden producir
mayor cantidad de fluido que una bomba insertable, ya
que el barril de trabajo es parte de la sarta de tubería y
se puede usar un émbolo de mayor diámetro.
Éstas bombas quedan conectadas en el extremo
superior del barril con una zapata regular o bien con una
zapata de extensión conectada al barril con un niple
corto.
Este arreglo es conveniente, pues deja toda la longitud
del barril disponible para el desplazamiento del émbolo,
además de que la arena u otros materiales que se
acumulan en la parte inferior del barril no entran
fácilmente al mismo.

39. Es eficiente en pozos con liberación de gas, ya que el
fluido se produce por la tubería de producción, el gas
puede escapar por el espacio anular producido entre la
tubería de revestimiento y la tubería de producción,
también se puede utilizar en pozos con aceite viscoso,
pues permite el uso de barriles de mayor diámetro.
Como varillas y tuberías deben sacarse para cambiar o
reparar las partes dañadas, la instalación de éstas
bombas es generalmente para profundidades medias y
volúmenes altos de producción.

40. La desventaja de estas bombas estriba en que el barril
forma parte de la misma tubería de producción, para
efectuar alguna reparación o reposición de partes es
necesario extraer la tubería de producción completa; lo que
significa una operación más complicada, y por
consiguiente, más costosa.

41.  Se clasifican con respecto al diámetro de tubería de
producción a la que van acopladas, de la siguiente
manera:

43. Las bombas insertables son introducidas junto con las
varillas dentro de la tubería de producción.
Tienen la ventaja de que son más fáciles de llevar a la
superficie para su inspección y mantenimiento, ya que
las partes que están sujetas a desgaste, se llevan a la
superficie con solo sacar las varillas y la reinstalación se
hace con la introducción de las mismas.
Tienen menos área de trabajo para el émbolo en el
mismo diámetro de tubería que para una bomba de
tubería de producción y no son aplicables para bombear
fluidos viscosos, en el caso de pozos de baja
producción.

44. Se les denomina bombas de inserción porque el conjunto
total de la bomba (barril, émbolo y válvula estacionaria) que
va conectado en el extremo inferior de la sarta de varillas se
inserta en un niple de asiento (zapata-candado) instalado
en la tubería de producción.
Es una ventaja sobre las bombas de tubería de producción,
ya que para hacer una reparación o sustitución de la bomba
no es necesario extraer la tubería de producción.
La bomba de inserción se desancla y se extrae con la sarta
de varillas.

46. 1.- Bombas de barril fijo y anclaje superior.
2.- Bombas de barril fijo y anclaje inferior.
3.- Bombas de barril viajero y anclaje inferior.

47. En este tipo de bomba el fluido es descargado
inmediatamente arriba del anclaje, lo que evita que
arena u otros materiales caigan en el interior de la
bomba.
Es eficiente en pozos con producción de gas. En la
carrera descendente, la válvula estacionaria soporta la
columna de fluido; y es recomendable en pozos pocos
profundos ( menos de 800 metros de profundidad).

48. En este tipo de bomba, el anclaje está en la parte
inferior de la bomba, por lo que ésta bomba es aplicable
en pozos profundos con nivel de fluido bajo.
Proporciona una mayor eficiencia cuando se opera en
conjunto con un separador subsuperficial de gas.
Como el fluido es descargado arriba, existe la
posibilidad de que algunos materiales se depositen en el
interior o exterior de la bomba, por lo que es
recomendable colocar sellos superiores.

49. En ésta bomba el barril es el que mueve y el émbolo
permanece fijo, el barril está conectado a las varillas por
un conector y contiene a la válvula viajera, que es
grande en comparación con otros tipos de bombas. La
válvula estacionaria está colocada en la parte superior
del émbolo, el cual esta sostenido por un tubo hueco
conectado al anclaje inferior, no es recomendable usarla
en pozos con producción de gas.
Es eficiente en pozos con arenamiento, ya que la acción
turbulenta del fluido mantiene la arena en suspensión.
En la carrera descendente el peso del fluido se deposita
en la válvula estacionaria, así mismo el tubo que la
sostiene debe soportar la carga, lo que elimina su uso
en pozos profundos.

50. El Instituto Americano del Petróleo (API) en sus
especificaciones para bombas de pozo petrolero, norma
“II-A” , clasifica las bombas subsuperficiales en cinco
grupos. A continuación se enlista dicha clasificación, así
como las literales adoptadas.
1.- Bomba de tubería de producción con zapata
regular.
2.- Bomba de tubería de producción con zapata de
extensión de niple.
3.- Bomba de inserción barril fijo y anclaje superior.
4.- Bomba de inserción barril fijo y anclaje inferior.
5.- Bomba de inserción barril viajero y anclaje

51. De acuerdo con los expedientes de mantenimiento,
cuanto más dura la bomba, se tiene una mayor
recuperación de aceite, por lo tanto es sumamente
importante seleccionar correctamente la bomba
requerida y usar materiales especiales si son
necesarios.
En la mayoría de los campos con inyección de agua al
yacimiento, los pozos producen con altos porcentajes de
agua, por tal motivo se deben usar barriles pulidos y
endurecidos con émbolos cromados. Este arreglo
proporciona un buen resultado cuando se bombea gran
cantidad de fluido.

52.  En conclusión se tiene que el funcionamiento del
bombeo mecánico consiste en una bomba que se baja
dentro de la tubería de producción, la cual es accionada
por medio de unas varillas que transmiten un
movimiento desde el aparato de bombeo que consta de
un balancín. La principal dificultad que presenta la
implementación de este método es el hecho de que no
puede ser utilizado a grandes profundidades debido a
las grandes extensiones de varillas que deberían
usarse.