Bombeo Mecánico - Diseño

El Bombeo Mecánico es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%). Utiliza un esquema de bombeo sencillo para la extracción del petróleo.

Introducción

El Bombeo Mecánico es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecánico esta compuesto básicamente por las siguientes partes: unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas, bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo).

¿Cómo funciona un equipo de Bombeo Mecánico?

Un equipo de bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático. Un motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de una eje de metal. 

El otro extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de metal que se mueve hacia arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo. 

El balancín de producción, que en apariencia y principio básico de funcionamiento se asemeja al balancín de perforación a percusión, imparte el movimiento de sube y baja a la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción o de educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.

La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. 

En la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente (emboladas) mantiene el flujo hacia la superficie.

Como en el bombeo mecánico hay que balancear el ascenso y descenso de la sarta de varillas, el contrapeso puede ubicarse en la parte trasera del mismo balancín o en la manivela. 

Otra modalidad es el balanceo neumático, cuya construcción y funcionamiento de la recámara se asemeja a un amortiguador neumático; generalmente va ubicado en la parte delantera del balancín. Este tipo de bombeo mecánico se utiliza para pozos más profundos.

Configuración de un equipo de Bombeo Mecánico

Equipo de Subsuelo

El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombeo mecánico. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de producción y bomba de subsuelo.

Tubería de Producción

La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se esta bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la resistencia, generalmente la tubería de producción es menos crítica debido a que las presiones del pozo se han reducido considerablemente para el momento en que el pozo es condicionado para bombear.

Cabillas o Varillas de Succión

La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de las mismas en el sistema de bombeo mecánico son: transferir energía, soportar las cargas y accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas son:

• Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también pueden manufacturarse de 30 pies.
• Se dispone de longitudes de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general “niples de cabilla” que se utilizan para complementar una longitud determinada y para mover la localización de los cuellos de cabillas, a fin de distribuir el desgaste de la tubería de producción.
• Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas.

De acuerdo a las especificaciones de la API, las cabillas de acero sólido es del tipo de cabillas más utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados para acomodar las roscas, un diseño que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha. 

Todos los efectos negativos inciden en la vida útil de las uniones de las cabillas de succión, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la cabilla, lo cual es ocasionado por un incorrecto enrosque de la misma.

Entre las principales fallas podemos encontrar: tensión, fatiga y pandeo. En la producción de crudos pesados por bombeo mecánico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este tipo de problema (pandeo), la corta duración de los cuellos y la tubería debido al movimiento reciproco-vertical o reciprocante (exclusivo en el bombeo mecánico) del cuello en contacto con la tubería causando un desgaste o ruptura de ambas. 

Para el pandeo (buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por cabilla según sea la severidad. Hay cabillas que tienen centralizadores permanentes.

Entre los tipos de cabillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y fibra de vidrio. Las cabillas continuas (Corod) fueron diseñadas sin uniones para eliminar totalmente las fallas en el pin (macho) y la hembra para incrementar la vida de la sarta. 

La forma elíptica permite que una gran sarta de cabillas sea enrollada sobre rieles especiales de transporte sin dañarlas de manera permanente. Otra ventaja de este tipo de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API. 

Ventajas

• La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión.
• La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción.
• Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de cabillas.

Desventajas

• Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales.
• En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la misma requiere de la entrada de una cabria convencional.

Anclas de Tubería

Este tipo esta diseñado para ser utilizados en pozos con el propósito de eliminar el estiramiento y compresión de la tubería de producción, lo cual roza la sarta de cabillas y ocasiona el desgaste de ambos. Normalmente se utiliza en pozos de alta profundidad.

Se instala en la tubería de producción, siendo éste el que absorbe la carga de la tubería. Las guías de cabillas son acopladas sobre las cabillas a diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores de un elevado desgaste de tubería.

Bomba de Subsuelo

Es un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual es accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los componentes básicos de la bomba de subsuelo son simples, pero construidos con gran precisión para asegurar el intercambio de presión y volumen a través de sus válvulas. Los principales componentes son: el barril o camisa, pistón o émbolo, 2 o 3 válvulas con sus asientos y jaulas o retenedores de válvulas.

Pistón

Su función en el sistema es bombear de manera indefinida. Esta compuesto básicamente por anillos sellos especiales y un lubricante especial. El rango de operación se encuentra en los 10K lpc y una temperatura no mayor a los 500°F. 

Funciones de la Válvula

Secuencia de operación de la válvula viajera. Permite la entrada de flujo hacia el pistón en su descenso y posteriormente hacer un sello hermético en la carrera ascendente permitiendo la salida del crudo hacia superficie.

Secuencia de operación de la válvula fija. Permite el flujo de petróleo hacia la bomba, al iniciar el pistón su carrera ascendente y cerrar el paso el fluido dentro del sistema bomba-tubería, cuando se inicia la carrera descendente del pistón.

En la Figura 1, se puede observar un esquemático de la configuración de superficie y subsuelo de un balancín convencional.

Fig. 1. Esquemático de la configuración de superficie y subsuelo de un sistema de bombeo mecánico convencional.

Equipos de Superficie

La unidad de superficie de un equipo de bombeo mecánico tiene por objeto transmitir la energía desde la superficie hasta la profundidad de asentamiento de la bomba de subsuelo con la finalidad de elevar los fluidos desde el fondo hasta la superficie. Estas unidades pueden ser de tipo balancín o hidráulicas. Los equipos que forman los equipos de superficie se explican a continuación:

Unidad de Bombeo (Balancín)

Es una máquina integrada, cuyo objetivo es de convertir el movimiento angular del eje de un motor o reciproco vertical, a una velocidad apropiada con la finalidad de accionar la sarta de cabillas y la bomba de subsuelo. Algunas de las características de la unidad de balancín son: 

• La variación de la velocidad del balancín con respecto a las revoluciones por minuto de la máquina motriz.
• La variación de la longitud de carrera.
• La variación del contrapeso que actúa frente a las cargas de cabillas y fluidos del pozo.

Para la selección de un balancín, se debe tener los siguientes criterios de acuerdo a la productividad y profundidad que puede tener un pozo.

Criterios de Selección de la Unidad de Bombeo

Productividad

• Los equipos deben ser capaces de manejar la producción disponible.
• Los equipos de superficie deben soportar las cargas originadas por los fluidos y equipos de bombeo de pozo.
• Factibilidad de disponer de las condiciones adecuadas para la instalación de un sistema de bombeo mecánico en superficie. 

Profundidad

• La profundidad del pozo es un factor determinante de los esfuerzos de tensión, de elongación y del peso.
• Afecta las cargas originadas por los equipos de producción del pozo.
• Grandes profundidades necesitan el empleo de bombas de subsuelo de largos recorridos. 

La disponibilidad de los balancines va a depender fundamentalmente sobre el diseño de los mismos. Los balancines sub-diseñados, limitan las condiciones del equipo de producción y en consecuencia la tasa de producción del pozo. Los balancines sobre-diseñados, poseen capacidad, carga, torque y carrera están muy por encima de lo requerido y pueden resultar muchas veces anti-económicos. 

Clasificación de los Balancines de acuerdo a su geometría

Los balancines de acuerdo a su geometría se clasifican en Convencionales y de Geometría Avanzada. En la Tabla 1, se puede observar la funcionalidad y costos de los balancines de acuerdo a su geometría. En la Figura 2, se puede observar una imagen con tres tipos de balancines que se encuentran en el mercado.

Balancines Convencionales

Estos poseen un reductor de velocidad (engranaje) localizado en su parte posterior y un punto de apoyo situado en la mitad de la viga.

Balancines de Geometría Avanzada

Estos poseen un reductor de velocidad en su parte delantera y un punto de apoyo localizado en la parte posterior del balancín. Esta clase de unidades se clasifican en balancines mecánicamente balanceados mediante contrapesos y por balancines balanceados por aire comprimido. 

Los balancines de aire comprimido son 35% más pequeñas y 40% mas livianas que las que usan manivelas. Se utilizan frecuentemente como unidades portátiles o como unidades de prueba de pozo (costafuera). 

Tabla 1. Funcionalidad y Costos de los balancines de acuerdo a su clasificación. 

Tipo	Convencional	Balanceada por aire	Mark II
Eficiencia	Muy eficiente	La de menor eficiencia	Muy eficiente
Complejidad	Muy confiable debido a su diseño simple	La más compleja de las unidades	Igual que la convencional
Costos	La más económica	La más costosa	Moderadamente costosa

Fig. 2. Clasificación de los balancines de acuerdo a su geometría: Balancín Convencional (arriba), Balanceado por Aire (abajo a la izquierda) y Balancín Mark II (abajo a la derecha).

Diseño de Bombeo Mecánico Paso a Paso

Es un procedimiento analítico mediante cálculos, gráficos y/o sistemas computarizados para determinar el conjunto de elementos necesarios en el levantamiento artificial de pozos accionados por cabilla. 

La función de este procedimiento es seleccionar adecuadamente los equipos que conforman el sistema de bombeo mecánico a fin de obtener una operación eficiente y segura con máximo rendimiento al menor costo posible.

Importante: Todas las tablas y gráficas los colocaré al final de este artículo para que puedan ser descargados. 

Paso 1: Se debe seleccionar el tamaño de la bomba, el diámetro óptimo del pistón, bajo condiciones normales. Esto va a depender de la profundidad de asentamiento de la bomba y el caudal de producción (Ver Tabla 1). 

Paso 2: La combinación de la velocidad de bombeo (N) y la longitud de la carrera o embolada (S), se selecciona de acuerdo a las especificaciones del pistón. Se asume una eficiencia volumétrica del 80%. (Ver Gráfico 1). 

Paso 3: Se debe considerar una sarta de cabillas (se debe determinar el porcentaje de distribución si se usa más de dos diámetros de cabilla) y el diámetro de pistón, se determina un aproximado de la carga máxima para el sistema en estudio. (Ver Gráfico 2). 

Paso 4: Chequear el valor de factor de impulso para la combinación velocidad de bombeo (N) y longitud de carrera (S) establecidos en el Paso 2 (Ver Tabla 2). 

Paso 5: Cálculo de la carga máxima en la barra pulida. Para este propósito será necesario obtener cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los pasos previos. 

Primero se determinará el peso de las cabillas por pie y la carga del fluido por pie. (Ver Tabla 3). Ahora se calcula el peso de las cabillas en el aire (Wr), la carga dinámica en las cabillas (CD) y la carga del fluido (CF) a la profundidad objetivo.

Wr = peso cabillas (lb/ft) x Prof. (ft).

CD = F.I. x Wr (lb) -----> Donde F.I. (Factor de Impulso).

CF = peso fluido (lb/ft) x Prof. (ft).

Carga máxima barra pulida = CD + CF.

Paso 6: Cálculo de la carga mínima de operación (CM), el contrabalanceo ideal y torque máximo.

CM = Disminución de la carga debido a la aceleración (DC) – fuerza de flotación (FF).

DC = Wr x (1-C) -----> Donde C = (N^2 x S)/70500.

FF = Wr x (62,5/490) -----> Valor constante.

Para el contrabalanceo ideal se debe proporcionar suficiente efecto de contrabalanceo para darle suficiente valor de carga, el cual va a ser el promedio entre el máximo (carga máx. barra pulida) y el mínimo recién calculado. 

Entonces,

Contrabalanceo ideal = promedio de carga (entre máx. y min) – la carga mínima. 

Torque máx. = Contrabalanceo ideal x Punto medio de la longitud de carrera (S/2). 

Paso 7: Estimación de poder del motor eléctrico. Conocida la profundidad de operación, °API del crudo y el caudal requerido de producción, se obtiene una constante que es multiplicada por el caudal de producción (Ver Gráfico 3).

Este valor obtenido son los HP necesarios justos para levantar el caudal requerido. Lo que se recomienda es que este valor obtenido se incremente de 2 a 2,5 veces para tener un factor de seguridad. 

Paso 8: Cálculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de P sería el valor de caudal de producción si la bomba trabaja al 100% de eficiencia. El diseño de la bomba debe tener al menos el 80% de eficiencia. En crudos pesados debe tener un máximo de 18 strokes/minutos (promedio 15° API). 

P = C x S x N. 

P = Desplazamiento de la bomba. 

C = Constante de la bomba, depende del diámetro del pistón. 

N = Velocidad de bombeo (SPM). 

Paso 9: Profundidad de asentamiento de la bomba (Método Shell, Ver Tabla 4). Esto dependerá enormemente de la configuración mecánica del pozo. Si este método no cumple, por lo general se asienta a 60 o 90 pies por encima del colgador. Otras bibliografías hacen referencia que se asienta 300 pies por debajo del nivel de fluido. 

Para descargar las tablas y gráficas para realizar el diseño del bombeo mecánico haz clic en el botón a continuación:

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