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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA NÚCLEO ANZOÁTEGUI – SEDE SAN TOMÉ CÁTEDRA: INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN I 6 TO^ SEMESTRE INGENIERÍA DE PETRÓLEO
PROFESOR. Ing. Rodríguez Osman
SAN TOMÉ, OCTUBRE 2015
BACHILLERES: Abache Carlos – 26033172 Centeno Génesis – 25059736 Gutiérrez Martin – 26124575 Ibarra Daribeth – 24845110 Medina Mariangelica – 24610834 Milano Stalin – 25427112 Moreno Yessica – 25568607 Salazar Alicia – 26295607 Sotillo Keilys – 25487639 SECCION: D
INDICE GENERAL
INTRODUCCION
El sistema de Bombeo de Cavidades Progresivas, se basa en principios de funcionamiento distintos en lo que respecta al efecto de bombeo, pero existen factores en común para su análisis. Al igual que el sistema de bombeo hidráulico posee una bomba de subsuelo, una unidad de potencia en superficie y una sarta de varillas de bombeo como nexo conector entre ambas partes antes mencionadas.
El Bombeo por Cavidad Progresiva 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. Una Bomba de cavidad progresiva consiste en una bomba de desplazamiento positivo, engranada en forma espiral, cuyos componentes principales son un rotor metálico y un estator cuyo material es elastómero. El crudo es desplazado en forma continua entre los filamentos de tornillo del rotor y desplazado axialmente mientras que el tornillo rota.
En los últimos años las BCP han experimentado un incremento gradual como un método de extracción artificial común. Sin embargo el bombeo de cavidades progresivas está recién en la infancia si se compara con los otros métodos de extracción artificial como las bombas electro sumergible o el bombeo mecánico. El desarrollo de las BCP en las últimas décadas ha estado dirigido principalmente a la investigación de los materiales de fabricación de las bombas. En este sentido han desarrollado una amplia gama de elastómeros. También se han hecho progresos en el área de automatización de sistemas.
Hoy en día el bombeo por cavidades progresivas es destacado como sistemas de levantamiento artificial, en recuperación de petróleos pesados. El uso de estas bombas se extendió a diferentes países como; Venezuela el cual tiene el depósito más grande de petróleos pesados y extra-pesados del mundo, Argentina, California, Canadá entre otros. Es importante mencionar que las reservas de petróleos livianos están comenzando a declinar y poco a poco, a un ritmo aún no establecido claramente, las reservas de petróleos pesados y bitúmenes se irán transformando en posesiones muy valuables.
BOMBA DE CAVIDAD PROGRESIVA
Consiste en una bomba de desplazamiento positivo, engranada en forma espiral, cuyos componentes principales son un rotor metálico y un estator cuyo material es elastómero. El crudo es desplazado en forma continua entre los filamentos de tornillo del rotor y desplazado axialmente mientras que el tornillo rota.
Este tipo de bombas se caracteriza por operar a baja velocidades y permitir manejar altos volúmenes de gas, sólidos en suspensión y cortes de agua, así como también es ideal para manejar crudos de mediano y bajo Grado API.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA BOMBEO CAVIDAD PROGRESIVA
El Bombeo por Cavidad Progresiva 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.
Un sistema BCP 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, y lo suficientemente pequeño como para no permitir el paso libre de los acoples de la extensión del 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. Si existiera arena, aún con ancla de torsión, se debe ajustar con la torsión máxima API, de este modo en caso de quedar el ancla atrapada, existen más posibilidades de liberarla, lo que se realiza girando la columna hacia la izquierda. Si no hay ancla de torsión, se debe ajustar también con el máximo API, para prevenir el desenrosque de la tubería de producción.
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. Los diámetros máximos utilizados están limitados por el diámetro interior de la tubería de producción, utilizándose diámetros reducidos y en consecuencia cuplas reducidas, de manera, de no raspar con el tubing.
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.
Fig. 2 Sarta de cabillas
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.
Rotor: Suspendido y girado por las varillas, es la única pieza que se mueve 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. En caso de presencia de arena, aunque sea escasa, esta deja muchas veces marcada la hélice del rotor. De este modo, al retirar el rotor por cualquier motivo, se puede observar en qué punto estuvo trabajando dentro del estator, partiendo del extremo superior del rotor.
Fig. 3 Estator
Fig. 2 Sarta de cabillas
Fig. 4 Rotor
Como succión de la bomba. Los más usuales son los de rosca doble, con una rosca hembra en su extremo superior, que va roscada al estator y una rosca macho de la misma medida en su extremo inferior, para permitir instalar debajo el ancla de torsión o cualquier otro elemento. A la vez el centro de la misma hace de tope con el rotor, durante el espaciamiento.
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. Cuando se instala una varilla, debido a su largo y al movimiento excéntrico del rotor que se transmite directamente a ella, tiende a doblarse y rozar contra las paredes de la última tubería de producción. 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.
Al girar la sarta en el sentido de las agujas del reloj, o hacia la derecha (vista desde arriba) se realiza la acción de girar la columna también hacia la derecha, es decir hacia el sentido de desenrosque de los caños. A esto se suman las vibraciones producidas en la columna por las ondas armónicas ocasionadas por el giro de la hélice del rotor dentro del estator, vibraciones que son tanto mayores cuanto más profunda es la instalación de la bomba.
Fig. 7 Niple de paro
La combinación de ambos efectos puede producir el desprendimiento de la tubería de producción, el ancla de torsión evita este problema. Cuanto más la columna tiende al desenrosque, más se ajusta el ancla. Debe ir siempre instalada debajo del estator.
Niple 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. En bombas insertables el mecanismo de anclaje es mediante un mandril a copas que permite utilizar el mismo niple de asiento que una bomba mecánica, evitando en un futuro el movimiento de instalación de tubería de producción al momento de cambiar el sistema de extracción.
Fig. 8 Diferentes tipos de anclas
Fig. 9 Niple asiento
Los componentes de superficie de dividen en tres sistemas que son:
Cabezal de rotación Sistema de transmisión Sistema de frenado. Cabezal de rotación : 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. Debe ser diseñado; para manejar las cargas axiales de las varillas, el rango de velocidad a la cual debe funcionar, la capacidad de freno y la potencia necesitada.
Un ensamblaje de instalación que incluye el sistema de empaque para evitar la filtración de fluidos a través de las conexiones de superficie. Además, algunos cabezales incluyen un sistema de caja reductora accionado por engranajes mecánicos o poleas y correas.
La torsión se halla transferida a la sarta de varillas mediante una mesa porta grampa. El movimiento del mismo dentro del eje hueco permite el ajuste vertical de la sarta de varillas de succión (a semejanza del sistema buje de impulso/vástago de perforación). El peso de la sarta de varillas se halla suspendido a una grampa, provisto de cuatro pernos. La barra se puede levantar a través del cabezal a fin de sacar el rotor del estator y lavar la bomba por circulación inversa.
Fig. 10 Cabezales de rotación
Sistema de transmisión
Como sistema de transmisión 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. Dependiendo de la potencia, posición de los ejes, relación de transmisión, sincrónica, distancia entre ejes y costo; se seleccionará el método a utilizar.
En la mayoría de las aplicaciones donde es necesario operar sistemas a velocidades menores a 150 RPM, es usual utilizar cabezales con caja reductora interna (de engranaje) con un sistema alternativo de transmisión, como correas y poleas. Esto se hace con el fin de no forzar al motor a trabajar a muy bajas RPM, lo que traería como resultado la falla del mismo a corto plazo debido a la insuficiente disipación de calor.
Sistema de Freno
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. Durante ese proceso de marcha inversa, se puede alcanzar velocidades de rotación muy altas.
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.
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). Al ocurrir la marcha hacia atrás, el plato acciona un mecanismo hidráulico que genera resistencia al movimiento inverso, lo que permite que se reduzca considerablemente la velocidad inversa y se disipe la energía acumulada. Dependiendo del diseño del cabezal, este mecanismo hidráulico puede accionarse con juegos de válvula de drenaje, embragues mecánicos, etc.
Características de los elastómeros: 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. 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. Los cambios más comunes en las propiedades mecánicas de los elastómeros son: el Hinchamiento, el Endurecimiento y el Reblandecimiento.
Fig. 12 Freno de accionamiento hidráulico
El Hinchamiento : origina una excesiva interferencia y como consecuencia, un torque excesivo en las cabillas y calentamiento (y posible destrucción) del elastómero. Se debe destacar que un hinchamiento del 3 al 5 % puede ser manejado con rotores de menor diámetro y que algunos fabricantes inclusive garantizan algunos de sus materiales para hinchamientos mayores, no obstante se debe tener presente que estos elastómeros pudieran ser utilizados siempre y cuando las propiedades mecánicas de los mismos no se vean afectadas más allá de los límites permisibles.
El Endurecimiento: afecta negativamente a la resilencia 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 Nitrilos, bases Hidrogenadas o Fluoelastómeros. Esta diversidad permite manejar la mayor parte de las condiciones encontradas en los pozos de petróleo y agua.
CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE CAVIDAD PROGRESIVA
Bombas Tubulares Bombas Tipo Insertables Bombas de geometría simple Bombas Multilobulares. Bombas de para alto caudal Bombas de gran altura. Bombas Tubulares: Este tipo de bombas el estator y el rotor son elementos totalmente independientes el uno del otro. El estator se baja en el pozo conectado a la tubería de producción, debajo del se conecta el niple de paro, anclas de torque, anclas de gas, entre otros, y sobre él se instala el niple de maniobra, niples X, y finalmente la tubería de producción. En cuanto al rotor, este se conecta y se baja al pozo con la sarta de cabillas. En general esta bomba ofrece mayor capacidad volumétrica, no obstante, para el reemplazo del estator se debe recuperar toda la completación de producción.
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 de Alto Caudal: Cada fabricante ofrece bombas de alto desplazamiento o alto caudal, el desplazamiento viene dado principalmente por el diámetro de la bomba y la geometría de las cavidades.
Bombas de gran altura (head): la altura de la bomba es su capacidad para transportar los fluidos desde el fondo del pozo hasta la superficie, lo que se traduce en profundidades de asentamiento de bombas o en diferenciales de presión a vencer.
APLICACIONES ESPECIALES DE BCP EN VENEZUELA
La aplicación de la tecnología del bombeo por cavidades progresivas es relativamente reciente si se compara con los métodos de producción convencionales (bombas mecánicas) y solo la evaluación continua de las mismas en escenarios con diversidad de exigencias permitirá madurarla técnica y tecnológicamente. En aras de extender el alcance del método BCP, se han ideado diversos desarrollos, muchos de las cuales se han evaluado en Venezuela sin obtener, no obstante, resultados exitosos.
Algunos de estos desarrollos son los siguientes:
Bombas tipo Insertables: Buscan reducir el tiempo empleado en los cambios de bombas y por ende, disminuir costos y contar con la producción en el menor tiempo posible. Al dañarse la BCP es necesario recuperar toda la completación de producción; para el reemplazo de una bomba tipo insertable basta con recuperar la sarta de cabillas.
En Venezuela se evaluó está tecnología detectando problemas con el sistema de anclaje de la bomba, estas bombas están consideradas para pozos bajo productores ya que su capacidad está limitada por el diámetro interno de la tubería de producción.
Bombas Miltilóbulos: Ofrecen en teoría mayor capacidad volumétrica que las bombas de geometría simple; con base a esto, podría incrementarse la capacidad de las bombas tipo insertables. Las bombas multilobulares, según los fabricantes, exigen menos torque que las de geometría simple, sobre este punto se debe aclarar que al ser aquellas de mayor capacidad, para obtener una determinada tasa, su velocidad de operación sería menor y por ende el torque. Sin embargo, a altas velocidades se han encontrado en
campo altas exigencias de torque y vibración. En Venezuela no se han obtenido resultados favorables con esta tecnología.
Bombas con motor eléctrico de fondo: En sus comienzos la tecnología marchó lentamente ya que las inversiones en cuanto a motores y cableado eléctrico, protectores, transformadores y controladores de superficie disminuían significativamente la rentabilidad del proyecto, además las alternativa de utilizar cabillas para accionar la bomba (lo cual es más sencillo y económico) impuso un freno en las BCP con motor de fondo.
En Venezuela se realizaron algunas instalaciones, no obstante, los resultados fueron de éxito relativo ya que se detectaron problemas de fatiga en las cajas reductoras, esto como consecuencia de no contar con aceites que proporcionen optimo desempeño desde el punto de vista dieléctrico y como lubricante. Adicionalmente, el lubricante en la caja reductora terminaba contaminándose ya que el protector se instala antes de la caja reductora con la finalidad de obtener el mejor rendimiento de los sellos, ya que a baja velocidad, la eficiencia de los sellos disminuye significativamente.
Fig. 14 Esquema de un BCP con motor de fondo
