PCP
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RESEÑA HISTORICA El concepto de bombas de cavidades progresivas fue desarrollado a finales de los años 20 por Rene Moineau, quien funda la compañía PCM, a partir de 1936 las patentes son vendidas. En sus inicios esta tecnología fue dedicada para bombas de transferencia para aplicaciones industriales, fueron los canadienses a finales de los años 70 quienes empezaron a experimentar como levantamiento artificial en crudos pesados, iniciándose posteriormente un proceso de comercialización y amplia aplicación. A partir de 1994 PCP se empieza a aplicar ampliamente en Latinoamérica especialmente Brasil, Venezuela y Argentina. Las primeras bombas instaladas en Colombia se realizaron en Campo Mangos (Petrobras) y campo Piedras (Mercantile).1999 Hocol realiza pruebas en Campo San Fco ( sf-92) en el 2000. Petrobras realiza pruebas para el campo Guando en el 2001 en Gdo-1 ( Netch ) y Gdo-3 (WALS), al mismo tiempo Hocol SA firma contrato para suministro del sistema PCP. A finales del año 2001 TDA representando a KUDU firma contrato para suministro del sistema PCP para Guando. Año 2003 Thetys decide completar campo rubiales con Bombas de cavidades progresivas(14). Los campos actuales en Colombia donde se usa el bombeo de cavidades progresivas son: San Fco, Rio Ceibas, Dina Terciarios, Mangos, Piedras, Rubiales, Orito y Payoa. Actualmente podemos hablar de 85 pozos produciendo con bombas de cavidades progresivas Las bombas de cavidades progresivas son bombas de desplazamiento positivo que consisten en un rotor de acero helicoidal y un elastómero sintético pegado internamente a un tubo de acero. El estator se instala en el fondo conectado a la tubería de producción, a la vez que el rotor esta conectado a la sarta de varillas. La rotación de esta sarta desde superficie por accionamiento de una fuente de energía externa, permite que el fluido se desplace verticalmente hacia la superficie por un sistema de cavidades que se abren y cierran progresivamente. Los equipos de superficie, de distintas capacidades y dimensiones, se seleccionan en función de los requerimientos de la aplicación.
LAS PARTES DE LA BOMBA
Estator: Consiste en un tubo de acero, generalmente J55 con cuerpo elastomerico pegado internamente. Los elastómeros son internamente torneados como hélices de dos o mas lóbulos. Rotor: Cuerpo de acero 4140 de alta resistencia torneado en forma helicoidal y recubierto por una capa fina de material resistente a la abrasión (cromo endurecido). Tiene como función principal bombear el fluido, girando de modo excéntrico dentro del estator creando cavidades que progresan en forma ascendente. Para aplicaciones corrosivas se fabrican en acero inoxidable.
DOS PRINCIPIOS BASICOS
El rotor debe tener un lóbulo menos que el estator y cada lóbulo del rotor debe estar siempre en contacto con la superficie interna del estator. El estator y el rotor constituyen longitudinalmente dos engranajes helicoidales
GEOMETRIA DE LA BOMBA La geometría de la bomba viene definida por la relación de lóbulos entre rotor y estator, lo que es equivalente a la relación entre el paso del rotor y el paso del estator Paso del rotor en geometría 1:2 = 1/2 paso del estator Paso
del
rotor
en
geometría
2:3
=
2/3
paso
del
estator
OPERACIÓN DE LA BOMBA El movimiento del rotor dentro del estator es una combinación de dos movimientos: rotación concéntrica del rotor en su propio eje y rotación excéntrica del rotor alrededor del eje del estator. En una bomba de lóbulo simple, estos movimientos originan la traslación hacia uno y otro lado del rotor a lo largo de la sección transversal del estator. CAPACIDAD DE LEVANTAMIENTO La capacidad de levantamiento será controlada por la presión diferencial máxima que pueda ser desarrollada tanto por una sola cavidad como por el total de las cavidades de la bomba.
La máxima capacidad de levantamiento es función directa del sello rotor-estator. Hoy en dia se usa el numero de etapas de la bomba para estipular el levantamiento; Generalmente una bomba 1:2 soporta una presión diferencial de 100 psi por cada etapa.
VENTAJAS
Sistema de levantamiento artificial de mayor eficiencia. Excelente para producción de crudos altamente viscosos. Capacidad para manejar altos contenidos de sólidos y moderado contenido de gas libre. No tiene válvulas, evitando bloqueos por gas. Buena resistencia a la abrasión. Bajos costo inicial y potencia requerida. Bajo niveles de ruido y ocupa poco espacio. Opera con muy bajos niveles de sumergencia. Consumo de energía continuo y de bajo costo. Fácil de instalar y operar. Bajo mantenimiento de operación. Fácil operación y mantenimiento Bajo consumo de energía
LIMITACIONES
Tasas de producción hasta de 2.000 B/D (máximo 4.000 B/D). Levantamiento neto de hasta 6.000 ft (máximo 9.000 feet). Temperatura de operación de hasta 210 ºF (máximo 300 ºF). El elastómero tiende a hincharse o deteriorarse cuando es expuesto al contacto con ciertos fluidos (aromáticos, aminas, H2S, CO2, etc.). Alto desgaste de varillas y tubería de producción en pozos direccionales y horizontal.
ELASTOMEROS USADOS EN PCP Los materiales elastomericos utilizados en la fabricación de estatores para bombas de cavidades progresivas son: Nitrilo convencional, Nitrilo hidrogenado y fluoroelastomeros. El Nitrilo convencional esta constituido químicamente por un copolimero de butadieno y acrilonitrilo. Los elastómeros convencionales presentan un contenido de acrilonitrilo
comprendido entre 18% y 50% aproximadamente. Los copolimeros que contienen mayores proporciones de acrilonitrilo presentan mayor resistencia al hinchamiento por hidrocarburos pero pierden propiedades elásticas.
ELASTOMEROS USADOS EN PCP Los materiales elastomericos utilizados en la fabricación de estatores para bombas de cavidades progresivas son: Nitrilo convencional, Nitrilo hidrogenado y fluoroelastomeros. El Nitrilo convencional esta constituido químicamente por un copolimero de butadieno y acrilonitrilo. Los elastómeros convencionales presentan un contenido de acrilonitrilo comprendido entre 18% y 50% aproximadamente. Los copolimeros que contienen mayores proporciones de acrilonitrilo presentan mayor resistencia al hinchamiento por hidrocarburos pero pierden propiedades elásticas. El nitrilo hidrogenado es una variante del nitrilo convencional en el cual mediante un proceso de hidrogenación catalítica que eleva la resistencia química y térmica de la estructura molecular. La resistencia a hidrocarburos en esta modalidad también depende del contenido de acrilonitrilo. Los fluor-elastómeros son materiales especiales con elevada resistencia térmica y excelente resistencia al hinchamiento por aceites e hidrocarburos. Las desventajas de estos son su alto costo y que presentan propiedades mecánicas inferiores.
PROPIEDADES DE LOS ELASTOMEROS
DUREZA Es una medida del modulo estático de elasticidad de un elastómero, esta determinada por la profundidad de penetración de una bola sujeta a pequeños y grandes esfuerzos y se expresa en IRHD(Grado internacional de dureza de goma, ASTM D1415). Los elastómeros usados en BCP tienen un rango típico de dureza entre 55-80 IRHD
RESISTENCIA A LA ABRASION
Es la propiedad mas difícil de medir, una muestra de elastómero es sometida a abrasión con el uso de discos cortantes midiendo el volumen de material removido. Los resultados son expresados en índice de resistencia a la abrasión.(ASTM D1630, D2228). El índice de resistencia a la abrasión es la relación entre el volumen perdido de la muestra y el volumen perdido por una masa elastomerica normalizada.
RESISTENCIA AL DESGARRE
Mide la fuerza requerida para desgarrar el caucho bajo la norma ASTM D624. La resistencia al desgarre se expresa en términos de fuerza por espesor de muestra KN/m La resistencia al desgarre declina apreciablemente con el incremento de la temperatura
RESISTENCIA AL CALOR
La exposición de un elastómero al calor causa una expansión del material que puede crear reacciones que alteren la estructura química del mismo que resultan en un deterioro irreversible en las propiedades del material La resistencia al calor puede ser evaluada sometiendo una muestra de elastómero a diversas temperaturas, midiendo en cada etapa el cambio de sus propiedades mecánicas.
RESISTENCIA A LOS LIQUIDOS/GAS La absorción de líquidos por la goma causa hinchamiento lo que provoca un deterioro de las propiedades del material. Este proceso se realiza por difusión. El hinchamiento ocurre hasta un punto de equilibrio, teniendo cada elastómero una capacidad diferente para que los fluidos sean solubles en el. Prueba normalizada para fluidos ASTM D471 y para gas ASTM D815.
ELASTOMEROS TIPOS COMUNES DE ELASTOMEROS
Tipos de Elastómeros Características
Nitrilo
Flúor
Excelente
Nitrilo Alto Buena
Buena
Pobre
Muy
Buena
Buena
Pobre
Resistencia a la
Buena
Muy
Muy
Excelente
Abrasión
Buena
Buena
Buena
Excelente
Resistencia a
Buena
Buena
Buena
Excelente
Propiedades Mecánicas
Nitrilo
INTERFERENCIA ROTOR-ESTATOR El ajuste rotor-estator es el que obtiene el aislamiento entre las cavidades. Una baja interferencia ocasiona mucho escurrimiento y por ende bajas eficiencias volumétricas, un sobre ajuste produce esfuerzos excesivos sobre el elastómero disminuye la vida útil de la bomba o desgarramiento prematuro del mismo Un elastómero debe poseer cierta rigidez de ejercer suficiente fuerza de sello pero a la vez suficiente flexibilidad para permitir el paso de partículas sólidas sin causar desgarramiento Los fabricantes de bombas comercializan rotores estándar, subdimensionado y sobredimensionados para lograr el ajuste requerido.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO FLUJOGRAMA GENERAL PCP es comúnmente usado en pozos desviados y direccionales. El ángulo del hoyo y la severidad de la curvatura gobierna el contacto entre entre la sarta de varillas y la tubería de producción, siendo esto causa de muchos problemas de desgaste y esfuerzos adicionales. Una representación precisa del perfil del pozo es fundamental. El perfil del pozo es la herramienta fundamental para determinar la conveniencia o no del uso de centralizadores, rod guides y rotadores de tubería así como de su posición en la sarta de cabillas con el fin de evitar el acelerado desgaste del tubing y fallas por rotura del mismo.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO VISCOSIDAD Y DENSIDAD DEL CRUDO El problema asociado a la alta viscosidad y densidad radica en la influencia en las perdidas de producción. La fricción generada a nivel de tubería y bomba tiende a ser muy elevada incrementando los requerimientos de torque y potencia. Las perdidas de flujo se traducen en una presión diferencial adicional a la presión hidrostática, alcanzando rangos excesivos de levantamiento neto. Por otra parte esta presión tiene su efecto sobre el torque requerido por el sistema. Por tanto se convierte en un parámetro critico de diseño Para reducir las perdidas de flujo se tiene las siguientes opciones: Utilizar tuberías de mayor diámetro Inyectar agua, químicos o diluente para reducir la viscosidad del crudo, en este caso se debe verificar la compatibilidad de estos productos con el elastómero.
Utilizar varilla continua para minimizar las restricciones de flujo por centralizadores o acoples.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO GAS LIBRE Muchos de los pozos operan a presiones de fondo menores a la presión de burbujeo, lo cual trae como consecuencia alto contenido de gas libre. El gas entra a la bomba causando una aparente disminución de la eficiencia volumétrica debido a que ocupa volumen en las cavidades y el problema esta en que este efecto no se considere al estimar el volumen de fluido a desplazar por la bomba. Se recomienda colocar la bomba debajo de las perforaciones o el uso de separadores de gas o tubería de cola. Qgpip=(0.17811*Qgsup*Bg)-(0.17811*Qosup*Rs*Bg) Qgpip=Tasa gas libre a la entrada de la bomba BPD Alta producción de gas libre tiene un efecto negativo en la vida esperada de la bomba, ya que la temperatura interna de operación es regulada por el fluido y en este caso es posible que se exceda la temperatura limite del elastómero. En la condición anterior y por efecto de temperatura ocurrirá una extensión del proceso de vulcanización del elastómero volviéndolo duro e inflexible, lo que ocasiona agrietamiento empeorando la eficiencia volumétrica y aumentando los torques
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
PASO 1: Determinar la tasa de aporte de fluidos, calculando la IPR
COMPLETAMIENTO TIPICO DRIVEHEADS
Representa el equipo de superficie y tiene las siguientes funciones: Trasmitir el movimiento de rotación a la sarta de varillas. Soportar la carga axial. Acción de freno ante el backspin. Impedir la fuga de fluidos a través del Stuffing Box.
ACTIVIDADES PRE-OPERACIONALES Charla pre-operacional de workover. Listado de chequeo de equipos. Revisión de las especificaciones de equipos según diseño y que todos se les halla realizado un test de prueba. Chequeo y revisión de roscas. Revisión de herramienta especializada. Medición de long, ID, OD de la herramienta a instalar en el fondo del pozo. Revisar si el rotor y estator se encuentran apareados por sus PN o por una prueba de eficiencia. Registrar los números seriales.
INSTALACION SISTEMA PCP ENSAMBLE BHA
Este debe ser pre-ensamblado en piso o sobre burros, para posteriormente colgarlo completamente con el elevador subirlo a la torre y bajarlo al pozo. Es recomendable que sea torqueado manualmente con llaves de tubo o cadena preferiblemente para evitar daños en el estator, además por lo general los diámetros externos de los estatores no son comerciales y las llaves hidráulicas no vienen especificadas para los mismos. Engrasar los pines del niple de paro y enroscarlo a la conexión del estator y apretar con llave hasta un torque optimo. Enroscar la conexión del ancla al otro pin del niple de paro y apretar con llave hasta un torque optimo. Apretar un coupling de tubería al pin del ancla para proteger la rosca durante la instalación. El torque optimo es el mismo que estipula la API para tubería J-55. Al extremo superior del estator engrasar, enroscar y apretar con llave hasta torque optimo un niple de maniobra, el cual, servirá para colgar el BHA y debe ser del mismo diámetro del estator o mayor, para evitar daños por el movimiento excéntrico.
Bajar BHA al pozo asegurándose que las cuñas del ancla se encuentren desasentadas. Una vez se hallan corrido los 10 primeros tubos realizar prueba de asentamiento al ancla.
ASENTAMIENTO
DEL
ANCLA
Una vez se halla retirado la preventora y colocado el colgador de la tubería se procede a asentar el ancla, la Dual Down Lock no Torque Anchor Catcher se asienta aplicando torque a la derecha y posteriormente colocando peso sobre la misma, finalmente se libera el torque aplicado. Si el mal estado del casing no permite la aplicación del torque, adicionar o restar un tubo y volver a intentar buscando una ubicación propicia del ancla.
LUBRICACION
Los cabezales lubricados con aceite hidráulico corriente se les realiza cambio por primera vez 500 horas después de la instalación y luego cada 5000 horas de servicio. El cambio también se realiza cuando visualmente se observa el aceite contaminado. Con aceites sintéticos como el ESSO TERRESTIC, TEXACO PINNACLE, o equivalentes, el cambio de aceite debe ser anual. Aquellos equipos con frenos hidráulicos se les realiza cambio de filtros junto con el cambio de aceites
MANTENIMIENTO RUTINARIO INSPECCION DE CORREAS y POLEAS La inspección debe ser realizada con el sistema en operación, los problemas se identifican por percepción de ruidos o vibraciones anormales. Si se detecta desgaste o daño excesivo deben ser remplazadas, en caso de tener correas múltiples es recomendable remplazarlas todas al mismo tiempo para garantizar que el comportamiento sucesivo sea equivalente. Al realizar el cambio mantenga una tensión adecuada para evitar deslizamiento o fallas prematuras. Los daños inusuales pueden indicar mala operación de frenado ante el backspin. Las poleas se inspeccionan para detectar desgastes, agrietamiento o partiduras.
MANTENIMIENTO STUFFING BOX
Los stuffing deben mantener una pequeña filtración por lubricación y alivio de presiones, en caso de ser excesiva debe ajustarse la tapa para que los empaques se asienten y se controle la filtración.
los stuffing vienen provistos con graseras para su lubricaci贸n interna con grasa a base de litio, en este caso engrasar semanalmente.