1. INTRODUCCION
Durante la producción de petróleo se
requiere un gran consumo de energía para
levantar los fluidos a la superficie, la energía la puede suministrar el yacimiento, pero esta a medida que pasa el tiempo va decayendo y se hace necesario suministrar energía externa. Hay diferentes tipos de levantamiento artificial de extraer petróleo, el más común de ellos es el bombeo mecánico, sin embargo en los últimos años han surgido nuevos sistemas de levantamiento como es el sistema del bombeo hidráulico y ha tomado gran impulso, también ha mostrado grandes perspectivas en diferentes áreas Es el método poco utilizado. Se considera una técnica que se usa durante un corto tiempo, debido a su característica especial de alcanzar aproximadamente 1800 pies de profundidad. Su potencia es transmitida mediante un fluido presurizado que es inyectado a través de la tubería. Este fluido es conocido como fluido de potencia o fluido de motor y es usado por una bomba de subsuelo que actúa como un transformador para convertir la energía de dicho fluido a energía potencial o de presión. Los fluidos de potencia más utilizados son agua y crudos livianos que pueden provenir del mismo pozo.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El bombeo hidráulico es un sistema de levantamiento artificial que por sus características de extraer petróleo no es
muy utilizado. El bombeo hidráulico
comparado con el mecánico y el neumática es relativamente nuevo, pues su etapa de desarrollo se remonta
a 1932 y hasta nuestros días ha alcanzado un grado
de
perfeccionamiento y una eficiencia tal, que en muchos casos puede competir ventajosamente con cualquier otro método conocido. Este proyecto es realizado para que los estudiantes profundicen más a cerca de lo que es el bombeo hidráulico y poder demostrar que este método
puede tener una mayor eficiencia en la industria del
petróleo y pueda ser utilizado más para la extracción de petróleos. Al lograr esto muchos estudiantes y empresas dedicadas a
la producción de hidrocarburos se
beneficiarían por la eficiencia que genera este método.
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3. JUSTIFICACION
La realización del proyecto “generalidades del bombeo hidráulico” requirió de mucha investigación
ya que es un sistema de levantamiento que no es muy utilizado en
muchas partes donde hay empresas que se dedican a la extracción de petróleo, es por eso que nos interesamos en investigar mucho para encontrar la principal característica de porque no es utilizado, para que los estudiantes del Instituto de Coinspetrol puedan tener esta información de valiosa importancia que les va enriquecer los conocimientos sobre el bombeo hidráulico.
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4. OBJETIVOS
4.1.
OBJETIVO GENERAL
Dejar plasmado nuestro proyecto en Coinspetrol para que los alumnos puedan tener acceso a este proyecto y así se les facilite a la hora de hacer un trabajo o una investigación sobre este sistema de levantamiento artificial
4.2.
Dar
OBJETIVOS ESPECIFICOS
a conocer las principales partes del sistema de levantamiento artificial
“bombeo hidráulico”
Buscar la información necesaria para que los estudiantes y personas interesadas en adquirirla puedan hacerlo de una manera muy fácil y así se verán beneficiados
Conocer los principales tipos de bombeo hidráulico que existen en la extracción de petróleos
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5. ALCANCES Y LIMITACIONES
El alcance de este proyecto es que los estudiantes puedan tener a mano información sobre este sistema de levantamiento artificial “bombeo hidráulico”, que es muy poco utilizado en la industria del petróleo, por tal razón hay muy poca información sobre este sistema, se quiere que todos los interesados conozcan
más a fondo sobre este
bombeo y no sea una dificultad a la hora de obtener información sobre este.
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6. METODOLOGIA
El método en que se enfocará es en la recopilación de información sobre el método de levantamiento artificial “bombeo hidráulico”, también, haciendo consultas a personas que conozcan y tenga experiencia sobre el tema, también se acudirá a consultar en páginas en Internet que estén relacionadas con este método de bombeo hidráulico, se va a hacer una profundización sobre este método de levantamiento artificial desde sus inicios en la industria petrolera.
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7. QUE ES EL BOMBEO HIDRAULICO ? Es como su nombre lo indica, bombearle un fluido, que en este caso se le llama (fluido motriz), a la formación, a altas presiones; para así lograr empujar los fluidos de la formación y sacarlos a la superficie. El bombeo hidráulico se caracteriza, porque no requiere de varillas o de cables para la transmisión de energía a la bomba. Se puede instalar o retirar hidráulicamente en el sentido del flujo, o cambiándolo; mediante una bomba de 4 vías, la cual se instala en la cabeza del pozo. Los fluidos producidos se pueden usar como fluido motriz, pero se debe tener en cuenta que se le debe realizar una respectiva limpieza
8. TIPOS DE BOMBEO HIDRAULICO Son dos: Tipo Pistón o reciprocante. Tipo Jet.
9.
El TIPO PISTON O RECIPROCANTE. Es similar al bombeo mecánico, y se
caracteriza por tener como su nombre lo indica, un pistón y dos válvulas cheque, este pistón es de movimiento positivo, para desarrollar altas presiones, mediante la aplicación de una fuerza por medio de varillas.
9.1
INTRODUCCION
Es el método poco utilizado. Se considera una técnica que se usa durante un corto tiempo, debido a su característica especial de alcanzar aproximadamente 1800 pies de profundidad.
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Su potencia es transmitida mediante un fluido presurizado que es inyectado a través de la tubería. Este fluido es conocido como fluido de potencia o fluido de motor y es usado por una bomba de subsuelo que actúa como un transformador para convertir la energía de dicho fluido a energía potencial o de presión. Los fluidos de potencia más utilizados son agua y crudos livianos que pueden provenir del mismo pozo. 9.2 COMPONENTES DEL EQUIPO Los componentes que conforman el sistema de Levantamiento por Bombeo Hidráulico pueden ser clasificados en dos grandes grupos:
Equipo de superficie
Equipo de subsuelo
Los equipos de superficie y subsuelo están integrados por componentes 9.3 EQUIPOS DE SUPERFICIE: 9.3.1 SISTEMA DE FLUIDO DE POTENCIA En los sistemas de bombeo hidráulico, el fluido motor recibe la energía suministrada por las bombas en la superficie. Este fluido transmite la potencia a la bomba de subsuelo y, luego, retorna a la superficie con el fluido producido por el yacimiento.
Los sistemas de fluidos de potencia se dividen en dos tipos:
Sistema de fluido cerrado. En este tipo de sistema, el fluido motor no se mezcla con los fluidos producidos por el yacimiento.
Sistema de fluido abierto. En este tipo de sistema, el fluido motor se mezcla con los fluidos producidos por el yacimiento.
9.3.2 BOMBA DE SUPERFICIE Las bombas utilizadas en este tipo de levantamiento para bombear el fluido motor pueden ser triples o múltiples. Las que se emplean generalmente, son las triples.
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Bombas triples: estas bombas usan: émbolo, camisa de metal a metal, válvula tipo bola.
Bombas múltiples: tienen un Terminal de potencia y una de fluido. El Terminal de potencia comprende, entre otras partes: el cigüeñal, la biela y los engranajes
El Terminal de fluido está formado por pistones individuales, cada uno con válvulas de retención y descarga. Usualmente, estas válvulas están provistas de resorte.
Las bombas múltiples más comúnmente instaladas en el campo son las de configuración horizontal. 9.3.3 MÚLTIPLES DE CONTROL Cuando se opera una cantidad apreciable de pozos desde una batería central, se suele usar un múltiple de control para dirigir los flujos directamente a cada uno de los pozos Medidores de flujo global o individual para cada pozo se pueden instalar en el múltiple de control de fluido de potencia. Para regular y/o distribuir el suministro de fluido de potencia a uno o más pozos, se usan varios tipos de válvulas de control. La válvula común a todos los sistemas de bombeo libre es la de cuatro vías o válvula control del cabezal del pozo. 9.3.4VÁLVULA DE CONTROL Una válvula de control de presión constante regula la presión en el lado común del fluido de potencia del múltiple. Esta presión, generalmente, es mayor que la presión más alta requerida por cualquiera de los pozos. La válvula de control de flujo constante rige la cantidad de fluido de potencia que se necesita en cada pozo cuando se emplea una bomba reciprocante. 9.4EQUIPOS DE SUBSUELO: 9.4.1SISTEMA DE FLUIDO MOTOR En los sistemas de bombeo hidráulico, el fluido motor transmite la potencia a la bomba de subsuelo y, a la vez, lubrica todas las partes móviles de la misma. El transporte del
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fluido motor y del fluido producido se realiza a través de un sistema de tuberías que depende del tipo de sistemas de fluido o de potencia: bien sea de fluido cerrado o de fluido abierto. 9.4.2SISTEMA DE FLUIDO CERRADO (FMA) En este caso, el fluido motor no se mezcla con el pozo, lo cual hace necesario el uso de tres tuberías en el fondo del pozo: una para inyectar el fluido de potencia, una de retorno del mismo y otra del fluido de producción.
9.4.3SISTEMA DE FLUIDO ABIERTO (FMA) En el sistema abierto, el fluido motor se mezcla con el fluido del pozo, lo cual hace necesario el uso de dos tuberías en el fondo: una para inyectar el fluido de potencia y otra para el retorno de la mezcla. 9.4.4BOMBAS HIDRÁULICAS Las bombas hidráulicas de subsuelo constituyen el principal componente del sistema en el fondo del pozo. El principio de operación de estas bombas es similar al de las bombas de cabillas. Las bombas hidráulicas utilizan un pistón accionado por cabillas y dos o más válvulas de retención. La bomba puede ser de simple acción o de doble acción. Una bomba de acción simple sigue prácticas de diseño similares a las de una bomba de cabillas. Se denomina de acción simple porque desplaza el fluido hasta la superficie, en el recorrido ascendente o en el descendente (no en ambos). 9.4.4.1Bomba de doble acción: La bomba de doble acción tiene válvulas de succión y de descarga en ambos lados del pistón. Por esta razón esta bomba desplaza el fluido hasta la superficie en ambos recorridos, ascendente y descendente, con la acción combinada de apertura y cierre de las válvulas de succión y de descarga del pistón.
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9.4.4.2Bombeo por cabilla e hidrรกulico: En una instalaciรณn de bombeo por cabillas la unidad de superficie y la bomba de subsuelo se unen por medio de la sarta de cabillas. En cambio, en una unidad de bombeo hidrรกulico, la cabilla se encuentra en el interior de la bomba. Las bombas de cuatro vรญas se usan en el motor para cambiar la alta presiรณn del fluido de potencia a baja presiรณn y descarga en ambos lados del pistรณn del motor, de manera alternativa. Estas vรกlvulas del motor se utilizan con bombas de doble acciรณn, para dar igual fuerza en el recorrido ascendente y descendente. 9.4.5FUNCIONAMIENTO: Cuando el pistรณn del motor llega al final de la carrera descendente, el diรกmetro reducido en la parte superior del vรกstago de la vรกlvula permite la entrada del fluido a alta presiรณn, debajo de la vรกlvula del motor. Debido a que la vรกlvula tiene mayor รกrea en la parte inferior que en la superior, se desplazara hacia arriba, como consecuencia de la fuerza resultante al actuar una misma presiรณn sobre zonas distintas y en direcciones opuestas. Cuando la vรกlvula de motor estรก en la posiciรณn superior, las trayectorias del flujo hacia el pistรณn se invierten, comenzando la carrera ascendente de la bomba. Cuando el pistรณn del motor llega al final de la carrera ascendente, el diรกmetro reducido del extremo inferior del vรกstago de vรกlvula conecta el รกrea debajo de la vรกlvula a la descarga. Con la alta presiรณn por encima de la vรกlvula y solamente la presiรณn de descarga abajo, la vรกlvula se desplazara a su posiciรณn superior y se repetirรก el ciclo.
10. EL BOMBEO HIDRAULICO TIPO JET. Es un mรฉtodo para la producciรณn de pozos de petrรณleo, el cual ha permitido superar muchas limitaciones de diseรฑo y de aplicaciรณn relacionadas a otros tipos de bombeo, ya que este presenta varias VENTAJAS como:
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Manejo de una mayor variedad de las tasas de producción. Mayor flexibilidad ante diversas condiciones de operación y manejo. Se opera a control remoto. Permite levantar crudos pesados. Se puede calentar el fluido motriz. Se pueden inyectar químicos al pozo. La eliminación de conexiones mecánicas con la bomba del subsuelo, por lo que no hay que preocuparse por las posibles rupturas de las varillas. No posee partes móviles, por lo cual disminuye el efecto de desgaste por rozamiento entre las partes móviles y las partes fijas, entonces este efecto de rozamiento se puede considerar inexistente. Se puede utilizar en los pozos desviados, debido a que la forma de transmitir la energía de superficie al fondo es el fluido motriz, que generalmente es agua o el mismo crudo producido por la formación, por lo que no hay riesgo de ruptura de varillas debido al roce entre estas y el casing, por el ángulo de inclinación. La Arena no afecta tanto este sistema, ya que como se había mencionado anteriormente, no tiene partes móviles y por lo tanto no hay abrasión generada por esta. Generalmente se toma la decisión de instalar este sistema en un pozo, después de que este ha aprovechado su flujo natural de las primeras etapas de la vida del pozo, o cuando se considera el reemplazo de un sistema de levantamiento artificial por otro.
El objetivo principal de el Bombeo tipo JET, es la de tratar de mantener la presión de fondo fluyendo Pwf constante, para facilitar la llegada de los fluidos a la superficie. 10.1DESVENTAJAS
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Requiere de altas potencias (HP), lo que ocasionara más gastos debido a el tamaño de las bombas inyectoras que se deban instalar en la superficie. Cuando hay bajas presiones a la entrada de la bomba, esta tiende a la cavitación. La eficiencia de la bomba puede disminuir, si se llega a generar un flujo turbulento cuando entra el fluido motriz por la boquilla y llega a la garganta de la bomba. Lo que se debe hacer en estos casos es controlar la tasa de inyección, la presión de inyección, al igual que la presión a la entrada de la bomba. Todo esto con el fin de no exceder los parámetros de diseño del diseño de la bomba, y así o disminuir la eficiencia de la misma.
10.2 CARACTERISTICAS DEL BOMBEO HIDRAULICO TIPO JET Se puede utilizar para profundidades entre 1000 y 18000 pies. Maneja una gran variedad de tasas de producción, las cuales están entre 100 a 10000 BFPD. Estos dos puntos anteriores son una gran ventaja con respecto a otros sistemas de levantamiento artificial como el bombeo mecánico, ya que este si trabaja a grandes profundidades, saca una tasa muy baja; y si trabaja con tasas altas, no puede trabajar a altas profundidades, ya que el peso de la sarta es un problema, Mientras que en el tipo JET se puede usar a grandes profundidades y grandes tasas sin que se presente problema alguno. Usualmente las presiones de operación varían entre 2000 y 4000Psia. La energía potencial del fluido motriz, se convierte en energía cinética. (ver figura).
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Figura 1. Bomba jet de libre revestimiento.
En esta figura podemos observar que cuando el fluido llega desde la superficie con una gran energía potencial (presión), a la boquilla esta energía se transforma a energía cinética (velocidad), en la cual entra en contacto con el fluido de la formación, en donde se combinan y pasan al difusor, donde se expanden y forman una cabeza dinámica de presión mayor, que la presión que ejerce la columna hidrostática y por lo tanto estos fluidos pueden ser llevados a la superficie.
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10.3
ELEMENTOS E INSTALACIONES DEL BOMBEO HIDRAULICO TIPO JET
El sistema de bombeo hidráulico tipo jet, utiliza un fluido que realiza un proceso de circulación por todas las partes del sistema. El fluido motriz o de potencia es tomado del tanque de almacenamiento y alimenta a la bomba triplex o multiplex,
el fluido con la presión incrementada es controlado por
válvulas en la estación de control y distribuido hacia uno o más pozos. Este llega a las válvulas de cabeza de pozo y es dirigida a la bomba de subsuelo, ahí se mezcla con los fluidos de formación, retornando a superficie y enviado al sistema de recolección.
10.4 INSTALACIONES DE SUPERFICIE. Proporcionan la energía necesaria para el funcionamiento del equipo de subsuelo. 10.4.1Tanque de almacenamiento de fluido motriz A donde retorna el fluido de potencia mezclado con la producción, proveniente del pozo. Efectuándose un tratamiento, el fluido motriz es suministrado a la bomba de superficie.
10.4.2 Maquina motriz Fuente de poder del sistema, puede ser un motor eléctrico, de gas o diesel.
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10.4.3 Bomba de superficie Puede ser triplex o multiplex, trabaja en un rango de 2000-4000 Psi, está diseñada para manejar caballos de fuerza muy altos. Su potencia va de 30-650 HP, los diámetros de pistón varían entre 1” a 2 ¾”. Los caudales de flujo oscilan entre 500-3000 BFPD.
10.4.4 Líneas de conducción Transportan ya sea fluido motriz o fluido de producción. Diseñada para soportar presiones y temperaturas de operación. Sus diámetros varían según sus caudales.
10.4.5 Estación de control de inyección (manifold.) Son reguladores para el control individual de presión y caudal, o sea se controlan parámetros de inyección en cada pozo. Se compone de válvulas que controlan el volumen y controladores de presión. En resumen son un medio de medida de las condiciones de cada pozo.
10.4.6Cabezal del pozo Conecta la estación de control con la tubería del pozo por medio de una válvula de cuatro pasos, la cual realiza la función de cambiar el sentido de flujo de fluido motriz, esto se realiza para llevar a cavo operaciones de mantenimiento de la bomba jet. También el cabezal realiza funciones necesarias para operar la bomba libre. Recibe y sostiene la bomba jet.
10.4.7UNIDRAULIC: sistema compacto, el cual se utiliza principalmente para separar fluido motriz del de producción.
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El fluido de producción va a la batería de producción, el fluido motriz es limpiado de impurezas para ser nuevamente bombeado a fondo. Esto lo hacen los hydrocyclones: que separan sólidos (arena) para evitar el daño de bombas utilizando la fuerza centrifuga. Un buen trabajo de esta depende de un buen diseño.
En resumen el equipo de superficie es el encargado de recoger, limpiar, suministrar potencia, transportar, controlar e inyectar el fluido motriz.
Bomba triplex
Tanque de recolección
o múltiplex
Hacia la línea de flujo Válvula maestra de cabeza de pozo Ensamblaje de fondo
Bomba de circulación
Limpiadores de ciclón
Succión de la bomba Fluido producido Fluido de potencia a alta presión
Bomba de
Fluido en limpieza
fondo
Fluido hacia la línea de flujo de producción
Figura 2. Instalación de bombeo jet convencional.
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10.5 INSTALACIONES DE SUDSUELO Suelen bajarse dentro del hueco en dos configuraciones típicas. Cuando la bomba es enroscada al final de la sarta y bajada dentro del pozo, es llamada “bomba fija”. Cuando la bomba es adecuada dentro de la tubería y es libre para regresar afuera, esta configuración es llamada “bomba libre”. 10.5.1 BOMBA FIJA Se divide en dos: 10.5.1.1 fija insertada: se fija dentro de la tubería de producción, el fluido motriz viaja por una pequeña sarta interior y se mezcla con el fluido de formación, y estos regresan a superficie entre el espacio anular de las dos sartas. El gas se produce por el anular entre casing y tubing. 10.5.1.2 fija a casing: se acopla a la tubería de revestimiento. El fluido motriz viaja por el tubo y la mezcla regresa por el anular. El gas se produce a través de la bomba. La siguiente grafica muestra la configuración tipica de estas dos bombas jet.
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FIGURA 3. BOMBAS FIJAS
Fluido motriz Fluido de formación Fluido de producción
Fija Insertada Fija a de la tubería de revestimiento
Fluido Motriz Fluido de Formación Fluido de producción
Libre
Libre de
paralela
revestimiento
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10.5.2 BOMBA LIBRE Se divide en dos: 10.5.2.1libre paralela: las dos sartas son conectadas en el fondo por un bloque de cruceta, estas sartas pueden introducirse en el pozo simultáneamente o una después de la otra. El fluido motriz hace sello en un empaque entrando este en la boquilla, garganta, luego mezclándose y produciéndose por la sarta de menor tamaño. 10.5.2.2 libre de revestimiento: Es el mismo diseño de la libre paralela pero con una sola sarta y la tubería de producción está anclada al revestimiento. Se produce entre la tubería de producción y la de revestimiento.
10.6TIPOS DE BOMBAS JET
Las bombas jet son muy versátiles, adaptándose a todos los diseños. Sus componentes importantes son: boquilla, garganta y difusor. Los cuales están ensamblados en una variedad de configuraciones. A continuación se muestra una grafica de una bomba jet.
Figura 4. Bomba jet de libre revestimiento.
32
La parte de amarillo oscuro muestra el fluido motriz, el amarillo claro simboliza el fluido del pozo, y el rojo la combinación de los dos. 10.6.1Bomba jet de sello sencillo estándar: Va sentada en un ensamblaje de fondo diseñada para una bomba hidráulica de pistón. Es una bomba libre y pude recuperarse cambiando el sentido de flujo del fluido de potencia. A continuación se muestran algunas configuraciones de esta bomba.
Tubing Nariz del Empaque Bomba Jet libre Boquilla Garganta Difusor
Ensamblaje de fondo
Válvula recuperable
Empaque Casing
Figura 5. Configuraciones de bombas jet
33
10.6.2Bomba tipo jet de alto volumen. Se instala en configuración de bomba libre, debido a los pasajes grandes del chorro ó jet de alto volumen, se requiere un conjunto de fondo especial. También se puede hacer trabajar en circulación inversa, en el diseño de circulación inversa no es una bomba libre, pero se mantiene en el lugar por medio de una traba superior de sujeción mecánica, se instala y se recupera utilizando las herramientas de pesca de cable convencional. 10.6.3Bomba tipo jet de mango deslizante Este tipo de diseño es utilizado generalmente en pozos productores costa afuera, generalmente funciona en el modo de circulación inversa con una traba o ajuste superior, también se puede desplazar en un tubo. La circulación inversa mantiene los fluidos producidos fuera de la tubería de revestimiento con lo cual se protege contra la corrosión además de permitir agregar aditivos en el fluido motriz que circula por el anular; aunque la presión de estallido de la tubería de revestimiento limita la presión de suministro del fluido motriz.
10.6.4Bomba tipo Jet de cilindro fijo. Las bombas de cilindro fijo han sido diseñadas para que funcionen en un tubo de producción o de revestimiento existente, la inserción fija generalmente funciona adentro de un tubo de producción en una sarta espiral (macarroni o coiled tubing) y acoplada metal - metal en el asiento de la bomba, el fluido de formación y el fluido motriz ascienden por el espacio anular entre el revestimiento y la cadena de tubería que sostiene la bomba, también se puede sentar en un obturador de cilindro y la producción asciende por el espacio anular del cilindro.
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Ensamblaje de fondo
V谩lvula de retenci贸n igualadora
Fifura 6. Bomba de alto volumen.
Ajuste y sello superior
Mango deslizante
Sello inferior
Figura 7. Bomba de mango deslizante.
35
Casing
Casing
Tubing Coiled Coiled ó tubo macarroni
Asiento de la bomba Empaque
Figura 8. Bomba de cilindro fijo. 10.6.5 Bomba tipo Jet de “Coiled Tubing”. Es una bomba de fondo delgada y compacta diseñada exclusivamente para funcionar en tubería existente de 2 3/8” ó 2 7/8”.
No se requieren costosos tubos para
acondicionar, ya que las herramientas necesarias generalmente se introducen en la tubería (Coiled) de 1 ¼” ó 1 ½”. El conjunto de fondo de pozo también se puede insertar en la tubería articulada convencional de 1 ¼”, la bomba es una bomba libre y circula a través del tubo coiled ó convencional. Estas bombas son utilizadas generalmente en completamientos costa afuera debido a que su diseño satisface cualquier requerimiento de espacio.
Estas bombas se introducen y se sacan hidráulicamente sin necesidad de cable ó accesorios adicionales, esto permite al operador retirar la bomba del pozo en cualquier momento, para inspeccionar ó volver a determinar el tamaño de boquillas y garganta solo acondicionando el fluido de una manera inversa.
36
10.7El fluido motriz El fluido de potencia es sin duda la esencia del bombeo hidráulico tipo jet y uno de los parámetros a tener siempre en mente al realizar el diseño. Este fluido es el encargado de transferir y transmitir la energía que activa el ensamblaje de fondo desde superficie hasta el subsuelo, también tiene la función adicional de lubricar y proteger del desgaste excesivo todas las partes del sistema como son, válvulas, motor, pistones y cilindros de la bomba de superficie, válvulas de control; por lo cual se requiere un buen grado de pureza y carencia de sólidos abrasivos. El petróleo crudo generalmente es utilizado como fluido motriz por sus propiedades de lubricación y fácil disponibilidad en las cantidades requeridas, es prudente utilizar crudos entre 20 y 30 grados API y alrededor de 10 Cstk de viscosidad para obtener resultados óptimos.
Otra alternativa de uso es el agua, esta por sus marcadas ventajas y características de bajo costo, disponibilidad, fluido no compresible, baja viscosidad, y uniformidad está siendo utilizada adicionándole aditivos especiales aunque algo costosos para darle propiedades de lubricación, viscosidad y
especialmente para evitar sus efectos
corrosivos sobre las áreas metálicas expuestas. Coiled o tubo convencional Cavidad de la bomba Bomba Jet libre 1 1/4 “
Válvula
Empaque
Figura 9. Bomba de “Coiled Tubing”
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10.8 Aceite crudo Por su disponibilidad y características físico-químicas es el más indicado como fluido de potencia, por eso de sus propiedades y en especial el grado de pureza reflejan el éxito del sistema de levantamiento, en especial el contenido de sólidos abrasivos es una variable a monitorear permanentemente en las instalaciones de superficie previo a ser el aceite inyectado. El crudo ó fluido producido de la formación y mezclado con el fluido de potencia puede salir del pozo con gas disuelto ó también con gas en solución lo cual disminuye la eficiencia de la bomba Jet al tener que manejar gas y también de la bomba triplex de superficie que es de desplazamiento positivo, el gas al ser altamente compresible afecta la eficiencia como la bomba comprime el liquido disminuyendo ostensiblemente la presión a la que entrega el fluido motriz para ser inyectado al sistema, esto es equivalente a tener que aumentar la frecuencia ó velocidad de operación de la bomba y por tal motivo incrementar el consumo de energía. Se requiere entonces un separador de gas para el fluido producido con el fin de retirar el gas en solución y el gas libre del crudo que va a ser utilizado como fluido de potencia, si las cantidades de gas que se manejan son despreciables no es necesario la instalación de separadores. El crudo es tomado por los tanques de aceite motriz donde se realiza la separación del agua por gravedad dándole un tiempo de reposo y agregándole desemulsificantes y clarificadores para ayudar a romper las emulsiones y se permite la decantación de sólidos más pesados, asentamiento de sólidos coloidales y partículas suspendidas. El crudo es conducido para el tratamiento de sólidos realizados generalmente con limpiadores de ciclón donde por medio de circulación del fluido y aprovechando la fuerza centrifuga son separados los sólidos de menor tamaño y contaminantes que aún permanecen en suspensión en el crudo, adicionalmente se pueden adicionar aditivos tales como reductores de viscosidad, clarificantes, inhibidores, anticorrosivos, acuerdo a las condiciones de cada pozo en particular.
38
de
Figura 10. Diagrama de flujo para Bombeo Tipo Jet.
39
10.9 Parámetros de control sobre el crudo
La presencia de gas, sólidos, materiales abrasivos afectan seriamente la operación y la vida útil de las unidades de superficie y de subsuelo, por lo tanto el control de parámetros en el sistema de tratamiento de crudo se deben monitorear frecuentemente. Entre los parámetros a considerar se tienen: Gravedad API. Contenido de agua y sedimentos. Contenido de sal: máximo 12 libras por 1000 Bls de crudo. Contenido de parafinas. Contenido de sulfuros. Para controlar posibles ambientes corrosivos. Contenido total de sólidos: máximo 20 ppm ó 0.002% del volumen
para crudos
entre 30 y 40 API, fluidos un poco más pesado pueden admitir relativamente más sólidos. Tamaño máximo de partículas sólidas: 15 micrones, en cantidades pequeñas.
De realizar un análisis periódico de estos parámetros para no exceder los limites sugeridos, depende el óptimo funcionamiento de los diferentes componentes del sistema de bombeo hidráulico tipo jet, especialmente de las bombas triplex de superficie que son altamente sensibles a contenidos de sólidos altos ya que la abrasión erosiona las paredes de los cilindros causando su desgaste prematuro y su posterior deterioro.
40
10.10 Agua El agua es el fluido de más fácil disposición en la mayoría de los campos petroleros, tiene características de bajo costo y propiedades uniformes pero presenta el inconveniente de su baja viscosidad como lubricante y sus características corrosivas. Aunque existen en el mercado aditivos para convertir el agua de formación en agua dulce tratada, aceptable como fluido de potencia, estos aditivos son a la vez lubricantes, bactericidas e inhibidores de corrosión.
El agua presenta las ventajas de eliminar
riesgos potenciales de incendio, permite mejor control en pruebas de producción ya que todo el aceite producido proviene de la formación. También presenta la desventaja del elevado costo de los aditivos, lo que hace que se aumentan los costos de mantenimiento dependiendo de la cantidad y concentración de aditivos utilizados.
10.11FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE BOMBEO HIDRÁULICO TIPO JET
Las bombas jet son una clase especial de bombas hidráulicas de subsuelo. Todas las bombas convencionales se operan por medio del pistón de una bomba reciprocante de desplazamiento positivo. La bomba jet, sin embargo, no emplea partes móviles y realiza su acción de bombeo por medio de la transferencia de momento entre el fluido motriz y el fluido a producir. El sistema de bombeo hidráulico para la producción de pozos de petróleo ha permitido superar muchas limitaciones de diseño y aplicación propias de los demás métodos de bombeo.
Resumiendo lo visto en el primer capítulo, las principales ventajas que presenta este tipo de bombeo son: Amplia variedad en los caudales de producción, tolerancia a fluidos de inyección y de producción de baja calidad, el diseño compacto de los componentes de la bomba, lo cual la hace apta para adaptarse a casi cualquier arreglo de fondo de pozo, la ausencia de conexiones mecánicas con la bomba de subsuelo y en general gran flexibilidad para operar bajo diversas condiciones. Sin embargo no puede ser utilizada en todos los pozos, debido principalmente a dos requisitos: la necesidad de una presión de succión relativamente alta para evitar la cavitación y su baja eficiencia
41
mecánica, lo que hace que requiera más potencia en superficie que las bombas de tipo pistón. Históricamente, se atribuye el uso de la primera bomba jet a James Thompson 1, en el año de 1852, en Inglaterra. La teoría del bombeo fue desarrollada por J.M. Rankine 2 en 1870.
Gosline y O’Brien3, realizaron en 1933 el trabajo estándar el cual es
posteriormente usado como base por diversos autores principalmente Cunningham 4, del cual son tomadas las principales consideraciones para este trabajo.
10.12 TEORÍA GENERAL
10.12.1Fundamento matemático
Las ecuaciones que se presentan a continuación, son referidas a la figura 17 y solo se consideraran las más relevantes, es decir las expresiones fundamentales empleadas para el diseño por lo cual en caso de que se desee conocer el tratamiento matemático riguroso es necesario acudir a los autores antes citados o a textos especializados en el tema. q3 M q1
Aj At
(Ecuación 40)
R (Ecuación 41)
q1 A j * V j (Ecuación 42) q3 As * Vs
(Ecuación 43)
42
Entrada de la bomba
Ps, Qs A n
At
Boquilla
Gargant a
Pn, Qn
Descar ga
As = At An
Figura 11. Nomenclatura de la bomba jet. q3 q1 At * Bt q 2
(Ecuación 44)
As A j At (Ecuación 45)
Las ecuaciones 44 y 45 conducen a:
Vt
q 3 q1 q 2 As A j At (Ecuación 46)
43
Las ecuaciones 41 y 45 generan
1 * At A j As At A j At Aj Aj Aj At As Aj
1
(Ecuación 47)
Aj
At 1 R Aj R At
(Ecuación 48)
La energía suministrada a la boquilla por unidad de tiempo es:
E j q1 * * H1 H 2 (Ecuación 49)
Y la energía por unidad de tiempo añadida al fluido de producción es: Es q3 * * H 2 H3
(Ecuación 50)
La pérdida de energía por unidad de tiempo debido a resistencia friccional en las fronteras del intercambiador de mezcla es aproximadamente:
Ft * K t * q1 q3 *
Vt 2 2g
(Ecuación 51)
Similarmente en el difusor, el circuito de succión y la boquilla:
Vt 2 Fd * K d * q1 q3 * 2g (Ecuación 52)
44
Fs * K s * q3 *
F j * K j * q1 *
Vs 2 2g
(Ecuación 53)
Vj 2 2g (Ecuación 54)
Por lo tanto, las pérdidas de energía por fricción por unidad de tiempo es igual a: 2
Vj Vt 2 Vs 2 Ft * K d * q1 q3 * * K s * q 3 * * K j * q1 * 2g 2g 2g
(Ecuación 55)
Mediante manejo matemático de las anteriores ecuaciones se llega a:
H
H 2 H3 H1 H 2
(Ecuación 56)
De donde se deduce que: H
1 N N M
(ecuación 57)
Un examen de la ecuación 56 muestra que los parámetros K j, Ks, Kt Kd y R son todos características geométricas de la bomba mientras que el parámetro remanente, M es función de los flujos en la bomba, (ver ecuación 40). La ecuación 57 por lo tanto es función solamente de M para una bomba dada, además considerando en la ecuación 57 que la cabeza total es aproximadamente igual a la presión estática se tiene:
45
H
p2 P3 1 N P1 P2 N M
(ecuación 58) De aquí en adelante la cabeza total se asumirá igual a la presión estática. El significado físico del parámetro H puede verse como la relación de la cabeza o aumento de presión experimentada por el fluido de producción en la bomba a la cabeza o pérdida de presión sufrida por el fluido motriz en la bomba.
10.12.2 Eficiencia
La eficiencia de una bomba jet se define como la relación de la potencia añadida al fluido producido a la potencia perdida por el fluido motriz. La potencia añadida al fluido producido es:
HP q 3
q 2 * P2 P3
(ecuación 59)
Y la pérdida de potencia por el fluido de potencia es:
HP q 1
q1 * P1 P2 (ecuación 60)
Las ecuaciones 59 y 60 llevan a la eficiencia:
E
HP q 3 HP q1
q 3 * P2 P3 q1 * P1 P2 (ecuación 61)
Nótese que el lado derecho de la ecuación 61 es: M *H
q 3 P2 P3 * q1 (P1 P2 )
46
(ecuación 62)
Por lo tanto,
Eficiencia = E = M*H = q 3 * P2 P3 q1 * P1 P2
(ecuación 63)
10.12.3 Curvas de desempeño adimensional. El desempeño de bombas jet geométricamente similares operando al mismo número de Reynolds es descrito por las ecuaciones 56, 57 y 63. Una gráfica de esas ecuaciones mostrando H vs. M para varios valores de R se presenta en la figura 17. Las eficiencias respectivas también se grafican como función de M. Estas curvas fueron graficadas utilizando los siguientes coeficientes de pérdidas típicos según Gosline y O’Brien:
Kj=0.15
Ks=0
Kt=0.28
Kd=0.10
Las relaciones de área seleccionadas cubren un rango desde una cabeza relativamente alta y
un flujo bajo de tasa de bombeo (relación A, R=0.410) hasta una cabeza
relativamente baja y un flujo alto de tasa de bombeo
(relación E, R= 0.168). En
la tabla 4 se muestran las relaciones entre varios diámetros y áreas de boquilla y garganta:
La bomba de alta cabeza debería emplearse en pozos profundos con alto levantamiento. Note en la figura 18 que el punto máximo de eficiencia para la relación A ocurre en M=0.5. Esto significa que para cada barril de producción (q3)deben ser suministrados dos barriles de fluido motriz (q1). De otro lado, un flujo alto de tasa de bombeo debería aplicarse en un pozo poco profundo con un bajo levantamiento. En este caso se requeriría solamente cerca de 0.7 barriles de fluido motriz por cada barril de producción en el punto de eficiencia máxima de M=1.45.
47
Variables involucradas en el diseño jet
Variable Aj As At Ej
Es
Fd Ff Fj
Fs
Ft g
H
Definición Área de flujo de la boquilla Área de flujo de producción neta de la garganta Área total de flujo de la garganta Energía suministrada a al boquilla por unidad de tiempo Energía por unidad de tiempo añadida al fluido de producción Pérdidas de energía friccional en el difusor Pérdidas de energía friccional totales Pérdidas de energía friccional en la boquilla Pérdidas de energía friccional en el circuito de succión Pérdidas de energía friccional en al garganta Aceleración de la gravedad Relación de recobro de cabeza adimensional
Variable H3
Definición Cabeza total fluido de succión
Kj
Coeficiente de pérdidas de boquilla
Kd
Coeficiente de pérdidas de difusor
Ks
Coeficiente de pérdidas de succión
Kt
Coeficiente pérdidas totales
M
Relación de flujo adimensional Variable aritmética utilizada en la definición de H
N
de
Peso específico del fluido
q1
Tasa de flujo de fluido motriz Tasa de flujo de producción, fluido motriz y fluido de producción Tasa de flujo de succión
q2 q3 Vj
Velocidad del fluido en boquilla
48
H1
Cabeza total de fluido motriz
Vs
Velocidad de fluido en el área de succión alrededor del extremo de la boquilla
H2
Cabeza fluido descarga
P2
Presión de descarga
total de
Debe enfatizarse que las curvas presentadas en la figura 18 marcan los puntos de operación permisibles para una bomba jet sin cavitación con coeficientes de pérdida particulares y para las relaciones mostradas en la tabla 5.
10.12.4 Flujo en boquilla
Según la ecuación 64, la velocidad a la salida de la boquilla se calcula
Vj
2g * H1 H 3
1 K j 1 K s * M 2 * 1 RR
2
(ecuación 64)
De la cual
q1 V j * Aj Aj *
2g * H1 H 3
1 K j
R 1 K s * M * 1 R
2
2
(ecuación 65) La ecuación 64 indica que la tasa de flujo a través de la boquilla es función no solo del diferencial de cabezas (H1-H3) sino también de la tasa de flujo de succión reflejada en el término en el denominador que contiene M. Sin embargo, pruebas efectuadas por Cunningham indican que virtualmente no se observa ninguna dependencia en la tasa de flujo de succión en bombas reales con
49
boquillas alejadas uno o dos diámetros del de la entrada de la garganta.
Una
representación adecuada de la tasa de flujo de la boquilla por lo tanto es:
q1 A j
2g * P1 P3 1 K j
(ecuación 66)
Diámetros y áreas de boquillas y gargantas
Número Área de
Área de
Diámetro
Número
Diámetro
Boquilla garganta 1
0.00371
0.06869
1
0.00905
0.10733
2
0.00463
0.07680
2
0.01131
0.12000
3
0.00579
0.03587
3
0.01414
0.13416
4
0.00724
0.09600
4
0.01767
0.15000
5
0.00905
0.10733
5
0.02209
0.16771
6
0.01131
0.12000
6
0.02761
0.18750
7
0.01414
0.13416
7
0.03451
0.20933
8
0.01767
0.15000
8
0.04314
0.23438
9
0.02209
0.16771
9
0.05393
0.26204
10
0.02761
0.18750
10
0.06741
0.29297
11
0.03451
0.20933
11
0.08426
0.32755
12
0.04314
0.23438
12
0.10533
0.36621
13
0.05393
0.26204
13
0.13166
0.40944
14
0.06741
0.29297
14
0.16458
0.45776
15
0.08426
0.32755
15
0.20572
0.51180
16
0.10533
0.36621
16
0.25715
0.57220
17
0.13166
0.40944
17
0.32144
0.64974
18
0.16458
0.45776
18
0.40180
0.71526
19
0.20572
0.51180
19
0.50225
0.79968
20
0.25715
0.57220
20
0.62782
0.89407
21
0.78477
0.99960
50
22
0.98096
23
1.22620
24
1.53275
1.11759
1.5
30
1.4
28
1.3
B
1.2
D
C
E 26 24
A
1.1
22
1.0
20
AR= 0.410 0.9
18
B
0.8
H
16
R= 0.328
0.7
14
0.6
12
0.5
C
0.4
D
0.3
E
0.2
R= 0.262
10
R= 0.210
Ef R= 0.168
0.1
0
A 0 2
B
C
D
E
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
M Grรกfica de relaciones adimensionales H vs. M
51
10.12.5 Cavitación
La presión a la entrada de la garganta (Pa), es siempre menor que la cabeza de succión H3, para flujos de succión mayores que cero. Si Pa se reduce por debajo de la presión de vapor del fluido que esta siendo bombeado (Pv), habrá cavitación. Ya que Pv es la mínima presión que puede obtenerse a la entrada de la garganta, el flujo de succión en este punto es el máximo que puede obtenerse con el valor particular de la cabeza de succión H3.
Los intentos para reducir Pa por debajo de Pv, incrementando la tasa de flujo de la boquilla, simplemente llevan a mayores volúmenes de vapor a la Pv en el fluido de succión. Además, el colapso de las burbujas de cavitación en la garganta de la bomba, causa daños severos debido a las ondas de choque y a la elevada velocidad de los microchorros resultantes del colapso asimétrico de las burbujas.
Por esto la predicción del punto de cavitación es importante en la aplicación de las bombas jet. Cunningham y Brown5, han demostrado que el valor limite de M en el
punto de
cavitación puede predecirse a partir de:
Mc
(P3 Pv ) /( P1 P3 ) 1 R * 1 K j * R I c (P3 Pv ) /( P1 P3 )
(ecuación 67)
Donde Ic= Indice de cavitación determinado experimentalmente. Si Pv =0, entonces:
Mc
P3 1 R * 1 K j * R I c (P1 P3 ) P3 (ecuación 68)
52
Numerosas pruebas de diferentes investigadores han establecido el valor de Ic entre 0.8 y 1.67. Siendo 1.35 el valor utilizado para diseño. La operación a valores de M menores a Mc, garantiza la no-cavitación. Al intentar incrementar M por encima de Mc se generara cavitación a la entrada de la garganta y el comportamiento de la bomba se desviara del previsto por las curvas de H vs. M.
10.13 DISEÑO DE INSTALACIONES DE BOMBEO JET
10.13.1Selección de boquillas y gargantas.
En
la selección de una bomba jet para un pozo particular, se debe determinar la
relación optima boquilla- garganta. Debido a que la tasa de producción deseada puede variar, dependiendo el pozo, desde menos de 100 a mas de 10000 bbl / d, se debe disponer de un rango apropiado de tamaños de boquilla.
Con respecto a la tabla 4, el área de flujo de boquilla, Aj, aumenta a partir de la primera hasta la numero 20, en incrementos del 25%. Es decir, la boquilla numero dos tiene un área de flujo un 25% mayor que la boquilla numero uno y la numero tres tiene un área de flujo un 25% mayor que la dos. El rango de boquillas opera de manera tal que por la más pequeña fluirán de 200 a 300
bbl/ d en un arreglo de pozo típico y por la más
grande podrían fluir de 8000 a 10000 bbl / día. La tasa de flujo actual de cada boquilla es función de las presiones P1 y P3, del área de flujo y de la gravedad especifica del fluido motriz. La ecuación 66 puede reformularse de la siguiente forma para expresar la respuesta en unidades de campo:
q1 1214.5 * A j
P1 P3
1
Donde: Q1=[bbl/d]
Aj=[pulgadas2]
P1, P3=[psi]
= gravedad especifica
53
(ecuación 69)
Kj= 0.15, asumida Despejando:
q1
Aj 1214.5
P1 P3
(ecuación 70)
1
Las boquillas y gargantas de la tabla 5 están ordenadas en orden ascendente, de manera que se cumplan las siguientes relaciones, para cualquier valor de 1 a 20: Si X es una boquilla dada, entonces:
Boquilla numero X y garganta numero X, conforman la relación A (R=0.410); Boquilla X con garganta numero (X+1), conforman la relación B (R=0.328); Boquilla X con garganta numero (X+2), conforman la relación C (R=0.262); Boquilla X con garganta numero (X+3), conforman la relación D (R=0.210); Boquilla X con garganta numero (X+4), conforman la relación E (R=0.168);
Debido a que generalmente se emplea la configuración libre de revestimiento, no todas las boquillas y gargantas son prácticas para un tamaño de tubería de producción dado pues la bomba presenta la limitación de tener que pasar a través del diámetro de este. La tabla 6 muestra los tamaños de boquilla empleados para cada diámetro de tubing, ofrecidos por Kobe
Tamaños de boquilla disponibles según diámetro de tubería de revestimiento
Diámetro nominal de tubing 2 pulgadas
2.5 pulgadas
Boquillas
Gargantas 1-9
3-11
1-12 (tipo A) 3-14 (tipo B)
3-11 5-13
1-12 (tipo A) 5-17 (tipo B)
54
3 pulgadas
5-13 7-15
5-16 (tipo A) 7-19 (tipo B)
10.13.2 Dimensionamiento de una bomba jet 10.13.3 Análisis preliminar Es necesario considerar todas las variables que pueden afectar la escogencia de una bomba jet además de la bomba en si misma. La figura 19 muestra las presiones y perdidas de fricción que afectan una bomba jet en la instalación de un pozo. Una instalación de bombeo jet siempre presenta un sistema abierto de fluido motriz (OPF) y aunque la figura 19 ilustra un sistema OPF en paralelo, escogido por la claridad en la nomenclatura, lo común es utilizar el anular entre la tubería de revestimiento y la tubería de producción como columna de retorno.
P1 h1 * G1 F1 P ( ecuación 71)
P2 h1 * G2 F2 Pwh
( ecuación 72)
P3 h3 * G3
( ecuación 73)
55
El proceso de diseño para una bomba jet puede realizarse de varias maneras: una podría ser probar todas las combinaciones posibles de boquilla y garganta a diferentes presiones de inyección y ver cuales combinaciones dan los parámetros de operación óptimos para la producción deseada. Claramente se observa que para cinco relaciones distintas para cada boquilla este procedimiento sería muy largo y tedioso. Por lo tanto debe estudiarse la manera de eliminar las combinaciones que no son prácticas y con las restantes, realizar los cálculos para hallar la mejor combinación.
Las presiones de operación y los límites de cavitación restringen severamente el numero de combinaciones boquilla garganta funcionales que podrían utilizarse en un pozo dado. Por lo tanto, el proceso de selección debe evaluar extensamente dichos elementos.
Un procedimiento adecuado para estimar los límites de cavitación, involucra el concepto de porcentaje de sumergencia.
De acuerdo a la figura 18, se advierte que el
levantamiento total es h1, y la sumergencia es h3, el porcentaje de sumergencia se define: fh3
h3 h1
(Ecuación 74) 10.13.4 Porcentaje de sumergencia y cavitación Expresada en términos de R, el cual es una característica geométrica de la bomba, K j e Ic, los cuales son coeficientes determinados experimentalmente y Mc que es el valor de M para el cual ocurre la cavitación, la ecuación toma la forma:
fh3
1 1 * H 1 1 1 * H
56
(ecuación 75)
Ps
Tuber铆a de inyecci贸n
Casing
Pwh
Q 1
Q 2
P1
P2
F1
F2
G 1
G 2
Tuber铆a de retorno de fluido producido y fluido de inyecci贸n
P3 Q3 H3
Pwf
Figura 12. Presiones y perdidas friccionales que afectan una bomba jet
57
Variables en un sistema OPF
Variable
Definición
Variable
Ps
Presión de operación en superficie, psi
G2
Pwh
F1 F2 G1
Siendo:
Presión de la línea de retorno de flujo en superficie, psi Fricción en la tubería de producción de inyección, psi Fricción en la columna de retorno, psi Gradiente del fluido en la tubería de inyección, psi/ pie
G3 h1 h3
Definición Gradiente del fluido en la columna de retorno, psi/ pie Gradiente del fluido de formación, psi/ pie Profundidad de asentamiento de la bomba, pies Profundidad de sumergencia de la bomba, pies
2
M *R Ic * c 1 R 2 M *R 1 K j c 1 R
A partir de la ecuación 75, es posible crear una tabla con los valores de porcentaje de sumergencia requeridos para evitar la cavitación, bajo diferentes condiciones de bombeo (diferentes valores de M). La tabla 8, por ejemplo, muestra los valores en el punto de máxima eficiencia para cada R, y en el punto a 20% de eficiencia de cada extremo. Los valores de Ic y Kj son de 1.35 y 0.15 respectivamente.
58
La tabla 8 ilustra una de las principales limitaciones de las bombas jet. El porcentaje de sumergencia (fh3) para evitar la cavitación, es una marcada función del valor de M al cual opera la bomba. Con el valor de Ic= 1.35, usado para calcular los valores de la tabla 5, se observa que se requiere entre el 30% y el 40% de sumergencia de la bomba si se quiere que la bomba opere a su máxima eficiencia. Tabla 8. Porcentaje de sumergencia para evitar cavitación
B
C
D
E
A Efic. M
H %
fh3
M
H %
fh3
M
H %
M
fh3
H %
fh3
M
H %
fh3
0.20
0.3 2
0.6 2
13. 6
0.3 7
0.5 3
10. 5
0.4 7
0.4 1
10. 4
0.6 0
0.3 2
11. 1
0.7 8
025
12. 7
Máx.
0.4 7
0.4 7
30. 5
0.6 7
0.3 6
34. 5
0.9 0
0.2 8
37. 4
1.1 5
0.2 2
39. 6
1.4 2
0.1 8
40. 7
0.20
0.6 5
0.3 0
55. 7
0.9 6
0.2 0
65. 3
1.2 9
0.1 5
69. 4
1.6 6
0.1 2
72. 0
2.0 6
0.0 9
73. 0
Porcentajes menores de sumergencia, es decir presiones menores de entrada a la bomba PIP, pueden ser toleradas solo si la bomba opera a eficiencias menores a la máxima. Esto puede lograrse si se instala una bomba sobredimensionada para opera a un valor menor de M para la misma producción.
Una consideración útil es que para
bombear cerca de la eficiencia máxima, se requiere un mínimo de sumergencia del 20%. La fricción en la columna de retorno, puede incrementar este requerimiento, por lo que es necesario un último chequeo utilizando la ecuación 68.
59
10.13.5 Estimación de la presión de entrada a la bomba
Particularmente debido a
los problemas de daño asociados con la cavitación, es
deseable tener un medio para examinar la presión de entrada a la bomba mientras esta está operando. La tasa de flujo a través de la boquilla no depende de la presión de descarga de la bomba. Si la ecuación 69 se resuelve para la presión de entrada a la bomba P 3, se tiene: q1 P3 P1 1214.5 * A j
2
*1
(Ecuación 76)
Como se indica en la figura 18, P1 es igual a la presión de operación en superficie (Ps), mas la cabeza hidrostática (h1*G1) menos las perdidas de presión por fricción del fluido en la tubería de inyección (del fluido motriz), F1, por lo tanto:
q1 P3 Ps h1 * G1 F1 1214.5 * A j
2
*1
(ecuación 77)
Con esta expresión, se puede calcular la PIP, si se pueden medir la presión y la tasa de inyección del fluido motor.
60
10.13.6 Procedimiento para pozos sin producción de gas 10.13.7 Estimación del gradiente en la columna de fluidos Como se ha expresado anteriormente, el bombeo jet es esencialmente, una técnica para fluido motriz abierto, por lo cual el gradiente del fluido en la columna de retorno se determinara por la mezcla de los fluidos de inyección y de producción. Si el fluido de inyección es el aceite producido, y este no contiene agua, los gradientes en la columna de inyección y en la columna de producción son idénticos.
Si hay agua presente en alguna cantidad, tanto como corte de agua producida o como fluido motriz, el gradiente en la columna de retorno dependerá
del valor de M al cual la
bomba esta operando, específicamente:
q1 * ( FM ) q 3 * fw * ( w p ) q 3 * 1 fw * o G 2 0.4331psi _ pie q1 q 3
(ecuación 78) Donde: FM = gravedad especifica del fluido motor
wp = gravedad especifica del agua producida
o = gravedad especifica del aceite
fw = corte de agua
61
q1 Pero como:
q3 M
, entonces:
FM M fw * ( w p ) 1 fw G 2 0.4331 * 1 1 M (ecuación 79)
Como una estimación inicial, cuando M es desconocida, se asume igual a uno y:
FM fw * ( w p ) 1 fw G 2 0.2166 * 1
(ecuación 80)
Para los valores manejados por el software el calculo de este gradiente se realiza a partir de la correlación de Beggs y Brill.
10.13.8 Rangos de las diferentes relaciones
Expandiendo la ecuación 57 de manera que se consideren los efectos de la columna de fluido motriz y la presión de operación en superficie, se tiene:
P1 Ps h1 * G1 F1 (ecuación 81) 62
P2 h1 * G2 F2 Pwh (ecuación 82) Las ecuaciones 57, 81 y 82 conducen a:
H
(h1 * G2 F2 Pw h ) P3 Ps h1 * G1 F1 (h1 * G2 F2 Pw h )
(ecuación 83)
Para una aproximación inicial, prescindiendo de los términos de perdidas por fricción (F 1 y F2) y considerando que el valor de P3 generalmente equivale al 20% de P2, se llega a: H
(h1 * G2 F2 Pw h ) P3 Ps h1 * G1 F1 (h1 * G2 F2 Pw h )
(ecuación 84)
Normalmente las presiones de operación en superficie se encuentran entre los 1000 y 4000 psi. Si a manera de ejemplo se reemplazan en la ecuación 59 los valores de G1=G2=0.355 y una Pwh = 80 psi para diferentes profundidades, se llega a la siguiente expresión, que genera la tabla 9. En esta tabla la relación más eficiente es subrayada para cada caso.
H
0.3465 * h1 64 Ps 80
63
El paquete NODAL_JET, utiliza correlaciones de flujo bifásico para el calculo de las diferentes presiones, lo cual aumenta la certeza de los cálculos.
Tabla 9. Rango de operación para los valores de H.
Profundidad de asentamiento
2000 pies
4000 pies
5000 pies
8000 pies
( pies) Presión de Operación (psi)
1000
2500
4000
0.45
0.17
ABC
H Relación
0.8 2
H Relación
A
1.95
ABCD 0.3 ABCD 0.74 E 1 E
H Relación
-
3.08
-
AB
1.17
-
0.10 ABCD 0.1 ABCD 0.46 ABC 0.72 E 9 E
64
H Relación
AB
10.13.9 Presión de operación Dependiendo de las presiones de operación, para una profundidad por ejemplo de 2000 pies, es posible utilizar cualquier relación, como lo muestra la tabla 9. La decisión de cual emplear depende de la naturaleza de cada instalación particular. Frecuentemente el operador prefiere usar menos fluido motriz y operar a presiones mas altas (relación E), para minimizar la tasa de fluido motor por lo cual se reduce la fricción en la tubería de producción y el fluido a ser tratado en superficie. Otros operadores pueden preferir manejar grandes cantidades de fluido en superficie en compensación por la disminución del mantenimiento el equipo en superficie asociado a las presiones bajas de operación. Las pérdidas de fricción en los conductos de fluido serán menores con pequeños volúmenes de fluido a alta presión y el tratamiento y separación en superficie de la mezcla del fluido motriz y el producido será más fácil. Esto indica que las mayores gargantas (mejores valores de R) serán preferibles. Además se sugiere que el diseño de la instalación este basado en la presión más alta de que pueda proyectarse para la unidad de potencia en superficie, aunque en la mayoría de los casos esta es de 4000 psi. La tabla 9 orienta sobre las diferentes relaciones a utilizar con este valor. 10.13.10 Selección de una relación y boquilla a partir del valor de H Con Ps=4000 psi y asumiendo un valor de M=1, se calcula H a partir de la ecuación, (no toma en cuentas los efectos de fricción):
H
(h1 * G2 Pw h ) P3 Ps h1 * G1 (h1 * G2 Pw h )
(ecuación 85) Con este valor de H se obtiene el valor de la relación más eficiente a partir de la figura 18 y el valor de M correspondiente. Este valor de M se utiliza para corregir la ecuación 71 para G2, y para determinar los valores de F1 y F2. Con estos valores corregidos, se halla H a partir de la ecuación 75 con lo cual se hallan valores más precisos de H y de M. Este proceso se hace de manera iterativa calculando nuevos valores de M y sus
65
respectivos caudales de inyección hasta que la diferencia entre dos M consecutivas sea menor o igual a un valor determinado. Despejando de la ecuación 40, tenemos q3 M q1
(ecuación 86)
El área de la boquilla se halla de la ecuación:
q1
Aj 1214.5
P1 P3
1
(ecuación 87)
Con ese valor se va a la tabla 5 y se selecciona la boquilla más cercana. La selección de una boquilla de área menor a la calculada ocasionará una presión de operación mayor a la asumida originalmente.
La siguiente boquilla de diámetro mayor al calculado con la ecuación, establecerá una presión de operación más baja que la asumida en un principio.
10.13.11 Corrección por la diferencia entre los tamaños de las boquillas calculadas y las disponibles.
Si se expresa la ecuación 57 en términos de P1, se tiene:
P1
1 * P 2 * 1 H P 3 H ( ecuación 88)
Restando P3 a ambos lados de esta ecuación:
66
P1 P3
P P2 1 P2 3 P3 P2 * 1 P 3 H H H
1 P1 P3 1 * (P2 P3 ) H (ecuación 89)
La sustitución de la ecuación 77 en la ecuación 61 genera:
1 1 * P2 P3 H
q1 1214.5 * A j
1
(ecuación 90)
Reemplazando la ecuación 90 en la ecuación 40, en términos de P 3. , se tiene:
q 3 M * 1214.5 * A j
1 1 * P2 P3 H
1
(ecuación 91) Ordenando esta ecuación:
q3 1214.5 * A j
P2 P3
1 M * 1 H
1
67
(ecuación 92)
Definiendo:
R
q3 1214.5 * A j
P2 P3 1
(ecuación 93)
El problema se reduce a encontrar unos valores de M y H que satisfagan la ecuación 92, y ajusten sobre la curva H-M para la relación particular. Existen diferentes figuras que presentan R, graficado contra M para las diferentes relacione, junto con la gráfica H. Con el valor calculado de R y la figura adecuada, se determinan los valores de M y H.
Las correcciones obtenidas por este procedimiento, no son lo suficientemente
considerables como para necesitar recalcular las densidades de la columna o las fricciones. Sin embargo este proceso es poco empleado en la actualidad.
10.13.12 Procedimiento para pozos con relación gas- aceite mayor que cero. Fundamentos
El gas en solución transforma el problema de aplicación del bombeo jet en cuatro aspectos significantes:
El ensamblaje de fondo: Cuando no hay gas, el ensamblaje de fondo tipo de la
tubería de revestimiento, es el mas utilizado debido a su bajo costo y sencillez de operación. Con este tipo de instalación, sin embargo, todo el gas en solución y el gas
68
libre, debe pasar a través de la bomba. Una alternativa es correr una sarta paralela de retorno, dejando el anular para el venteo de gas. Con este arreglo, la bomba debería en principio, solo tener que manejar el gas en solución remanente a la presión de fondo. En la práctica, no obstante, la eficiencia de separación del gas libre del fluido es muy difícil de predecir. Además la tasa de fluido motriz en la bomba jet puede incrementarse para ayudar a bombear el gas libre, el cual es un procedimiento frecuentemente inaceptable para una bomba reciprocante, a causa de la alta magnitud de strokes resultante, la cual tiende a acortar la vida de la bomba notablemente
Como
consecuencia de esto, la mayoría de las bombas jet emplean el arreglo de fondo tipo de la tubería de revestimiento.
El efecto del gas en el gradiente de la columna de retorno:
el uso de
correlaciones para flujo multifásico es necesario, pero en la práctica esto se complica por el hecho de que la relación de fluido de producción a fluido motriz, M
no es constante en la bomba jet, es decir que M depende de la relación gas –
líquido. Un problema similar se presenta cuando hay agua presente, bien si es agua de formación o si se emplea como fluido motor. En cualquier caso, el corte de agua en la columna de retorno es una función de M, complicando nuevamente los cálculos para flujo multifásico, de gradientes y de fricción.
La cavitación: este concepto se vuelve muy difícil de manejar con la presencia de
gas. Las pruebas de laboratorio indican que el aceite es muy estable a presiones por debajo del punto de cavitación.
El aceite crudo con gas en solución sin embargo,
liberara gas continuamente a medida que la presión cae por debajo del punto de burbuja. En términos del funcionamiento de la bomba, esto crea un incremento gradual del efecto de choque sobre la bomba a medida que la presión disminuye, de manera análoga al choque por cavitación. La verdadera cavitación puede que no tome lugar, sin embargo y aun si la hay, la evidencia indica que la presencia de gas libre, reduce el daño resultante.
69
Efecto sobre la mezcla y el recobro de presión de la bomba jet: Una cantidad
dada de gas libre asociada con la fase liquida, ocupara alguna porción de la garganta, incrementándose por eso la velocidad de los fluidos.
Esto puede tener efectos
significativos en los términos de perdidas de mezcla, la longitud de la garganta requerida para la mezcla completa y sobre los términos de fricción. Adicionalmente el desempeño de los difusores es difícil de prever, particularmente porque no se puede conocer con precisión la cantidad de gas en solución.
10.13.13 Procedimiento
Se han desarrollado soluciones aproximadas las cuales ilustran la naturaleza de las técnicas de predicción analíticas y que proporcionan estimados razonables sobre la factibilidad del uso de la bomba y los requerimientos de potencia.
El software
permite calcular la eficiencia de una manera exacta, ya que puede
determinar las propiedades PVT, en un instante determinado y la eficiencia es igual al inverso del factor volumétrico de formación total. Sin embargo, para efecto de una mejor comprensión, el diseño manual se explica a continuación para una mayor comprensión del proceso
El proceso comienza por asumir un valor de Ps, calcular H y hacer una corrección al valor de M basada en la eficiencia volumétrica establecida a partir de la figura 20. El efecto de levantamiento de gas en la columna de retorno, puede cambiar de manera determinante el valor de la presión de descarga de la bomba P 2, y por lo tanto, el valor de H. El primer paso, por lo tanto, debe ser calcular P 2 utilizando una correlación apropiada de flujo multifásico o las curvas de gradiente de presión. Un valor de prueba de M= 0.5 se sugiere cuando hay gas presente ya que la eficiencia volumétrica de la bomba disminuye.
70
La relación gas / líquido del fluido en la columna de retorno es una función de M dada por: RGL= Gas total/(fluido motriz + fluido de producción)
(GOR)*aceite producido
RGL
q1+q3 (ecuación 94) RGL
RGL
GOR * 1 fw * q3 q1 q 3
GOR * 1 fw * q3 q3 q3 M
RGL
(ecuación 95)
GOR * 1 fw 1 1 M
M * GOR * 1 fw 1 M
(ecuación 96)
(ecuación 97)
El corte de agua en la columna de retorno está dado por:
fw 2
agua _ total fluido _ total (ecuación 98)
Para aceite como fluido motriz
fw 2
fw * q3 q1 q 3 (ecuación 99)
71
Eficiencia volumétrica teórica de bombas (A partir de la correlación de Standing) g= 0,8; 40 API; T fondo=150
3000 2500
GOR 2000
2000
GOR 1000
1500
GOR 500
1000 900 800 700 600
P IP
GOR 200
500 400 300 250 200
Figura 20. Eficiencia volumétrica de la bomba.
150
100
Eficiencia % 0 10
20
20
Corte de agua %
40 60 80
30
20
30
40 40
50
20
30
40
50
30
40
50
60
40 50
60
50
70
60 60
60
70 70
70
f * q 3 w q3 q3 M
80
90
80
90
80 80
80
fw 2
70
90 90
90
M * fw 1 M
100 100 100 100 100
(ecuación 100)
Para agua como fluido motriz
q3 fw * q 3 q1 fw * q 3 M fw 2 q3 q1 q 3 q3 1 M * fw M fw 2 1 M 72
(ecuación 101) (ecuación 102)
Con los valores obtenidos de las ecuaciones 97, 100 y 102, se calcula el valor de H.
Como para el caso sin presencia de gas, la figura 18 se utiliza para hallar la relación que suministre la eficiencia máxima, al valor de H calculado. Sin embargo, el valor de M debe ser multiplicado por la eficiencia leída de la figura 20. Para este trabajo se ha desarrollado un procedimiento computarizado que permite el cálculo de la eficiencia sin necesidad de recurrir a la figura. Esto se detallara en el próximo capítulo.
Este nuevo valor de M se utiliza para recalcular las ecuaciones 97,100 y 102, junto con los gradientes de presión para flujo multifásico lo que conlleva a unos valores de P 2, H y M mejorados. Este proceso iterativo se repite hasta que se obtenga el grado de precisión deseado.
Usualmente cuando la diferencia entre los dos valores consecutivos se encuentra dentro de un rango del 5% se considera suficiente para finalizar el proceso.
Se
selecciona la boquilla como en el caso de los pozos sin producción de gas.
Se debe advertir que existen muchas potenciales fuentes de error, tales como inexactitudes en el cálculo de la presión de descarga y en las aproximaciones para encontrar la eficiencia de la bomba, así como también imprecisiones de los datos de campo, principalmente la relación gas- liquido, por lo cual los procesos anteriormente expuestos deben ser utilizados solamente como una buena primera aproximación que debe comprobarse en pruebas de campo, hasta determinar la combinación optima. Dichas pruebas de pozo individuales son mas practicas en las bombas jet que en cualquier otro tipo de bombas, debido a que las boquillas y gargantas pueden cambiarse en el mismo sitio de asentamiento del pozo.
73
11. CONCLUSIONES
Logramos que nuestro proyecto tuviera gran información acerca del bombeo hidráulico para que este sea una fuente de ayuda aquellos estudiantes y docentes que estén interesados en consultar en la biblioteca de Coinspetrol y así se les pueda facilitar en la realización de un trabajo o en la preparación de una clase. En este proyecto dimos a conocer algo muy importante en el bombeo hidráulico que son sus componentes de superficie y de subsuelo, además dimos a conocer el funcionamiento de cada una de estas partes que lo componen. Hemos
conseguido
la información necesaria para que nuestro proyecto quede
completo y a la vez sea de valiosa importancia para aquellas personas que en verdad estén interesadas en saber más acerca del bombeo hidráulico. En la investigación de este proyecto, nos dimos cuenta de que el bombeo hidráulico se divide en dos tipos que son el TIPO JET y el TIPO PISTON y que además estos tienen diferentes mecanismos para la extracción de petróleo.
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12. CIBERGRAFIA
http://www.monografias.com/trabajos63/metodos-levantamientoartificial/metodos-levantamiento-artificial3.shtml
http://www.scribd.com/doc/12447709/Bombeo-Hidraulico
http://www.monografias.com/trabajos17/completacion-pozos/completacionpozos.shtml
http://www.monografias.com/trabajos11/pega/pega.shtml
http://www.petroblogger.com/2010/08/bombeo-hidraulico-jet.html
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