SISTEMAS DE LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL

BOMBEO MECÁNICO CONVENCIONAL

El bombeo mecánico es el método de levantamiento artificial más usado en mundo. Consiste fundamentalmente en una bomba de subsuelo de acción reciprocante, abastecida de energía a través de una sarta de cabilla. La energía proviene de un motor eléctrico, o de combustión interna, la cual moviliza una unidad de superficie mediante un sistema de engranajes y correas. El bombeo mecánico convencional tiene su principal aplicación en el ámbito mundial en la producción de crudo pesado y extra pesado, aunque, también se usa en la producción de crudos medianos y livianos. 

Para que ocurra la acción del bombeo, el pistón realiza un movimiento reciprocante dentro del barril, la tubería confina la sarta de cabilla de succión que acciona a su vez la bomba en el subsuelo; posee válvulas fijas y viajera, son válvulas de no retorno, de bola y asiento de modo que solo permite el flujo en una sola dirección hacia el cabezal. 

El volumen encerrado entre estas dos válvulas constituye la cámara de bombeo. Cuando el balancín esta en el punto muerto de inferior, las válvulas fijas y viajeras se hallan cerradas. Al comenzar la carrera ascendente, la presión de fondo y el efecto de succión del pistón permiten la apertura de la válvula fija; el fluido pasa del pozo hacia el inferior de de la bomba. 

Al mismo tiempo, la columna de fluido ejerce una presión sobre la válvula viajera y permanece cerrada durante la carrera ascendente fluido continua liberando la válvula hasta que el pistón llega al punto muerto del pistón .La válvula fija y cierra y comienza la carrera descendente. El pistón se mueve hacia abajo y produce un punto de compresión cuando la presión interna es superior a la que existe en la válvula viajera, esta se abre y el fluido es trasferido al pistón hasta llegar al punto muerto inferior, donde se repite el ciclo de bombeo. No obstante hay que tener presente que la tubería deba ser capaz de soportar la presión debido a la columna de flujo sobre la bomba.

COMPONENTES DEL EQUIPO

Los componentes que conforman el sistema de bombeo mecánico se dividen en dos categorías: Equipo de superficie y equipo de subsuelo.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPIO DE SUPERFICIE 

- MOTOR:

Es el encargado de suministra la energía necesaria a la unidad de bombeo para levantar los fluidos de pozo. Es motores pueden ser de combustión interna o eléctricos.

Los motores de combustión interna pueden ser de baja o alta velocidad; los de baja velocidad operan entre 200 y 600 rpm y poseen un cilindro, los de alta velocidad funcionan entre 800 y 1400 rpm.

En la actualidad el tipo de motor más utilizado en la industria petrolera es el motor eléctrico, este posee también una velocidad constante (baja velocidad ) y una potencia que varía entre 5 y 100 hp , el motor de velocidad variable (alta velocidad) su potencia varía entre los 10 y 200 hp este ultimo utilizado para alto deslizamiento.

- CAJA DE ENGRANAJE

Se utiliza para convertir energía del momento de rotación, sometidas a altas velocidades del motor primario, a energía de momento de rotación alto de baja velocidad. La maquina motriz se conecta al reductor de velocidad (caja de engranaje) mediante correa. El reductor de velocidad puede ser: Simple, doble o triple. La reductora doble es la más usada.

- MANIVELA

Es la responsable de trasmitir el movimiento de la caja de engranaje o transmisión a la biela del balancín, que está unida a ellos por pines se están sujetas al eje de baja velocidad de la caja de engranajes y cada una de ellas tienen un número igual de orificios, los cuales representan una determinada carrera del balancín, en ellos se colocan los pines de sujeción de las bielas. El cambio de pines de un hueco a otro se llama cambio de tiro.

- PESAS O CONTRA PESO

Se utiliza para balancear las fuerzas desiguales que se originan sobre el motor durante a las carreras ascendente y descendente del balancín a fin de reducir la potencia máxima efectiva y el momento de rotación. Estas pesas generalmente, se colocan en la manivela y en algunas unidades sobre la viga principal, en el extremo opuesto el cabezote.

- PRENSA ESTOPA

Consiste en una cámara cilíndrica que contienen los elementos de empaque que se ajustan a la barra pulida permitiendo sellar el espacio existente entre la barra pulida y la tubería de producción, para evitar el derrama de de crudo producido.

- BARRA PULIDA

Tubería fabricada de material resistente, generalmente se encuentran de diámetros de 11/4 y 1 ½ pulgadas y longitud de 15 y 22 pies. Se encarga de soportar el peso de la sarta de cabillas, de la bomba y del fluido dentro de la tubería.

- UNIDAD DE BOMBEO

Su función principal es proporcionar el movimiento reciprocante apropiado, con el propósito de accionar la sarta de cabilla y estas, la bomba de subsuelo Mediante la acción de correas y engranajes se logra reducir las velocidades de rotación.

El movimiento rotatorio resultante se trasforma en uno reciprocante, a través de la manivela, la biela y el propio balancín.

UNIDADES DE BOMBEO MECÁNICO

- BALANCINES TIPO API

Son diseñados basados en especificaciones API, operan con movimientos armónicos simples que realiza una viga viajera activada por la caja de engranajes, conectada a un motor por medios de correas, estos balancines pueden clasificarse de acuerdo a su geometría y contrapeso de las unidades en:

- CONVENCIONAL

Es la unidad más conocida y popular de todos los campos petroleros, por ventajas económicas, fácil operación y mantenimiento. El movimiento rotatorio del motor es trasmitido por medios de correas, a la caja de trasmisión la cual reduce la velocidad a través de un sistema de engranajes. Este movimiento más lento es comunicado a la viga viajera mediante conexión biela /manivela y convertidor alternativo vertical que se refleja en la barra pulida.

- UNITORQUE

La unidad unitorque (Mark II), es un diseño que parte del modelo convencional, se caracteriza por ser capas de soportar más fluido sin necesidad de sobre cargar el equipo, aunque es más costoso manufactura.

Su estructura y requiere mayor contra-balance. El balanceo de esta unidad se hace en la manivela y su requerimiento adicional es para contrarrestar el balance estructural originado por su geometría de fabricación.

- BALANCEADA POR AIRE

Se caracteriza por utilizar un cilindro con aire comprimido en lugar de usar pesas de hierro, su costo por trasporte e instalación es mas económica que las convencionales por lo cual puede ser usada costa afuera o cuando es necesario mover con frecuencia la unidad, el mantenimiento del cilindro de aire, pistón compresor y controles de neumáticos, lo hacen ser la unidad más costosa en cuanto a operaciones, pero son más resistentes a cargas que las convencionales.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE SUBSUELO

- TUBERIA DE PRODUCCIÓN

Es una serie de tubos que se usa para trasportar el fluido y, al mismo tiempo, sirve de guía a la sarta de cabilla que acciona la bomba.

Los tipos de tuberías más empleados para este tipo de completación (BM) son las EUE y la Hydrill.

- ANCLA DE TUBERÍA

Controla los movimientos de la tubería, eliminar los esfuerzos durante la acción de bombeo, mantiene la tubería en una posición constante y reduce la fricción entre las cabillas y la tubería.

- SARTA DE CABILLA 

Es el elemento de conexión entre la unidad de bombeo, instalada en la superficie y la bomba de subsuelo. Mediante esta se trasmite el movimiento reciproco a la bomba para deslizamiento de fluido, generalmente son fabricadas en acero y por lo tanto, poseen propiedades de elasticidad, aunque existen cabillas de fibra de vidrio y las continuas, cada una de ellas diseñadas para diferentes diámetros y longitud.

- CABILLAS API O CONVENCIONALES

Existen tres tipos de cabillas API de acuerdo al material de su fabricante C., D, K. Las longitudes de las cabillas pueden ser de 25 o 30 pies, utilizando niples de cabillas (tramos de cabillas de menor longitud), en los casos que ameriten para obtener la profundidad de asentamiento de la bomba, otros elementos adicionales de la sarta de cabilla s podrían ser una barra (Sinker Bar), diseñado para adicionar peso al colocar en la parte inferior de la barras de peso es de 1 ½ a 2 pulgadas. En pozos productores de crudo pesado; donde se crea una especie de colchón que aumenta el efecto de flotación de las cabillas durante su carrera descendiente, dificultando el desplazamiento del pistón dentro del barril de la bomba 0, con una consecuente disminución de la eficiencia volumétrica de la bomba, es ventajoso utilizar barra de peso en la sarta de cabillas, ya que facilita el desplazamiento de crudo viscoso al mantener tensión en la sarta de cabillas.

- CABILLAS NO API O CONTINUAS

Son aquellas cabillas que no cumplen con las normas API, ellas son; Electra, continuas, fibra de vidrio dentro de las cuales las mas usadas son las cabillas continuas, su elongación es 3.8 veces mayor que las cabillas de acero para la igual carga y diámetro.

BOMBA DE SUBSUELO

Es el primer elemento que se debe considerar al diseñar una instalación de bombeo mecánico para un pozo, ya que del tipo, tamaño y ubicación de la bomba depende el resto de los componentes. Es una bomba de desplazamiento positivo.

COMPONENTES DE LA BOMBA DE SUBSUELO 

- BARRIL O CILINDRO DE LA BOMBA

Es una pieza cilíndrica pulida en la cual se almacena el fluido

- EL EMBOLO O PISTÓN

Es el elemento movible dentro de la bomba. Su diámetro determina la capacidad de desplazamiento y su resistencia es menor que el que la del cilindro

- LA VALVULA VIAJERA

Está ubicada en el pistón, el tipo bola y asiento, permite la entrada del fluido del barril al pistón.

- LA VALVULA FIJA DE TIPO BOLA Y ASIENTO

Esta facilita la entrada del fluido desde el pozo hasta el barril de la bomba.

- ANCLAJE O ZAPATA

Es la combinación de las partes reunidas inferiormente para obtener el anclaje de la bomba y efectuar un sello hermético.

CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS 

- BOMBA DE TUBERIA (T)

Se instalan en ellas y el cilindro es parte integral de la misma. Su mayor aplicación está en los pozos de alta productividad, con profundidades menores a 4500 pies y donde las condiciones de producción no son severas, es decir, hay baja producción de gas y y pocos fluidos abrasivos y corrosivos.

- BOMBA DE CABILLA O INSERTABLE

Se instala en los pozos, mediante el uso de la sarta de cabillas y sin necesidad de extender tubería. Se aplican en pozos da moderada y baja productividad y profundidades de hasta 7000 pies aproximadamente. Su remoción y reparación es mas económica que la de las bombas de tuberías. Pueden ser ancladas por el fondo, el tope o por ambos extremos de la bomba.

- ANCLA DE GAS

Consiste en un tubo rasurado o perforado, colocado bajo la zapata de anclaje. Su objetivo es separar gas/liquido antes de la entrada del fluido a la bomba.

VENTAJAS DEL BOMBEO MECANICO

- El diseño es poco complejo.

- El sistema es eficiente, simple y fácil de operar por el personal de campo.

- Es aplicado en crudo pesado y altamente viscoso.

- Puede utilizar combustible o electricidad como fuente de energía.

- El equipo puede ser operar a temperatura elevadas.

- Permite variar la velocidad de embolada y longitud de carrera para el control de la taza de producción.

DESVENTAJAS Y LIMITACIONES DEL BOMBEO MECANICO

- La efectividad del sistema puede verse afectada severamente por la presencia del gas.

- La presencia de arenas ocasionan el desgaste severo del equipo.

- Requiere altos costos e mantenimiento.

- Posee profundidades limitadas.

- El equipo es pesado y ocupa mucho espacio.

- La taza de producción declinan rápidamente.

RANGO DE APLICACIÓN DEL BOMBEO MECANICO

- Este método de levantamiento se encuentra entre 20 y 2000 (BPPD).

- Se pueden aplicar a una profundidad no mayor a 9000 pies.

- No se puede utilizar en pozos desviados.

- No debe existir presencia de arenas.

- Solo se utiliza en pozos unidireccionales.

- Se utiliza en pozos con temperaturas no mayores a 500 °F.