ANTECEDENTES Estudio de Compatibilidad de Elastmeros para BCP Frente a Crudos de PDVSA Tierra Oeste campo Mara Pesado, Pozos: DM-160, DM-153, DM-119, DM-166, DM-163, DM-159, DM-055, DM-065 y DM-006. (Luis Cap. EQUIMAVENCA, 22 Octubre 2007. Este informe cubre la evaluacin del comportamiento de los materiales elastmericos que conforman el estator de las bombas de cavidades progresivas (BCP) fabricadas por PCM y distribuidas por EQUIMAVENCA, Para ello se realizo la evaluacin selectiva de tres tipos de elastmeros a saber: 159 AA Nitrilo con muy buenas propiedades mecnicas y qumicas, 199 Nitrilo con menor resistencia a la abrasin y mayor resistencia qumica, 198 Nitrilo Hidrogenado con mayor resistencia a la temperatura y a la abrasin; cada formulacin de elastmero se someti a un ensayo de envejecimiento a temperatura constante de 160F. Simulando condiciones de operacin en fase liquida y siguiendo los procedimientos estandarizados para determinar el hinchamiento y la dureza. Para evaluar en forma comparativa el efecto del fluido sobre el comportamiento de las muestras de elastmero, se realizo la medicin del porcentaje de hinchamiento en peso, que experimentan como producto de la interaccin con el crudo. Este se obtuvo a partir del registro de las masas iniciales y finales que presentaban las probetas antes y despus del ensayo. El hinchamiento es el indicador directo de la compatibilidad del elastmero con el fluido de ensayo y es uno de los factores que limita la durabilidad del material. Por otro lado, la variacin de la dureza en las muestras, antes y despus del ensayo, permiti el calculo de cmo esta propiedad fue afectada por la interaccin del crudo. De acuerdo al ensayo del envejecimiento el elastmero 159 AA NBR es el que mejor se comporta frente a los Crudos de los Pozos, DM-160, DM-153, DM119, DM-166, DM-163, DM-159, con un hinchamiento en promedio de 2,67% y una cada de dureza en promedio de 5.42 puntos, estos valores se encuentran dentro de los lmites establecidos por PCM. Es necesario resaltar que si bien, la variacin en las propiedades durante el ensayo de envejecimiento nos permite estimar la resistencia de los elastmeros al Crudo, el haber obtenido un resultado dentro de los limites establecidos para el caso del elastmero 159 AA NBR, no debe ser interpretado como garanta de una mayor vida til para la BCP, ya que, existen propiedades de mayor peso que influyen directamente en el desempeo como son: Resistencia Tensil y la elongacin, resistencia a la fatiga, resistencia a la abrasin y el desgaste, buena resistencia trmica, as

como a las condiciones reales de operacin como la velocidad de rotacin (r.p.m), presencia de gases, etc.

Marco Terico2.1. Bombas de Cavidades Progresivas 2.1.1. Definicin.

Bomba de desplazamiento positivo rotativo cuyo funcionamiento se basa en el principio del tornillo de Arqumedes, la cual consta esencialmente de dos engranajes helicoidales interiores entre si (rotor y estator). El principio del sistema de bombeo de cavidades progresivas es muy sencillo una vez que conjunto estator-rotor se coloca a la profundidad programada la unin de ambos forma Cavidades Definidas y Cerradas a medida que el rotor gira, las cavidades progresan hacia arriba desde la admisin hasta la descarga de la bomba. El movimiento giratorio es generado en superficie por el motovariador y trasmitido a la bomba a travs de un cabezal de rotacin y la sarta de cabilla que hace la conexin hacia la superficie. Rangos de Aplicacin. El rango de aplicacin de este mtodo se encuentra representado en la siguiente tabla:Tabla N 2.1.2.1.- Rangos de Aplicacin para BCP. Rango Caudal (B/D) Viscosidad (Cps) Gravedad API Profundidad (pies) Manejo de Gas (%) Temperatura (F) Revestidor Terica 50 3700 0 muy viscosos 8 40 12000 0 80 350 4-1/2 Real 2500 5 48000 8,5 30 7522 20 40 280 4-1/2

Componentes de Sistema. 2.1.1.1. Equipos de Subsuelo

El equipo de subsuelo esta constituido por la bomba la cual consta principalmente por tres componentes bsicos estator, rotor y el niple de paro; cabillas, tubera de produccin y accesorios. Estator. Es un cilindro de acero ( tubo), con un elastmero sinttico (goma endurecida) en forma de doble hlice adherido fuertemente a dicho cilindro. El estator se baja con la tubera de produccin (bombas tubulares) con sarta de cabillas (bombas tipo insertado).

Fig. 2.1.3.1. Equipos de subsuelo de una bomba BCP

Elastmero. Es un polmero de alto peso molecular con la propiedad de deformacin y recuperacin elstica. Estos deben presentar resistencia qumica para manejar

los fluidos producidos y adems deben poseer excelentes propiedades mecnicas para resistir los esfuerzos de abrasin. Caractersticas: acrinonitrilo. Caucho nitrilo hidrogenado. Fluoelastmeros. fatiga.

Material Elastmero Utilizado.

Caucho nitrilo convencional con bajo, medio y alto contenido de

Caractersticas Deseables en los Elastmeros.

Buena resistencia qumica a los fluidos a transportar. Buena resistencia trmica. Capacidad de recuperacin elstica. Adecuadas propiedades mecnicas especialmente resistencia a la

Propiedades Mecnicas Mnimas Requeridas:

Hinchamiento del 3 al 5 % (ocurre al entrar en contacto con los Dureza Shore A 55 a 70 ptos (grado de dureza) Resistencia tensil mayor a 15 MPascal. Elongacin a la ruptura mayor a 500% (capacidad de elongacin a Resistencia a la fatiga mayor a 55.000 ciclos (debe soportar Resistencia al corte mayor a 4 Kg/min.

fluidos del pozo).

5 veces su tamao sin romperse). 55.000 repeticiones sin perder sus propiedades elsticas)

Rotor. Tiene forma de tornillo sin fin, se conecta a la sarta de cabillas y esta constituido con acero de alta resistencia y cromado (lo que o hace resistente a la abrasin). La capa de cromo vara segn el fabricante. Nota: Los rotores especiales tiene un espesor de cromado de 0.20 mm a 0.30 mm mayor.

Figura N 2.1.3.2. Rotor.

Niple de Paro: Es un trozo de tubo colocado en el extremo inferior del estator con el objeto de impedir que el rotor y la sarta de cabillas lleguen hasta el fondo del pozo, en caso de producirse una rotura o desconexin de la sarta de cabillas. Tambin es fundamental en el espaciamiento de la bomba, al servir de referencia de la parte inferior del estator. Niple de paro GEREMIA. Niple de paro EMIP.

L/2 L ROSCA EUE o NU* (CAJA) PASADOR

PLACA PERFORADA ROSCA NU (PIN) 8 o 10 RD ROSCA EUE (PIN)

PASADOR

PLACA PERFORADA

Figura N 2.1.3.3. Niple de Paro.

Accesorios. Centralizadores de Cabilla.

Colocados en la uniones ( cuellos) de las cabillas, su funcin es mantener centralizada la sarta y evitar que haga contacto con la superficie interna de la tubera de produccin. Ancla de Gas:

Es un dispositivo que facilita la separacin gas-lquido mediante cambios en la direccin y/o velocidad del fluido, por efectos centrfugos, por diferenciales de presin, etc. reduciendo la entrada de gas en la bomba y obteniendo de esta manera una mayor eficiencia volumtrica en la misma. Se coloca debajo del niple de paro o del ancla antitorque. En crudos muy viscosos un ancla de gas podra constituir una restriccin de entrada de fluido a la bomba, en este caso no es recomendable el uso de la misma. Las mas usadas en P.D.V.S.A son tipo copas (Gilbert-cups) y el ancla tipo Poorman. Siendo mas eficiente en el campo el de copas (Gilbert-cups). Ancla Antitorque.

Dispositivo colocado debajo del estator que esta diseado para evitar la desconexin de la tubera de produccin del estator. Esta herramienta posee generalmente tres o cuatro cuas las cuales, a medida que la tubera trata de girar en el sentido de su desconexin estas se adhieren fuertemente al revestidor. Niples de Tubera.

En el uso de las tuberas de poco dimetro es necesario prestar atencin a la combinacin de dimetros cabillas-tuberas, ya que en la medida en que el rea entre el cuello de la cabilla y la pared interna de la tubera sea menor se corre riesgo de desgaste por roce entre ambos materiales y/o diferenciales de presin que incrementan os requerimientos de la capacidad nominal de la bomba.

Cabillas. En la aplicacin B.C.P., las cabillas se encargan de trasmitir el movimiento giratorio desde los equipos de superficie al rotor de la bomba. La cabillas utilizadas son las mismas que se emplean en el sistema de bombeo mecnico tradicional, no obstante, existen cabillas diseadas especialmente para B.C.P. cuya diferencia radica en su capacidad para soportar mayor torque, lo cual es una exigencia primordial de este mtodo de levantamiento artificial. Cargas Axiales. Peso de la sarta sumergida en fluido. Fuerza axial en el rotor provocado por el diferencial de Fuerza de arrastre del fluido sobre la superficie de las

presin en la bomba. cabillas. Cargas Torsionales. Torque necesario para accionar la bomba. Torque necesario para hacer rotar la sarta de cabillas dentro

de la tubera llena de fluido.

Figura N 2.1.3.4. Cabillas.

2.1.1.2. Equipos de Superficie. El equipo de superficie esta constituido con dos elementos con

caractersticas modulares, el cabezal de rotacin y el accionamiento de superficie.

MOTOR ELCTRICO

CAJA REDUCT

ARO ESPACIAD

ACOPLE CABLE ELCTRICO ASAS

ARRANCADOR CONVENCIONAL BRIDA API 6B LNEA DE FLUJO

CRUCETA DE P

VLVULA DE 2 (TOMA DE SONOLOG)

Figura N 2.1.3.5. Equipo de Superficie.

Cabezal de Rotacin. Es el encargado de soportar el peso de la sarta de cabillas, como el peso generado por la columna de fluido sobre el rotor. Ambos efectos originan una fuera axial, la cual deber ser soportada por el cabezal de rotacin, especficamente por los rodamientos del mismo. El Rodamiento Cojinete esta compuesto de dos arandelas y un juego de bolas rodamientos entre ellas. Este rodamiento del cabezal de rotacin requiere de lubricacin por aceites o grasas para mantener su buen estadote operacin y evitar daos que incidan en remplazos prematuros.

CUBIERTA PROTECTORA

COLUMNAS DE LA VENTANA EJE DE TRANSMISIN DEL MOVIMIENTO GIRATORIO TAPN DE VENTEO

ANILLO DE SUJECIN VISOR DE NIVEL ACEITE TAPN DE DRENAJE

TORNILLO DE AJUSTE DEL MECANISMO ANTI-RETORNO PLACA DE IDENTIFICACIN

CAJA DE PRENSA ESTOPAS

PRENSA ESTOPAS TORNILLO DE AJUSTE DEL PRENSA ESTOPAS BRIDA API 6B 3-1/8 2000 PSI EJE INFERIOR DEL CABEZAL (SR: 1)

Figura N 2.1.3.6. Cabezal de Rotacin.

Nomenclatur a BV191M

SignificadoBV1: Configuracin #1. V: Disposicin Vertical. 9: Capacidad Axial 9000 Kg a 500 rpm 1: Dimetro de Conexin con la sarta de cabillas de 1. M: Diseo del Cabezal modificado. BV2: Configuracin #2. V: Disposicin Vertical. 9: Capacidad Axial 9000 Kg a 500 rpm 1-1/8: Dimetro de Conexin con la sarta de cabillas de 11/8. M: Diseo del Cabezal modificado. BV1: Configuracin #. V: Disposicin Vertical. 15: Capacidad Axial 15000 Kg a 500 rpm 1-1/8: Dimetro de Conexin con la sarta de cabillas de 11/8. M: Diseo del Cabezal modificado.

BV2911/8M

BV21511/8M

Tabla N 2.1.3.7. Modelos de Cabezales de Rotacin.

En PDVSA Occidente ms del 95% de los cabezales de rotacin instalados, son fabricados por Weatherford (antes Geremia). Las configuraciones #1 y #2 difieren principalmente en el dimetro de la conexin con la sarta de cabillas, ya que en configuraciones #1 dicha conexin es de 1; en la #2 se observa que es de 1-1/8.

Secciones del Cabezal de Rotacin.

Ventana o Cabezal (Seccin Superior).

Esta soporta el peso del Motovariador motoreductor, acoplado por medio de una brida de 350 mm de dimetro. Generalmente en esta zona se encuentra un acople que une al eje del motoreductor con el extremo superior del eje del Cabezal. En los Cabezales fabricados por PCM POMPES adems de encontrarse el acople de eje en esta zona tambin se encuentra el mecanismo antiretorno freno del cabezal de Rotacin. Cmara de Rozamiento (Seccin Central).

En el exterior de esta zona se encuentran las asas de sujecin, las cuales permiten elevar el cabezal de rotacin para su transporte o movilizacin, la placa de identificacin del lquido, el tornillo de ajuste del mecanismo antiretorno y el visor del nivel de aceite. Dentro de la carcasa se encuentran se encuentran dos elementos de contacto rodante:

Rodamiento Superior: Es el encargado de soportar las cargas radiales presentes en el sistema. Rodamiento Inferior: Es el encargado de soportar la carga axial originada por el peso de la sarta de cabillas y de la columna de fluido sobre el rotor.

Freno: Esta constituido por el mecanismo antiretorno con una capacidad de torque mximo de 1135 Lbs-pie para el modelo BV1 y 2542 Lbs-pie para el modelo BV2. El sistema se encuentra compuesto por una zapata de material friccionante ubicada a un lado del cabezal, la cual es ajustada al disco de frenado por medio de un tornillo roscado ubicado en el exterior del cabezal. El rodamiento inferior se encuentra sumergido en una cmara sellada de aceite. Ya que el rodamiento ubicado en la parte superior no esta en esta cmara es necesario utilizar un sistema de lubricacin alterno por lo que se utiliza una bomba centrfuga esto se conoce como lubricacin forzada.

Cmara de Prensa Estopa (Seccin Inferior).

En esta zona se encuentra el paquete de empacaduras del eje de transmisin. Este se encuentra conformado por 8 aros de tefln y grafito. Las empacaduras para evitar deben fugas lubricarse y ajustarse estas peridicamente (contaminacin),

empacaduras poseen un sistema de lubricacin por grasa.

Accionamiento: Es un conjunto de equipos electromecnicos encargados de generar la potencia necesaria y soportar el torque requerido para inducir y mantener en movimiento el conjunto de cabillas-rotor. Generalmente el accionamiento de superficie esta

constituido

por

un

sistema

Motovariador-Arrancador

(Accionamiento mecnico) Motoreductor-Variador de frecuencia (Accionamiento electrnico).

Motovariador. Motor elctrico: El motor elctrico es del tipo Jaula de

Este consta de tres elementos: Ardilla, Nema B de cuatro polos. Gira a una velocidad nominal de 1750-1800 rpm a una frecuencia de 60 ciclos por segundo (60 Hertz). Sistema Mecnico de Variacin de Velocidad: Esta basado en poleas cnicas y una correa ajustable mediante un volante externo al girar el volante en un sentido u otro, la polea motriz se abre o cierra variando el rea de contacto entre esta y la correa, lo cual origina que la polea conducida gire ms rpido o mas lentamente. Caja Reductora: Consta de un sistema de piones y

engranajes de diferentes dimetros cuyos objetivos son los siguientes: Proporcionar el torque requerido por el sistema para iniciar y mantener los equipos de subsuelo (rotor y cabillas) en movimiento. Reducir la velocidad proporcionada por el motor elctrico (17501800 rpm) a valores ms cercanos a los requeridos por el sistema (bomba).

Variador de Frecuencia.

Es un equipo electrnico cuya funcin es la de ajustar la velocidad de rotacin del motor a travs de variaciones en la frecuencia de la corriente suministrada. Este equipo puede variar la frecuencia de la corriente, desde cero hasta la frecuencia nominal o ms.

2.1.2. Ventajas de las Bombas de Cavidades Progresivas. El sistema de bombeo por cavidades progresivas (BCP) ofrece las siguientes ventajas: Bajo costo de inversin. Permite el bombeo de una gran variedad de fluidos, incluyendo los de alta viscosidad, arenosos, parafnicos con altos cortes de agua y altas cantidades de gas libre. La arena es manejada eficientemente debido a la resistencia del elastmero y el mecanismo de bombeo; la presencia de gas no obstruir la bomba. Torque constante, como resultado la friccin en las cabillas y el arrastre son reducidos disminuyendo el riesgo de falla por fatiga y desprendimiento de cabillas. La simplicidad del equipo disminuye el mantenimiento ya que no requiere herramientas ni procedimientos especiales. Adicionalmente si la bomba es de tipo insertable se obtienen los siguientes beneficios: No es necesario retirar la tubera de produccin del pozo para retirar la bomba del fondo. La sustitucin de la bomba de fondo puede ser realizada con la ayuda de una pequea mquina de subsuelo.

Reduccin en el tiempo de parada del pozo, y por tanto reduccin de la produccin diferida.

2.1.3. Desventajas de las Bombas de Cavidades Progresivas. Aunque puede manejar alto volmenes de gas si se opera en seco por largos periodos de tiempo el roce continuo del rotor sobre el elastmero no lubricado terminara quemando la bomba. No se dispone bombas para profundidades mayores a 3660. La temperatura de operacin sera una limitante.

2.1.4. Parmetros para la Seleccin de Bombas. 2.1.4.1. Seleccin del Tamao de la Bomba. Las bombas son adaptadas a tuberas de 2-3/8, 2-7/8, 3-1/2 y 4 (OD). Se pueden bombear hasta 5600 BPD a 500 RPM y 0 Head con un P de hasta 2200 LPC segn el tipo de bomba. Cada fabricante define sus tipos y estos se seleccionan de acuerdo a: Completacin y perfil de pozo. Datos del yacimiento. Caractersticas de los fluidos producidos. Completacin y Perfil del Pozo.

De acuerdo a su capacidad las bombas pueden bajarse en revestidores de 4-1/2 a 5-1/2 o de mayor dimetro. El comportamiento del bombeo no se altera por la inclinacin de la bomba en el pozo pero las cabillas deben ser bajadas con protectores.

Datos del Yacimiento.

Conociendo el comportamiento de afluencia de la formacin productora y estableciendo un nivel dinmico ptimo se tendr una tasa de flujo aportada por el yacimiento. En base a esta tasa se selecciona el tipo de bomba que tenga esta capacidad con una velocidad de rotacin relativamente baja, adems la bomba debe tener un nivel de sumergencia 300. Caractersticas de los Fluidos Producidos. Gravedad y Viscosidad del Petrleo.

El petrleo pesado y viscoso genera cadas de presin e la tubera de produccin las cuales deben ser absorbidas por la bomba de esta manera desmejora en la medida que el petrleo es mas pesado y viscoso, adicionalmente la viscosidad incrementa el valor del torque de las cabillas en la tubera. Contenido de Gas y Fluido de Formacin:

De acuerdo al principio de funcionamiento de las BCP, ellas pueden transportar fluidos multifsicos con altas RGP en la entrada, de all que pueden instalarse en el pozo a un nivel por encima de la profundidad donde la presin es aproximadamente igual a la presin de burbujeo, aunque debe tenerse mucha precaucin en el diseo. Temperatura del Fluido.

Generalmente la profundidad donde se instala la bomba no excede a los 6500 y por lo tanto operan a temperaturas menores de 200 F que es la temperatura crtica de los elastmeros de nitrilo. Sin embargo, en caso

de levantar crudos pesados con vapor, la temperatura puede alcanzar los 392 F siendo necesario utilizar elastmeros especiales.

Figura N 2.1.4.1. Efectos de Alta Temperatura en el Elastmero

Presencia de Arena.

Los fluidos bombeados pueden contener arena pero deben de tomarse las siguientes precauciones.

Evitar que la arena se aglomere en la entrada de la bomba. Asegurarse que durante las paradas de la bomba no sedimente la arena en la tubera ya que en el arranque pueden existir problemas.

En caso de produccin de arenas las bombas son diseadas con rotores revestidos con cromo y elastmeros muy elsticos.

Figura N 2.1.4.2. Efectos de la Abrasin en el Figura N 2.1.4.3. Efectos de la Abrasin en el Rotor. Elastmero.

Presencia de CO2 y H2S.

A pesar de que los elastmeros con que se construye el estator toleran ciertos gases, siempre es recomendable realizarle una prueba inicial de chequeo. Presencia de Aromticos.

Los elastmeros son muy sensibles a hinchamientos. De acuerdo al contenido de aromticos se debe seleccionar el elastmero mas apropiado.

Figura N 2.1.4.4. Efectos de los Aromticos en el Elastmero.