clases bombeo mecánico curso sap

Bombeo Mecánico

Objetivo

El alumno conocerá y aplicará los fundamentos, métodos de

diseño y evaluación de las unidades de bombeo mecánico

para prolongar la vida productiva de los pozos.

Temario:

1.Características generales.

2.Partes principales del equipo de una U.B.M.

3.Tipos de unidades de bombeo mecánico.

4.Fundamentos.

5.Diseño.

• Kermit E. Brown, Artificial Lift Methods.

• Nind, Well Production.

• Craft, Sucker Rod Pumping.

• API recommended practices for Design Calculations for

Sucker Rod Pumping Systems, API.

Bibliografía

El Bombeo Mecánico es un sistema artificial de producción

(SAP) en el cual el movimiento del equipo de bombeo

subsuperficial se origina en la superficie y se transmite a la

bomba por medio de una sarta de varillas de succión.

Movimiento de las varillas

Vacío por salida parcial del émbolo y válvula de pie

Líquido penetra al barril

Desplazamiento del líquido: válvula viajera y entra nuevamente el émbolo

Definición

1. Torsión.

2. Carga en la varilla pulida.

3. Rango de cargas en las varillas.

4. Requerimiento de potencia del motor principal.

5. Costos de combustible o energía.

6. Costo de mantenimiento de la unidad.

7. Roturas de la varilla.

8. Producción diferida por rotura de varillas o por

reparación y mantenimiento de la unidad.

9. Costo de instalación.

10.Costo inicial.

Objetivo

Producir una cierta cantidad de fluidos por día con un mínimo

de:

Características

• Resistente.

• De larga vida.

• Eficiente.

• Fácil y barato de transportar.

• Silencioso.

• No contaminante.

• Seguro de instalar y de operar.

Debe ser:

Ventajas:

1. Fácil diseño.

2. Unidades pueden ser cambiadas a otros pozos.

3. Adaptable a agujeros reducidos.

4. Flexible.

5. Levanta aceites viscosos y de altas temperaturas.

Desventajas:

1. No es posible manejar sólidos.

2. No se adapta a grandes profundidades.

3. En operaciones costa-afuera resulta pesado y estorboso.

Ventajas y Desventajas

1. Bomba subsuperficial impulsada por varillas.

2. Sarta de varillas de succión:

• Movimiento de bombeo superficial.

• Potencia a la bomba subsuperficial.

3. Equipo superficial de bombeo.

4. Reductor de engranes.

5. Motor principal.

Partes esenciales

• Su función es transferir energía del motor principal a la sarta

de varillas de succión a través de la U.B.M.

• El equipo cambia el movimiento rotatorio del motor principal,

a un movimiento reciprocante en las varillas de succión.

• Reduce la velocidad del motor principal a una velocidad

adecuada de bombeo, que se logra mediante el reductor de

engranes.

Función del equipo

Función: Admitir fluido de la formación al interior de la sarta

de producción y elevar el fluido admitido hasta la

superficie.

Tipos:

• Bombas de tubería de producción.

• Bombas de inserción.

• Bombas de tubería de revestimiento.

Bomba subsuperficial

• Volumen a producir.

• Profundidad del intervalo productor.

• Viscosidad del aceite producido.

• Existencia de arena en el aceite.

• Volumen de gas producido.

• Temperatura.

• Porcentaje de agua.

Parámetros para la selección de la bomba de inserción

Ciclo de bombeo

Unidad de bombeo convencional

Unidades de bombeo1- Tipo convencional

Ventajas: Es de bajo mantenimiento,

menos costosos que otras unidades,

gira en dos direcciones (En sentido o al

contrario de la aguja del reloj).

Requiere menos contrapeso que el

Mark II.

Desventajas: No es tan eficiente

como el Mark II u otro tipo de unidad.

Requiere de cajas de engranaje de

mayor dimensiones en comparación a

otros.

Unidades de bombeo2- Mark IIEl movimiento rotativo cambia a la

posición de los brazos y el poste

Sampson para obtener un movimiento

unitorsional. Soporta más fluido. El

balanceo es en la manivela.

Ventajas : Tiene un bajo torque

comparado con el convencional.

Puede costar menos que respecto a su

similar convencional ( 5% a 10 %

menos), es más eficiente que el

convencional en muchos casos.

Desventajas : Solo tiene un sentido

de giro, en muchas aplicaciones no es

de acción rápida como el

convencional.

Unidades de bombeo

3-Unidad aerobalanceada.

•Ventajas : Es más compacto y defácil balanceo, de bajo costo. Puedegirar en dos direcciones. Es másresistente a las cargas. Suministramayores emboladas (64 A 240 pg).

Desventajas: Requiere mayormantenimiento, la condensación delcilindro de aire puede causarproblemas. Son menos eficientes que elresto de las unidades.

Geometría de bombeo convencional

Geometría de bombeo Mark II

Geometría de bombeo aerobalanceado

Efectos de la geometría de las unidades de Bombeo Mecánico

Existen tres factores que controlan el movimiento de la

carrera descendente y la velocidad de bombeo:

1.Longitud de la carrera.

2.Fuerzas que retardan la carrera descendente.

3.Geometría de la unidad.

El ciclo se divide en:

•Productivo, ocurre durante la carrera ascendente cuando

se eleva la columna de fluido.

•No productivo, durante la carrera descendente que tiene

como función principal regresar las varillas y el émbolo a su

posición en el fondo.

Motor:

Su función principal es proporcionar a la instalación energía

mecánica, que es transmitida a la bomba y usada para

elevar el fluido.

Puede ser de combustión interna o eléctrico.

Partes principales de las unidades de B.M.

Conexiones superficiales.

Las conexiones superficiales tienen la función de conducir

los hidrocarburos producidos por el pozo a la línea de

descarga.

•La varilla pulida y la grampa tienen la función de transmitir

el movimiento alternativo a la sarta de varillas de succión.

•El estopero y el preventor tienen la función de dar

seguridad, a fin de evitar derrames de hidrocarburos al

medio ambiente.

•Las válvulas de retención o check dejan pasar los fluidos en

una sola dirección.


Grampas


Varilla pulida

Es la unión directa entre la sarta de varillas de

succión y el equipo superficial, pasa a través de

las conexiones verticales del árbol.

Está fabricada en acero aleado al manganeso,

níquel y molibdeno.

Superficialmente, la varilla pulida tiene acabado

espejo: Propósito no dañar los sellos del

estopero fijo al árbol de válvulas en el

movimiento ascendente y descendente de la

U.B.M.


Estopero

Mecanismo de seguridad

que se localiza en la parte

superior del árbol de

válvulas para pozos con

sistema de bombeo

mecánico, sobre la TEE.



Función principal: contener los fluidos para que no se manifiesten a su

exterior por medio de un conjunto de sellos construidos con materiales

resistentes al rozamiento, los cuales se van a ajustar al diámetro de la

varilla pulida, cuando ésta tenga un movimiento ascendente o

descendente proporcionado por la unidad de bombeo mecánico (U.B.M.).

Estopero Preventor Ratigan 176

Preventores

Son mecanismos de seguridad

que han sido diseñados para

impedir, en caso necesario, el

paso de fluidos al exterior.


Válvulas de retención

El objetivo principal de este tipo de válvulas, comúnmente conocidas

como check, es el de permitir el paso de un flujo por una línea en una

sola dirección, impidiendo así, el regreso del fluido cuando se presenten

contrapresiones altas.


El Reductor de Engranes

Su función es reducir la velocidad del motor principal a una velocidad de

bombeo adecuada

La designación del API para una unidad es la torsión máxima permisible en

el reductor de engranes en miles de pulgadas-libras.

Por ejemplo:

Una unidad API tamaño 114, rango de torsión máximo de 114,000 plg-lbs.

El API tiene estandarizados 16 rangos de torsión máxima, desde 6.4 hasta

1,824 miles de plg-lbs.


Sarta de varilla de succión

Función: transmitir el movimiento de bombeo superficial y la potencia a la

bomba subsuperficial.

El máximo esfuerzo de trabajo para las varillas depende de su composición

química y propiedades mecánicas, además de la naturaleza del fluido

bombeado.

Cuando las bombas están colocadas a profundidades mayores de 3500

pies, generalmente es recomendable usar sartas telescopiadas.


Se ha asumido la ley de Hooke para determinar el límite

elástico en las sartas.

El límite proporcional se utiliza como un criterio para

establecer el esfuerzo de tensión máximo de trabajo

permisible de la sarta, entonces se repite el ciclo de

transmisión de esfuerzo de cargas en las varillas dando como

resultado la fatiga y falla de las mismas, lo cual ocurre

generalmente abajo del límite proporcional.

Límite de inversión de esfuerzo sobre la varilla

El límite de duración de la sarta depende de:

• Los componentes que presenta el acero (carbón,

manganeso, silicón, níquel, cromo y molibdeno).

• De los agentes corrosivos que se presentan en los fluidos

del pozo (ácido sulfhídrico, dióxido de carbono, oxígeno).

• El rango de esfuerzos de tensión en las varillas.

Límite de inversión de esfuerzo sobre la varilla

Conceptos de aplicación

en el diseño de U.B.M.

a) Cuando el peso del cuerpo es menor que el empuje

ascendente y se encuentra en el fondo, el cuerpo sale a

la superficie y flota.

b) Cuando el peso del cuerpo es igual al empuje

ascendente, el cuerpo queda en equilibrio dentro del

líquido.

c) Cuando el peso del cuerpo es mayor que el empuje

ascendente, éste se hunde pero aparentemente

disminuye su peso.

Principio de flotación

Zona 1.- Es la parte de la carrera donde la máxima carga de

varillas y fluido se levantan del fondo con máxima

aceleración. Esta zona se extiende desde el fondo hasta

algún punto cerca de la mitad de la carrera ascendente. En

esta zona, el componente de la fuerza de inercia se suma a

la carga estática de la masa de varillas y fluido. Debido a

que la máxima aceleración hacia arriba ocurre en esta zona,

normalmente el producto de la carga compuesta de varillas

y fluido por la máxima aceleración, da como resultado la

carga pico o carga máxima en la varilla pulida.

Patrón típico de cargas en la varilla pulida durante un ciclo de bombeo

Zona 2.- Es la parte de la carrera ascendente que se

extiende desde cerca del punto medio hasta el tope de la

carrera. En esta zona, aún se tiene la máxima masa de

varillas y fluido, pero se está desacelerando;

consecuentemente, el componente de inercia de la masa de

varillas y fluido se está restando del total del peso estático.


Zona 3.- Se inicia en la parte superior de la carrera

descendente, desplazándose hacia abajo hasta algún

punto cerca de la mitad de la carrera. En esta zona

únicamente se tiene el peso de las varillas flotando,

menos el componente de inercia. Normalmente es en

esta zona donde ocurre la máxima aceleración hacia

abajo.


Zona 4.- Se inicia en algún lugar cerca de la mitad de la

carrera descendente y se extiende hasta el fondo de la

carrera. En esta zona las varillas flotando se desaceleran

en su preparación para detenerse en el fondo de la

carrera, entonces, el componente de inercia se suma al

peso de las varillas.


Wf=peso de los fluidos a=factor de aceleraciónWr= peso de las varillas

a=maxv=0

a=maxv=0

a=0v=max

WfWr-a

WfWr+a

Wr-a

Wr+a


Comparación entre las unidades Clase I y Clase III

Representación al inicio del movimiento

Representación del movimiento a los 90°

Representación del movimiento final

Resumen

d) Unidad Hidroneumática Tieben

Se compone de dos sistemas básicos:• Sistema Hidráulico.- Consta de un Cilindro Hidráulicode efecto doble, una Válvula de Control Direccional decuatro vías y una Bomba Maestra de Engranes. Estesistema proporciona el movimiento necesario, ascendentey descendente, para el funcionamiento de la Bombasubsuperficial.•

Sistema de Balanceo

Hidroneumático

Consta de un Cilindro

Hidráulico de efecto simple,

un paquete de Tanques de

Nitrógeno, un Cilindro

Hidroneumático de efecto

doble (acumulador), y una

Bomba Auxiliar de

Engranajes. Este balanceo

funciona en base a dos

magnitudes: una constante y

otra variable.

Resumen

Función: Admitir fluido de la formación al interior de la sarta

de producción y elevar el fluido admitido hasta la superficie.

Carga estática

Masa de la sarta de varillas: x [lb]

Carga de fluidos: y [lb]

Total: x+y

Factor de impulso: Es el porcentaje aplicado a la fuerza en

la varilla pulida para poderla mover con una cierta

aceleración.

Movimiento básico de bombeo en un sistema no elástico simple

Rango de cargas en la unidad convencional

Unidad convencional

Ejemplo

Suponiendo un factor de impulso de 0.4

Wf=4,000 [lb]

Wr=6,000 [lb]

Carga Pico:

Carga mínima:

Unidad convencional

Ejemplo

Suponiendo un factor de impulso de 0.4

Carga Pico:

PPRL=(Wr+Wf)(1+a)

Carga Mínima

MPRL=(Wr)(1- a)

Rango de Cargas

Rc=PPRL-MPRL


Unidad Mark II

Ejemplo

Debido a que la unidad Mark II se mueve hacia arriba con

40% menos aceleración que la unidad convencional, su

factor de impulso es xxxxxxx y en la carrera descendente es

xxxxxxxxxx

Calcular carga pico y carga mínima



Unidad Mark II

Ejemplo

Debido a que la unidad Mark II se mueve hacia arriba con

40% menos aceleración que la unidad convencional, su

factor de impulso es (1+0.6a) y en la carrera descendente

es (1-1.4a)

Carga Máxima Carga Mínima

PPRL=(Wr+Wf)(1+0.6a) MPRL=(Wr)(1-1.4a)

Rango de Cargas

Rc=PPRL-MPRL

Selección del tamaño de la bomba

El factor más importante a considerar es el volumen de

fluido que es capaz de desplazar por cada pulgada de

carrera del émbolo, que depende de la bomba.

PD=Ap (pg2) Sp (pg/embolada) N (emboladas/min) (1440min/día / 9702pg3/bl)

AP=Área de la sección transversal del émbolo, pg2

Sp=Carrera efectiva del émbolo, pg/embolada

N=Velocidad de bombeo, emboladas/min (spm)

Q=Ev PD Ev=eficiencia volumétricaq=gasto

Ap=/4 dp2

PD=0.1484 (/4 dp2 ) Sp N

PD=0.1166 dp2 Sp N

Si se considera que la carrera efectiva del émbolo es

alrededor del 80% o más de la carrera de la varilla pulida:

Sp/S=0.8

dp2=PD / 0.1166(0.8S)N

S=Carrera de la varilla pulida, pg

dp=Diámetro del émbolo, pg


Otra forma de calcular el desplazamiento teórico de la

bomba es mediante una constante de bombeo (K), la cual

es obtenida de acuerdo al tamaño del émbolo y es

determinada por la siguiente ecuación:

K = 0.1484 Ap

PD = K Sp N


Calcular la constante de bombeo para un diámetro deÉmbolo de 2” si:

spmpgBPDK

K

dpK

dpAp

ApK

//466.0

4

)2(1484.0

41484.0

4

1484.0

2

2

2

1.- Calcular la constante de bombeo para un diámetro deÉmbolo de 2” si:


Constante K para el diámetro de la bombaTabla 1

Un pozo tiene instalada una bomba cuyo émbolo es de

1 ½” Ø, una U.B.M. operando con una velocidad de

bombeo de 11 spm y una carrera efectiva del émbolo de

108”; produce en superficie 240 BPD de un fluido cuya

densidad es de 0.850.

Calcular el desplazamiento total de bomba (PD) y su

eficiencia volumétrica (EV).


PD= (K) (Sp) (N)

De la tabla 1 anexo, se tiene que para émbolo de 1 ½”Ø,K= 0.262 BPD/plg/spm, entonces:

PD = (0.262) (108) (11)

PD = 311 BPD

La eficiencia volumétrica (EV) es:

EV= (q/PD) (100)

Donde:

q = Gasto o producción en superficie (BPD)

PD = Desplazamiento teórico de la bomba en el fondo (BPD)

EV= (240/311) (100)

EV= 77.17 %


Diámetros de émbolo recomendados para condiciones óptimas

Diseño de la sarta de varillas

Métodos:

Esfuerzo máximo: Consiste en asignar a cada sección de la

sarta un esfuerzo máximo. Si se pasa de este valor máximo,

se selecciona la varilla de mayor tamaño.

Esfuerzos iguales.

Ri=Li/L => Li=RiL SLi=L i=1,2,3,.....,n

Ri= Porcentaje fraccional de cada sección de varilla

L= Longitud de la sarta de varillas, pies

Li= Longitud de cada tramo de varilla, pies


Factores considerados:

1. El peso muerto de la sarta de varillas

2. La carga por aceleración de la sarta de varillas

3. La fuerza de flotación, cuando la sarta de varillas está

sumergida en el fluido de producción

4. La carga del fluido

5. Las fuerzas de fricción


El peso muerto de la sarta de varillas está dado por

Wr=Smi Li i=1,2,3,...,n

mi= peso unitario de cada sección de la sarta, lb/pie

Las cargas máximas y mínimas por aceleración están

dados por:

Carga máx=Wr a

Carga mín= - Wr a

El factor de aceleración es calculado mediante la ecuación

de Mills:

a = S N2/ 70500

Diseño de la sarta de varillasFactor de aceleración

En un pozo será colocada una bomba con un émbolo de 1¾” ∅ a una profundidad de 8500 pies, usando una sarta de

varillas telescopiadas compuesta por una sección de 1”, 7/8”y ¾”, y cada varilla de succión mide 25 pies de longitud.Consultando la tabla 3 del anexo determinar lo siguiente:

a) El número de varilla y el porcentaje proporcionado a cada

sección de varillas.

b) La longitud de cada sección de varillas.

c) El número de varilla equivalente a cada sección de varillas.

d) El peso estático de cada sección de varillas.

e) El peso estático del total de la sarta de varillas.

Ejemplo de aplicación

a) De acuerdo a la tabla 3 del anexo corresponde el No.de varilla 86.1. R1 = 1” = 29.4%2. R2 = 7/8” = 30%3. R3 = ¾” = 40.6%R1, R2, R3, porcentaje fraccional de cada sección de

varillas respectivamente.

b) Longitud de cada sección (L1,2,3...n).

L1,2,3...n = (L)(R1/100)L1 = (8500) (0.294) = 2499 piesL2 = (8500) (0.3) = 2550 piesL3 = (8500) (0.406) = 3451 pies


c) Número de varillas por sección.L1 = 2499 ÷ 25 = 100 varillasL2 = 2550 ÷ 25 = 102 varillasL3 = 3451 ÷ 25 = 138 varillas

Observación: todas las varillas miden 25 pies de longitud.

d) El peso unitario de cada sección de varillas (mi) de acuerdo a la tabla se tiene que: La varilla de 1” = 2.88 lbs-pie La varilla de 7/8” = 2.16 lbs-pie La varilla de ¾” = 1.63 lbs-pie


Entonces:

Wr 1,2,3..n = (L1)(m1)

Wr1 = 2500 x 2.88 = 7200 (lbs)

Wr2 = 2550 x 2.16 = 5508 (lbs)

Wr3 = 3450 x 1.63 = 5623.5 (lbs)

e) Peso total de la sarta de varillas (Wr) es:

Wr = Wr1 + Wr2 + Wr3Wr = 7200 + 5508 + 5623.5 = 18331.5 lbs.


2) La carga por aceleración de la sarta de varillas

Las cargas máximas y mínimas por aceleración están dadas

por:

Carga máxima por aceleración = Wr a

Carga mínima por aceleración = - Wr a



Donde:

a = Factor de aceleración.

El factor de aceleración es calculado mediante la ecuación de

Mills:

a= S N2/ 70500

Donde:

a = Factor de aceleración (Adimensional).

S = Carrera de la varilla pulida (plg).

N = Velocidad de bombeo (spm).

3) Fuerza de flotación:

Considerando que la densidad de las varillas es de 490

lb/pie3

Volumen desplazado Vd = Wr/490 lb/pie3

Densidad del fluido desplazado es:

62.4 G lb/pie3



Fuerza de flotación (Ff)

Ff = -(Wr/490) (62.4 G)

Ff = -0.127 Wr G

Donde G= densidad relativa del fluido

Wr es el peso de la varilla en el aire (lb)

El signo negativo de la ecuación anterior indica que la

fuerza de flotación es siempre ascendente.

4) Carga de fluido

La carga del fluido para determinar las cargas en la varilla,

será el peso del fluido que es soportado por el área neta

del émbolo.

Vc = L Ap/144 pie3



El volumen del fluido (Vf) va a ser la diferencia entre el

volumen de la columna de fluido sobre el émbolo, menos el

volumen desplazado por la sarta (Vd), es decir:

Vf = (L Ap/144) – (Wr/490)

Entonces la carga del fluido (Wf) será:

Wf = 62.4 G [(L Ap/144) – (Wr/490)]

Wf = 0.433 G (L Ap – 0.294 Wr)

La carga del fluido sobre la varilla pulida es únicamente

durante la carrera ascendente.

La carga por fricción (F fric) en instalaciones que ya están en

operación se puede estimar en carta dinamométrica, dado

que no se tiene un dato exacto sobre ella, por lo que

generalmente se elimina.

Para elevar una carga dada, la varilla pulida ejerce una

fuerza ascendente mayor que el peso muerto de las varillas y

el fluido juntos:

Carga máxima de la varilla pulida

(1) el peso muerto de las varillas y del fluido,

(2) un componente adicional de fuerza.

factor de aceleración (a),

una fricción o porcentaje del peso muerto

de las varillas y del fluido.


Las ecuaciones de Mills para determinar la carga máxima y

mínima de la varilla pulida son las siguientes:

Para la unidad convencional (Clase I)

Wmáx = Wf + Wr (1 + a) – Ff + Ffric

Wmín = Wr (1-a) – Ff – Ffric.

las fuerzas de flotación y de fricción son comúnmente

desechadas durante la carga máxima.

Wmáx = Wf + Wr (1 + a) (lbs)

Wmín = Wr (1 - a - 0.127 G) (lbs)



Unidades aerobalanceadas:

Wmáx =Wf + Wr (1+0.7 a)

0.7 es porque únicamente se utiliza el 70 % de la

aceleración para revertir la carrera de la varilla pulida

comparada con la unidad convencional.

Unidades aerobalanceadas:

Wmín. =Wr(1-1.3a-0.127G) (lbs)

Para unidad Mark II (Clase III):

Wmáx = Wf+Wr(1+0.6a) (lbs)

Wmín = Wr(1-1.4a - 0.127G) (lbs)


Ejemplo

Wf = 3616.42 lbs Wr = 8125.5 lbs a = 0.2941 G = 0.870

•Unidad convencional (Clase I)

Wmáx = Wf+Wr (1+a)

Wmáx = 3616.42+8125.5 (1+0.2941)

Wmáx = 14131.62 lbs

Wmín = Wr [1-a-0.127G]

Wmín = 8125.5 [1-0.2941-(0.127)(0.870)]

Wmín = 4838 lbs

• Unidad aerobalanceada (Clase III)

Wmáx = Wf+Wr [1+0.7a]

Wmáx = 3616.42+8125.5 [1+(0.7)(.2941)]

Wmáx = 13414.71 lbs

Wmín = Wr (1-1.3a-0.127G)

Wmín = 8125.5[1-(1.3)(0.2941)-(0.127)(0.87)]

Wmín = 4121.09 lbs

Ejemplo

• Unidad Mark II (Clase III)

Wmáx = Wf + Wr (1+0.6a)

Wmáx = 3616.42+8125.5 [1+(0.6)(0.2941)]

Wmáx = 13175.74 lbs

Wmín = Wr [1-1.4a-0.127G]

Wmín = 8125.5 [1-(1.4)(.2941)-(0.127)(0.870)]

Wmín = 3882.120 lbs

Ejemplo

Diagrama de Goodman

El límite de la resistencia a la fatiga es el rango de esfuerzosbajo el cual pueden operar las varillas dentro del límite deesfuerzos permisibles.Para conocer la tensión máxima:

.eriorsupillavarladeÁreaA

.pulidaillavarlaenmáximaaargCWmáx

:Donde

A

WmáxSmáx

top

top

Este valor nunca debe exceder el rango de tensión

permisible. Para la tensión mínima se utiliza la misma

fórmula, pero se considera Wmín.

Diagrama de Goodman

Aunque hay situaciones en que se necesitan usar otros

grados de varilla, generalmente se usan varillas API grado

“C”. Las varillas API grado “D”, se usan cuando la capacidad

de la varilla API grado “C” se excede, y cuando no hay ácido

sulfhídrico presente.

Elaboración del Diagrama Goodman

Paso 1. Determine la resistencia mínima a la tensión (T) de

las varillas, utilizando únicamente el grado API, los valores

mínimos que, a continuación se muestran han sido

establecidos por API. El ejemplo corresponde a un grado API

“D” con una resistencia mínima a la tensión de 115,000 lbs.

Diagrama de Goodman

Grado API Fuerza mínima de tensión (lbs/pg2)

C 90000

D 115000

K 85000

Paso 2. Coloque líneas horizontales y verticales sobre papel

gráfico, después coloque una línea de 45 grados entre éstas.

Esta línea de 45 grados establece el estrés mínimo. Construya

una escala de estrés en la línea central.

Paso 3. Utilizando la escala de estrés coloque el punto T/1.75

en la línea de 45 grados donde T= 115,000, por lo tanto:

2pglbs2865714

751

115000.

.

Diagrama de Goodman

Paso 4. Sobre la línea central vertical, localice el punto T/4.

Trace una línea entre este punto y el punto establecido en

el paso 3. Esta línea define el estrés máximo permisible.

2pg

lbs287504

115000T

Diagrama de Goodman

Paso 5. Coloque el estrés mínimo sobre la línea de 45°.Utilice la escala de estrés mostrada en la línea centralvertical.

Paso 6. El estrés máximo permisible es leído directamentearriba en la línea para este concepto estrés máximopermisible.

Paso 7. Localice el estrés máximo (calculado o medido). Sieste estrés es mayor que el estrés máximo permisible, lasvarillas estarán sobrecargadas. Si el estrés máximo actual esmenor que el estrés máximo permisible, las varillas noestarán sobrecargadas.

Diagrama de Goodman

El punto Sm/4 representa el máximo esfuerzo al cual la varilla

puede estar constantemente sometida (Sm es la resistencia

mínima a la tensión), la línea de esfuerzo mínimo comienza

en la línea de esfuerzo cero y forma 45° con la línea

horizontal, la línea de esfuerzo máximo se traza a partir de

Sm/4 hasta cruzar la línea de esfuerzo mínimo en el punto

Sm/1.75, que es el punto común entre las líneas de esfuerzo

máximo y mínimo.

Tensión máxima permisible es:

Sa= (Sm/4 + M Smín) Fs

Diagrama de Goodman

Por ejemplo, para las varillas API grado D:

Sa=(115,000/4 + 0.5625Smin) Fs

Donde:Sa= Tensión máxima permisible (lb/pg2)

Smin = Tensión mínima de la varilla (calculada o medida),

(lb/pg2)

Fs= Factor de servicio, este valor depende del fluido

manejado (no corrosivos, agua salada o ácido sulfhídrico).

M pendiente de la curva Sa (M= 0.5625)

Sm, resistencia mínima a la tensión.

Rango de tensión máxima permisible:

Dsa = Sa – Smín

Diagrama de Goodman

Diagrama de Goodman

Factores de servicio

Grado C Grado D

No corrosivo 1.00 1.00

Agua salada 0.65 0.90

Ácido sulfhídrico 0.50 0.70

Diagrama de Goodman

Diagrama de Goodman

Ejemplo:

Considerando una sarta de varillas con un peso de 13,422

lb, a = 0.248 y una densidad de fluido no corrosivo de

0.89, determinar si la sarta es adecuada según el diagrama

de Goodman, considerar que se trata de una unidad

convencional.

minamin

minminmin

S 4

S 127.01

SSFMSS

S

A

WWW

aSm

a

top

r

D

a

Diagrama de Goodman

2

2

top

142.3

785.0A

corrosivo no fluidoun de trataSe1

5625.0

89.0

248.0

][13422

][7000

:

pgA

pg

F

M

lbW

pieL

Datos

P

s

r

a

Diagrama de Goodman

8576[lb]

))0.127(0.89-0.248-13422(1

127.01

min

min

min

W

W

WWr

a

10925S

785.0

8576S

S

2min

min

min

min

pg

lb

A

W

top

Diagrama de Goodman

28645

1)10925(5625.04

90000

4

C Grado API varillaPara

2

min

pg

lbS

S

FMST

S

a

a

Sa

Diagrama de Goodman

23706_lbW

0.248)13422(16955W

6955_lbW

2))0.294(134242))(7000(3.10.433(0.89W

0.294WLA0.433GW

α1WWW

max

max

f

f

rPf

rfmax

Diagrama de Goodman

2max

max

30198S

0.785

23706S

pg

lb

2a

a

minaa

pg

lb17720ΔS

1092528645ΔS

SSΔS

Diagrama de Goodman

Diagrama de Goodman

D

2a

2

min

2397010925-34895S

34895

)1()10925(5625.04

115000

4

D Grado API varillaPara

pg

lb

pg

lbS

S

FMST

S

a

a

Sa

Diagrama de Goodman

La carrera efectiva del émbolo, es la carrera de la varilla

pulida disminuida por los efectos de elongación en las varillas

y la tubería. Por lo tanto la carrera efectiva del émbolo es:

Sp = S + ep – (et + er)

Dado que las válvulas viajera y de pie, abren y cierran

durante el ciclo de bombeo, la carga del fluido es transferida

alternativamente de la tubería a la sarta de varillas, lo que

ocasiona deformaciones elásticas periódicas.

Carrera efectiva del émbolo

Para una sarta telescopiada, se tiene:

a

rn

n

2r

2

1r

1

t

2

A

L...

A

L

A

L

A

L

E

ApDG20.5

E

L8.40SSp

Sobrecarrera del émbolo

La ecuación de Marsh-Coberly

a

rt

2

A

1

A

1

E

LApDG20.5

E

L8.40SSp

En un pozo del campo petrolero Tonalá se instalará una

bomba de inserción con un émbolo de 1 ¾” ∅ en el interior

de una tubería de producción (T.P.) de 3 ½” ∅ a una

profundidad de 5000 pies, se considera que el nivel de fluido

en la tubería de revestimiento está a la profundidad de

colocación de la bomba con un gasto o producción en la

superficie de 500 BPD de un fluido con una densidad relativa

de 0.825, la U.B.M. deberá operar con una carrera en la

varilla pulida de 100” a una velocidad de bombeo de 18

(spm) y la sarta de varillas será de un solo diámetro de ¾”.

Calcular la carrera efectiva del pistón (SP) considerando la

tubería de producción (T.P.) desanclada y anclada.

Ejemplo

Ejemplo

Datos:

Dp = Diámetro del émbolo = 1 ¾” ∅

Dtp = Diámetro de la tubería de producción (T.P.) = 3 ½” ∅

L = Profundidad de colocación de la bomba = 5000 (pies)

fr = Diámetro de las varillas de succión = ¾”

N = Número de emboladas por minuto = 18 (SPM)

S = Longitud de la carrera de la U.B.M. = 100”

q = Gasto o producción = 500 B.P.D.

G = Densidad relativa del fluido = 0.825

D = Nivel dinámico del fluido = 5000(pies)

Cálculo con la Tubería de Producción (TP) desanclada.

De la tabla 5:

Ar = Área de la varilla de succión = 0.442 (pg2)

De la tabla 7:

At = 2.590 pg2

De la tabla 1:

Ap = 2.405(pg2)

Ejemplo

Donde:

At = Área de la sección transversal de la tubería de

producción (T.P.) (pg2).

Ar = Área de la sección transversal de la varilla de succión

(pg2). S = Carrera de la U.B.M. (pg).

L = Profundidad de colocación de la bomba (pies).

a

rt

2

A

1

A

1

E

LApDG20.5

E

L8.40SSp

Ejemplo

a = Factor de aceleración.

5.20 = Factor.

G = Densidad relativa del fluido.

D = Nivel dinámico del fluido (pies).

Ap = Área transversal del émbolo (pg2).

E = Módulo de elasticidad para el acero en la varilla

pulida.

Ejemplo

1.- Cálculo del factor de aceleración a

70500

SN2

a

0.459670500

(100)(18)

70500

SNα

Factor70500

18(spm)bombeodevelocidadN

100(pg)pulidavarillaladeCarreraS

:Donde

22

Ejemplo

2.-Cálculo de la carrera efectiva del pistón (Sp)

a

rt

2

A

1

A

1

E

LApDG20.5

E

L8.40SSp

S = 100 pg L = 5000 pies

a = 0.4596 G = 0.825

D = 5000 pies Ap = 2.405 pg2

E = 30 x 106 At = 2.59 pg2

Ar = 0.442 pg2

Ejemplo

Ejemplo

pg93Sp

7712.226264.115Sp

)6485.2)(5978.8(6264.15100Sp

a

rt

2

A

1

A

1

E

LApDG20.5

E

L8.40SSp

2.- Cálculo de la carrera efectiva del pistón (Sp) con la tuberíade producción (T.P.) anclada donde los términos queinvolucran a (At) el valor es At=0 se eliminan entonces:

pg96Sp

4516.196264.115Sp

)2624.2)(5978.8(6264.15100Sp

Ejemplo

a

r

2

A

1

E

LApDG20.5

E

L8.40SSp

S =L =G =D =Ap =

a =

144 pg8500 pies0.8208500 pies1.227 pg2 = émbolo 1¼ pg0.2882

Ejemplo 2

At =Ar1 =Ar2 =

Ar3 =

E =L1 =

L2 =

L3 =

1.812 pg2

0.781 pg2 = 1” Ø

0.601 pg2 = 7/8” Ø

0.442 pg2 = 3/4” Ø

30 x 106

2065.5 pies 1” Ø

2082.5 pies 7/8” Ø

4352 pies 3/4” Ø

.pg72.141Sp

60.3032.172Sp

A

L

A

L

A

L

A

L

E

ApDG20.5

E

L8.40SSp

3r

3

2r

2

1r

1

t

2

a

Ejemplo 2

En el movimiento del fluido en la bomba, se consideran dos

potencias:

•la potencia hidráulica (Hh), y

•la potencia por fricción (Hf).

Potencia de arranque necesaria

)(1036.7

)min//(33000)(min/1440

)()/(350)/(

6 hpLGqxHh

hppielbxdía

pieLblblGxdíablqHh

Una expresión más general, sería:

Hh = 7.36 x 10-6 q G LN (hp)

Donde, el nivel neto (LN), es una diferencia de presión

expresada en longitud de columna hidráulica, la cual

originará que el fluido viaje desde la bomba hasta la

superficie.

El efecto de presión en la tubería Pt, se obtiene como un

nivel equivalente a ésta y es:

)pie(G433.0

Pt

)pie/lbs(G4.62

)pie/pg(144)pg/lbs(Pt

3

222


Nivel neto:

Para la potencia por fricción se consideran las pérdidas deenergía por la fricción entre la bomba y la varilla pulida.

G

Pt31.2DLN

G433.0

Pt)DL(LLN

)pglbs(SWr25.0S2xWr8/1


Si se considera una velocidad de bombeo de N (spm),la potencia por fricción, es:

)HfHh(5.1Hb

)hp(NSWr10x31.6Hf

)hpmin//pielbs(33000x)pie/pg(12

min)/pglbs(NSWr25.0Hf

7


Un pozo con bombeo mecánico tiene una bomba cuyo émbolo

es de 1 ¾”∅ instalada a 4560 pies con una sarta de

varillas de succión de ¾”∅. Si la tubería está anclada y se

tiene una velocidad de bombeo de 20.5 spm, una carrera

de varilla pulida de 64” y una producción de 355 BPD de

fluido cuya densidad relativa es de 0.87, considerando que

la profundidad de colocación de la bomba es la

profundidad del nivel dinámico y que la presión en la

tubería es despreciada.

Ejemplo 3

Ejemplo 3

a) Calcule la mínima potencia relacionándola con la

especificada por el fabricante, para que se pueda usar este

motor como motor primario, si el fabricante recomienda

una reducción del 25% en la potencia especificada por él,

debido a la carga del ciclo.

b) Determine cuál es el nivel de fluido para este pozo si la

presión en la tubería es de 50 lbs/pg2 y la sumergencia de

la bomba es de 250 pies.

.hp36.10Hh

560,4)87.0)(355(10x36.7Hh

LN)G)(q(10x36.7Hh

6

6

)N)(S)(Wr(10x31.6Hf 7

Para una velocidad de bombeo de 20.5 (rpm), la potencia porfricción, es:

Ejemplo 3

De la tabla 5 del anexo, m=1.63 lbs/pie, entonces el peso delas varillas es:

hp15.6Hf

)5.20)(64)(7433(10x31.6Hf

lbs7433pie/lbs63.1xpies4560mLWr

7

Ejemplo 3

Para que se tenga esta potencia, de acuerdo con la reducciónque se recomienda, el total debe ser de:

Entonces, la potencia de arranque requerida por el motorprimario será de:

hp76.24Hb

)15.636.10(5.1Hb

)HfHh(5.1Hb

hp3375.0

76.24

)25.01(

76.24

Ejemplo 3

Si el nivel de fluido neto (LN) está dado por:

LN = D + 2.31 (Pt/G)

D = Profundidad de colocación de la bomba-sumergencia.

D = 4560 pies – 250 pies.

D = 4310 pies.

Entonces:

LN = 4310 + 2.31 (50/0.87)

LN = 4443 pies

Ejemplo 3

I.- Resuelve el siguiente problema.

En un Pozo del Campo Rodador se instalará una bomba de

inserción con un émbolo de 1 ½” Ø en el interior de una

tubería de producción de 2 3/8” Ø a una profundidad de

7000 pies, la producción o el gasto en superficie es de 300

B.P.D., de un fluido con una densidad relativa de 0.85,

donde el nivel dinámico de la tubería de revestimiento

(T.R.) se considera a la misma profundidad de colocación

de la bomba.

Tarea

Tarea

Se requiere instalar una U.B.M. que operará con una carrera

en la varilla pulida de 168”, a una velocidad de bombeo de 16

emboladas por minuto y deberá mover una sarta de varillas

telescopiadas compuesta por 3 secciones de 1”, 7/8” y ¾” de

diámetro. Efectuar los cálculos considerando la T.P.

desanclada.

Calcular lo siguiente:

1. El desplazamiento teórico de la bomba (PD).

2. La eficiencia volumétrica de la bomba (EV).

3. Longitud de cada sección de varillas. (L1, L2, L3).

4. Peso de cada sección de varillas (m1, m2 y m3).

5. Peso total de la sarta de varillas Wr.

6. Factor de aceleración (a).

7. Carga del fluido sobre el émbolo (Wf).

8. Carga máxima (Wmáx) y carga mínima (Wmín) sobre la

varilla pulida.

9. Tensión máxima en la parte superior de la sarta (Smáx).

10.Carrera Efectiva del émbolo.

11.Potencia mínima requerida de arranque de la bomba.

12.Determinar, mediante el diagrama de Goodman, si la

sarta seleccionada es adecuada para resistir la tensión.

Tarea

Diseño de Instalación

del Sistema Artificial de

Bombeo Mecánico

Método API-RP-11L

Sp: Carrera del émbolo, pg.

PD: Desplazamiento de la bomba, bls/día.

PDRL: Carga máxima en la varilla pulida, lb.

MPRL: Carga mínima en la varilla pulida, lb.

PT: Torsión máxima, lb/ pg.

PRHP: Potencia en la varilla pulida, hp.

CBE: Contrapeso requerido, lb.

Ap: Área del émbolo, pg2.

Ar: Área de la varilla, pg2.

H: Nivel del fluido, pie.

Método API-RP-11L

L: Profundidad de la bomba, pie.

N: Velocidad de bombeo, spm.

S: Longitud de la varilla pulida, pg.

D: Diámetro del émbolo de la bomba, pg2.

G: Densidad relativa del fluido (Agua = 1.0 ).

Wr: Peso por unidad de longitud de las varillas en el aire, lb/pie.

Er: Constante elástica de las varillas, pg/lb.

Fc: Factor de frecuencia útil en el diseño de varillas.

Et: Constante de elástica de la TP, pg/lb.

Método API-RP-11L

Fo: Carga diferencial del fluido sobre el área total del émbolo, lb.

Kr: Constante de resorte del total de la sarta de varillas.

1.0/Kr: Constante elástica para el total de la sarta de varillas, pg/lb.

Skr: Libras de carga necesaria para alargar el total de la sarta de varillas una cantidad igual a la carrera de la varilla pulida, (S).

No: Frecuencia natural de la sarta de varillas de un solo diámetro, spm.

No´: Frecuencia natural de la sarta de varillas combinada, spm.

Método API-RP-11L

Kt: Constante de resorte de la TP no anclada.

1.0/Kt: Constante elástica para la TP no anclada, pg/bl.

Wrf: Peso total de las varillas en fluido, lb.

Wr: Peso total de las varillas en el aire, lb.

F1: Factor de PPRL.

F2: Factor de MPRL.

T: Torsión en la manivela, lb/pg.

F3: Factor de PRHP.

Ta: Factor de ajuste de torsión para valores de Wrf/Skr

diferentes de 0.3.

Diseño de una unidad de Bombeo Mecánico

MÉTODO A.P.I. RP-11L

Para un pozo en el campo petrolero Tajín, se tiene una bombacon un émbolo de 1 ¾ plg instalada en una tubería deproducción (T.P.) de 2”∅ con 4275 pies de varillas de succión de

¾ plg; se sabe que el nivel de fluido es bajo, cuando se bombeaa 18 SPM con una longitud de carrera de 64 plg, la producciónes de 283 BPD de un fluido con densidad relativa de 0.825.Efectuar los cálculos necesarios para poder seleccionar unaU.B.M. Realizar los cálculos para una tubería de produccióndesanclada y anclada.

Ejemplo de aplicación 1


SOLUCIÓN

DATOS:

dp = Diámetros del émbolo = 1 ¾ plg

dtp = Diámetro de la T.P. = 2 plg

H = Nivel del fluido = 4275 pies

L = Profundidad de la bomba = 4275 pies

N = Velocidad de bombeo = 18 spm

S = Longitud de la varilla pulida (carrera de UBM) = 64 plg

G = Densidad relativa del fluido = 0.825

* = Sarta de varillas de un sólo diámetro ¾” de diámetro.

Solución considerando la tubería de producción (T.P.)desanclada.• Tipo de varillas = 100% de ¾ plg

TP Desanclada

De la Tabla 3 (Anexo)

1 Wr = 1.63 (lbs/pie) (Tabla 3 columna 3)2 Er = 0.883 x 10-6 (Plg/lbs-pie) (Tabla 3 columna 4)3 Fc = 1.0 (Tabla 3 columna 5)

De la Tabla 7 (Anexo).

4 Et = 0.500 x 10-6 (Plg/lbs-pie) (tabla 7 columna 5)


mr = Peso de las varillas = 1.63 lbs/pieEr = Constante elástica = 0.883 x 10-6 plg/lbs-pieFc = Factor de frecuencia = 1.0Et = Constante elástica de la T.P. = 0.500 x 10-6 pg/lb-pie

I Cálculo de las variables no-dimensionales

1. Cálculo de carga diferencial del fluido sobre el área totaldel émbolo (Fo).

Fo = (0.340) (G) (D2) (H)

Donde:0.340 = Factor.G = Densidad relativa del fluido.D2 = Diámetro del émbolo (pg2).H = Nivel del fluido (pies).


Valores:

G = 0.825

D2 = 1.752

H = 4275

Fo = (0.340) (G) (D2) (H)

Fo = (0.340) (0.825) (1.752) (4275)= 3672.36 lbs.



2. Cálculo de la constante elástica para el total de la sarta de

varilla (1/Kr).

1/kr = (Er) (L)

Donde:

1/kr = Constante elástica para el total de la sarta de varillas.

Er = Constante elástica de la varilla.

L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de

colocación de la bomba.

Valores:

Er = 0.883 x 10-6

L = 4275 pies

1/kr = Er x L

1/kr = (0.883 x 10-6) x 4275 = 3.775 x 10-3 Pg/lb



3. Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de lasarta de varillas, una cantidad igual a la carrera de la varillapulida (SKr).

SKr = S/(1/Kr)

Donde:S = Carrera de la varilla pulida.

1/Kr = Constante elástica para el total de la sarta de varillas.

Valores:S = 64 pg

1/Kr = 3.775 x 10-3SKr = S/(1/Kr) = 64/3.775 x 10-3 = 16953.64 lb

4. Cálculo de relación del alargamiento de las varillas a lacarrera de la varilla pulida (Fo/SKr).

(Fo/SKr)

Donde:

Fo = Cálculo de carga diferencial del fluido sobre elárea total del émbolo.

SKr = Cálculo de la carga necesaria para alargar el totalde la sarta de varillas una cantidad igual a la carrera de lavarilla pulida (SKr).



Valores:

Fo = 3672.36 lbs

SKr = 16954.43 lbs

(Fo/SKr)

Fo/SKr = 3672.36/16953.64 = 0.217

El parámetro dimensional Fo/SKr representa el

alargamiento de varillas. El alargamiento real reducido por

la carga de fluido Fo es Fo/Kr. Entonces, (Fo/Kr)/S es el

alargamiento de varillas expresado en fracción de la carrera

de la varilla pulida.



5. Cálculo de relación de velocidad de bombeo a la frecuencianatural de la sarta de varillas de un solo diámetro (N/No).

N/No = (N)(L)/245000

Donde:

N = Velocidad de bombeo o embolada por minuto (s.p.m.)L = Profundidad de la bomba (pies).245000 = Factor saliente entre la velocidad del sonido enel acero (prácticamente = 16.300 pie/seg) = 978.000pie/min.

Valores:

N = 18 s.p.m.

L = 4275 pies

245000 = Factor

N/No = (N)(L)/245000

N/No = (18)(4275)/245000 = 0.314



6. Cálculo de la relación de velocidad de bombeo a la

frecuencia natural de la sarta de varillas combinadas

(N/No´).

N/No´= (N/No)/Fc

Donde:

N/No = Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia

natural de la sarta de varillas de un solo diámetro.

Fc = Constante de proporcionalidad que depende del diseño

de varillas, también conocido como factor de frecuencia.

Valores:

N/No= 0.314

Fc = 1.00

N/No′= (N/No)/Fc

N/No′= 0.314/1.00 = 0.314

El valor de No′, la frecuencia natural de la sarta de

varillas combinado, generalmente es de 30 vibraciones

por minuto o mayor, la velocidad de bombeo rara vez

será mayor de 20 spm, por lo tanto, el valor de N/No′

variará entre 0.0 y 0.67.



Cálculo de la constante elástica para la T.P. no anclada

(1/Kt).

1/Kt = (Et )(L)

Donde:

1/Kt = Constante elástica para la T.P. no anclada.

Et = Constante elástica de la T.P.

L = Profundidad de la bomba.

Valores:

Et = 0.500 x 10-6 Pg/lb/pie

L = 4275 pies

1/Kt = (Et )(L)

1/Kt = (0.500 x 10-6)(4275) = 2.14 x 10-3 (Pg/lb)



II. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (SP)y desplazamiento teórico en el fondo de la bomba(PD).

Sp/S = 0.875; figura 1, con los datos (N/No′) y (Fo/SKr)

1. Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (SP).

SP = [(Sp/S)(S)]–(Fo)(1/Kt)

Donde:

Sp/S = Factor de la carrera del émbolo. S = Carrera del

émbolo.

1/Kt = Constante elástica para la T.P. no anclada.

Fo = Cálculo de carga diferencial del fluido

sobre el área total del émbolo.

Valores:

Sp/S = 0.875

S = 64 plg

Fo = 3672.36

1/Kt = 2.14 x 10-3

SP = [(Sp/S)(S)] – (Fo)(1/Kt)

SP = (0.875)(64) – (3672.36)(2.14 x 10-3)

Sp = 48.14 plg



2. Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba (PD).

PD = (0.1166)(Sp)(N)(D2)

Donde:

0.1166 = Factor.

Sp = Carrera efectiva del émbolo.

N = Velocidad de bombeo.

D2 = Diámetro del émbolo.

Valores:

0.1166 = Factor

Sp = 48.14 plg

N = 18 SPM

D2 = 1.752

PD = (0.1166)(Sp)(N)(D2)

PD = (0.1166)(48.14)(18)(1.752) = 309.42 bls/día



Se puede utilizar la siguiente fórmula, tomando el valor

de K de la tabla 1 K= 0.357

Entonces se tiene que:

PD = K x Sp x N = 0.357 x 48.14 x 18 = 309.34 bls/día

NOTA: Si este gasto no se aproxima al que desea, se

repetirá a partir del punto 5 de cálculo de las variables

no-dimensionales variando el valor de N.

III. Cálculo de los parámetros no-dimensionales

1. Cálculo del peso de las varillas en el aire (W).

W = (Wr)(L)

Donde:

Wr = Peso por unidad de las varillas (lbs-pie).

L = Longitud total de la sarta de varillas o profundidad de

colocación de la bomba (pies).



Valores:

Wr = 1.63 lbs-pie.

L = 4275 pies.

W = (Wr)(L)

W = (1.63)(4275) = 6985.25 lbs

2. Cálculo del peso de las varillas en el fluido (Wrf).

Wrf = W [ 1-(0.128)(G) ]

Donde:

G = Densidad relativa del fluido.

W = Peso total de las varillas en el aire (lbs).

0.128 = Factor de flotación determinado dividiendo la

densidad del fluido desplazado es 62.4 G lbs/pie3 entre la

densidad de las varillas, asumiendo que sea de 490

lbs/pie3.



Valores:

G = 0.825

W = 6985.35 lbs

0.128 = Factor

Wrf = W [ 1-(0.128)(G) ]

Wrf = 6985.35 [ 1-(0.128)(0.825) ]

Wrf = 6247.70 lbs


3. Cálculos de torsión (Wrf/Skr).

Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs).SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de lasarta de varillas una cantidad igual a la carrera de la varillapulida.

Valores:

Wrf = 6247.70 lbsSKr = 16954.43 lbsWrf/SKr = 6247.70/16953.64 = 0.3685

IV Obtención de los factores útiles en la

determinación de:

PPRL = Carga máxima en la varilla pulida.

MPRL = Carga mínima en la varilla pulida.

PT = Torsión máxima.

PRHP = Potencia en la varilla pulida.


1 F1/SKr = 0.45 (de la figura 3, en Anexo)


3 2T/S2Kr = 0.36 (de la figura 5, en Anexo)


5 Ta = 1.00 (de la figura 7, en Anexo)


.3.0:

09.109.000.1

%9%33

3.01.0

%3

188.0,200.0´

600.0:

negativovuelveseajusteelquemenoresKrS

WrfsiNOTA

Ta

XTOTALAJUSTE

DEARRIBAKrS

WrfENINCREMENTODECADAPOR

AJUSTE

KrS

Fo

No

N

KrS

WrfEJEMPLOPOR

Figura 7 continuación


V. Cálculo de las características de operación

1. Carga máxima en la varilla pulida (PPRL).

PPRL = Wrf + (F1/SKr) x SKr

Donde:

Wrf = Peso total de las varillas en el fluido (lbs).

F1/SKr = Factor de carga pico en la varilla pulida.

SKr = Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la

sarta de varillas; una cantidad igual a la carrera de la varilla

pulida.

Valores:

Wrf = 6247.70 lbs

F1/SKr = 0.45

SKr = 16954.43

PPRL = Wrf + (F1/SKr)(SKr)

PPRL = 6247.70 + (0.45)(16953.64)

PPRL = 13877 lbs



2. Carga mínima en la varilla pulida (MPRL).

MPRL = Wrf – (F2/SKr)(SKr)

Donde:


F2/SKr = Factor de carga mínima en la varilla pulida.

SKr = Cálculo de la carga necesaria para alargar el total de la

sarta de varillas una cantidad igual a la carrera de la varilla

pulida.

Valores:

Wrf = 6247.70 lbsF2/SKr = 0.20SKr =16954.43MPRL = WrF – (F2/SKr)(SKr)MPRL = 6,247.70 – (0.20)( 16953.64)MPRL = 2857 lbs


3. Torsión máxima (PT)

PT = (2T/S2Kr) (SKr)(S/2) (Ta)

Donde:

2T/S2Kr = Factor de torsión máxima.

SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de

la sarta de varillas una cantidad igual al de la varilla

pulida.


Ta = Factor de ajuste de torsión para valores de Wrf/Skr

diferentes de 0.3


Valores:

2T/S2Kr = 0.36

SKr = 16954.43 lbs

S/2 = La mitad de la carrera del émbolo =32 pg

Ta = 1.0

PT = (2t/S2Kr) (SKr)((S/2) (Ta)

PT = (0.36)(16953.64)(32)(1.0)

PT = 195306 lbs-plg



4. Potencia en la varilla pulida (PRHP).

PRHP = (F3/SKr)(SKr)(S)(N)(2.53 x 10-6)

Donde:

F3/SKr = Factor de potencia en la varilla pulida.

SKr = Libras de carga necesarias para alargar el total de la

sarta de varillas, una cantidad igual al de la varilla pulida.



2.53 x 10-6 = Módulo de young.

Valores:

F3/SKr = 0.28

SKr = 16953.64 lbs

S = 64 plg

N = 18 spm

PRHP = (F3/SKr) (SKr)(S)(N)(2.53 x 10-6)

PRHP = (0.28)(16953.64) (64)(18)( 2.53 x 10-6)

PRHP = 13.835 hp



5. Contrabalanceo (CBE)

CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo)

Donde:

1.06 = Factor.


½ Fo = carga diferencial del fluido sobre el área total del

émbolo (lbs).

Valores:

Wrf = 6247.70 (lbs)½ Fo = 3672.36/2CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo )CBE = 1.06 x (6247.7 + (3672.36/2))CBE = 8569 lbs

De acuerdo al resultado de la torsión y la carga máximaen la varilla pulida se selecciona la unidad utilizando elcatálogo Lufkin (en anexos).

Unidad seleccionada

C-228D-200-74


Donde:

C = Corresponde a una unidad Convencional, también

puede iniciar con

A = que significa unidad balanceada por aire, B =

balanceada por balancín o M = Unidad de unitorque

Mark II.

228 = Clasificación de la torsión máxima en miles de

pulgadas libras.

D = Reductor de engranes con doble reducción.

200 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos

de libras.

74 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas.



T.P. Anclada

Punto No. 7 del paso I el valor de 1/ Kt = 0 por la mismacondición de Et.Cálculo de SP y DP

1. Sp = (Sp/S)(S)

Donde:

Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg).

Sp/S = Factor de la carrera del émbolo.

S = Carrera del émbolo (plg).

Valores:

Sp/S = 0.875

S = 64 (Plg)

0.875 con los datos (N/No) y (Fo/SKr)

Sp = (Sp/S)(S)

Sp = (0.875)(64) = 56 Plg

2.P.D = (0.1166)(Sp)(N)(D2)



Donde:

PD = Desplazamiento teórico de la bomba (BPO).

Sp = Carrera efectiva del émbolo (plg).


D2 = Diámetro del émbolo (plg2).

Valores:

Sp = 56 Plg

N = 18 SPM

D2 = 1.752 correspondiente a 1 ¾ plg = 2.405plg2

PD = (0.1166)(Sp)(N)(D2 )PD = (0.1166)(56)(18)(1.752 )2

PD = 360 bls/día

• Se puede utilizar la siguiente fórmula:

Tomando el valor de K de la Tabla 1, K = 0.357Entonces se tiene que:

PD = K x Sp x N = 0.357 x 56 x 18 = 359.856 = 360bls/día



• En los demás puntos los resultados son idénticos,

utilizando el catálogo Lufkin (en anexos) se selecciona la

unidad:

C-228D-200-74

Donde:

C = Corresponde a una unidad Convencional, también

puede iniciar con A = que significa unidad balanceada por

aire, B = balanceada por balancín o M = Unidad de

unitorque Mark II.

228 = Clasificación de la torsión máxima en miles de

pulgadas libras.

D = Reductor de engranes con doble reducción.

200 = Clasificación de carga de la varilla pulida en cientos

de libras.

74 = Longitud de la carrera máxima en pulgadas.


Consideraciones y cálculos para todo tipo de unidad

Objetivo: Determinar Sp, PD, Wmáx, Wmín, Tp, Hb y CBE.

Datos conocidos o supuestos:

Nivel neto , LN =____pies. Velocidad de

bombeo, N =____spm

Diámetro del émbolo, dp =____pg. Prof. De bomba,

L =____pies.

Longitud de carrera, S =____pg. Densidad relativa,

=____.

Cálculo del diseño


Diámetro de TP, dt =____pg. Varillas de

succión_________________

Esta anclada? Si , No.

Factores leídos de las tablas 3 y 6:

1. mr = _______(Tabla 3, columna 3). 3. Fc =

__________(Tabla 3, columna 5).

2. Er = _______(Tabla 3, columna 4). 4. Et =

__________(Tabla 6, columna 5).

Cálculo de variables adimensionales:

5. Fo = 0.340 x g x dp2 x LN = 0.340 x ___ x ___ x ___ =

___ lbs.

6. 1/ Kr = Er x L = ___ x ___ = ___ pg/lb.

7. SKr = S / (1/Kr) = ___ / ___ = ___ lbs.

8. Fo/ SKr = ___ / ___ = ___.

9. N/No = N x L / 245000 = ___ x ___ / 245000 = ___.

10. N/No´ = (N/No) / Fc = ___ /___ = ___.

11. 1/Kt = Et x L = ___ x ___ pg/lb.



Cálculo de Sp y PD:

12. Sp / S = ____(fig. 7). Ta = ___ (fig. 12)

13. Sp = [(Sp/S) x S] – [Fo x (1/Kt)] = [___ x ___] – [___

x ___] = ___ pg.

14. PD = 0.1166 x Sp x N x dp2 = 0.1166 x ___ x ___ x ___

= ___ bpd.

Determinación de los parámetros adimensionales:

15.Wr = mr x L = ___ x ___ = ___ lb.

16.Wrf = Wr [1-(0.128g)] = ___ [1- (0.128 x ___)] = ___ lb.

17.Wrf/Skr = ___ / ___ = ___.



Factores adimensionales leídos de las figs. 8 a 12

18. F1/Skr = _____ (fig. 8).

19. F2/Skr = _____ (fig. 9).

20. 2T/S1Kr = _____ (fig. 10).

21. F3/SKr = _____ (fig. 11).

22. Ta = _____ (fig. 12).

Unidad convencional

Cálculo de las características de operación:

23. Wmáx = Wrf + [(F1/SKr) x SKr] = ___ + [ ___ x ___ ] =___ lb.

24. Wmín = Wrf – [(F2/SKr) x SKr] = ___ - [ ___ x ___ ] =

___ lb.

25.Tp = (2T/S1Kr) x SKr x S/2 x Ta = ___ x ___ x ___ x ___

= ___ lb-pg.



25.Hb = (F3/SKr) x SKr x S X N x 2.53x10-6 = __ x __ x __ x

__ x 2.53x10-6 = ___ hp.

26.CBE = 1.06 (Wrf + ½ Fo) = 1.06 ( ___ + ___ ) = ____

lb.

27.S máx = Wmáx / A top = ____ / ____ = ____ lb /pg2.

28.Hpf = L x PD / 56000 = ___ x ___ / 56000 = ____ hp.

Unidad aerobalanceada


23. Wmáx = Wrf + Fo + 0.85 [(F1/SKr) x SKr - Fo] = ___

+___ + 0.85 [ ___ x ___ - ___ ] = ___ lb.

24. Wmín = Wmáx – [(F1/SKr) + (F2/SKr)] x SKr = ___ - [

___ + ___ ] x ___ = ___ lb.

25.Tp = (2T/ S2Kr) x SKr x S/2 x Ta x 0.96 = ___ x ___ x

___ x ___ x 0.96 = ___ lb-pg.



25.Hb = (F3/SKr) x SKr x S X N x 2.53x10-6 = __ x __ x __ x

__ x 2.53x10-6 = ___ hp.

26.CBE = 1.06 (Wmáx + Wmín) / 2 = 1.06 ( ___ + ___ ) / 2

= ____ lb.

27.S máx = Wmáx / A top = ____ / ____ = ____ lb/pg2.

28.Hpf = L x PD / 56000 = ___ x ___ / 56000 = ____ hp.

Unidad Mark II


23. Wmáx = Wrf + Fo + 0.75 [(F1/SKr) x SKr - Fo] = ___

+___ + 0.75 [ ___ x ___ - ___ ] = ___ lb.

24. Wmín = Wmáx – [(F1/SKr) + (F2/SKr)] x SKr = ___ - [

___ + ___ ] x ___ = ___ lb.


25.Tp = (Wmáx x 0.93 – Wmín x 1.2) x S / 4=( ___ x 0.93 -

___ x 1.2 ) x ___ / 4 = ___ lb-pg.

26.Hb = (F3/SKr) x SKr x S X N x 2.53x10-6 = ___ x __ x __

x __ x 2.53x10-6 = ___ hp.

27.CBE = 1.04 (Wmáx + 1.25 x Wmín) / 2 = 1.04 ( ___ +

1.25 x __ ) / 2 = ____ lb.



25.S máx = Wmáx / A top = ____ / ____ = ____ lb/pg2.

26.Hpf = L x PD x 0.8 / 56000 = ___ x ___ x 0.8 / 56000 =

____ hp.

Método Craft Holden

Los pasos a seguir en el diseño de una instalación de bombeo

mecánico mediante este método son los siguientes:

1.De la producción máxima esperada de fluido y la eficiencia

volumétrica, calcular el desplazamiento teórico de la bomba.

Si se desconoce la eficiencia volumétrica, se considera 80%.

2.Con la profundidad de colocación de la bomba y el

desplazamiento teórico, determinar la longitud de carrera y el

rango API de la unidad con la figura 6. Posteriormente

seleccionar una unidad que maneje los datos obtenidos.


3. De las Tablas 9 a 16, determinar el diámetro de TP, émbolo

y varillas de succión, así como la velocidad de bombeo.

4. Calcular la longitud fraccional de cada sección de la sarta

de varillas usando los datos de las tablas 1 y 3.

5. Calcular la longitud de cada sección de la sarta de varillas y

aproximarla a múltiplos de 25 pies.

6. Calcular el factor de aceleración

7.Determinar la carrera efectiva del émbolo.

8.Usando la eficiencia volumétrica estimada, determinar el

gasto de producción probable y compararlo con el gasto de

producción deseado. Si el gasto es mayor o igual al deseado,

continuar el paso siguiente. De lo contrario, considerar otro

valor de velocidad y regrese al paso 6. S el valor obtenido

nuevamente no es satisfactorio, graficar los valores de N

contra Gasto:



q (BPD)

N (spm)

9. Con el gasto deseado, obtener N y regresar al paso 6.

10.Calcular el peso muerto de la sarta de varillas.

11.Calcular la carga total del fluido.

12.Determinar la carga máxima que soportará la varilla pulida

y compararla con la carga máxima que tolera la unidad de

bombeo preseleccionada. De no ser satisfactorio, regresar

al paso 1.

13.Calcular el esfuerzo máximo en la parte superior de la

sarta de varillas y compararlo con el esfuerzo máximo

permisible de las varillas que se estén usando.



14.Calcular el efecto de contrabalanceo ideal y compararlo con

el contrabalanceo disponible.

15.Considerando que la unidad está fuera de contrabalanceo

5% del valor ideal, calcular el torque máximo sobre la

flecha del reductor de engranes y compararlo con el rango

API de la unidad seleccionada.

16.Calcular la potencia de arranque que requiere el motor

primario. Seleccionar el motor primario.

17.De la literatura del fabricante, obtenga la relación de la

reducción de engranes, el diámetro de la polea de la

unidad seleccionada y la velocidad del motor primario.

Ejemplo del Método Craft Holden

Para un pozo petrolero, se tiene una bomba con un émbolo

de 1 ¾ pg, está colocada en una tubería de producción de 2

pg con 4275 pies de varillas de succión de ¾ pg. Se sabe

que el nivel de fluido es bajo. Cuando se bombeo a 18 spm

con una longitud de carrera de 64 pg, la producción es de

283 BPD de un fluido con densidad relativa de 0.825.

Seleccionar la unidad de bombeo mecánico adecuada para

este pozo si se considera que la tubería de producción está

desanclada.

Datos:

-Diámetro del émbolo (dp)= 1 ¾ pg.

-Diámetro int. de TP (dtp)= 2 pg.

-Profundidad de colocación de la bomba (L)=4,275 pies.

-Número de emboladas por minuto (N)= 18 spm.

-Longitud de la varilla pulida (L)=64 pg.

-Gasto producido (q)=283 bl/día.

-Densidad relativa del fluido producido (G)=0.825.

Como el nivel de fluido es bajo, se considera que la bomba estácolocada al nivel del fluido de trabajo, teniéndose entonces:

D= nivel del fluido de trabajo = L


TP Desanclada

De la tabla 5, Apéndice:

Ar = área de la varilla de succión = 0.422 pg2

M = peso por unidad de longitud de la varilla de succión =1.63 lb/pie.


Ap = área del émbolo = 2.405 pg2.

K = Constante de la bomba =0.357 bl/día/pg/spm



At = Área de la sección transversal del espesor de la pared de TP = 1.304 pg2.

a) Cálculo del factor de aceleración (a):

2941.0500,70

)18(64

500,70

SN 22

a


b) Cálculo de la carrera efectiva del émbolo (Sp):

E= módulo de elasticidad para el acero 30x106 lb/pg2.

a

rt

2

A

1

A

1

E

LApDG20.5

E

L8.40SSp



.pg2699.52Sp

0398.193098.764Sp

)0293.3(2852.63098.764Sp

c) Cálculo del desplazamiento teórico de la bomba (V).

V = 0.1484 Ap Sp N o bien, V = K Sp N

V = 0.357 (52.2699) (18) = 335.8867 bl /día

d) Cálculo de la eficiencia volumétrica de la bomba (Ev).

Ev = q / V

Ev = 283 / 335.8867

Ev = 0.8425


e) Cálculo del peso de las varillas (Wr).n

Wr = ∑ Li Mii=1

Wr = 4,275 (1.63) = 6,968.25 lb.

f) Cálculo del peso del fluido (Wf)

Wf = 0.433 G (L Ap – 0.294 Wr)

Wf = 0.433 (0.825) [4,275(2.405)-0.294(6,968.25)]=3,008.85 lb.



g) Cálculo del efecto de contrabalanceo ideal (Ci)

Ci = 0.5 Wf + Wr(1.0-0.127 G)

Ci = 0.5(3,008.85) + 6,968.25 [1.0-0.127(0.825)] =7,742.58 lb.

h) Cálculo de la carga máxima (W máx).

W máx = Wf + Wr (1.0 + a).

W máx = 3,008.85 + 6,968.25 (1.0 + 0.2941) = 12,026.46lb.

i) cálculo de la potencia hidráulica (Hh).

Hh = 7.36 * 10-6 q G L

Hh = 7.36 * 10-6 (283)(0.825)(4.2759) = 7.346 hp.

j) Cálculo de la potencia por fricción (Hf).

Hf = 6.31*10-7 Wr S N

Hf = 6.31*10-7 (6,968.25)(64)(18) = 5,065 hp.


K) Cálculo de la potencia total (Hb).

Hb = 1.5 (Hh + Hf)

Hb = 1.5 (7.346 + 5.065)= 18.62 hp

l) Cálculo de la torsión pico (Tp)

Tp = (W máx – 0.95 Ci) (S/2)

Tp = [12,026.46-0.95(7,742.58)](64/2)= 149472.18 pg-lb.



Finalmente, consultando catálogos de fabricantes, se procede

a la selección de la unidad. Tablas 19, 20 y 21 del Apéndice.

C- 160D-143-64

C = corresponde a una unidad convencional, también

puede iniciar con: A, que significa unidad balanceada

por aire; B, balanceada por balancín; M, unidad

Mark II.

160 = clasificación de la torsión en miles de pulgadas libras.

D = reductor de engranes con doble reducción.

143 = clasificación de carga de la varilla pulida en ciento de

libras.

64 = longitud de la carrera en pulgadas.


Cartas dinamométricas

La carta dinamométrica es un diagrama de carga contra

desplazamiento resultante del registro de todas las fuerzas

que actúan sobre la varilla pulida con respecto a su

posición en cualquier instante durante el ciclo de bombeo.

El diagrama registrado está dado con la posición de la

varilla pulida en la abscisa y la carga en la ordenada.


Con ella se puede determinar:

1.- Cargas en el equipo superficial:

•Cargas máxima y mínima en la estructura de la UBM.

•Torsión en el reductor de engranes y en el motorprincipal.

•Trabajo realizado por la varilla pulida al elevar los fluidosy vencer la fricción.

•Contrabalanceo apropiado.

2.- Cargas en la sarta de varillas:

•Cargas máxima y mínima, esfuerzos en las varillas y

rango de cargas.

•Número de carga por ciclo de la manivela.



3.- Comportamiento de la bomba subsuperficial:

•Condiciones de trabajo de las válvulas viajera o de pie.

•LA existencia de golpeteo de fluidos y su magnitud.

•Candado de gas en la bomba.

•Fricción excesiva.

•Si la bomba está o no bombeando en vacío.

•Condiciones de sobreviaje del émbolo o reducción del viaje

del mismo.

Modificación de la carta dinamométrica por efectos de aceleración


Factor de efecto de la máquina


Efecto de alargamiento y contracción de las varillas


Efecto de vibraciones naturales de la sarta de varilla


Efectos de amortiguamiento


Diagnóstico de fallas


En esta carta de superficiese observa una tensiónhasta más de la mitad desu carrera ascendente,provocada posiblementepor el pase en válvulaviajera que no retiene lacarga hasta el final de lacarrera ascendente.

En esta carta de superficiese observa igualamientoen las cargas de la válvulade pie y viajera, y labomba está desanclada.


En esta carta de superficiese observan las cargas dela válvula de pie y viajeraiguales, y el peso mínimode la sarta de varillas no secompleta, se detectó lasarta de varillas rotas(anomalías comprobadascon el equipo de T.R.P. enla intervención).


clases bombeo mecánico curso sap

Documents