Principios de Funcionamiento de la Bomba (BCP) A grandes rasgos la Bomba de Cavidades Progresivas (BCP) esta compuesta por el Rotor y el Estator El Rotor es accionado desde la superficie por un sistema impulsor que transmite el movimiento rotativo a la sarta de Cabillas la cual a su vez se encuentra conectada al Rotor El Estator es el componente estaacutetico de la bomba y contiene un poliacutemero de alto peso molecular con la capacidad de deformacioacuten y recuperacioacuten elaacutestica llamado Elastoacutemero El funcionamiento de las BCP estaacute basado en el principio ideado por Reneacute Moineau (no debe confundirse con la bomba de Arquiacutemedes ya que son principios totalmente diferentes) la BCP utiliza un Rotor de forma helicoidal de n loacutebulos dentro de un Estator en forma de helicoide de n+1 loacutebulos Las dimensiones del Rotor y el Estator estaacuten disentildeadas de manera que producen una interferencia la cual crea liacuteneas de sello que definen las cavidades Al girar el rotor estas cavidades se desplazan (o progresan) en un movimiento combinado de traslacioacuten y rotacioacuten que se manifiesta en un desplazamiento helicoidal de las cavidades desde la succioacuten de la bomba hasta su descarga Se cuenta con diversos arreglos de materiales y geometriacutea sin embargo la utilizada en la Industria Petrolera Nacional es la de un Rotor metaacutelico de un loacutebulo en un Estator con un material elaacutestico (Elastoacutemero) de dos loacutebulos La FIGURA Ndeg 1 muestra una seccioacuten transversal de una BCP convencional (1x2 loacutebulos) donde observa como el diaacutemetro del rotor es un poco mayor que el ancho de la cavidad produciendo la interferencia (i) que crea el sello

La Figura Ndeg 2 muestra un dibujo tridimensional donde se aprecian la forma y posicioacuten de las cavidades formadas entre el Rotor y el Estator Noacutetese que en un mismo plano transversal siempre pueden definirse dos cavidades y que el aacuterea de estas dos cavidades se complementan es decir cuando una es maacutexima la otra es miacutenima de modo que el aacuterea transversal total es siempre constante

En la sarta de cabillas se encuentran ademaacutes lo Acoples de cabillas y (opcionalmente) los Centralizadores de cabillas los cuales se utilizan para prevenir el roce excesivo entre los acoples y la tuberiacutea de produccioacuten en pozos con marcadas desviaciones (ldquopata de perrordquo o ldquodog legsrdquo) con aacutengulos de inclinacioacuten muy grandes o en pozos horizontales Debajo de la BCP se coloca el Niple de Paro el cual sirve para espaciar el Rotor con respecto al Estator Esta operacioacuten seraacute explicada en detalle en otro apartado de este manual Opcionalmente y si se requiere al Niple de Paro puede conectarse un Ancla de gas una Empacadura un Filtro de Arena un Ancla Anti-Torque etc En la Figura Ndeg 3 se muestran de una manera esquemaacutetica los componentes principales de subsuelo del sistema de bombeo por cavidades progresivas (referirse adicionalmente al Anexo Ndeg 2 principios y capacidades del meacutetodo BCP)

Principios Baacutesicos de Produccioacuten Nivel estaacutetico Nivel dinaacutemico Presioacuten Estaacutetica Presioacuten Fluyente Sumergencia Indice de Productividad y Comportamiento de Afluencia Los paraacutemetros que se trataraacuten a continuacioacuten intervienen de una manera muy importante en la seleccioacuten de las bombas por tanto es primordial que se entiendan perfectamente tanto en sus definiciones como en sus influencias en la operacioacuten de la misma de manera de

poder seleccionar e instalar el conjunto adecuado Favor dedicar un momento en detallar los elementos que se presentan en las siguientes figuras las cuales muestran esquemaacuteticamente un pozo y su completacioacuten mecaacutenica y de produccioacuten

Antes de arrancar la bomba en un pozo que no fluye (Figura Ndeg 4) el fluido se estabiliza en un nivel tal que la presioacuten ejercida por la columna de fluido a la profundidad del yacimiento mas la presioacuten en Tuberiacutea de Revestimiento (CHP) es igual a la presioacuten del yacimiento (suponiendo que el pozo no esteacute instalado con una empacadura) El nivel de fluido que equilibra exactamente la presioacuten de yacimiento cuando estaacute abierto el espacio anular (CHP = 0) se llama Nivel Estaacutetico (NE) y se mide desde superficie Este es el nivel mas alto (mas cercano a la superficie) alcanzado por el fluido en el pozo La presioacuten ejercida por esta columna de fluido al nivel del yacimiento se le llama Presioacuten Estaacutetica (Ps) Al arrancar la bomba (Figura Ndeg 5) sube el nivel en la tuberiacutea de produccioacuten hasta la superficie y baja el nivel en el espacio anular (principios de vasos comunicantes) Al disminuir el nivel en el espacio anular disminuye la presioacuten de fondo lo que genera una afluencia de fluido desde el yacimiento el pozo comienza entonces a producir Cuanto maacutes baja el nivel de fluido en el espacio anular mas aumenta la afluencia del fluido El nivel se estabiliza cuando la produccioacuten del yacimiento es igual al caudal de la bomba En este caso la presioacuten hidrostaacutetica mas la presioacuten en el revestidor (CHP) equilibran la Presioacuten Fluyente de fondo (Pwf) El nivel de fluido que equilibra la presioacuten fluyente de fondo cuando estaacute abierto el espacio anular se llama nivel dinaacutemico (ND) En el Anexo Ndeg 3 se presenta un trabajo sobre la estimacioacuten de presiones fluyentes de fondo a partir de medicioacuten de niveles por medios acuacutesticos Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera

Noacutetese en esta figura que para Pwf = 0 se obtendriacutea la tasa maacutexima de produccioacuten del pozo de igual manera para una tasa de cero produccioacuten la presioacuten de fondo seriacutea igual a la presioacuten estaacutetica del yacimiento Esta relacioacuten de proporcionalidad es vaacutelida siempre y cuando la Pwf sea mayor a la Presioacuten de Burbujeo (esta es la presioacuten en la cual el gas disuelto comienza a liberarse pasando a gas libre) Para este caso el iacutendice de productividad seraacute igual al inverso de la pendiente de la liacutenea recta

IP = 1pendiente = Tang o = Q draw-down

En muchos pozos que producen por alguacuten meacutetodo de levantamiento artificial por lo general la presioacuten de fondo fluyente ha disminuido por debajo de la magnitud de la Presioacuten de Burbujeo de manera que el fluido es multifaacutesico con una fase gaseosa la cual afecta la produccioacuten y la relacioacuten matemaacutetica expuesta anteriormente Gilbert fue el primero en observar el efecto el desarrolloacute un meacutetodo de anaacutelisis de pozos utilizando un Indice de Productividad variable y llamoacute la relacioacuten entre la caiacuteda en la presioacuten de fondo y la tasa de flujo como Inflow Performance Relationship (Indice de comportamiento de Afluencia) conocida en forma abreviada como IPR Muskat presentoacute modelos teoacutericos mostrando que para dos fases (liacutequido y gas) la IPR es curva y no una liacutenea recta tal y como se observa en la figura siguiente

El Elastoacutemero El Elastoacutemero constituye el elemento mas ldquodelicadordquo de la Bomba de Cavidades Progresivas y de su adecuada seleccioacuten depende en una gran medida el eacutexito o fracaso de esta aplicacioacuten El Elastoacutemero reviste internamente al Estator y en si es un Poliacutemero de alto peso molecular con la propiedad de deformarse y recuperarse elaacutesticamente esta propiedad se conoce como resiliencia o memoria y es la que hace posible que se produzca la interferencia entre el Rotor y el Estator la cual determina la hermeticidad entre cavidades contiguas y en consecuencia la eficiencia de la bomba (bombeo) Los Elastoacutemero deben presentar resistencia quiacutemica para manejar los fluidos producidos y excelentes propiedades mecaacutenicas para resistir los esfuerzos y la abrasioacuten Los Elastoacutemeros maacutes utilizados en la aplicacioacuten BCP poseen base Nitriacutelica (convencionales) Hidrogenacioacuten Cataliacutetica (Elastoacutemeros Hidrogenados) o Fluoelastoacutemeros Caracteriacutesticas deseables en los Elastoacutemeros 1048766 Buena resistencia quiacutemica a los fluidos a transportar 1048766 Buena resistencia teacutermica 1048766 Capacidad de recuperacioacuten elaacutestica 1048766 Adecuadas propiedades mecaacutenicas especialmente resistencia a la fatiga Los cambios maacutes comunes en las propiedades mecaacutenicas de los Elastoacutemeros son el Hinchamiento el Endurecimiento y el Reblandecimiento El Hinchamiento origina una excesiva interferencia y como consecuencia un torque excesivo en las cabillas y calentamiento (y posible destruccioacuten) del Elastoacutemero Se debe destacar que un hinchamiento del 3 al 5 puede ser manejado con rotores de menor diaacutemetro y que algunos fabricantes inclusive garantizan algunos de sus materiales para hinchamientos mayores no obstante se debe tener presente que estos elastoacutemeros pudieran ser utilizados siempre y cuando las propiedades mecaacutenicas de los mismos no se vean afectadas mas allaacute de los liacutemites permisibles El Endurecimiento afecta negativamente a la resiliencia y como consecuencia la eficiencia de la bomba El Reblandecimiento deteriora la hermeticidad entre las cavidades y por ende la eficiencia de la bomba Cada Fabricante posee sus propios desarrollos y por lo general utilizan nomenclaturas propias no obstante las bases son Nitriacutelos bases Hidrogenadas o Fluoelastoacutemeros Esta diversidad permite manejar la mayor parte de las condiciones encontradas en los pozos de petroacuteleo y agua El Rotor El rotor estaacute fabricado con acero de alta resistencia mecanizado con precisioacuten y recubierto con una capa de material altamente resistente a la abrasioacuten Se conecta a la sarta de cabillas (bombas tipo Tubular) las cuales le transmiten el movimiento de rotacioacuten desde la superficie (accionamiento o impulsor) Un Rotor se fabrica a partir de una barra ciliacutendrica de acero en un torno especial Luego de ser mecanizado se recubre con una capa de un material duro Generalmente se trata de un recubrimiento con un proceso electro quiacutemico de cromado Mientras que los Estatores de un mismo modelo de bomba fabricados con el mismo Elastoacutemero son todos ideacutenticos los rotores se mecanizan con varios diaacutemetros y se recubren de varios espesores de cromado Las variaciones de estos dos paraacutemetros diaacutemetro y espesor son los que permiten un ajuste fino de la interferencia La figura Ndeg 10 se muestra una seccioacuten de Rotor

Caracteriacutesticas operativas de las BCP Las caracteriacutesticas principales de las bombas de cavidades progresivas son su caudal (desplazamiento volumeacutetrico) y su altura de descarga (head) Caudal o desplazamiento Es el volumen de fluido que la bomba puede desplazar en determinado lapso de tiempo Para estos equipos se expresa generalmente en unidades de barriles de fluido por diacutea o metros cuacutebicos por diacutea a

determinadas condiciones de velocidad (rpm) y head La mayoriacutea de los fabricantes refieren las capacidades de sus bombas en bd (o m3d) a 500 rpm y 0 head algunos otros refieren la capacidad de sus equipos a 100 rpm y 0 head En forma unitaria el desplazamiento es el volumen generado por la bomba a cero altura por una revolucioacuten completa del rotor Uno de los criterios es que por una vuelta de rotor el fluido avanza una distancia igual al paso de la bomba o lo que es lo mismo la longitud de una cavidad (la definicioacuten del paso de la bomba varia de un fabricante a otro) El eje del estator y del Rotor no son conceacutentricos las distancia perpendicular entre ambos ejes paralelos (una vez que el rotor se encuentre dentro del estator) se conoce como excentricidad de la bomba La Figura Ndeg 21 muestra este concepto Considerando que el aacuterea del fluido en una seccioacuten de la bomba es igual a 4DE (4 veces el diaacutemetro por la excentricidad) el volumen de una cavidad seriacutea 4DEP (el aacuterea de la seccioacuten por el paso de la bomba) Ejemplo para una bomba de 35 cms de diaacutemetro 08 cms de excentricidad y un paso de 30 cms el volumen por una revolucioacuten seriacutea 4(35)(08)(30) = 336 cms3 es decir 2113 x 10-6 bls

Altura de descarga (head) La altura de descarga o head de la bomba es la capacidad de la misma para vencer la presioacuten hidrostaacutetica y transportar los fluidos hasta las instalaciones de superficie El head se puede expresar de dos maneras como presioacuten propiamente dicha (lpc bars etc) o como altura de fluido (mts pies etc) El head es funcioacuten directa del nuacutemero de etapas de la bomba Una etapa se puede considerar como la longitud miacutenima que debe tener una bomba para generar la accioacuten de bombeo la longitud de una etapa es igual a la longitud de una cavidad Cada etapa genera una presioacuten diferencial en sus extremos entre una cavidad y la siguiente de modo que la presioacuten diferencial se incrementa de una etapa a la siguiente dentro de la bomba por esta razoacuten la presioacuten (o altura) de descarga es proporcional al nuacutemero de etapa La presioacuten de descarga de una etapa varia de 70 a 100 lpc seguacuten los modelos de bombas y fabricantes por ejemplo una bomba modelo 1840-1500 estaacute disentildeada para 1800 lpc de presioacuten de descarga (la cifra al comienzo del modelo esto es ldquo18rdquo significa que la bomba es de 18 etapas Para el caacutelculo de la presioacuten diferencial en la bomba se debe conocer la presioacuten de entrada y salida de la misma ambas deben ser calculas a las condiciones de produccioacuten maacutexima esperada del pozo (no confundir con Qmax para Ps = 0) la diferencia entre la presioacuten de descarga y la presioacuten de entrada a la bomba y la tasa de fluidos esperada son las variables a utilizar para la preseleccioacuten de la misma

Si en lugar de presioacuten los caacutelculos se realizan en unidades de altura (metros o pies) se hablariacutea entonces de head Es importante destacar la diferencia entre altura de la bomba y profundidad de asentamiento de la misma una bomba con altura de 4000 pies instalada en un pozo de crudo muy viscoso con presioacuten de cabezal de 1500 lpc y profundidad de bomba de 2000 pies es decir un 50 de la altura de la bomba podriacutea estar operando a mas del 100 de la capacidad de la misma

Factores que afectan el desempentildeo de la bomba Los factores que tienen mas efecto sobre la eficiencia volumeacutetrica o desempentildeo de la bomba son la velocidad de operacioacuten y la altura (head) requerida Por otra parte una caracteriacutestica que intriacutensecamente estaacute asociada a la eficiencia de la bomba en cuanto a su desplazamiento y a su capacidad para transportar los fluidos hasta la superficie es el grado de ajuste o ldquoaprieterdquo entre el elastoacutemero y el rotor esto se conoce como interferencia La interferencia en una bomba de cavidades progresivas se define como la diferencia entre el diaacutemetro del rotor y el diaacutemetro menor de la cavidad del estator esta garantiza que exista el sello entre las cavidades que permite la accioacuten de bombeo Cuando la bomba es sometida a una diferencia de presioacuten entre su succioacuten y su descarga el fluido trata de romper este sello para regresar a las cavidades anteriores lo cual se conoce como escurrimiento (o resbalamiento) Si la interferencia es muy pequentildea el sello se rompe faacutecilmente lo cual produce un escurrimiento excesivo y una baja eficiencia volumeacutetrica El escurrimiento a su vez es funcioacuten de la interferencia de la bomba a condiciones de operacioacuten del diferencial de presioacuten en la bomba y de la viscosidad del fluido La Figura Ndeg 23 muestra la relacioacuten entre head y resbalamiento para tres bombas de igual capacidad volumeacutetrica pero de diferentes alturas Noacutetese (para una misma bomba) que a medida que se incrementa el head el resbalamiento es mayor Tambieacuten se puede concluir de este graacutefico que entre mayor altura tenga la bomba el escurrimiento es menor

Finalmente cabe destacar que una baja interferencia originariacutea un alto escurrimiento pero una interferencia de operacioacuten excesiva produciraacute un torque de friccioacuten muy alto que podriacutea conducir eventualmente a la destruccioacuten del estator (elastoacutemero) A su vez existen factores que inciden directamente sobre la interferencia entre los cuales destacan la temperatura de operacioacuten las caracteriacutesticas de los fluidos del pozo y la presioacuten interna en la bomba Temperatura de Operacioacuten- La temperatura origina una expansioacuten teacutermica del elastoacutemero y una expansioacuten menos notable en el rotor metaacutelico lo cual incide directamente en la interferencia y por ende en la eficiencia de la bomba Fluidos del pozo- Incluso en el caso de hacer una adecuada seleccioacuten del elastoacutemero considerando su compatibilidad (o incompatibilidad) con los fluidos del pozo esto no significa que no se produzca Hinchamiento del elastoacutemero por ataque quiacutemico este hinchamiento incrementa la interferencia de la bomba la cual pudiera llegar a ser excesiva (interferencia menores al 3 son aceptables)Aunque no es posible corregir el hinchamiento del elastoacutemero una vez que el mismo tenga lugar se cuenta con la flexibilidad de utilizar un rotores de diaacutemetro transversal mas reducido (subdimensionados o undersize) y de esta manera reducir la interferencia Otra caracteriacutestica de los fluidos que se relaciona con la interferencia (aunque no la afecta directamente) es la viscosidad La viscosidad estaacute asociada realmente con el escurrimiento ambas son inversamente proporcionales Para fluidos muy viscosos se pueden utilizar menores interferencias Presioacuten interna en la bomba- La presioacuten en la bomba tiende a comprimir el elastoacutemero deformando las cavidades aumentando el tamantildeo de la mismas disminuyendo asiacute la interferencia Este efecto se conoce en la literatura como ldquoCompression Setrdquo

Nomenclatura de las BCP seguacuten los fabricantes En general los fabricantes han desarrollado nomenclaturas que reflejan la capacidad hidraacuteulica de las bombas presentando por ejemplo el caudal teoacuterico (desplazamiento volumeacutetrico) para 500 (oacute 100) RPM y la altura hidraacuteulica (o Head) maacuteximo de operacioacuten A continuacioacuten se presenta la nomenclatura de las bombas de cavidades progresivas de subsuelo para distintos fabricantes

Notas (1) Las bombas CTR seraacuten discutidas maacutes adelante (2) Es posible que estas bombas actualmente presenten nomenclatura diferente o esteacuten descontinuadas Noacutetese que cada fabricante utiliza su propia nomenclatura debido a esto se formoacute un grupo internacional formado principalmente por fabricantes de BCP quienes trabajaron en la elaboracioacuten de las normas ISO WD 15136 que entre

otras cosas trataron de homologar las especificaciones para las BCP de subsuelo Algunos fabricantes incluye en sus cataacutelogos la nomenclatura homologada

Seleccioacuten de los Equipos (disentildeo) Antes de comenzar a disentildear un meacutetodo de produccioacuten es de suma importancia contar con todos los datos necesarios para ello y los mismos deben de ser del todo confiables a fin de garantizar el disentildeo adecuado en este punto hay que destacar que no existe una solucioacuten (o disentildeo uacutenico) y que la misma depende de diversos factores teacutecnico econoacutemicos incluyendo las poliacuteticas de explotacioacuten del yacimiento Existe una diversidad de ecuaciones tablas nomogramas etc para el disentildeo o seleccioacuten de los equipos no obstante muchos de estos recursos fueron elaborados bajo determinadas suposiciones las cuales no siempre reflejan la realidad del campo En algunas oportunidades se cuenta con factores de ajuste para corregir los resultados obtenidos de las graacuteficas no obstante los mismos arrojan resultados aproximados y en algunas oportunidades dichos factores no se han desarrollado Ejemplo de lo anteriormente expuesto lo representan las curvas de capacidad de las bombas las cuales fueron disentildeadas para fluidos de muy baja viscosidad (agua) consideran fluidos monofaacutesicos (desprecian el gas a manejar por la bomba) los nomogramas para el caacutelculo de la carga axial en los cabezales no consideran el efecto de los diaacutemetros de las cabillas en la presioacuten ejercida sobre el rotor de la bomba y por ende en la carga axial a soportar por el cabezal igualmente no se considera geometriacutea del pozo para predecir los puntos de contacto de las cabillas con la tuberiacutea de produccioacuten etc Un disentildeo manual puede ser desarrollado como una aproximacioacuten y solo debe ser realizado de esta manera luego de tener un conocimiento completo de todos los factores o variables que intervienen en la dinaacutemica del sistema pozo-completacioacuten y contar con estadiacutesticas del desempentildeo de los equipos correctamente disentildeados e instalados en el campo auacuten asiacute bajo determinadas condiciones tales como alta relacioacuten gas liquido crudos muy viscosos pozos de alto caudal profundidades considerables de asentamiento de bomba pozos desviados u horizontales etc repercuten en comportamientos complejos desde el punto de vista hidraacuteulico y mecaacutenico ademaacutes imposibilitan realizar diversas sensibilidades en tiempos razonables sobre todo considerando el gran dinamismo de las operaciones petrolerasara solventar lo anteriormente expuesto se han desarrollado numerosos programas comerciales de computo (software) los cuales incluyen sofisticados y complejos algoritmos de calculo para predecir comportamientos multifaacutesicos mecaacutenicos e hidraacuteulicos en el pozo

En los siguientes puntos se expondraacute un conjunto de observaciones a tener en mente a la hora de realizar el disentildeo de un sistema de bombeo por cavidades progresivas para finalmente presentar un ejemplo no sin antes insistir en la necesidad de utilizar los programas disponibles con la finalidad de obtener resultados precisos Para la utilizacioacuten de estos programas se hace necesario conocer los datos del yacimiento caracteriacutesticas de los fluidos datos mecaacutenicos del pozo y datos de superficie Para la adecuada seleccioacuten de los componentes de subsuelo se hace necesario tener presente las presentes recomendaciones Seleccioacuten y profundidad de la bomba Para la seleccioacuten de la bomba se hace necesario conocer el comportamiento de afluencia del pozo para lo cual es necesario contar con las presiones estaacuteticas y fluyentes (o niveles estaacuteticos y dinaacutemicos) la respuesta de produccioacuten en concordancia con la(s) presioacuten(es) fluyente(s) la presioacuten de burbujeo etc Una vez construida la IPR del pozo se debe considerar que la tasa maacutexima para Ps = 0 es una medida de la capacidad del pozo sin embargo en la praacutectica la mayor tasa que podriacutea obtenerse depende de la profundidad de asentamiento de la bomba y la sumergencia Tambieacuten es posible tomar la profundidad de asentamiento de la bomba (PB) como datum referir las presiones a esta magnitud y construir ldquola IPR a profundidad de la bombardquo Es necesario calcular la tasa de gas libre (en barriles diarios) y la tasa de agua ambos a la profundidad de la bomba (PB) El caudal total a manejar por la bomba seraacute la suma de las tres tasas petroacuteleo agua y gas Con las ecuaciones presentada en el punto 7 de este documento se puede estimar el diferencial de presioacuten en la bomba o el head Conociendo estas variables y utilizando las curvas tipo de las bombas (suministradas por los fabricantes) se puede determinar la velocidad de operacioacuten y los requerimientos de potencia en el eje de impulsioacuten Posteriormente se determina la necesidad de utilizar anclas de gas los grados y diaacutemetros de las cabillas y de la tuberiacutea de produccioacuten y finalmente los equipos de superficie el cabezal de rotacioacuten y el accionamiento electro-mecaacutenico A manera de ejemplo considere el siguiente ejercicio

Torque requerido por el sistema y diaacutemetro de la sarta de cabillas El torque del sistema estaacute compuesto de dos elementos El Torque hidraacuteulico el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es funcioacuten del desplazamiento de la bomba y de la altura hidraacuteulica Y el Torque debido a la friccioacuten de la sarta de cabillas girando en el fluido este es funcioacuten de la velocidad de rotacioacuten el diaacutemetro y longitud de la sarta de cabillas (profundidad de la bomba) el aacuterea del espacio anular entre las cabillas y la tuberiacutea de produccioacuten En el caso de fluidos de baja viscosidad el Torque por friccioacuten es despreciable y por lo tanto el torque total es igual al torque hidraacuteulico y el mismo es independiente de la velocidad de rotacioacuten Ejemplo de baja viscosidad son los pozos que producen con altos cortes de agua o de gravedades API elevadas (crudos livianos) En estos casos se puede utilizar el graacutefico de la siguiente pagina con base a este se obtiene que diaacutemetro miacutenimo de cabillas a utilizar en nuestro ejemplo es de 34 pulg Observe que este graacutefico solo aplica para cabillas grado ldquoDrdquo y para fluidos de baja viscosidad es decir que el diferencial de presioacuten en la tuberiacutea de produccioacuten sea despreciable (se debe recordar que en este ejemplo este diferencial es de 240 lpc) Aquiacute se presenta uno de los problemas mencionados inicialmente sobre la aplicabilidad de los nomogramas adicionalmente si las cabillas son re-utilizadas se tendriacutea que recurrir a factores de seguridad pocas veces impliacutecito en los nomogramas Finalmente se debe comentar que si la viscosidad es elevada el torque por friccioacuten deja de ser despreciable y en casos extremos puede llegar a constituir un componente importante inclusive criacutetico del torque En estos casos las formulas para calcular el esfuerzo en las cabillas son muy complejas y no es posible resolver el problema graacuteficamente tenieacutendose que recurrir a programas de computacioacuten Con el propoacutesito de continuar nuestro ejemplo considerando el head calculado de 1372 mts

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

poder seleccionar e instalar el conjunto adecuado Favor dedicar un momento en detallar los elementos que se presentan en las siguientes figuras las cuales muestran esquemaacuteticamente un pozo y su completacioacuten mecaacutenica y de produccioacuten

Antes de arrancar la bomba en un pozo que no fluye (Figura Ndeg 4) el fluido se estabiliza en un nivel tal que la presioacuten ejercida por la columna de fluido a la profundidad del yacimiento mas la presioacuten en Tuberiacutea de Revestimiento (CHP) es igual a la presioacuten del yacimiento (suponiendo que el pozo no esteacute instalado con una empacadura) El nivel de fluido que equilibra exactamente la presioacuten de yacimiento cuando estaacute abierto el espacio anular (CHP = 0) se llama Nivel Estaacutetico (NE) y se mide desde superficie Este es el nivel mas alto (mas cercano a la superficie) alcanzado por el fluido en el pozo La presioacuten ejercida por esta columna de fluido al nivel del yacimiento se le llama Presioacuten Estaacutetica (Ps) Al arrancar la bomba (Figura Ndeg 5) sube el nivel en la tuberiacutea de produccioacuten hasta la superficie y baja el nivel en el espacio anular (principios de vasos comunicantes) Al disminuir el nivel en el espacio anular disminuye la presioacuten de fondo lo que genera una afluencia de fluido desde el yacimiento el pozo comienza entonces a producir Cuanto maacutes baja el nivel de fluido en el espacio anular mas aumenta la afluencia del fluido El nivel se estabiliza cuando la produccioacuten del yacimiento es igual al caudal de la bomba En este caso la presioacuten hidrostaacutetica mas la presioacuten en el revestidor (CHP) equilibran la Presioacuten Fluyente de fondo (Pwf) El nivel de fluido que equilibra la presioacuten fluyente de fondo cuando estaacute abierto el espacio anular se llama nivel dinaacutemico (ND) En el Anexo Ndeg 3 se presenta un trabajo sobre la estimacioacuten de presiones fluyentes de fondo a partir de medicioacuten de niveles por medios acuacutesticos Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera

Noacutetese en esta figura que para Pwf = 0 se obtendriacutea la tasa maacutexima de produccioacuten del pozo de igual manera para una tasa de cero produccioacuten la presioacuten de fondo seriacutea igual a la presioacuten estaacutetica del yacimiento Esta relacioacuten de proporcionalidad es vaacutelida siempre y cuando la Pwf sea mayor a la Presioacuten de Burbujeo (esta es la presioacuten en la cual el gas disuelto comienza a liberarse pasando a gas libre) Para este caso el iacutendice de productividad seraacute igual al inverso de la pendiente de la liacutenea recta

IP = 1pendiente = Tang o = Q draw-down

En muchos pozos que producen por alguacuten meacutetodo de levantamiento artificial por lo general la presioacuten de fondo fluyente ha disminuido por debajo de la magnitud de la Presioacuten de Burbujeo de manera que el fluido es multifaacutesico con una fase gaseosa la cual afecta la produccioacuten y la relacioacuten matemaacutetica expuesta anteriormente Gilbert fue el primero en observar el efecto el desarrolloacute un meacutetodo de anaacutelisis de pozos utilizando un Indice de Productividad variable y llamoacute la relacioacuten entre la caiacuteda en la presioacuten de fondo y la tasa de flujo como Inflow Performance Relationship (Indice de comportamiento de Afluencia) conocida en forma abreviada como IPR Muskat presentoacute modelos teoacutericos mostrando que para dos fases (liacutequido y gas) la IPR es curva y no una liacutenea recta tal y como se observa en la figura siguiente

El Elastoacutemero El Elastoacutemero constituye el elemento mas ldquodelicadordquo de la Bomba de Cavidades Progresivas y de su adecuada seleccioacuten depende en una gran medida el eacutexito o fracaso de esta aplicacioacuten El Elastoacutemero reviste internamente al Estator y en si es un Poliacutemero de alto peso molecular con la propiedad de deformarse y recuperarse elaacutesticamente esta propiedad se conoce como resiliencia o memoria y es la que hace posible que se produzca la interferencia entre el Rotor y el Estator la cual determina la hermeticidad entre cavidades contiguas y en consecuencia la eficiencia de la bomba (bombeo) Los Elastoacutemero deben presentar resistencia quiacutemica para manejar los fluidos producidos y excelentes propiedades mecaacutenicas para resistir los esfuerzos y la abrasioacuten Los Elastoacutemeros maacutes utilizados en la aplicacioacuten BCP poseen base Nitriacutelica (convencionales) Hidrogenacioacuten Cataliacutetica (Elastoacutemeros Hidrogenados) o Fluoelastoacutemeros Caracteriacutesticas deseables en los Elastoacutemeros 1048766 Buena resistencia quiacutemica a los fluidos a transportar 1048766 Buena resistencia teacutermica 1048766 Capacidad de recuperacioacuten elaacutestica 1048766 Adecuadas propiedades mecaacutenicas especialmente resistencia a la fatiga Los cambios maacutes comunes en las propiedades mecaacutenicas de los Elastoacutemeros son el Hinchamiento el Endurecimiento y el Reblandecimiento El Hinchamiento origina una excesiva interferencia y como consecuencia un torque excesivo en las cabillas y calentamiento (y posible destruccioacuten) del Elastoacutemero Se debe destacar que un hinchamiento del 3 al 5 puede ser manejado con rotores de menor diaacutemetro y que algunos fabricantes inclusive garantizan algunos de sus materiales para hinchamientos mayores no obstante se debe tener presente que estos elastoacutemeros pudieran ser utilizados siempre y cuando las propiedades mecaacutenicas de los mismos no se vean afectadas mas allaacute de los liacutemites permisibles El Endurecimiento afecta negativamente a la resiliencia y como consecuencia la eficiencia de la bomba El Reblandecimiento deteriora la hermeticidad entre las cavidades y por ende la eficiencia de la bomba Cada Fabricante posee sus propios desarrollos y por lo general utilizan nomenclaturas propias no obstante las bases son Nitriacutelos bases Hidrogenadas o Fluoelastoacutemeros Esta diversidad permite manejar la mayor parte de las condiciones encontradas en los pozos de petroacuteleo y agua El Rotor El rotor estaacute fabricado con acero de alta resistencia mecanizado con precisioacuten y recubierto con una capa de material altamente resistente a la abrasioacuten Se conecta a la sarta de cabillas (bombas tipo Tubular) las cuales le transmiten el movimiento de rotacioacuten desde la superficie (accionamiento o impulsor) Un Rotor se fabrica a partir de una barra ciliacutendrica de acero en un torno especial Luego de ser mecanizado se recubre con una capa de un material duro Generalmente se trata de un recubrimiento con un proceso electro quiacutemico de cromado Mientras que los Estatores de un mismo modelo de bomba fabricados con el mismo Elastoacutemero son todos ideacutenticos los rotores se mecanizan con varios diaacutemetros y se recubren de varios espesores de cromado Las variaciones de estos dos paraacutemetros diaacutemetro y espesor son los que permiten un ajuste fino de la interferencia La figura Ndeg 10 se muestra una seccioacuten de Rotor

Caracteriacutesticas operativas de las BCP Las caracteriacutesticas principales de las bombas de cavidades progresivas son su caudal (desplazamiento volumeacutetrico) y su altura de descarga (head) Caudal o desplazamiento Es el volumen de fluido que la bomba puede desplazar en determinado lapso de tiempo Para estos equipos se expresa generalmente en unidades de barriles de fluido por diacutea o metros cuacutebicos por diacutea a

determinadas condiciones de velocidad (rpm) y head La mayoriacutea de los fabricantes refieren las capacidades de sus bombas en bd (o m3d) a 500 rpm y 0 head algunos otros refieren la capacidad de sus equipos a 100 rpm y 0 head En forma unitaria el desplazamiento es el volumen generado por la bomba a cero altura por una revolucioacuten completa del rotor Uno de los criterios es que por una vuelta de rotor el fluido avanza una distancia igual al paso de la bomba o lo que es lo mismo la longitud de una cavidad (la definicioacuten del paso de la bomba varia de un fabricante a otro) El eje del estator y del Rotor no son conceacutentricos las distancia perpendicular entre ambos ejes paralelos (una vez que el rotor se encuentre dentro del estator) se conoce como excentricidad de la bomba La Figura Ndeg 21 muestra este concepto Considerando que el aacuterea del fluido en una seccioacuten de la bomba es igual a 4DE (4 veces el diaacutemetro por la excentricidad) el volumen de una cavidad seriacutea 4DEP (el aacuterea de la seccioacuten por el paso de la bomba) Ejemplo para una bomba de 35 cms de diaacutemetro 08 cms de excentricidad y un paso de 30 cms el volumen por una revolucioacuten seriacutea 4(35)(08)(30) = 336 cms3 es decir 2113 x 10-6 bls

Altura de descarga (head) La altura de descarga o head de la bomba es la capacidad de la misma para vencer la presioacuten hidrostaacutetica y transportar los fluidos hasta las instalaciones de superficie El head se puede expresar de dos maneras como presioacuten propiamente dicha (lpc bars etc) o como altura de fluido (mts pies etc) El head es funcioacuten directa del nuacutemero de etapas de la bomba Una etapa se puede considerar como la longitud miacutenima que debe tener una bomba para generar la accioacuten de bombeo la longitud de una etapa es igual a la longitud de una cavidad Cada etapa genera una presioacuten diferencial en sus extremos entre una cavidad y la siguiente de modo que la presioacuten diferencial se incrementa de una etapa a la siguiente dentro de la bomba por esta razoacuten la presioacuten (o altura) de descarga es proporcional al nuacutemero de etapa La presioacuten de descarga de una etapa varia de 70 a 100 lpc seguacuten los modelos de bombas y fabricantes por ejemplo una bomba modelo 1840-1500 estaacute disentildeada para 1800 lpc de presioacuten de descarga (la cifra al comienzo del modelo esto es ldquo18rdquo significa que la bomba es de 18 etapas Para el caacutelculo de la presioacuten diferencial en la bomba se debe conocer la presioacuten de entrada y salida de la misma ambas deben ser calculas a las condiciones de produccioacuten maacutexima esperada del pozo (no confundir con Qmax para Ps = 0) la diferencia entre la presioacuten de descarga y la presioacuten de entrada a la bomba y la tasa de fluidos esperada son las variables a utilizar para la preseleccioacuten de la misma

Si en lugar de presioacuten los caacutelculos se realizan en unidades de altura (metros o pies) se hablariacutea entonces de head Es importante destacar la diferencia entre altura de la bomba y profundidad de asentamiento de la misma una bomba con altura de 4000 pies instalada en un pozo de crudo muy viscoso con presioacuten de cabezal de 1500 lpc y profundidad de bomba de 2000 pies es decir un 50 de la altura de la bomba podriacutea estar operando a mas del 100 de la capacidad de la misma

Factores que afectan el desempentildeo de la bomba Los factores que tienen mas efecto sobre la eficiencia volumeacutetrica o desempentildeo de la bomba son la velocidad de operacioacuten y la altura (head) requerida Por otra parte una caracteriacutestica que intriacutensecamente estaacute asociada a la eficiencia de la bomba en cuanto a su desplazamiento y a su capacidad para transportar los fluidos hasta la superficie es el grado de ajuste o ldquoaprieterdquo entre el elastoacutemero y el rotor esto se conoce como interferencia La interferencia en una bomba de cavidades progresivas se define como la diferencia entre el diaacutemetro del rotor y el diaacutemetro menor de la cavidad del estator esta garantiza que exista el sello entre las cavidades que permite la accioacuten de bombeo Cuando la bomba es sometida a una diferencia de presioacuten entre su succioacuten y su descarga el fluido trata de romper este sello para regresar a las cavidades anteriores lo cual se conoce como escurrimiento (o resbalamiento) Si la interferencia es muy pequentildea el sello se rompe faacutecilmente lo cual produce un escurrimiento excesivo y una baja eficiencia volumeacutetrica El escurrimiento a su vez es funcioacuten de la interferencia de la bomba a condiciones de operacioacuten del diferencial de presioacuten en la bomba y de la viscosidad del fluido La Figura Ndeg 23 muestra la relacioacuten entre head y resbalamiento para tres bombas de igual capacidad volumeacutetrica pero de diferentes alturas Noacutetese (para una misma bomba) que a medida que se incrementa el head el resbalamiento es mayor Tambieacuten se puede concluir de este graacutefico que entre mayor altura tenga la bomba el escurrimiento es menor

Finalmente cabe destacar que una baja interferencia originariacutea un alto escurrimiento pero una interferencia de operacioacuten excesiva produciraacute un torque de friccioacuten muy alto que podriacutea conducir eventualmente a la destruccioacuten del estator (elastoacutemero) A su vez existen factores que inciden directamente sobre la interferencia entre los cuales destacan la temperatura de operacioacuten las caracteriacutesticas de los fluidos del pozo y la presioacuten interna en la bomba Temperatura de Operacioacuten- La temperatura origina una expansioacuten teacutermica del elastoacutemero y una expansioacuten menos notable en el rotor metaacutelico lo cual incide directamente en la interferencia y por ende en la eficiencia de la bomba Fluidos del pozo- Incluso en el caso de hacer una adecuada seleccioacuten del elastoacutemero considerando su compatibilidad (o incompatibilidad) con los fluidos del pozo esto no significa que no se produzca Hinchamiento del elastoacutemero por ataque quiacutemico este hinchamiento incrementa la interferencia de la bomba la cual pudiera llegar a ser excesiva (interferencia menores al 3 son aceptables)Aunque no es posible corregir el hinchamiento del elastoacutemero una vez que el mismo tenga lugar se cuenta con la flexibilidad de utilizar un rotores de diaacutemetro transversal mas reducido (subdimensionados o undersize) y de esta manera reducir la interferencia Otra caracteriacutestica de los fluidos que se relaciona con la interferencia (aunque no la afecta directamente) es la viscosidad La viscosidad estaacute asociada realmente con el escurrimiento ambas son inversamente proporcionales Para fluidos muy viscosos se pueden utilizar menores interferencias Presioacuten interna en la bomba- La presioacuten en la bomba tiende a comprimir el elastoacutemero deformando las cavidades aumentando el tamantildeo de la mismas disminuyendo asiacute la interferencia Este efecto se conoce en la literatura como ldquoCompression Setrdquo

Nomenclatura de las BCP seguacuten los fabricantes En general los fabricantes han desarrollado nomenclaturas que reflejan la capacidad hidraacuteulica de las bombas presentando por ejemplo el caudal teoacuterico (desplazamiento volumeacutetrico) para 500 (oacute 100) RPM y la altura hidraacuteulica (o Head) maacuteximo de operacioacuten A continuacioacuten se presenta la nomenclatura de las bombas de cavidades progresivas de subsuelo para distintos fabricantes

Notas (1) Las bombas CTR seraacuten discutidas maacutes adelante (2) Es posible que estas bombas actualmente presenten nomenclatura diferente o esteacuten descontinuadas Noacutetese que cada fabricante utiliza su propia nomenclatura debido a esto se formoacute un grupo internacional formado principalmente por fabricantes de BCP quienes trabajaron en la elaboracioacuten de las normas ISO WD 15136 que entre

otras cosas trataron de homologar las especificaciones para las BCP de subsuelo Algunos fabricantes incluye en sus cataacutelogos la nomenclatura homologada

Seleccioacuten de los Equipos (disentildeo) Antes de comenzar a disentildear un meacutetodo de produccioacuten es de suma importancia contar con todos los datos necesarios para ello y los mismos deben de ser del todo confiables a fin de garantizar el disentildeo adecuado en este punto hay que destacar que no existe una solucioacuten (o disentildeo uacutenico) y que la misma depende de diversos factores teacutecnico econoacutemicos incluyendo las poliacuteticas de explotacioacuten del yacimiento Existe una diversidad de ecuaciones tablas nomogramas etc para el disentildeo o seleccioacuten de los equipos no obstante muchos de estos recursos fueron elaborados bajo determinadas suposiciones las cuales no siempre reflejan la realidad del campo En algunas oportunidades se cuenta con factores de ajuste para corregir los resultados obtenidos de las graacuteficas no obstante los mismos arrojan resultados aproximados y en algunas oportunidades dichos factores no se han desarrollado Ejemplo de lo anteriormente expuesto lo representan las curvas de capacidad de las bombas las cuales fueron disentildeadas para fluidos de muy baja viscosidad (agua) consideran fluidos monofaacutesicos (desprecian el gas a manejar por la bomba) los nomogramas para el caacutelculo de la carga axial en los cabezales no consideran el efecto de los diaacutemetros de las cabillas en la presioacuten ejercida sobre el rotor de la bomba y por ende en la carga axial a soportar por el cabezal igualmente no se considera geometriacutea del pozo para predecir los puntos de contacto de las cabillas con la tuberiacutea de produccioacuten etc Un disentildeo manual puede ser desarrollado como una aproximacioacuten y solo debe ser realizado de esta manera luego de tener un conocimiento completo de todos los factores o variables que intervienen en la dinaacutemica del sistema pozo-completacioacuten y contar con estadiacutesticas del desempentildeo de los equipos correctamente disentildeados e instalados en el campo auacuten asiacute bajo determinadas condiciones tales como alta relacioacuten gas liquido crudos muy viscosos pozos de alto caudal profundidades considerables de asentamiento de bomba pozos desviados u horizontales etc repercuten en comportamientos complejos desde el punto de vista hidraacuteulico y mecaacutenico ademaacutes imposibilitan realizar diversas sensibilidades en tiempos razonables sobre todo considerando el gran dinamismo de las operaciones petrolerasara solventar lo anteriormente expuesto se han desarrollado numerosos programas comerciales de computo (software) los cuales incluyen sofisticados y complejos algoritmos de calculo para predecir comportamientos multifaacutesicos mecaacutenicos e hidraacuteulicos en el pozo

En los siguientes puntos se expondraacute un conjunto de observaciones a tener en mente a la hora de realizar el disentildeo de un sistema de bombeo por cavidades progresivas para finalmente presentar un ejemplo no sin antes insistir en la necesidad de utilizar los programas disponibles con la finalidad de obtener resultados precisos Para la utilizacioacuten de estos programas se hace necesario conocer los datos del yacimiento caracteriacutesticas de los fluidos datos mecaacutenicos del pozo y datos de superficie Para la adecuada seleccioacuten de los componentes de subsuelo se hace necesario tener presente las presentes recomendaciones Seleccioacuten y profundidad de la bomba Para la seleccioacuten de la bomba se hace necesario conocer el comportamiento de afluencia del pozo para lo cual es necesario contar con las presiones estaacuteticas y fluyentes (o niveles estaacuteticos y dinaacutemicos) la respuesta de produccioacuten en concordancia con la(s) presioacuten(es) fluyente(s) la presioacuten de burbujeo etc Una vez construida la IPR del pozo se debe considerar que la tasa maacutexima para Ps = 0 es una medida de la capacidad del pozo sin embargo en la praacutectica la mayor tasa que podriacutea obtenerse depende de la profundidad de asentamiento de la bomba y la sumergencia Tambieacuten es posible tomar la profundidad de asentamiento de la bomba (PB) como datum referir las presiones a esta magnitud y construir ldquola IPR a profundidad de la bombardquo Es necesario calcular la tasa de gas libre (en barriles diarios) y la tasa de agua ambos a la profundidad de la bomba (PB) El caudal total a manejar por la bomba seraacute la suma de las tres tasas petroacuteleo agua y gas Con las ecuaciones presentada en el punto 7 de este documento se puede estimar el diferencial de presioacuten en la bomba o el head Conociendo estas variables y utilizando las curvas tipo de las bombas (suministradas por los fabricantes) se puede determinar la velocidad de operacioacuten y los requerimientos de potencia en el eje de impulsioacuten Posteriormente se determina la necesidad de utilizar anclas de gas los grados y diaacutemetros de las cabillas y de la tuberiacutea de produccioacuten y finalmente los equipos de superficie el cabezal de rotacioacuten y el accionamiento electro-mecaacutenico A manera de ejemplo considere el siguiente ejercicio

Torque requerido por el sistema y diaacutemetro de la sarta de cabillas El torque del sistema estaacute compuesto de dos elementos El Torque hidraacuteulico el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es funcioacuten del desplazamiento de la bomba y de la altura hidraacuteulica Y el Torque debido a la friccioacuten de la sarta de cabillas girando en el fluido este es funcioacuten de la velocidad de rotacioacuten el diaacutemetro y longitud de la sarta de cabillas (profundidad de la bomba) el aacuterea del espacio anular entre las cabillas y la tuberiacutea de produccioacuten En el caso de fluidos de baja viscosidad el Torque por friccioacuten es despreciable y por lo tanto el torque total es igual al torque hidraacuteulico y el mismo es independiente de la velocidad de rotacioacuten Ejemplo de baja viscosidad son los pozos que producen con altos cortes de agua o de gravedades API elevadas (crudos livianos) En estos casos se puede utilizar el graacutefico de la siguiente pagina con base a este se obtiene que diaacutemetro miacutenimo de cabillas a utilizar en nuestro ejemplo es de 34 pulg Observe que este graacutefico solo aplica para cabillas grado ldquoDrdquo y para fluidos de baja viscosidad es decir que el diferencial de presioacuten en la tuberiacutea de produccioacuten sea despreciable (se debe recordar que en este ejemplo este diferencial es de 240 lpc) Aquiacute se presenta uno de los problemas mencionados inicialmente sobre la aplicabilidad de los nomogramas adicionalmente si las cabillas son re-utilizadas se tendriacutea que recurrir a factores de seguridad pocas veces impliacutecito en los nomogramas Finalmente se debe comentar que si la viscosidad es elevada el torque por friccioacuten deja de ser despreciable y en casos extremos puede llegar a constituir un componente importante inclusive criacutetico del torque En estos casos las formulas para calcular el esfuerzo en las cabillas son muy complejas y no es posible resolver el problema graacuteficamente tenieacutendose que recurrir a programas de computacioacuten Con el propoacutesito de continuar nuestro ejemplo considerando el head calculado de 1372 mts

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

Noacutetese en esta figura que para Pwf = 0 se obtendriacutea la tasa maacutexima de produccioacuten del pozo de igual manera para una tasa de cero produccioacuten la presioacuten de fondo seriacutea igual a la presioacuten estaacutetica del yacimiento Esta relacioacuten de proporcionalidad es vaacutelida siempre y cuando la Pwf sea mayor a la Presioacuten de Burbujeo (esta es la presioacuten en la cual el gas disuelto comienza a liberarse pasando a gas libre) Para este caso el iacutendice de productividad seraacute igual al inverso de la pendiente de la liacutenea recta

IP = 1pendiente = Tang o = Q draw-down

En muchos pozos que producen por alguacuten meacutetodo de levantamiento artificial por lo general la presioacuten de fondo fluyente ha disminuido por debajo de la magnitud de la Presioacuten de Burbujeo de manera que el fluido es multifaacutesico con una fase gaseosa la cual afecta la produccioacuten y la relacioacuten matemaacutetica expuesta anteriormente Gilbert fue el primero en observar el efecto el desarrolloacute un meacutetodo de anaacutelisis de pozos utilizando un Indice de Productividad variable y llamoacute la relacioacuten entre la caiacuteda en la presioacuten de fondo y la tasa de flujo como Inflow Performance Relationship (Indice de comportamiento de Afluencia) conocida en forma abreviada como IPR Muskat presentoacute modelos teoacutericos mostrando que para dos fases (liacutequido y gas) la IPR es curva y no una liacutenea recta tal y como se observa en la figura siguiente

El Elastoacutemero El Elastoacutemero constituye el elemento mas ldquodelicadordquo de la Bomba de Cavidades Progresivas y de su adecuada seleccioacuten depende en una gran medida el eacutexito o fracaso de esta aplicacioacuten El Elastoacutemero reviste internamente al Estator y en si es un Poliacutemero de alto peso molecular con la propiedad de deformarse y recuperarse elaacutesticamente esta propiedad se conoce como resiliencia o memoria y es la que hace posible que se produzca la interferencia entre el Rotor y el Estator la cual determina la hermeticidad entre cavidades contiguas y en consecuencia la eficiencia de la bomba (bombeo) Los Elastoacutemero deben presentar resistencia quiacutemica para manejar los fluidos producidos y excelentes propiedades mecaacutenicas para resistir los esfuerzos y la abrasioacuten Los Elastoacutemeros maacutes utilizados en la aplicacioacuten BCP poseen base Nitriacutelica (convencionales) Hidrogenacioacuten Cataliacutetica (Elastoacutemeros Hidrogenados) o Fluoelastoacutemeros Caracteriacutesticas deseables en los Elastoacutemeros 1048766 Buena resistencia quiacutemica a los fluidos a transportar 1048766 Buena resistencia teacutermica 1048766 Capacidad de recuperacioacuten elaacutestica 1048766 Adecuadas propiedades mecaacutenicas especialmente resistencia a la fatiga Los cambios maacutes comunes en las propiedades mecaacutenicas de los Elastoacutemeros son el Hinchamiento el Endurecimiento y el Reblandecimiento El Hinchamiento origina una excesiva interferencia y como consecuencia un torque excesivo en las cabillas y calentamiento (y posible destruccioacuten) del Elastoacutemero Se debe destacar que un hinchamiento del 3 al 5 puede ser manejado con rotores de menor diaacutemetro y que algunos fabricantes inclusive garantizan algunos de sus materiales para hinchamientos mayores no obstante se debe tener presente que estos elastoacutemeros pudieran ser utilizados siempre y cuando las propiedades mecaacutenicas de los mismos no se vean afectadas mas allaacute de los liacutemites permisibles El Endurecimiento afecta negativamente a la resiliencia y como consecuencia la eficiencia de la bomba El Reblandecimiento deteriora la hermeticidad entre las cavidades y por ende la eficiencia de la bomba Cada Fabricante posee sus propios desarrollos y por lo general utilizan nomenclaturas propias no obstante las bases son Nitriacutelos bases Hidrogenadas o Fluoelastoacutemeros Esta diversidad permite manejar la mayor parte de las condiciones encontradas en los pozos de petroacuteleo y agua El Rotor El rotor estaacute fabricado con acero de alta resistencia mecanizado con precisioacuten y recubierto con una capa de material altamente resistente a la abrasioacuten Se conecta a la sarta de cabillas (bombas tipo Tubular) las cuales le transmiten el movimiento de rotacioacuten desde la superficie (accionamiento o impulsor) Un Rotor se fabrica a partir de una barra ciliacutendrica de acero en un torno especial Luego de ser mecanizado se recubre con una capa de un material duro Generalmente se trata de un recubrimiento con un proceso electro quiacutemico de cromado Mientras que los Estatores de un mismo modelo de bomba fabricados con el mismo Elastoacutemero son todos ideacutenticos los rotores se mecanizan con varios diaacutemetros y se recubren de varios espesores de cromado Las variaciones de estos dos paraacutemetros diaacutemetro y espesor son los que permiten un ajuste fino de la interferencia La figura Ndeg 10 se muestra una seccioacuten de Rotor

Caracteriacutesticas operativas de las BCP Las caracteriacutesticas principales de las bombas de cavidades progresivas son su caudal (desplazamiento volumeacutetrico) y su altura de descarga (head) Caudal o desplazamiento Es el volumen de fluido que la bomba puede desplazar en determinado lapso de tiempo Para estos equipos se expresa generalmente en unidades de barriles de fluido por diacutea o metros cuacutebicos por diacutea a

determinadas condiciones de velocidad (rpm) y head La mayoriacutea de los fabricantes refieren las capacidades de sus bombas en bd (o m3d) a 500 rpm y 0 head algunos otros refieren la capacidad de sus equipos a 100 rpm y 0 head En forma unitaria el desplazamiento es el volumen generado por la bomba a cero altura por una revolucioacuten completa del rotor Uno de los criterios es que por una vuelta de rotor el fluido avanza una distancia igual al paso de la bomba o lo que es lo mismo la longitud de una cavidad (la definicioacuten del paso de la bomba varia de un fabricante a otro) El eje del estator y del Rotor no son conceacutentricos las distancia perpendicular entre ambos ejes paralelos (una vez que el rotor se encuentre dentro del estator) se conoce como excentricidad de la bomba La Figura Ndeg 21 muestra este concepto Considerando que el aacuterea del fluido en una seccioacuten de la bomba es igual a 4DE (4 veces el diaacutemetro por la excentricidad) el volumen de una cavidad seriacutea 4DEP (el aacuterea de la seccioacuten por el paso de la bomba) Ejemplo para una bomba de 35 cms de diaacutemetro 08 cms de excentricidad y un paso de 30 cms el volumen por una revolucioacuten seriacutea 4(35)(08)(30) = 336 cms3 es decir 2113 x 10-6 bls

Altura de descarga (head) La altura de descarga o head de la bomba es la capacidad de la misma para vencer la presioacuten hidrostaacutetica y transportar los fluidos hasta las instalaciones de superficie El head se puede expresar de dos maneras como presioacuten propiamente dicha (lpc bars etc) o como altura de fluido (mts pies etc) El head es funcioacuten directa del nuacutemero de etapas de la bomba Una etapa se puede considerar como la longitud miacutenima que debe tener una bomba para generar la accioacuten de bombeo la longitud de una etapa es igual a la longitud de una cavidad Cada etapa genera una presioacuten diferencial en sus extremos entre una cavidad y la siguiente de modo que la presioacuten diferencial se incrementa de una etapa a la siguiente dentro de la bomba por esta razoacuten la presioacuten (o altura) de descarga es proporcional al nuacutemero de etapa La presioacuten de descarga de una etapa varia de 70 a 100 lpc seguacuten los modelos de bombas y fabricantes por ejemplo una bomba modelo 1840-1500 estaacute disentildeada para 1800 lpc de presioacuten de descarga (la cifra al comienzo del modelo esto es ldquo18rdquo significa que la bomba es de 18 etapas Para el caacutelculo de la presioacuten diferencial en la bomba se debe conocer la presioacuten de entrada y salida de la misma ambas deben ser calculas a las condiciones de produccioacuten maacutexima esperada del pozo (no confundir con Qmax para Ps = 0) la diferencia entre la presioacuten de descarga y la presioacuten de entrada a la bomba y la tasa de fluidos esperada son las variables a utilizar para la preseleccioacuten de la misma

Si en lugar de presioacuten los caacutelculos se realizan en unidades de altura (metros o pies) se hablariacutea entonces de head Es importante destacar la diferencia entre altura de la bomba y profundidad de asentamiento de la misma una bomba con altura de 4000 pies instalada en un pozo de crudo muy viscoso con presioacuten de cabezal de 1500 lpc y profundidad de bomba de 2000 pies es decir un 50 de la altura de la bomba podriacutea estar operando a mas del 100 de la capacidad de la misma

Factores que afectan el desempentildeo de la bomba Los factores que tienen mas efecto sobre la eficiencia volumeacutetrica o desempentildeo de la bomba son la velocidad de operacioacuten y la altura (head) requerida Por otra parte una caracteriacutestica que intriacutensecamente estaacute asociada a la eficiencia de la bomba en cuanto a su desplazamiento y a su capacidad para transportar los fluidos hasta la superficie es el grado de ajuste o ldquoaprieterdquo entre el elastoacutemero y el rotor esto se conoce como interferencia La interferencia en una bomba de cavidades progresivas se define como la diferencia entre el diaacutemetro del rotor y el diaacutemetro menor de la cavidad del estator esta garantiza que exista el sello entre las cavidades que permite la accioacuten de bombeo Cuando la bomba es sometida a una diferencia de presioacuten entre su succioacuten y su descarga el fluido trata de romper este sello para regresar a las cavidades anteriores lo cual se conoce como escurrimiento (o resbalamiento) Si la interferencia es muy pequentildea el sello se rompe faacutecilmente lo cual produce un escurrimiento excesivo y una baja eficiencia volumeacutetrica El escurrimiento a su vez es funcioacuten de la interferencia de la bomba a condiciones de operacioacuten del diferencial de presioacuten en la bomba y de la viscosidad del fluido La Figura Ndeg 23 muestra la relacioacuten entre head y resbalamiento para tres bombas de igual capacidad volumeacutetrica pero de diferentes alturas Noacutetese (para una misma bomba) que a medida que se incrementa el head el resbalamiento es mayor Tambieacuten se puede concluir de este graacutefico que entre mayor altura tenga la bomba el escurrimiento es menor

Finalmente cabe destacar que una baja interferencia originariacutea un alto escurrimiento pero una interferencia de operacioacuten excesiva produciraacute un torque de friccioacuten muy alto que podriacutea conducir eventualmente a la destruccioacuten del estator (elastoacutemero) A su vez existen factores que inciden directamente sobre la interferencia entre los cuales destacan la temperatura de operacioacuten las caracteriacutesticas de los fluidos del pozo y la presioacuten interna en la bomba Temperatura de Operacioacuten- La temperatura origina una expansioacuten teacutermica del elastoacutemero y una expansioacuten menos notable en el rotor metaacutelico lo cual incide directamente en la interferencia y por ende en la eficiencia de la bomba Fluidos del pozo- Incluso en el caso de hacer una adecuada seleccioacuten del elastoacutemero considerando su compatibilidad (o incompatibilidad) con los fluidos del pozo esto no significa que no se produzca Hinchamiento del elastoacutemero por ataque quiacutemico este hinchamiento incrementa la interferencia de la bomba la cual pudiera llegar a ser excesiva (interferencia menores al 3 son aceptables)Aunque no es posible corregir el hinchamiento del elastoacutemero una vez que el mismo tenga lugar se cuenta con la flexibilidad de utilizar un rotores de diaacutemetro transversal mas reducido (subdimensionados o undersize) y de esta manera reducir la interferencia Otra caracteriacutestica de los fluidos que se relaciona con la interferencia (aunque no la afecta directamente) es la viscosidad La viscosidad estaacute asociada realmente con el escurrimiento ambas son inversamente proporcionales Para fluidos muy viscosos se pueden utilizar menores interferencias Presioacuten interna en la bomba- La presioacuten en la bomba tiende a comprimir el elastoacutemero deformando las cavidades aumentando el tamantildeo de la mismas disminuyendo asiacute la interferencia Este efecto se conoce en la literatura como ldquoCompression Setrdquo

Nomenclatura de las BCP seguacuten los fabricantes En general los fabricantes han desarrollado nomenclaturas que reflejan la capacidad hidraacuteulica de las bombas presentando por ejemplo el caudal teoacuterico (desplazamiento volumeacutetrico) para 500 (oacute 100) RPM y la altura hidraacuteulica (o Head) maacuteximo de operacioacuten A continuacioacuten se presenta la nomenclatura de las bombas de cavidades progresivas de subsuelo para distintos fabricantes

Notas (1) Las bombas CTR seraacuten discutidas maacutes adelante (2) Es posible que estas bombas actualmente presenten nomenclatura diferente o esteacuten descontinuadas Noacutetese que cada fabricante utiliza su propia nomenclatura debido a esto se formoacute un grupo internacional formado principalmente por fabricantes de BCP quienes trabajaron en la elaboracioacuten de las normas ISO WD 15136 que entre

otras cosas trataron de homologar las especificaciones para las BCP de subsuelo Algunos fabricantes incluye en sus cataacutelogos la nomenclatura homologada

Seleccioacuten de los Equipos (disentildeo) Antes de comenzar a disentildear un meacutetodo de produccioacuten es de suma importancia contar con todos los datos necesarios para ello y los mismos deben de ser del todo confiables a fin de garantizar el disentildeo adecuado en este punto hay que destacar que no existe una solucioacuten (o disentildeo uacutenico) y que la misma depende de diversos factores teacutecnico econoacutemicos incluyendo las poliacuteticas de explotacioacuten del yacimiento Existe una diversidad de ecuaciones tablas nomogramas etc para el disentildeo o seleccioacuten de los equipos no obstante muchos de estos recursos fueron elaborados bajo determinadas suposiciones las cuales no siempre reflejan la realidad del campo En algunas oportunidades se cuenta con factores de ajuste para corregir los resultados obtenidos de las graacuteficas no obstante los mismos arrojan resultados aproximados y en algunas oportunidades dichos factores no se han desarrollado Ejemplo de lo anteriormente expuesto lo representan las curvas de capacidad de las bombas las cuales fueron disentildeadas para fluidos de muy baja viscosidad (agua) consideran fluidos monofaacutesicos (desprecian el gas a manejar por la bomba) los nomogramas para el caacutelculo de la carga axial en los cabezales no consideran el efecto de los diaacutemetros de las cabillas en la presioacuten ejercida sobre el rotor de la bomba y por ende en la carga axial a soportar por el cabezal igualmente no se considera geometriacutea del pozo para predecir los puntos de contacto de las cabillas con la tuberiacutea de produccioacuten etc Un disentildeo manual puede ser desarrollado como una aproximacioacuten y solo debe ser realizado de esta manera luego de tener un conocimiento completo de todos los factores o variables que intervienen en la dinaacutemica del sistema pozo-completacioacuten y contar con estadiacutesticas del desempentildeo de los equipos correctamente disentildeados e instalados en el campo auacuten asiacute bajo determinadas condiciones tales como alta relacioacuten gas liquido crudos muy viscosos pozos de alto caudal profundidades considerables de asentamiento de bomba pozos desviados u horizontales etc repercuten en comportamientos complejos desde el punto de vista hidraacuteulico y mecaacutenico ademaacutes imposibilitan realizar diversas sensibilidades en tiempos razonables sobre todo considerando el gran dinamismo de las operaciones petrolerasara solventar lo anteriormente expuesto se han desarrollado numerosos programas comerciales de computo (software) los cuales incluyen sofisticados y complejos algoritmos de calculo para predecir comportamientos multifaacutesicos mecaacutenicos e hidraacuteulicos en el pozo

En los siguientes puntos se expondraacute un conjunto de observaciones a tener en mente a la hora de realizar el disentildeo de un sistema de bombeo por cavidades progresivas para finalmente presentar un ejemplo no sin antes insistir en la necesidad de utilizar los programas disponibles con la finalidad de obtener resultados precisos Para la utilizacioacuten de estos programas se hace necesario conocer los datos del yacimiento caracteriacutesticas de los fluidos datos mecaacutenicos del pozo y datos de superficie Para la adecuada seleccioacuten de los componentes de subsuelo se hace necesario tener presente las presentes recomendaciones Seleccioacuten y profundidad de la bomba Para la seleccioacuten de la bomba se hace necesario conocer el comportamiento de afluencia del pozo para lo cual es necesario contar con las presiones estaacuteticas y fluyentes (o niveles estaacuteticos y dinaacutemicos) la respuesta de produccioacuten en concordancia con la(s) presioacuten(es) fluyente(s) la presioacuten de burbujeo etc Una vez construida la IPR del pozo se debe considerar que la tasa maacutexima para Ps = 0 es una medida de la capacidad del pozo sin embargo en la praacutectica la mayor tasa que podriacutea obtenerse depende de la profundidad de asentamiento de la bomba y la sumergencia Tambieacuten es posible tomar la profundidad de asentamiento de la bomba (PB) como datum referir las presiones a esta magnitud y construir ldquola IPR a profundidad de la bombardquo Es necesario calcular la tasa de gas libre (en barriles diarios) y la tasa de agua ambos a la profundidad de la bomba (PB) El caudal total a manejar por la bomba seraacute la suma de las tres tasas petroacuteleo agua y gas Con las ecuaciones presentada en el punto 7 de este documento se puede estimar el diferencial de presioacuten en la bomba o el head Conociendo estas variables y utilizando las curvas tipo de las bombas (suministradas por los fabricantes) se puede determinar la velocidad de operacioacuten y los requerimientos de potencia en el eje de impulsioacuten Posteriormente se determina la necesidad de utilizar anclas de gas los grados y diaacutemetros de las cabillas y de la tuberiacutea de produccioacuten y finalmente los equipos de superficie el cabezal de rotacioacuten y el accionamiento electro-mecaacutenico A manera de ejemplo considere el siguiente ejercicio

Torque requerido por el sistema y diaacutemetro de la sarta de cabillas El torque del sistema estaacute compuesto de dos elementos El Torque hidraacuteulico el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es funcioacuten del desplazamiento de la bomba y de la altura hidraacuteulica Y el Torque debido a la friccioacuten de la sarta de cabillas girando en el fluido este es funcioacuten de la velocidad de rotacioacuten el diaacutemetro y longitud de la sarta de cabillas (profundidad de la bomba) el aacuterea del espacio anular entre las cabillas y la tuberiacutea de produccioacuten En el caso de fluidos de baja viscosidad el Torque por friccioacuten es despreciable y por lo tanto el torque total es igual al torque hidraacuteulico y el mismo es independiente de la velocidad de rotacioacuten Ejemplo de baja viscosidad son los pozos que producen con altos cortes de agua o de gravedades API elevadas (crudos livianos) En estos casos se puede utilizar el graacutefico de la siguiente pagina con base a este se obtiene que diaacutemetro miacutenimo de cabillas a utilizar en nuestro ejemplo es de 34 pulg Observe que este graacutefico solo aplica para cabillas grado ldquoDrdquo y para fluidos de baja viscosidad es decir que el diferencial de presioacuten en la tuberiacutea de produccioacuten sea despreciable (se debe recordar que en este ejemplo este diferencial es de 240 lpc) Aquiacute se presenta uno de los problemas mencionados inicialmente sobre la aplicabilidad de los nomogramas adicionalmente si las cabillas son re-utilizadas se tendriacutea que recurrir a factores de seguridad pocas veces impliacutecito en los nomogramas Finalmente se debe comentar que si la viscosidad es elevada el torque por friccioacuten deja de ser despreciable y en casos extremos puede llegar a constituir un componente importante inclusive criacutetico del torque En estos casos las formulas para calcular el esfuerzo en las cabillas son muy complejas y no es posible resolver el problema graacuteficamente tenieacutendose que recurrir a programas de computacioacuten Con el propoacutesito de continuar nuestro ejemplo considerando el head calculado de 1372 mts

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

determinadas condiciones de velocidad (rpm) y head La mayoriacutea de los fabricantes refieren las capacidades de sus bombas en bd (o m3d) a 500 rpm y 0 head algunos otros refieren la capacidad de sus equipos a 100 rpm y 0 head En forma unitaria el desplazamiento es el volumen generado por la bomba a cero altura por una revolucioacuten completa del rotor Uno de los criterios es que por una vuelta de rotor el fluido avanza una distancia igual al paso de la bomba o lo que es lo mismo la longitud de una cavidad (la definicioacuten del paso de la bomba varia de un fabricante a otro) El eje del estator y del Rotor no son conceacutentricos las distancia perpendicular entre ambos ejes paralelos (una vez que el rotor se encuentre dentro del estator) se conoce como excentricidad de la bomba La Figura Ndeg 21 muestra este concepto Considerando que el aacuterea del fluido en una seccioacuten de la bomba es igual a 4DE (4 veces el diaacutemetro por la excentricidad) el volumen de una cavidad seriacutea 4DEP (el aacuterea de la seccioacuten por el paso de la bomba) Ejemplo para una bomba de 35 cms de diaacutemetro 08 cms de excentricidad y un paso de 30 cms el volumen por una revolucioacuten seriacutea 4(35)(08)(30) = 336 cms3 es decir 2113 x 10-6 bls

Altura de descarga (head) La altura de descarga o head de la bomba es la capacidad de la misma para vencer la presioacuten hidrostaacutetica y transportar los fluidos hasta las instalaciones de superficie El head se puede expresar de dos maneras como presioacuten propiamente dicha (lpc bars etc) o como altura de fluido (mts pies etc) El head es funcioacuten directa del nuacutemero de etapas de la bomba Una etapa se puede considerar como la longitud miacutenima que debe tener una bomba para generar la accioacuten de bombeo la longitud de una etapa es igual a la longitud de una cavidad Cada etapa genera una presioacuten diferencial en sus extremos entre una cavidad y la siguiente de modo que la presioacuten diferencial se incrementa de una etapa a la siguiente dentro de la bomba por esta razoacuten la presioacuten (o altura) de descarga es proporcional al nuacutemero de etapa La presioacuten de descarga de una etapa varia de 70 a 100 lpc seguacuten los modelos de bombas y fabricantes por ejemplo una bomba modelo 1840-1500 estaacute disentildeada para 1800 lpc de presioacuten de descarga (la cifra al comienzo del modelo esto es ldquo18rdquo significa que la bomba es de 18 etapas Para el caacutelculo de la presioacuten diferencial en la bomba se debe conocer la presioacuten de entrada y salida de la misma ambas deben ser calculas a las condiciones de produccioacuten maacutexima esperada del pozo (no confundir con Qmax para Ps = 0) la diferencia entre la presioacuten de descarga y la presioacuten de entrada a la bomba y la tasa de fluidos esperada son las variables a utilizar para la preseleccioacuten de la misma

Si en lugar de presioacuten los caacutelculos se realizan en unidades de altura (metros o pies) se hablariacutea entonces de head Es importante destacar la diferencia entre altura de la bomba y profundidad de asentamiento de la misma una bomba con altura de 4000 pies instalada en un pozo de crudo muy viscoso con presioacuten de cabezal de 1500 lpc y profundidad de bomba de 2000 pies es decir un 50 de la altura de la bomba podriacutea estar operando a mas del 100 de la capacidad de la misma

Factores que afectan el desempentildeo de la bomba Los factores que tienen mas efecto sobre la eficiencia volumeacutetrica o desempentildeo de la bomba son la velocidad de operacioacuten y la altura (head) requerida Por otra parte una caracteriacutestica que intriacutensecamente estaacute asociada a la eficiencia de la bomba en cuanto a su desplazamiento y a su capacidad para transportar los fluidos hasta la superficie es el grado de ajuste o ldquoaprieterdquo entre el elastoacutemero y el rotor esto se conoce como interferencia La interferencia en una bomba de cavidades progresivas se define como la diferencia entre el diaacutemetro del rotor y el diaacutemetro menor de la cavidad del estator esta garantiza que exista el sello entre las cavidades que permite la accioacuten de bombeo Cuando la bomba es sometida a una diferencia de presioacuten entre su succioacuten y su descarga el fluido trata de romper este sello para regresar a las cavidades anteriores lo cual se conoce como escurrimiento (o resbalamiento) Si la interferencia es muy pequentildea el sello se rompe faacutecilmente lo cual produce un escurrimiento excesivo y una baja eficiencia volumeacutetrica El escurrimiento a su vez es funcioacuten de la interferencia de la bomba a condiciones de operacioacuten del diferencial de presioacuten en la bomba y de la viscosidad del fluido La Figura Ndeg 23 muestra la relacioacuten entre head y resbalamiento para tres bombas de igual capacidad volumeacutetrica pero de diferentes alturas Noacutetese (para una misma bomba) que a medida que se incrementa el head el resbalamiento es mayor Tambieacuten se puede concluir de este graacutefico que entre mayor altura tenga la bomba el escurrimiento es menor

Finalmente cabe destacar que una baja interferencia originariacutea un alto escurrimiento pero una interferencia de operacioacuten excesiva produciraacute un torque de friccioacuten muy alto que podriacutea conducir eventualmente a la destruccioacuten del estator (elastoacutemero) A su vez existen factores que inciden directamente sobre la interferencia entre los cuales destacan la temperatura de operacioacuten las caracteriacutesticas de los fluidos del pozo y la presioacuten interna en la bomba Temperatura de Operacioacuten- La temperatura origina una expansioacuten teacutermica del elastoacutemero y una expansioacuten menos notable en el rotor metaacutelico lo cual incide directamente en la interferencia y por ende en la eficiencia de la bomba Fluidos del pozo- Incluso en el caso de hacer una adecuada seleccioacuten del elastoacutemero considerando su compatibilidad (o incompatibilidad) con los fluidos del pozo esto no significa que no se produzca Hinchamiento del elastoacutemero por ataque quiacutemico este hinchamiento incrementa la interferencia de la bomba la cual pudiera llegar a ser excesiva (interferencia menores al 3 son aceptables)Aunque no es posible corregir el hinchamiento del elastoacutemero una vez que el mismo tenga lugar se cuenta con la flexibilidad de utilizar un rotores de diaacutemetro transversal mas reducido (subdimensionados o undersize) y de esta manera reducir la interferencia Otra caracteriacutestica de los fluidos que se relaciona con la interferencia (aunque no la afecta directamente) es la viscosidad La viscosidad estaacute asociada realmente con el escurrimiento ambas son inversamente proporcionales Para fluidos muy viscosos se pueden utilizar menores interferencias Presioacuten interna en la bomba- La presioacuten en la bomba tiende a comprimir el elastoacutemero deformando las cavidades aumentando el tamantildeo de la mismas disminuyendo asiacute la interferencia Este efecto se conoce en la literatura como ldquoCompression Setrdquo

Nomenclatura de las BCP seguacuten los fabricantes En general los fabricantes han desarrollado nomenclaturas que reflejan la capacidad hidraacuteulica de las bombas presentando por ejemplo el caudal teoacuterico (desplazamiento volumeacutetrico) para 500 (oacute 100) RPM y la altura hidraacuteulica (o Head) maacuteximo de operacioacuten A continuacioacuten se presenta la nomenclatura de las bombas de cavidades progresivas de subsuelo para distintos fabricantes

Notas (1) Las bombas CTR seraacuten discutidas maacutes adelante (2) Es posible que estas bombas actualmente presenten nomenclatura diferente o esteacuten descontinuadas Noacutetese que cada fabricante utiliza su propia nomenclatura debido a esto se formoacute un grupo internacional formado principalmente por fabricantes de BCP quienes trabajaron en la elaboracioacuten de las normas ISO WD 15136 que entre

otras cosas trataron de homologar las especificaciones para las BCP de subsuelo Algunos fabricantes incluye en sus cataacutelogos la nomenclatura homologada

Seleccioacuten de los Equipos (disentildeo) Antes de comenzar a disentildear un meacutetodo de produccioacuten es de suma importancia contar con todos los datos necesarios para ello y los mismos deben de ser del todo confiables a fin de garantizar el disentildeo adecuado en este punto hay que destacar que no existe una solucioacuten (o disentildeo uacutenico) y que la misma depende de diversos factores teacutecnico econoacutemicos incluyendo las poliacuteticas de explotacioacuten del yacimiento Existe una diversidad de ecuaciones tablas nomogramas etc para el disentildeo o seleccioacuten de los equipos no obstante muchos de estos recursos fueron elaborados bajo determinadas suposiciones las cuales no siempre reflejan la realidad del campo En algunas oportunidades se cuenta con factores de ajuste para corregir los resultados obtenidos de las graacuteficas no obstante los mismos arrojan resultados aproximados y en algunas oportunidades dichos factores no se han desarrollado Ejemplo de lo anteriormente expuesto lo representan las curvas de capacidad de las bombas las cuales fueron disentildeadas para fluidos de muy baja viscosidad (agua) consideran fluidos monofaacutesicos (desprecian el gas a manejar por la bomba) los nomogramas para el caacutelculo de la carga axial en los cabezales no consideran el efecto de los diaacutemetros de las cabillas en la presioacuten ejercida sobre el rotor de la bomba y por ende en la carga axial a soportar por el cabezal igualmente no se considera geometriacutea del pozo para predecir los puntos de contacto de las cabillas con la tuberiacutea de produccioacuten etc Un disentildeo manual puede ser desarrollado como una aproximacioacuten y solo debe ser realizado de esta manera luego de tener un conocimiento completo de todos los factores o variables que intervienen en la dinaacutemica del sistema pozo-completacioacuten y contar con estadiacutesticas del desempentildeo de los equipos correctamente disentildeados e instalados en el campo auacuten asiacute bajo determinadas condiciones tales como alta relacioacuten gas liquido crudos muy viscosos pozos de alto caudal profundidades considerables de asentamiento de bomba pozos desviados u horizontales etc repercuten en comportamientos complejos desde el punto de vista hidraacuteulico y mecaacutenico ademaacutes imposibilitan realizar diversas sensibilidades en tiempos razonables sobre todo considerando el gran dinamismo de las operaciones petrolerasara solventar lo anteriormente expuesto se han desarrollado numerosos programas comerciales de computo (software) los cuales incluyen sofisticados y complejos algoritmos de calculo para predecir comportamientos multifaacutesicos mecaacutenicos e hidraacuteulicos en el pozo

En los siguientes puntos se expondraacute un conjunto de observaciones a tener en mente a la hora de realizar el disentildeo de un sistema de bombeo por cavidades progresivas para finalmente presentar un ejemplo no sin antes insistir en la necesidad de utilizar los programas disponibles con la finalidad de obtener resultados precisos Para la utilizacioacuten de estos programas se hace necesario conocer los datos del yacimiento caracteriacutesticas de los fluidos datos mecaacutenicos del pozo y datos de superficie Para la adecuada seleccioacuten de los componentes de subsuelo se hace necesario tener presente las presentes recomendaciones Seleccioacuten y profundidad de la bomba Para la seleccioacuten de la bomba se hace necesario conocer el comportamiento de afluencia del pozo para lo cual es necesario contar con las presiones estaacuteticas y fluyentes (o niveles estaacuteticos y dinaacutemicos) la respuesta de produccioacuten en concordancia con la(s) presioacuten(es) fluyente(s) la presioacuten de burbujeo etc Una vez construida la IPR del pozo se debe considerar que la tasa maacutexima para Ps = 0 es una medida de la capacidad del pozo sin embargo en la praacutectica la mayor tasa que podriacutea obtenerse depende de la profundidad de asentamiento de la bomba y la sumergencia Tambieacuten es posible tomar la profundidad de asentamiento de la bomba (PB) como datum referir las presiones a esta magnitud y construir ldquola IPR a profundidad de la bombardquo Es necesario calcular la tasa de gas libre (en barriles diarios) y la tasa de agua ambos a la profundidad de la bomba (PB) El caudal total a manejar por la bomba seraacute la suma de las tres tasas petroacuteleo agua y gas Con las ecuaciones presentada en el punto 7 de este documento se puede estimar el diferencial de presioacuten en la bomba o el head Conociendo estas variables y utilizando las curvas tipo de las bombas (suministradas por los fabricantes) se puede determinar la velocidad de operacioacuten y los requerimientos de potencia en el eje de impulsioacuten Posteriormente se determina la necesidad de utilizar anclas de gas los grados y diaacutemetros de las cabillas y de la tuberiacutea de produccioacuten y finalmente los equipos de superficie el cabezal de rotacioacuten y el accionamiento electro-mecaacutenico A manera de ejemplo considere el siguiente ejercicio

Torque requerido por el sistema y diaacutemetro de la sarta de cabillas El torque del sistema estaacute compuesto de dos elementos El Torque hidraacuteulico el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es funcioacuten del desplazamiento de la bomba y de la altura hidraacuteulica Y el Torque debido a la friccioacuten de la sarta de cabillas girando en el fluido este es funcioacuten de la velocidad de rotacioacuten el diaacutemetro y longitud de la sarta de cabillas (profundidad de la bomba) el aacuterea del espacio anular entre las cabillas y la tuberiacutea de produccioacuten En el caso de fluidos de baja viscosidad el Torque por friccioacuten es despreciable y por lo tanto el torque total es igual al torque hidraacuteulico y el mismo es independiente de la velocidad de rotacioacuten Ejemplo de baja viscosidad son los pozos que producen con altos cortes de agua o de gravedades API elevadas (crudos livianos) En estos casos se puede utilizar el graacutefico de la siguiente pagina con base a este se obtiene que diaacutemetro miacutenimo de cabillas a utilizar en nuestro ejemplo es de 34 pulg Observe que este graacutefico solo aplica para cabillas grado ldquoDrdquo y para fluidos de baja viscosidad es decir que el diferencial de presioacuten en la tuberiacutea de produccioacuten sea despreciable (se debe recordar que en este ejemplo este diferencial es de 240 lpc) Aquiacute se presenta uno de los problemas mencionados inicialmente sobre la aplicabilidad de los nomogramas adicionalmente si las cabillas son re-utilizadas se tendriacutea que recurrir a factores de seguridad pocas veces impliacutecito en los nomogramas Finalmente se debe comentar que si la viscosidad es elevada el torque por friccioacuten deja de ser despreciable y en casos extremos puede llegar a constituir un componente importante inclusive criacutetico del torque En estos casos las formulas para calcular el esfuerzo en las cabillas son muy complejas y no es posible resolver el problema graacuteficamente tenieacutendose que recurrir a programas de computacioacuten Con el propoacutesito de continuar nuestro ejemplo considerando el head calculado de 1372 mts

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

Finalmente cabe destacar que una baja interferencia originariacutea un alto escurrimiento pero una interferencia de operacioacuten excesiva produciraacute un torque de friccioacuten muy alto que podriacutea conducir eventualmente a la destruccioacuten del estator (elastoacutemero) A su vez existen factores que inciden directamente sobre la interferencia entre los cuales destacan la temperatura de operacioacuten las caracteriacutesticas de los fluidos del pozo y la presioacuten interna en la bomba Temperatura de Operacioacuten- La temperatura origina una expansioacuten teacutermica del elastoacutemero y una expansioacuten menos notable en el rotor metaacutelico lo cual incide directamente en la interferencia y por ende en la eficiencia de la bomba Fluidos del pozo- Incluso en el caso de hacer una adecuada seleccioacuten del elastoacutemero considerando su compatibilidad (o incompatibilidad) con los fluidos del pozo esto no significa que no se produzca Hinchamiento del elastoacutemero por ataque quiacutemico este hinchamiento incrementa la interferencia de la bomba la cual pudiera llegar a ser excesiva (interferencia menores al 3 son aceptables)Aunque no es posible corregir el hinchamiento del elastoacutemero una vez que el mismo tenga lugar se cuenta con la flexibilidad de utilizar un rotores de diaacutemetro transversal mas reducido (subdimensionados o undersize) y de esta manera reducir la interferencia Otra caracteriacutestica de los fluidos que se relaciona con la interferencia (aunque no la afecta directamente) es la viscosidad La viscosidad estaacute asociada realmente con el escurrimiento ambas son inversamente proporcionales Para fluidos muy viscosos se pueden utilizar menores interferencias Presioacuten interna en la bomba- La presioacuten en la bomba tiende a comprimir el elastoacutemero deformando las cavidades aumentando el tamantildeo de la mismas disminuyendo asiacute la interferencia Este efecto se conoce en la literatura como ldquoCompression Setrdquo

Nomenclatura de las BCP seguacuten los fabricantes En general los fabricantes han desarrollado nomenclaturas que reflejan la capacidad hidraacuteulica de las bombas presentando por ejemplo el caudal teoacuterico (desplazamiento volumeacutetrico) para 500 (oacute 100) RPM y la altura hidraacuteulica (o Head) maacuteximo de operacioacuten A continuacioacuten se presenta la nomenclatura de las bombas de cavidades progresivas de subsuelo para distintos fabricantes

Notas (1) Las bombas CTR seraacuten discutidas maacutes adelante (2) Es posible que estas bombas actualmente presenten nomenclatura diferente o esteacuten descontinuadas Noacutetese que cada fabricante utiliza su propia nomenclatura debido a esto se formoacute un grupo internacional formado principalmente por fabricantes de BCP quienes trabajaron en la elaboracioacuten de las normas ISO WD 15136 que entre

otras cosas trataron de homologar las especificaciones para las BCP de subsuelo Algunos fabricantes incluye en sus cataacutelogos la nomenclatura homologada

Seleccioacuten de los Equipos (disentildeo) Antes de comenzar a disentildear un meacutetodo de produccioacuten es de suma importancia contar con todos los datos necesarios para ello y los mismos deben de ser del todo confiables a fin de garantizar el disentildeo adecuado en este punto hay que destacar que no existe una solucioacuten (o disentildeo uacutenico) y que la misma depende de diversos factores teacutecnico econoacutemicos incluyendo las poliacuteticas de explotacioacuten del yacimiento Existe una diversidad de ecuaciones tablas nomogramas etc para el disentildeo o seleccioacuten de los equipos no obstante muchos de estos recursos fueron elaborados bajo determinadas suposiciones las cuales no siempre reflejan la realidad del campo En algunas oportunidades se cuenta con factores de ajuste para corregir los resultados obtenidos de las graacuteficas no obstante los mismos arrojan resultados aproximados y en algunas oportunidades dichos factores no se han desarrollado Ejemplo de lo anteriormente expuesto lo representan las curvas de capacidad de las bombas las cuales fueron disentildeadas para fluidos de muy baja viscosidad (agua) consideran fluidos monofaacutesicos (desprecian el gas a manejar por la bomba) los nomogramas para el caacutelculo de la carga axial en los cabezales no consideran el efecto de los diaacutemetros de las cabillas en la presioacuten ejercida sobre el rotor de la bomba y por ende en la carga axial a soportar por el cabezal igualmente no se considera geometriacutea del pozo para predecir los puntos de contacto de las cabillas con la tuberiacutea de produccioacuten etc Un disentildeo manual puede ser desarrollado como una aproximacioacuten y solo debe ser realizado de esta manera luego de tener un conocimiento completo de todos los factores o variables que intervienen en la dinaacutemica del sistema pozo-completacioacuten y contar con estadiacutesticas del desempentildeo de los equipos correctamente disentildeados e instalados en el campo auacuten asiacute bajo determinadas condiciones tales como alta relacioacuten gas liquido crudos muy viscosos pozos de alto caudal profundidades considerables de asentamiento de bomba pozos desviados u horizontales etc repercuten en comportamientos complejos desde el punto de vista hidraacuteulico y mecaacutenico ademaacutes imposibilitan realizar diversas sensibilidades en tiempos razonables sobre todo considerando el gran dinamismo de las operaciones petrolerasara solventar lo anteriormente expuesto se han desarrollado numerosos programas comerciales de computo (software) los cuales incluyen sofisticados y complejos algoritmos de calculo para predecir comportamientos multifaacutesicos mecaacutenicos e hidraacuteulicos en el pozo

En los siguientes puntos se expondraacute un conjunto de observaciones a tener en mente a la hora de realizar el disentildeo de un sistema de bombeo por cavidades progresivas para finalmente presentar un ejemplo no sin antes insistir en la necesidad de utilizar los programas disponibles con la finalidad de obtener resultados precisos Para la utilizacioacuten de estos programas se hace necesario conocer los datos del yacimiento caracteriacutesticas de los fluidos datos mecaacutenicos del pozo y datos de superficie Para la adecuada seleccioacuten de los componentes de subsuelo se hace necesario tener presente las presentes recomendaciones Seleccioacuten y profundidad de la bomba Para la seleccioacuten de la bomba se hace necesario conocer el comportamiento de afluencia del pozo para lo cual es necesario contar con las presiones estaacuteticas y fluyentes (o niveles estaacuteticos y dinaacutemicos) la respuesta de produccioacuten en concordancia con la(s) presioacuten(es) fluyente(s) la presioacuten de burbujeo etc Una vez construida la IPR del pozo se debe considerar que la tasa maacutexima para Ps = 0 es una medida de la capacidad del pozo sin embargo en la praacutectica la mayor tasa que podriacutea obtenerse depende de la profundidad de asentamiento de la bomba y la sumergencia Tambieacuten es posible tomar la profundidad de asentamiento de la bomba (PB) como datum referir las presiones a esta magnitud y construir ldquola IPR a profundidad de la bombardquo Es necesario calcular la tasa de gas libre (en barriles diarios) y la tasa de agua ambos a la profundidad de la bomba (PB) El caudal total a manejar por la bomba seraacute la suma de las tres tasas petroacuteleo agua y gas Con las ecuaciones presentada en el punto 7 de este documento se puede estimar el diferencial de presioacuten en la bomba o el head Conociendo estas variables y utilizando las curvas tipo de las bombas (suministradas por los fabricantes) se puede determinar la velocidad de operacioacuten y los requerimientos de potencia en el eje de impulsioacuten Posteriormente se determina la necesidad de utilizar anclas de gas los grados y diaacutemetros de las cabillas y de la tuberiacutea de produccioacuten y finalmente los equipos de superficie el cabezal de rotacioacuten y el accionamiento electro-mecaacutenico A manera de ejemplo considere el siguiente ejercicio

Torque requerido por el sistema y diaacutemetro de la sarta de cabillas El torque del sistema estaacute compuesto de dos elementos El Torque hidraacuteulico el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es funcioacuten del desplazamiento de la bomba y de la altura hidraacuteulica Y el Torque debido a la friccioacuten de la sarta de cabillas girando en el fluido este es funcioacuten de la velocidad de rotacioacuten el diaacutemetro y longitud de la sarta de cabillas (profundidad de la bomba) el aacuterea del espacio anular entre las cabillas y la tuberiacutea de produccioacuten En el caso de fluidos de baja viscosidad el Torque por friccioacuten es despreciable y por lo tanto el torque total es igual al torque hidraacuteulico y el mismo es independiente de la velocidad de rotacioacuten Ejemplo de baja viscosidad son los pozos que producen con altos cortes de agua o de gravedades API elevadas (crudos livianos) En estos casos se puede utilizar el graacutefico de la siguiente pagina con base a este se obtiene que diaacutemetro miacutenimo de cabillas a utilizar en nuestro ejemplo es de 34 pulg Observe que este graacutefico solo aplica para cabillas grado ldquoDrdquo y para fluidos de baja viscosidad es decir que el diferencial de presioacuten en la tuberiacutea de produccioacuten sea despreciable (se debe recordar que en este ejemplo este diferencial es de 240 lpc) Aquiacute se presenta uno de los problemas mencionados inicialmente sobre la aplicabilidad de los nomogramas adicionalmente si las cabillas son re-utilizadas se tendriacutea que recurrir a factores de seguridad pocas veces impliacutecito en los nomogramas Finalmente se debe comentar que si la viscosidad es elevada el torque por friccioacuten deja de ser despreciable y en casos extremos puede llegar a constituir un componente importante inclusive criacutetico del torque En estos casos las formulas para calcular el esfuerzo en las cabillas son muy complejas y no es posible resolver el problema graacuteficamente tenieacutendose que recurrir a programas de computacioacuten Con el propoacutesito de continuar nuestro ejemplo considerando el head calculado de 1372 mts

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

otras cosas trataron de homologar las especificaciones para las BCP de subsuelo Algunos fabricantes incluye en sus cataacutelogos la nomenclatura homologada

Seleccioacuten de los Equipos (disentildeo) Antes de comenzar a disentildear un meacutetodo de produccioacuten es de suma importancia contar con todos los datos necesarios para ello y los mismos deben de ser del todo confiables a fin de garantizar el disentildeo adecuado en este punto hay que destacar que no existe una solucioacuten (o disentildeo uacutenico) y que la misma depende de diversos factores teacutecnico econoacutemicos incluyendo las poliacuteticas de explotacioacuten del yacimiento Existe una diversidad de ecuaciones tablas nomogramas etc para el disentildeo o seleccioacuten de los equipos no obstante muchos de estos recursos fueron elaborados bajo determinadas suposiciones las cuales no siempre reflejan la realidad del campo En algunas oportunidades se cuenta con factores de ajuste para corregir los resultados obtenidos de las graacuteficas no obstante los mismos arrojan resultados aproximados y en algunas oportunidades dichos factores no se han desarrollado Ejemplo de lo anteriormente expuesto lo representan las curvas de capacidad de las bombas las cuales fueron disentildeadas para fluidos de muy baja viscosidad (agua) consideran fluidos monofaacutesicos (desprecian el gas a manejar por la bomba) los nomogramas para el caacutelculo de la carga axial en los cabezales no consideran el efecto de los diaacutemetros de las cabillas en la presioacuten ejercida sobre el rotor de la bomba y por ende en la carga axial a soportar por el cabezal igualmente no se considera geometriacutea del pozo para predecir los puntos de contacto de las cabillas con la tuberiacutea de produccioacuten etc Un disentildeo manual puede ser desarrollado como una aproximacioacuten y solo debe ser realizado de esta manera luego de tener un conocimiento completo de todos los factores o variables que intervienen en la dinaacutemica del sistema pozo-completacioacuten y contar con estadiacutesticas del desempentildeo de los equipos correctamente disentildeados e instalados en el campo auacuten asiacute bajo determinadas condiciones tales como alta relacioacuten gas liquido crudos muy viscosos pozos de alto caudal profundidades considerables de asentamiento de bomba pozos desviados u horizontales etc repercuten en comportamientos complejos desde el punto de vista hidraacuteulico y mecaacutenico ademaacutes imposibilitan realizar diversas sensibilidades en tiempos razonables sobre todo considerando el gran dinamismo de las operaciones petrolerasara solventar lo anteriormente expuesto se han desarrollado numerosos programas comerciales de computo (software) los cuales incluyen sofisticados y complejos algoritmos de calculo para predecir comportamientos multifaacutesicos mecaacutenicos e hidraacuteulicos en el pozo

En los siguientes puntos se expondraacute un conjunto de observaciones a tener en mente a la hora de realizar el disentildeo de un sistema de bombeo por cavidades progresivas para finalmente presentar un ejemplo no sin antes insistir en la necesidad de utilizar los programas disponibles con la finalidad de obtener resultados precisos Para la utilizacioacuten de estos programas se hace necesario conocer los datos del yacimiento caracteriacutesticas de los fluidos datos mecaacutenicos del pozo y datos de superficie Para la adecuada seleccioacuten de los componentes de subsuelo se hace necesario tener presente las presentes recomendaciones Seleccioacuten y profundidad de la bomba Para la seleccioacuten de la bomba se hace necesario conocer el comportamiento de afluencia del pozo para lo cual es necesario contar con las presiones estaacuteticas y fluyentes (o niveles estaacuteticos y dinaacutemicos) la respuesta de produccioacuten en concordancia con la(s) presioacuten(es) fluyente(s) la presioacuten de burbujeo etc Una vez construida la IPR del pozo se debe considerar que la tasa maacutexima para Ps = 0 es una medida de la capacidad del pozo sin embargo en la praacutectica la mayor tasa que podriacutea obtenerse depende de la profundidad de asentamiento de la bomba y la sumergencia Tambieacuten es posible tomar la profundidad de asentamiento de la bomba (PB) como datum referir las presiones a esta magnitud y construir ldquola IPR a profundidad de la bombardquo Es necesario calcular la tasa de gas libre (en barriles diarios) y la tasa de agua ambos a la profundidad de la bomba (PB) El caudal total a manejar por la bomba seraacute la suma de las tres tasas petroacuteleo agua y gas Con las ecuaciones presentada en el punto 7 de este documento se puede estimar el diferencial de presioacuten en la bomba o el head Conociendo estas variables y utilizando las curvas tipo de las bombas (suministradas por los fabricantes) se puede determinar la velocidad de operacioacuten y los requerimientos de potencia en el eje de impulsioacuten Posteriormente se determina la necesidad de utilizar anclas de gas los grados y diaacutemetros de las cabillas y de la tuberiacutea de produccioacuten y finalmente los equipos de superficie el cabezal de rotacioacuten y el accionamiento electro-mecaacutenico A manera de ejemplo considere el siguiente ejercicio

Torque requerido por el sistema y diaacutemetro de la sarta de cabillas El torque del sistema estaacute compuesto de dos elementos El Torque hidraacuteulico el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es funcioacuten del desplazamiento de la bomba y de la altura hidraacuteulica Y el Torque debido a la friccioacuten de la sarta de cabillas girando en el fluido este es funcioacuten de la velocidad de rotacioacuten el diaacutemetro y longitud de la sarta de cabillas (profundidad de la bomba) el aacuterea del espacio anular entre las cabillas y la tuberiacutea de produccioacuten En el caso de fluidos de baja viscosidad el Torque por friccioacuten es despreciable y por lo tanto el torque total es igual al torque hidraacuteulico y el mismo es independiente de la velocidad de rotacioacuten Ejemplo de baja viscosidad son los pozos que producen con altos cortes de agua o de gravedades API elevadas (crudos livianos) En estos casos se puede utilizar el graacutefico de la siguiente pagina con base a este se obtiene que diaacutemetro miacutenimo de cabillas a utilizar en nuestro ejemplo es de 34 pulg Observe que este graacutefico solo aplica para cabillas grado ldquoDrdquo y para fluidos de baja viscosidad es decir que el diferencial de presioacuten en la tuberiacutea de produccioacuten sea despreciable (se debe recordar que en este ejemplo este diferencial es de 240 lpc) Aquiacute se presenta uno de los problemas mencionados inicialmente sobre la aplicabilidad de los nomogramas adicionalmente si las cabillas son re-utilizadas se tendriacutea que recurrir a factores de seguridad pocas veces impliacutecito en los nomogramas Finalmente se debe comentar que si la viscosidad es elevada el torque por friccioacuten deja de ser despreciable y en casos extremos puede llegar a constituir un componente importante inclusive criacutetico del torque En estos casos las formulas para calcular el esfuerzo en las cabillas son muy complejas y no es posible resolver el problema graacuteficamente tenieacutendose que recurrir a programas de computacioacuten Con el propoacutesito de continuar nuestro ejemplo considerando el head calculado de 1372 mts

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

Torque requerido por el sistema y diaacutemetro de la sarta de cabillas El torque del sistema estaacute compuesto de dos elementos El Torque hidraacuteulico el cual es la fuerza necesaria para levantar el fluido y es funcioacuten del desplazamiento de la bomba y de la altura hidraacuteulica Y el Torque debido a la friccioacuten de la sarta de cabillas girando en el fluido este es funcioacuten de la velocidad de rotacioacuten el diaacutemetro y longitud de la sarta de cabillas (profundidad de la bomba) el aacuterea del espacio anular entre las cabillas y la tuberiacutea de produccioacuten En el caso de fluidos de baja viscosidad el Torque por friccioacuten es despreciable y por lo tanto el torque total es igual al torque hidraacuteulico y el mismo es independiente de la velocidad de rotacioacuten Ejemplo de baja viscosidad son los pozos que producen con altos cortes de agua o de gravedades API elevadas (crudos livianos) En estos casos se puede utilizar el graacutefico de la siguiente pagina con base a este se obtiene que diaacutemetro miacutenimo de cabillas a utilizar en nuestro ejemplo es de 34 pulg Observe que este graacutefico solo aplica para cabillas grado ldquoDrdquo y para fluidos de baja viscosidad es decir que el diferencial de presioacuten en la tuberiacutea de produccioacuten sea despreciable (se debe recordar que en este ejemplo este diferencial es de 240 lpc) Aquiacute se presenta uno de los problemas mencionados inicialmente sobre la aplicabilidad de los nomogramas adicionalmente si las cabillas son re-utilizadas se tendriacutea que recurrir a factores de seguridad pocas veces impliacutecito en los nomogramas Finalmente se debe comentar que si la viscosidad es elevada el torque por friccioacuten deja de ser despreciable y en casos extremos puede llegar a constituir un componente importante inclusive criacutetico del torque En estos casos las formulas para calcular el esfuerzo en las cabillas son muy complejas y no es posible resolver el problema graacuteficamente tenieacutendose que recurrir a programas de computacioacuten Con el propoacutesito de continuar nuestro ejemplo considerando el head calculado de 1372 mts

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

y una bomba modelo 80TP2000 seguacuten en nomograma en referencia (Figura Ndeg 30 Anexo Ndeg 6) se podriacutean utilizar cabillas de 3 4rdquo Ya que la tuberiacutea es de 2-78rdquo se podriacutea elegir una sarta de cabillas (usada) de 78rdquo grado ldquoDrdquo o ahusada de 3 4rdquo y 78rdquo Supondremos sarta completa de 78rdquo

De igual manera para el caacutelculo de la carga axial que deberaacuten soportar los rodamientos del cabezal de rotacioacuten se utilizaraacute la siguiente graacutefica (ver Figura Ndeg 30 y Anexo Ndeg 7) La misma relaciona las siguientes variables 1048766 Profundidad de la bomba 1048766 Diaacutemetro de las cabillas 1048766 Altura total (o head) 1048766 Serie (diaacutemetro) de la bomba

La carga axial es la suma de dos componentes 1048766 El peso aparente de la sarta de cabillas en el fluido el cual es funcioacuten de

1048766 La longitud de la sarta (profundidad de la bomba) 1048766 El diaacutemetro (o el peso lineal) de las cabillas

1048766 El peso ejercido en el rotor por la altura hidraacuteulica el cual es funcioacuten de 1048766 La altura hidraacuteulica 1048766 La serie de la bomba (en aacuterea neta entre las cabillas y el rotor)

La altura hidraacuteulica ejerce su presioacuten en el rotor de la BCP como lo hace en el pistoacuten de la bomba mecaacutenica El peso aparente de la sarta de cabillas variacutea levemente seguacuten el peso especifico del fluido Sin embargo estas variaciones de peso son despreciables en comparacioacuten con la carga axial total Por lo tanto y con el fin de simplificar este peso se puede calcular tomando el peso especifico del fluido igual a 1 grcm3 Esto es lo que se ha considerado para disentildear la graacutefica anterior Esta graacutefica consta de tres partes o zonas 1048766 La zona izquierda permite determinar el peso propio de la sarta (Fr) 1048766 La zona derecha se utiliza para determinar el empuje ejercido por la altura hidraacuteulica en el rotor (Fh) 1048766 La zona central en la cual se suman los dos componentes

Con los datos del ejemplo Profundidad de bomba = 3200 pies Diaacutemetro de cabillas = 78 ldquo

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

Fr = 3500 daN Altura = 4500 pies Bomba serie 2-38rdquo Fh = 1000 daN Carga axial = 4500 daN =10115 lbs = 46 Tn Con la carga axial y la velocidad de rotacioacuten se utilizan las curvas de los rodamientos de los cabezales de rotacioacuten y en funcioacuten del cabezal elegido se puede calcular el tiempo de vida La seleccioacuten final debe considerar el factor econoacutemico ya que elegir un cabezal con rodamientos para servicio pesado para operar a baja velocidad y baja carga podriacutea durar mucho tiempo pero estariacutea subutilizado Seleccionando el cabezal de rotacioacuten modelo AV1-9-78rdquo con 46 Tn de carga axial y girando a 145 rpm se obtiene

una duracioacuten mayor a las 100 Mhoras (mas de 11 antildeos) Ver Figura Ndeg 32

Suponiendo ahora un cabezal modelo VH-100 con rodamientos de empuje estaacutendar se obtendriacutea una duracioacuten de 600 Mhoras o sea casi 70 antildeos (Ver Figura Ndeg 33 y Anexo Ndeg 8)Finalmente el disentildeo es el siguiente 1048766 Bomba modelo 80TP2000 instalada a 3200 pies 1048766 Tuberiacutea de 2-78rdquo con cabillas de 78rdquo 1048766 Velocidad de operacioacuten 145 rpm 1048766 Cabezal de rotacioacuten de 9000 lbs 1048766 La potencia del motor dependeraacute del equipo de superficie a utilizar estos es motovariador moto reductor o equipos de

poleas y correas 1048766 La potencia en el eje es de 73 Hp 1048766 El torque del sistema 264 lbs-pie En cuanto al caacutelculo de la carga axial y la seleccioacuten del cabezal de rotacioacuten se incluye en este trabajo (Ver Anexo Ndeg 9 Drivehead Ratings Technical Letter) una interesante nota teacutecnica para su consideracioacuten Se debe mencionar que este es un ejemplo sencillo de calculo con la finalidad de mostrar la metodologiacutea en general ya que tal y como se ha expuesto anteriormente para casos complejos es necesario recurrir a modelos y algoritmos que tratan de representar el comportamiento real en el pozo de una manera maacutes exacta En el Anexo Ndeg 10 se incluyen nomogramas adicionales para facilitar las aproximaciones manuales entre los cuales se encuentran nomogramas para correcciones de viscosidad en funcioacuten de la temperatura para calcular la presioacuten en el punto de burbujeo etc adicionalmente se anexan factores de conversioacuten de uso frecuente Por uacuteltimo se presentan una serie de consideraciones a tener presente durante el disentildeo de un sistema BCP 1048766 Disponer del registro (o perfil) del pozo es importante para determinar los gradientes de presioacuten y la capacidad de

levantamiento de la bomba Esta informacioacuten tambieacuten afecta otras decisiones tales como la posicioacuten de asentamiento de la bomba y la colocacioacuten de centralizadores de cabilla

1048766 Conocer la completacioacuten mecaacutenica del pozo es muy importante para determinar la colocacioacuten de la bomba o del ancla de gas sobre todo en aquellos pozos con forro ranurado y empaque con grava

La historia de produccioacuten de arena del pozo es un elemento de decisioacuten importante al momento de determinar la profundidad de colocacioacuten de la bomba Por ejemplo en un pozo completado en una zona con historia de alta produccioacuten de arena es conveniente colocar la bomba a menor profundidad (sobre el tope de las arenas productoras) y probablemente colocar una cola o tubo de barro mas largo

1048766 En general entre maacutes baja se coloque la bomba maacutes alto es el caudal que se podraacute alcanzar pues es posible lograr menores presiones de fondo fluyente y probablemente una mejor eficiencia volumeacutetrica Sin embargo al bajar la bomba se puede incrementar la arena manejada por el sistema la cual aumentaraacute el nivel de abrasioacuten perjudicando asiacute la vida uacutetil de los equipos de subsuelo

1048766 En caso de no contar con una medicioacuten de la presioacuten de cabezal es necesario conocer la geometriacutea de la liacutenea de flujo para estimar los cambios de presioacuten entre la estacioacuten y el cabezal por elevacioacuten y la peacuterdidas por friccioacuten

1048766 Las curvas de cataacutelogo son representaciones del comportamiento promedio de las bombas utilizando generalmente agua (viscosidad de 1 CP) y un rotor estaacutendar es recomendable ensayar en un banco de pruebas la bomba una vez adquirida esta con el rotor seleccionado y construir la curva real comparaacutendola con la del cataacutelogo esto es

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

importante tanto antes de instalar la bomba en el pozo como parte del protocolo de pruebas una vez recuperada la misma para determinar su posible reutilizacioacuten En la siguiente figura se ilustra el desempentildeo teoacuterico (curva roja) y real (curva vende) de una bomba 3TP1300

1048766 Para la seleccioacuten del diaacutemetro de la tuberiacutea de produccioacuten es necesario considerar en primer lugar el esquema de produccioacuten (por el eductor o por el anular) En el caso de produccioacuten por el espacio anular se puede usar una tuberiacutea maacutes pequentildea pero debe asegurarse que exista espacio suficiente en el tubo inmediatamente por encima de la bomba para absorber el movimiento exceacutentrico del rotor especialmente a nivel del acople

Cabe destacar la importancia de corroborar que todos los elementos a bajar por el interior de la tuberiacutea de produccioacuten tengan un diaacutemetro externo que lo permita y un espacio adicional para considerar la utilizacioacuten de pescantes

En algunos casos el diaacutemetro de la heacutelice del rotor (D+2E) es mayor que el cuello o conector de este con la sarta de cabillas asiacute que se debe tener presente esta medida a la hora de seleccionar los niples botellas tuberiacuteas y cualquier elemento que se coloque sobre la bomba Por ejemplo la en la bomba 15TP1200 prevalece el diaacutemetro del conector ya que es de 125rdquo y D+2E es de 139 mientras que en la bomba 430TP2000 prevalece D+2E con 291rdquo vs 226rdquo del conector

1048766 Al momento de disentildear la sarta de cabillas es posible emplear sartas ahusadas pero en general la componente mayor del esfuerzo soportado por la cabilla se debe al torque producido en la bomba por lo tanto la mejora que se observa en el tramo superior al reducir el peso de la sarta no compensa la reduccioacuten de resistencia asociada a la reduccioacuten de diaacutemetro del tramo inferior En crudos de alta viscosidad el aacuterea de flujo entre los acoples de cabilla y la tuberiacutea de produccioacuten puede ser criacutetica Noacutetese que si se sobredimensiona el diaacutemetro de las cabillas tambieacuten se reduce el espacio anular entre los acoples y la tuberiacutea lo cual produce un aumento de la presioacuten de descarga de la bomba y por lo tanto un aumento del torque hidraacuteulico En casos donde las peacuterdidas por friccioacuten sean relevantes es aconsejable el uso de acoples reducidos (slim hole couplings) o cabillas continuas 1048766 La eficiencia volumeacutetrica de las BCP al igual que la de otros tipos de bombas es afectada de manera significativa por

la presencia de gas libre Es por ello que en los casos donde se espera tener fracciones de gas significativas a la entrada de la bomba se recomienda invertir esfuerzos en la separacioacuten de gas

1048766 Las propiedades fiacutesico quiacutemicas del crudo y el gas son de gran importancia para determinar la concentracioacuten de aquellos componentes que atacan los elastoacutemeros en el liacutequido son los aromaacuteticos y asfaltenos y en el gas el CO 2 y el H2S

1048766 En el caso particular de crudos pesados y extrapesados muchas veces se presenta el fenoacutemeno de la espumosidad del crudo mediante la cual el gas se encuentra disperso en forma de pequentildeas burbujas dentro del crudo confirieacutendole al fluido una movilidad muy por encima de lo esperado para las altas viscosidades de este crudo y una densidad bastante menor a la del liacutequido Lo contrario ocurre con la formacioacuten de emulsiones en cuyo caso las caiacutedas de presioacuten suelen estar muy por encima de las correspondientes a la viscosidad del crudo

1048766 Para realizar una correcta seleccioacuten del moto-reductor es necesario contar con el torque requerido en superficie a la maacutexima velocidad de bombeo esperada Este torque depende del tipo de bomba el diferencial de presioacuten en la misma y del roce de las cabillas con el fluido en el eductor Una vez conocido el torque se selecciona la caja reductora cuya relacioacuten de transmisioacuten permita obtener la maacutexima velocidad de rotacioacuten esperada para la sarta Seguidamente se verifica que el torque maacuteximo de la caja reductora sea mayor a requerido en un 10 oacute 20

1048766 No existe una solucioacuten uacutenica para un disentildeo BCP la idea es elegir la mas adecuada dependiendo de las poliacuteticas o criterios que se manejen tales como mayor produccioacuten rentabilidad estandarizacioacuten soporte del suplidor de los equipos (asesoriacutea post venta) etc

1048766 La seleccioacuten del elastoacutemero y del rotor es de suma importancia ya que de ellos dependeraacute la magnitud de la interferencia y por ende la eficiencia de la bomba

La tabla siguiente muestra las caracteriacutesticas generales de los Elastoacutemeros utilizados en las BCP no obstante para ser mas asertivo en la seleccioacuten es necesario realizar pruebas de compatibilidad de los materiales con los fluidos del pozo recreando en lo posible el ambiente (presioacuten temperatura presencia de gas etc) en el cual se encontraraacute operando el material elastomeacuterico Las muestras viacutergenes de Elastoacutemeros (probetas) una vez envejecidas deben ser sometidas al conjunto de ensayos mecaacutenicos para determinar como se afectan sus propiedades mecaacutenicas al entrar en contacto con los fluidos del pozo Un elastoacutemero no deberiacutea presentar variaciones en sus propiedades mecaacutenicas mayores a las siguientes

En una buena praacutectica elaborar graacuteficos o curvas que muestren las propiedades mecaacutenicas en funcioacuten del tiempo de envejecimiento las Figuras Ndeg 35 y 36 muestran las variaciones en cuanto a hinchamiento y dureza para diversos tipos de elastoacutemeros

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN

• Un nivel dinaacutemico (o presioacuten fluyente) estaacute asociado a una tasa de produccioacuten determinada si aumenta la produccioacuten (al acelerar la bomba por ejemplo) baja el nivel y viceversa
• La distancia vertical entre la succioacuten de la bomba (PB) y el nivel dinaacutemico se conoce como Sumergencia de la bomba (H = PB ndash ND) Queda claro que para el disentildeo apropiado de un sistema de Bombeo por Cavidades Progresivas (y cualquier otro meacutetodo de levantamiento artificial e incluso si el pozo produce en forma natural) se debe conocer la capacidad del yacimiento en el aacuterea del pozo (oferta) solo el conocimiento de las presiones en el fondo del pozo (Pwf) y sus correspondientes tasas de produccioacuten (Q) permitiraacuten construir una relacioacuten que refleje lo que el yacimiento es capaz de ofrecer en este punto de drenaje De alliacute la importancia de establecer la relacioacuten entre la afluencia de los fluidos desde el yacimiento al pozo las cuales son producto de fuerzas que a su vez tienen lugar al variar las presioacuten en el yacimiento desde una presioacuten promedio del yacimiento (Ps) a las presiones de fondo fluyente (Pwf) Esta relacioacuten se conoce como Indice de Comportamiento de Afluencia (IPR) El primer intento para construir una curva que refleje el comportamiento de afluencia de un pozo (primera aproximacioacuten) fue el de una liacutenea recta Bajo este supuesto la tasa de produccioacuten (Q) del pozo seriacutea directamente proporcional a la diferencia entre la presioacuten del yacimiento y la presioacuten de fondo fluyente (Ps - Pwf) esta constante de proporcionalidad es conocida como Indice de Productividad (IP) y matemaacuteticamente se expresa de la siguiente manera
• Con los datos del ejemplo
• Fr = 3500 daN