Cuando la energía natural de un yacimiento es suficiente para promover el desplazamiento de los fluidos desde el yacimiento hasta el fondo del pozo, y de allí hasta la superficie, se dice que el pozo fluye “naturalmente”, es decir, el fluido se desplaza como consecuencia del diferencial de presión entre la formación y el fondo del pozo. Posteriormente como producto de la explotación del yacimiento la presión de éste disminuye, esto implica que la producción de fluidos baja hasta el momento en el cual, el pozo deja de producir por sí mismo. De allí que surja la necesidad de extraer los fluidos del yacimiento mediante la aplicación de fuerzas o energías ajenas al pozo, a este proceso se le denomina Levantamiento Artificial.
En nuestro caso que va enfocado a los crudos pesados y extra pesados donde su gravedad API es menor a 20 y esta va de la mano con la viscosidad mientras su gravedad API sea menor su viscosidad es mayor, lo que implica maniobrar con altas viscosidades y como ya sabemos que esta es la resistencia del fluido a fluir y en lo que corresponde a su producción utilizar estos métodos de levantamiento artificial en pro de optimizar dicho proceso en su mayoría y a su vez genere dividendos con veneficios para la empresa.
Existen diversos Métodos de Levantamiento Artificial entre los cuales para crudos pesados se encuentran los siguientes:
a) Bombeo Mecánico Convencional (BMC)
b) Bombeo Electrosumergible (BES)
c) Bombeo de Cavidad Progresiva (BCP)
A continuación se describen brevemente los Métodos de Levantamiento Artificial mencionados anteriormente:
Bombeo Mecánico Convencional Este Método consiste fundamentalmente en una bomba de subsuelo de acción reciprocante, abastecida con energía suministrada a través de una sarta de cabillas. La energía proviene de un motor eléctrico, o de combustión interna, la cual moviliza una unidad de superficie mediante un sistema de engranajes y correas. Una unidad típica de Bombeo Mecánico consiste de cinco componentes básicos:
a) El Movimiento primario, el cual suministra la potencia del sistema.
b) La unidad de transmisión de potencia o caja reductora de velocidades.
c) El Equipo de bombeo en superficie, el cual se encarga de transformar el movimiento rotatorio (primario) en movimiento linealmente oscilatorio.
d) La sarta de cabillas, la cual transmite el movimiento y la potencia a la bomba de subsuelo. Aquí también puede incluirse la sarta de revestimiento y la de tubería de producción.
e) La Bomba de subsuelo.
Unidad de bombeo mecanico.
La Unidad de Bombeo en superficie
La Unidad de Bombeo en superficie incluye en sus componentes los ítems a, b y c mencionados anteriormente. Según la geometría de la Unidad, éstas pueden clasificarse como:
Clase I: comúnmente denominados como Unidad Convencional de Bombeo. Este tipo de unidad se caracteriza por tener el punto de apoyo de la viga viajera cerca de la cabeza del balancín.
Clase III: la geometría de este tipo de unidades se caracteriza por tener el punto de apoyo de la viga viajera al final de ésta, es decir, lejos de la cabeza del balancín. Dentro de esta clase se ubican las unidades balanceadas por aire y las conocidas como Lufkin Mark II.
Clase II
La Sarta de Cabillas
La sarta de cabillas es el sistema que se encarga de transmitir la energía desde el equipo de superficie, hasta la bomba de subsuelo. La selección, el número de cabillas y el diámetro de éstas dependen de la profundidad a la que se desea colocar la bomba de subsuelo y de las condiciones operativas. Por ejemplo, para pozos de profundidad mayor a 3500 pies es común utilizar una sarta compuesta de diferentes diámetros de cabillas.
Las cabillas de diámetro menor son colocadas en la parte inferior de la sarta, ya que allí la carga de esfuerzos generados es mínima; asimismo las cabillas de mayor diámetro se colocan en la parte superior de la sarta porque allí es donde se genera la máxima cantidad de esfuerzos. Por lo tanto, las cargas máximas y mínimas de esfuerzos esperados durante el ciclo de bombeo deben ser calculados lo más preciso posible, para asegurar que no ocurran fallas en el sistema durante su operación.
Para evitar que ocurran los problemas mencionados anteriormente con la Sarta de Cabillas, el diseño de la misma se realiza generalmente siguiendo la Norma API RP 11L.2
La Bomba de subsuelo
La Bomba de Subsuelo está compuesta por los siguientes elementos:
a) Cilindro o Barril
b) Pistón o Émbolo
c) Válvula fija o Válvula de entrada
d) Válvula viajera o Válvula de descarga
La bomba actúa según el movimiento de la sarta de cabillas y de la unidad de bombeo en superficie. Estas bombas se clasifican en tres tipos básicos:
- Bombas Tipo Tubería
- Bombas Tipo Inserta
- Bombas Tipo Casing (se consideran como una versión de las bombas Tipo Inserta, pero de mayor tamaño)
La diferencia básica entre una bomba Tipo Tubería y una Tipo Inserta es la forma en la cual el cilindro o barril es instalado en el pozo. En el caso de las bombas Tipo Tubería el cilindro es conectado a la parte inferior de la sarta de la tubería de producción, para luego ser introducido en el hoyo. Por el contrario, en el caso de las bombas Tipo Inserta el cilindro forma parte del ensamblaje de la bomba de subsuelo, y es colocado dentro del pozo a través de la sarta de cabillas.
El Bombeo Mecánico Convencional tiene su principal aplicación en el ámbito mundial en la producción de crudos pesados y extrapesados, aunque también se usa en la producción de crudos medianos y livianos. No se recomienda en pozos desviados, y tampoco es recomendable cuando la producción de sólidos y/o la relación gas – líquido sea muy alta, ya que afecta considerablemente la eficiencia de la bomba.
Componente de Subsuelo
Funcionamiento.
La bomba se baja dentro la tubería de producción y se asienta en el fondo con el uso de empacaduras. La bomba es accionada por medio de las varillas que le transmiten el movimiento desde el aparato de bombeo, éste consta de un balancín al cual se le transmite el movimiento de vaivén por medio de la biela y la manivela, éstas se accionan a través de una caja reductora movida por un motor.
El balancín de producción imparte un movimiento de sube y baja a la sarta de varillas de succión que mueve el pistón de la bomba, colocada en la sarta de producción o en la educción, a cierta profundidad del fondo del pozo.
La válvula fija permite que el petróleo entre al cilindro de la bomba. Por un lado en la carrera descendente de las varillas, la válvula fija se cierra y se abre la válvula viajera para que el petróleo pase de la bomba a la tubería de educción. Por el otro, en la carrera ascendente, la válvula viajera se cierra para mover hacia la superficie el petróleo que está en la tubería y la válvula fija permite que entre petróleo a la bomba. La repetición continua del movimiento ascendente y descendente mantiene el flujo hacia la superficie.
Bombeo Electrosumergible
Este Método de Levantamiento Artificial es aplicable cuando se desea producir grandes volúmenes de fluido, en pozos medianamente profundos y con grandes potenciales.
Sin embargo, los consumos de potencia por barril diario producido son también elevados, especialmente en crudos viscosos. Una instalación de este tipo puede operar dentro de una amplia gama de condiciones y manejar cualquier fluido o crudo, con los accesorios adecuados para cada caso.
El equipo de superficie de este sistema de Levantamiento Artificial cuenta con los siguientes elementos:
a) Banco de transformación eléctrica: constituido por transformadores que cambian el voltaje primario de la línea eléctrica por el voltaje requerido por el motor.
b) Tablero de control: su función es controlar las operaciones en el pozo.
c) Variador de frecuencia: permite arrancar los motores a bajas velocidades reduciendo los esfuerzos en el eje de la bomba, protege el equipo de variaciones eléctricas.
d) Caja de venteo: está ubicada entre el cabezal del pozo y el tablero de control, conecta el cable de energía del equipo de superficie con el cable de conexión del motor, además permite ventear a la atmósfera el gas que fluye a través del cable, impidiendo que llegue al tablero de control.
Los principales componentes del equipo de subsuelo son los siguientes:
a) Motor eléctrico: es la fuente de potencia que genera el movimiento a la bomba para mantener la producción de fluidos. Se recomienda colocarlo por encima de las perforaciones.
b) Protector o sello: se encuentra entre el motor y la bomba, permite conectar el eje de la bomba al eje del motor. Además absorbe las cargas axiales de la bomba y compensa la expansión o contracción del motor, no permite la entrada de fluidos al motor.
c) Sección de succión: está constituida por la válvula de retención y la válvula de drenaje. La primera de ellas disminuye la presión hidrostática sobre los componentes de la bomba, y la segunda se utiliza como factor de seguridad para circular el pozo de revestidor a tubería de producción o viceversa.
d) Separador de gas: está ubicado entre el protector y la bomba, reduce la cantidad de gas libre que pasa a través de la bomba. Su uso es opcional, es decir, se emplea cuando se prevé alta relación gas – petróleo (RGP).
e) Bomba Electrosumergible: es de tipo centrífugo – multietapas, cada etapa consiste en un impulsor rotativo y un difusor fijo. El número de etapas determina la capacidad de levantamiento y la potencia requerida para ello. El movimiento rotativo del impulsor imparte un movimiento tangencial al fluido que pasa a través de la bomba, creando la fuerza centrífuga que impulsa al fluido en forma radial, es decir, el fluido viaja a través del impulsor en la resultante del movimiento radial y tangencial, generando al fluido verdadera dirección y sentido del movimiento.
f) Cables trifásicos: suministran la potencia al motor eléctrico, y deben cumplir con los requerimientos de energía del mismo. Están aislados externamente con un protector de bronce o aluminio, en la parte media un aislante y cada cable está internamente aislado con plástico de alta densidad.
Es posible la aplicación de Bombeo Electrosumergible en pozos que se encuentren bajo las siguientes condiciones: altas tasas de producción, alto índice de productividad, baja presión de fondo, alta relación agua – petróleo, y baja relación gas – líquido (RGL). En caso de alta RGL, se puede emplear este método utilizando un separador de gas.
Equipo de bombeo electosumergible
Funcionamiento
El BES tiene como función levantar el fluido desde el yacimiento hasta la superficie, a través de fuerzas centrifugas que se originan en un equipo rotatorio que incluye un impulsor unido a un difusor, un eje, lo cual permite que el fluido ascienda a través de las etapas de los impulsores y llegue a la presión requerida hasta la estación recolectora.
El sistema BES posee una bomba de subsuelo que no es más que una turbo maquina combinada (radial-axial) que se acciona a través de un motor eléctrico instalado en el fondo. La electricidad es suministrada al motor a través de un cable el cual está especialmente diseñado para resistir las rigurosas condiciones de generación presentes dentro del pozo. Este sistema posee dispositivos para garantizar el enfriamiento apropiado del motor, sellos para que no exista contaminación y además permiten la expansión térmica que experimenta el aceite interno del motor.
Este sistema de producción se caracteriza por su capacidad de producir volúmenes considerables de fluidos desde grandes profundidades. El rango de capacidad de los equipos varía desde 200 – 60000 BPD y con profundidades de bombeo de hasta 15000 pies.
El BES se ve afectado en su funcionamiento por ciertas características del pozo como son: altas relaciones gas-petróleo, altas temperaturas presencia de arena en los fluidos producidos y medio ambiente de operación agresivo.
Una unidad típica de bombeo electro sumergible está constituida por un equipo de subsuelo, el cual cuenta con: motor eléctrico, bomba electro sumergible, cable de potencia, sellos, separador de gas y un sensor de fondo para temperatura y presión. Además el BES también cuenta con un equipo de superficie, el cual está constituido por: transformadores, variador de frecuencia, caja de venteo y cabezal de descarga. La integración de estos componentes es indispensable para un óptimo funcionamiento del sistema BES, ya que cada uno ejecuta una función esencial para obtener las condiciones de operación deseadas.
Bombeo de Cavidad Progresiva
Las bombas de Cavidad Progresiva son máquinas rotativas de desplazamiento positivo, compuestas por un rotor metálico, un estator cuyo material es elastómero generalmente, un sistema motor y un sistema de acoples flexibles. El efecto de bombeo se obtiene a través de cavidades sucesivas e independientes que se desplazan desde la succión hasta la descarga de la bomba a medida que el rotor gira dentro del estator. El movimiento es transmitido por medio de una sarta de cabillas desde la superficie hasta la bomba, empleando para ello un motor – reductor acoplado a las cabillas.
Este tipo de bombas se caracteriza por operar a baja velocidades y permitir manejar altos volúmenes de gas o sólidos en suspensión, así como también son ideales para manejar crudos pesados y extrapesados.
Los componentes básicos de un sistema de Bombeo de Cavidad Progresiva incluyen:
Equipos de superficie
a) Movimiento primario (motor): su función principal es la de proveer la energía necesaria para mover el equipo de superficie, y por ende la sarta de cabillas y la bomba.
b) Equipo de transmisión de potencia: a través de un conjunto de poleas, cadenas y un sistema hidráulico, se encarga de transmitirle potencia al motor.
c) Cabezal giratorio: su función principal es la de soportar el peso de la sarta de cabillas. Además, evita que ésta última retroceda cuando el sistema se apaga. También se puede incluir dentro de este grupo el Prensaestopas y la Barra Pulida.
Equipos de subsuelo
En este grupo de componentes se encuentran la bomba de subsuelo, el ancla de gas, el ancla anti torque y la sarta de cabillas.
La bomba de subsuelo consiste de un rotor helicoidal singular que rota alrededor de un mismo eje, dentro de un estator helicoidal doble de mismo diámetro “menor” y del doble de longitud “pitch” . El rotor y el estator forman una serie de cavidades selladas a lo largo de una misma dirección, que se desplazan desde la succión hasta la descarga de la bomba.
El desplazamiento de una bomba de Cavidad Progresiva además de ser función de la velocidad de rotación, es directamente proporcional a tres constantes: el diámetro de la sección transversal del rotor, la excentricidad (o radio de la hélice) y la longitud “pitch” de la hélice del estator. El desplazamiento por revolución puede variar con el tamaño del área de la cavidad.
Estator de la bomba
Con respecto al elastómero del estator, actualmente existen tres componentes en el mercado para Bombas de Cavidad Progresiva 4, todos estos componentes son formulados a partir de la goma de nitrilo. Los componentes y algunas de sus aplicaciones se muestran a continuación:
- (ACN) Nitrilo con concentración media de Acrilonitrilo. Este tipo de elastómero puede ser aplicado en crudos de gravedades API menores a 28 grados, con altos cortes de agua. Asimismo, el material posee excelentes propiedades mecánicas, teniendo como límite de temperatura de aplicación 200 grados Fahrenheit.
- (ACN) Nitrilo de alta concentración de Acrilonitrilo. Este material posee alta resistencia a la presencia de aromáticos. Puede ser aplicado en crudos con gravedad entre 28 y 38 grados API. El material soporta temperaturas de hasta 225 grados Fahrenheit.
- (HSN) Nitrilo altamente saturado y de alta concentración de Acrilonitrilo. Este tipo de material no aplica ante la presencia de aromáticos. Sus propiedades mecánicas son excelentes y soportan temperaturas hasta 275 grados Fahrenheit.
Este Método de Levantamiento Artificial es aplicable a crudos de mediana y baja gravedad API, además de que puede manejar cortes de agua y contenido de sólidos en suspensión relativamente altos.
Funcionamiento del Sistema BCP.
El Bombeo por Cavidad Progresiva proporciona un método de levantamiento artificial que se puede utilizar en la producción de fluidos muy viscosos y posee pocas partes móviles por lo que su mantenimiento es relativamente sencillo.
Un sistema BCP consta básicamente de un cabezal de accionamiento en superficie y una bomba de fondo compuesta de un rotor de acero, en forma helicoidal de paso simple y sección circular, que gira dentro de un estator de elastómero vulcanizado.
La operación de la bomba es sencilla; a medida que el rotor gira excéntricamente dentro del estator, se van formando cavidades selladas entre las superficies de ambos, para mover el fluido desde la succión de la bomba hasta su descarga.
El estator va en el fondo del pozo enroscado a la tubería de producción con un empaque no sellante en su parte superior. El diámetro de este empaque debe ser lo suficientemente grande como para permitir el paso de fluidos a la descarga de la bomba sin presentar restricción de ningún tipo, y lo suficientemente pequeño como para no permitir el paso libre de los acoples de la extensión del rotor.
El rotor va roscado en las varillas por medio del niple espaciador o intermedio, las varillas son las que proporcionan el movimiento desde la superficie hasta la cabeza del rotor. La geometría del conjunto es tal, que forma una serie de cavidades idénticas y separadas entre sí. Cuando el rotor gira en el interior del estator estas cavidades se desplazan axialmente desde el fondo del estator hasta la descarga generando de esta manera el bombeo por cavidades progresivas.
Debido a que las cavidades están hidráulicamente selladas entre sí, el tipo de bombeo es de desplazamiento positivo.
La instalación de superficie está compuesta por un cabezal de rotación, que está conformado, por el sistema de trasmisión y el sistema de frenado. Estos sistemas proporcionan la potencia necesaria para poner en funcionamiento al a bomba de cavidades progresivas.
Otro elemento importante en este tipo de instalaciones es el sistema de anclaje, que debe impedir el movimiento rotativo del equipo ya que, de lo contrario, no existirá acción de bombeo. En vista de esto, debe conocerse la torsión máxima que puede soportar este mecanismo a fin de evitar daños innecesarios y mala operación del sistema.
El niple de asentamiento o zapato, en el que va instalado y asegurado al sistema de anclaje, se conecta a la tubería de producción permanentemente con lo cual es posible asentar y desasentar la bomba tantas veces como sea necesario.
