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8/16/2019 Sistemas de Levantamiento Artificial (1)
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[ BOMBEO POR CAVIDADES PROGRESIVAS
III. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
( Conocer los principios f%sicos, el funcionamiento, la instalación en superficie y
fondo.
( Conocer las aplicaciones del sistema.
IV. MARCO TEÓRICO
)as bombas de Cavidades "rogresivas *!C"+ representan un método de
)evantamiento rtificial de crudos pesados, medianos y livianos que ofrece una
amplia versatilidad, alta eficiencia y ba&o costo. )a geometr%a simple de este
tipo de bombas constituidas principalmente por un rotor metálico, que es la
pieza interna conformada por una sola #élice, y un estator elastomérico que es
la parte externa que está constituida por una camisa de acero revestida
internamente por un elastómero *goma+ moldeado en forma de #élice
enfrentadas entre s% que le confieren al sistema tales venta&as.
)as bombas de desplazamiento positivo se caracterizan por ofrecer un caudal
constante *teóricamente+ aunque se var%e en la presión de descarga de la
misma, lo que representa una de las mayores venta&as de este tipo de bombas.
dicionalmente mediante la tecnolog%a de cavidades progresivas se pueden
bombear fluidos con contenidos de agua.
1. APLICACIONES
Explotación de petróleo pesado o liviano.
"ozos derivados.
Explotación de pozos de gas.
2. DISEÑO Consiste en un engrana&e #elicoidal enroscado extremo simple
*rotor+, el cual rota excéntricamente dentro de un engrana&e #elicoidal
enroscado interno doble *estator+.
3. FUNCIONAMIENTO
-n motor transmite movimiento rotacional a una sarta de cabillas a través de
distintos engrana&es, esta sarta de cabillas #acen girar al rotor, formando
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cavidades progresivas ascendentes. El crudo se desplaza #asta la superficie
por efecto del rotor que gira dentro del estator fi&o.
4. VENTAJAS• ltas eficiencias volumétricas.
• "roduce fluidos mas viscosos.
• Capacidad de bombear arena y gas libre.
• !uena resistencia a la abrasión.
• -tilizacion de motores mas pequeos y por ende menores costos de
levantamiento.
• elativamente silenciosa.
• /enor costo de capital comparado con otros métodos de levantamiento
artificial.
• 0cupa poco espacio en la superficie.
5. DESVENTAJAS
• El elastómero se #inc#a o deteriora en exposición a ciertos fluidos.
• El estator tiende a daarse si la bomba traba&a al vació.
• )a temperatura a la profundidad de la bomba afecta el elastómero.
• 1o opera con eficiencia a grandes extensiones de cabillas necesarias.
• 1o se emplea en crudo livianos.
$e sugiere utilizar las !C" con crudos entre 2 y 34 grados "' y con ba&o
contenido de aromáticos.
6. EQUIPOS
E!"#$% &' S!#'()"*"'
C+,'-+ G"(+/$("$
Este es un equipo de accionamiento mecánico instalado en la superficie
directamente sobre la cabeza de pozo. Consiste en un sistema de
rodamientos o co&inetes que soportan la carga axial del sistema, un sistema
de freno *mecánico o #idráulico+ que puede estar integrado a la estructura
del cabezal o ser un dispositivo externo, y un ensambla&e de instalación que
incluye el sistema de empaque *5stuffing box6+ para evitar la filtración de
fluidos a través de las conexiones de superficie.
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demás, algunos cabezales incluyen un sistema de ca&a reductora
accionado por engrana&es mecánicos o poleas y correas.
S"%/'0+ &' T(+%0"%"
Como sistema de transmisión se conoce el dispositivo utilizado para transferir la energ%a desde la fuente de energ%a primaria *motor eléctrico o de combustión
interna+ #asta el cabezal de rotación. "ara la transmisión de torsión de una
máquina motriz a una máquina conducida, existen al menos tres métodos muy
utilizados7 8ransmisión con engrana&es, correas flexibles de cauc#o reforzado y
cadenas de rodillos. 9ependiendo de la potencia, posición de los e&es, relación
de transmisión, sincrónica, distancia entre e&es y costo: se seleccionará el
método a utilizar. En la mayor%a de las aplicaciones donde es necesario operar
sistemas a velocidades menores a 4;< "/, es usual utilizar cabezales con
ca&a reductora interna *de engrana&e+ con un sistema alternativo de transmisión,
como correas y poleas. Esto se #ace con el fin de no forzar al motor a traba&ar
a muy ba&as "/, lo que traer%a como resultado la falla del mismo acorto plazo
debido a la insuficiente disipación de calor.
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S"%/'0+ &' C$(('+% P$'+%)a relación de transmisión con poleas y correas
debe ser determinada dependiendo del tipo de cabezal seleccionado y de la
potencia=torque que se deba transmitir a las varillas de bombeo *a la "C"+.
En el caso de los cabezales sin ca&as reductoras *9irectos+ la relación es
directa y viene determinada por la velocidad del motor y la velocidad requerida
por el sistema.
S"%/'0+% &' F('$
)a segunda función importante del cabezal es la de frenado que requiere el
sistema. Cuando un sistema !C" está en operación, una cantidad significativa
de energ%a se acumula en forma de torsión sobre las varillas. $i el sistema se
para repentinamente, la sarta de varillas de bombeo libera esa energ%a girando
en forma inversa para liberar torsión. dicionalmente, a esta rotación inversa se
le suma la producida debido a la igualación de niveles de fluido en la tuber%a de
producción y el espacio anular, en el momento de la parada. 9urante ese
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proceso de marc#a inversa, se puede alcanzar velocidades de rotación muy
altas. l perder el control de la marc#a inversa, las altas velocidades pueden
causar severos daos al equipo de superficie, desenrosque de la sarta de
varillas y #asta la rotura violenta de la polea el cabezal, pudiendo ocasionar
esta situación daos severos al operador.
F('$ &' +**"$+0"'/$ #$( )("**"
Compuesto tradicionalmente de un sistema de disco y pastillas de fricción,
accionadas #idráulicamente o mecánicamente cuando se e&ecuta el giro a la
inversa. )a mayor%a de estos sistemas son instalados externamente al cuerpo
del cabezal, con el disco acoplado al e&e rotatorio que se a&usta al e&e del
cabezal. Este tipo de freno es utilizado generalmente para potencias
transmitidas menores a >; ?"
F('$ &' +**"$+0"'/$ "&(!"*$
Es muy utilizado debido a su mayor eficiencia de acción. Es un sistema
integrado al cuerpo del cabezal que consiste en un plato rotatorio adaptado al
e&e del cabezal que gira libremente en el sentido de las agu&as del relo&
*operación de una !C"+. l ocurrir la marc#a #acia atrás, el plato acciona un
mecanismo #idráulico que genera resistencia al movimiento inverso, lo que
permite que se reduzca considerablemente la velocidad inversa y se disipe la
energ%a acumulada. 9ependiendo del diseo del cabezal, este mecanismo
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#idráulico puede accionarse con &uegos de válvula de drena&e, embragues
mecánicos, etc.
P('%+ E%/$#+
8iene como función principal sellar el espacio entre la barra pulida y la tuber%a
de producción, evitando con ello la filtración y comunicación del área donde es
ubicado el pozo. El diámetro interno de la prensa estopa var%a dependiendo
dela barra pulida.
B+((+ P!"&+ %! G(+#+
Es un tubo sólido de acero inoxidable, se conecta a la sarta de cabillas y es
soportada en la parte superior del cabezal giratorio mediante la instalación de
una grapa.
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)as principales venta&as que proporciona este método de levantamiento
artificial, es que se puede utilizar en la producción de fluidos muy viscosos y
que posee pocas partes móviles por lo que su mantenimiento es relativamente
sencillo. Con respecto a las desventa&as que ofrece este sistema, está el #ec#o
de que el elastómero se puede llegar a deteriorar debido a agentes
contaminantes en el crudo y que no puede ser utilizada a grandes
profundidades por dos razones principales7 ser%a necesario el uso grandes
extensiones de cabillas y las altas temperaturas también pueden daar el
elastómero.
• E!"#$% &' S!,%!'$
T!,'(7+ &' P($&!**"
Es una tuber%a de acero que comunica la bomba de subsuelo con el cabezal
y la l%nea de flu&o. En caso de #aber instalado un ancla de torsión, la
columna se arma con torsión óptimo "', correspondiente a su diámetro. $i
existiera arena, aún con ancla de torsión, se debe a&ustar con la torsión
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máxima "', de este modo en caso de quedar el ancla atrapada, existen
más posibilidades de librarla, lo que se realiza girando la columna #acia la
izquierda. $i no #ay ancla de torsión, se debe a&ustar también con el
máximo "', para prevenir el desenrosque de la tuber%a de producción.
S+(/+ &' V+("+%
Es un con&unto de varillas unidas entre s% por medio decuplas formando
la mencionada sarta, se introduce en el pozo y de esta forma se #ace
parte integral del sistema de bombeo de cavidad progresiva. )a sarta
está situada desde la bomba #asta la superficie. )os diámetros máximos
utilizados están limitados por el diámetro interior de la tuber%a de
producción, utilizándose diámetros reducidos y en consecuencia cuplas
reducidas, de manera, de no raspar con el tubing.
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E%/+/$(
-sualmente está conectado a la tuber%a de producción: es una #élice
doble interna y moldeado a precisión, #ec#o de un elastómero sintético
el cual está ad#erido dentro de un tubo de acero. En el estator se
encuentra una barra #orizontal en la parte inferior del tubo que sirve para
sostener el rotor y a la vez es el punto de partida para el espaciamiento
del mismo.
E+%/0'($
Es una goma en forma de espiral y está ad#erida a un tubo de acero el
cual forma el estator. El elastómero es un material que puede ser
estirado varias veces su longitud original teniendo la capacidad de
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recobrar rápidamente sus dimensiones una vez que la fuerza es
removida.
R$/$(
$uspendido y girado por las varillas, es la única pieza que se mueve en
la bomba. Este consiste en una #élice externa con un área de sección
transversal redondeada, tornada a precisión #ec#a de acero al cromo
para darle mayor resistencia contra la abrasión. 8iene como función
principal bombear el fluido girando de modo excéntrico dentro del
estator, creando cavidades que progresan en forma ascendente.
Estando el estator y el rotor al mismo nivel, sus extremos inferiores del
rotor, sobresale del elastómero aproximadamente unos @A< mm a ;3<
mm, este dato permite verificar en muc#os casos si el espaciamiento fue
bien realizado. En caso de presencia de arena, aunque sea escasa, esta
de&a muc#as veces marcada la #élice del rotor. 9e este modo, al retirar
el rotor por cualquier motivo, se puede observar en qué punto estuvo
traba&ando dentro del estator, partiendo del extremo superior del rotor.
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C'/(+"-+&$(
"uede ser un componente adicional, sin embargo, tiene mayor uso en
especial para proteger las partes del sistema. El tipo de centralizadores
es el Bno soldadoB. Empleado en la tuber%a con el propósito de minimizar
el efecto de variaciones y a la vez para centralizar la bomba dentro de la
tuber%a de producción.
N"#' I/'(0'&"$ $ N"#' E%#+*"+&$(
$u función es la de permitir el movimiento excéntrico de la cabeza del
rotor con su cupla o reducción de conexión al trozo largo de maniobra o
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a la última varilla, cuando el diámetro de la tuber%a de producción no lo
permite. En este caso es imprescindible su instalación.
N"#' &' P+($
Es parte componente de la bomba y va roscado al extremo inferior del
estator. $u función es7
( ?acer de 8ope al rotor en el momento del espaciamiento, para
que el rotor tenga el espacio suficiente para traba&ar
correctamente.( $ervir de pulmón al estiramiento de las varillas, con la unidad
funcionando.( Como succión de la bomba.
)os más usuales son los de rosca doble, con una rosca #embra en su
extremo superior, que va roscada al estator y una rosca mac#o de la
misma medida en su extremo inferior, para permitir instalar deba&o el
ancla detorsión o cualquier otro elemento. la vez el centro de la misma
#ace de tope con el rotor, durante el espaciamiento.
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T($-$ &' M+"$,(+
Es muy importante instalar un trozo de esta medida inmediatamente por
encima del rotor, en lugar de una varilla, cuando gira a velocidades
superiores a las 3;< "/. Cuando se instala una varilla, debido a su
largo y al movimiento excéntrico del rotor que se transmite directamente
a ella, tiende a doblarse y rozar contra las paredes de la última tuber%a
de producción. El trozo de maniobra, al ser de menos de la mitad del
largo de la varilla, se dobla menos o no se dobla, dependiendo de su
diámetro.
A*+ &' T$(%"
l girar la sarta en el sentido de las agu&as del relo&, o #acia la derec#a
*vista desde arriba+ se realiza la acción de girar la columna también
#acia la derec#a, es decir #acia el sentido de desenrosque de los caos.
esto se suman las vibraciones producidas en la columna por las ondas
armónicas ocasionadas por el giro de la #élice del rotor dentro del
estator, vibraciones que son tanto mayores cuanto más profunda es la
instalación de la bomba. )a combinación de ambos efectos puede
producir el desprendimiento de la tuber%a de producción, el ancla de
torsión evita este problema. Cuanto más la columna tiende al
desenrosque, más se a&usta el ancla. 9ebe ir siempre instalada deba&o
del estator.
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Es el elemento de la columna donde el esfuerzo de torsión es mayor, no
siempre es necesaria su instalación, ya que en bombas de menor caudal
aba&as velocidades y ba&as profundidades no se tienen torques
importantes y no se producen grandes vibraciones. 1o obstante, es
recomendable en todos los casos.
N"#' A%"'/$
Es una pequea unión sustituta que se corre en la sarta de producción.
"ermite fi&ar la instalación a la profundidad deseada y realizar una
prueba de #ermeticidad de caer%a. En bombas insertables el
mecanismo de ancla&e es mediante un mandril a copas que permite
utilizar el mismo niple de asiento que una bomba mecánica, evitando en
un futuro el movimiento de instalación de tuber%a de producción al
momento de cambiar el sistema de extracción.
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M+&(" + C$#+%
"ermite fi&ar la instalación en el niple de asiento y produce la
#ermeticidad entre la instalación de tuber%a de producción y el resto del
pozo. El término mandril tiene muc#os significados. "uede referirse al
cuerpo principal de una #erramienta o un e&e. dicionalmente, partes de
la #erramienta podr%an estar conectadas, arregladas o enca&adas
adentro. 8ambién puede ser varillas de operación en una #erramienta.
8+#+/$ P($,+&$( &' '(0'/"*"&+&
En caso de ser instalado *altamente recomendado+, se debe colocar
siempre arriba del niple intermedio. "ara poder probar toda la caer%a y
además como su diámetro interno es menor que el de la tuber%a de
producción no permite el paso de centralizadores a través de él. "ara
algunas medidas de bomba, no se puede utilizar, porque el pasa&e
interior del mismo es inferior al diámetro del rotor impidiendo su paso en
la ba&ada. )a interferencia entre el rotor y el estator es suficiente sello
para probar la #ermeticidad, aunque siempre existe escurrimiento, tanto
mayor, cuanto mayor sea la presión total resultante sobre la bomba. )a
suma de la presión de prueba más la altura de la columna debe ser tal
que no supere la altura manométrica de la bomba para evitar daarla.C+9$ F"/($
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$e utiliza para evitar, *en el caso de rotura de estator con
desprendimiento de elastómero+, trozos de tamao regular del mismo,
pueden estar dentro del espacio anular. -na vez cambiada la instalación
de fondo, estos pedazos de elastómero podrán ser recuperados con
equipo especial y no permanecerán en el pozo donde se corre el peligro
que sean succionados nuevamente por la bomba.
V. CONCLUSIONES
• )as venta&as que presenta el !C" lo convierte en un sistema confiable
en la producción de petróleos pesados.
• Comparándola con las otras formas de levantamiento artificial ésta es
una de las tecnolog%as más eficientes en la producción de petróleos con
altas viscosidades que se encuentran en pozos con condiciones de
operación dif%ciles ya que fue diseado para traba&ar en condiciones
extremas.
VI. BIBLIOGRAFÍA
American Petroleum Institute, NORMA API, “Progressive cavity pumps
systems for artificial lift – Part 1: Pumps – Part 2: urface !rive systems"#
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