Bombeo Por Cavidad Progresiva

ANTECEDENTES

La Bomba de Cavidades Progresivas (BCP) fue inventada en 1932 por el ingeniero francés, René Moineau, quién estableció la empresa llamada PCM POMPES S.A. para la fabricación de las mismas. Desde su fabricación, estas bombas fueron ampliamente utilizadas como bombas de superficie especialmente para la transferencia de fluidos viscosos en aplicaciones de la industria de alimentos, química y de tratamiento de aguas. Posteriormente, en Canadá, se vería la amplia aplicabilidad de éstas bombas para el levantamiento de crudos de alta viscosidad.

Las primeras BCP utilizadas en Canadá fueron instaladas en 1979 en pozos de petróleo con alto contenido de arena y baja gravedad API (crudos pesados). Estas bombas, inicialmente accionadas con motores de fondo, constituían un reto operacional y económico cada vez que eran empleadas, por lo que en el año 1985, la empresa Total bajó la primera BCP accionada por cabillas desde la superficie, con una instalación sencilla, y principalmente, a menor costo. Desde este instante, se vio impulsado el uso de las BCP en la industria petrolera global, principalmente en Canadá y Venezuela por la aplicabilidad para levantamiento de crudos pesados y de alta viscosidad, pero no con ello, dejando de ser utilizado en pozos productores de crudos medianos y livianos, o pozos con alta producción de agua y arena. En el caso específico de Venezuela, las evaluaciones iniciales del uso de BCP no fueron del todo satisfactorias, debido en gran parte al desconocimiento del sistema de funcionamiento y limitaciones que presentaba el sistema. Actualmente, se cuenta con instalaciones exitosas en pozos de crudos viscosos; crudos pesados y medianos; y aplicaciones a moderadas profundidades.

2.3.- BOMBEO POR CAVIDADES PROGRESIVAS

2.3.1.- Principio

Una Bomba a Cavidades Progresivas está constituida esencialmente por un engranaje compuesto de dos elementos helicoidales insertos el uno al interior del otro y con ejes longitudinales paralelos. El elemento exterior llamado estator, tiene un paso o diente más que el interior llamado rotor. El número de pasos de los dos elementos puede ser de cualquier valor bajo la condición que difiera de una unidad. El rotor está diseñado de tal manera que cada uno de los pasos o dientes esté permanentemente en contacto con el estator. Los pasos de las hélices de ambos elementos están, para cada sección recta, en relación con el número de dientes. Las secciones rectas de los elementos helicoidales están constituidas por perfiles conjugados obtenidos por la combinación de epicicloides e hipocicloides, cuyos círculos generados tienen como diámetro el valor de la distancia entre los ejes longitudinales de dos elementos helicoidales.

El enrollamiento en hélice de los perfiles alrededor de sus ejes de rotación crea entre los dos elementos helicoidales capacidades, cuya longitud iguala el paso del elemento exterior. Si se gira el elemento interior en el elemento exterior, los volúmenes se desplazan sin deformación siguiendo un movimiento helicoidal a lo largo del elemento exterior.

A condición de que las hélices del elemento helicoidal exterior giren más de una vuelta, la bomba permite una descarga bajo presión o una expansión de un fluido, sin que sea necesario el uso de válvulas de retención. La presión aumenta solamente después del primer giro de las hélices del elemento exterior.

Entre los dos engranajes se forman unas cavidades que se abren a la extremidad izquierda cuando el rotor gira, crecen, están aisladas entre ellas y desembocan en el otro extremo, disminuyendo progresivamente para acabar anulándose. Este movimiento origina la formación de cavidades, delimitadas por el rotor y el estator, que se desplazan axialmente de la aspiración hacia el reflujo. Según este principio se tiene una bomba volumétrica rotativa:

• Reversible auto-aspirante

• Sin válvula de contrapresión

• Con caudal uniforme sin impulsos ni sacudidas de tipo alguno

• Capaz de desplazar productos de fluidez máxima a productos de pastosidad máxima, incluso cargados de sólidos y contenido gas.

Generalidades

Los sistemas BCP poseen ciertas condiciones que los hacen ventajosos con respecto a otros métodos de levantamiento artificial. Una de ellas, radica en su alta eficiencia de funcionamiento. Característicamente, se obtienen eficiencias entre 50% y 60%. Otras ventajas resaltantes sobre el empleo de BCP como mecanismo de levantamiento artificial son:

• Bajos costos de instalación

• Bombeo de caudales constantes sin válvula reguladora en superficie

• Capacidad de bombeo de crudos de elevada viscosidad

• Capacidad de manejo de gas y arena. Cortes de arena de hasta 50%.

• Producción de crudo pesado y extra-pesado

• Producción de crudo mediano (12 a 20 °API) con limitado contenido de H2S

• Producción de crudo liviano dulce (mayor a 20°API), con limitado contenido de aromáticos

• Resistencia a la abrasión

• Bajos requerimientos de energía

• Constante demanda de energía, sin fluctuaciones de consumo

• Instalación sencilla.

• Fácil seguimiento de operación

• Bajo costo de mantenimiento

• Nivel de ruido bajo

• Equipo de superficie de reducidas dimensiones

Descripción General

Las bombas de cavidades progresivas están compuestas de dos elementos: el rotor y el estator. La geometría del conjunto constituye dos o más series de cavidades aisladas. Cuando el rotor gira en el interior del estator, las cavidades se desplazan axialmente a lo largo del estator, constituyendo así el mecanismo de bombeo. El sistema de accionado hace que el rotor gire sobre sí mismo. Cuando el rotor ha girado una vez, su eje ha girado otra en sentido contrario en torno al eje del estator manteniendo su paralelismo.

Este movimiento origina la creación de lóbulos delimitados por el rotor y el estator, que se desplazan axialmente de la aspiración al reflujo. Existen parámetros que caracterizan la geometría de la bomba, el rotor y el estator.

APLICACIONES

Dentro de las aplicaciones de este tipo de levantamiento artificial, destacan las siguientes:

• Aceite pesado y bitumen hasta con un 50% de arena.

• Aceite mediano limitado en el contenido de H2S.

• Aceite ligero limitado en el contenido de aromáticos.

• Extracción de agua en pozos productores de gas.

• Yacimientos maduros con flujo de agua.

CONFIGURACIÓN DE LAS BCP

2.4.1.- Equipos de subsuelo

Los equipos de subsuelos se encuentran distribuidos como se muestra en la figura:

Rotor: El rotor se construye en acero tratado de alta resistencia y se le somete a un revestimiento superficial (cromado), de manera de minimizar el desgaste engendrado por el transporte de fluidos, cargados de partículas sólidas y disminuir así el coeficiente de frotamiento rotor/estator (Figura 2.9). El diámetro final del rotor es función del posible hinchamiento del elastómero ligado a la presión, a la temperatura y a los fluidos bombeados. El espesor del cromado depende del carácter abrasivo de los productos bombeados.

Cabillas: Estas permiten accionar la bomba desde superficie. La primera cabilla de la sarta es una barra pulida, que opera con una empacadura de goma que impide el derrame de los fluidos producidos. Las cabillas más comunes son de tipo convencional y continua. Las convencionales se fabrican en longitudes de 25 a 30 pies y se unen por acoples, son construidas en diferentes diámetros y materiales, de acuerdo a los esfuerzos a los que estarán sometidas y a los ambientes a los que serán expuestas. Las continuas carecen de conexiones y tiene buen desempeño en pozos desviados, con su aplicación se eliminan los problemas de desconexión y ruptura de los acoples de las cabillas convencionales, adicionalmente, las pérdidas por fricción son menores. Existen accesorios que se incluyen en la sarta de cabillas, tales como los centralizadores, los cuales permiten estabilizar la sarta de cabillas, reducir el torque en pozos desviados, reducir el desgaste de la tubería de producción, entre otros.

Prensa Estopa: Tiene como función principal sellar el espacio entre la barra pulida y la tubería de producción, evitando con ello la filtración y contaminación del área donde está ubicado el pozo. El diámetro interno del prensa estopa varía dependiendo del diámetro de la barra pulida.

Centralizadores: Un centralizador ha sido concebido para ser colocado sobre las varillas de accionamiento de las BCP (Figura 2.10). Se coloca en el enlace de dos varillas y se comporta como un cojinete. En efecto, el eje del centralizador es solidario de las varillas, mientras que las aletas derechas del centralizador se apoyan contra la tubería de producción, favoreciendo el guiado y la estabilidad en giro de la varilla de accionamiento. Según este principio de funcionamiento, no hay contacto rotativo entre varillas y tuberías. Es pues preferible instalar centralizadores a aletas derechas y no helicoidales, con el fin de permitir un mejor apoyo contra la generatriz de la tubería de producción. Los centralizadores, concebidos en materia plástica, de gran resistencia, generan un bajo coeficiente de frotamiento entre el acoplamiento metálico y el centralizador.

Separador estático de gas: Todos los separadores estáticos de gas, se basan en el mismo principio, que es el de flujo inverso. El efecto de separación se produce debido a la diferencia de velocidad que existe, entre las burbujas de gas que ascienden

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