Bombeo Mecanico.docx

UNIDAD 3.- BOMBEO MECÁNICO 3.1 Principios De Operación Este tipo de levantamiento artificial utiliza una bomba con un embolo de desplazamiento positivo y una unidad impulsora en la superficie, con un acople mecánico, incluyendo un balancín pivoteado que convierte el movimiento giratorio del motor en un movimiento oscilante. La bomba en el fondo del pozo y la unidad de superficie están conectadas por medio de una sarta de varillas, las cuales realizan continuamente un movimiento oscilante.

3.2 Equipo Superficial a) Motor: Puede ser eléctrico o de combustión interna, su función es imprimir movimiento a la unidad de bombeo. Su requerimiento de potencia dependerá de la profundidad y de otras características propias del pozo.

b)

Estructura: Comprende la Base de la Unidad, el Poste Maestro y el Balancín.

c)

Caja Reductora: Su función es reducir la alta velocidad y bajo torque del motor a las revoluciones de trabajo y alto torque de la Unidad de Bombeo.

d) Contrapesas: sirven para balancear o contrarrestar el peso de las varillas mas la columna de líquido. e) Crank: Recibe el movimiento rotatorio del eje de baja velocidad de la Caja Reductora. f)

Brazos o Bielas: Transmiten el movimiento del Crank hacia la Barra Escualizadora.

g) Cojinetes: (Central y Lateral), el primero transmite el movimiento entre el Poste Maestro y el Balancín y el segundo transmite el movimiento entre el Balancín y las Bielas a través de la Barra Escualizadora. h) Cabezal: Ubicado en uno de los extremos del balancín y mantiene la barra lisa verticalmente por medio de su curvatura que es un segmento de un círculo. i)

Guaya: Sirve para unir el Cabezal con la Barra Lisa.

j)

Aguila: Es un bloque de hierro que va unido a la guaya y de donde cuelga la barra lisa.

k) Freno: Sirve para posicionar el balancín en un punto deseado después de quitar el movimiento que le imprime el motor a la Unidad de Bombeo. l)

Barra Lisa: Se conecta siempre con la parte superior de sarta de varillas y consiste en una barra pulida, la cual hace sello con los empaques de la caja de empaques para que no ocurran escapes de crudo.

m) Caja de Empaques: Es una conexión que se emboca en la T de Producción y sirve para evitar escapes de crudo por el movimiento ascendente y descendente de la Barra Lisa. n) T de Producción: Une la sarta del Tubing, la Caja de Empaques y la Línea de Flujo por donde viaja el crudo hacia la batería de producción. 3.3 Equipo Subsuperficial El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de producción y bomba de subsuelo. Tubería de Producción.- La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se está bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la resistencia,

generalmente la tubería de producción es menos crítica debido a que las presiones del pozo se han reducido considerablemente para el momento en que el pozo es condicionado para bombear. Cabillas o Varillas de Succión.- La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo. Las principales funciones de las mismas en el sistema de bombeo mecánico son: transferir energía, soportar las cargas y accionar la bomba de subsuelo. Las principales características de las cabillas son: a) Se fabrican en longitudes de 25 pies, aunque también pueden manufacturarse de 30 pies. b) Se dispone de longitudes de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 y 12 pies denominados por lo general “niples de cabilla” que se utilizan para complementar una longitud determinada y para mover la localización de los cuellos de cabillas, a fin de distribuir el desgaste de la tubería de producción. c) Se fabrican en diámetros de 5/8, 3/4, 7/8, 1, 1-1/8 de pulgadas. De acuerdo a las especificaciones de la API, la cabilla de acero sólido es del tipo de cabillas más utilizado y ha sido estandarizada por la API, sus extremos son forjados para acomodar las roscas, un diseño que desde 1926 no ha cambiado hasta la fecha. Todos los efectos negativos inciden en la vida útil de las uniones de las cabillas de succión, y hacen que el 99% de los rompimientos por fatiga en los pines de la cabilla, lo cual es ocasionado por un incorrecto enrosque de la misma. Entre las principales fallas podemos encontrar: tensión, fatiga y pandeo. En la producción de crudos pesados por bombeo mecánico en pozos direccionales y algunos pozos verticales, se presenta este tipo de problema (pandeo), la corta duración de los cuellos y la tubería debido al movimiento reciproco-vertical o reciprocante (exclusivo en el bombeo mecánico) del cuello en contacto con la tubería causando un desgaste o ruptura de ambas. Para el pandeo (Buckling de cabillas) se deben colocar de 1 o 2 centralizadores por cabilla según sea la severidad. Hay cabillas que tienen centralizadores permanentes. Entre los tipos de cabillas que existen en el mercado están: Electra, Corod (continua) y fibra de vidrio. Las cabillas continuas (Corod) fueron diseñadas sin uniones para eliminar totalmente las fallas en el PIN (macho) y la hembra para incrementar la vida de la sarta. La forma elíptica permite que una gran sarta de cabillas sea enrollada sobre rieles especiales de transporte sin dañarlas de manera permanente. Otra ventaja de este tipo de varilla es su peso promedio más liviano en comparación a las API. VENTAJAS a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión. b) La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción. c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de cabillas. DESVENTAJAS

a) Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales. b) En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la misma requiere de la entrada de una cabria convencional. Anclas de Tubería.- Este tipo está diseñado para ser utilizados en pozos con el propósito de eliminar el estiramiento y compresión de la tubería de producción, lo cual roza la sarta de cabillas y ocasiona el desgaste de ambos. Normalmente se utiliza en pozos de alta profundidad. Se instala en la tubería de producción, siendo éste el que absorbe la carga de la tubería. Las guías de cabillas son acopladas sobre las cabillas a diferentes profundidades, dependiendo de la curvatura y de las ocurrencias anteriores de un elevado desgaste de tubería. Bomba de Subsuelo.- Es un equipo de desplazamiento positivo (reciprocante), la cual es accionada por la sarta de cabillas desde la superficie. Los componentes básicos de la bomba de subsuelo son simples, pero construidos con gran precisión para asegurar el intercambio de presión y volumen a través de sus válvulas. Los principales componentes son: el barril o camisa, pistón o émbolo, 2 o 3 válvulas con sus asientos y jaulas o retenedores de válvulas.

Barril de trabajo.- Es un tramo de tubería metálica con una pared interna pulida que permite que el émbolo se mueva a través de ella. Dependiendo de las roscas aplicadas en los extremos, existe barril con extremo de pin o de caja. Pistón.- Es el elemento que se mueve dentro del barril de trabajo de una bomba y pueden ser de empaque flexible o metálico. Los primeros tipos de pistones utilizados en el bombeo mecánico fueron los de empaque flexible, utilizando copas para sellar sobre la pared del barril. Entre los tipos de pistones que se utilizan en una bomba subsuperficial, se encuentran13: a) Pistón de empaque flexible: Consiste de un mandril interno sobre el cual se instalan elementos de empaque, con anillos metálicos de desgaste. Pueden utilizarse ya sea sobre

la tubería de producción o sobre las bombas de varillas y ofrecen una alta resistencia contra la corrosión producida por los fluidos del pozo. Los empaques pueden ser tipo anillo o tipo copa (Figura 2.6) y están fabricados de material sintético y de alta dureza para reducir el desgaste. 

Los pistones tipo copa usan la presión del fluido para expandirse en la carrera ascendente y formar un sello entre el pistón y el barril, y se contraen en la carrera descendente para mover libremente los fluidos del pozo. Son adecuados para crudos con bajo contenido de arena. Sin embargo, la resistencia de las copas limita la aplicación de dichos pistones a los pozos con profundidad moderada.



Los pistones tipo anillo son apropiados para profundidades de hasta 7000 pies (2134 m) y pozos con altos cortes de agua. Son menos efectivos que el tipo copa, pero su desgaste es más lento, lo que los hacen más comunes.

b) Pistón metálico: Son fabricados en diferentes versiones; ya sea de anillos, para pozos que producen arena, o plano. Son usados en pozos profundos, pues debido al espacio pequeño que existe entre el pistón y el barril, tienen eficiencias más altas que los de empaque flexible. Los materiales más utilizados son aleaciones de bronce y acero inoxidable; y de la misma manera que el barril de trabajo, el pistón puede tener el extremo tipo pin o tipo caja. Válvulas.- La válvula viajera y la válvula de pie son válvulas tipo check que operan sobre el principio de una bola y un asiento. La válvula viajera sigue el movimiento de la sarta de varillas de succión, mientras que la válvula de pie, colocada en el extremo inferior del barril de trabajo de la bomba, no se mueve16. La bola es de una superficie pulida y los asientos son maquinados, esmerilados y acabados de manera que sean protegidos contra la corrosión. Pueden ser de acero aleado, aleaciones de níquel, cobre y aluminio.

Tipos de Bombas: Los principales tipos de bombas son: a) Bomba de tubería de producción, b) Bomba de tubería de revestimiento y c) Bomba de inserción. Sus diferencias radican en la forma en cómo está instalada en el pozo el barril de trabajo. a) Bomba de Tubería de Producción En una bomba de tubería de producción, el barril forma parte de la sarta de producción, al estar conectado al fondo de la tubería. Esta construcción permite utilizar un barril con un diámetro ligeramente inferior al diámetro de la tubería de producción. Debajo del barril de la bomba de la tubería está montado un niple de asentamiento, dentro del cual se puede asegurar la válvula de pie. Después de que el barril y la sarta de la tubería de producción están en el pozo, el émbolo con la válvula viajera se coloca sobre la sarta de varillas. La válvula de pie es asegurada al fondo del émbolo por su extractor durante la instalación. La ventaja principal que tienen sobre otros tipos de bombas, es una mayor capacidad de bombeo al tener un barril más grande; y al ser parte integral de la tubería, puede soportar grandes cargas. Su principal desventaja está en que si la bomba falla, se debe retirar la sarta completa de producción. No son recomendables para pozos de gas, debido a que se requieren espaciamientos mayores entre el pistón y la válvula fija.

b) Bomba de Inserción La bomba de inserción o de varillas, es un ensamble dentro de un paquete que va dentro del pozo, sobre la sarta de varillas. El ensamble contiene el barril de trabajo; el émbolo dentro del barril y las dos válvulas, la viajera y la de pie. Dicho paquete cuenta con un dispositivo de anclaje, que cierra dentro de un niple de asentamiento en la base de la tubería. Sólo el niple va con la sarta de la tubería de producción a la profundidad deseada. Estas bombas pueden ser de barril estacionario o movible, y tener anclaje inferior o superior.

Bomba de Inserción con Ancla Superior y Barril Estacionario La bomba de inserción con ancla superior y barril estacionario, en donde el barril de trabajo se mantiene en la parte superior del conjunto de la bomba. Es recomendada en pozos con problemas de arena, ya que las partículas no se pueden asentar sobre el niple de asentamiento debido a la acción continua de los fluidos bombeados. Trabaja bien en pozos con bajos niveles de fluido, porque la válvula de pie se sumerge mucho más profunda en los fluidos del pozo, que en las bombas ancladas en la parte inferior.

Bomba de Inserción con Ancla Inferior y Barril Estacionario Esta bomba debe considerarse para pozos profundos, ya que el barril de trabajo está insertado a la tubería en la parte inferior del conjunto de la bomba. Por otro lado, puede utilizarse en pozos de bajo nivel de fluido porque funcionan muy cerca del fondo del pozo, y la válvula de pie usualmente es más grande que la válvula viajera, asegurando una entrada regular de fluidos a la bomba. Sin embargo, el espacio entre la tubería y el barril se puede llenar con arena u otros sólidos ocasionando que la bomba se atasque.

Bomba de Inserción con Barril Viajero En una bomba de inserción con barril viajero, el pistón se mantiene en su lugar mientras el barril es movido por la sarta de varillas. La posición del ancla es en el fondo del ensamble de la bomba, y el émbolo viene agarrado al ancla de fondo por un pequeño tubo de arrastre hueco, a través del cual los fluidos del pozo entran a la bomba. La válvula de pie, situada en la parte superior, es más pequeña que la válvula viajera. Esta bomba es recomendada para pozos arenosos, ya que el barril mantiene el fluido en movimiento alrededor del ancla, evitando que la arena y otros sólidos se asienten entre el niple y el ancla.

3.4 Diseño De Aparejos De Bombeo Mecánico Es un procedimiento analítico mediante cálculos, gráficos y/o sistemas computarizados para determinar el conjunto de elementos necesarios en el levantamiento artificial de pozos accionados por cabilla. La función de este procedimiento es seleccionar adecuadamente los equipos que conforman el sistema de bombeo mecánico a fin de obtener una operación eficiente y segura con máximo rendimiento al menor costo posible. Paso 1: se debe seleccionar el tamaño de la bomba, el diámetro óptimo del pistón, bajo condiciones normales. Esto va a depender de la profundidad de asentamiento de la bomba y el caudal de producción. Paso 2: La combinación de la velocidad de bombeo (N) y la longitud de la carrera o embolada (S), se selecciona de acuerdo a las especificaciones del pistón. Se asume una eficiencia volumétrica del 80%. Paso 3: Se debe considerar una sarta de cabillas (se debe determinar el porcentaje de distribución si se usa más de dos diámetros de cabilla) y el diámetro de pistón, se determina un aproximado de la carga máxima para el sistema en estudio. Paso 4: Chequear el valor de factor de impulso para la combinación velocidad de bombeo (N) y longitud de carrera (S) establecidos en el Paso 2 Paso 5: Cálculo de la carga máxima en la barra pulida. Para este propósito será necesario obtener cierta data tabulada de acuerdo a los datos establecidos en los pasos previos. Primero se determinará el peso de las cabillas por pie y la carga del fluido por pie. Ahora se calcula el peso de las cabillas en el aire (Wr), la carga dinámica en las cabillas (CD) y la carga del fluido (CF) a la profundidad objetivo. Wr = peso cabillas (lb/ft) x Prof. (ft) CD = F.I. x Wr (lb) -----> Donde F.I. (Factor de Impulso) CF = peso fluido (lb/ft) x Prof. (ft) Carga máxima barra pulida = CD + CF Paso 6: Cálculo de la carga mínima de operación (CM), el contrabalanceo ideal y torque máximo. CM = Disminución de la carga debido a la aceleración (DC) – fuerza de flotación (FF) DC = Wr x (1-C) -----> Donde C = (N^2 x S)/70500 FF = Wr x (62,5/490) -----> Valor constante Para el contrabalanceo ideal se debe proporcionar suficiente efecto de contrabalanceo para darle suficiente valor de carga, el cual va a ser el promedio entre el máximo (carga máx. barra pulida) y el mínimo recién calculado. Entonces, Contrabalanceo ideal = promedio de carga (entre máx. y min) – la carga mínima.

Torque máx. = Contrabalanceo ideal x Punto medio de la longitud de carrera (S/2). Paso 7: Estimación de poder del motor eléctrico. Conocida la profundidad de operación, °API del crudo y el caudal requerido de producción, se obtiene una constante que es multiplicada por el caudal de producción. Este valor obtenido son los HP necesarios justos para levantar el caudal requerido. Lo que se recomienda es que este valor obtenido se incremente de 2 a 2,5 veces para tener un factor de seguridad. Paso 8: Cálculo de desplazamiento de la bomba. El valor obtenido de P sería el valor de caudal de producción si la bomba trabaja al 100% de eficiencia. El diseño de la bomba debe tener al menos el 80% de eficiencia. En crudos pesados debe tener un máximo de 18 strokes/minutos (promedio 15° API). P=CSN P = Desplazamiento de la bomba C = Constante de la bomba, depende del diámetro del pistón N = Velocidad de bombeo (SPM) Paso 9: Profundidad de asentamiento de la bomba. Esto dependerá enormemente de la configuración mecánica del pozo. Si este método no cumple, por lo general se asienta a 60 o 90 pies por encima del colgador. Otras bibliografías hacen referencia que se asienta 300 pies por debajo del nivel de fluido. 3.5 Comportamiento Del Sistema Mediante Cartas Dinamométricas Los registros de dinagramas o cartas dinamométricas Son pruebas que se realizan para saber el funcionamiento de la bomba y de sus válvulas, esto nos ayuda a determinar si es necesaria cambiar la bomba o realizar un ajuste para tener un mejor desempeño, así como para saber si se tiene un problema con la sarta de varillas, el ancla mecánica o la tubería de producción. Well Analyzer es una unidad electrónica compacta, esta unidad adquiere y digitaliza las señales del micrófono y transductor de presión. Estos datos se envían a la computadora para procesarlos. El Well Analyzer es un instrumento de canal dual, el cual posee un microprocesador amplificador/ registrador, el cual permite una mejor interpretación de las anomalías que se presentan en el anular ya que posee dos filtros que son usados para mejorar la señal de interpretación. La información que se toma de los distintos sensores se digitaliza a través de un convertidor análogo a digital, siendo estos datos procesados en la computadora y con esto poder medir la presión del espacio anular, la presión de fondo, el balanceo de la unidad y la medición de carga sobre la varilla pulida. Este equipo permite una interpretación inmediata de la información obtenida en él ya que a medida que emite señal, registra.

Transductor de carga. Los dinagramas (o cartas dinamométricas) son registros de cargas, sobre la barra pulida o barra lisa para determinar la carta en superficie del comportamiento de la bomba durante cada ciclo de bombeo y por medio de la ecuación de onda determinar la carta de fondo de la bomba y la carga sobre los tramos de varillas. Los datos del dinamómetro se obtienen mediante el transductor de cargas. Un transductor de carga es un aparato que transforma la potencia eléctrica en acústica a mecánica. El transductor de carga puede ser de dos tipos: 

Tipo herradura. Consiste en una celda con un sensor de carga muy preciso. Esta completado con un sensor, para medir la aceleración en la varilla pulida y calcular así las emboladas y la posición. Este tipo de transductor de carga es muy preciso pero también requiere mayor tiempo y trabajo en su instalación.

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Tipo C o PRT. Este transductor es muy fácil y rápido de instalar, pero no es tan preciso como el de tipo herradura en cuanto a los valores de carga se refiere, ya que consta de una serie de sensores muy sensibles que miden las variaciones en el diámetro de la varilla pulida, también tiene el sensor de aceleración, para calcular la posición y las emboladas.

El gran problema que presenta es que durante la prueba se puede descalibrar y se tiene que volver a instalar. 3.6 Identificación Y Corrección De Fallas El momento para controlar las fallas en los equipos de subsuelo empieza antes de que estas ocurran, primero en las acerías, continua a través del fabricante, luego con el operador y el equipo de la empresa de reacondicionamiento, quienes deben darle el cuidado el cuidado y manipulación adecuado con la finalidad de maximizar su uso y disminuir fallas Un tipo de falla que se presenta en los equipos de subsuelo en general es la falla debido a la corrosión que es el resultado destructivo de una reacción electroquímica entre el acero usado en la herramienta y el ambiente operativo al que está sometida. Aunque es imposible eliminar completamente la corrosión, si es posible controlarla y retardar su efecto destructivo, luego es conveniente determinar el tipo de corrosión que se puede presentar en determinados pozos. Un aspecto importante para el análisis es el desgaste del componente. El desgaste de las superficies de tubería de producción, la varilla, la bomba y el pistón, es provocado por la fricción que se genera entre los fluidos y la superficie del componente, o por la fricción entre los mismos componentes reduciendo la vida útil de la herramienta y generando costos por reacondicionamiento. Para el personal de producción es muy importante entender los efectos de daños que parezcan ser de poca envergadura y saber cómo ese daño puede ocasionar fallas que paren la producción del pozo. Fallas en la sarta de producción.- La prevención de fallas en la sarta de producción comienza con el diseño, es posible que las sartas mal diseñadas contribuyan u ocasionen el bajo rendimiento o lo que es más grave la falla de otros componentes del sistema de levantamiento artificial. Un diseño correcto significa distintas cosas, análisis de pozos, análisis económico, condiciones del pozo o preferencias personales. Años atrás el resultado del diseño partía de la experiencia o habito, luego paso a un diseño basado en la profundidad, así como en el caudal del fluido a manejar, hoy en día, los programas de

computadora permiten que se optimice los equipos y los diseños. Una vez que se haya diseñado la sarta de producción y que la misma se haya instalado, es necesario contar con ensayos dinamométricos periódicos a fin de observar el comportamiento de las cargas. En muchos pozos el reemplazo frecuente de varillas y de tubería de producción constituye serios problemas económicos, en realidad, se dice que el desempeño de las varillas se considera un directo indicador de la eficiencia del pozo del cual se está bombeando. Por otra parte es esencial mencionar algunas causas de falla de las varillas y tubería. Asumiendo que el diseño de la unidad de bombeo es el adecuado. El primero y tal vez más importante factor de precaución es el manejo adecuado de las varillas durante su transporte, almacenamiento e instalación. Mientras que muchos investigadores han demostrado que la corrosión y otros factores pueden reducir sustancialmente mediante la aplicación de ciertas prácticas de manejo de las varillas. Por ejemplo la presencia de picaduras o imperfectos (ya sean de carácter microscópico) permite que agentes corrosivos entren en contacto con el metal y aceleran su proceso destructivo. Para propósito de este análisis asumiremos que para un elemento elástico la ley de Hook ya no es aplicable. El esfuerzo al cual el material falla se llama límite de proporcionalidad elástica, y este límite no puede ser utilizado para establecer el máximo esfuerzo permisible en condiciones de trabajo para las varillas. Ya que las varillas están sometidas a cargas cíclicas se verán sometidas a fallas por fatiga, las cuales ocurren por debajo del límite de proporcionalidad. Por lo cual se debe hallar un límite máximo sin que se presente falla. Pero en la práctica ningún tipo de material podría sostener un número infinito de ciclos, para el acero por ejemplo se ha encontrado que su máximo límite puede ser hallado para un número de 10´000.000 de ciclos sin falla alguna. El limite máximo en una sarta de varillas depende de los componentes asociados en la aleación (carbón, silicio, níquel, cromo y molibdeno), los agentes corrosivos presentes en el fluido ( s, y ), y el rango de carga a la cual se encuentran sometidas, por ejemplo a una velocidad de bombeo de 20 spm. 345 días serán necesarios para alcanzar los 10´000.000 de ciclos. Cuando agentes corrosivos están presentes en el pozo dos aproximaciones pueden darse hacia la solución del problema, la sarta de varillas puede construirse de aleaciones más resistentes a la corrosión, o el fluido puede ser tratado químicamente en el pozo reduciendo de manera substancial su efecto corrosivo. El segundo es el más utilizado y para este propósito se utilizan inhibidores, el uso de aleaciones más costosas se deja esencialmente para pozos profundos, donde las cargas impuestas son el factor predominante. Otro posible factor de falla prematura es el Sincronismo, esta idea fue presentada originalmente por Slonneger, sucede cuando la sarta de varillas entra en resonancia con su frecuencia natural y las ondas en lugar de anularse se suman originando vibración en las varillas. En algunos pozos con excesivas fallas en las varillas o daños en la tubería de producción son el resultado ocasionado por el rozamiento entre la sarta de varillas y la tubería de producción, ocasionando una reducción del metal en la parte que entra en rozamiento y posterior falla en ese lugar, para la solución de esto se recomienda el uso de anclas en la tubería a tensión para las varillas Un ancla de tensión es aquella que le permite a la tubería alargarse, pero no contraerse. Este mecanismo por consiguiente previene el pandeo en la tubería, que solo ocurre en la

carrera ascendente. Otro método es colocar un ancla y entonces tensionar la tubería desde superficie, para esto existen cartas especialmente diseñadas para conocer la tensión recomendable para cada situación. También cabe mencionar que el flujo dentro de la tubería es intermitente haciendo que el régimen de flujo para cada pozo en particular no sea continuo, así cuando se encuentre que el flujo es de tipo turbulento esta premisa ayudara a comprender la razón del porque la abrasión debida a este tipo de circunstancias dentro de la tubería de producción se ve disminuida. Fallas por Tensión.- Las fallas por tensión ocurren cuando la carga aplicada excede la resistencia a la tensión del material, así la carga se concentrara en ese punto y creara la apariencia de cuello de botella al reducirse el área transversal del mismo en ese punto, cuando la sección transversal del material no es lo suficientemente fuerte para sostener la carga impuesta, este fallara seguramente en ese lugar. Esto puede ocurrir cuando se trata de sacar una bomba que se encuentra atascada o cuando se está anclando la tubería. Para evitar este tipo de fallas se recomienda que el indicador de peso máximo ´´Martin Decker´´ nunca exceda el 85% de la resistencia cedente para el tamaño y grado conocidos del momento menos resistente en la sarta; para condiciones en las cuales no son conocidos estos datos de un factor de seguridad debe aplicarse el peso halado. Fallas por Fatiga.- La fatiga se define como la falla del material por la acción de cargas cíclicas en el tiempo y la cual se inicia con pequeñas grietas que crecen cada vez más. Los esfuerzos asociados a esta falla tienen un valor máximo que es menor que la resistencia a la tensión del material; puesto que la carga aplicada está distribuida casi igualmente sobre la superficie transversal de la sarta, todo daño que reduce el área transversal, aumentara la carga o esfuerzos. A medida que la grieta avanza , las superficies de fractura adyacentes opuestas tratan de separarse bajo las caras de estas y se vuelven lisas y pulidas , así mismo se reduce la zona transversal efectiva de la varilla hasta que no queda suficiente metal para sostener la carga y el material simplemente se fractura en dos pedazos. Las fallas por fatiga son inducidas por una multiplicidad de elevadores de esfuerzo; los elevadores de esfuerzo son discontinuidades visibles o microscópicas que ocasionan un aumento en el esfuerzo local durante la carga. Fallas Mecánicas.- Las fallas mecánicas representan un porcentaje alto en el número total de las fallas, tanto en las varillas, tubería de producción y bombas, las fallas mecánicas incluyen todo tipo de desperfecto por fabricación y fatiga por esfuerzo. El tiempo a la falla será influenciado por muchas variables, entre las más importantes serán el esfuerzo máximo, ambiente operativo, orientación del daño, química del material, tipo de tratamiento térmico, gama de esfuerzos. El daño mecánico puede ser causado por diseño inadecuado, procedimientos incorrectos de preservación y manejo, procedimientos inadecuados de enrosque y desenrosque o cualquier combinación de estos. Fallas por Daños Superficiales.- Se debe hacer todo lo posible para impedir daños mecánicos superficiales a los elementos constituyentes de la sarta de producción, los daños superficiales aumentan los esfuerzos durante las cargas aplicadas. El tipo de daño y su orientación contribuyen a esfuerzos mayores sobre aquellos asociados al daño longitudinal .Una picadura ayudara a crear una mayor concentración de esfuerzo y sería más perjudicial, para impedir un posible daño por la acción de los martillos, llaves hidráulicas, elevadores y otras herramientas.

Fallas por Corrosión.- La corrosión es el resultado destructivo de una reacción electroquímica del ambiente operativo a los que es sometido el equipo de subsuelo. La corrosión es la manera como la naturaleza convierte un material hecho por el hombre de un estado de mayor energía (acero) de vuelta a su estado elemental (mineral nativo) como se encuentra en la naturaleza. El hierro elemental en el acero se combina con la humedad o ácidos para formar otros compuestos como sulfuros, carbonatos, óxido de hierro, etc. Todos los ambientes pozo abajo son corrosivos hasta cierto punto, como regla general cuando el porcentaje de agua sea mayor al 20% estando el fluido producido en la fase acuosa con gotas de petróleo, podrá ocurrir el ´´picado´´ con pérdida de metal. Otras condiciones que también producirán daños en el pozo incluyen: Cuando el sulfuro de hidrogeno en el agua que se encuentre a una presión parcial mayor 0.05 psi, cuando el en el agua es mayor a 200 ppm, Fallas por Conexión.- Se origina al momento de apretar la rosca macho de la varilla con el acople o la rosca macho de la tubería de producción con la caja de rosca hembra, las recomendaciones a seguir son las que el fabricante entrega para el desplazamiento circunferencial y el torque adecuado para aplicarlo dependiendo si es una varilla o tubería nueva o usada. Fallas del Cuerpo de las Varillas.- Prácticamente todas las fallas del cuerpo de las varillas son fallas por fatiga debido al desarrollo de un elevador de esfuerzos sobre la superficie de la varilla, hay una excepción a esta regla, esta es cuando la varilla falla mientras está siendo halada excesivamente con un equipo de servicio de pozo, como cuando se halla una bomba pegada en la tubería de producción. Las apariencias de las caras rotas de las partes falladas de cada una de estas dos causas de falla difieren grandemente y son fácilmente identificables. Otra causa de falla del cuerpo de la varilla es la curvatura, cuando la suma de dobleces en la varilla es insignificante, la determinación de la causa de la falta puede algunas veces ser difícil, un simple chequeo de comparación puede ser hecho en el campo, usualmente revelará esta causa de falla, un método es colocar un borde bien recto a lo largo del cuerpo de la varilla sobre la línea con el punto de origen de la cara de ruptura, algún des alineamiento en la varilla producirá una abertura entre la superficie de la varilla y el borde del recto, si la varilla es retorcida solamente en la cara de la ruptura, la observación en el borde del recto podría no dar resultados convincentes, las inspecciones visuales pueden mostrar una observación positiva por doblamiento sin algún daño a la superficie de la varilla siendo visible por la inspección de campo. Esta es porque la fractura por fatiga puede empezar sin evidencia de un hoyo de corrosión o una muesca afilada en la superficie de la varilla, el incremento de esfuerzos para esta falla es una diminuta fractura de tensión en la superficie de la varilla, las diminutas fracturas se abren en el área cóncava de una varilla doblada, y son usualmente también pequeñas para la observación en el campo, la acción de halado de la varilla recta después del doblamiento permanente produce fracturas en un campo localizado por dentro de un semicírculo de la superficie de la varilla. Nunca someta al acople a golpes de martillo, si la llave de tuerca de varilla no desajusta un acople de la varilla, usar policía para una mayor palanca de brazo en potencia, en pozos donde la cera o parafina está presente, es mejor correr las varillas lentamente porque si de repente paran, no doblen o refuerzan la varilla en el elevador, una herramienta de interruptor en la sarta permitirá soltar la bomba si está pegada.

Fallas en la Tubería de Producción.- La sarta de tubería final usualmente usada dentro de un pozo productor es la tubería de producción en un pozo fluyendo, el menor diámetro de la tubería de producción permitirá mayor eficiencia en el levantamiento que la tubería de recubrimiento por la utilización de la expansión del gas producido con el aceite, hará una terminación más segura para permitir la circulación, produciendo o matando el pozo y constituye una sarta de tubería de trabajo que puede ser removida si esta llega a estar taponada o dañada, la tubería de producción, en conjunción con un empaque, mantiene alejado los fluidos corrosivos del pozo de la tubería de recubrimiento, y la consecuente posibilidad de una ruptura, que puede causar un reventón, la tubería de producción es siempre usada con el equipo de levantamiento artificial y es particularmente adaptada para el bombeo de varilla. Varios tipos de uniones enhebradas o ensartadas son usados en la tubería de producción, la más común es el elevador externo API, los tamaños usuales son 2 3/8, 27/8, y 31/2 de pulgada, varios pesos y grados. La tubería de producción debe estar en buenas condiciones y proporcionar un sello ajustado sobre su longitud entera en orden a contener la presión interna y prevenir el escape de gas o líquido por el espacio anular entre la tubería de producción y la de recubrimiento, la tubería de producción y deberá ser fuerte, lo suficiente para resistir la presión interna de varios miles de libras por pulgada cuadradas -Psi- sin colapsarse, igualmente, la tubería de producción deberá ser capaz de resistir la considerable presión externa , las grietas pueden desarrollarse en el medio de una junta debido a un defecto de fabricación o a un hoyo causado por la abrasión o la corrosión, pero más frecuentemente se encuentra ocurriendo en las conexiones enhebradas a cada extremo, aunque la presión de la formación en el pozo puede ser solamente unos pocos cientos de libras, la columna de fluido que es elevado dentro de la tubería de producción se extenderá a la superficie, entonces la presión hidrostática de una columna de agua usada como referencia es alrededor de uno y media libra por pulgada cuadrada por pie. Los pozos profundos con niveles bajos de fluido en el anular pueden tener presiones internas de varios miles de libras, presionando la bomba y reventando la tubería de producción, una tubería agrietada manifestará como si la bomba no trabaja, y la pequeña grieta puede desarrollar una gran pérdida de fluido en un muy corto tiempo. Cuando los cloruros en el fluido total son mayores a 5000 miligramos por litro, cuando hay oxigeno presente en cualquier cantidad, cuando el pH del fluido es menor que 7, cuando los sólidos son abrasivos y mayores a 100 ppm. Y la velocidad del fluido es alta. 3.7 Aplicaciones Prácticas Con Software Comercial Diseño con rodstar RODSTAR es un programa de computadora desarrollado por Theta Enterprise que puede simular cualquier geometría de bombeo mecánico y predecir su comportamiento con exactitud14. Utiliza la ecuación de onda para simular el comportamiento de la sarta de varillas y el análisis del esfuerzo de la sarta de varillas y la predicción de las tensiones en el tope de cada sección de varillas, lo realiza a partir del método de goodman modificado (MG). Es una herramienta que puede usarse para comparar unidades, velocidades de bombeo, tamaños de pistón, varillas, tipos de motor, etc. y para evaluar los efectos de bomba llena, nivel de fluido, etc. También predice las cartas dinamométricas de superficie y de fondo, y el diagrama de cargas permisibles.

Calcula los picos de torque y las cargas en el reductor de engranaje, las cargas estructurales, cargas en las varillas, velocidad de bombeo, mínima longitud requerida por la bomba, longitud del pistón, espaciamiento de la bomba, gasto esperado, contrabalanceo necesario, etc. Por otro lado, dicho programa no considera flujo multifásico y algunos de sus cálculos se basan en aceites ligeros, como es el cálculo del coeficiente de fricción. Por tal motivo, para realizar el diseño de un pozo vertical de aceite pesado (o con problemas de parafinas), se recomienda aumentar de 2 a 3 veces el valor calculado por el programa y para pozos desviados, aumentar de 4 a 6 veces el valor de manera que se aproxime más a valores reales. RODSTAR Utiliza las siguientes variables adimensionales como una relación de la eficiencia del sistema; sin embargo, no se considera como una relación lineal. 𝐹𝑜 𝑆𝐾𝑟

= Relación del alargamiento de las varillas causada por la aplicación estática de

la carga del fluido, como una fracción de la carrera de la varilla pulida. 𝑁 = Relación de velocidad de bombeo a la frecuencia natural de la sarta de varillas 𝑁𝑂´ combinadas. Entre mayor sea la relación de

𝐹𝑜 𝑆𝐾𝑟

más corta será la carrera del pistón y la eficiencia del

𝑁 𝑁𝑂´

más larga será la carrera del pistón y la eficiencia del

sistema será mejor. Entre mayor sea la relación de sistema será menor. 1.- Se selecciona la configuración del pozo en el último icono de la ventana, es decir, vertical o desviado. 2.- Se introducen los datos del pozo (nombre, profundidad de asentamiento de la bomba, y tiempo de operación) y se selecciona la condición de bombeo. Como son pozos nuevos, el diseño se realiza para condiciones máximas, en donde la bomba está completamente llena. Aquí mismo se introducen las presiones (TP, TR), el corte de agua y la gravedad del fluido.

Para evitar sobre diseñar severamente la capacidad de desplazamiento del sistema de bombeo, se recomienda diseñar para una eficiencia de bomba de entre 75% y 85%.

3.- En los datos de producción, debido a la falta de información, se selecciona realizar el cálculo por nivel de fluido, considerando una sumergencia de la bomba de 100 m. De igual forma se introduce el gasto esperado.

4.- Se selecciona el diámetro de la tubería de producción, el diámetro del pistón y el tipo de bomba a utilizar (insertable o de tubería). Así mismo se pide al programa que calcule los coeficientes de fricción entre la TP y la varilla, para posteriormente

hacer la corrección por aceite viscoso. Por experiencia operativa se considera una fricción de 200 lbs para la bomba.

5.- Para el diseño de la sarta de varillas se especifica el tipo de varilla (acero o fibra de vidrio), el grado y el diámetro máximo y mínimo a utilizar. Como se utilizarán barras de peso, se especifican las características de estas (grado, diámetro y longitud).

6.-Para el caso del pozo desviado, se necesita la información de la trayectoria de desviación del pozo, proporcionada en el giroscópico. Se introduce la profundidad medida (MD), la inclinación y el azimuth. Una vez introducida dicha información, el programa automáticamente calculará la severidad de la desviación (dog-leg) y la profundidad vertical verdadera (TVD).

7.- A partir de esto, el programa generará una gráfica en 3D de la desviación del pozo.

8- El siguiente paso es seleccionar el tipo de unidad de bombeo, especificando que se desconoce el peso de los contrabalanceo.

9.- Debido que el software diseña con información de motores eléctricos, por default se selecciona el tipo de motor Nema D y la opción de que el programa recomiende el tamaño del motor (que aplicaría al utilizar uno de combustión interna).

10.- Finalmente, con los datos introducidos correctamente, el programa podrá ser corrido para obtener el diseño correspondiente.