MX2007002252A - Caballete de bomba y metodo de bombeo. - Google Patents

Abstract

Se presente un ariete electromagnetico de uso en la extraccion artificial del fluido de un pozo y, en particular, de un pozo de petroleo. La descripcion tambien ensena un metodo y un sistema que utiliza el ariete. Su uso supera a los sistemas existentes actualmente utilizados, en terminos de costo, preocupaciones ambientales, optimizacion de las eficiencias mecanicas y aumento al maximo de la produccion global de los pozos, en forma casuistica.

Description

CABALLETE DE BOMBA Y MÉTODO DE BOMBEO CAMPO DE LA. INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un sistema de caballete vertical de bombeo de pozo para bombear con eficiencia, que incorpora un ariete electromagnético.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Como se conoce en la técnica, durante muchos años se ha utilizado una variedad de estilos de caballetes de bombeo, combinados con pozos petroleros y, como una posibilidad, emplean unidades de pistón y cilindro accionados con la energía de un fluido para poner a funcionar el caballete de bombeo. Las unidades hidráulicas ayudan al funcionamiento de la bomba alternativa de fondo de pozo, de la varilla de succión y de las varillas pulidas. Un sistema común de caballete de bombeo conocido en la actualidad tiene un elemento de tipo balancín, el cual utiliza contrapesos, una caja de engranes y un motor principal, tal como puede ser un motor eléctrico o un motor de combustión interna. El costo de estas unidades es elevado, además son grandes y pesadas, lo que dificulta su transporte; su montaje y puesta en marcha consume mucho tiempo, son mecánicamente ineficientes y consumen una gran cantidad de energía. 52- 2l Los sistemas de caballete hidráulico de bombeo se utilizan tradicionalmente en pozos cuya producción es de baja a mediana, por desgracia, su eficiencia es baja (aproximadamente de 30%), además necesitan una gran cantidad de energía. Una limitación adicional de estos equipos tiene que ver con sus características perjudiciales para el medio ambiente, a saber, fugas de aceite y nebulizaciones, entre otras. A otro ejemplo de sistema de bombeo superficial se le conoce como "con bomba de cavidad progresiva". Estas bombas se utilizan en pozos con volumen de producción media a alta y son particularmente útiles en pozos que contienen gran cantidad de arena o en los que producen crudos pesados. Se ha entendido que las bombas de cavidad progresiva no son tan útiles en pozos que tienen una elevada concentración de sulfuro de hidrógeno o en pozos que contienen grandes concentraciones de bióxido de carbono. En consecuencia, estos sistemas de bombeo tienen una durabilidad limitada. Cuando se trata de sistemas de caballete de bombeo hidráulico/neumático, los cuales, por lo general se ubican en la superficie, éstos tienen la ventaja de que su montaje es relativamente económico y el usuario puede ajusfarlos a sus necesidades. Estos arreglos solamente son útiles en pozos con volumen de producción de baja a mediana y producen con una eficiencia media. Sin embargo, aunque tienen sus ventajas en arreglos de este tipo, el rendimiento de estos tipos de caballetes de bombeo es deficiente en climas muy cálidos o muy fríos y tienen efectos perjudiciales para el medio ambiente. Una variante adicional de un sistema de bombeo es el tradicional "sistema de extracción por gas", que se usa para retirar el fluido de un pozo. Estos dispositivos no necesitan energía, su instalación es relativamente económica y son útiles en pozos marginales de poco volumen que utilizan gas como su principal elemento impulsor. En la patente de EE.UU. Núm. 4,201,115, otorgada a Ogles el 6 de mayo de 1980, se muestra un arreglo que es conocido en la técnica. El sistema es un caballete de bombeo que cuenta con cilindros hidráulicos de funcionamiento dual. El arreglo incorpora cilindros, los cuales hacen pivotar el balancín del caballete e incluye un esquema de control único para controlar el funcionamiento del pistón y de los cilindros. El sistema de control también permite que las unidades de cilindro y pistón hidráulicos funcionen en el modo de doble efecto o en el modo de efecto sencillo. Otros arreglos conocidos en la técnica incluyen los presentados en las patentes de EE.UU. Núm. 4,114,375 y 4,463,828.

Aunque los dispositivos propuestos con anterioridad en la técnica tienen su mérito, es evidente que muchos de los sistemas utilizan cilindros de funcionamiento hidráulico o cajas de engranes y motores para accionar la bomba alternativa y otros componentes críticos del pozo. Sería muy deseable contar con un arreglo de gran eficiencia que no tenga las limitaciones inherentes en estos sistemas. La presente invención tiene como objetivo reducir las anteriores limitaciones de la técnica.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención, que se describe en forma detallada a continuación, prácticamente elimina todos los problemas de los motores superficiales de manivela e hidráulicos convencionales de la técnica anterior y de otros sistemas de bombeo. Como resultado, esta invención presenta un mecanismo motriz de superficie que es eficiente, tanto en la energía consumida como en el bombeo de petróleo, y que además limita las tensiones que se aplican a todos los componentes mecánicos, superficiales y de fondo de pozo. La unidad necesita muy poca preparación en el sitio, es ligera, se puede mover con facilidad y su instalación es sencilla. De manera muy conveniente, su operación está totalmente computarizada y funcionará como un caballete de bombeo "inteligente" que ayudará a optimizar cada pozo específico determinado. Un objeto de la presente invención es presentar un mejor caballete de bombeo para pozo de petróleo que tenga una elevada eficiencia. Disponer de un sistema que, de manera ventajosa, limite la energía utilizada, reducirá y limitará los picos de energía, lo que redundará, para el usuario final, en una importante reducción del costo de la energía. Lo anterior es particularmente importante si se tiene en cuenta la práctica que aplican algunas empresas de energía eléctrica de facturar todo el año tomando como base la energía máxima o pico utilizada, sin importar si éste pico duró sólo unas horas . Un objeto adicional de una modalidad de la presente invención es proponer el uso de un ariete electromagnético para bombear el petróleo de un pozo petrolero con un aparato lineal de caballete de bombeo. Se han obtenido ventajas significativas gracias al uso del ariete electromagnético. Una de las características más ventajosas es el hecho de que el sistema es electrónico y, por lo tanto, no tiene las limitantes debidas a las pérdidas por fricción, fugas por atomización, enfriamiento u otros problemas significativos inherentes en los sistemas hidráulicos. Adicionalmente, el arreglo de ariete electromagnético aporta una excelente eficiencia energética cuando está en movimiento y, simplemente, no consume energía eléctrica cuando el sistema está estático. Una ventaja adicional es que, durante la carrera hacia abajo, el ariete puede funcionar, y así lo hará, como un generador de energía, devolviendo energía al sistema de suministro. Lo anterior no es posible en los sistemas de caballete de bombeo hidráulicos o de otro tipo y representa una ventaja distintiva con respecto a los caballetes de bombeo de la técnica anterior existentes. Al incorporar el ariete electromagnético, el sistema ha logrado alcanzar una eficiencia mayor de 90% y cuenta con propiedades muy deseables, entre las que se incluyen, una respuesta precisa y uniforme, la ausencia de movimientos mecánicos no deseados y una histéresis igual a cero. El arreglo tiene sólo una parte móvil y ofrece un doble efecto. En el sistema puede incorporarse cualquier ariete electromagnético, de los cuales, en la patente de EE.UU. Núm. 5,440,183, otorgada a Denne el 8 de agosto de 1995 se ilustra un ejemplo. Este dispositivo resulta útil en la combinación que aquí se expone y ayuda a proporcionar un caballete de bombeo de petróleo muy eficiente. Es particularmente conveniente el hecho de que el arreglo puede utilizarse en cualquier tipo de pozo de fluido, tal como por ejemplo, un pozo de agua, un pozo de metano con estrato carbonífero, un pozo de petróleo, etc.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una ilustración esquemática de sistema completo, de conformidad con una modalidad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Figura 1 muestra en forma esquemática una modalidad del sistema de caballete de bombeo de extracción artificial con ariete electromagnético lineal, así como los componentes del fondo del pozo. El cabezal de pozo convencional 8 muestra la varilla pulida 7 que pasa a través del prensaestopas 21 del cabezal del pozo y que se conecta con la varilla de succión 12. La varilla de succión 12 continúa hacia abajo y pasa por dentro de la sarta de producción 14 hasta la bomba alternativa 15. El ariete electromagnético lineal 3 se conecta con la varilla pulida 7 por medio de la abrazadera 6 de la varilla pulida. El ariete electromagnético lineal 3 está conectado con la estructura de soporte 5 mediante un eslabón estructural 1. La parte superior de la estructura se asienta sobre dos detectores de peso 2 que determinan el peso que la unidad de bombeo móvil ejerce sobre la estructura de soporte fija 5.

La tubería eléctrica/neumática 4 conecta el ariete electromagnético lineal 3 y los detectores de peso 2 con el alojamiento 16 de la unidad controladora . El alojamiento 16 de la unidad controladora está formado por un gabinete sellado para la intemperie y en su interior se encuentran el sistema electrónico controlador 9 y el sistema controlador neumático 10. El alojamiento 16 de la unidad controladora está colocado en un poste de montaje 17 de acero, ubicado en el terreno 11. El ariete electromagnético lineal 3 funciona igual que un motor paso a paso giratorio, aunque, en vez de girar, el ariete se desplaza en un movimiento de vaivén, extendiéndose y retrayéndose en forma lineal. Los controladores 9 y 10 pueden hacer que el motor avance una fracción de pulgada en cada paso. Con este movimiento fraccionario y al variar la tasa de avance, el motor puede moverse hacia posiciones precisas a diversas velocidades. Al ajustar la potencia aplicada en cada paso, la fuerza del movimiento puede controlarse en pequeños escalones. Al controlar la tasa de avance y la potencia aplicada, a la bomba alternativa del fondo de pozo se le puede aplicar un movimiento suave con una aceleración y desaceleración controladas para mantener al mínimo los esfuerzos en la sarta de varillas de succión 12. El sistema electrónico de control 9 monitorea 52-421 continuamente los detectores de peso 2 durante el movimiento del ariete electromagnético lineal 3. Si la tensión aumenta y se acerca a los límites programados, el sistema electrónico de control 9 reducirá la potencia aplicada al ariete electromagnético lineal 3, protegiendo a todos los componentes superficiales y en el pozo, así como a la infraestructura tubular conectada. Si alguna falla genera tensiones mecánicas excesivas, el sistema electrónico de control 9 detendrá el ariete electromagnético lineal 3 y esperará a que el operador evalúe el problema. El flujo del pozo se vigila usando un flujómetro 18. Este aparato puede ser cualquier medidor convencional, tal como un medidor de turbina o de rueda de paletas, que emita una señal proporcional al flujo que pasa por la tubería 19. El software controlador (no mostrado) puede programarse para optimizar el flujo al variar la velocidad y la longitud de la carrera de la bomba alternativa del fondo del pozo. El software de control puede variar la velocidad/longitud de la carrera. Es fácil poner límites a todos los parámetros del caballete de bombeo, según sea necesario. En el caso de pozos de baja producción, cuando el software de control note que el flujo disminuye durante un cierto tiempo, reducirá la velocidad o la longitud de la carrera de la bomba del fondo del pozo, o ambas. El 52-421 software también puede programarse para darle a una bomba alternativa de fondo de pozo más tiempo de recuperación en un pozo "trabado por gas" o con un flujo deficiente, al detener la carrera durante un periodo suficiente, hasta que la formación se recupere o hasta que la bomba se llene hidrostáticamente de fluido y expulse la bolsa de gas. En resumen, de este arreglo se obtienen varias características útiles, a saber: a) la optimización del flujo mediante el monitoreo del flujo del fluido que pasa por un flujómetro y el control de los parámetros de la carrera de la bomba alternativa del fondo del pozo; b) protección de la varilla de succión y la bomba del fondo del pozo contra fuerzas mecánicas excesivas al vigilar de manera continua el peso de la unidad de bombeo; c) detección de problemas comunes de bombeo; d) apagado, en caso de que se detecte una falla en la bomba del fondo del pozo, como por ejemplo, un aumento en el peso de la bomba; e) apagado, en caso de que se detecte una falla, como una reducción en el peso de la bomba; f) monitoreo del uso de la energía eléctrica y reducción de la velocidad del motor si éste está llegando al límite máximo de energía establecido; 52-421 g) control de la aceleración y desaceleración de la bomba del fondo del pozo para mantener los esfuerzos al mínimo; h) posibilidad de programar el controlador para proporcionar una tarjeta dinamométrica que aumente la optimización del pozo; y i) la producción al minuto se probará con el flujo, para asegurar que la bomba alternativa del fondo del pozo permanezca sin cavitar y elimine lo que en la técnica se conoce como "el golpeteo del fluido" o "el golpe de ariete del fluido". 52-421

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES : 1. Un aparato para bombear el fluido de un pozo de petróleo, el aparato incluye, en forma combinada: un caballete de bombeo que tiene un cabezal de pozo colocado encima del pozo, una bomba ubicada dentro del pozo y una estructura de soporte que sostiene a la bomba y al cabezal del pozo; un ariete electromagnético conectado con la bomba y con la estructura de soporte, que controla el movimiento de la bomba; medios para suministrar energía eléctrica al ariete electromagnético; y un medio detector para detectar las variaciones en la energía suministrada al ariete electromagnético, las cuales son indicativas del esfuerzo que realiza el ariete durante el bombeo del petróleo. 2. El aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato incluye además un medio para analizar la fuerza aplicada por el ariete electromagnético. 3. El aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el ariete electromagnético es de accionamiento eléctrico. 4. El aparato según la reivindicación 1, caracterizado porque el aparato incluye además un 52-421 flujómetro para el monitoreo del flujo de petróleo que sale del pozo. 5. Un aparato adecuado para bombear el fluido de un pozo de petróleo, el aparato incluye, en forma combinada: un cabezal de pozo; una estructura de soporte conectada con el cabezal del pozo; un ariete electromagnético conectado con la estructura de soporte; una varilla pulida conectada con el ariete electromagnético; un medio de bombeo conectado con la varilla pulida para bombear el fluido del pozo; medios para suministrar energía eléctrica al ariete electromagnético; un medio detector para detectar las variaciones en la energía suministrada al ariete electromagnético, las cuales son indicativas del esfuerzo que realiza el ariete durante el bombeo del petróleo; y medios conductores para transportar el fluido recuperado bombeado desde el pozo. 6. El aparato según la reivindicación 5, caracterizado porque el elemento de bombeo incluye además un medio de accionamiento para accionar al ariete 52-421 electromagnético. 7. El aparato según la reivindicación 6, caracterizado porque el medio de accionamiento que acciona al ariete electromagnético incluye un sistema de energía eléctrica. 8. Un método para bombear el petróleo del pozo petrolero que lo contiene, donde el pozo incluye: un cabezal de pozo colocado encima del pozo; una bomba ubicada dentro del pozo; y una estructura de soporte que soporta la bomba y el cabezal del pozo, el método se caracterizada porque comprende : suministrar un ariete electromagnético conectado con la bomba y con una fuente de energía; accionar el ariete electromagnético; proporcionar medios de detección para detectar las variaciones en la energía suministrada al ariete electromagnético, las cuales son indicativas del esfuerzo que realiza el ariete; controlar el movimiento del ariete electromagnético, en respuesta al esfuerzo en la bomba; y bombear el fluido desde el fondo del pozo. 9. El método según la reivindicación 8, caracterizado porque el método incluye además el paso de controlar, con un medio controlador, el movimiento de la 52-421 bomba a través del movimiento del ariete electromagnético. 10. El método según la reivindicación 8, caracterizado porque el ariete es de accionamiento eléctrico. 11. Un método para bombear el petróleo del pozo petrolero que lo contiene, donde el pozo incluye: un cabezal de pozo colocado encima del pozo; una bomba ubicada dentro del pozo; y una estructura de soporte que soporta la bomba y el cabezal del pozo, el método se caracterizada porque comprende: suministrar un ariete electromagnético conectado con la bomba y con una fuente de energía; accionar el ariete electromagnético; proporcionar medios de análisis para analizar las variaciones en la energía suministrada al ariete electromagnético, las cuales son indicativas del esfuerzo que realiza el ariete; controlar el movimiento del ariete electromagnético, en respuesta a los medios de análisis en la bomba; y bombear el fluido desde el fondo del pozo. 12. El método según la reivindicación 11, que incluye el análisis de las señales del transductor de fuerza. 13. El método según la reivindicación 12, que además incluye ajustar el movimiento del ariete electromagnético, con base en las señales analizadas. 52-421