El término levantamiento artificial se refiere al uso de medios artificiales para incrementar el flujo de líquidos, tales como petróleo o agua, desde pozos de producción hacia la superficie. Generalmente esto se logra por medio de dispositivos mecánicos en el pozo, tales como bombas, o reduciendo el peso de la columna hidrostática por medio de la inyección de gas a cierta profundidad del pozo. El levantamiento artificial se necesita en aquellos pozos donde la presión del yacimiento no es suficiente para eyectar los fluidos hasta la superficie, aunque a menudo se usa en pozos fluyentes naturales (los cuales técnicamente no lo necesitan) para aumentar el caudal por encima de lo que el pozo fluiría naturalmente. El fluido producido puede ser petróleo, agua o una mezcla de ambos, típicamente incluyendo una cierta cantidad de gas.
Uso Cualquier reservorio en el cual se produzcan líquidos, tendrá una «presión de reservorio»: algún nivel de energía o potencial que forzará el fluido (líquido, gas o ambos) a áreas de menor energía o potencial. El concepto es similar al de la presión de agua en un sistema de agua municipal. Tan pronto como la presión interna de un yacimiento decrece por debajo de la presión del reservorio, el reservorio mismo tratará de llenar el yacimiento nuevamente, de la misma forma cuando se abre una válvula en un sistema de agua. Dependiendo de la profundidad del reservorio y la densidad del fluido, el reservorio mismo puedo o no, tener suficiente potencial para impulsar el fluido a la superficie - un yacimiento muy profundo o de una mezcla más pesada requiere mayores niveles de presión.
Tecnologías Sistema de bombeo hidráulico El sistema de bombeo hidráulico transmite energía al fondo del yacimiento por medio de un fluido presurizado que fluye hacia abajo en el pozo hacia una bomba subterránea. Existen al menos tres tipos de bombas hidráulicas subterráneas: Bomba de Pistón Alternativo, donde de un lado se inyecta un fluido de potencia y del otro el fluido producido es bombeado a la superficie. Bomba de chorro, donde el fluido de potencia pasa a través de una válvula combinada (efecto Nozzle-Venturi) la cual crea una alta presión en el lado de descarga de la bomba. Una turbina de fondo de pozo impulsado hidráulicamente (HSP), por lo que el motor de accionamiento de fondo de pozo es una turbina, conectada mecánicamente a la sección de la bomba impeledora, la cual empuja el fluido.
Estos sistemas son muy versátiles y han sido utilizados en pocas profundidades (305 m) hasta profundidades mayores (5,5 km), los pozos con bajas tasas de producción por el orden de los 10 BPD a pozos que producen en excesos alrededor de 3.200 m³ por día. En la mayoría de los casos el fluido de potencia puede ser agua o fluidos producidos (mezclas de agua/aceite). Ciertos químicos pueden ser mezclados con el líquido de potencia inyectado para ayudar a controlar la corrosión, parafinas y emulsiones. Los sistemas de bombeo hidráulicos, también son apropiados para yacimientos derivados donde el bombeo convencional, tal como el de varillas, no son factibles.
Como todos los sistemas, éstos tienen su entorno operativo, aunque con las bombas hidráulicas a menudo existen errores por parte de los diseñadores. Algunos tipos de bombas hidráulicas pueden no ser sensibles a los sólidos, mientras que las bombas de chorro, por ejemplo, pueden empujar fracciones de volúmenes de sólidos por más de un 50 %. Estos, son considerados los métodos de levantamiento menos eficientes, aunque esto difiere para algunos tipos de bombas hidráulicas y también cuando se aprecian perdidas en el sistema, las diferencias con estos son despreciables.
El costo del ciclo de vida de estos sistemas es similar al de otros sistemas de levantamiento artificial cuando él se diseñan teniendo en cuenta que ellos requieren bajos mantenimiento, con la bomba de inyección de líquidos por ejemplo, tienen costos operativos un poco más elevados con sustancialmente bajos costos de compras y costos de reparación casi inexistentes.
BES Las bombas electrosumergibles (BES) consisten en: Uno o varios cuerpos de bombas, insertadas en el fondo del pozo. Un motor eléctrico, el cual transforma la energía eléctrica en energía cinética para hacer girar las bombas. Un protector o sello, que protege al motor de la contaminación con los fluidos del pozo. Una admisión, por la cual ingresan los fluidos del pozo y puede cumplir además, según la necesidad del pozo, la función de separador de gases. El sistema necesita además de un cable eléctrico, que conecta el motor con el sistema de control de la superficie (este sistema de control puede ser un tablero, de arranque directo, o un variador de velocidad).
El sistema de BES, es un método de levantamiento artificial muy versátil y se le puede hallar en ambientes operativos en todo el mundo. Pueden manejar un muy amplio rango de tasas fluidos (desde 200 hasta 90.000 barriles o 14.000 m³ por día) y levantar altas demandas (desde virtualmente cero hasta 15.000 ft o 5.000 m de altura de columna). Pueden ser modificadas para operar contaminantes comúnmente hallados en el petróleo, fluidos de alta agresividad corrosiva como H2S y CO2, además de trabajar a temperaturas altamente excepcionales en los fondos de los yacimientos. El corte del incremento de agua, se ha considerado para que no tenga detrimento significativo en el desempeño de la bomba. Es posible localizarlas en yacimientos verticales, horizontales o desviados, pero es recomendable desplegarlas en una sección recta de encapsulado para una vida útil óptima.
Aunque los últimos desarrollos están orientados a mejorar las prestaciones de la BES, para que puedan manejar gas y arena, ellas aun necesitan más desarrollos tecnológicos para que puedan evitar el bloqueo de gas y la corrosión interna. Recientemente, las nuevas BES han aparecido con una etiqueta de precios a menudo prohibitiva, debido a los costos de desarrollo, los cuales llegan a exceder los USD 300.000,00.
Varias herramientas, tales como las válvulas polifásicas automáticas, extractores de arena y otras cadenas de cañerías además de las herramientas de bombeo, mejoran el funcionamiento de la BES. La mayoría de los sistemas desplegados en el mercado de hoy en día, son sistemas duales de BES, el cual es un simple arreglo de dos BES en el mismo pozo. Esto proporciona un sistema de refuerzo o respaldo en el pozo, minimizando los tiempos necesarios para el flujo de producción, reduciendo los costos y generando ahorros en el área operacional. El sistema dual de BES, ofrece una alta rentabilidad en la mejora de los yacimientos.
Levantamiento por inyección de gas Este es otro método de levantamiento artificial ampliamente utilizado. Como su nombre indica, se inyecta gas en las tuberías para reducir el peso de la columna hidrostática, reduciendo de esta manera la presión de retorno y permitiendo que la presión de reservorio empuje hacia la superficie la mezcla producida de fluido y gas. El levantamiento por gas, puede desplegarse en un amplio rango de condiciones de pozos y yacimientos (desde 30.000 BPD o 4.800 m³/d hasta 15.000 ft o 4.600 m). Este método, puede lidiar bien con elementos abrasivos y arena, hallándose sus costos de acondicionamientos entre los menores.
Las tuberías de levantamiento por gas, están equipadas con mandriles (mandrels) en una especie de bolsillos laterales así como de unas válvulas para la inyección de gas para el levantamiento. Este arreglo permite una profunda inyección de gas dentro de las tuberías. El levantamiento por gas tiene algunas desventajas. Se debe disponer de una fuente de gas, lo que puede garantizar algunos problemas en el flujo, tales como hidratos, que pueden ser disparados por gas del levantamiento.
Este utiliza la inyección de gas dentro de la corriente del fluido, lo que reduce la densidad del mismo y disminuye la presión de fondo del yacimiento. En la medida que el gas se eleva, las burbujas ayudan a empujar el crudo. El grado de efectividad depende de la continuidad o intermitencia del flujo de gas. El gas puede ser inyectado en un único punto bajo el fluido o en múltiples puntos de inyección. Un dosificador en la superficie, controla los tiempos de inyección del gas. Los mecanismos son controlados tanto por presión como por caudal. Estos pueden ser válvulas de estrangulamiento o por presión de caja o recinto. Las válvulas operadas por caudal requieren una elevación en la presión de la tubería para poder abrir y cerrar. Las válvulas de estrangulamiento de presión se abren por la presión interna de la tubería. Las válvulas convencionales empleadas en este sistema, están ancladas a los mandriles y están en la misma línea de las válvulas para el gas recuperable, las cuales se hallan a los lados de las tuberías dispuestas como unos bolsillos.
Levantamiento por bombas de varilla Constan de cilindros largos y delgados con elementos móviles y fijos en su interior. La bomba está diseñada para ser insertada dentro del tubo de extracción del pozo y su principal función es la de acumular los fluidos desde abajo y levantarlos hacia la superficie. Sus principales componentes son: la tubería de Producción, válvulas y pistón (de recorrido y fijación). Tienen otros 18 o 30 componentes, a los cuales se les denomina complementarios o de ajuste.
Componentes Cada parte de la bomba, es importante para el correcto funcionamiento del sistema. Las partes más comunes, se describen a continuación.
Equipos al nivel del suelo Motor: Es el encargado de suministrar la energía necesaria a la unidad de bombeo para levantar los fluidos de pozo. Dichos motores pueden ser de combustión interna o eléctricos. Caja de engranaje: Se utiliza para convertir energía del momento de rotación, sometidas a altas velocidades del motor primario, a energía de momento de rotación alto de baja velocidad. La máquina motriz se conecta al reductor de velocidad (caja de engranaje) mediante correa. El reductor de velocidad puede ser: Simple, doble o triple. La reductora doble es la más usada. Manivela: Es la responsable de trasmitir el movimiento de la caja de engranaje o transmisión a la biela del balancín, que está unida a ellos por pines sujetos al eje de baja velocidad de la caja de engranajes y cada una de ellas tienen un número igual de orificios, los cuales representan una determinada carrera del balancín, en ellos se colocan los pines de sujeción de las bielas. El cambio de pines de un hueco a otro se llama cambio de tiro. Pesas o contrapeso: Se utiliza para equilibrar las fuerzas desiguales que se originan sobre el motor durante a las carreras ascendente y descendente del balancín a fin de reducir la potencia máxima efectiva y el momento de rotación. Estas pesas generalmente, se colocan en la manivela y en algunas unidades sobre la viga principal, en el extremo opuesto el cabezote. Prensa estopa: Consiste en una cámara cilíndrica que contienen los elementos de empaque que se ajustan a la barra pulida permitiendo sellar el espacio existente entre la barra pulida y la tubería de producción, para evitar el derrama de crudo producido. Unidad de bombeo: Su función principal es proporcionar el movimiento reciprocante apropiado, con el propósito de accionar la sarta de cabilla y estas, la bomba de subsuelo. Mediante la acción de correas y engranajes se logra reducir las velocidades de rotación.
Equipos a nivel de subsuelo 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.