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BOMBEO
HIDRÁULICO
M. C. Manuel Soto Meneses
M. I. Saúl Bautista Fragoso

Historia
• El principio basico del bombeo hidráulico fue utilizado para producir petróleo desde 1846
cuando Faucett desarrollo una bomba de fondo accionada por vapor, pero debido a que
la bomba requeria un pozo de gran diámetro no tuvo mucho éxito.
• En 1923 fue fundada la compañía Kobe, Inc. por C.J. Coberly dedicada a diseñar y
fabricar productos necesarios en la producción de aceite.
• En 1926 la compañía inicio un programa para mejorar los métodos y equipos de bombeo
de aceite, uno de los proyectos fue la bomba hidráulica de pistón diseñada para eliminar
por completo el uso de las varillas de succión aplicando fuerza hidraulica para operar
una bomba con motor integral instalados en el fondo del pozo.
• Este tipo de bomba fue utilizada por primera vez en campo en 1932 y representó
grandes ventajas en capacidad, profundidad y eficiencia, tanto que los demás trabajos
para desarrollar otros métodos fueron abandonados.

Historia
• Las bombas jet por su parte fueron diseñadas como alternativa a las bombas de
pistón y se pueden encontrar referencias técnicas desde 1832, pero no fue hasta
1933 que se publicó una representación matemática, Gosline y O’Brien, que hacía
sugerencias de aplicación para pozos de aceite.
• En 1930 Jacuzzi recibio una patente para bombas jet que se utilizaron existosamente
en pozos someros de agua.
• En el mismo año Mc Mahon recibio la primera de seis patentes en bombas jet para
pozos de aceite. Aparentemente Mc Mahon fabricó y comercializó las bombas pero
como no se aplicaban a un amplio rango no tuivieron éxito.
• Las mejoras en el diseño y la introducción de modelos en computadora para
dimensionamiento de la aplicación correcta hicieron que en 1970 se comercializará
exitosamente las bombas jet en pozos de aceite.

Generalidades
El bombeo hidráulico es un sistema artificial donde se transmite energía al
fondo del pozo mediante la inyección de un fluido presurizado a través de las
tuberias del pozo. A este fluido presurizado se le llama fluido motriz o de
inyección y puede ser agua, aceite o una mezcla de estos.
La energía es adicionada a los fluidos del yacimiento mediante una bomba
instalada en el fondo, esta bomba puede ser de tipo pistón o jet y es accionada
hidraulicamente por el fluido motriz.

Funcionamiento
El sistema funciona de la siguiente manera:
• En el o los tanques de la unidad superficial se recibe el fluido, el cual
dependiendo del tipo de sistema sera una mezcla del fluido del pozo con el
fluido inyectado o unicamente fluido de inyección. De aquí una vez limpio de
sólidos el fluido necesario de acuerdo a las condiciones de operación y
diseño es succionado por la bomba múltiple para ser inyectado hacia el pozo,
el fluido restante se envía a la batería de producción.
• Una vez en el fondo el fluido presurizado entra a la bomba de fondo para que
esta proporcione el incremento de energia a los fluidos del pozos y se repite
el ciclo.

• Las presiones superficiales de operación, presión de inyección, de los
sistemas hidráulicos usualmente varían de 2,000 a 4,000 psi.
• Para generar estas presiones se utilizan bombas triplex o quintuplex de
desplazamiento positivo cuya fuerza motriz puede ser proporcionada por
motores eléctricos o de combustión interna.
Funcionamiento

Componentes del Bombeo Hidráulico

• Característica de “Bomba Libre”, común en la mayoría de los diseños
– Permite que la bomba sea fácilmente recuperada del pozo
•Flexibilidad de rango de bombeo
•Se pueden inyectar productos químicos con el fluído de potencia
– Control de parafinas, corrosión y emulsiones
•Fluidos de producción ligeros pueden actuar como diluentes
• No requiere varillas = aplicable a pozos desviados
• Adaptable a instalaciones existente
• Solución económica de levantamiento
Beneficios claves

Bombeo Hidráulico
Profundidad de Operación
Piston: 17,000 pies verticales (5,100 m aprox)
Jet: 20,000 pies verticales (6,000 m aprox)
Volumen Operación
Piston: 50 - 1,000 BFPD
Jet: >15,000 BFPD
Temperatura de Operación.
0 - 500° F (260 ° C )
Manejo en Corrosion
Bueno a Excelente
Manejo de Gas
Razonable

Manejo de sólidos
Pobre
Densidad de Fluido
8 - 45° API
Servicio
Removido Hidraulicamente o con línea de acero
Angulo de desviación
0 - 90° Colocacion de la Bomba.
<15°/100’ (Piston)
<24°/100’ (Jet)
Flexibilidad del tipo motor
Excelente
Aplicación costa fuera
Buena a excelente

• Bombas Jet
– El fluido de potencia a alta
velocidad, acelera el fluido del
pozo y levanta el fluido mezclado a
la superficie para separación
– Las bombas Jet llenan el rango
intermedio de capacidad de
levantamiento entre el BM de bajo
gasto y el BEC de alto gasto
Primer tipo de Bombas Hidráulicas

Ventajas de las bombas Jet
Aplicaciones difíciles
– Pozos Profundos
– Arena y sólidos
– Fluidos corrosivos
– Gas y Agua
– Aceites pesados y parafinas
– Terminaciones complejas
– Pozos desviados
– Zonas Múltiples
Bajo / Fácil mantenimiento
– Reparable en campo
– No contiene partes móviles
Método flexible
– Localidades remotas y urbanas
– Plataformas costa afuera
– Equipo superficial de bajo perfil
– Amplio rango de capacidad de
producción
– Múltiples pozos de un solo sistema
superficial = Menos costos por pozo
Ecológico
– Sistemas autocontenidos para
recirculación del fluido de potencia

• Baja eficiencia del sistema mecánico (hasta 30%)
Altos costos de combustible/energía
• Tradicionalmente tenía altos costos de mantenimiento superficial cuando se
utilizaban bombas reciprocantes para el fluido de potencia
El mantenimiento se minimiza utilizando bombas REDAHPS para el fluido de
potencia
• Desconocimiento y baja promoción del sistema
Desventajas de las bombas Jet

• Bomba Hidráulica de Pistón
– El fluido de potencia proporciona la fuerza motriz al ensamble de bomba
de pistón de fondo que levanta el fluído a la superficie. Se requiere
separación.
– Pueden ser bombas sencillas o en tandem
– Pueden ser de uno o dos pistones para mayor levantamiento
– Es una alternativa a las bombas Jet
– Mayores eficiencias (Hasta 95%)
• Recuperable hidráulicamente
– Flexibilidad similar de diseño y aplicaciones a las bombas Jet
Segundo tipo de Bombas Hidráulicas

Ventajas de las Bombas de Pistón
Método flexible para:
– Localidades remotas y urbanas
– Plataformas costa afuera
– Equipo superficial de bajo perfil
– Capacidad de producción
flexible
– Múltiples pozos de un solo
sistema superficial = Menos
costos por pozo
– Maxima la caída de presión
– Maximiza la eficiencia (Hasta
95%)
– Recuperable hidráulicamente
• Para aplicaciones difíciles:
– Pozos profundos
– Fluidos corrosivos
– Gas y Agua
– Crudos pesados (Tan bajos como 8° API)
– Completaciones complejas
– Aplicaciones de “doble terminación”
– Pozos desviados
– Producción de zonas múltiples

• Requiere fluidos limpios
– Tolerancias mínimas en partes móviles
• El mantenimiento no es tan sencillo como en una Bomba Jet
– El personal de campo requiere entrenamiento especializado
– Reconstrucción en fábrica o taller especializado solamente
• Desconocimiento y baja promoción del sistema
Desventajas de Bombas de Pistón

Los sistemas de inyección del fluido motriz pueden manejarse mediante
dos tipos de circuitos:
cerrado.
abierto.
Ambos sistemas son iguales en cuanto al manejo del fluido de la parte
de los tanques a la unidad de bombeo pero difieren en la forma de
manejar el fluido motriz que retorna a la superficie. El ensamble de
fondo tambien es diferente dependiendo del tipo de circuito pero las
bombas subsuperficiales pueden ser utilizadas para ambos casos.
Sistema Superficial de Inyección

Circuito Abierto.
El sistema de inyeción con circuito
abierto fue el primero que se utilizó
y su aplicación es la más sencilla y
económica ya que el fluido motriz
regresa a la superficie mezclado
con el fluido producido por el
espacio anular de las tuberías de
revestimiento, producción o
inyección, dependiendo del equipo
subsuperficial que se tenga.

Circuito Cerrado.
La principal ventaja de este tipo de
circuito es que solo el fluido de
producción necesita pasar a traves de
las instalaciones de separación, el
fluido motriz permanece en un sistema
por separado, por lo que las
instalaciones de separación pueden
ser más pequeñas, lo que en
ocasiones se requiere para
aplicaciones en plataformas o en zonas
pobladas. En principio tambien se tiene
que el fluido motriz se mantiene mas
limpio ya que no entra en contacto con
otros fluidos

Circuito Abierto
Linea de descarga
Tanque
Acumulador
Valvula de
Presion Diferencial
A Linea de descarga
Control del
Cabezal
Bypass
Valvula de
contrapresion
Pulsation
Dampener
Bomba Multiplex de Piston
Motor Electrico
Separador Almacenamiento
Reservoir Gravity
Dump Piping
Estrangulador
Ciclone
Alta Presion
Fluido Inyeccion
Fluido de
Produccion
Mezcla de
Fluido
Fluido de
Inyeccion limpio
Gas de
Produccion

Sistemas Superficiales de Inyección

Tipo de instalaciones de fondo.
Existen dos tipos de instalaciones subsuperficiales basicas :
• Instalaciones fijas: Cuando la bomba va fija conectada al final de
una tubería.
• Instalaciones libres. las bombas libres no van conectadas a la
tubería y estan diseñadas para ser recuperadas o insertadas
mediante la circulación de fluido en las tuberías.

Bombas Subsuperficiales Fijas
Bomba Fija de Inserción.
La bomba se conecta a una zapata colocada en la
tubería cuyo diámetro interior es mayor que el diámetro
exterior de la bomba. El fluido motriz es inyectado a través de
tubería interior y el fluido producido regresa por el espacio
anular entre las dos tuberias. En este tipo de conexiones se
crea un espacio que permite el venteo de gas por el espacio
anular entre la tubería de revestimiento y la de producción.
Para incrementar la ventaja del paso del venteo de gas
normalmente se utilizan tuberias interiores o de inyección de
¾”, 1” ó 1 ¼” dependiendo del diámetro de la tubería de
producción.

Bombas Subsuperficiales Fijas
Bomba Fija de Tuberia
Este tipo de bombas se utilizan para
producciones altas ya que la bomba va
conectada a la tubería de producción por lo que
pueden ser de mayor diámetro. En la parte
inferior despues de la bomba debe llevar un
empacador recuperable que le permita fijar la
sarta aislando al mismo tiempo el espacio
anular. El fluido motriz es inyectado por la
tubería de producción y la mezcla de fluidos,
inyectado y producido, regresa por el espacio
anular de la tubería de revestimiento

Bombas Subsuperficiales Libres
En este tipo de arreglos la bomba no esta enroscada a ninguna tubería
y es una de las ventajas mas significantes del bombeo hidráulico ya
que permite circular el fluido motriz con la bomba hacia abajo para
iniciar a producir el pozo y circular el fluido en forma inversa para
regresarla a la superficie para su reparación, redimensionamiento o
cambio, Las instalaciones de bomba libre requieren un ensamble de
fondo que debe ser introducido con la tubería de producción. El
ensamble de fondo consiste basicamente de un niple de asiento y de
uno o varios puntos de sello arriba de este que a su vez sirven como
receptáculo para la bomba.

Arreglos de fondo Basicos de
Sistema Abierto

Instalacion y Extraccion de bombas libres

BOMBEO
HIDRÁULICO TIPO
PISTÓN

Bombeo Hidráulico Tipo Pistón
El final de una bomba hidráulica tipo
pistón es similar a una bomba para
bombeo mecánico porque usa un sistema
actuado por un vástago-émbolo (también
llamado bomba pistón) y dos o más
válvulas check. Este tipo de bombas estan
integradas por pistones que mediante la
presión del fluido motriz realizan un
movimiento reciprocante adicionando así
la presión necesaria para elevar los
fluidos a la superficie. Estan dividas en
dos secciones la del “motor” y la de la
bomba.
Pistón del
“motor”
Pistón de
la bomba

Tipos de Bombas de Pistón
Las bombas Tipo Pistón se clasifican en
dos tipos:
Acción Simple.
Doble Acción.
Acción simple:
Se llama de acción simple porque desplaza
el fluido a la superficie en cada movimiento
del émbolo ya sea en la carrera ascendente
o carrera descendente (pero no en ambas).

Tipos de Bombas de Pistón
Doble acción:
Las bombas de acción doble tiene dos
válvulas de admisión y dos de escape
en el barril de la bomba que le permiten
realizar desplazamiento de fluido
durante la carrera ascendente y
descendente

Principio de Operación
Esta basado en el principio de Pascal que
dice que la presión aplicada a un fluido se
transmitirá en todas direcciones con la
misma intensidad.
Además como la presión esta definida
como una fuerza que actua sobre un área,
si se modifica esta, la fuerza aumentará o
disminuirá.
En la figura. se ilustra la variación de la
fuerza en función del área, donde la fuerza
de 1 kg ejercida sobre la superficie líquida
de 1 cm2, equilibra la fuerza de 100 kg que
actúa sobre un área de 100 cm2.

Sin embargo la fuerza F1
debería de moverse 100 cm
para poder desplazar 1 cm la
fuerza F2, desplazando un
volumen de 100 cm3

La bomba consiste basicamente de dos
pistones unidos entre si por medio de un
vástago.
El pistón superior se denomina pistón motriz y
es el que impulsado por el fluido motriz
realizará el movimiento, por lo que se puede
considerar como el “motor”.
Debido a que se encuentra unido mediante un
vástago a un pistón inferior, tambien
denominado de producción, este se moverá
incrementando la presión de los fluidos
producidos, por lo que se considera esta parte
la “bomba”.
Restando el área del vástago que los une se
tienen las areas sobre las que actuará la fuerza
hidráulica.

Por lo tanto si el área del pistón del
“motor” es la mitad del de la “bomba”,
se tiene que ejercer 1 kg de fuerza en el
“motor” para vencer ½ kg de resistencia
de la “bomba”, pero desde el punto de
vista volumetrico se necesitará
unicamente ½ barril de fluido motriz por
cada barril de fluido producido

Las bombas tipo pistón son dispositivos hidrostáticos. Esto significa que el funcionamiento de
la unidad depende de presiones actuando sobre las caras del pistón para generar fuerzas y
que la velocidad del fluido sean lo bastante bajas para que puedan despreciarse los efectos
dinámicos.
Un fluido sometido a presión ejerce una fuerza contra las paredes de su recipiente, esta fuerza
es perpendicular a las paredes sin tener en cuenta su orientación.
Si el recipiente presurizado consiste en un cilindro cerrado de un lado y abierto del otro, con un
émbolo movible como el mostrado en la Figura, una fuerza tendrá que ser aplicada al émbolo
para vencer la fuerza ejercida por el fluido a presión.
Se requerirá una fuerza de 1,000 lbf para contener un émbolo en cuya área seccional sea del
1 pg2, si la presión en el cilindro es 1.000 psi.

Suponemos ahora que una línea de suministro se conecta al lado abierto del
cilindro, como es mostrado en la Figura y que una bomba proporciona al fluido
a una gasto de 1 pg3/ seg mientras se mantiene la presión a 1.000 psi. Esto
causará al émbolo moverse en el cilindro a una velocidad constante de 1 pg
por seg contra las 1.000 lbf de fuerza en contra.

En esta condición de equilibrio dinámico, el trabajo puede hacerse por el sistema
porque el trabajo está definido como:
W = F * L
Donde:
W = trabajo (lbf-pg)
L = distancia (pg)
F = fuerza (lbf)

Por lo anterior, si el émbolo se mueve 12 pg hará 12.000 lbf-pg de trabajo (o 1.000
pie-lbf de trabajo). Porque el émbolo está moviéndose a 1 pg / seg, tomará 12
segundos para completar el viaje. La potencia está definida como la proporción de
trabajo hecho con respecto al tiempo
P=W / t
donde
P = potencia (pie-lbf/sec)
t = tiempo (segundos)
W = trabajo (pie-lbf)
En este ejemplo, la potencia es 1,000 pie-lbf de trabajo en 12 segundos, o 83.3 pie-
lbf/seg.
Sabemos que el caballo de fuerza está
definido como 550 pie-lbf/seg.

En el ejemplo:
83.3 pie-lbf/seg corresponde a 0.15 hp.
Si nosotros proporcionamos el fluido presurizado a 2 pg3 / seg, el émbolo se movería 12 pg
en 6 segundos.
El trabajo hecho sería el mismo, pero como se haría en la mitad del tiempo, los hp
requeridos serían de .30 hp (el doble)
Hemos interpretado los hp en términos de trabajo hecho por el émbolo por unidad de
tiempo.
Esta potencia se proporciona por la bomba que presuriza el fluido.
El émbolo transforma la potencia hidráulica a mecánica. Ésta es la acción de un motor
hidráulico.
El equivalente hidráulico de 0.15 hp es un gasto de flujo de 1 pg3 / seg a 1,000 psi. Si el
gasto de flujo en pulgadas cúbicas por segundo se multiplica por la presión en libras fuerza
por pulgada cuadrada, el producto tendrá unidades de pulgada-libra por segundo, que son
las dimensiones de potencia. La conversión de unidades mostrará que 1 pg3/seg es igual a
8.905 B/D, por lo que si 8.905 B/D a 1,000 psi son 0.15 hp, se tiene que
Ph = q X p x 0.000017 (5)
Donde
q = gasto de flujo, B/D
p = presión, psi.

Dos émbolos de diámetros diferentes son conectados por una varilla. El área de la
cara del émbolo más grande es 2 pg2 y la cara del émbolo menor es de 1 pg2.
Un fluido a 1.000 psi es inyectoado al cilindro con mayor émbolo. Esto causa que el
émbolo empuje a la varilla contra el émbolo pequeño con una fuerza de 2,000 lbf. Para
reprimir el movimiento del sistema del varilla-émbolo, debe aplicarse una fuerza
contraria de 2,000 lbf al émbolo menor. Esto puede lograrse con el fluido en el cilindro
menor a 2.000 psi.
Si estas presiones se mantienen y el fluido es proporcionado al cilindro más grande a
un gasto constante, el sistema varilla-émbolo se moverá a la derecha a un gasto
constante. El fluido se forzará fuera del cilindro menor a la mitad del gasto que se
proporciona al cilindro más grande, pero con el doble de presión.
Area= 1 pg2
Presión= 1000 psi
Area= 2 pg2
Fluido inyectado
Q ½ Q
Descarga 2000 psi

Este proceso de transformación hidráulica es reversible, pues proporcionaría fluido
con 2.000 psi al cilindro menor para hacer que fluya a 1.000 psi fuera del cilindro más
grande a dos veces el gasto proporcionado al cilindro menor. En cualquier caso, los
caballos de fuerza de la entrada y salida son los mismos porque ninguna pérdida ha
sido considerada.
Fluido inyectado a= 2000 psi
Area= 1 pg2
Presión= 1000 psi
Area= 2 pg2
Q
2Q
Descarga

Presiones en una bomba de Pistón
Aer = Area de la varilla del motor
Aep = Area del Pistón del motor
App = Area del Pistón de la bomba
Apr = Area de la varilla de la bomba
Ppf = Presión fluido motriz
Ped = Presión descarga motor
Ppd = Presión descarga bomba
Pps = Presión succión bomba

En este diseño, las varillas superiores e inferiores son expuestas a la
presión del fluido motriz, Ppf. Al principio y fin de cada mitad de embolada,
breves períodos de desaceleración y aceleración ocurren, pero la mayoría
de la embolada es a velocidad constante. Para la condición de velocidad
constante, la suma de las fuerzas actuando hacia abajo debe igualar a la
suma de fuerzas actuando hacia arriba:
   
pr
pp
ps
er
ep
pf
er
pf
d A
A
P
A
A
P
A
P
F 




     
pr
pf
pr
pp
pd
er
ep
ed
u A
P
A
A
P
A
A
P
F 





(int)
(max)
max
P
P
p
s E
E
N
N
q
q 







(int)
(max)
max
P
P
S
P
E
E
N
N
q
q
El gasto de succión de la bomba es:
El desplazamiento de la bomba requerido para cumplir con el gasto de succión
deseado es como sigue:
donde,
qs = gasto de succión de la bomba, B/D.
qp = gasto de desplazamiento de la bomba, B/D.
N = Gasto de la bomba operando, emboladas / min.
Nmax = Máximo gasto de la bomba operando, emboladas/min
Ept(max) = Máxima eficiencia de la bomba de la Fig. 2.11
Ept(int) = Eficiencia de la bomba considerando interferencia de gas y filtración la bomba.

EJEMPLO
Se requiere saber el gasto de
producción de una bomba de TR con la
siguiente información:
Gasto de succión: 250 b/día
Densidad del aceite: 40 °API
Presión de entrada a la bomba: 400 psi.
RGA: 500 ft3/bl
porcentaje de agua: 20%.
El desplazamiento requerido a 80% del
gasto y 85% de eficiencia debido a
fugas
SOLUCIÓN
De la Figura la eficiencia volumétrica
teoríca es del 30%
Por lo tanto
qp = 250/(0.8 x0.3 x0.85)
= 1225 B/D.

Eficiencia volumetricas de una bomba de Pistón

Sistema de Presiones y pérdidas en una
bomba de Pistón
• La presión del fluido motriz se incrementa con la profundidad porque se
incrementa la columna hidrostática en la TP, pero al mismo tiempo, se
tienen algunas pérdidas de presión del fluido motriz por fricción en la TP y
las pérdidas en la bomba por fricción.
• Después que la unidad de fondo está operando el fluido motriz deberá
retornar hacia la superficie. La presión de fluido motriz a la salida de la
unidad de fondo depende de la columna hidrostática de fluido en la
tubería de retorno arriba de la bomba.
• En suma ademas de esta presión las pérdidas de presión por fricción en
el viaje a la superficie y la contrapresión en la cabeza del pozo deberá ser
considerada.

• En un sistema abierto, el fluido producido del pozo saldrá de la
unidad de fondo y se mezclará con el sobrante del fluido motriz por
consiguiente encontrando la misma presión que el fluido motriz.
• En un sistema cerrado la producción tendrá su propia presión
hidrostática, pérdida de presión por fricción y contrapresión en la
cabeza del pozo y la línea de descarga.
• En ambos casos, la succión de la bomba será en una presión que
variará con el gasto producido de acuerdo a la IPR del pozo.
• La siguiente Figura muestra el sistema de presiones y las pérdidas
para una instalación abierta.
Sistema de Presiones y pérdidas en una
bomba de Pistón

Sistema de Presiones en un sistema abierto

Sistema de Presiones en un sistema cerrado

Perdidas de Presión por fricción
donde,
P fr= Presión por fricción, psi.
K = Constante particular de la bomba, determinada
experimentalmente.
N = Gasto de la bomba operando, emboladas / min.
Nmax= Máximo gasto de la bomba operando,
emboladas/min.
La Pfr(min) es 50 psi, la cual ocurre a cero emboladas por
minuto. El valor de Pfr(rnax) Ocurre cuando N=Nmax.






 max
50
N
N
K
fr e
P

Aquí A y B son constantes que dependen del tamaño de la
TP para la cual la bomba es diseñada, y qtm es el máximo
gasto total que pasa a través del motor y la bomba en una
unidad en particular. Combinando las 2 ecuaciones
anteriores tenemos:
tm
Bq
fr Ae
P 
max
max
)
50
(
50 N
N
Bq
fr
TM
Ae
P 
El valor de A es el mismo para todos los tamaños de TP, por
ejemplo A =355. Por lo tanto puede escribirse como :
max
)
1
.
7
(
50 N
N
Bq
fr
tm
e
P 

Para corregir por diferencias de densidad, el valor de Ppf
deberá ser multiplicada por la gravedad específica del fluido
motriz, Υ. Un factor de multiplicación Fv, el cual corrige para
varias viscosidades, está dado por:
Con ambas correcciones, la ecuación queda:
99
.
0
100







 pf
v
v
F
max
)
1
.
7
)(
50
( N
N
Bq
v
fr
tm
e
F
P 


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