UNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIEŞTI

PRELUCRAREA DINAMOGRAMELOR ŞI STABILIREA DEFECTELOR LA POMPELE DE

ADÂNCIME

Coordonator: Student: Prof. C. Bucur Prună Georgiana

Ploieşti 2010

CUPRINS

1. Introducere 2. Generalităţi asupra pompelor de adâncime 3. Prelucrarea dinamogramelor la pompajul cu prăjini

3.1. Generalităţi 3.2. Prelucrarea şi interpretarea dinamogramelor

4. Stabilirea defectelor la pompele de adâncime pentru pompajul cu prăjini 4.1. Metode de stabilire a defectelor la pompele de adâncime 4.2. Calcule de diagnostic

1. INTRODUCERE

Exploatarea zăcămintelor de petrol prin sonde se efectuează prin metode care sunt impuse de nivelul energetic al zăcământului [1]:

• prin aportul propriu al zăcământului (erupţie naturală), atunci când energia proprie a zăcământului (produsă în urma destinderii gazelor din zăcamânt) asigură ascensiunea la suprafaţă a petrolului;

• prin aport energetic de la suprafaţă, pe măsură ce energia zăcământului se epuizează, sub forma injecţiei de gaze în sondă (erupţie artificială) sau a pompajului.

Sistemele de pompare pot fi de două tipuri: • cu prăjini de pompare (acestea reprezintă mai mult de 85% din totalul sondelor în

producţie din România [2]) – figura 1 [4]; • fără prăjini de pompare, având ca element principal pompe de adâncime de tip

hidraulic (cu piston sau cu jet), centrifug sau elicoidal (cu cavităţi). Subiectul acestei lucrări îl constituie pompele de extracţie acţionate cu prăjini, de tip

simplex cu simplu efect.

Figura 1 Unitate de pompare cu prăjini

2. GENERALITǍŢI ASUPRA POMPELOR DE ADÂNCIME

Pompele acţionate cu prăjini se clasifică după mai multe criterii [2] (Tabelul 1).

Tabelul 1

CRITERIUL TIPUL POMPEI

Modul de introducere Tip T (Regular), introdusă cu ţevile de extracţie Tip P (Insert), introdusă cu prăjinile de pompare

Destinaţie Uzuală Specială

Construcţia cilindrului Cu cilindrul dintr-o bucată Cu cilindrul din mai multe cămăşi (linere)

Tipul pistonului Cu piston cu/fără rile – dintr-o bucată Cu piston cu garnituri de etanşare

Numărul scaunelor cu bilă folosite la aspiraţie şi refulare

Varianta a – 2 scaune cu bilă (1 aspiraţie + 1 refulare) Varianta b – 3 scaune cu bilă (1 aspiraţie + 2 refulare) Varianta c – 3 scaune cu bilă (2 aspiraţie + 1 refulare) Varianta d – 4 scaune cu bilă (2 aspiraţie + 2 refulare)

Felul fixării pompei sau supapei fixe

Cu dispozitiv de fixare mecanic Cu dispozitiv de fixare cu cupe

Locul fixării pompei Cu fixare la partea superioară Cu fixare la partea inferioară

În România, pompele de extracţie se construiesc după două acte normative: • conform API Spec 11AX-2006 Specification for subsurface sucker rod pumps and

fittings; • conform STAS 9256/1-85 Utilaj petrolier. Pompe de adâncime acţionate cu

prăjini. Condiţii generale de calitate. STAS 9256/73 Utilaj petrolier. Pompe de adâncime TBA, PBSA, PBJA şi PBMA.

Avantajele sistemelor de pompare cu prăjini: • pot fi utilizate pentru reducerea presiunii din sondă la un nivel foarte mic; • oferă o flexibilitate mare a debitului de pompare, de la valori joase la valori

medii; • simplitate constructivă şi funcţională; • uşor de întreţinut; • pot fi adaptate unei game mari de condiţii de operare; • sunt foarte răspândite, fiind unele din cele mai cunoscute şi înţelese sisteme de

pompare din teren; • echipamentele de suprafaţă şi de adâncime pot fi uşor înlocuite. Dezavantajele sistemelor de pompare cu prăjini: • se utilizează numai pentru extracţia de ţiţei în zonele terestre, din cauza greutăţii şi a gabaritului mare;

• ridică probleme serioase în ceea ce priveşte producţia de solide (nisip), coroziunea, depunerile de parafină, rapoartele gaz-lichid, deviaţia găurii de sondă şi limit ările de adâncime, chiar dacă unele din aceste probleme au fost diminuate prin îmbunătăţirea tehnologiei de fabricaţie a prăjinilor de pompare, dezvoltarea unităţilor de pompare cu cursă lungă şi a altor progrese tehnice.

Principalele componente ale pompelor de adâncime acţionate cu prăjini sunt: • cilindrul motor al pompei, montat pe tubulatură; • pistonul plonjor (numit şi plunjer), montat pe prăjina de pompare; • supapa mobilă, care este parte componentă a plunjerului; • supapa fixă, amplasată la capătul inferior al cilindrului motor. La partea inferioară a pompei, montat pe cilindrul motor, se află şi un separator gaz-

ţiţei, care permite separarea fluidelor de formare înainte ca acestea să ajungă în interiorul pompei. Deasemenea, acesta direcţionează o mare parte din gazul liber în spaţiul inelar al tubulaturii, îmbunătăţind randamentul pompei.

Principalele categorii de pompe de adâncime [4] sunt: • pompa cu tubulatură; • pompa cu prăjini. Diferenţa dintre aceste două tipuri de pompe de adâncime constă în montarea

cilindrului motor (figura 2). Astfel:

Figura 2 Categorii de pompe de adâncime

• cilindrul motor al pompei cu tubulatură este parte componentă a coloanei de extracţie; acest lucru este avantajos, deoarece reprezintă cea mai robustă soluţie constructivă şi permite ca diametrul maxim al plunjerului să fie cu puţin mai mic decât cel al tubulaturii, astfel încât volumul fluidului pompat să fie maxim; dezavantajul acestui tip de pompă constă în necesitatea montării tubulaturii, pentru a putea monta apoi cilindrul motor şi celelalte componente ale pompei.

• varianta constructivă a pompelor cu prăjini, la care cilindrul motor este amplasat pe garnitura de prăjini de pompare, este mult mai utilizată decât cea cu tubulatură, având o depanare uşoară, prin extragerea prăjinilor de pompare din sondă; totuşi, acest lucru necesită un diametru al plunjerului cu mult mai mic decât in cazul pompei cu tubulatură şî din acest motiv cantitatea de fluid pompată nu este atât de mare.

Pompele cu prăjini sunt de mai multe tipuri: • pompe cu cilindru fix (figura 3), prevăzute cu un cilindru fix şi plunjer mobil; • pompe cu cilindru mobil (figura 4), prevăzute cu cilindru mobil şi plunjer fix; • pompe cu tubulatură triplă (mai puţin întâlnite), prevăzute cu un plunjer interior şi

un cilindru exterior care se deplasează telescopic în jurul unui cilindru fix; astfel, se formează o barieră de fluid între cei doi cilindri; deoarece nu sunt prevăzute cu etanşeizări de tip mecanic, aceste pompe funcţionează foarte bine în medii cu fluide abrazive (pământuri nisipoase);

• pompe cu manta (figura 5) la care un distribuitor, amplasat la ambele capete ale cilindrului motor, asigură distribuţia fluidului între cilindru şi carcasă; nu necesită tubulatură; se utilizează la pomparea volumelor mari de fluid, pentru adâncimi de pompare mici.

Figura 3 Pompă cu cilindru fix Figura 4 Pompă cu cilindru mobil

Clasificarea API a pompelor de adâncime se face conform [3], specificând următoarele elemente:

• dacă pompa este cu tubulatură sau cu prăjini

• dacă pompa are cilindru motor fix sau mobil şi tipul cilindrului şi plunjerului montat;

Figura 5 Pompă cu manta Figura 6 Clasificarea API a pompelor de adâncime

• dacă pompa este prevăzută cu un dispozitiv de susţinere/sprijin la capătul superior

sau inferior (pentru pompa cu cilindru fix) sau cu o ancoră (ancora este un mecanism care menţine fixă o componentă a pompei, astfel încât aceasta să funcţioneze corespunzător).

Clasificarea API foloseşte un cod de trei litere, fiecare făcând referire la unul din cele trei elemente menţionate mai sus. În figura 6 este reprezentată întreaga clasificare API a pompelor de adâncime.

Figura 7 reprezintă secţiunea transversală a unei pompe cu prăjini în două faze diferite ale ciclului de pompare (la cursa ascendentă a plunjerului şi respectiv la cea descendentă). Se observă că supapa fixă este amplasată la capătul inferior al tubulaturii, iar supapa mobilă – la capătul inferior al garniturii de prăjini. Procesul de pompare are loc după cum urmează:

• la cursa descendentă, supapa mobilă se deschide, cea fixă rămânând închisă datorită greutăţii coloanei de fluid de deasupra ei; în acest moment al ciclului de pompare fluidul are o mişcare ascensională, trecând prin supapa mobilă, care se menţine deschisă;

• la cursa ascendentă, după ce plunjerul a atins punctul mort inferior şi îşi începe mişcarea ascensională, supapa mobilă se închide, iar plunjerul începe să ridice coloana de fluid aflată deasupra supapei mobile (care se menţine închisă); pe măsură ce plunjerul îşi continuă mişcarea ascensională, volumul de aer din cilindrul motor (dintre supapa fixă şi cea mobilă) creşte, în timp ce presiunea scade, până când devine mai mică decât presiunea din sondă, iar supapa fixă se deschide, permiţând fluidului de formare să intre în pompă; la fiecare cursă

ascendentă, coloana de fluid este ridicată pe o distanţă egală cu lungimea unei curse întregi; după ce plunjerul atinge punctul mort superior, începe să coboare, supapa mobilă se deschide, supapa fixă se închide, iar ciclul de pompare se repetă.

Cu fiecare cursă, fluidul este pompat prin tubulatură către suprafaţă.

Figura 7 Funcţionarea pompei cu prăjini pentru un ciclu de pompare

În cazul în care fluidul de producţie conţine gaz liber, se vor avea în vedere următoarele aspecte [4]: • supapele nu se vor deschide/închide neapărat la capetele curselor plunjerului;

poziţia punctului mort superior la care supapa fixă se deschide va depinde de spaţiu (de volumul care se află la capătul inferior al cursei plunjerului, între supapa mobilă şi cea fixă) şi de cantitatea de gaz liber care-l ocupă; la punctul mort inferior, supapa mobilă rămâne închisă până când presiunea de sub plunjer devine mai mare decât presiunea de deasupra lui, după care se deschide şi permite fluidului să treacă în interiorul tubulaturii; poziţia exactă a punctului mort inferior la care supapa mobilă se deschide depinde de volumul de gaz liber din fluidul de sub supapă.

• cu cât volumul de gaz liber este mai mare, cu atât raportul curselor la extinderea şi comprimarea acestuia este mai mare, fără a avea loc însă nici o acţiune reală de pompare.

La sondele care produc o cantitate considerabilă de gaz liber, se montează în interiorul tubulaturii o ancoră de gaz, deasupra pompei. Acest dispozitiv permite intrarea

gazului separat în spaţiul inelar al tubulaturii, înainte ca acesta să pătrundă în pompă. În caz contrar, dacă volumul de gaze aspirate este mare, la coborârea plunjerului, presiunea ţiţeiului şi a gazelor de sub acesta nu creşte destul pentru a putea deschide supapa mobilă. La cursa ascendentă, fluidul se destinde, dar presiunea în pompă este încă destul de mare ca să nu permită deschiderea supapei fixe de aspiraţie. În acest caz, pompa este blocată cu gaze şi nu produce.

Fenomenul blocării cu gaze nu este permanent [2]. La producerea lui, pompa nu mai debitează. Ca urmare, nivelul de fluid în coloană creşte, presiunea acestuia va creşte şi ea, până când va învinge contrapresiunea fluidului de deasupra supapei fixe, care se va deschide şî o cantitate de fluid va pătrunde în interiorul pompei. Pompa va funcţiona cu un debit redus pentru o perioadă de timp, după care blocarea cu gaze se va produce din nou. Astfel, pompa va avea o funcţionare intermitentă, în rafale, cu debit redus de fluid.

Transferul greutăţii fluidului de pe plunjer la ţevile de extracţie şi invers influenţează mult mişcarea plunjerului în pompă, din cauza alungirilor alternative ale ţevilor de extracţie şi ale prăjinilor de pompare. Astfel, cursa plunjerului în pompă diferă de cursa prăjinii lustruite la suprafaţă.

3. PRELUCRAREA DINAMOGRAMELOR LA POMPAREA CU PRǍJINI

3.1. GENERALITǍŢI

Pentru asigurarea unei funcţionări continue, eficiente şi economice a unei sonde, unităţile de pompare cu prăjini trebuie monitorizate permanent. Acest lucru se realizează după montarea unităţii de pompare pe teren, prin efectuarea unor teste dinamometrice asupra acesteia, în scopul determinării randamentului sistemului şi dacă sunt necesare modificări asupra cursei pistonului, a vitezei pompei sau a altor parametri de funcţionare.

Testele dinamometrice au rolul de a soluţiona probleme de funcţionare [4], cum ar fi: • oprirea pompării; • cât este presiunea de aspiraţie a pompei; • cât este gradul de umplere al pompei; • cât este volumul pompei; • posibilitatea de a avea pierderi de fluid la supapele fixă şî mobilă; • cât este cursa efectivă a plunjerului pompei şi viteza curentă de pompare; • cât este puterea indicată; • supraîncărcarea reductorului de turaţie; • dacă unitatea de pompare este echilibrată corespunzător; • dacă separatorul de gaz de la partea inferioară a pompei funcţionează

corespunzător. Prin studiul dinamometric se măsoară forţele care acţionează asupra garniturii de

prăjini în timpul unui întreg ciclu de pompare, înregistrate pe o diagramă sau le afişate pe ecranul uni computer. Acest afişaj poartă numele de dinamogramă, care înregistrează modificarea sarcinii din garnitura de prăjini de pompare în funcţie de deplasarea prăjinilor sau de timpul de pompare (figura 8 [4], Echometer Company, 2003).

Figura 8 Exemple de dinamograme pentru suprafaţă şi pentru pompele de adâncime

În timpul unui ciclu de pompare, forţele care acţionează pe garnitura de prăjini de pompare produc modificări ale sarcinii pe prăjini. Măsurarea acestor modificări descrie funcţionarea pompei de adâncime şi a unităţii de suprafaţă. Dinamometrele prăjinilor lustruite înregistrează încărcările din acestea pe toată durata unui ciclu de pompare, cele mai utilizate fiind cele mecanice, hidraulice, dar şi electronice (figura 9 [4], Echometer Company, 2003).

Figura 9 Traductor dinamometric pentru prăjini de pompare

Principalele componenete ale unei unităţi dinamometrice de tip electronic conţin un

traductor de sarcină dinamometric (capsulă dinamometrică), un traductor de poziţie şi componente electronice care asigură interfaţarea, înregistratrea semnalelor şi prelucrarea acestora. Capsula dinamometrică, amplasată între bara de sprijin şi cârligul garniturii de prăjini, utilizează o marcă tensometrică pentru măsurarea încărcării prăjinilor lustruite. Traductorul de poziţie foloseşte un potenţiometru pentru măsurarea deplasării prăjinilor. Accelerometrele determină deplasarea prăjinilor, astfel încât poziţia şi încărcarea prăjinilor lustruite să fie înregistrate în funcţie de timp. Astfel, un dinamometru electronic poate determina dinamogramele de suprafaţă şi, în acelaşi timp, poate furniza informaţii necesare trasării dinamogramelor pentru pompele de adâncime.

Dinamometrele electronice portabile conţin de obicei microcalculatoare care combină achiziţia de date în timp real cu stocarea şi recuperarea de date, precum şi analiza on-line a măsurătorilor şi calculul dinamogramelor pentru pompele de adâncime. 3.2. PRELUCRAREA ŞI INTERPRETAREA DINAMOGRAMELOR

În prezent, dinamogramele prăjinilor de pompare sunt cele mai utilizate mijloace pentru analiza/diagnosticarea unităţilor de pompare cu balansier. Ele reprezintă o înregistrare continuă a variaţiei sarcină-deplasare pentru ciclul de pompare, fiind folosite pentru determinarea mai multor parametri ai unităţii de pompare [4], cum ar fi:

• valoarea minimă şi valoarea de vârf a încărcărilor (şi de aici tensiunile şi gama lor) la care sunt supuse prăjinile de pompare (exemplu: MPRL, MPRS, PPRL şi PPRS);

• sarcina pe prăjină în fiecare punct al cursei pentru un ciclu de pompare; • cuplul motorului de acţionare şi al reductorului de turaţie (considerând cunoscuţi

coeficienţii unităţii de pompare); • lucrul mecanic efectuat de prăjină în mişcarea sa ascensională (exemplu: puterea

garniturii de prăjini PRHP); • efectul contragreutăţilor asupra garniturii de prăjini (CBE). Dinamogramele de suprafaţă nu pot fi utilizate pentru măsurarea directă a

parametrilor de funcţionare ai pompei, deoarece ele înregistrează toate eforturile statice şi dinamice care acţionează asupra garniturii de prăjini. O evaluare mai precisă a funcţionării pompei poate fi realizată prin amplasarea unui dinamometru deasupra

acesteia. Pentru a diferenţia înregistrările sarcinilor din garnitura de prăjini de cele din pompă, vom numi dinamograme de suprafaţă înregistrările sarcinilor din prăjini şi dinamograme – înregistrările sarcinilor din pompă.

Interpretarea primara a dinamogramelor, in scopul stabilirii defectelor la pompele de adancime, se face prin compararea formei dinamogramei cu formele de dinamograme din API BUL 11L2-69 [5]. Aceasta metoda are un mare dezavantaj, si anume acela ca ofera o precizie scazuta, interpretarea facandu-se mai mult pe baza experientei celui care o efectueaza.

Pentru a ilustra importanţa utilizării dinamogramelor în stabilirea defectelor pompei de adâncime, considerăm următoarele situaţii tipice idealizate [4]:

• În figura 10, scăderea treptată a sarcinii indică faptul că o cantitate mică de gaz, ce poate să provină din exteriorul soluţiei ţiţei-gaz, este comprimată la cursa ascendentă. Astfel, sarcina nu este distribuita uniform de-a lungul tubajului, din cauza unei perioade de comprimare a gazului la cursa descendenta, inainte de deschiderea supapei mobile.

Figura 10 Dinamograma la comprimare gaz

• In figura 11, scaderea sarcinii se face mai brusc decat in figura 10, ceea ce

inseamna ca sonda este oprita complet sau aproape oprita. In aceste conditii, corpul pompei nu se umple complet cu fluidul de pompat. Pe masura ce pistonul coboara si comprima gazul, presiunea de sub supapa mobila nu este suficient de mare astfel incat sa previna lovirea acestuia de suprafata fluidului din partea inferioara a cilindrului pompei. Efectul lovirii pistonului de suprafata fluidului poarta numele de soc hidraulic. Deseori, socul hidraulic poate fi sesizat de la suprafata, indicand astfel oprirea sondei. Principala problema in interpretarea acestui tip de dinamograme il constituie faptul ca, din cauza asemanarii cu dinamogramele la comprimare de gaz din figura 10, este dificila diferentierea de acestea si implicit diagnosticarea corecta a pompei.

Figura 11 Dinamograma la soc hidraulic

• Dinamograma din figura 12 indica un randament scazut al pompei. Aceasta este

„blocata cu gaz” si nu contine fluid in cilindrul sau. Astfel, gazul se comprima si se extinde, fara ca cilindrul pompei sa se umple cu fluidul de pompat.

Figura 12 Dinamograma la blocare cu gaz

• In figura 13, dinamograma indica pierderi de fluid la supapa mobila. Miscarea

completa a acesteia in timpul cursei ascendente este necesara pentru atingerea incarcarii maxime. Daca exista pierderi de fluid la supapa mobila, garnitura de prajini incepe sa piarda din sarcina inainte de atingerea punctului mort superior.

Figura 13 Dinamograma la pierderi de fluid la supapa mobila

• In figura 14, dinamograma indica pierderi la supapa fixa. Acestea provoaca

incarcarea prematura a prajinilor inainte de inceperea cursei ascendente si, deasemenea, intarzie descarcarea lor la cursa descendenta, astfel incat supapa mobila se inchide in timpul cursei descendente, suportand o incarcare mai mare decat cea admisibila.

Figura 14 Dinamograma la pierderi de fluid la supapa fixa

• Dinamograma din figura 15 este o combinatie a celor din figurile 13 si 14,

indicand o pompa uzata care prezinta pierderi atat la supapa mobila, cat si la

supapa fixa, si care poate avea, deasemenea, o alunecare excesiva a pistonului, impunandu-se astfel inlocuirea pompei.

Figura 15 Dinamograma la pierderi de fluid la ambele supape si alunecare mare a

pistonului Dinamogramele sunt instrumente valabile de diagnosticare a pompelor de adancime si de analiza a functionarii acestora, insa o astfel de analiza este greu de obtinut, din cauza inaccesibilitatii masuratorilor, care trebuie realizate la adancimea la care se afla pompa in sonda. Din acest motiv, analiza functionarii pompelor de adancime se mai poate face si prin alte metode, cum ar fi:

• utilizarea dinamogramelor de suprafata; • dezvoltarea matematica a dinamogramelor sintetice (numite si diagrame de

pompa), care reprezinta dinamograme derivate din cele de suprafata, determinate prin metodele Gibbs si Nelly [4]. In cazul utilizarii dinamogramelor de suprafata (figura 16), este necesara definirea

si inscrierea urmatoarelor marimi [4]: • constanta de calibrare C [lb/in], care reprezinta sarcina calibrata din prajinile

lustruite pe unitatea de lungime; se determina pe teren. • abaterea maxima D1 [in], care reprezinta distanta dintre punctul maxim al

dinamogramei si linia de zero. • abaterea minima D2 [in], care reprezinta distanta dintre punctul minim al

dinamogramei si linia de zero. • linia de echilibru CB, care se traseaza in punctul de incarcare statica a prajinilor

corespunzator pozitiei orizontale a bratului manivelei. • distanta de echilibru D3 [in], care reprezinta distanta dintre linia de echilibru si

linia de zero. • suprafata inferioara A1 [in2], care reprezinta portiunea dintre limita inferioara a

dinamogramei si linia de zero. • suprafata dinamogramei A2 [in

2]. • lungimea dinamogramei L [in], care reprezinta distanta dintre capetele

dinamogramei, masurata pe orizontala. • extremele stanga-dreapta ale dinamogramei, care reprezinta punctul mort inferior,

respectiv superior al cursei pistonului.

Figura 16 Dinamograma de suprafata

Calculele de diagnostic se vor face conform tabelului urmator [4,6]:

Tabelul 2 Sarcina maxima pe prajini PPRL=D1C Sarcina minima pe prajini MPRL=D2C Diferenta de sarcina pe prajini PRLR=C(D1-D2) Sarcina medie pe prajini la cursa ascendenta AUL=C(A1+A2)/L Sarcina medie pe prajini la cursa descendenta ADL=CA1/L Efectul contragreutatilor – valoare exacta CBEex=CD3

Efectul contragreutatilor – valoare aproximativa CBEaprox=(C/L)((A1+(A2/2)) Puterea garniturii de prajini PHRP=C(A2/L)((S/12)N/33000) * Constanta 33000 realizeaza conversia lb.ft/min in CP Dinamogramele sintetice se determina computerizat, cu ajutorul ecuatiilor diferentiale neliniare, forma finala obtinandu-se din suprapunerea variatiilor in timp ale sarcinii pe garnitura de prajini, respectiv deplasarea acesteia (figura 17) [7], pentru un ciclu de pompare.

Figura 17 Dinamograma sintetica