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Aug 13, 2023

Sistemas de accionamiento hidráulico para bombas de émbolo

En casi todas las perforaciones de petróleo y gas, junto con las operaciones de perforación de líneas de servicios públicos, se debe utilizar una bomba de émbolo, triplex o de lodo. Estos tres términos son sinónimos de un motor de pistones múltiples impulsado por cigüeñal.

En casi todas las perforaciones de petróleo y gas, junto con las operaciones de perforación de líneas de servicios públicos, se debe utilizar una bomba de émbolo, triplex o de lodo. Estos tres términos son sinónimos de un diseño de bomba de pistones múltiples impulsada por cigüeñal capaz de soportar altos volúmenes y presiones. El objetivo principal de la bomba es proporcionar lubricación y enfriamiento a la broca, control de presión del pozo y eliminación del material de perforación residual del pozo. Las condiciones del proceso de perforación cambian constantemente durante la operación, incluida la profundidad, la dureza del suelo, la calidad del lodo, la dirección de perforación, etc. La presión del lodo requerida refleja los cambios en todos estos parámetros.

Con todas estas variables, es fundamental controlar la presión y el flujo del lodo de forma rápida y precisa. Las fuentes de energía más comunes para las bombas de lodo son las cajas de cambios mecánicas, las transmisiones por cadena con un motor diésel o un motor eléctrico como motor principal. El diseño de la transmisión mecánica dificulta el control de la presión y el flujo del lodo, ya que el operador de perforación debe ajustar continuamente la presión cambiando el flujo en consecuencia. Esta tarea se realiza volviendo a cambiar la velocidad de transmisión, colocando bombas de lodo adicionales o ajustando la potencia del flujo de bombeo con otros medios.

Las bombas de lodo más habituales son las bombas de émbolo de 3 pistones con un cigüeñal típico. La mayoría de estas bombas tienen una relación de transmisión mecánica incorporada de 3:1 o 5:1. Luego, el eje de entrada de alta velocidad es impulsado por un motor diésel o eléctrico mediante algún diseño de cambio de velocidad. La velocidad máxima del cigüeñal varía según el diseño y el tamaño, pero un valor común a máxima potencia es de aproximadamente 100 a 150 revoluciones por minuto (rpm) para bombas de lodo y hasta 400 rpm para bombas de cemento. La velocidad operativa normal es menor y la velocidad promedio de 50 a 150 rpm es la más común. Cambiar la transmisión de engranajes o la velocidad del motor diesel proporciona los medios para controlar el flujo. El desafío es mantener una presión constante en el pozo, que depende de diferentes demandas de flujo.

Los caballos de fuerza (hp) son caballos de fuerza, la velocidad es velocidad y el par es par. No hay ningún ingrediente mágico o secreto que le dé a un sistema de propulsión una gran ventaja sobre el otro. Una de las muchas opciones es un sistema de accionamiento hidráulico.

Requisitos de accionamiento de la bomba de émbolo

Contras del sistema de accionamiento hidráulico

Por lo general, el costo inicial del sistema de accionamiento hidráulico es la consideración más importante al decidir qué accionamiento de bomba de émbolo instalar. Es importante comprender las ventajas y desventajas de cada variador y el tipo de control requerido en la aplicación de la bomba.

Lazo abierto, volumen variable

Este diseño de sistema consta de una bomba de volumen variable y presión compensada impulsada por un motor primario con válvulas de control tradicionales, como válvulas de control electroproporcionales en línea para el control de velocidad y dirección del motor. Se encuentran disponibles controladores de bomba adicionales, como detección de carga y limitación de hp, para ajustar la salida de flujo de la bomba en función de los cambios en el sistema aguas abajo. Todos estos tipos de controles pueden contribuir a un sistema más receptivo y eficiente. Este tipo de diseño de sistema también incluiría regulación de sobrepresión para un control máximo del par y capacidad de bloqueo, sensores de presión y flujo, junto con componentes típicos de acondicionamiento de fluidos para filtración y refrigeración. Cuando el motor no está funcionando, la bomba variable deja de funcionar y permanecerá en espera de presión, esperando que se produzca una caída de presión en el sistema para volver a funcionar. La rotación de aceite en el sistema está directamente relacionada con el flujo de salida de la bomba.

Un diseño típico de yacimiento requeriría una proporción de 3:1 entre flujo de petróleo y almacenamiento de petróleo. Este tipo de sistema se puede controlar mediante un controlador lógico programable (PLC) que puede monitorear la velocidad y la presión, lo que permite el control del sistema sobre la marcha. Este diseño de sistema es eficiente y, en la mayoría de los casos, los trabajadores de mantenimiento lo comprenden mejor.

Circuito cerrado, hidrostático

Este diseño de sistema es otro método de accionamiento hidráulico que ofrece distintas ventajas sobre el diseño de circuito abierto y proporciona una mayor eficiencia. En el diseño de circuito cerrado, la velocidad y dirección del motor están controladas por una bomba bieje de volumen variable impulsada por un motor primario. Todas las válvulas de control de presión pueden ser parte del conjunto de la bomba y no es necesario instalarlas en línea. El motor está en un circuito cerrado, con las salidas de la bomba y el volumen de aceite utilizado para adquirir la velocidad del motor dada regresa al otro lado de la bomba. La bomba primaria está sobrealimentada por una pequeña bomba de desplazamiento fijo que carga el circuito con el flujo utilizado en el circuito de control de la bomba y compensa el flujo para las fugas dentro de la bomba y el motor, llenando así el circuito.

La rotación de aceite en el sistema está directamente relacionada únicamente con el flujo de salida de la bomba de carga, no con el flujo del circuito principal. Este factor permite un tamaño de depósito mucho más pequeño que un sistema abierto tradicional. El control electrónico proporcional de la bomba de carrera proporciona un flujo de salida variable al motor, cambiando la velocidad según lo requiera la bomba de émbolo. También se puede utilizar un PLC simple en este tipo de sistema para controlar las velocidades de salida y las presiones de la bomba de émbolo. Es común que los trabajadores de mantenimiento no comprendan tan ampliamente el sistema de circuito cerrado, lo que a menudo requiere capacitación adicional para la resolución de problemas y el mantenimiento adecuados.

Ambos sistemas descritos pueden utilizar sensores y controles para automatizar fácilmente el sistema, controlando la demanda de flujo de la bomba de émbolo. Al utilizar la velocidad del motor, la retroalimentación del tacómetro es común para cerrar el circuito de control de velocidad, lo que permite un control simple del potenciómetro por parte de un operador o un control más complejo (bucle PID) con un PLC programado para monitorear y controlar el flujo de salida de la bomba de émbolo en función de las rpm de entrada. Los sensores de presión del sistema pueden desactivar o detener la bomba a una presión de carga determinada si así lo requiere la aplicación. Además, se pueden agregar sensores relacionados con el mantenimiento para ayudar a determinar cuándo es necesario realizar el mantenimiento del sistema. Estos tipos de sensores incluyen el estado del elemento del filtro de aceite, el nivel de aceite del depósito, el monitoreo de la limpieza del aceite, el contenido de agua del aceite, etc. Dichos controles del sistema se pueden presentar en un formato fácil de usar a través de pantallas táctiles y paneles operativos.

Aunque no todas las aplicaciones giratorias deben consistir en un accionamiento hidráulico, este tipo de accionamiento puede ser la solución más eficaz y eficiente en muchos casos. Desafortunadamente, específicamente para las bombas de émbolo, los diseños de accionamiento hidráulico no se consideran una alternativa viable. Al seleccionar un diseño de transmisión para usar en una operación de bomba de émbolo, las características y beneficios que brinda una transmisión hidráulica pueden ser la mejor opción para el rendimiento, la eficiencia y el control general de la bomba. El sistema de accionamiento hidrostático de circuito cerrado suele ser la mejor opción de diseño para lograr el rendimiento requerido de una bomba de émbolo.

Scott Smith es gerente de división de West Shops en Mi Repair & Services at Motion. Especialista certificado en energía hidráulica, tiene más de 35 años de experiencia en el negocio de distribución industrial y energía hidráulica, incluidos más de 12 años en Motion. Smith tiene una licenciatura en ingeniería de fabricación del Instituto de Tecnología de Oregón. Para obtener más información, visite www.motion.com/pumpsandsystems.