Bomba de extracción

Un pumpjack ^{[ a ]} es el accionamiento superficial de una bomba de pistón alternativo en un pozo de petróleo . ^{[ 2 ]}

Se utiliza para extraer mecánicamente el líquido del pozo si la presión en el fondo no es suficiente para que el líquido fluya hasta la superficie. Este sistema se usa frecuentemente en pozos terrestres. Las bombas de extracción son comunes en zonas ricas en petróleo .

Según el tamaño de la bomba, generalmente produce de 5 a 40 litros (de 1 a 9 galones imperiales ; de 1,5 a 10,5 galones estadounidenses ) de líquido en cada carrera. A menudo se trata de una emulsión de petróleo crudo y agua. El tamaño de la bomba también se determina por la profundidad y el peso del petróleo a extraer; una extracción más profunda requiere más potencia para mover el mayor peso de la columna de descarga (altura de descarga).    

Un balancín de tipo viga convierte el movimiento rotatorio del motor (generalmente eléctrico ) en el movimiento vertical alternativo necesario para accionar la varilla pulida, la varilla de bombeo y la columna de fluido. El término técnico para este tipo de mecanismo es balancín de viga oscilante . Se empleó con frecuencia en diseños de máquinas de vapor estacionarias y marinas durante los siglos XVIII y XIX.

A principios del siglo XX, los extractores de agua funcionaban mediante varillas que discurrían horizontalmente sobre el suelo hasta una rueda sobre una excéntrica giratoria en un mecanismo conocido como motor central. ^{[ 3 ]} El motor central, que podía accionar una docena o más de extractores, se alimentaba mediante un motor de vapor o de combustión interna, o mediante un motor eléctrico. Entre las ventajas de este sistema se encontraba la de tener un único motor principal para accionar todos los extractores, en lugar de motores individuales para cada uno. Sin embargo, entre las muchas dificultades estaba mantener el equilibrio del sistema a medida que variaban las cargas de cada pozo.

Las bombas de extracción modernas se alimentan mediante un motor primario. Este suele ser un motor eléctrico, pero se utilizan motores de combustión interna en lugares aislados sin acceso a electricidad o, en el caso de las bombas de extracción de agua, donde no hay disponible energía trifásica (si bien existen motores monofásicos de al menos hasta 60 caballos de fuerza o 45 kilovatios , ^{[ 4 ]} proporcionar energía a motores monofásicos de más de 10 caballos de fuerza o 7,5 kilovatios puede causar problemas en la línea eléctrica, en particular caídas de voltaje al arrancar, ^{[ 5 ]} y muchas bombas requieren más de 10 caballos de fuerza). Los motores comunes de las bombas de extracción fuera de la red funcionan con gas natural , a menudo gas de revestimiento producido en el pozo, pero las bombas de extracción se han alimentado con muchos tipos de combustible, como propano y diésel . En climas adversos, estos motores pueden alojarse en una caseta para protegerlos de la intemperie. Los motores que alimentan las bombas de extracción de agua suelen recibir gas natural de la red de gas disponible más cercana .

El motor principal acciona un conjunto de poleas hacia la transmisión, a menudo una caja de cambios de doble reducción , que acciona un par de manivelas , generalmente con contrapesos instalados para compensar el peso del pesado conjunto de la biela. Las manivelas suben y bajan un extremo de una viga en I que puede moverse libremente sobre un bastidor en A. En el otro extremo de la viga hay una caja metálica curva llamada cabeza de caballo o cabeza de burro, llamada así por su apariencia. Un cable de acero —ocasionalmente, de fibra de vidrio— llamado brida, conecta la cabeza de caballo a la biela pulida, un pistón que pasa a través de la caja de empaquetadura .

Las propias manivelas también generan contrapeso debido a su peso, por lo que en las bombas de extracción que no transportan cargas muy pesadas, el peso de las manivelas puede ser suficiente para equilibrar la carga del pozo.

Sin embargo, en ocasiones, las unidades con contrapeso en el cigüeñal pueden resultar excesivamente pesadas debido a la necesidad de contrapesos. Lufkin Industries ofrece unidades con contrapeso neumático, donde este se proporciona mediante un cilindro neumático cargado con aire de un compresor , eliminando así la necesidad de contrapesos.

La varilla pulida se ajusta perfectamente a la caja de empaquetadura, lo que le permite entrar y salir de la tubería sin que se escape el fluido. (La tubería es un conducto que llega hasta el fondo del pozo por donde se extrae el líquido). La brida sigue la curva de la cabeza del caballo al bajar y subir para crear un movimiento vertical o casi vertical. La varilla pulida está conectada a una larga serie de varillas llamadas varillas de bombeo, que se extienden a través de la tubería hasta la bomba de fondo de pozo, generalmente ubicada cerca del fondo del pozo.

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  Imagen de una bomba de extracción utilizada para elevar mecánicamente el líquido del pozo si no hay suficiente presión en el fondo para que el líquido fluya hasta la superficie.
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  El campo petrolífero de Kern River , en California, densamente explotado : en la imagen a tamaño real se aprecian cientos de bombas de extracción. Este estilo de explotación era común durante los auges petroleros de principios del siglo XX.
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  Una bomba de extracción de petróleo en el sur de Alberta, alimentada con gas natural.

En la parte inferior de la tubería se encuentra la bomba de fondo de pozo. Esta bomba tiene dos válvulas de retención de bola : una válvula fija en la parte inferior, denominada válvula de retención, y una válvula en el pistón conectada a la parte inferior de las varillas de bombeo que se mueve hacia arriba y hacia abajo a medida que las varillas se mueven alternativamente, conocida como válvula de desplazamiento. El fluido del yacimiento ingresa desde la formación hasta el fondo del pozo a través de perforaciones realizadas en el revestimiento y el cemento (el revestimiento es una tubería metálica más grande que recorre toda la longitud del pozo, con cemento colocado entre ella y la tierra; la tubería, la bomba y las varillas de bombeo se encuentran dentro del revestimiento).

Cuando las varillas del extremo de la bomba se desplazan hacia arriba, la válvula móvil se cierra y la válvula fija se abre (debido a la caída de presión en el cilindro de la bomba). En consecuencia, el cilindro se llena con el fluido de la formación a medida que el pistón móvil eleva el contenido anterior del cilindro. Cuando las varillas comienzan a descender, la válvula móvil se abre y la válvula fija se cierra (debido al aumento de presión en el cilindro de la bomba). La válvula móvil desciende a través del fluido en el cilindro (que había sido aspirado durante la carrera ascendente). El pistón entonces llega al final de su carrera y comienza a ascender nuevamente, repitiendo el proceso.

A menudo, el gas se extrae a través de las mismas perforaciones que el petróleo. Esto puede ser problemático si el gas entra en la bomba, ya que puede producirse un bloqueo por gas , donde la presión en el cilindro de la bomba es insuficiente para abrir las válvulas (debido a la compresión del gas) y se bombea poco o nada. Para evitarlo, la entrada de la bomba se puede colocar debajo de las perforaciones. A medida que el fluido con gas entra en el pozo a través de las perforaciones, el gas burbujea hacia arriba en el espacio anular (el espacio entre la tubería de revestimiento y la tubería de producción) mientras que el líquido desciende hasta la entrada de la válvula. Una vez en la superficie, el gas se recoge mediante tuberías conectadas al espacio anular.

Las bombas de extracción manual también se pueden usar para accionar pozos de agua que hoy se considerarían anticuados . La escala de esta tecnología suele ser menor que la de un pozo petrolífero y, por lo general, se puede instalar sobre la cabeza de un pozo manual ya existente. La tecnología es sencilla y normalmente utiliza un elevador de doble leva de barras paralelas accionado por un motor eléctrico de baja potencia, aunque cada vez hay más bombas de extracción manual con carreras de 1,4 m (54 pulgadas ) o más que se utilizan como bombas de agua. Se puede ver un breve vídeo de una de estas bombas en funcionamiento en YouTube. ^{[ 6 ]} 

Aunque el caudal de una bomba de extracción de agua es menor que el de una bomba de chorro y el agua extraída no está presurizada, la unidad de bombeo de balancín permite el bombeo manual en caso de emergencia, girando manualmente la leva de la bomba hasta su posición más baja y acoplando una manivela a la parte superior de la varilla del cabezal del pozo. En las bombas de extracción más grandes, accionadas por motor, este puede funcionar con combustible almacenado en un depósito o con gas natural suministrado desde la red de gas más cercana . En algunos casos, este tipo de bomba consume menos energía que una bomba de chorro y, por lo tanto, su funcionamiento es más económico.

• Elevador de gas
• Bomba de cavidad progresiva
• Bomba sumergible

• A toda máquina: Tecnología de los yacimientos petrolíferos , Sociedad Histórica Estadounidense del Petróleo y el Gas, actualizado en octubre de 2014.