Diseño del malacate de una grúa para la extracción de petróleo

Abstract

La presente tesis está relacionada con la explotación del petróleo en la Península de Santa Elena. La extracción de éste se lo realiza en algunos pozos por medio de bombeo mecánico. El problema surge porque el sistema de bombeo mecánico existente particularmente en la zona de Ancón se volvió obsoleto con el pasar de los años debido a la terminación del ciclo de vida útil de la maquinaria utilizada. La empresa destinada a la extracción de petróleo decidió que sería más rentable construir la maquinaria en el país que su importación; ésta es una grúa que procede a extraer el petróleo mediante un embolo ubicado en el pozo. El sistema se basa en que una vez que el petróleo dentro del pozo llega al mismo nivel que el del yacimiento al igualarse las presiones, el embolo que se encuentra debajo del columna de petróleo, empieza a subir y extraerlo mediante un cable que es elevado por el malacate de la grúa. El objetivo de esta tesis es diseñar el malacate de la grúa para la extracción de petróleo para que opere en forma continua y eficiente. El malacate es el sistema que eleva la carga mediante un conjunto de elementos mecánicos impulsados por una fuente de potencia. Se procederá primero a analizar el sistema de bombeo mecánico identificando las necesidades y requerimientos de éste. Después se realizará un diseño preliminar del malacate en el cual se darán las respectivas consideraciones y especificaciones del diseño y se describirá el funcionamiento y operación de la maquina en el ciclo de extracción. Dado este paso se procederá al diseño de cada uno de los componentes del malacate. Se comenzará con una selección tentativa del cable en base a los requerimientos del sistema. Existen gran cantidad de tipos de cables por lo que se elaborara una matriz de decisión para escoger el más óptimo. Posteriormente se realizará el análisis tanto estático como dinámico de las fuerzas que actúan sobre el cable al extraer el petróleo. En base a esto se elaborará una gráfica de la variación de la fuerza sobre el cable en todo su ciclo. El cable seleccionado se lo diseñara para que soporte estas fuerzas, todo esto en base a factores de seguridad recomendados. Se procederá a diseñar al tambor considerando un análisis estático como de fatiga en base a los requerimientos establecidos por el cable. El árbol de transmisión que impulsa al tambor será diseñado considerando cada punto de mayor esfuerzo. En base a las dimensiones del árbol y las fuerzas que actúan sobre este se procederá a seleccionar sus rodamientos. Las fuerzas que actúan sobre el tambor y en sí en el malacate son apreciables por lo que se hará un análisis y diseño de las soldaduras y pernos de sujeción en los puntos donde la falla puede ser catastrófica. El árbol y demás elementos deben ir apoyados sobre una estructura, por lo que se diseñara el bastidor que soporte las cargas de servicio de la máquina. El sistema deberá poseer un sistema de freno para detener la carga cuando se lo requiera, por lo que se realizará el diseño del tambor del freno y con éste se diseñará el sistema de accionamiento. El embrague también será necesario para los casos en que se requiera desconectarse de la fuente de potencia por lo que se diseñará el embrague y su sistema de accionamiento. Dadas las dimensiones y los requerimientos de fuerza de los componentes del malacate se procederán a dimensionar el motor analizando todos los pares de torsión que actúan sobre la máquina. Se seleccionará la transmisión por cadena de rodillos que suministrará el torque y la velocidad de rotación del tambor para elevar la carga. El presupuesto de los materiales para la construcción de la maquina será calculado. Por último, se llegará a conclusiones y recomendaciones de la maquina diseñada. Se espera que el funcionamiento y operación del malacate cumpla con los requerimientos del sistema en forma continua y eficiente.