bombeo electrosumergible - grupo no. 2

BOMBEO

ELECTROSUMERGIBLE

JOSE BARRERO

JHONATAN ERAZO

CRISTIAN FORIGUA

El bombeo electrosumergible es un mtodo de levantamiento artificial que se comenz a utilizar

en Venezuela en 1958, con el pozo silvestre 14. Es

un mtodo de levantamiento artificial que utiliza

una bomba centrfuga ubicada en el subsuelo para levantar los fluidos aportados por el

yacimiento desde el fondo del pozo hasta la

estacin de flujo.

INTRODUCCION

El sistema de bombeo electrosumergible se basa en la

extraccin de petrleo mediante el uso de bombas centrifugas,

similares a las utilizadas para la produccin de agua.

Es un medio efectivo y econmico para lograr recuperar

considerables volmenes de fluidos a grandes profundidades.

Su aplicacin es mayor en yacimientos con altos volmenes de

fluido, porcentajes de agua y una baja relacin gas petrleo (GOR), en la actualidad estos equipos han obtenido excelentes

resultados en la produccin de fluidos de alta viscosidad, en

pozos con fluidos abrasivos, altas temperaturas y que disponen

de un dimetro reducido.

SISTEMA BES

EL sistema de bombeo electrosumergible se puede

dividir en tres grupos principales:

Equipos de Superficie

Equipos de Subsuelo

Cableado

200 KVA

SELLO

SEP. DE GAS

BOMBA COMB.

MOTOR

SENSOR

TUB.

CABLE

CAJA DE

EMPALMES

TRANSFORMADOR

ELEVADOR

ACCIONADOR

DE VARIACIN

DE VELOCIDAD

TRANSFORMADOR

REDUCTOR

LNEA DE FUERZA

NIVEL ESTTICO

NIVEL DINMICO

Sistema BES

EQUIPO DE SUPERFICIE

El primer transformador reduce el

voltaje de la lnea de distribucin al

voltaje necesario para el

funcionamiento del variador de

velocidad, mientras que el segundo

transformador eleva el voltaje de

salida del variador al voltaje que

requiere el motor electrosumergible

con las respectivas conexiones

(DELTA o ESTRELLA).

TRANSFORMADORES

El VSD (Variable Speed Driver),

controla la velocidad de rotacin

del eje en el motor

electrosumergible que se

encuentra axialmente acoplado al

eje de la bomba centrifuga.

El VSD proporciona la potencia

suficiente al equipo de fondo para

que ste funcione en ptimas

condiciones, ofrece adems

numerosas opciones de proteccin,

control y monitoreo del respectivo

equipo que varan de acuerdo al

fabricante.

CONTROLADOR DEL MOTOR ELECTROSUMERGIBLE (VSD)

Caja de Venteo (Caja de Empalme)

Ventea a la atmsfera cualquier gas

que se encuentre en la armadura

de proteccin del cable elctrico de

potencia que proviene del pozo.

Facilita puntos de prueba

accesibles para realizar mediciones

elctricas del equipo de fondo

Cumple con tres funciones importantes:

Proveer un punto de conexin entre el bobinado secundario

del transformador elevador multi-taps y el cable elctrico de

potencia proveniente del fondo del pozo.

Carta Amperimetrica

Por lo general junto a la

caja de venteo se ubica

un registrador

amperimtrico, donde se

registra de forma grfica

la corriente del motor electrosumergible en

cartas Amperimtricas,

como se indica en la

figura.

CABEZAL DE POZO

El cabezal cierra

mecnicamente el

pozo en la

superficie, soporta el

peso del equipo

electrosumergible

instalado, adems

mantiene un

control sobre el

espacio entre el

casing y la tubera

de produccin del

pozo.

EQUIPO DE

FONDO

Son aquellas piezas o componentes que operan

instalados en el subsuelo.

Las compaas de bombeo electrosumergible se

especializan en la fabricacin de estos equipos,

mientras que los componentes de los otros dos grupos

son considerados miscelneos.

EQUIPOS DE SUB-SUELO

BOMBA ELECTROSUMERGIBLE

La bomba electrosumergible es del

tipo centrfuga multi-etapa, donde su

dimetro de fabricacin depende del

espacio que se dispone en cada pozo,

el caudal de descarga depende de: la

carga hidrosttica, la velocidad de giro

del motor electrosumergible, diseo

de las etapas internas y propiedades

del fluido.


Los componentes mecnicos de cada etapa de la bomba

son: un impulsor rotatorio y un difusor estacionario.


La parte rotativa, el impulsor, genera fuerzas

centrfugas que aumentan la velocidad del fluido

(energa potencial ms cintica).

La parte estacionaria, el difusor, dirige el fluido de

la forma adecuada al siguiente impulsor.

Transforma parte de la energa cintica en

energa potencial o presin.

La bomba centrfuga trabaja por medio de la transferencia de

energa del impulsor al fluido desplazado.

ETAPA DE LA BOMBA

El corte transversal de la bomba

muestra los difusores e

impulsores ubicados en el

alojamiento.

Se superponen varias etapas

(bombas multi-etapas) para

obtener la altura de columna

(tdh) deseada.

SEPARADOR DE GAS

Su funcin es de separar el gas libre

La cmara rotativa de diseo especial

acta como una centrfuga.

Obliga los fluidos pesados a dirigirse

hacia las paredes exteriores y deja

que el gas libre migre hacia el centro

de la cmara.

SEPARADOR DE GAS

El gas libre es fsicamente separado del

resto de los fluidos al final del separador.

El fluido rico en lquidos es dirigido hacia

la toma de la bomba.

La corriente rica en gas es venteada al

espacio anular.

Eje roto

Destruccin de componentes internos

Eje con juego radial

Eje con juego axial

Eje atascado

Corrosin debido al material de la

carcaza

Erosin

FALLAS MAS FRECUENTES

PROTECTOR / SELLO

Sus funciones son:

Provee el volumen necesario para permitir la expansin del aceite dielctrico contenido en el motor debido al

incremento de la temperatura del motor cuando se encuentra funcionando.

Iguala la presin externa del fondo de pozo con el fluido dielctrico interno del motor.

Protege al motor de la contaminacin de los fluidos del pozo mediante secciones sellantes que evitan que

ingresen por el eje de acoplamiento.

Absorbe los movimientos axiales al eje producidos por las etapas de la bomba.

PROTECTOR / SELLO

Componentes: carcaza, sellos

mecnicos, zapata de empuje,

bolsas elastomeras, sistema

laberintico, aceite dielectrico.

Instalado entre el motor y bomba

PROTECTOR / SELLO

Fluidos del pozo

Aceite mineral

dielctrico

Los fluidos del pozo comprimen la parte exterior de la bolsa, la cual

presuriza el aceite del motor en la parte interior de la misma.

La cmara de empuje

diseada para absorber la

fuerza de empuje producida

por la bomba

El rea laberntica es la segunda

barrera que protege al motor en caso

de que los fluidos del pozo atraviesen

los sellos mecnicos o la bolsa.

CONVENCIONAL DE TRES CMARAS

Protege contra la entrada

de fluido.

El contacto directo entre el

fluido del pozo y del motor

ha sido considerado el

nico medio de igualar

presiones en el sistema de

sellado

Permite una mejor disipacin de calor.

Cada sello mecnico protege su propio

recipiente, creando tres secciones

sellantes en una unidad.

La barrera elstica en la cmara superior

permite la contraccin-expansin del

aceite del motor cuando la temperatura

cambia desde la superficie hasta el fondo

y a la de operacin.

La barrera elstica es resistente al

ataque qumico y la penetracin del gas,

por lo que el aceite del motor se protege

efectivamente contra contaminantes.

Cada recipiente es lo suficientemente

grande para absorber la expansin-

contraccin volumtrica de los motores

ms grandes existentes en el

mercado.

TIPOS DE SELLO


Protector con invasin de fluidos

Protector con cmaras vacas

Protector con sellos mecnicos daados

Protector con zapata de empuje daada

Protector con zapata de empuje desgastada

Protector con eje roto

Protector con corrosin galvnica

Protector con hueco en la carcaza

Protector con tapones de llenado, drenaje, venteo flojos

Protector con bolsa elastmera daada

Materiales de fabricacin: no diseados para las condiciones

de operacin.

MOTOR ELECTROSUMERGIBLE

El motor electrosumergible provee la energa

que necesita la bomba para rotar y acelerar los

fluidos que estn siendo bombeados hacia la

superficie, consta bsicamente de un estator

bobinado de induccin bipolar trifsico y rotor

jaula de ardilla, que gira a una velocidad

sincrnica, que se calcula como:


Debido al dimetro reducido de los pozos, el motor electrosumergible

se encuentra constituido por pequeos estatores que se encuentran

internamente acoplados de forma mecnica, un segmento en corte del

motor electrosumergible se observa en la figura

Las partes del motor

electrosumergible son:

Bastidor Housing

Estator

Rotor

MOTOR COMPONENTES BSICOS

EJE

COJINETE

ROTOR

ALOJAMIENTO

ESTATOR

BOBINADO

SISTEMA DE ENCAPSULADO

EPOXICO


Una corriente alterna (ac) de tres

fases crea campos magnticos que

giran en el estator. Estos campos

magnticos inducen al rotor y al eje a

girar dentro del estator.

Cada rotor es entonces capaz de

producir un determinado nmero de

hp a un voltaje dado.


Motor quemado

Motor desbalanceado

Motor con cortocircuito

Motor con estator quemado

Motor con invasin de fluidos

Motor con rayaduras

Motor con eje partido

Motor con eje doblado

Motor con incrustaciones sobre la carcasa.

SENSOR

Dispositivo electrnico que enva seales a

superficie a travs del cable elctrico

Se conecta al motor de fondo

Sensor detecta varias variables: presin

succin, presin descarga, temperaturas,

vibracin y prdida de corriente

Se alimenta de corriente continua de 120

voltios

CABLE DE POTENCIA

Conduce la energa necesaria para impulsar el motor desde superficie. Algunas veces es el componente ms costoso (pozos

muy profundos o muy problemticos).

Dentro de las aplicaciones del cable de potencia en el sistema BES, actualmente en la

industria se tiene la opcin de instalar el cable

de potencia con un tubo capilar o 2 tubos

capilares, lo cual facilita la inyeccin de

productos qumicos tales como anticorrosivos,

diluyentes, antiespumantes, anti scale

(incrustaciones) etc., desde la superficie.

CABLE DE POTENCIA

Esta opcin de usar tubo capilar facilita la operacin BES, principalmente cuando hay formacin de asfltenos, parafinas,

formacin de incrustaciones, produccin de petrleo con alto

corte de agua, petrleos pesados, etc.

LIMITACIONES DEL CABLE

El cables estndar tienen en promedio 10 aos de vida.

El medio ambiente bajo el que opera el cable tambin afecta

directamente su vida.

A temperatura mxima de 167 C se reduce la vida a la mitad por

cada 15 C de exceso por arriba del mximo.

Cable con cortocircuito

Cable con alto desbalance

Cable con estiramiento

Cable torcido

Cable con armadura corroda

Cable con aislamiento hinchado

Cable con empalme defectuoso

proveniente de fabrica.

Cable golpeado durante la bajada

del equipo bes

Cable golpeado durante el

transporte y manejo del carrete


Cable daado por inyeccin

de qumicas y cidos

Cable con hueco debido al

wash out de tubera de

produccin

Cable con problema de

manufactura.

ACOPLES

Son los conectores cilndricos con estras que conectan las

diferentes piezas del aparejo: motor-motor, motor-sello, bomba-

bomba, etc.

El material es de acero inoxidable y son nicos para la

conexin en que se usan. Sus dimensiones dependen del

dimetro de cada componente del equipo BES de fondo.

SELECCIN Y DISEO DEL SISTEMA BES

API del crudo

Corte de agua

Gravedad especifica del agua

Gravedad especifica del gas

GOR

Temperatura de fondo del yacimiento

Temperatura de superficie

Perforaciones (Vertical)

IP (ndice de Productividad)

IPR (Mtodo)

Impurezas del gas (% de N2, H2S, CO2)

Presin de burbuja

Los parmetros que se deben tomar en cuenta para el diseo son:

Viscosidad (temperatura y CP)

Profundidad de la Bomba

Produccin deseada

Eficiencia del separador

Presin de cabeza

Presin del Casing

Dimetro del Casing

Dimetro del Tubing

Correlaciones PVT

Correlaciones para Flujo Multifsico

Tipo de Bomba

Tipo de Sello

Tipo de Motor

Rango de volmenes de produccin muy amplio (200 BPD a

60000 BPD).

Se puede instalar en pozos desviados sin problemas a

profundidades de hasta 13000 pies.

Se aplica en pozos de petrleo pesado, viscosos.

Soportan altas presiones y temperaturas.

Fcil de instalar y operar.

Costo de levantamiento para altos volmenes es generalmente

bajo.

Se pueden instalar Sensores de fondo para tener una mejor

data del yacimiento

VENTAJAS DEL SISTEMA BES

Equipo muy costoso, alto gasto de inversin inicial.

Se limita a profundidades medias.

No conveniente en pozos con alto GOR.

Limitacin en pozos con produccin de materiales slidos .

La fuente de electricidad debe ser estable y fiable.

Alto gasto por consumo de energa elctrica .

Reparar algn componente del equipo de subsuelo requiere de un

reacondicionamiento.

DESVENTAJAS DEL SISTEMA BES

Bombeo Electro

Sumergible (BES) Diseo de un Sistema BES

Procedimiento para el diseo del BES

1.- Estimar la Capacidad de Afluencia del Intervalo Productor:

-Calcular la IPR con base en la prueba de produccin del pozo,

presin esttica y la presin de burbuja.

- Estimar la tasa mxima permisible de produccin, de acuerdo a

la IPR y considerando futuros problemas de conificacin de agua

y/o gas y arenamiento.

- Seleccionar el caudal de diseo (bpd) y su respectiva presin de

fondo fluyente (Lpca)

Qopt = 0.75* Qmx


2.- Determinar el Nivel Dinmico de Lquido (pies).

- Estimar el gradiente de la Mezcla (Gm).

Gm = 0.433 * m (lpc/pie)

m = o*fo + w*fw

Donde:

m: Gravedad especfica de la mezcla o: Gravedad especfica del petrleo w: Gravedad especfica del agua. fw: Corte de Agua

fo : Corte de Petrleo = 1-fw


2.- Determinar el Nivel Dinmico de Lquido (pies).

-Estimar la altura de la mezcla (pies). Nivel Esttico

hm = Pwf/Gm (pies)

-Estimar el Nivel dinmico (pies).

Nivel Dinmico = Profundidad total del pozo Altura de la mezcla (hm).

3.- Determinar la Profundidad de asentamiento de la bomba (pies).

Prof. Asentamiento = Nivel Dinmico + hd (sumergencia)

Donde hd depende del criterio de diseo. Se recomienda una sumergencia de 700 a 1000 pies de profundidad. Esto es relativo

considerando que la bomba se debe colocar a la profundidad donde la

fraccin de gas a su entrada sea mnima.


4.- Estimar la Presin y Temperatura a la entrada de la bomba

-Asumiendo variacin lineal, el gradiente dinmico se puede

obtener:

Gtd = [Tfondo-Tsuperf]/profundidad

-La temperatura a la entrada de la bomba a profundidad se

determina:

Tentrada = Tfondo Gtd * (Prof. Total Prof. Asentamiento de la bomba)

-Estimar la presin en la entrada de la bomba a profundidad

Pentrada = 0.433 * m * hd


5.- Determine las propiedades PVT de los fluidos a condiciones de la

entrada de la bomba

-Calcular Pb, Rs, o, w, g, Z

Pb = Dato

Rs = Ecuacin de Standing.

Bo = Ecuacin de Standing

Bw = Se asume 1.

Bg = (0.00503*Z*T(R)) / P (Lpca)

Donde


6.- Determine la fraccin de gas en la entrada de la bomba

g = [(1-fw).(RGP-Rs)-fw.Rsw].Bg / fw.Bw+(1-fw).Bo+[RGP-Rs).(1-fw)-fw.Rsw.Bg]

7.- Comparar la fraccin de gas a la entrada de la bomba

-Si g > o igual a 7% incremente la profundidad de asentamiento de la bomba en 100 pies y repita los pasos 4 a 6.

- Si g > a 7% y se ha alcanzado la profundidad lmite de asentamiento de la bomba, se recomienda colocar un separador

para reducir la fraccin de gas a la entrada de la bomba. Se debe

considerar la instalacin de un separador de eficiencia 90%.

- Si g < a 7% y n no se ha alcanzado la profundidad total del pozo, es de su interes considerar repetir los pasos hasta lograr 0% de

gas libre.


8.- Calcular la tasa total de fluido a la entrada de la bomba

qt = ql*{fw*Bw + (1-fw)*Bo + [(1-fw)*(RGP-Rs) fw*Rsw]*Bg}

Si se considera la colocacin de un separador se debe tomar en

cuenta lo siguiente:

RGPnueva = (1-0.01*Eficiencia)*(RGP-Rs)+Rs

RGLnueva = RGPnueva*fo


9.- Carga dinmica total ( TDH): La carga dinmica total en el sistema

BES est dado por la suma del nivel de fluido dinmico mas la prdida

de friccin de la tubera mas la presin de descarga (Presin del

tubing)

TDH = Nivel dinmico (ND) + Friccin del tubing (Ft) + Presin de

descarga ( Pd)

Donde

Pd = [Pwh]/Gm

Ft: Grfico de William y Hazen

Seleccin de la Bomba:

La seleccin de la bomba esta basada en el caudal que podr aportar el

pozo para una determinada carga dinmica y segn las restricciones del

tamao del casing. La opcin ms econmica normalmente se da

eligiendo equipo de series grandes (dimetros grandes) las cuales sern

restringidas por el diametro del Casing.

La bomba seleccionada deber ser aquella en el que el caudal terico a

extraer se encuentre entre los lmites ptimos de trabajo de la misma y cerca

de la mxima eficiencia. En caso de tener dos o mas bombas cerca de la

mxima eficiencia, la seleccin final se basar en:

1) Comparacin de Precios.

2) Potencia requerida (de la cual depende el consumo y el precio del

motor).

Una vez seleccionada la bomba, se pueden observar tres curvas

caractersticas correspondientes al comportamiento de una etapa de la

bomba:

1) BHP(Pump Only Load): Potencia consumida por la etapa (Rojo)

2) Head Capacity: Capacidad de Elevacin (Azul)

3) Eficiencia (Pump Only Efficiency)]: (Verde)

A partir del grfico podemos determinar la capacidad de elevacin

de la etapa (Con el caudal cortamos la curva de la Head Capacity y

leemos el valor en la parte izquierda del grfico). Como en cualquier

curva caracterstica de bombas centrfugas se puede observar como

vara el caudal en funcin de la altura de elevacin (es decir respecto

a la contrapresin que acta sobre la etapa.

Siguiendo el mismo procedimiento podemos determinar la potencia

consumida por una etapa (Con el caudal cortamos la lnea

correspondiente al BHP (pump only load) y leemos el primer valor de

la parte derecha del grfico).

Cuando se tiene un funcionamiento con condiciones de frecuencia

variable, la cantidad de barriles por da (BPD) que la bomba puede

extraer del pozo, sigue el comportamiento de las Curvas Tornado, que se observan en la figura.

Dimensiones de la Bomba

Una vez calculada la capacidad de elevacin de una etapa y

sabiendo que la bomba deber vencer una presin (TDH) de

columna de lquido, podemos determinar el N de Etapas que

necesitaremos:

Para calcular el nmero de etapas requeridas , se divide la carga

dinmica total entre el levantamiento en pies que tiene cada

etapa.

Nmero de etapas = Carga Dinmica Total / Levantamiento de

cada etapa

Despus que se ha calculado el mximo nmero de etapas, se

procede a calcular los HP requeridos para el total de etapas:

HP totales = HP-Etapa x N Etapas x m.

Seleccin del Motor (Clculo de Potencia)

Existe una gran variedad de motores en el mercado, y si bien la

seleccin bsica se realiza a travs de la potencia requerida,

intervienen en la misma el rango de voltaje, la frecuencia, la

profundidad (temperatura), aplicaciones especiales para ambientes

corrosivos, etc.

La potencia requerida por el motor se calcula multiplicando la

potencia consumida por una etapa (calculada anteriormente con la

curva) por el N de Etapas.

Hp requeridos = HP-etapa x N Etapas

Con este valor vemos en la tabla de seleccin de motor a 60 Hz y

seleccionamos el(los) motor(es) necesarios para el diseo.

Seleccin del Cable

El tamao adecuado del cable depende de los factores

combinados de cada de tensin, amperaje y espacio disponible

entre los acoples de tubera de produccin y la tubera de

revestimiento.

Remtase a la curva de cada de Tensin del Cable. De acuerdo

con el amperaje del motor seleccionado y la temperatura dada

de fondo de pozo, se recomienda la seleccin de un tamao del

cable que d una cada de tensin de menos de 30 voltios por

1.000 pies.

El Voltaje por cada mil pies debe ser corregido por temperatura,

mediante la tabla de correccin.

Seleccin del Tablero y Transformador.

Para determinar el voltaje total necesario debemos considerar

adems la cada del voltaje en el cable.

Por la tabla anterior obtenemos para los amperios del motor, la

cada de voltaje.

Si consideramos la profundidad a la cual ser instalado el

equipo:

Voltaje en el cable = Prof. Instalacin x Cada de voltaje

Entonces el voltaje requerido en superficie es:

Voltaje total = 2x voltaje del motor + voltaje en el cable

KVA = (volts x amp x 1.732)/1000

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