bombeo electrosumergible jrpoc
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Es un trabajo donde se detalla los componentes necesarios para el bombeo electrosumergibleTRANSCRIPT
BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE
INTRODUCCION La explotación petrolera es una de las más importantesfuentes de riqueza del Ecuador, los ingresos generados por elpetróleo hace que la economía del país sea dependiente deeste recurso.
Para la explotación petrolera se debe tener en cuenta muchosaspectos, tales como: Ubicación, tipo de petróleo, tipo desuelo donde se ubica el yacimiento, impacto ambiental, etc.
Uno de los aspectos más importantes y del cual depende latecnología a utilizar para la explotación es el comportamientodel pozo el cual está directamente ligado a los componentesdel suelo donde se encuentra el mineral, es por ello que se habuscado diferentes métodos de extracción los cuales seadapten a las diferentes características de cada pozo, y de estamanera reducir costos de explotación e incrementar laproducción y las ingresos económicos.
JUSTIFICACIÓN
Cuando el pozo deja de producir por flujonatural, se requiere el uso de una fuente externade energía para conciliar la oferta con lademanda de energía. La utilización del bombeoelectro sumergible es con el fin de levantar losfluidos desde el fondo del pozo hasta elseparador, es lo que se denominalevantamiento artificial.
OBJETIVO
Introducción al bombeo electro sumergible
Sus componentes
Su operación
La forma de diagnosticar su funcionamiento.
EL SISTEMA
Un sistema de bombeo electrosumergible sebasa en la extracción de petróleo mediante eluso de bombas centrifugas, similares a lasutilizadas para la producción de agua.
200 KVA
TubingCuellos
Nivel de fluido dinámico
Descarga
Bomba
Succión (Intake) o Separador de Gas
Sección Sellante (Protector)
Motor
Sensor de Fondo (Opcional)
Cable de Potencia
Caja de Venteo
Panel o VSD
Transformador
EL SISTEMA
Un sistema de bombeoelectrosumergible se puede dividiren tres grupos principales:
Equipos de Superficie
Equipos de Subsuelo
Cable
200 KVA
DATO:
El bombeo electrosumergible es un método que se comenzó a utilizar en Venezuela en 1958, con el pozo silvestre 14.
EQUIPO DE SUPERFICIELa instalación de superficie consta de un transformador
reductor de 13,8 kV a 480 V, voltaje necesario para laoperación del variador de frecuencia, el cual provee el voltajetrifásico variable al transformador elevador multi-taps,elevando al voltaje necesario para la operación del motor enel fondo del pozo, la caja de venteo es un punto de conexióndel equipo de superficie con el equipo de fondo, finalmentejunto a la caja de venteo se instala un registrador de amperajedel motor electrosumergible.
TRANSFORMADORES
El primer transformadorreduce el voltaje dedistribución de 13,8 kVal voltaje de 480V, necesario para elfuncionamiento delvariador develocidad, mientras queel segundotransformador eleva elvoltaje de salida delvariador (480V variableen frecuencia) al voltajeque requiere el motorelectrosumergible conlas respectivasconexiones delta oestrella.
MULTI-TABS
El TransformadorMultifrecuencialesfrecuentementeutilizado enaplicaciones comoalimentación demotores parabombas pozoprofundo.
CABEZAL DEL POZO
El cabezal cierramecánicamente elpozo en lasuperficie, soportael peso del equipoelectrosumergibleinstalado, ademásmantiene uncontrol sobre elespacio entre elcasing y la tuberíade producción delpozo.
CAJA DE VENTEO
Cumple con tres funciones importantes:
1. Proveer un punto de conexión entre el bobinadosecundario del transformador elevador multi-taps yel cable eléctrico de potencia proveniente delfondo del pozo.
2. Ventea a la atmósfera cualquier gas que seencuentre en la armadura de protección del cableeléctrico de potencia que proviene del pozo.
3. Facilita puntos de prueba accesibles pararealizar mediciones eléctricas del equipo de fondo
CARTAS AMPEROMETRICAS
TABLERO DE CONTROL
Es el componente desde el que se gobierna laoperación del aparejo de producción en el fondo delpozo. dependiendo de la calidad de control que sedesea tener, se seleccionan los dispositivos que seannecesarios para integrarlos al tablero. este puede sersumamente sencillo y contener únicamente un botónde arranque y un fusible de protección por sobre carga;o bien puede contener fusibles de desconexión porsobrecarga y baja carga, mecanismos de relojería pararestablecimiento automático y operaciónintermitente, luces indicadores de la causa deparo, amperímetro, y otros dispositivos para controlremoto, los tipos de tablero existentes sonelectromecánicos o bien totalmente transistorizados ycompactos
INSTRUMENTOS
El CONTROLADOR DEL MOTOR ELECTROSUMERGIBLE:
Variable Speed Driver (VSD) está constituido por:
Un conversor AC/DC
Un inductor
Un capacitor
Puente trifásico de semiconductores del tipo IGBT
CONTROLADOR DEL MOTOR ELECTROSUMERGIBLE(VSD)
El controlador del motorelectrosumergible VSD (VariableSpeed Driver), que se instala en lasuperficie del pozo entre lostransformadores reductor y elevadormulti-taps, éste controla la velocidadde rotación del eje en el motorelectrosumergible que se encuentraaxialmente acoplado al eje de labomba centrifuga multi-etapaubicada en el fondo del pozo.
El VSD proporciona la potenciasuficiente al equipo de fondo paraque éste funcione en óptimascondiciones, ofrece ademásnumerosas opciones de protección,control y monitoreo del respectivoequipo que varían de acuerdo alfabricante, físicamente se observa.
La estructura interna de un VSD de 6 pulsos, consta de una etapa conversora de 6 pulsos, etapa de filtrado y una etapa inversora, se representa mediante un diagrama de bloques.
INDUCTOR Y CAPACITOR
La etapa de filtrado reduce el rizado de la señal devoltaje que se rectifica en la etapa anteriormediante un filtro formado por un inductor (L) yun capacitor (C), en la conexión que se indica en lafigura.
La señal de voltaje a la salida de la etapa de filtrado mediante el circuito de la figura anterior (bus de DC), se observa en la figura.
Paquete Sensor: Se instala en la base demotor electrosumergible y es elencargado de censar y acondicionar laseñal de presión y temperatura de fondoa una señal eléctrica, para ser transmitidaa través del cable eléctrico de potenciahacia la superficie.
Paquete inductor: Se ubica junto alvariador de velocidad en la superficie,proporciona la energía eléctrica al sensorde fondo para su funcionamiento.
Paquete Indicador: Se encuentraformado por un display con una interfaseque le permite interactuar con eloperador visualizar la temperatura y lapresión de fondo, se ubica junto al“Paquete Inductor”.
EQUIPOS DE SUBSUELO
EQUIPO DE FONDO
EQUIPOS DE SUB-SUELO
Son aquellas piezas o componentes que operan instalados
en el subsuelo.
Las compañías de bombeo electrosumergible se especializan
en la fabricación de estos equipos, mientras que los
componentes de los otros dos grupos son considerados
misceláneos.
ACOPLAMIENTO
Son los conectores cilíndricos con estrías que conectan las
diferentes piezas del aparejo: motor-motor, motor-sello,
bomba-bomba, etc.
El material es de acero inoxidable y son únicos para la conexión
en que se usan. Sus dimensiones dependen del diámetro de
cada componente del equipo BES de fondo.
BOLSA O SELLO
Este componente también
llamado sección sellante, se
localiza entre el motor y la
bomba: está diseñado
principalmente para igualar la
presión del fluido del motor y la
presión externa del fluido del
pozo a la profundidad de
colocación del aparejo.
BOLSA O SELLO
En la figura se muestra un
sello que se instala entre el
motor
electrosumergible y la bomba
multi-etapa, puede ser
instalado como una unidad
simple o como una unidad
tandem (conexión serie de
equipos del mismo tipo).
FUNCIONES DE LA BOLSA O SELLO
• Permitir la igualación de presión.
• Absorber la carga axial desarrollada por la bomba a través del cojinete de empuje,
impidiendo que estas se reflejen en el motor eléctrico.
• Prevenir la entrada de fluido del pozo hacia el motor.
• Proveer al motor de un depósito de aceite para compensar la expansión y contracción
del fluido lubricante, durante los arranques y paradas del equipo eléctrico.
• Transmitir el torque desarrollado por el motor hacia la bomba, a través del
acoplamiento de los ejes.
BOLSA O SELLO
Los sellos, al igual que bombas y motores, se clasifican según suserie, la que se relaciona directamente con su diámetro exterior.La nomenclatura utilizada, es la misma que para los motores. tr3;tr4; tr5 y tr7
La tabla a continuación muestra la máxima capacidad de losmotores.
TIPOS DE SELLOS
CONVENCIONAL DE TRES CÁMARAS
Protege contra la entrada de fluido.
El contacto directo entre el fluido delpozo y del motor ha sido considerado elúnico medio de igualar presiones en elsistema de sellado
Permite una mejor disipación de calor.
Cada sello mecánico protege su propiorecipiente, creando tres seccionessellantes en una unidad.
La barrera elástica en la cámara superiorpermite la contracción-expansión delaceite del motor cuando la temperaturacambia desde la superficie hasta el fondoy a la de operación.
La barrera elástica es resistente alataque químico y la penetración del gas,por lo que el aceite del motor se protegeefectivamente contra contaminantes.
Cada recipiente es lo suficientementegrande para absorber la expansión-contracción volumétrica de los motoresmás grandes existentes en el mercado.
LOS SELLOS PUEDEN SER:
LABERINTO BOLSA DE GOMA
SELLOSLABERINTO BOLSA DE GOMA
Las cámaras de laberinto estáncompuestas por una serie de tubos, queforman un laberinto en el interior de estapara hacer el camino difícil al fluido depozo que intenta ingresar al motor.
Este tipo de cámara puede seleccionarsepara aquellos pozos donde el fluido aproducir tiene una densidad superior a ladel aceite del motor (con alto corte deagua), o en pozos verticales
Usados en pozos donde la densidad del fluidoes semejante a la del aceite del motor o losequipos son instalados en la sección desviadadel pozo
La bolsa de goma es un elastómero que tienela finalidad de evitar el contacto físico de losfluidos del pozo con el aceite del motor, peroal ser muy flexible cumple con equilibrar laspresiones en ambos lados de ella.
Cuando el equipo comienza a inclinarse, loslaberintos comienzan a perder su capacidadde expansión, la cual puede recuperarseutilizando cámaras de sello positivo.
A medida que la inclinación aumenta se hacenecesario incrementar la cantidad de cámarascon elastómero, pudiendo llegar a colocarsehasta 4 cámaras de bolsa por cada tandem.
Esto permite alcanzar inclinaciones dehasta 75o u 80o
BOMBA
Son del tipo centrífugo de múltiples
etapas, cada etapa consiste de un
impulsor (dinámico) y un difusor
(estático). El número de etapas
determina la carga total generada y la
potencia requerida.
El tamaño de etapa que se use determina
el volumen de fluido que va a producirse.
BOMBA
Cada “ETAPA” esta formada por un Impulsor y un Difusor.
El impulsor da al fluido ENERGIA CINETICA.
El Difusor cambia esta energía cinética en ENERGIA POTENCIAL (Altura de elevación o cabeza)
Impulsor Difusor
BOMBA
Las etapas a su vez pueden clasificarse, dependiendo de la geometría del pasajede fluido, en dos tipos:
F L U J O M I X T O F L U J O R A D I A L
Otra clasificación de los diferentes tipos de bombas se realiza según la SERIE de las mismas. La serie
esta directamente relacionada con el diámetro de la bomba, por ejemplo “A”; “D”; “G”; “H”; Etc.
BOMBA ELECTROSUMERGIBLE
La presión desarrollada por
una bomba centrífuga
sumergible, depende de la
velocidad periférica del
impulsor y es independiente
del peso del líquido
bombeado.
CALCULO DE BOMBAS
La curva de comportamiento de la bomba electrosumergible, permite conocer las característicasde funcionamiento la bomba, como se indica en la figura:
En la figura anterior también se observa:
La Curva de Altura de la Columna: Indica la altura de fluido que cada etapa
puede levantar, en función de los barriles por día (BPD) que la bomba extrae del
pozo.
La Curva de Potencia al Freno (BHP): Indica la potencia en HP (Horse Power),
que requiere cada etapa para tener el caudal necesario para levantar el fluido
(BPD).
La Curva de Eficiencia: Indica como varia la eficiencia de la bomba
electrosumergible, hasta a un valor máximo de barriles por día (punto de
máxima eficiencia), que la bomba puede extraer del pozo.
MOTOR
El siguiente componente masimportante del sistema debombeo electrosumergible es elMOTOR.Este es un motor trifásico, deinducción tipo JAULA DEARDILLA, de dos polos, similar alos utilizados en aplicaciones desuperficie.
MOTOR
Las tres fases son conectadas al bobinadodel motor, el que termina en una estrellaen el interior de este, la cual trata deestabilizar un punto neutro.
Fase AFase B
Fase C
0o 120o 240o 360o
ØA
ØB
ØC
120o120o
120o
MOTOR
El voltaje aplicado al motor induce un campomagnético en el bobinado del estator.
El movimiento de este campo magnéticoinduce otro campo magnético sobre los rotoresalojados en el motor.
MOTOR
El campo magnético de los rotores girara aestos, intentando alcanzar al del estator.
Como tenemos un eje conectado a los rotores,es posible obtener un trabajo útil en el extremode éste.
MOTOR
El campo magnético del estator gira a 3600rpm, cuando la frecuencia del sistema es de 60Hz.
Los rotores intentan alcanzarlo, pero nunca lologran.
La diferencia entre la velocidad del campomagnético del estator y de los rotores sedenomina deslizamiento.
MOTOR
MOTOR
Detalle de Laminaciones de un Estator
Conductores
Slots
MOTORLos motores pueden ser utilizados en sistemasde potencia de 60 Hz o de 50 Hz.
La diferencia entre ellos será que el motorfuncionando a 50 Hz producirá 5/6 veces lapotencia que desarrollaría a 60 Hz para lacorriente nominal de el, pero a su vez elrequerirá 5/6 veces el voltaje requerido parafuncionar a 60 Hz.
MOTOR
Al igual que las bombas, los motores estánclasificados según su SERIE.
La serie esta directamente relacionada con eldiámetro externo del motor
En el caso de ESP, los motores se designan connúmeros, de acuerdo a su diámetro externo:TR3; TR4; TR5 y TR7
MOTOR
Los motores se seleccionan de acuerdo a lapotencia demandada por el sistema y eldiámetro interior disponible en el revestidor.
Si por alguna razón, el sistema demanda unapotencia mayor a la del motor mas grande parauna serie determinada, estos pueden montarseen tandems de dos o tres motores, duplicando otriplicando la potencia
MOTOR
Cuando seleccionemos motores en tandem, debemos tener presente lo siguiente:
Si utilizamos dos motores tendremos doble potencia.
También necesitaremos doble voltaje en superficie.
Pero el amperaje máximo permitido será el de la placa del motor.
REFRIGERACION
La refrigeración del motor electrosumergible, se realizamediante la circulación de aceite mineral altamenterefinado con una alta rigidez dieléctrica (30kV) yconductividad térmica, ofreciendo además una buenalubricación de los componentes mecánicos,adicionalmente el motor se refrigera por la circulacióndel fluido del pozo que debe tener una velocidadmínima de 1 pie/segundo.
El motor electrosumergible suministra exactamentetantos HP (Horse Power) como la bomba multi-etapanecesite, la mayoría de motores están diseñados paraser más eficientes en el “punto de diseño”, se encuentraen función de la carga, típicamente tiene valores entreel 80% y 90% en condiciones normales defuncionamiento.
LOS PARÁMETROS
Los parámetros importantes que se deben tomar en cuenta para la operacióndel motor electrosumergible son:
Potencia Nominal: Es la potencia máxima que genera el motorelectrosumergible bajo condiciones nominales de funcionamiento,generalmente a la frecuencia de 60 ó 50 Hz.
Voltaje Nominal: Es el voltaje necesario que se debe suministrar a losterminales del motor electrosumergible para su correcto funcionamiento.
Corriente Nominal: Es la corriente que circula por los bobinados del estatordel motor electrosumergible en condiciones nominales de funcionamiento, sila corriente es menor el motor no se encuentra totalmente cargado,mientras que si la corriente es mayor a la nominal el motor se encuentrasobrecargado, condiciones de baja y sobre carga se deben corregirrápidamente para que el motor no sufra daños mecánicos o eléctricos o dejede funcionar.
SUCCION
El siguiente componente a considerar es la succión o intake.
Esta es la puerta de acceso de los fluidos del pozo hacia la bomba, para que esta pueda desplazarlos hasta la superficie.
SUCCION
Existen dos tipos básicos de succiones o intakes de bombas:
Las succiones estándar
Los separadores de Gas
SUCCION
Las succiones estándar solamente cumplen con las funciones de permitir el ingreso de los fluidos del pozo a la bomba y transmitir el movimiento del eje en el extremo del sello al eje de la bomba.
SUCCION
Los separadores de gas, ademásde permitir el ingreso de fluidos alinterior de la bomba, tiene lafinalidad de eliminar la mayorcantidad del gas en solucióncontenido en estos fluidos
SUCCION
Existen dos tipos de separadores de gas :
De flujo Inverso
Rotativos
SUCCIÓN
Los separadores de Gas de flujo inverso, se componen de un laberinto que obliga al fluido del pozo a cambiar de dirección antes de ingresar a la bomba.
En este momento, las burbujas continúan subiendo en lugar de acompañar al fluido.
SUCCIÓN
Los separadores de gasrotativos, utilizan la fuerzacentrifuga para separar el gas delliquido.
SUCCION
El SINFIN fuerza al fluido a ingresar al separador, aumentando la presión en el interior de este.
Luego la centrifuga separa el liquido, que es impulsado a la parte mas alejada de la centrifuga.
SUCCION
El gas permanece cercano al centro del separador.
En la parte superior un inversor de flujos permite al gas liberarse por los orificios de venteo, mientras los liquidos ingresan a la bomba
SUCCIÓN
La selección del separador de gas adecuado, dependerá de la cantidad de gas producida por el pozo, teniendo en cuenta la siguiente tabla de eficiencia:
Tipo de Succión Capacidad de Separación
Estándar 0%
Flujo Inverso 25% a 50%
Rotativo 70% a 85%
SUCCIÓN
Si bien los separadores de flujo inverso y las succiones estandar no presentan un consumo de potencia significativo, los separadores rotativos sí tendran incidencia en la potencia consumida por el sistema:
Tipo de Succión Potencia Consumida
TR 3 1.75 HP
TR 4 1.25 HP
TR 5 7.00 HP
CABLES
CABLES
La unión eléctrica entre los equipos descritos,instalados en el subsuelo, y los equipos de control ensuperficie son los cables.
Existen varios tipos de cables en una instalación debombeo electrosumergible:
Extensión de Cable Plano
Cable de Potencia
Conectores de Superficie
CABLESLa extensión de cable plano, es una cola de cablede características especiales que en uno de susextremos posee un conector especial para acoplarloal motor.
En el otro extremo este se empalma al cable depotencia.
La diferencia entre ambos es que este posee lasmismas propiedades mecánicas y eléctricas que loscables de potencia pero son de un tamaño inferior.
CABLES
El conector al motor, también conocido comoPOTHEAD, es uno de los puntos mas críticos de lainstalación.Debido a las limitaciones de espacio, este es el puntomas caliente del sistema, especialmente en motores dealto amperaje.
CABLES
Existen muchos tipos diferentes de cable, y la selección de uno de ellos depende de las condiciones a las que estará sometido en el subsuelo.
CABLES
Para la selección del tipo adecuado de cable es necesario tener en cuenta:
Temperatura de subsuelo
Presión máxima del sistema
Relación Gas Petróleo del fluido
Presencia de agentes corrosivos en el fluido
CABLES
Los cables de potencia pueden ser redondos o planos.
La selección de uno u otro tipo depende del espacio disponible entre la tuberia de producción y el revestidor del pozo.
Armadura
Conductor
Plomo
Aislacion
Conductor
Armadura
Nitrilo
CABLES
Siempre que el espacio anular nos lo permita, preferimos utilizar cable redondo por que:
Es estructuralmente mas fuerte que el cable plano, por lo que es menos susceptible a daños durante la instalación.
Es totalmente simétrico por lo que el sistema permanecerá eléctricamente balanceado.
CABLES
Una de las razones es que una parte de la corriente quecircula por el cable se perderá como calor.
En un cable redondo todos los conductores tienen lamisma superficie para disipar calor, y por lo tanto lamisma temperatura.
En el cable plano los conductores de los lados disipanla misma cantidad de calor, mientras que el conductorcentral tiene dos calentadores a sus lados que leimpiden disipar la misma cantidad de calor que suscompañeros.
CABLESOtra razón es que la corriente que circula por el conductor induce un campo magnético en conjunto con el conductor a su lado.
En un cable redondo, cada conductor tiene otro a cada uno de sus lados, mientras que en el cable plano los conductores de los lados solo cuentan con un conductor junto a ellos.
CABLES
Otro tipo de cables utilizados en instalaciones de bombeo electrosumergible son los conectores de superficie.
Estos son colas de cable con conectores especiales para cruzar a través del cabezal de boca de pozo.
CABLES
Tipos de Cable (Potencia)
Denominacion Tipo AislacionTemp.
SubsueloMax. temp. Conductor
Camisa Barrera Red Plano
PPE / HDPE 135
Specialine 205(PPE / O) RD
Specialine 205(PPE / OTB)FL
Specialine 300(ETBO)
Specialine 400(ETBO - HT)
Specialead 450(ELB)
Polipropileno / Etileno
Polipropileno / Etileno
Polipropileno / Etileno
EPDM
EPDM
EPDM
Polipropileno
Nitrilo
Nitrilo
Nitrilo
Nitrilo de Alta Temperatura
Plomo
NO
NO
Tedlar / Nylon
Nylon
Tape
Tape
135 o F 165 o F
205 o F
170 o F 205 o F
360 o F
268 o F 300 o F
400 o F
450 o F400 o F
170 o F
SI NO
SI
SI
NO SI
SI
SI
SISI
NO
NO
CABLES
Extension de Cable Plano
Denominacion Tipo Armadura
KELB
Kapton/EPDM,
Camisa de plomo y
Nylon
Galvanizada /
Monel
KEOTB
Kapton/EPDM,
Camisa de Nitrilo y
Tedlar/Nylon
Galvanizada /
Monel
Capacidades
Conductor Max Amp
# 1 110 Amps
# 2 95 Amps
# 4 70 Amps
# 6 55 Amps
Cables60
# 6 # 4
50
40 # 2
30 # 1
20
10
0
0 20 40 60 80 100 120 140
Corriente en Amperios
Ca
ida
de
Vo
lta
je p
or
Ca
da
1.0
00
Pie
s
SENSOR DE FONDO
El sensor de fondo, se encuentra instalado en la base del motorelectrosumergible, se encarga de monitorear la temperatura delmotor y la presión de entrada a la bomba electrosumergible.
Las señales de temperatura y de presión de fondo sonpreviamente acondicionadas por el propio sensor en el fondo delpozo y transmitidas a través del cable eléctrico de potencia haciala superficie.
El sensor de fondo, está constituido de: un paquete sensor,paquete inductor y paquete indicador.
GRACIAS POR SU ATENCION