Introduccin La metodologa empleada en esta discusin tcnica, busca enfocar la atencin sobre los aspectos ms relevantes, concernientes a la produccin del campo, apartando de momento los aspectos que puedan resultar triviales en el siguiente anlisis. Por ejemplo: a) Segn la siguiente distribucin de produccin del este campo, el 63% del aceite obtenido diariamente, es responsabilidad del bombeo electrosumergible, esto es:

DISTRIBUCION PRODUCCION ALS

10%

4%

3%

20% 63%

ESP

GL

RP

PCP

FN

Figura 1. Distribucin de produccin SOR

b) No obstante, de las 15 intervenciones efectuadas en lo que va corrido en el ao, 10 corresponden al bombeo electrosumergible, y de esas 10 intervenciones, 5 de ellas promedian los 98 das de Run Life.

2. Pozos y RunLife de equipos que han fallado en la SOR

c) De acuerdo a una cotizacin de un proveedor de equipos, un equipo promedio ESP (sin incluir cable de potencia e incluyendo el impuesto), oscila alrededor de los US$288.000, de los cuales el 46% representa el valor de la bomba - separador y el 30% el precio del motor, es decir, el 76% del valor total son la bomba-sep y el motor.

REP / INTERC Factor de ITEM DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD ILP nacionalizacion y descuento Si / No % Dct.BOMBA SERIE 400 CENTURION, P18 134 ETAPAS + X resistente a la 1 corrosin (20%) + Eje de alta carga H6 (20%) + SXD configuracin AR ea 1.00 $ 117,230.80 0.675 S 25% 1:1 (factor 6), Housing #15 (23.5ft). BOMBA SERIE 400 CENTURION, P18 134 ETAPAS + X resistente a la 2 corrosin (20%) + Eje de alta carga H6 (20%) + SXD configuracin AR ea 1.00 $ 117,230.80 0.675 S 25% 1:1 (factor 6), Housing #15 (23.5ft). 3 BOMBA SERIE 400 CENTURION, MVP G22 XSSD 60ETAPAS. ea 1.00 $ 25,625.00 0.675 S 25% SELLO GSB3 + 30%X (resistente a la corrosin) + 8%G (geotermico) + 4 US$1429HL (zapata de alta carga) + US$462PFS (Sello premium) Serie ea 1.00 $ 10,235.86 0.675 SELLO GSB3 + 30%X (resistente a la corrosin)+ 8%GLT (geotrmico) 5 ea 1.00 $ 8,344.86 0.675 S 25% Serie 513 (6.9ft). MOTOR KMH + 30%X (resistente a la corrosin) + 8% G(geotrmico) 6 ea 1.00 $ - 0.675 No 0% Serie 562 228HP/1425VOLT/98 AMP. 7 SEPARADOR DE GAS 400FSVHV X TANDEM ENHANCED H6. ea 1.00 $ 29,518.00 0.675 S 25% SENSOR DE PRESIN CENTINEL PN 902634 + ELECTRONICOS DE 8 ea 1.00 $ - No SUPERFICIE CON 9 DESCARGA FXPDIS, Serie 400, 2 7/8 EUE 8Rd. ea 1.00 $ 387.00 No 1 Materiales y tarifa de instalacin ea 1 2 Dias de tcnico adicional dia 1 3 Dias de auxiliar adicional dia 1

PRECIO UNIT Sin PRECIO TOTAL IVA Con IVA

$ 50.348

$ 58.404

$ 50.348

$ 58.404

$ 12.973 $ 5.182

$ 15.049 $ 6.011

$ 4.225 $ 74.095 $ 14.943 $ 21.000 $ 387 $ 13.000 $ 850 $ 650Subtotal

$ 4.901 $ 85.950 $ 17.334 $ 24.360 $ 449 $ 15.080 $ 986 $ 754 $ 287.681

Fig. 3 Cotizacin de un equipo ESP promedio d) Revisando 50 casos de falla, y asignando probables causas races sobre los hallazgos efectuados en los teardown, se tiene que:

Causa raiz intervenciones a pozos SOP

Rediseo; 9; 18% Scale; 14; 28% Falla material; 4; 8%

Corrosion; 1; 2% Operacin downtrust; 2; 4% Falla operacional; 3; 6%

Limpieza inadecuada pozo; 5; 10% Falla electrica; 7; 14% Material fractura; 5; 10%

Fig. 4 Esquematizacin de las causas races de falla en las ESP d.1) Dado que el 28% de las intervenciones se debe a la presencia de material incrustante, se sugiere un programa de instalacin de porta-cuponeras en las cabezas de pozos y en donde no se tenga tratamiento en fondo, instalar un sistema de recirculacin de fluido de produccin que empuje va anular el tratamiento qumico. Por todo lo anteriormente expuesto, la siguiente presentacin busca hacer parte del esfuerzo mancomunado entre las diferentes reas, a fin de disminuir los costos de extraccin del aceite en el campo. Prediccin de la productividad de un pozo Debido a que el 18% de las intervenciones presentadas en los pozos analizados anteriormente, se debieron al rediseo de los levantamientos artificiales con ESP, es conveniente recordar algunos conceptos bsicos sobre la productividad en los pozos. Uno de los principales problemas al intentar disear instalaciones de bombeo electrosumergible, es ingresar el ndice de productividad adecuado, y cuando no se dispone de un buen modelo de yacimientos, existen tcnicas menos rigurosas para predecir y construir las curvas sobre ndices de productividad (IPR) futuros. De acuerdo a una presentacin previa sobre ndices de productividad (en video), es posible combinar tres de sus mtodos, para predecir lo ms exactamente posible el ndice de productividad de un pozo; ellos fueron: Mtodo de la Shell Oil Company Eickmer y Petrobras o Composite. La inclusin de este ultimo mtodo, tuvo lugar a objeto de considerar los efectos en el BSW en el IPR de los pozos, condicin esta, que no es tenida en cuenta en los mtodos de Vogel, no obstante, en el ejemplo considerado a continuacin, las diferencias de este mtodo con respecto al de Vogel no fueron acentuadas dado el bajo corte de agua del pozo, sin embargo se sugiere como un paso para futuras nuevas condiciones, en los que si se puede ver afectado el IPR calculado final.

Ejemplo

En un pozo, se tiene una historia de presiones de yacimiento y produccion acumulada entre el 2007 y 2009, (ver fig. 5). Adicional a lo anterior, el 11 de nov del 2008 se el pozo probo con 878 BFPD, BSW=6%. Con esta informacin se requiere conocer el comportamiento de productividad futuro de este pozo.

Llevando esta data a coordenadas semi-log, y uniendo los pares ordenados mediante una lnea sus puntos, se puede obtener una correlacin a partir de la lnea generada, de tal modo que se pueda predecir la Pr a una Np futura. A mediados del 2009 se espera que la produccion acumulada se encuentre en 1.920.000 Bls, que corresponde a una presin de yacimiento, Pr de 1250 psi.

Fig. 5 Proyeccin Np vs. Presin de yacimiento

i.1) Teniendo en cuenta que los sub-ndices 1 y 2 se refieren al tiempo presente, Dic2008, y el tiempo futuro, mediados del 2009, y utilizando las relaciones de Vogel y Ekmier, en la prueba realizada al pozo en el 2008, se tiene que:

Vogel q / qomax1 = 1-0.2(Pwf / Pr)-0.8(Pwf / Pr)2 Composite A = 1 - 0.2 * (Pwf / Pr1) - 0.8 * (Pwf1 / Pr1)2 J1 = q1 / (Fo * (Pr1 - Pb + Pb * A / 1.8) + Fw * (Pr1 Pwf1))

(Vogel)

; qomax1 = 1267 BO

CG = 0.001 * qomax1CD = Fw * (0.001 * qomax1 / J1) + Fo * 0.125 * Pb * (-1 + (81 - 80 * ((0.999 * qomax1 - qb) / (qomax1 - qb))) ^ 0.5)

tanb = CD / CG

qtmax1 = qomax1 + Fw * (Pr1 qomax1 / J1) / tanb ; qtmax1 = 1274 BFPD Eickmer qomax1 / qomax2 = (Pr1 / Pr2)3

(Eckmier)

; qomax2 = 1009 BFPD

i.2) De acuerdo a esta rata mxima futura esperada a mediados del 2009 (1009 BFPD), y manteniendo la condicin operativa de mas de 200 psi en la Pwf2, se observ que al producir 900 BFPD, se obtena una Pwf2 =268, utilizando la siguiente relacin sugerida por PetrobrsPwf2 = Fw * (Pr2 - (q2 / J2)) + Fo * 0.0125 * Pb * (-1 + (81 - 80 * ((q2 - qb) / (qomax2 - qb)))0.5)

J1 = q1 / (Fo * (Pr1 - Pb + Pb * A / 1.8) + Fw * (Pr1 Pwf1)) = 1.34 Bls/psi Las anteriores relaciones mencionan una gua bastante til en el desarrollo de los campos y la obtencin de IPR de buena aproximacin, que puedan evitar de algn u otro modo rediseos futuros.

Principios de bombeo centrfugo Siguiendo la metodologa de concentrar nuestra atencin en los principales elementos respecto al bombeo centrifugo, retomaremos un poco los conceptos ms relevantes sobre este tema y sobre potencia elctrica. Una bomba centrifuga se caracteriza de acuerdo a sus curvas de rendimiento, estas curvas se esquematizan en un grfico de TDH vs. rata de flujo. La TDH se expresa en psi, pies de altura, mmHg, entre otras dimensiones.

Cuando se habla de agua fresca (60F), una columna de 2.31 pies ejerce un peso sobre su base de 1 psi. Si las condiciones o caractersticas del fluido cambian, el gradiente de 2.31 ft/psi debe ser dividido por la nueva gravedad especfica, a fin de obtener la nueva cabeza dinmica ejercida sobre la misma base de presin de un psi, por ejemplo: La gravedad especfica del agua caliente a 450F (232 C) es 0.822 (w-450F = 0.822), es decir, una columna de 2810 ft ejercer una presin de 1000 psi en su base (2.31*1000 / 0.822) , por lo tanto, pozos con alta temperatura y BSW, desarrollarn un mayor nivel de fluido sobre la succin de la bomba que otros fluidos de pozos que posean temperaturas mucho menores a la ebullicin del agua.

Curvas caractersticas del bombeo electrosumergible Para caracterizar el comportamiento de una bomba en un grfico de cabeza dinmica total contra la rata de flujo, se superponen dos curvas

la curva de carga del sistema y la curva de rendimiento de la bomba.

A una velocidad especfica de la bomba, la interseccin de estas dos curvas, se define como el punto de operacin de la bomba, es decir, esta ser la rata de flujo y TDH que entregar esa bomba a esa velocidad en particular y a esa configuracin de impulsor especfica.TDH, ft Curva rendimiento de la bomba

Pto.

Curva de carga del

Rata, B/D

Fig. 6 Curva de operacin de una bomba centrfuga La curva de carga del sistema, hace referencia a las componentes de presin que son inherentes a la columna de fluido a levantar desde el fondo hacia la superficie, es decir:

Componente de altura esttica + componente de carga friccional o dinmica + componente de aceleracin del fluido En un pozo totalmente vertical, el componente de altura puede alcanzar hasta el 70% de la perdida presin, la componente de friccin hasta el 28% y el componente de aceleracin en ocasiones se desprecian, aunque a ciertas condiciones de flujo e inclinacin de las tuberas se vuelve importante. Establecer las perdidas exactas de presin en el flujo de fluidos es bastante complicado, sin embargo, todas ellas dependen de la densidad de la mezcla, que a su vez depende de la viscosidad del fluido, datos estos que en ocasiones son difciles de establecer con exactitud, es por ello que el Autograph nos permite adaptar las condiciones de campo a las condiciones tericas utilizando los modificadores de flujo o cabeza, mxime cuando el fluido se encuentra emulsionado.

CUR VAS DE R

END IMIE N TO

ALTURA DINMICA

PUNTO DE OPERACIN DE LA BOMBA

CA M

B (LE IOS Y DE DE V A F E LO IN ID C ID A AD ) D

ALTURA ESTTICA

Fig. 7 Puntos caractersticos de una curva de comportamiento de la bomba

Las curvas de rendimiento de la bomba (en color azul, fig. 7) son desarrolladas en los laboratorios por los fabricantes de las bombas, utilizando en ocasiones agua fresca como fluido de trabajo, para relacionar grficamente la TDH vs. rata de flujo, de acuerdo a una caracterstica especfica de impulsor y a una velocidad en particular (algunas de estas curvas de rendimiento se amparan en la Norma API 610).

Cambio en las condiciones de operacin de una bomba El punto de operacin de una bomba es un valor dinmico a travs de la vida de operacin del equipo. Para variar el punto de operacin y funcionamiento de una bomba

electrosumergible, se debe cambiar la curva de rendimiento de la bomba o la curva de carga del sistema. El primer caso se obtiene variando la velocidad de la misma, N1,

Ve l ocid

N2TDH, ft

ad , N

Curva de carga del sistema

1

N3

Carga dinmica

Carga esttica Rata, B/D

Fig. 8 Cambio del punto de operacin de una bomba variando la velocidad.

el segundo , al estrangular la lnea de produccin de la cabeza del pozo, se produce un incremento en la cabeza dinmica desarrollada por la bomba y una disminucin en la rata de flujo, esto debido, a las prdidas por friccin ocasionadas y a los cambios volumtricos en los fluidos de produccin.Carga dinmica variable debido a la estrangulacin del sistemaTDH, ft

Carga esttica Rata, B/D

Fig. 9 Cambio del punto de operacin de una bomba estrangulando la cabeza del pozo

Leyes de afinidad Las leyes de similitud o afinidad, en una ESP, tienen por objeto predecir el comportamiento caracterstico de las curvas de rendimiento de una bomba a diferentes velocidades de giro (o dimetros de impulsor), dndose tres relaciones especficas:

-

Los cambios de velocidad en la bomba se reflejan proporcionalmente en las ratas de flujo desarrolladas.

q2 / q1 = N2 / N1 La cabeza dinmica total (TDH) vara en razn directamente proporcional , al cuadrado de los cambios de velocidad en la bomba TDH2 / TDH1 = (N2 / N1 )2 La potencia al freno vara en razn directamente proporcional , al cubo de los cambios de velocidad en la bomba, es decir P2 / P1 = (N2 / N1)3 Otra relacin presentada es: NPSH2 / NPSH1 = (N2 / N1 )2 Es bueno aclarar que estas relaciones son plenamente vlidas para cambios moderados en la velocidad de la ESP.

Ejemplo:

Una configuracin de una ESP a 61 Hz de velocidad, bombea 1100 BFPD, desarrollando una cabeza dinmica de 6270 ft y requiriendo una potencia de 83 HP. Qu rata de flujo, cabeza dinmica y potencia desarrollar a una velocidad menor de 50 HZ?

Condicin 1

Condicin 2

q1/q2 = n1/n2 q2 = q1 * n2 / n1 q2 = 1100 * 50/61 = 902 B/D

h1/h2 = (n1)2/ (n2)2 h2 = h1 * (n2)2/ (n1)2 h2 = 6270 * 502/612 = 4212 ft

P1/ P2 = n13 / n23 P2 = P1 * (n2)3 / (n1)3 P2 = 83 * 503/613 = 45.7 HP

Fig. 10 Clculos sobre la ley de afinidad

Las leyes de afinidad pueden extenderse a la incidencia que tienen cambios razonables en el dimetro del impulsor sobre las ratas de flujo, cabeza dinmica total y potencia desarrollada, esto es:

q2 / q1 = D2 / D1

;

TDH2 / TDH1 = (D2 / D1 )2

;

P2 / P1 = (D2 / D1)3

NPSH2 / NPSH1 = (D2 / D1)2 Formas de los impulsores De acuerdo a la geometra del impulsor, si este fuerza al fluido a salir a manera de planos perpendiculares a partir de su eje , se dice que es radial (a), si da al fluido empujes axiales como radiales, se dice que es un impulsor mixto (b), o por el contrario si induce un movimiento al fluido con caractersticas concntricas y espirales respecto al eje se dice que es un impulsor axial (c). Las primeros dos impulsores hacen parte de las bombas electrosumergibles, en tanto que el tercer grupo se les llama bombas axiales, y se utilizan principalmente para bombear grandes volmenes a poca altura o TDH

Radial

Mixto

Axial

Velocidad especfica La velocidad especfica, NS, se define como aquella velocidad en revoluciones por minuto a la cual un impulsor desarrollara un CAUDAL unitario con una ALTURA unitaria , es decir: Ns = n * (q)1/2 / (TDH)3/4

n=RPM , q= g.p.m. , H=ft

La velocidad especfica nos da la idea del diseo y eficiencia hidrulica que tiene el impulsor, sin embargo carece de significado fsico para el ingeniero de produccin. Se utiliza ms bien como un nmero tipo, para disear caractersticas de operacin y puntos mximos de rendimiento. La representacin grfica de acuerdo a la geometra y velocidad especfica del impulsor es:

ratae f i c i e n c i a

velocidadD2 D1

Impulsor para flujo radial 1.7 < D2/D1 < 2.3

Impulsor para flujo mixto 1.3 < D2/D1 < 1.7

Axial D2~D1

Fig. 11 Relacin velocidad especfica, rata de flujo, eficiencia de flujo

Analizando la frmula de velocidad especfica se puede observar que: Ns = n * (q)1/2 / (TDH)3/4 La velocidad especfica aumenta con la velocidad del impulsor y la rata de flujo, en tanto que disminuye con la cabeza dinmica desarrollada, TDH. De acuerdo a la grfica, los impulsores de tipo mixto tienen mayores velocidades especficas con respecto a los

radiales, debido a que manejan mayores ratas de flujo por impulsor, aunque menor cabeza dinmica con respecto a los radiales. Para suplementar la prdida de cabeza dinmica y disminuir la velocidad de giro en las bombas electrosumergibles con impulsores mixtos, se colocan bombas en tndem, a fin de obtener la cabeza dinmica requerida para elevar altas ratas de fluido desde grandes profundidades a velocidades de giro bajas, no obstante, este cambio hace ms costoso cualquier equipo ESP con respecto a bombas que manejen impulsores radiales. Las bombas con impulsores de tipo radial entregan menores ratas, pero ms cabeza dinmica, TDH, con un menor nmero de impulsores. Los impulsores de tipo mixto, debido a la menor relacin entre D2/D1, son impulsores ms altos, de menor dimetro y con pocas aspas, lo que en teora disminuye el consumo de potencia. En general, cualquier requisito rata-TDH puede ser manejado por muchos tipos de impulsores, operando a diferentes velocidades.

Por ejemplo, observemos las condiciones de funcionamiento de dos tipos de impulsores a las mismas condiciones de, 1200 BFPD, una TDH de 5000 ft y una velocidad de 57 Hz, sus curvas de comportamiento son:

Mayor TDH

5. Bomba ESP con impulsores tipo radialMenor espectro de ratas de flujo Impulsores radiales

Fig. 12 Bomba ESP con impulsores tipo radial

En el arreglo de impulsores radiales, la eficiencia del equipo oscilar alrededor del 50%, el consumo de potencia ser de 76 HP, sin embargo siempre se tendr un mayor espectro de NPSH mas adecuado durante la vida productiva del pozo, entre 650 y 1350 BFPD (rea sombreada).

Mayor TDH

Mayor espectro de ratas de flujo Impulsores mixtos

Fig. 13 Bomba ESP con impulsores tipo mixto

Para el arreglo de impulsores mixtos, la eficiencia es mayor (alrededor del 68%, es decir 18% ms), el consumo de potencia ser menor que el radial, (60 HP, 16 HP menos), pero la disponibilidad de NPSH a travs de la vida productiva del pozo se ajusta menos a las condiciones productivas del pozo, entre 980 y 2400, es probable que las anomalas hidrulicas aparezcan ms rpidamente en este equipo, adems de que es un equipo que succiona muy fuertemente durante el arranque de la bomba, ya que maneja un mayor espectro de ratas de flujo.

Cabeza neta de succin disponible y requerida (NPSHD y NPSHR) Hemos hablado anteriormente sobre la cabeza neta de succin disponible o requerida, detengmonos un poco en este concepto. Cuando el fluido se desplaza entre el intake y el impulsor de la bomba, este ltimo le imprime un cambio de velocidad al fluido, causando una depresin en este pequeo tramo, que origina una accin de succin de parte del intake a los fluidos circunvecinos. La NPSHD es la cantidad de energa con la que el fluido llega al intake de la bomba; esta variable es caracterstica del sistema y es funcin de la presin anular, la sumergencia total sobre el intake de la bomba, las prdidas de friccin ocasionadas durante la succin del fluido, la presin de burbuja del lquido, y la temperatura de operacin.

La NPSHR es la energa mnima requerida sobre el intake de la bomba y que se encuentra por encima de la presin de burbuja del fluido a la temperatura de operacin. La NPSHR es caracterstica de cada bomba en particular, y es funcin de diversos factores como: forma, la configuracin y el nmero de aspas del impulsor, el ngulo de ataque del fluido sobre el impulsor, las dimensiones del intake, velocidad especfica del impulsor entre otros. Los diseadores y fabricantes de bombas suministran a los usuarios el valor de la NPSHR, y sus esfuerzos se orientan en disear bombas que tengan el mnimo valor de NPSHR, y que sea satisfactorio para un requerimiento en particular, con el fin de que la disponibilidad en el sistema supere a la requerida por el equipo (rea sombreada en las figuras 12 y 13) NPSHD + 2 ft NPSHR (API 610) A una velocidad dada, si se grafica en un eje derecho los valores de NPSH que cumplen la condicin anterior, y proyectando estos valores sobre la curva de rendimiento de una bomba, se obtiene una serie de puntos caractersticos sobre esta curva.

TH D

Curva de rendimiento

Rata

A otras velocidades dadas, si repetimos el proceso de proyeccin de una nueva curva de NPSH (que cumple la condicin anterior, NPSHD + 2 ft NPSHR), sobre otras curvas de rendimiento obtenidas a diferentes velocidades (ley de afinidad), se obtiene una familia de puntos , iso-NPSH, que podemos unir sobre las diferentes curvas de

rendimiento de la bomba, para obtener el rango de operabilidad o cono de eficiencia de la bomba, donde es probable que no haya inicio de problemas de cavitacin, grficamente esto es:

NPSH

Obsrvese el cono de eficiencia desarrollado y limitado por las lneas verdes a lado y lado, de la curva del sistema en rojo. Los puntos corresponden a las condiciones de succin y descarga de fluidos en esta bomba. Si en la ventana PumP, hacemos consecutivamente clic en el cono graph Fixed Frequency as used, se puede observar otra representacin del rango de operabilidad eficiente de la bomba con una sola frecuencia,

El rea sombreada corresponde entonces al rango de operabilidad de la bomba en donde se cumple la condicin: NPSHD + 2 ft NPSHR (API 610). Otras caractersticas de la grfica son la curva de eficiencia (verde) y que se calcula utilizando los valores de rata de flujo, TDH y BHP o potencia al freno, as:

pmpeff= q * (1day/1440 min) * head * (42 gal / 1 bbl ) * sg / ( BHP * RPM ) La curva de eficiencia es cortada en su mximo punto por la lnea amarilla. La lnea de potencia al freno es la roja y la de rata TDH es la azul.

Como buena prctica es recomendable comenzar operando la bomba al lado derecho y cerca de la lnea amarilla, ya que al disminuir la eficiencia a travs de la vida productiva de la bomba, la rata disminuye tendiendo a trabajar en la zona de empuje descendente (downtrust), disminuyendo con ello el run life del equipo, por el continuo rozamiento de los faldones del impulsor sobre el difusor.

Principios elctricos Sabemos de antemano que la potencia activa en un sistema trifsico se define como: PT= 3 VL IL cos Siendo el factor de potencia el coseno , del ngulo de fase entre las senoides de tensin y corriente establecidas en el espacio fasorial, es decir FP = cos , luego la potencia activa P = 3 VL IL (FP)

Ademas de lo anterior debemos recordar que la relacion entre el voltaje de salida y entrada en un transformador elevador se denomina la relacion de transformacion. De acuerdo a los conceptos basicos anteriores, enunciaremos la forma de configurar en campo un variador de velocidad, para ello se requiere conocer una informacion previa: - Voltaje del motor a 60 hz, el cual es obtenido de la placa del motor. - Amperaje del motor, igualmente tomado de la placa. - Calibre del cable instalado, tomado de los reporte de instalacion. - Profundidad a la que se instalara el motor, tomado de los reporte de instalacion. - Maxima frecuencia a la que podra funcionar el equipo, suministrado por ingenieria. - Maximo voltaje disponible a ala entrada, usualmente 480V - Temperatura del fondo del pozo, tomado del reporte de instalacion - Impedancia del transformador, se consigue en la placa de los mismos

- Caida de tension del cable, determinado en graficas o el dpto. de Mtto. i) Inicialmente establecemos la relacion voltios / hz, multiplicando el voltaje de placa del motor por la maxima frecuencia y dividiendo este valor por 60. Al anterior resultado se le adiciona las perdidas de voltaje en el cable y por ultimo se suma la perdida por impedancia en el transformador, es decir Las caracteristicas de la placa de un motor son: Voltaje del motor Amperaje Maxima frecuencia Caida de voltaje Impedancia del transformador (XFRM) 1760V 105 amp 51.5 hz 109 V 3.83%

Los calculos son: Volt. req en sup. = ( (1760 * 51.5 / 60 ) + 109 ) * 1.0383 = 1682 V ii) Despues de saber el voltaje que se requiere para la operacion del equipo, se procede a ubicar un voltaje inmediatamente superior en el XFRM sut (transformador de subsuelo), el cual es 1719 V. Con este valor se obtiene la relacin de transformacin, RT, que es la relacin de cuantos voltios se requiere en el primario para obtener el valor del secundario, esto es: RT = 1719 V / 480 V = 3.58125. iii) Ahora se procede a configurar las caracteristicas del VSD, para ello se estandarizan las condiciones a 60 hz. El Voltaje en el secundario cuando la ESP trabaja a 60 hz es: ( 1682 V / 51.5 hz ) * 60 hz = 1960 V Dividiendo el anterior valor por la relacion de transformacion se obtiene el voltaje que entregaria el VSD a 60 hz, ( 1960 V / 3.58125 ) = 547.3 V , es decir la relacin Volt / Hz = 547.3 / 60 hz = 9.12 Volt / hz, dado que el voltaje del motor es 1760 V @ 60 hz.

iv) Luego, la potencia que podra manejar el motor, considerando un FP=0.9, sera de:P (activa) = 3 * 1682 V * 105 amp * 0.9 / 1000 = 275 Kw * ( 0.746 HP / 1 Kw ) = 205 HP

Es decir, S = ( 275 Kw / 0.9 ) = 306 KVA, potencia aparente vi) Ahora procedemos a configurar las protecciones del equipo ESP

I. LIMIT. Es el valor de corriente que podr incrementarse durante la operacin del motor y que tiene que estar acorde con la capacidad del motor:

RT * Im = 3.58 * 105=375.9amp. = 376-1=375

Como estamos asumiendo que este valor es a la mxima carga del motor, ponemos a criterio del ingeniero ajustar un poco ms bajo dicho parmetro, para prevenir picos altos de corriente que nos pueden ocasionar fallas de IOT.

I. LIMIT SYNC. Es el valor de corriente que se podr dejar incrementar en el VSD durante el arranque del equipo y que ser soportado por un periodo de tiempo establecido en un parmetro denominado SYNCH DELAY (generalmente es de 2 ).

I. limit Sync. = I.limit* 20% = 375amp * 1.2 = 450amp de I. limit Sync.

OVER LOAD. Es la proteccin que se le da al equipo y hace que el variador se detenga cuando el motor est siendo sometido a trabajar con su mxima carga por alguna condicin irregular, dicha condicin es controlada por : SEC O.L. TRIP, que regular mente no sobrepasa los 5.

OL = I.Limit +1 = 376 + 1 = 377 amp, - UNDER LOAD. Es el valor de la fase mas baja de corriente multiplicada por 0.8. Este valor permite al equipo trabajar a baja carga por un tiempo delimitado por el parmetro sec U.l Trip, el cual tiene que ser superior al tiempo de aceleracin (Accel Time). Algunos tcnicos de campo emplean el siguiente procedimiento cuando la bomba esta pegada:

- Ajustar over load al 150% en SEC O.L. TRIP = 5 seg.

- Ajustar start frecuency entre 10 a 12 MZ (lo ms bajo posible debido a que el torque disponible es inversamente proporcional ala frecuencia de arranque.

-Sync delay = 2 a 5 seg

- V_boots Sync Voltaje de refuerzo, 30 V

Otras causas comunes de fallas en los equipos ESP Algunos otros antecedentes que en principio no parecen la causa raz de las fallas de los equipos ESP, podran tener origen en ellos. De acuerdo a la figura 4, el 14% se debi a fallas elctricas, el 6% a fallas en el material y el 4% a equipos operando en downtrust, todos ellos en conjunto suman el 24%, magnitud bastante considerable para ser tenida en cuenta, razn por la cual tocaremos algunas causas especificas de fallas en los equipos, que eviten programas de re-acondicionamientos costosos.

-Cavitacin Es un fenmeno fsico estrechamente ligado con el incumplimiento de la relacin NPSHD + 2 ft NPSHR Se da por entendido que el inicio de la cavitacin surge cuando las variables de comportamiento hidrulico de la bomba comienzan a alterar los valores de eficiencia de flujo, cabeza dinmica, potencia del equipo,y no al estado en que se inician a formar burbujas,

Disminucin brusca de las curvas caractersticas por efecto de la cavitacin

El fenmeno de la cavitacin puede comenzar cuando por razones de reduccin hidrodinmica, la presin en el fluido de produccin cae por debajo del punto de burbuja en algn lugar de la bomba, en principio, cuando las burbujas ingresan por el intake de la bomba, forman un conglomerado, que al ser re-comprimidas a su paso por las etapas, implosionan a modo de condensacin sbita, golpeando el material con grandes valores de presin en forma de microjets, lo que deteriora todo en su camino, haciendo vibrar el equipo, y dejando a su paso estructuras porosas (con picaduras). Una buena prctica es llevar un registro histrico de las variables hidrulicas del equipo (eficiencia, por ej.), a fin de detectar cadas inusuales en los valores de operacin del equipo. El fenmeno aumenta su aparicin cuando las temperaturas en los fluidos son elevadas, especialmente en pozos con alto BSW. Por ejemplo a 50F, una libra de agua ocupa 0.016 ft3, mientras que el vapor a la misma temperatura ocupa 2.441 ft3. El vapor supera 153 veces el volumen del lquido. Cuando la temperatura alcanza los 212F, una libra de agua ocupa 0.0167 ft y una de vapor 26.81 ft3, incrementando la razn a 1 605 veces, o sea, la relacin vapor-lquido es diez veces mayor que el mismo lquido a 50F. Por ello, cuanto mayor sea la temperatura del agua, mayor ser la reduccin en la NPSH disponible para bombear .Una propuesta de solucin es, sub-enfriar el lquido; este mtodo incrementa la (NPSH)D porque reduce la presin de burbuja del lquido que se bombea. Se logra con facilidad con la inyeccin del lquido en cabeza de pozo en algn punto en la corriente en que est a temperatura ms baja. En muchos casos, en particular con altas temperaturas de bombeo, la cantidad de lquido inyectado es muy pequea. Por ejemplo, si se bombea agua a 325F, la inyeccin de slo 4% de agua a 175F sub-enfriar el caudal al grado de que la NPSHD, habr aumentado en 20 ft. -Vibracin La vibracin tambin puede ser inducida por la cavitacion que finalmente puede originar el desgaste de los difusores o impulsores, por la inestabilidad de la energa elctrica, por la presencia de slidos orgnicos o inorgnicos al interior de las etapas, entre otros. Sobra decir que al evitar la vibracin se evitan re-acondicionamientos costosos, se incrementa la vida til del equipo y se evitan prdidas de produccin debido a la respuesta en la reparacin del equipo.

Los sensores de vibracin son acelermetros ubicados por debajo del motor, que detectan cambios inusuales en las velocidades del fluido debido a las anomalas hidrulicas presentadas al interior del equipo. Esta calibrado para leer unidades de aceleracin g (32.174 ft/seg2 ) y en trminos generales una ESP operara normalmente a menos de 3g, valores por encima de 10g seran un motivo de preocupacin. A continuacin se presentarn unos casos de campo.

Condiciones normales de operacin

La vibracin es estable a menos de 0.5g y las condiciones iniciales corresponden a un llenado de la lnea y adquisicin de la temperatura de trabajo por parte del motor.

Frecuencia de resonancia

La resonancia es el reforzamiento de la frecuencia natural del equipo con una nueva seal vibratoria, que en esta ocasin no cumple patrones especiales de repeticin, con ciclos de inicio y fin, y que podran causar fallas prematuras en el equipo ESP. Si el perodo que adquiere la ESP coincide con el de la fuerza peridica de refuerzo, se dice que el equipo esta en resonancia. Si la fuerza que produce la vibracin cambia, en los valores ms altos la amplitud de la oscilacin crece, y en los ms bajos, el equipo ESP y la tubera de produccin absorben ese arco de fuerzas, se destruye progresivamente los materiales del equipo, tendiendo a fallar por el punto ms dbil. Obsrvese que cuando se incrementa la velocidad en el equipo, la vibracin tambin lo hace con oscilaciones de +/- 1.5g, esta es una caracterstica propia de equipos funcionando en resonancia. La operacin bajo resonancia debe ser evitada en lo posible.

Produccin de arena

Observemos este caso de produccion de arena. El 19 de oct se tomo la decisin de incrementar la velocidad de giro de 56.4 @ 58.4 Hz para aumentar produccin. La PIP comenz a descender y las ratas de flujo a aumentar, debido al mayor drawdown sobre el yacimiento. El 23 de oct, la vibracin pas de lecturas de 1 a 3 y 4g. El mantenimiento en las lecturas de temperatura de motor y el intake, reflejan que no hay desgaste en el motor, sin embargo, cuando la velocidad de giro lleg a 58.4 Hz, empez una oscilacin errtica en los valores de vibracin (lnea roja), lo que conllevo a que se tuviera que

disminuir la velocidad de giro a 58 Hz, logrndose al final un incremento de 1.6 hz solamente, en este punto se decidi parar los incrementos.

Prdida de eficiencia de la bomba

La bomba operaba normalmente, pero con fuertes vibraciones errticas, indicando probable produccin de arena o cavitacin. La PIP comenz a incrementarse, alcanzando valores de 18g. Finalmente el equipo fall y se encontr que los faldones de las etapas estaban fuertemente destruidos cuando el RunLife era de 121 das. Como buena prctica estos equipos deben ser diseados para operar en el cono de eficiencia, o en su defecto, si el pozo ya esta funcionando, se puede estrangular la cabeza del pozo a fin de ubicar el punto de operacin lo ms cercano al punto de mxima eficiencia.

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Depsitos incrustantes

La precipitacin de depsitos inorgnicos u orgnicos al interior de los equipos ESP, es una de las causas de falla mas comunes en los equipos, en promedio entre el 30 o mas, de las inversiones en intervenciones a pozo analizados en varios campos que producen mediante bombeo electrosumergible, se originan a causa de la depositacin de elementos incrustantes (scale) o fenmenos de corrosin, sobre esta base conviene tocar el tema de manera bsica a fin de tener una mejor visual del problema. La formacin de un scale, como el CaCO3 , sucede cuando una solucin altamente saturada de los iones Ca+2 y CO3-2, esta en continuo movimiento y contacto, estos iones tienden a atraerse, por ser cargas opuestas, unindose en forma de racimos (cluster).

Cuando el cluster crece lo suficientemente se convierte en cristal, (el cual ya es una partcula microscpica), el proceso de fusin electrovalente continua hasta formarse un scale. Diversos factores refuerzan el grado de formacin del scale, por ejemplo: - Concentracin inica: Si la cantidad de iones sobrepasan los lmites de saturacin (ndice de saturacin > 0) entonces es probable que se formen depsitos. - Las cadas de presin puede liberar CO2 , el cual reacciona con el agua para formar HCO3 , cuyo ion reduce el pH y precipita CaCO3 - La temperatura incrementa la velocidad de la mayora de las reacciones, disminuyendo la solubilidad del ion en el fluido. Por ejemplo, la solubilidad del sulfato de calcio aumenta hasta 96F, pero a mayores incrementos de temperatura, la solubilidad disminuye. Por todo lo anterior, se tocaran algunos tpicos del tema, que el ingeniero puede utilizar como medidas de seguimiento y control de la informacin a fin de tomar las medidas preventivas a tiempo.

Monitoreo y control de los depsitos incrustantes

- Cupones de incrustacin y corrosin

Fig. 14 Cupones

Los cupones se constituyen en una pieza clave en la deteccin de ambientes de produccion sobre-saturados. Son piezas fabricadas de una aleacin similar al equipo inspeccionado (Fig. 14), utilizados como una herramienta de inspeccin, en pruebas de ganancia o prdida de peso, tienen desde 6 orificios en adelante, los cupones de incrustacin se instalan enfrentando al flujo (normal al flujo), con el objeto de suministrar una pequea cada de presin diferencial y turbulencia al mismo. El tiempo de exposicin depende de la experiencia que se tenga en campo con respecto a la

agresividad que tienen los fluidos de produccin o la actividad corrosiva del medio, en algunas ocasiones, las condiciones reales puede ser ajustado a las ecuaciones de ndice de saturacin a fin de predecir el comportamiento de los depsitos a otras condiciones de produccion. Para el caso de los cupones de corrosin, el procedimiento de instalacin, preparacin e interpretacin de los resultados se describen en la norma NACE RP-0775. Algunos cuidados adicionales no mencionados en la norma son: -Pesar y registrar fotogrficamente antes de la insercin y despus de la extraccin, anotar cuidadosamente los datos, incluyendo el nmero consecutivo. -Instalarlo teniendo cuidado de no doblarlo durante su insercin, y que se ubique normal al flujo, en cupones de incrustacin y axial al mismo para los de corrosin. - Los depsitos recuperados deben ser almacenados cuidadosamente, marcados y llevada su contra muestra para anlisis de laboratorio DRX (tcnica muy aceptada en la comunidad, que consiste en la interpretacin de los rayos difractados por los cuerpos cristalinos, cuando son expuestos a haces de luz incidentes a ciertas inclinaciones de iluminacin, ley de Bragg). Los resultados obtenidos a partir de los cupones se miden como tasas de depositacin. La tasa de depositacin se mide como la ganancia de peso por pulgada cuadrada mediante la relacin:

Td = [ (Pd Pl ) * 1000 / A * t ] Td = Tasa de depositacin, mg/da; Pd = Peso del cupn con depsito, gramos Pd = Peso del cupn limpio, gramos; A = rea del cupn, pul2 t = tiempo de exposicin, das.

Usualmente las empresas categorizan los niveles de depositacin como:

- Caracterizacin de los depsitos encontrados en campo Una vez observado el depsito, durante la intervencin de los pozos o extraccin de los cupones, la muestras deben conservarse en frascos secos o bolsas plsticas hermticas, etiquetndolas con datos como: fecha de muestreo, localizacin del punto donde se obtuvo la muestra, mtodo de remocin de la muestra, tiempo durante el cual se formo el deposito, problemas ocasionados por el deposito, datos de anlisis fisicoqumico del agua, temperatura del agua, mtodos empleados para evitar la depositacin. La caracterizacin de las muestras incrustantes se hace utilizando el patrn N-1454 que habla de los anlisis de residuos en las facilidades y ductos de Petrobrs, los pasos de identificacin de la muestra sirve de apoyo al ingeniero para cualificar la muestra, es decir: -Si disuelve en xileno caliente, derrite a T>125F, flota en agua, disuelve en diesel caliente, el deposito es parafinico - Si disuelve en xileno caliente, no derrite a T>125F, no disuelve en diesel caliente el deposito es asfaltnico - Si es soluble en agua es una sal - Si el deposito es magnticamente dbil, racciona fuertemente al acido clorhdrico, adquiriendo un color amarillo, con olor a hediondo, el deposito es sulfuro de hierro. - Si la reaccin al acido es dbil y adquiere un color amarillo el deposito es Fe2O3 - Si es fuertemente magntico, reacciona dbilmente al acido y adquiere color amarillo el deposito es Fe2O4. - Si reacciona muy fuertemente al acido, y adquiere color amarillo es un carbonato de hierro, FeCO3. El anterior procedimiento se combina con una difraccin de rayos X para dar con exactitud el tipo de depsito.

-Prediccin de la precipitacin de los depsitos incrustantes Cuando dos iones de un fluido reaccionan, solamente las cantidades que exceden la concentracin de saturacin precipitan, las condiciones de pH, presin, temperatura, concentracin inica que influye en esta precipitacin se mide mediante el ndice de saturacin. Existen diferentes mtodos de prediccin como Staff & Davison, Thompson,

entre otros. Adjunto a esta presentacin se suministraran algunos de los programas mencionados, para entrenamiento personal futuro.

- Control qumico de los depsitos incrustantes La mayora de los inhibidores de incrustacin evitan el crecimiento de los cristales, otros bloquean la formacin de nuevos cristales, pero en general todos mantienen los iones en solucin y evitan que estos se precipiten y formen nuevos depsitos. El EDTA (cido etilendiaminotetraactico) por ejemplo, es un agente quelante (secuestrador) que tiene 4 grupos carboxilos y 2 aminos que suministran electrones, para reaccionar con los iones metlicos encontrados en las aguas de produccin, y de esta manera los vuelve solubles en agua y prcticamente no disociables. Usualmente el residual del producto debe mantenerse en 10% de la concentracin total aplicada, y en gran parte cuando el volumen de fluidos lo permite la concentracin debe mantenerse como mnimo en 2.5 ppm. Para calcular de dosificacin de un producto de inhibicin es:gal / dia (producto inhibidor) = 0.000042 * rata de flujo a tratar * concentracin(p.ej. 30 ppm

A continuacin se presentan los principales inhibidores de incrustacin encontrados en la industria, sus caractersticas y desventajas.TIPO CARACTERISTICAS Y BENEFICIOS -Prcticamente controlan mucho ms cualquier ESTERES ORGANICOS tipo de scale que otros productos. - El residual es fcilmente detectable. - Es un producto econmico - El residual es fcilmente detectable. FOSFONATO -El producto resiste hasta 350F Cuando el producto se expone por largo tiempo a ms de 180 se degrada. DESVENTAJAS

Requiere mayores dosis que los esteres orgnicos

No se puede determinar su rePOLIMEROS - Trabajan perfectamente a T