INTRODUCCIÓN
El comportamiento de los yacimientos durante su explotación está influenciado por las características productivas de la roca, la presencia de flujo multifásico a través del medio poroso, así como el esquema de desarrollo implantado.
La explotación convencional, incluye la recuperación natural ó primaria, que puede ocurrir con flujo natural o bien con sistemas artificiales de producción; y la secundaria, que se aplica para mantener la presión del yacimiento o desplazar los fluidos del yacimiento.
Mientras que para la recuperación mejorada contempla métodos térmicos químicos y la inyección de gases. Debido a que el petróleo es un recurso no renovable, los pozos que se encuentran produciendo van declinando su producción por la pérdida de presión natural del yacimiento. Por lo que se hace necesario instalar la infraestructura adecuada para la recuperación del petróleo, que en la mayoría de los yacimientos representa de un 60 a 70% por recuperar, por lo cual, es conveniente un sistema artificial.
Es importante recordar que la producción primaria es la recuperación de hidrocarburo asociada a mecanismos naturales de empuje en un yacimiento, como expansión de la roca y el fluido, gas disuelto, acuífero activo, casquete de gas o bien drene gravitacional, en yacimientos naturalmente fracturados, adicionalmente se tiene un mecanismo adicional denominado exudación, que consiste básicamente en la acción combinada de fuerzas capilares y gravitacionales, las cuales originan la expulsión de los hidrocarburos de la matriz a la fractura.
En esta etapa el flujo de fluidos dentro del yacimiento, ocurre por energía propia de él. En ocasiones las presiones de fondo de los pozos no son suficientes para llevar los fluidos hasta la superficie, por lo que es necesario diseñar e instalar un sistema artificial de producción que permita recuperar estos hidrocarburos, antes de considerar cualquier proceso de mayor costo y de tecnología sofisticada.
Durante la vida productiva de los yacimientos, la presión tiende a disminuir debido a la explotación del campo, a tal grado que los pozos productores dejan de fluir de forma natural, en variadas ocasiones estas disminuciones de presión pueden ser originadas por daños en los pozos, ocasionados principalmente por la misma operación, generalmente este daño es removido mediante limpieza y estimulaciones.
Cuando no se tiene daño en la formación y el flujo de fluidos no es capaz de llegar a las instalaciones superficiales, es necesario implantar un sistema artificial de producción, acorde a las características del campo. Es necesario efectuar un estudio en el que involucre los diferentes sistemas artificiales, como son: bombeo mecánico, Hidráulico y electrocentrífugo ó electrosumergible, los cuales permiten ayudar a vencer las caídas de presión y mantener el pozo fluyendo para así mantener la plataforma de producción comprometida.
Más allá de cualquier método de levantamiento artificial utilizado para el término de la producción del yacimiento, es importante estudiar detalladamente todos los parámetros que incluyen el uso del mismo, así como las ventajas o desventajas de su aplicación y el tiempo operacional del sistema. Es por eso que se procederá a desglosar los tópicos más importantes que involucra el estudio y/o aplicación de uno de ellos: el Sistema de Bombeo Electrosumergible.
CONTENIDO
Cuando el pozo deja de producir por flujo natural, se requiere el uso de una fuente externa de energía para conciliar la oferta con la demanda de energía. La utilización de esta fuente es con el fin de levantar los fluidos desde el fondo del pozo hasta el separador, es lo que se denomina levantamiento artificial. El propósito de los métodos de levantamiento artificial es minimizar los requerimientos de energía en la cara de la formación productora, con el objeto de maximizar el diferencial de presión a través del yacimiento y provocar, de esta manera, la mayor afluencia de fluidos, sin que generen problemas de producción: arenamiento, conificación de agua, etc.En este caso hablaremos a cerca del Método de levantamiento artificial por Bombeo Electrosumergible (BES).
El bombeo electrosumergible es un método que se comenzó a utilizar en Venezuela en 1958, con el pozo silvestre 14. Se considera un método de levantamiento artificial que utiliza una bomba centrífuga ubicada en el subsuelo para levantar los fluidos aportados por el yacimiento desde el fondo del pozo hasta la estación de flujo.
La técnica para diseñar las instalaciones de bombeo electrosumergible consiste en: seleccionar una bomba que cumpla los requerimientos de la producción deseada, de asegurar el incremento de presión para levantar los fluidos, desde el pozo hasta la estación, y escoger un motor capaz de mantener la capacidad de levantamiento y la eficiencia del bombeo.
Este es un método de levantamiento artificial altamente eficiente para la producción de crudos livianos y medianos; sin embargo, es uno de los métodos de extracción de crudo que exige mayor requerimiento de supervisión, análisis y control, a fin de garantizar el adecuado comportamiento del sistema.
Éste ha probado ser un sistema artificial de producción eficiente y económico. En la actualidad ha cobrado mayor importancia debido a la variedad de casos industriales en los que es ampliamente aceptado.
En la industria petrolera, comparativamente con otros sistemas artificiales de producción tiene ventajas y desventajas, debido a que por diversas razones no siempre puede resultar el mejor.
Tiene como principio fundamental levantar el fluido del reservorio hasta la superficie, mediante la rotación centrífuga de la bomba electrosumergible. La potencia requerida por dicha bomba es suministrada por un motor eléctrico que se encuentra ubicado en el fondo del pozo; la corriente eléctrica, necesaria para el funcionamiento de dicho motor, es suministrada desde la superficie, y conducida a través del cable de potencia hasta el motor.
El Sistema BES representa uno de los métodos más automatizables y fácil de mejorar, y esta constituido por equipos complejos y de alto costo, por lo que se requiere, para el buen funcionamiento de los mismos, de la aplicación de herramientas efectivas para su supervisión, análisis y control.
Sus ventajas son:
ü Puede levantar altos volúmenes de fluidos
ü Maneja altos cortes de agua( aplicables en costa a fuera)
ü Puede usarse para inyectar fluidos a la formación.
ü Su vida útil puede ser muy larga.
ü Trabaja bien en pozos desviados
ü No causan destrucciones en ambientes urbanos
ü Fácil aplicación de tratamientos contra la corrosión y formaciones de escamas.
ü No tiene casi instalaciones de superficie a excepción de un control de velocidad del motor.
ü La motorización es eléctrica exclusivamente y el motor se encuentra en la bomba misma al fondo del pozo.
ü Su tecnología es la más complicada y cara pero son preferidas en caso de tener que elevar grandes caudales.
Sus desventajas son:
ü Inversión inicial muy alta.
ü Alto consumo de potencia.
ü No es rentable en pozos de baja producción.
ü Los cables se deterioran al estar expuestos a temperaturas elevadas.
ü Susceptible a la producción de gas y arena.
ü Su diseño es complejo.
ü Las bombas y motor son susceptibles a fallas.
ü Es un sistema difícil de instalar y su energización no siempre es altamente confiable.
ü En cuanto al costo de instalación, es el más alto, pero el mantenimiento de superficie es mínimo y limitado a los componentes electrónicos de los variadores de velocidad y protecciones eléctricas.
Actualmente el Sistema BES presenta un significativo índice de interrupciones, que pueden variar de 1 falla hasta 7 , que pueden durar en tiempo de 2 días a 1 año, producto de fallas debidas a diversas causas, como diseño inadecuado, falla de materiales , fallas en los procesos de fabricación, ensamblaje o instalación defectuoso , imprevisiones en las instalaciones en las condiciones de servicio, mantenimiento deficiente, malas practicas de operación, con la consecuente disminución de la confiabilidad de los equipos. Adicional a esto, la falta en cada uno de los componentes del sistema BES, evita la posibilidad de interrumpir oportunamente su proceso de gestación. En muchos casos, las faltas del sistema son tratadas superficialmente y no se resuelven efectivamente, ya que las actividades de identificación y control de las causas raíces de dichas fallas no son analizadas, o son realizadas en forma inapropiada. De igual forma, la ausencia de una normativa completa y detallada de los procedimientos adecuados para el manejo, instalación, operación, recuperación y desmantelamiento del sistema, dificulta aun más estos procesos.
Existen diversos parámetros para la aplicación de este sistema, los cuales son:
Ø Temperatura: limitado por > 350ºF para motores y cables especiales.
Ø Presencia de gas: saturación de gas libre < 10%
Ø Presencia de arena: < 200 ppm (preferiblemente 0)
Ø Viscosidad: limite cercano a los 200 cps
Ø Profundidad: 6000 – 8000 pies
Ø Tipo de completación: Tanto en pozos verticales, como desviados.
Ø Volumen de fluido: hasta 4000 BPD.
El sistema de Bombeo Electrosumergible (BES) ha demostrado ser una alternativa altamente eficiente para la producción de crudos livianos y medianos en el ámbito mundial, gracias a las ventajas que proporciona en comparación con cualquier otro método de levantamiento artificial. Este sistema posee la capacidad de manejar grandes volúmenes de crudo, desde 150 hasta 100.000 barriles por día (BPD), desde profundidades hasta de 4572 metros. Además de esto, el sistema BES permite controlar y programar la producción dentro de los límites del pozo, a través del empleo del variador de frecuencia. Otro de los beneficios que proporciona este método, es la indicación continúa de las condiciones de presión y temperatura en el pozo, gracias a las señales transmitidas por el censor de presión y temperatura ubicado en el fondo pozo.
“BES”. COMPONENTES
Una unidad típica convencional del Sistema de Bombeo Electrosumergible se compone básicamente de equipos de subsuelo, equipos de superficie, cables y componentes superficiales. La figura No 1 muestra un diagrama esquemático de los equipos de superficie y subsuelo.El conjunto de equipos de subsuelo se encuentra constituido por la bomba centrifuga, la sección de entrada estándar o el separador de gas, la sección de sello o protector, el motor eléctrico. Entre los cables tenemos: el cable conductor eléctrico, el cable de conexión al motor y el sensor de fondo.
Los equipos de superficie están conformados por el cabezal de descarga, el variador de frecuencia o el controlador de arranque directo, la caja de unión o venteo y por el conjunto de transformadores.
Entre los componentes de accesorios se pueden listar la válvula de drenaje, la válvula de venteo, los soportes en el cabezal, los centralizadores y las bandas de cable.
Figura 1.- Diagrama esquemático de los equipos de superficie y subsuelo.
Descripción del equipo de bombeo Electrosumergible
Una unidad típica de bombeo electrocentrífugo sumergido está constituida en el fondo del pozo por los componentes: motor eléctrico, protector, sección de entrada, bomba electrocentrífuga y cable conductor. Las partes superficiales son: cabezal, cable superficial. Tablero de control, transformador.
Figura 2.1.- Vista general de los componentes del sistema “BES”
Figura 2.1.- Esquema del equipo del Sistema Bombeo ESM
Figura 2.2 - Distribución de los componentes del aparejo en la forma tradicional como quedan
colocados en el pozo.
Se incluyen todos los accesorios necesarios para asegurar una buena operación, como son: separador de gas, flejes para cable, extensión de la mufa, válvula de drene. Válvula de contrapresión, centradores, sensor de presión y temperatura de fondo, dispositivos electrónicos para control del motor, caja de unión, y controlador de velocidad variable.
La integración de los componentes es indispensable, ya que cada uno ejecuta una función esencial en el sistema para obtener las condiciones de operación deseadas que permitan impulsar a la superficie el gasto requerido.
Componentes superficiales
Banco de Transformación Eléctrica:Es aquel que esta constituido por transformadores que cambian el voltaje primario de la línea eléctrica por el voltaje requerido para el motor.
Este componente se utiliza para elevar el voltaje de la línea al voltaje requerido en la superficie para alimentar al motor en el fondo del pozo; algunos están equipados con interruptores “taps” que les dan mayor flexibilidad de operación. Se puede utilizar un solo transformador trifásico o un conjunto de tres transformadores monofásicos.
Tablero de control:
Es el componente desde el que se gobierna la operación del aparejo de producción en el fondo del pozo. Dependiendo de la calidad de control que se desea tener, se seleccionan los dispositivos que sean necesarios para integrarlos al tablero. Este puede ser sumamente sencillo y contener únicamente un botón de arranque y un fusible de protección por sobre carga; o bien puede contener fusibles de desconexión por sobrecarga y baja carga, mecanismos de relojería para restablecimiento automático y operación intermitente, protectores de represionamiento de líneas, luces indicadores de la causa de paro, amperímetro, y otros dispositivos para control remoto, los tipos de tablero existentes son electromecánicos o bien totalmente transistorizados y compactos.
Variador de Frecuencia:
Permite arrancar los motores a bajas velocidades, reduciendo los esfuerzos en el eje de la bomba, protege el equipo de variaciones eléctricas.
Caja de venteo:
Esta ubicada entre el cabezal del pozo y el tablero de control, conecta el cable de energía del equipo de superficie con el cable de conexión del motor, además permite ventear a la atmósfera el gas que fluye a través del cable, impidiendo que llegue al tablero de control.
Se instala por razones de seguridad entre el cabezal del pozo y el tablero de control, debido a que el gas puede viajar a lo largo del cable superficial y alcanzar la instalación eléctrica en el tablero. En la caja de viento o de unión, los conductores del cable quedan expuestos a la atmósfera evitando esa posibilidad.
Cabezal de descarga:
El cabezal del pozo debe ser equipado con un cabezal en el tubing tipo hidratante o empaque cerrado.
Los cabezales de superficie pueden ser de varios tipos diferentes, de los cuales, los más comúnmente utilizados son:
ü Tipo Hércules, para baja presión
ü Tipo Roscado, para alta presión
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Los cabezales tipo Hércules, son utilizados en pozos con baja presión en el espacio anular, y en instalaciones no muy profundas. Estos poseen un colgador de tubería tipo cuña, y un pasaje para el cable. El cable de potencia cruza a través de ellos hasta la caja de venteo, y es empacado por un juego de gomas prensadas.
Los cabezales roscados se utilizan en operaciones “Costa Afuera”, pozos con alta presión de gas en el espacio anular o para instalaciones a alta profundidad. En ellos la tubería esta roscada al colgador, y este se suspende del cabezal.
El colgador cuenta con un orificio roscado, junto al de la tubería de producción, en el cual se coloca un conector especial (Mini-Mandrel). El cable de potencia se empalma a una cola de cable, de similares características, que posee un conector en uno de sus extremos. Este conector se conecta con el del penetrador del colgador.
En el lado exterior del cabezal, se instala otra cola de cable, de inferior calidad, que cuenta con un conector en ángulo, que se conecta al penetrador del colgador. El otro extremo se conecta a la caja de venteo en superficie.
Accesorios
Con el propósito de asegurar una mejor operación del equipo es necesario contar con algunos accesorios.Válvula de contra presión
Se coloca de una a tres lingadas de tubería por arriba de la bomba. Esta válvula permite el flujo en sentido ascendente, de manera que cuando el motor deja de trabajar, impide el regreso de la columna de fluidos y evita el giro de la flecha de la bomba en sentido contrario, lo cual la dañaría.
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Válvula de drenaje
Al utilizar válvula de retención debe utilizarse una válvula de drenaje una junta por encima de está, como factor de seguridad para cuando se requiera circular el pozo del anular a la tubería de producción.
Se coloca de una a tres lingadas por arriba de la válvula de contra presión. Su función es establecer comunicación entre el espacio anular y la tubería de producción, con el propósito de que ésta se vacíe cuando se extrae el aparejo del pozo. Para operarla, se deja caer una barra de acero desde la superficie por la tubería de producción; la barra rompe un perno y deja abierto un orificio de comunicación con el espacio anular.
Controlador de velocidad variable
Este dispositivo puede ser considerado como equipo accesorio u opcional, únicamente bajo ciertas circunstancias que impone el mismo pozo. Eventualmente la información disponible para efectuar un diseño no es del todo confiable y como consecuencia se obtiene una instalación que no opera adecuadamente; anteriormente la alternativa sería rediseñar e instalar un nuevo aparejo, debido a que el sistema de bombeo eléctrico trabaja a velocidad constante para un mismo ciclaje.
En otros casos, algunos pozos son dinámicos en cuánto a parámetros de presión de fondo, producción, relación gas-aceite y otros para los cuales no es recomendable la operación de un aparejo con velocidad constante. Lo anteriormente expuesto limita la aplicación del sistema a pozos estables donde el número de etapas de la bomba, sus dimensiones y velocidad podrían ser constantes.
El controlador de velocidad variable permite alterar la frecuencia del voltaje que alimenta al motor y por lo tanto modificar su velocidad. El rango de ajuste de la frecuencia es de 30 a 90 Hz, lo que implica su amplio rango de velocidades y por lo tanto de gastos que es posible manejar. Una alta frecuencia incrementa la velocidad y el gasto; una baja frecuencia, los disminuye.
Centralizadores
Como su nombre lo indica, se utilizan para centrar el motor, la bomba y el cable durante la instalación. Se utilizan en pozos ligeramente desviados, para mantener el motor centrado y así permitir un enfriamiento adecuado. También evitan que el cable se dañe por roce con el revestidor, a medida que es bajado en el pozo.
Al utilizar centralizadores se debe tener cuidado de que estos no giren o muevan hacia arriba o hacia abajo la tubería de producción.
Bandas de Cable
También se denominan flejes, se utilizan para fijar el cable de potencia a la tubería de producción durante la instalación, y el cable de extensión del motor al equipo. Las bandas se fabrican de tres materiales distintos:
· Bandas de acero negro, se utilizan en pozos donde no exista corrosión.
· Bandas de acero inoxidable, se usan en pozos moderadamente corrosivos.
· Bandas de monel, se usan en ambientes corrosivos.
Otros accesorios pueden ser los sensores de presión y de temperatura de fondo, cajas protectores para transporte del equipo, etc.
La integración de todos los componentes descritos es indispensable, ya que cada uno ejecuta una función esencial en el sistema, para obtener en la superficie el gasto de líquido deseado, manteniendo la presión necesaria en la boca del pozo.
Componentes Subsuelo
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.El conjunto de equipos de subsuelo se encuentra constituido por la bomba centrifuga, la sección de entrada estándar o el separador de gas, la sección de sello o protector, el motor eléctrico.
Sensor de Fondo
El sensor de presión es un equipo que se coloca acoplado en la parte final del motor. Está constituido por circuitos que permitan enviar señales a superficie registradas mediante un instrumento instalado en controlador, convirtiendo estas, en señales de presión a la profundidad de operación de la bomba.
Cuando se utiliza un variador de frecuencia, la información del sensor puede ser alimentada a un controlador, para mantener una presión de fondo determinada, mediante el cambio de la velocidad de la bomba.
Este sistema está compuesto por una unidad de lectura de superficie, un dispositivo sensor de presión y/o un instrumento sensor de temperatura colocado en la tubería de producción. El sensor de fondo está conectado a la unidad de lectura de superficie, a través de los bobinados del motor y el cable de potencia.
El sensor puede registrar la presión de la parte interna de la tubería de producción, o la presión de entrada a la bomba, llamada presión fluyente en el punto de ubicación de la bomba.
El sensor de presión es activado por el nivel del fluido y/o la presión de gas en el pozo. Se calibra automáticamente cuando se dan cambios de temperatura, a intervalos específicos. Durante este tiempo las lecturas de presión y temperatura permanecen inalterables en pantallas, permitiendo la realización de registros manuales.
Un equipo de superficie se utiliza para manejar la información proveniente del fondo del pozo, en tiempo real. Esta información puede ser solamente mostrada, o enviada a otro sistema de monitoreo, para poder ser extraída y procesada posteriormente.
Además, dependiendo de la aplicación, existe un sensor de fondo de acuerdo a la temperatura de trabajo; funciona en presiones de hasta 5000 psi.
Motor eléctrico
Es la fuente de potencia que genera el movimiento a la bomba para mantener la producción de fluidos. Se recomienda colocarlo por encima de las perforaciones.
El motor eléctrico colocado en la parte inferior de aparejo, recibe la energía desde una fuente superficial, a través de un cable; su diseño compacto es especial, ya que permite introducirlo en la tubería de revestimiento existente en el pozo y satisfacer requerimientos de potencial grandes, también soporta una alta torsión momentánea durante el arranque hasta que alcanza la velocidad de operación, que es aproximadamente constante para una misma frecuencia, por ejemplo: 3500 revoluciones por minuto (rpm) a 60 ciclos por segundo (Hz). Normalmente, consiste de una carcasa de acero al bajo carbón, con láminas de acero y bronce fijas en su interior alineadas con las secciones del rotor y del cojinete respectivamente.
En la figura 3 se muestra el corte transversal de un motor, como los utilizados en aplicaciones de bombeo eléctrico. Son bipolares, trifásicos, del tipo jaula de ardilla y de inducción: los rotores construidos con longitudes de 12 a 18 pg están montados sobre la flecha y los estatores sobre la carcasa: el cojinete de empuje soporta la carga de los rotores. El interior del motor se llena con aceite mineral caracterizado por su alta refinación, resistencia dieléctrica, buena conductividad térmica y capacidad para lubricar a los cojinetes. Dicho aceite, permite que el calor generado en el motor, sea transferido a la carcasa y de ésta a los fluidos de pozo que pasan por la parte externa de la misma; razón por la que el aparejo no debe quedar abajo del intervalo disparado.
Figura 3.- Corte transversal de un motor, como los utilizados en aplicaciones de bombeo eléctrico.
Pruebas de laboratorio indican que la velocidad del fluido que circula por el exterior del motor, debe ser de 1 pie/seg para lograr un enfriamiento adecuado.
Los requerimientos de amperaje pueden variar desde 12 hasta 130 amperes (amps) y se logra mayor potencia, aumentando la longitud de la sección del motor: cuando éste es sencillo, puede tener aproximadamente 30 pies de largo y Figura 3 desarrollar de 200 a 250 caballos de fuerza (hp), mientras que otros integrados en tandem alcanzan hasta 100 pies de largo y desarrollan 1000 (hp).
La profundidad de colocación del aparejo es un factor determinante en la selección del voltaje del motor debido a las pérdidas de voltaje en el cable. Cuando la pérdida de voltaje es demasiado grande, se requiere un motor de más alto voltaje y menor amperaje. En pozos muy profundos, la economía es un factor importante: con un motor de más alto voltaje es posible usar un cable más pequeño y más barato. Sin embargo, puede requerirse un tablero de control de más alto voltaje y más caro.
Los motores son clasificados a través de series y están directamente relacionadas con el diámetro externo del motor. En el caso de ESP, los motores se designan con números, de acuerdo a su diámetro externo: TR3; TR4; TR5 y TR7
Cuando seleccionemos motores en tandem, debemos tener presente lo siguiente:
ü Si utilizamos dos motores tendremos doble potencia.
ü También necesitaremos doble voltaje en superficie.
ü Pero el amperaje máximo permitido será el de la placa del motor.
Protector
Este componente también llamado Sección sellante ver Figura 5, 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.
Las funciones básicas de este equipo son:
ü Permitir la igualación de presión entre el motor y el anular.
ü Absorber la carga axial desarrollada por la bomba a través del cojinete de empuje, impidiendo que estas se reflejen en el motor eléctrico.
ü Prevenir la entrada de fluido del pozo hacia el motor.
ü 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.
ü Transmitir el torque desarrollado por el motor hacia la bomba, a través del acoplamiento de los ejes.
Figura 5.- Protector o Sección Sellante.
Existen dos tipos de protectores: el convencional y el de tres cámaras aislantes. El diseño mecánico y principio de operación de los protectores difiere de un fabricante a otro.
La diferencia principal está en la forma como el aceite lubricante del motor es aislado del fluido del pozo. El protector convencional, protege contra la entrada de fluido alrededor de la flecha. El contacto directo entre el fluido del pozo y del motor ha sido considerado el único medio de igualar presiones en el sistema de sellado. Se ha determinado que el mejoramiento real del funcionamiento del motor sumergible puede lograrse si el aceite del motor se aísla completamente de los fluidos del pozo evitando cualquier contaminación. Este enfoque llevó al desarrollo de la sección sellante tipo “D” en el cual se aísla el aceite del motor del fluido del pozo por medio de un líquido inerte bloqueante.
El protector de tres cámaras, constituye realmente tres sistemas de sellos en uno. Cada cámara consiste de un sello mecánico y de un recipiente de expansión-contracción. Aunque dos de los tres sellos mecánicos fallen por alguna razón, el motor sumergible queda protegido.
Este tipo de sección sellante proporciona la mejor protección disponible contra el ácido sulfhídrico u otros fluidos contaminantes del pozo.
Las características y beneficios de este tipo de protector son:
ü Tres sellos mecánicos ampliamente espaciados.
ü Una distribución amplia de los sellos que permite una mejor disipación de calor.
ü Cada sello mecánico protege su propio recipiente, creando tres secciones sellantes en una unidad.
ü Un tubo permite que haya flujo de aceite lubricante entre los tres recipientes.
ü La barrera elástica en la cámara superior permite la contracción-expansión del aceite del motor cuando la temperatura cambia desde la superficie hasta el fondo y a la de operación.
ü La barrera elástica es resistente al ataque químico y la penetración del gas, por lo que el aceite del motor se protege efectivamente contra contaminantes.
ü Cada recipiente es lo suficientemente grande para absorber la expansión-contracción volumétrica de los motores más grandes existentes en el mercado.
Los sellos, al igual que bombas y motores, se clasifican según su SERIE, 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 los motores.
En la actualidad los sellos se pueden configurar en función de las necesidades propias de cada pozo, combinando diferentes tipos de cámaras, cojinetes de empuje, sellos mecánicos y materiales a utilizar, haciéndolo personalizado a cada aplicación.
Las cámaras de un sello pueden ser de dos tipos:
ü Laberinto
ü Sello positivo (bolsa de goma)
Las cámaras de laberinto están compuestas por una serie de tubos, que forman un laberinto en el interior de esta para hacer el camino difícil al fluido de pozo que intenta ingresar al motor.
Este tipo de cámara puede seleccionarse para aquellos pozos donde el fluido a producir tiene una densidad superior a la del aceite del motor (con alto corte de agua), o en pozos verticales. En aquellos pozos donde la densidad del fluido es semejante a la del aceite del motor o los equipos son instalados en la sección desviada del pozo, es conveniente utilizar cámaras de sello positivo o bolsa de goma.
La bolsa de goma es un elastómero que tiene la finalidad de evitar el contacto físico de los fluidos del pozo con el aceite del motor, pero al ser muy flexible cumple con equilibrar las presiones en ambos lados de ella.
A su vez, cuando el equipo comienza a inclinarse, los laberintos comienzan a perder su capacidad de expansión, la cual puede recuperarse utilizando cámaras de sello positivo. A medida que la inclinación aumenta se hace necesario incrementar la cantidad de cámaras con elastómero, pudiendo llegar a colocarse hasta 4 cámaras de bolsa por cada tandem.
Esto permite alcanzar inclinaciones de hasta 75o u 80o
Sección Succión:
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.
Existen dos tipos básicos de succiones o intakes de bombas:
ü Las succiones estándar
ü Los separadores de Gas
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.
Separador de Gas:
Los separadores de gas, además de permitir el ingreso de fluidos al interior de la bomba, tiene la finalidad de eliminar la mayor cantidad del gas en solución contenido en estos fluidos. Su uso es opcional y se emplea cuando se prevé alta RGP.
El separador de gas (Figura 4) es un componente opcional del aparejo construido integralmente con la bomba, normalmente se coloca entre ésta y el protector. Sirve como succión o entrada de fluidos a la bomba y desvía el gas libre de la succión hacia el espacio anular. El uso del separador de gas permite una operación de bombeo más eficiente en pozos gasificados, ya que reduce los efectos de disminución de capacidad de carga en las curvas de comportamiento, evita la cavitación a altos gastos, y evita las fluctuaciones cíclicas de carga en el motor producidas por la severa interferencia de gas.
Existen dos tipos de separadores: Convencional, y Centrífugo., donde su operación consiste en invertir el sentido del flujo del líquido, lo que permite que el gas libre continúe su trayectoria ascendente hacia el espacio anular. Su aplicación es recomendable en pozos donde a la profundidad de colocación del aparejo, las cantidades de gas libre no son muy grandes. El separador centrífugo, que trabaja en la siguiente forma: en sus orificios de entrada, recibe la mezcla de líquido y gas libre que pasa a través de una etapa de succión neta positiva, la cual imprime fuerza centrífuga a los fluidos; por diferencia de densidades el líquido va hacia las paredes internas del separador y el gas permanece en el centro. Una aletas guías convierten la dirección tangencial del flujo, en dirección axial; entonces el líquido y gas se mueven hacia arriba, pasan a través de un difusor que conduce a los líquidos a la succión de la bomba y desvía al gas hacia los orificios de ventilación, donde el gas libre va al espacio anular por fuera de la turbina de producción.
Es necesario mencionar que la total eliminación del gas libre, no es necesariamente la mejor forma de bombear el pozo. Por una parte, el volumen de fluidos que entra a la bomba es menor, pero la presión que la bomba debe entregar en la descarga se incrementa, debido a la menor relación gas-aceite de la columna hidráulica en la tubería de producción. Entre los efectos que causa la presencia de gas libre en el interior de la bomba están: el comportamiento de la bomba se aparta del señalado en sus curvas características, reducción de su eficiencia, fluctuación de carga en el motor, posible efecto de cavitación y otros consecuentes.
Figura 4.- Muestra de un Separador de Gas
Bomba Centrífuga Sumergible
Es de tipo centrifugo-multicapas, cada etapa consiste en un impulsor rotativo y un difusor fijo. El número de etapas determina la capacidad de levantamiento y la potencia requerida para ello.
El movimiento rotativo del impulsor imparte un movimiento tangencial al fluido que pasa a través de la bomba, creando la fuerza centrifuga que impulsa al fluido en forma radial, es decir, el fluido viaja a través del impulsor en la resultante del movimiento radial y tangencial, generando al fluido verdadera dirección y sentido de movimiento.
Su función básica es imprimir a los fluidos del pozo, el incremento de presión necesario para hacer llegar a la superficie, el gasto requerido con presión suficiente en la cabeza del pozo.
Las bombas centrífugas son de múltiples etapas (Figura 6), y cada etapa consiste de un impulsor giratorio y un difusor estacionario. El impulsor da al fluido ENERGÍA CINÉTICA. El Difusor cambia esta energía cinética en ENERGÍA POTENCIAL (Altura de elevación o cabeza).
El tamaño de etapa que se use determina el volumen de fluido que va a producirse, la carga o presión que la bomba genera depende, del número de etapas y de este número depende la potencia requerida. En una bomba de impulsores flotantes, éstos se mueven axialmente a lo largo de la flecha y pueden descansar en empuje ascendente o descendente en cojinetes, cuando están en operación. Estos empujes a su vez, los absorbe un cojinete en la sección sellante.
Las etapas a su vez pueden clasificarse, dependiendo de la geometría del pasaje de fluido, en dos tipos:
*Flujo Mixto
*Flujo Radial
Otra clasificación de los diferentes tipos de bombas se realiza según la SERIE de las mismas.
A la vez, la serie esta directamente relacionada con el diámetro de la bomba, por ejemplo “A”; “D”; “G”; “H”; Etc.
En la bomba de impulsores fijos, estos no pueden moverse y el empuje desarrollado por los impulsores los amortigua un cojinete en la sección sellante. Los empujes desarrollados por los impulsores dependen de su diseño hidráulico y mecánico, además del gasto de operación de la bomba.
Figura 6.- Bombas Centrífugas Sumergibles.
Una bomba operando un gasto superior al de su diseño produce empuje ascendente excesivo y por el contrario operando a un gasto inferior produce empuje descendente. A fin de evitar dichos empujes la bomba debe de operar dentro de un rango de capacidad recomendado, el cual se indica en las curvas de comportamiento de las bombas y que generalmente es de 75 % al 95% del gasto de mayor eficiencia de la bomba.
Un impulsor operando a una velocidad dada, genera la misma cantidad de carga independientemente de la densidad relativa del fluido que se bombea, ya que la carga se expresa en términos de altura de columna hidráulica de fluido. De esta característica se desprende el siguiente concepto:
La presión desarrollada por una bomba centrífuga sumergible, depende de la velocidad periférica del impulsor y es independiente del peso del líquido bombeado. La presión desarrollada convertida a longitud de columna hidráulica que levanta la bomba, es la misma cuando la bomba maneje agua de densidad relativa 1.0, aceite de densidad relativa 0.85, salmuera de densidad relativa 1.35, o cualquier otro fluido de diferente densidad relativa. En estos casos la lectura de la presión en la descarga de la bomba es diferente, únicamente permanecen fijos el diámetro y la velocidad del impulsor.
Una interpretación diferente del concepto anterior, es que cada etapa de la bomba imprime a los fluidos un incremento de presión exactamente igual. En esta forma, si la primera etapa eleva la presión en 0.5 (Kg/cm2) y la bomba tiene 20 etapas, el incremento total de presión que se obtiene es de 10 (Kg/cm2).
Características de la bomba:
Para establecer las posibilidades de aplicación de una bomba ya construida, por lo que se refiere al gasto que puede manejar, ver tabla 1, es necesario determinar mediante pruebas prácticas, sus curvas características o de comportamiento; las cuales indican para diversos gastos, los valores de eficiencia y longitud de columna hidráulica que es capaz de desarrollar la bomba; así como, la potencia al freno en cada caso.
Las pruebas prácticas de la bomba se realizan utilizando agua dulce de densidad relativa 1.0 y viscosidad 1-0 cp haciéndola trabajar a velocidad constante y estrangulando la descarga. Durante la prueba se miden en varios puntos: el gasto, el incremento de presión a través de la bomba y la potencia al freno. El incremento de presión se convierte a carga de columna hidráulica y se calcula la eficiencia total de la bomba.
Con base en esos datos se dibujan las curvas de carga, potencia al freno y eficiencia en función del gasto manejado. La construcción de gráficas con curvas características para una bomba se realiza de la siguiente manera:
1. El gasto se mide por medio de recipientes aforados u orificios calibrados.
2. La altura total de elevación o carga hidráulica, se determina fijando la altura de succión por medio de un vacuó0metro y la altura de descarga por medio de un manómetro.
3. La potencia se determina por medio de un dinamómetro o por la potencia que alcance el motor eléctrico de acondicionamiento, tomando en consideración su rendimiento.
4. El número de revoluciones por minuto se obtiene por medio de un tacómetro o por medio de un contador de revoluciones.
5. La eficiencia se obtiene al despejarla de la fórmula de la potencia.
Siguiendo las consideraciones anteriores y mediante pruebas sucesivas, se van construyendo las curvas características de la bomba.
Cada curva representa el comportamiento de la bomba a una velocidad particular para alturas de elevación variables, lo que en la práctica se consigue generalmente de la siguiente manera: se cierra la válvula de descarga y se hace funcionar la bomba a su número normal de revoluciones por minuto, por ejemplo a 3500 rpm, en este caso el gasto es cero y en la bomba se establece una presión que alcanza aproximadamente unos 5300 pies, para lo cual, se requiere una potencia de 40 Hp, todo lo anterior para 100 etapas. Se abre progresivamente la válvula de descarga y empieza el flujo: la curva de capacidad de carga, baja progresivamente, las curvas de potencia y eficiencia van aumentando a medida que aumenta el gasto.
Continuando con la apertura de la válvula, se disminuye el valor de la carga y aumentan los valores del gasto, la eficiencia y la potencia. El valor máximo de eficiencia corresponde a los valores de gasto y carga para los cuales se construyó la bomba.
Sin embargo, las bombas en realidad se utilizan para bombear líquidos de diferentes densidades y viscosidades, operando a otras velocidades también constantes.
En estos casos es necesario tomar en cuenta el efecto de algunos parámetros a fin de predecir el comportamiento de la bomba bajo condiciones reales de operación:
Efecto del cambio de velocidad:
El gasto varia en proporción directa a los cambios de velocidad de la bomba. La carga producida es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia es proporcional al cubo de la velocidad. La eficiencia de la bomba permanece constante con los cambios de velocidad.
Efecto de la densidad relativa:
La carga producida por un impulsor no depende de la densidad relativa. Entonces la curva de capacidad de carga no depende de la densidad relativa, la potencia varia directamente con la densidad relativa y la eficiencia de la bomba permanece constante independientemente de la densidad del líquido.
Efectos de cambio del diámetro de impulsor:
La capacidad de carga varía directamente con el diámetro de los impulsores y la potencia varia directamente con el cubo del diámetro. La eficiencia de la bomba no cambia. Las gráficas de curvas de comportamiento para cada bomba, las publica el fabricante además de las curvas de eficiencia carga y potencia vs gasto, incluye información respecto al diámetro de tubería de revestimiento en que puede introducirse la bomba, tipo y número de serie de la misma, ciclaje de la corriente para alimentar al motor, velocidad de la flecha del motor y el número de etapas considerado en la elaboración.
En cuanto a la forma de utilizar las gráficas de curvas características, se tiene que de acuerdo al ciclaje (Hz) de la corriente disponible, se selecciona un grupo de gráficas, verificando que su número de serie o diámetro externo, sea tal que puedan introducirse en la tubería de revestimiento existente en el pozo; de este grupo se selecciona una que maneje con mayor eficiencia el gasto deseado las condiciones de profundidad de colocación de la bomba. Una vez seleccionada la gráfica, a partir de dicho gasto, se traza una línea vertical, hasta intersectar con las curvas de potencia, eficiencia y capacidad de carga, de tal forma que se hagan las lecturas en las escalas correspondientes.
Fenómeno de Cavitación:
Si la presión absoluta del líquido en cualquier parte dentro de la bomba cae debajo de la presión de saturación correspondiente a la temperatura de operación, entonces se forman pequeñas burbujas de vapor. Estas burbujas son arrastradas por el líquido fluyendo, hacia regiones de más altas presiones donde se condensan o colapsan. La condensación de las burbujas produce un tremendo incremento en la presión lo que resulta similar a un golpe de martillo o choque. Este fenómeno se conoce como Cavitación. Dependiendo de la magnitud de la cavitación, ésta puede resultar en una destrucción mecánica debida a la erosión, corrosión y a la intensa vibración. La cavitación también tiene un efecto significativo en el comportamiento de la bomba. Su capacidad y eficiencia se reducen.
Cables:
La unión eléctrica entre los equipos descritos, instalados en el subsuelo, y los equipos de control en superficie son los cables.
Existen varios tipos de cables en una instalación de bombeo electrosumergible:
ü Extensión de Cable Plano.
ü Cable de Potencia.
ü Conectores de Superficie.
La extensión de cable plano, es una cola de cable de características especiales que en uno de sus extremos posee un conector especial para acoplarlo al motor. En el otro extremo este se empalma al cable de potencia.
La diferencia entre ambos es que este posee las mismas propiedades mecánicas y eléctricas que los cables de potencia pero son de un tamaño inferior.
Cable Conductor Eléctrico (POTHEAD)
La energía eléctrica necesaria para impulsar el motor, se lleva desde la superficie por medio de un cable conductor, el cual debe elegirse de manera que satisfaga los requisitos de voltaje y amperaje para el motor en el fondo del pozo, y que reúna las propiedades de aislamiento que impone el tipo de fluidos producidos.
Existe en el mercado un rango de tamaños de cable, de configuración plana y redonda, ver Figura 7, con conductores de cobre o aluminio, de tamaños 2 al 6. El tamaño queda determinado por el amperaje y voltaje del motor así como por el espacio disponible entre las tuberías de producción y revestimiento.
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.
Considerando la longitud de un conductor para la aplicación de un voltaje dado, los voltios por pie disminuyen conforme el alambre es más largo, como consecuencia la velocidad del electrón disminuye lo que resulta en una reducción de corriente, en otras palabras, “la resistencia es directamente proporcional a la longitud del conductor”.
Figura 7.- Cable conductor eléctrico.
Cuando la sección transversal o diámetro de un alambre es mayor, tiene un efecto contrario sobre la resistencia ya que el número de electrones libres por unidad de longitud se incrementa con el área. Bajo esta condición la corriente se incrementará para una fuerza electromotriz (fem) dada ya que se mueven más electrones por unidad de tiempo, en otras palabras “La resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal del conductor”.
Cuando se usan cables en sistemas de alto voltaje, cada uno de los conductores está rodeado por un considerable espesor de material aislante y algunas veces con una cubierta de plomo.
Aunque la corriente normal fluye a lo largo del conductor, existe una pequeña corriente que pasa a través del aislamiento (fuga de corriente) de un conductor a otro. Esta fuga se considera despreciable.
El aislamiento de los cables debe resistir las temperaturas y presiones de operación en el pozo.
Sin embargo, para los cables utilizados también existen limitaciones debidas a materiales utilizados en su construcción. Los cables estándar tienen en promedio 10 años de vida a una temperatura máxima de 167º F y se reduce a la mitad por cada 15º F de exceso por arriba del máximo. El medio ambiente bajo el que opera el cable también afecta directamente su vida. Sin embargo hay cables que resisten temperaturas del orden de 350º F.
La instalación del cable se realiza fijándolo en la parte externa de la tubería de producción con flejes, colocando de 3 a 4 por cada lingada; en la sección correspondiente a los componentes del aparejo, es recomendable colocar flejes cada metro, debido a que esta sección es de mayor diámetro y puede dañarse durante las operaciones de introducción al pozo, por lo que comúnmente se instalan protecciones adicionales llamadas guarda cable. A lo largo de esta sección la configuración del cable es plana y se le llama extensión de la mufa, la cual constituye el contacto con el motor.
La unión de la extensión de la mufa y el cable conductor se denomina empate; su elaboración se realiza cuidadosamente en la localización del pozo ya que constituye una de las partes débiles de la instalación. Un empate también puede ser necesario en cualquier punto a lo largo del cable, donde se detecte una falla del mismo o donde la longitud del cable sea insuficiente para llegar a la superficie.
CONCLUSIONES
· El método de levantamiento artificial por Bombeo Electrosumergible (BES),tiene como principio fundamental impulsar el fluido del reservorio hacia la superficie, mediante la rotación centrífuga de la bomba. Este método puede utilizarse para producir fluidos de alta viscosidad, crudos con gas y pozos con alta temperatura.
· Principalmente es una bomba de varias paletas montadas axialmente en un
eje vertical unido a un motor eléctrico. El conjunto se baja en el pozo con una tubería especial que lleva un cable adosado, para transmitir la energía eléctrica al motor. Permite bombear grandes volúmenes de fluidos.
· El sistema de Bombeo Electrosumergible (BES) ha demostrado ser una
alternativa altamente eficiente para la producción de crudos livianos y medianos en el ámbito mundial, gracias a las ventajas que proporciona en comparación con cualquier otro método de levantamiento artificial.
· Este sistema posee la capacidad de manejar grandes volúmenes de crudo, desde 150 hasta 100.000 barriles por día (BPD), desde profundidades hasta de 4572 metros.
· El sistema BES permite controlar y programar la producción dentro de los límites del pozo, a través del empleo del variador de frecuencia.
· Nos provee de indicación continua de las condiciones de presión y temperatura en el pozo, gracias a las señales transmitidas por el censor de presión y temperatura ubicado en el fondo pozo.
· La presencia de fallas que afectan el cumplimiento de las funciones de los equipos que conforman el sistema BES, conlleva a la paralización de la producción de petróleo, perjudicando el cumplimiento de los compromisos adquiridos por la empresa que haya adquirido o usado el sistema.
Para finalizar se recomienda, tomando en consideración lo anteriormente expuesto, la realización de mejoras al sistema de bombeo electrosumergible (BES), para mejorar la confiabilidad, eficiencia y rentabilidad del sistema para de esta forma maximizar la vida operativa de cada uno de los equipos, garantizando de esta forma, una mayor continuidad del proceso productivo de la empresa que use este sistema de levantamiento artificial.
BIBLIOGRAFÍA
Bruzual T. “Evaluación y planificación de Métodos Artificiales de Producción de Hidrocarburos. Universidad Metropolitana. Sede Puerto La Cruz. 2005. pp. 3, 10-31.Bruzual T. “Evaluación de Formaciones”. Primera Versión. Universidad Metroipolitana. Sede Puerto La Cruz. pp. 8,1-5.
Centrilift. “Sumersible pump HandBook” 2001. pp. 1-127.
Schlumberger “Interpretación de perfiles” Volumen I. Schlumberger Limited. New York Edition, 1972. pp. 49-74
REALIZADO POR:
Vargas Edisalic
EDISALIC@YAHOO.ES
| Acosta Iranidis Barrios Marielvis |
| Castro Tomas Farias Johanna |
| Figueroa Miguel García Urimare |
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| Herrera Luís Manríquez Andrea |
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| Vargas Edisalic |
PROFESOR:
morales, jhonles ,Vargas Edisalic
