Bombeo electrosumergible

Introducción al Bombeo
Electrosumergible
Objetivo
Este curso intenta llevar a los
participantes una introducción al
bombeo electrosumergible, sus
componentes, su operación y la forma
de diagnosticar su funcionamiento.
A quienes esta dirigido
Las clases están dirigidas
principalmente a Ingenieros de
producción, y enfocadas a describir
las situaciones que estos pueden
encontrar en el campo durante sus
actividades cotidianas.
Que Veremos?
Comenzaremos
conociendo los diferentes
componentes de un sistema de bombeo
electrosumergible, desde el subsuelo a la
superficie.
Seleccionaremos una bomba para una
aplicación especifica, y aprenderemos a
interpretar la curva de funcionamiento de
esta.
Finalmente aprenderemos a diagnosticar
fallas, mal funcionamiento y problemas en el
subsuelo, a partir de las herramientas que
poseemos en superficie.
El Sistema
Un sistema de bombeo
electrosumergible se basa en la
extracción de petróleo mediante el uso
de bombas centrifugas, similares a las
utilizadas para la producción de agua.
200 KVA
Caja de
Venteo
Tubing
Cuellos
Panel
o VSD
Transformador
Nivel de fluido dinámico
Cable de Potencia
Descarga
Bomba
Succión (Intake) o Separador de Gas
Sección Sellante (Protector)
Motor
Sensor de Fondo (Opcional)
El Sistema
200 KVA
Un sistema de bombeo
electrosumergible se puede
dividir en tres grupos
principales:
Equipos de Subsuelo
Cable
Equipos de Superficie
Equipos
de Subsuelo
Equipos de 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
miscelaneos.
Bomba
El corazón del sistema de
bombeo
electrosumergible es la
BOMBA Centrifuga. Estas
bombas son del tipo
Multi- Etapas y el numero
de estas depende de
cada aplicación
especifica.
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)
Bomba
Bomba
Dirección de
Rotación
Faldon
Cubo
Alabe
Eje
Pasaje de Fluido
Bomba
Las etapas a su vez pueden
clasificarse, dependiendo de la
geometría del pasaje de fluido, en dos
tipos:
FLUJO MIXTO
FLUJO RADIAL
Bomba
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.
Bomba
La nomenclatura utilizada para
identificar a una bomba será por su
SERIE (diámetro) mas el caudal que la
bomba pueda manejar en su punto de
mayor eficiencia.
Bomba
Por Ejemplo:
Una bomba TH-13000, es una bomba
de la serie “H” (5.62” OD), diseñada
para producir 13.000 BFPD en su
punto de mayor eficiencia
Mientras que:
Una bomba TG-2000, es una bomba de
la serie “G” (5.00” OD), diseñada para
producir 2000 BFPD en su punto de
mayor eficiencia
Motor
El siguiente componente mas
importante del sistema de
bombeo electrosumergible es
el MOTOR.
Este es un motor trifasico, de
inducción tipo JAULA DE
ARDILLA, de dos polos,
similar a los utilizados en
aplicaciones de superficie.
Motor
Las tres fases son conectadas al
bobinado del motor, el que termina en
una estrella en el interior de este, la
cual trata de estabilizar un punto
neutro.
ØA
Fase A
Fase B
Fase C
0o 120o 240o 360o
ØC
120o
120o
120o
ØB
Motor
El voltaje aplicado al motor induce un
campo magnético en el bobinado del
estator.
El movimiento de este campo
magnético induce otro campo
magnético sobre los rotores alojados
en el motor.
Motor
El campo magnético de los rotores
girara a estos, intentando alcanzar al
del estator.
Como tenemos un eje conectado a los
rotores, es posible obtener un trabajo
útil en el extremo de éste.
Motor
El campo magnético del estator gira a
3600 rpm, cuando la frecuencia del
sistema es de 60 Hz.
Los rotores intentan alcanzarlo, pero
nunca lo logran.
La diferencia entre la velocidad del
campo magnético del estator y de los
rotores se denomina deslizamiento.
Motor
Motor
Slots
Conductores
Detalle de Laminaciones de un Estator
Motor
Los motores pueden ser utilizados en
sistemas de potencia de 60 Hz o de 50
Hz.
La diferencia entre ellos será que el
motor funcionando a 50 Hz producirá
5/6 veces la potencia que desarrollaría
a 60 Hz para la corriente nominal de el,
pero a su vez el requerirá 5/6 veces el
voltaje requerido para funcionar a 60
Hz.
Motor
60 Hz
120 HP
855 Volts
50 Hz
x
x
88 Amperios
50
60
=
100 HP
50
60
=
712 Volts
=
88 Amperios
Motor
Al igual que las bombas, los motores
están clasificados según su SERIE.
La serie esta directamente relacionada
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
Motor
Los motores se seleccionan de
acuerdo a la potencia demandada por
el sistema y el diámetro interior
disponible en el revestidor.
Si por alguna razón, el sistema
demanda una potencia mayor a la del
motor mas grande para una serie
determinada, estos pueden montarse
en tandems de dos o tres motores,
duplicando o triplicando la potencia
Motor
Al realizar combinaciones de mas de
un motor, es importante mantener el
mismo amperaje de placa en todas las
piezas.
También es recomendable mantener
misma potencia y mismo voltaje
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.
Secciones Sellantes
La tabla a continuación muestra la
máxima capacidad de los motores ESP
utilizados
S e rie
D ia m e tro
TR 3
3.75 in
4.56 in
5.40 in
TR 4
TR 5
TR 7
S in g le
Tandem M ax. H P
R angoH P R angoH P Tandem
7.5/25.5 15/76.5
10/120 20/360
20/225 40/675
76.5
360
675
M a x N ro
S e c c io n
3
3
3
Secciones Sellantes
Otra pieza muy importante de
los equipos de subsuelo son
las secciones sellantes.
Estos equipos también se
reconocen con el nombre de
Protectores o ecualizadores,
según los distintos fabricantes.
Esto se debe a que los sellos
cumplen con mas de una
función.
Secciones Sellantes
Las principales funciones de los sellos
son:
 Evitar el ingreso de fluidos del pozo al
interior del Motor (Sellar)
 Absorber los empujes descendentes y
ascendentes de la bomba (Proteger)
 Equilibrar la presión interna del motor
con la presión del pozo (Ecualizar)
 Además, sirve de vinculo mecánico
entre el motor y la bomba
Secciones Sellantes
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,
haciendolo personalizado a cada
aplicación.
Secciones Sellantes
Las cámaras de un sello
pueden ser de dos tipos:
LABERINTO
SELLO POSITIVO (BOLSA DE
GOMA)
Secciones Sellantes
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.
Secciones Sellantes
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
Secciones Sellantes
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
Secciones Sellantes
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.
Secciones Sellantes
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
Secciones Sellantes
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
Secciones Sellantes
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, en el caso
de ESP, es la misma que para los
motores.
TR3; TR4; TR5 y TR7
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,
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
Succion
Existen dos tipos de separadores de
gas :
De flujo Inverso
Rotativos
Succion
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 gas
rotativos, utilizan la fuerza
centrifuga para separar el
gas del liquido.
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
Estándar
Capacidad de Separación
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
TR 3
Potencia Consumida
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 en superficie son los
cables.
Existen varios tipos de cables en una
instalación de bombeo electrosumergible:
Extensión de Cable Plano
Cable de Potencia
Conectores de Superficie
Cables
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.
Cables
El conector al motor, también conocido
como POTHEAD, es uno de los puntos mas
críticos de la instalación.
Debido a las limitaciones de espacio, este
es el punto mas caliente del sistema,
especialmente en motores de alto 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
Conductor
Armadura
Plomo
Aislacion
Conductor
Armadura
Nitrilo
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.
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 que circula por el cable se perdera
como calor.
En un cable redondo todos los conductores
tienen la misma superficie para disipar calor, y
por lo tanto la misma temperatura.
En el cable plano los conductores de los lados
disipan la misma cantidad de calor, mientras que
el conductor central tiene dos calentadores a sus
lados que le impiden disipar la misma cantidad
de calor que sus compañeros.
Cables
Otra 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
travez del cabezal de boca de pozo.
Cables
Tipos de Cable (Potencia)
Denominacion
Tipo Aislacion
PPE / HDPE
135
Specialine 205
(PPE / O) RD
Polipropileno /
Etileno
Polipropileno /
Etileno
Specialine 205 Polipropileno /
(PPE / OTB)FL Etileno
Specialine 300
EPDM
(ETBO)
Specialine 400
EPDM
(ETBO - HT)
Specialead 450
EPDM
(ELB)
Camisa
Barrera
Temp. Max. temp.
Red Plano
Subsuelo Conductor
Polipropileno NO
135 o F
165 o F
SI
NO
Nitrilo
NO
170 o F
205 o F
SI
NO
Nitrilo
Tedlar /
Nylon
170 o F
205 o F
NO
SI
Nitrilo
Tape
268 o F
300 o F
SI
SI
Nitrilo de Alta
Tape
Temperatura
360 o F
400 o F
SI
SI
Plomo
400 o F
450 o F
NO
SI
Nylon
Cables
E x te n s io n d e C a b le P la n o
D e n o m in a c io n
T ip o
A rm a d u ra
K a p to n /E P D M ,
KELB
C a m is a d e
p lo m o
y
N y lo n
K a p to n /E P D M ,
K E O TB
C a m is a
de
T e d la r/N y lo n
N itrilo
y
C a p a c id a d e s
C o n d u c to r
M a x Amp
G a lv a n iza d a /
# 1
1 1 0 Amps
M o ne l
# 2
9 5 Amps
# 4
7 0 Amps
# 6
5 5 Amps
G a lv a n iza d a /
M o ne l
Cables
60
# 6
# 4
Caida de Voltaje por Cada 1.000 Pies
50
40
# 2
30
# 1
20
10
0
0
20
40
60
80
C o rrie n te e n A m p e rio s
100
120
140
Cabezales
Los cabezales de superficie pueden
ser de varios tipos diferentes, de los
cuales, los mas comúnmente
utilizados son:
Tipo HERCULES, para baja presión
Tipo Roscado, para alta presión
Cabezales
Los cabezales tipo Hercules, 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.
Cabezales
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.
Cabezales
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.
Cabezales
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.