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.

Nivel de fluido dinámico 200 KVA Tubing Cuellos Nivel de fluido dinámico Descarga Bomba Succión (Intake) o Separador de Gas Sección Sellante (Protector) Motor Sensor de Fondo (Opcional) Cable de Potencia Caja de Venteo Panel o VSD Transformador

El Sistema 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 Alabe Cubo Eje Pasaje de Fluido

Bomba Las etapas a su vez pueden clasificarse, dependiendo de la geometría del pasaje de fluido, en dos tipos: F L U J O M I X T O F L U J O R A D I A L

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 ØC 120o Fase A Fase B Fase C 120o 120o 0o 120o 240o 360o 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 88 Amperios = 88 Amperios 60 Hz 50 Hz 120 HP x 50 60 = 100 HP 855 Volts x 50 60 = 712 Volts 88 Amperios = 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 3.75 in 4.56 in 5.40 in 7.5/25.5 10/120 20/225 15/76.5 20/360 40/675 76.5 360 675 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 Capacidad de Separación Estándar 0% Flujo Inverso 25% a 50% Rotativo 70% a 85%

Succión Si bien los separadores de flujo inverso y las succiones estandar no presentan un consumo de potencia significativo, los separadores rotativos sí tendran incidencia en la potencia consumida por el sistema: Tipo de Succión Potencia Consumida TR 3 1.75 HP TR 4 1.25 HP TR 5 7.00 HP

Cables

Cables La unión eléctrica entre los equipos descritos, instalados en el subsuelo, y los equipos de control 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 Los cables de potencia pueden ser redondos o planos. Armadura Conductor Plomo Aislacion 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. Conductor Armadura Nitrilo

Cables Siempre que el espacio anular nos lo permita, preferimos utilizar cable redondo por que: Es estructuralmente mas fuerte que el cable plano, por lo que es menos susceptible a daños durante la instalación. Es totalmente simétrico por lo que el sistema permanecerá eléctricamente balanceado.

Cables Una de las razones es que una parte de la corriente 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.

Tipos de Cable (Potencia) Cables Tipos de Cable (Potencia) Denominacion Tipo Aislacion Temp. Subsuelo Max. temp. Conductor Camisa Barrera Red Plano PPE / HDPE 135 Specialine 205 (PPE / O) RD (PPE / OTB)FL Specialine 300 (ETBO) Specialine 400 (ETBO - HT) Specialead 450 (ELB) Polipropileno / Etileno EPDM Polipropileno Nitrilo Nitrilo de Alta Temperatura Plomo NO Tedlar / Nylon Nylon Tape 135 o F 165 o F 205 o F 170 o F 360 o F 268 o F 300 o F 400 o F 450 o F SI

Cables

Cables Caida de Voltaje por Cada 1.000 Pies

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.