28/7/2012

Bombeo Electrosumergible - Diseño

DibujoPara optimizar la producción en los pozos, las compañías operadoras a través de los departamentos de optimización de producción, buscan las diferentes alternativas posibles. Actualmente se consideran 2 opciones:

1. Cambiar el método de levantamiento artificial existente.

2. Optimizar el método en uso.

Bajo este criterio se tienen áreas produciendo con diferentes métodos de producción acordes con las condiciones del pozo. En el siguiente post se explicará las características y diseño del bombeo electrosumergible, uno de los sistemas de levantamientos más usados en la industria petrolera.

 El bombeo electrosumergible saca el fluido de la formación a la superficie mediante la acción rotacional de una bomba centrífuga de múltiples etapas sumergidas en el pozo y accionada por energía eléctrica que es suministrada desde superficie. Este método de levantamiento es considerado efectivo y económico para producir grandes cantidades de flujo a mediana y grandes profundidades, y variadas condiciones de pozos.

El bombeo electrosumergible presenta las siguientes ventajas:

1. Capacidad de manejar altos volúmenes.

2. Facilidad de operar en superficie.

3. Trabaja bien en pozos desviados.

4. Profundidades altas.

El bombeo electrosumergible presenta las siguientes desventajas:

1. Costo inicial muy alto.

2. Con el 10% de gas libre se puede bloquear la bomba requiriendo la instalación de un separador de gas.

3. No es aplicable en completaciones múltiples.

4. Cualquier daño en la unidad se debe hacer un servicio a pozo (taladro).

5. Altas temperaturas, corrosión y manejo deficiente conllevan a la falla del cable.

6. Fluidos con arena son difíciles de manejar.

Componentes de Fondo
La Bomba

El corazón del sistema BES es la bomba centrífuga. Es del tipo multietapa y el número de éstas depende de cada aplicación específica. Cada etapa esta compuesta por un impulsor rotario y un difusor estacionario. El impulsor da al fluido energía cinética. El difusor cambia la energía cinética en energía potencial. Su función es proveer la energía adicional para levantar la producción esperada a superficie.

Etapa de la Bomba

1. La bomba centrífuga trabaja por medio de la transferencia de energía del impulsor al fluido desplazado.

2. La parte rotativa, el impulsor genera fuerzas centrífugas que aumentan la velocidad del fluido (energía potencial más la energía cinética).

3. La parte estacionaria, el difusor, dirige el fluido de la forma adecuada al siguiente impulsor. Transforma parte de la energía en energía potencial o presión.

4. El fluido entra al impulsor por medio de un orificio interno, cercano al eje y sale por el diámetro exterior del impulsor.

5. El difusor dirige el fluido hacia el siguiente impulsor.

Fundamentos Hidráulicos

Es importante conocer la presión de entrada de la bomba o PIP (pump intake pressure) que es igual a la sumergencia más la presión del revestidor. Existen dos valores a ser considerados para la entrada de la bomba:

1. PIP requerida: esta resulta de ser la presión de entrada necesaria para alimentar apropiadamente a la bomba y prevenir o impedir la interferencia de gas o cavitación.

2. PIP disponible: está es una presión en función al sistema en el cual la bomba opera. Entonces la PIP disponible es la sumergencia característica de cada instalación individual.

Cuando se maneja solamente líquido, la bomba trabaja con eficiencia elevada, el volumen de gas libre afecta su rendimiento y por ello cuando este sea el caso (>10% de volumen) se recomienda colocar un separador o ancla de gas cuando el pozo amerite. El separador de gas previene la cavitación y tiene como función retener el gas libre antes que ingrese a la bomba para pulsarlo a través del anular, evitando con esto que la bomba maneje altos porcentajes de gas. Su eficiencia en operación, para efectos del diseño se considera de 80%.

Protector

El protector sirve como eslabón vital en el ensamblaje. Cumple 3 funciones básicas:

1. Conectar el motor y la bomba

2. Lubricar el eje principal y de esta forma reducir el desgaste del mismo.

3. Compensar la expansión o contracción del motor por el efecto del calentamiento o enfriamiento.

Motor

Los motores usados en las operaciones de bombeo electrosumergible son del tipo Dipolares y Trifásicos de Inducción. Los motores están llenos de un aceite mineral altamente refinado que lubrica los cojinetes del motor. En una instalación BES, el calor generado por el motor es retirado lejos por los fluidos del pozo en movimiento hacia la superficie. En enfriamiento del motor se logra a través de:

1. Circulación interna del aceite del motor.

2. Flujo del caudal del pozo alrededor de la parte exterior del motor.

Los estudios de datos empíricos indican que los fluidos en el pozo deberían circular por el motor a una tasa mínima de 1 pie/seg, para disipar adecuadamente el calor transferido a través del motor. La eficiencia de un motor BES está en el orden de 80 y 90%.

Cable de Potencia

El cable de potencia es uno de los componentes más importantes y sensibles en sistemas de levantamiento por BES. Este cable es el encargado de llevar la potencia eléctrica desde la superficie hasta el motor de subsuelo y también puede transmitir señales de presión y temperatura de regreso a superficie.

Sistema de Monitoreo

Los sistemas de monitoreo de fondo pueden ser instalados en la parte inferior del motor.

Opciones disponibles actualmente:

- Presión de fondo

- Temperatura del Motor

- Presencia de agua

Opciones disponibles incluyen:

- Flujo de descarga

- Presión de descarga

- Vibración

La longitud total del cable debe ser por los menos 100’ mayor que la profundidad de asentamiento para así realizar conexiones seguras a cierta distancia del cabezal del pozo.

El sensor de presión y temperatura es un equipo que se coloca acoplado en la parte final del motor, construido internamente por circuitos que permiten enviar a través de cables de potencia señales a superficie y ser registrados mediante un instrumento instalado en el panel de superficie (data logger).

Componentes de Superficie
Arrancador (Switch Board)

El tablero central es un equipo que protege y controla el funcionamiento del equipo de fondo. Tiene dispositivos de protección contra bajas y altas de amperajes (fusibles, registradores de amperajes). Trabajan con una frecuencia fija de operación de 60 Hz. Se fabrican diferentes tipos de tableros en relación con la potencia del motor y el voltaje secundario requerido por este último.

Variador de Frecuencia (VSD)

Un variador cumple las mismas funciones de un arrancador, pero adicionalmente tiene la facilidad de manejar frecuencias variables. El controlador de velocidad variable usa componentes electrónicos para variar la frecuencia de entrada de 60 Hz y convertirla a una frecuencia que puede oscilar entre 30-90 Hz. Esto permite operar la bomba a diferentes velocidades y producciones manteniendo una eficiencia alta en el sistema. La manipulación de la frecuencia de entrada al motor permite modificar la velocidad del equipo de fondo y por ende el rendimiento y rango operacional del sistema de levantamiento BES. Adicionalmente permite un arranque gradual (suave) en la operación de este tipo de sistemas de levantamiento.

Caja de Venteo

Permite conectar el cable suplidor de energía del equipo de superficie con el cable de potencia al motor. Permite ventear a la atmósfera el gas que fluye a la superficie a través del cable, evitando con esto, que llegue al panel de control, lo cual ocasionaría una explosión.

Cable de Superficie

Es el encargado de suministrar la potencia eléctrica de la fuente de energía primaria al equipo de fondo.

Diseño de Bombeo Electrosumergible

1. Se calcula la IPR (curva de oferta) con la información de la última prueba válida.

2. Se calcula el nivel dinámico del fluido (NF), no sin antes obtener la gravedad específica del petróleo y mezcla.

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Donde:

γm: gravedad específica de la mezcla [adm]

γo: gravedad específica del petróleo [adm]

γw: gravedad específica del agua [adm]

°API: gravedad API [adm]

Pwf: presión de fondo fluyente [lpca]

h: espesor [pie]

NF: nivel de fluido [pie]

3. Se estima una profundidad de asentamiento de la bomba (100’ por encima del colgador) que garantice la sumergencia.

4. Utilizando las correlaciones de Standing, se calcula Rs y Bo a las condiciones imperantes en la entrada de la bomba (PIP y Tf). Conociendo la Pwf, se calcula la PIP.

imageDonde:

PIP: presión de entrada a la bomba (pump intake pressure) [lpc]

Dp: profundidad media de los perforados [pie]

Db: profundidad de la bomba [pie]

Entonces con la PIP y el resto de los datos se calcula el Rs y Bo.

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Donde:

Rs: solubilidad del petróleo [PCN/BN]

γg: gravedad específica del gas [adm]

T: temperatura [°F]

Bo: factor volumétrico del petróleo [BY/BN]

5. Se calcula el factor volumétrico del gas (Bg)

 

image Donde:

Bg: factor volumétrico del gas [BY/MPCN]

Z: factor de compresibilidad de gases [adm]

P: presión de yacimiento [lpca]

6. Determinación del volumen de gas que manejará la bomba.

6.1. Volumen total de gas (Tg)

image Donde:

Tg: volumen total de gas [PCN/D]

qo: tasa de producción de petróleo [BN/D]

RGP: relación gas-petróleo [PCN/BN]

 

6.2. Volumen de gas en solución (Sg)

image

Donde:

Sg: volumen de gas en solución [PCN/D]

6.3. Volumen de gas libre (Fg)

image

Donde:

Fg: volumen de gas libre [PCN/D]

6.4. Volumen de petróleo (Vo)

image

Donde:

Vo: volumen de petróleo [BY/D]

6.5. Volumen de agua (Vw)

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Donde:

Vw: volumen de agua [BY/D]

ql: tasa total de líquido [BN/D]

Bw: factor volumétrico del agua [BY/BN]

6.6. Volumen de gas (Vg)

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Donde:

Vg: volumen de gas [BY/D]

6.7. Volumen de gas libre (%GL)

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Donde:

%GL: porcentaje de gas libre [%]

Vt: volumen total de fluido [BY/D]

Cuando se excede el 10% de gas libre (condición operacional normal), se requerirá la utilización de un separador de gas. Una vez instalado el separador de gas, se sabe que el mismo se retirará (en teoría) el 80% de gas libre, por lo tanto se plantean nuevamente los cálculos para verificar los nuevos valores que manejará la bomba.

7. Cálculo de la carga dinámica total (TDH)

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Donde:

TDH: carga dinámica total [pie]

Hd: altura dinámica [pie]

Ft: pérdidas por fricción en la tubería [pie]

Pd: pérdidas por fricción en la línea de flujo [pie]

7.1. Altura dinámica (Hd)

image

7.2. Pérdidas por fricción en las líneas de flujo (Pd)

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7.3. Pérdidas por fricción en tubería (Ft)

image

 

Nota: el factor (F/1000’) se obtiene gráficamente o por correlación.

Se debe conocer la ql (BN/D o GPM) y el diámetro de la tubería o revestidor (pulg.)

Entonces

Se utiliza la correlación conociendo la tasa de líquido (GPM) y el diámetro de la tubería en pulgadas.

imageDonde:

C: 120 (tubería nueva) ó 94 (tubería vieja)

ql: tasa de líquido [GPM]

ID: diámetro interno de la tubería [pulg]

8. Selección de la Bomba considerando:

Tasa deseada

Profundidad de asentamiento de la bomba

Diámetro de revestidor

Viscosidad del fluido

Se utilizan las siguientes tablas y gráficos:

HC≈ 23,1 pie/etapa (capacidad de levantamiento)

POE≈ 40,2% (eficiencia de bombeo)

HML≈ 0,081 HP/etapa (carga de motor)

9. Determinación del número de etapas de la bomba.

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10. Determinación de la potencia del motor

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Donde:

HP: caballos de potencia [HP]

Entonces es posible seleccionar el motor adecuado considerando la recomendación del fabricante.

11. Selección del Cable

La tabla general de recomendaciones para diseño, proporciona el tipo de cable acorde a las condiciones dadas. No obstante, los fabricantes recomiendan verificar la caída de voltaje en el mismo no sobrepase los 30 voltios/1000 pies. Por ende:

image

 

Donde:

ΔVolt= caída de voltaje [volt]

Primero se obtiene la caída de voltaje a 68°F conocido el amperaje del motor y el número del cable a través del gráfico. Luego para calcular el factor de caída de voltaje, es importante tener la temperatura en el fondo del pozo, aunada al amperaje del motor, de tal forma que se pueda obtener la temperatura de operación del cable por medio de la gráfica.

Finalmente se calcula la caída del voltaje  a la temperatura de operación y considerando 200’ de cable en superficie. Pero antes se debe verificar que cumpla las condiciones teóricas

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Donde:

(ΔVolt/1000’): caída de voltaje cada 1000’ [volt/1000’]

12. Calculo de los KVA necesarios para la selección del transformador

image

Donde:

KVA: kilovatios (kVA)

Amp: amperios (A)

Vs: Voltaje en el motor + ΔVolt [volt]

Para efectos de diseño, la capacidad de carga de los transformadores se calcula con capacidad de carga de potencia aparente (KVA), debido a la amplia flexibilidad de los transformadores y los diferentes voltajes y condiciones en que funciona, además de la inexactitud del factor de potencia que se aplica (potencial real en kilovatio). Las cartas de amperaje es la técnica más utilizada para evaluar este tipo de instalaciones, con las cartas o discos del amperímetro se reflejan todos los cambios ocurridos durante la operación de bombeo, la interpretación apropiada de estas cartas puede generar la solución del problema presente en la instalación, como por ejemplo el bombeo normal, entrampamiento del gas, ciclaje excesivo y sobrecarga de amperaje. Bajo condiciones normales de operación, el registro de amperaje deberá delinear suavemente una carta circular o simétrica con un valor de amperaje cercano al amperaje del motor, lo cual demuestra la condición ideal de operación que deberá tener un equipo de bombeo electrosumergible.

Para descargar las tablas y gráficas para el diseño pueden hacer clic aquí

5 comentarios:

  1. Todo es muy interesante quisiera aprender más de todo esto dónde podría hacerlo.

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    1. Gracias por el comentario. Existen varios libros, entre ellos los de Michael Economides, si mal recuerdo el título es "Petroleum Production Systems", por supuesto los papers de SPE, que relatan las experiencias de este sistema de levantamiento (www.onepetro.org). Saludos

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  2. en el factor volumetrico del gas, la constante es de 0.00504 si mal no recuerdo.

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    1. Si amigo, gracias por la acotación. El valor correcto de la constante es 0,00504!

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  3. Excelente Articulo.
    Comparto este portal donde hay mucha información sobre Piping Oil&Gas http://proyectopiping.blogspot.com.ar

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