Cuando las operaciones se realizan en el ambiente submarino, con largos risers y lineas de tubería, uno de los desafíos es mantener la suficiente tasa de producción y la correcta cantidad de presión para hacer fluir los fluidos desde los cabezales de pozo hasta las facilidades o instalaciones de superficie. Debido a esta razón, las bombas multifasicas son ampliamente utilizadas en las operaciones submarinas con el fin de superar estas situaciones.
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Basic Knowledge of Multiphase Pumping For Subsea Operation
Las
bombas multifásicas añaden energía hidráulica a los flujos de
producción, por lo que el fluido producido puede transportarse
eficientemente en las tuberías submarinas. Los beneficios de las bombas multifásicas son los siguientes:
Principales cuestiones de las bombas multifásicasA continuación se enumeran algunos problemas que normalmente se observan al utilizar bombas multifásicas:
Desafíos de la bomba multifásico de SubseaTípicamente, una bomba está diseñada para operar en o cerca de su punto óptimo para que una bomba pueda suministrar fluido de la manera más eficiente. Sin embargo, en la producción de petróleo y gas, es muy difícil especificar una condición óptima para la bomba debido a que la producción de fluido cambiará durante un periodo de tiempo debido a la naturaleza de los depósitos.
Las bombas multifásicas utilizadas en la industria del petróleo y el gas deben ofrecer una amplia envolvente operacional debido a la incertidumbre del fluido del depósito producido. Típicamente, el aceite fluirá a una velocidad alta al comienzo del pozo. Cuando el pozo ha estado produciendo durante un período de tiempo más largo, la producción de agua y gas aumentará y, a veces, la producción de arena puede verse. Con el fin de implementar la envoltura operativa requerida, se requiere un accionamiento de velocidad variable. En algunas situaciones, el cambio del nuevo fango en fases múltiples puede planificarse después de un cierto período porque puede ser más económico que tener una bomba multifásica muy grande al principio.
Fluctuaciones del flujo y ViscosidadesLas fluctuaciones del flujo pueden ocurrir en cualquier momento mientras se produce el pozo. Las fluctuaciones de mediano y corto plazo también pueden observarse en operaciones transitorias, por ejemplo, pruebas de pozo, puesta en marcha o parada del pozo, conducción de tuberías, etc., por lo que se producirá inestabilidad hidráulica en las tuberías.
Además, los pozos que producen fluido multifásico pueden conducir a un flujo de babosas, lo que puede causar un problema con una bomba multifásica. El método más eficaz para manejar la babosa es usar un proceso de reciclaje de líquidos. El concepto es reciclar el líquido en un mezclador situado antes de una bomba multifásica para que la relación de gas líquido no fluctúe mucho.
Dos tipos de bombas multifásicas utilizadas en la industria del petróleo y el gas son bombas de doble husillo y bombas de eje de helicón.
Bombas de doble tornillo (bomba de desplazamiento positivo)Una bomba de dos tornillos es una bomba de desplazamiento positivo de doble final con engranajes y cojinetes externos y está compuesta por dos tornillos helicoidales paralelos que se acoplan entre sí. Los canales helicoidales formados por cada tornillo son obstruidos periódicamente por el otro tornillo mientras están girando. Las cámaras se mueven continuamente a lo largo de los ejes cuando los tornillos giran y el fluido es transferido desde el lado de succión hasta el lado de descarga. La figura 1 muestra el corte de la bomba.
Figura 1 - Configuración general de una bomba de doble tornillo
El caudal volumétrico teórico de la bomba de doble husillo se controla mediante la velocidad de rotación, el tamaño y el paso de los tornillos y el volumen de la cámara. Un eje está acoplado directamente al accionamiento principal y el segundo eje es accionado a través de un engranaje helicoidal que transfiere el par y sincroniza la rotación. La velocidad de rotación típica de los tornillos está entre 1.500 y 2.400 rpm.
Una carcasa de la bomba de tornillo tiene una capacidad de entrada que puede suavizar las pequeñas babosas de gas que entran en una bomba. Sin embargo, si las barras de gas de alto volumen con una fracción de volumen de gas promedio superior al 95% entran en una bomba, una bomba no puede funcionar eficientemente, Por lo tanto, debe agregarse un sistema externo de reciclado de líquidos. Si un pozo produce arena, la envoltura de entrada también puede convertirse en una desventaja porque puede convertirse en una trampa de arena y alimentar tornillos con un fluido que tiene un alto contenido de arena. Seleccionar un perfil de tornillo adecuado y un revestimiento duro especial para una bomba aumentará la resistencia al desgaste en el presente de la producción de arena.
Dependiendo del tamaño de las bombas, las bombas de doble tornillo pueden cubrir los caudales volumétricos totales (aceite, agua y gas) en condiciones de succión de 10.000 bbl / día hasta 300.000 bbl / día. Además, las bombas pueden aceptar presiones diferenciales de hasta 1000 psi (70 bar).
Las ventajas principales de las bombas de doble tornillo se enumeran a continuación;
Baja sensibilidad a las variaciones en las ventajas de las condiciones de flujo de las bombas de doble tornillo
Limitaciones de las bombas de doble tornillo
- Aumentar la tasa de producción en una tubería de exportación existente
- Añada energía adicional para transportar fluidos multifásicos y sólidos que pueden no ser posibles para fluir eficientemente en las tuberías.
- Reducir la presión de flujo de cabeza de pozo para aumentar el petróleo y el gas de recuperación.
- Ayudar a producir hidrocarburos de campos marginales sin instalar nuevas instalaciones de producción.
- Reduzca el costo de la modificación de la instalación superficial instalando las bombas multifase en el fondo marino.
Principales cuestiones de las bombas multifásicasA continuación se enumeran algunos problemas que normalmente se observan al utilizar bombas multifásicas:
- Cambio de las condiciones de flujo, fluido y contenido sólido del pozo durante la vida del pozo.
- Bombee el fluido con gas. La compresibilidad del gas y el comportamiento termodinámico deben tenerse en cuenta al diseñar bombas multifásicas porque esta propiedad puede ser cambiada drásticamente debido al estado de funcionamiento de la tubería.
- Funciona con diversas composiciones fluidas. A lo largo de la vida de producción, existen posibilidades para la presencia de producción de arena, formación de escamas y cera, así como componentes corrosivos y tóxicos (H2S y CO2). Estos problemas pueden afectar gravemente la eficiencia de las bombas multifase.
Desafíos de la bomba multifásico de SubseaTípicamente, una bomba está diseñada para operar en o cerca de su punto óptimo para que una bomba pueda suministrar fluido de la manera más eficiente. Sin embargo, en la producción de petróleo y gas, es muy difícil especificar una condición óptima para la bomba debido a que la producción de fluido cambiará durante un periodo de tiempo debido a la naturaleza de los depósitos.
Las bombas multifásicas utilizadas en la industria del petróleo y el gas deben ofrecer una amplia envolvente operacional debido a la incertidumbre del fluido del depósito producido. Típicamente, el aceite fluirá a una velocidad alta al comienzo del pozo. Cuando el pozo ha estado produciendo durante un período de tiempo más largo, la producción de agua y gas aumentará y, a veces, la producción de arena puede verse. Con el fin de implementar la envoltura operativa requerida, se requiere un accionamiento de velocidad variable. En algunas situaciones, el cambio del nuevo fango en fases múltiples puede planificarse después de un cierto período porque puede ser más económico que tener una bomba multifásica muy grande al principio.
Fluctuaciones del flujo y ViscosidadesLas fluctuaciones del flujo pueden ocurrir en cualquier momento mientras se produce el pozo. Las fluctuaciones de mediano y corto plazo también pueden observarse en operaciones transitorias, por ejemplo, pruebas de pozo, puesta en marcha o parada del pozo, conducción de tuberías, etc., por lo que se producirá inestabilidad hidráulica en las tuberías.
Además, los pozos que producen fluido multifásico pueden conducir a un flujo de babosas, lo que puede causar un problema con una bomba multifásica. El método más eficaz para manejar la babosa es usar un proceso de reciclaje de líquidos. El concepto es reciclar el líquido en un mezclador situado antes de una bomba multifásica para que la relación de gas líquido no fluctúe mucho.
Dos tipos de bombas multifásicas utilizadas en la industria del petróleo y el gas son bombas de doble husillo y bombas de eje de helicón.
Bombas de doble tornillo (bomba de desplazamiento positivo)Una bomba de dos tornillos es una bomba de desplazamiento positivo de doble final con engranajes y cojinetes externos y está compuesta por dos tornillos helicoidales paralelos que se acoplan entre sí. Los canales helicoidales formados por cada tornillo son obstruidos periódicamente por el otro tornillo mientras están girando. Las cámaras se mueven continuamente a lo largo de los ejes cuando los tornillos giran y el fluido es transferido desde el lado de succión hasta el lado de descarga. La figura 1 muestra el corte de la bomba.
Figura 1 - Configuración general de una bomba de doble tornillo
El caudal volumétrico teórico de la bomba de doble husillo se controla mediante la velocidad de rotación, el tamaño y el paso de los tornillos y el volumen de la cámara. Un eje está acoplado directamente al accionamiento principal y el segundo eje es accionado a través de un engranaje helicoidal que transfiere el par y sincroniza la rotación. La velocidad de rotación típica de los tornillos está entre 1.500 y 2.400 rpm.
Una carcasa de la bomba de tornillo tiene una capacidad de entrada que puede suavizar las pequeñas babosas de gas que entran en una bomba. Sin embargo, si las barras de gas de alto volumen con una fracción de volumen de gas promedio superior al 95% entran en una bomba, una bomba no puede funcionar eficientemente, Por lo tanto, debe agregarse un sistema externo de reciclado de líquidos. Si un pozo produce arena, la envoltura de entrada también puede convertirse en una desventaja porque puede convertirse en una trampa de arena y alimentar tornillos con un fluido que tiene un alto contenido de arena. Seleccionar un perfil de tornillo adecuado y un revestimiento duro especial para una bomba aumentará la resistencia al desgaste en el presente de la producción de arena.
Dependiendo del tamaño de las bombas, las bombas de doble tornillo pueden cubrir los caudales volumétricos totales (aceite, agua y gas) en condiciones de succión de 10.000 bbl / día hasta 300.000 bbl / día. Además, las bombas pueden aceptar presiones diferenciales de hasta 1000 psi (70 bar).
Las ventajas principales de las bombas de doble tornillo se enumeran a continuación;
Baja sensibilidad a las variaciones en las ventajas de las condiciones de flujo de las bombas de doble tornillo
- Adecuado para líquidos de alta viscosidad y baja presión de succión
- Velocidad de rotación relativamente baja
- Bajo nivel de ruido
- Autocebado
- Capacidad de la bomba proporcional a la velocidad
Limitaciones de las bombas de doble tornillo
Las limitaciones de las bombas de doble tornillo son las siguientes:
Bombas Helico-axiales (Bomba Centrífuga de Desplazamiento)
Las bombas helico-axiales Rotodynamic son bombas centrífugas multifásicas usadas en el bombeo submarino. Las bombas centrífugas utilizan un concepto diferente de transferencia de fluido de bombas de desplazamiento positivo. Las bombas centrífugas transmiten continuamente energía desde el motor primario al fluido, sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo imponen desplazamiento sobre un volumen finito de fluido. Durante este proceso, el trabajo mecánico se transfiere en primer lugar al fluido en una parte giratoria de la máquina y luego se convierte en presión en una parte estática.
Las bombas centrífugas típicas no funcionan muy bien con el fluido multifásico, especialmente con el gas presente en el fluido, ya que el rendimiento de la bomba disminuirá drásticamente con un bajo porcentaje de gas (5-8%). Un concepto especial de la bomba, llamado "helicon-axial" se diseña para superar el presente del gas en la corriente fluida.
Una bomba multifunción helicónica-axial es una bomba rotodinámica de varias etapas y cada etapa de la bomba consiste en un impulsor, un difusor estático y una parte giratoria montada en un eje. La figura 2 muestra un dibujo de una bomba helico axial.
Figura 2 - Bomba helico axial
Una característica importante de esta bomba es que tiene canales hidráulicos abiertos libres que alojan partículas sólidas en el flujo. Cuando se acciona una bomba helico-axial, debe asegurarse de que no se acumule arena en los espacios de la bomba entre la carcasa y las partes internas.
- Mayor número de sellos con limitación de eje limitada
- Talla grande
- Más adecuado para la operación terrestre que para la operación offshore
- Desviación del eje bajo carga hidráulica
Bombas Helico-axiales (Bomba Centrífuga de Desplazamiento)
Las bombas helico-axiales Rotodynamic son bombas centrífugas multifásicas usadas en el bombeo submarino. Las bombas centrífugas utilizan un concepto diferente de transferencia de fluido de bombas de desplazamiento positivo. Las bombas centrífugas transmiten continuamente energía desde el motor primario al fluido, sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo imponen desplazamiento sobre un volumen finito de fluido. Durante este proceso, el trabajo mecánico se transfiere en primer lugar al fluido en una parte giratoria de la máquina y luego se convierte en presión en una parte estática.
Las bombas centrífugas típicas no funcionan muy bien con el fluido multifásico, especialmente con el gas presente en el fluido, ya que el rendimiento de la bomba disminuirá drásticamente con un bajo porcentaje de gas (5-8%). Un concepto especial de la bomba, llamado "helicon-axial" se diseña para superar el presente del gas en la corriente fluida.
Una bomba multifunción helicónica-axial es una bomba rotodinámica de varias etapas y cada etapa de la bomba consiste en un impulsor, un difusor estático y una parte giratoria montada en un eje. La figura 2 muestra un dibujo de una bomba helico axial.
Figura 2 - Bomba helico axial
Una característica importante de esta bomba es que tiene canales hidráulicos abiertos libres que alojan partículas sólidas en el flujo. Cuando se acciona una bomba helico-axial, debe asegurarse de que no se acumule arena en los espacios de la bomba entre la carcasa y las partes internas.
Este video muestra cómo funciona un doble tornillo.
