Para 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
Fuente
Bombeo Electrosumergible como método de levantamiento artificial de petróleo
El sistema de bombeo electrosumergible (B.E.S) es un sistema de levantamiento artificial que emplea la energía eléctrica convertida en energía mecánica para levantar una columna de fluido desde un nivel determinado hasta la superficie, descargándolo a una determinada presión. Como en todos los casos cuando se desea diseñar un sistema de levantamiento artificial, es recomendable recordar :
“No siempre lo más barato es lo mas conveniente”
“No siempre la más costosa es la mejor solución”
Entre las características del sistema están su capacidad de producir volúmenes considerables de fluido desde diferentes profundidades, bajo una amplia variedad de condiciones del pozo y particularmente se distingue por que, el motor está directamente acoplada con la bomba en el fondo del pozo. El ensamble de bombeo eléctrico trabaja sobre un amplio rango de profundidades y volúmenes, su aplicación es particularmente exitosa cuando las condiciones son propicias para producir altos volúmenes de líquidos con bajas relaciones gas-aceite.
Descripción del bombeo electrosumergible
Una unidad típica de bombeo electrosumergible está constituida en el fondo del pozo por los siguientes componentes: motor eléctrico, protector, sección de entrada, bomba electrosumergible y cable conductor. Las partes superficiales son: cabezal, cable superficial. Tablero de control, transformador.
- Motor
- Bomba (Etapas, constituida por impulsor y difusor cada una)
- Cable
- Suncho de Sujeción del Cable
- Separador de Gas
- Sección Sellante
- Sensor de Presión de Fondo
- Transformador (superficie)
- Variador de Control
Motor izquierda) y Bomba (derecha)
Características principales de un sistema de Bombeo
Electrosumergible
Es necesario tener presente las condiciones que tienden a limitar el empleo de este sistema:
Es necesario tener presente las condiciones que tienden a limitar el empleo de este sistema:
- No es recomendable emplear este sistema en pozos de alta relación GLR.
- No es recomendable emplear este sistema en pozos de bajo P. I. y Baja Presión.
- Es fundamental para el diseño, conocer la presión de burbuja del reservorio que el pozo va drenar, así como la presión actual del reservorio.
- La importancia de esto último radica en que no es lo mismo bombear una sola fase (líquido) que dos fases (gas + líquido), debido a que la ecuación del Indice de Productividad cambia según sea el caso, de allí el porque se hace necesario conocer la presión del reservorio y su valor respecto a su presión de burbuja.
- La condiciones mecánicas del pozo pueden ser otro factor limitante por lo que es necesario conocer las características de la completación (diámetro del casing y los intervalos abiertos a producción).
- Otro factor a tener en cuenta sin duda es el corte de agua, como la mayoría de los sistemas de levantamiento artificial, éste se ha diseñado para fluidos incompresibles, y como sabemos el petróleo sí es compresible, más aun cuando está acompañado de gas.
- Es necesario también considerar el tipo de fluido del reservorio y sus características (la alta viscosidad del fluido es un factor limitante, y en algunos casos, en reservorios no consolidados, los fluidos producidos son acompañados por granos de arena y en otros, se forman incrustaciones al ingresar a la instalación, dañando sus partes).
Pasos a seguir para diseñar una instalación de Bombeo Electrosumergible:
Recopilación de la información del pozo:
- Diámetro, grado y peso de los forros.
- Intervalos perforados.
- Profundidad estimada de la Bomba.
- Presiones: estática y fluyente al punto medio de perforaciones.
- Presión de Burbuja
- Régimen estimado
- % de agua
- G.L.R.
- Nivel Estático
- Nivel Dinámico
Gravedad Específica del Petróleo
Gravedad Específica del Agua
Viscosidad del Petróleo
Consideraciones Adicionales a tener en cuenta:
- Producción de Finos
- Corrosión
- Incrustaciones
- Emulsiones
- Presencia de Sales
- Presencia de H2S
- Alta Temperatura
Principales ecuaciones que facilitan el diseño de un sistema de levantamiento artificial por Bombeo Electrosumergible (BES)
Ecuación del Indice de Productividad (cuando la presión es mayor que la presión de burbuja, flujo de una sola fase):
Ecuación del Indice de Productividad (cuando la presión es menor que la presión de burbuja, flujo bifásico o ecuación de Vogel):
Qmax: Máximo flujo a la Presión cero
Pwf: Presión Fluyente de Fondo (referida al punto medio vertical de las perforaciones)
Pr: Presión del reservorio a un flujo dado
q: Régimen de flujo a la presión Pwf
El nivel (altura) dinámico de bombeo del fluido se calcula considerando las presiones ejercidas por la ubicación de la bomba (generalmente 100´ sobre el tope de las perforaciones), la sumergencia y finalmente la presión del reservorio a esa profundidad.La altura total resulta de la suma algebraica de las alturas (presiones) representadas por la pérdida de presión por fricción en la tubería de producción y la presión de descarga, así como la altura dinámica, de acuerdo a la siguiente ecuación:
Donde:
Ht:Altura total
Hd: Altura de descarga
Hs: Altura de Succión
Ht:Altura total
Hd: Altura de descarga
Hs: Altura de Succión
Altura de Descarga. Es la suma algebraica de la altura estática de descarga y la altura debido a pérdidas por fricción en el sistema:
Hed: Altura estática en la descarga (diferencia de presión entre el nivel de sumergencia y la descarga, pies)
Hfd: Altura equivalente debido a pérdidas por la fricción
Ps: Presión de descarga en el separador (pies)
Altura de Succión. Es la suma algebraica de la altura estática más las pérdidas por fricción en la succión de la bomba:
Hes: Profundidad vertical de la Bomba (pies)
Hf: Altura equivalente a la pérdida por fricción ( 0 pies)
Prs: Presión del reservorio a la profundidad de succión (pies)
Para aplicar las ecuaciones es necesario primero determinar el valor
de q óptimo a partir de la ecuación de Vogel, graficando en la curva los
valores de régimen (q) vs, altura dinámica.Una vez hallado este valor y
su altura correspondiente se va a la gráfica del rendimiento de la
bomba seleccionada y se halla la altura y la potencia correspondientes
por etapa, dividiendo el valor de Ht entre el valor de la altura
hallado, se obtiene el número de etapas, luego multiplican este último
valor por la potencia (hp) se halla la potencia total al freno del
motor.
Determinación del Nivel Dinámico:
Determinación del Nivel Dinámico:
- Se calcula la distancia entre el punto medio y el tope de las perforaciones (verticales)
- Se hace la suma algebraica del nivel de sumergencia de la bomba (1000´) la presión al punto medio de las perforaciones y la distancia de la bomba al mismo punto (todo en pies)
- Se reemplaza el valor hallado anteriormente y los demás valores en la ecuación y se halla la carga total al régimen de flujo seleccionado.
Curvas características
Las curvas características empleada en el sistema de bombeo
electrosumergible son las que se muestran en el gráfico a continuación:
Curva de Vogel: Relación Pwf/Pr vs q/qmax
Curva de Vogel: Relación Pwf/Pr vs q/qmax
Gráfica del tipo de bomba que reúna entre otras características la capacidad de bombeo adecuada, el diámetro de casing adecuado así como el consumo de potencia.
Tomado de
La Comunidad Petrolera
