13/03/13 Levantamiento Artificial BES
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BOMBAS ELECTROSUMERGIBLESBOMBAS ELECTROSUMERGIBLES
BESBES
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CONTENIDO
Revisión
Ventajas y Limitaciones
Componentes del Sistema de BES
Componentes de Superficie
Componentes de Fondo
Teoría Elemental de álabes y Turbomáquinas
Net Positive Suction Head (NPSH)
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CONTENIDO(Cont.)
Aplicaciones del Bombeo Electrosumergible
Análisis Nodal
Procedimiento de Diseño
Alternativas para pozos con altos porcentajes de gas libre
Alternativas para la producción de crudos viscosos
Aplicaciones Especiales
Problemas y averías
Cartas amperimétricas
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Visión General
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Ventajas
• El bombeo electrosumergible BES es un método flexible para producir en un amplio rango de tasas de flujo: de bajas a altas
• Puede manejar altas tasas de flujo (>100,000 bbl/D) y altos cortes de agua. Normalmente el costo de levantamiento por barril decrece según la tasa de flujo se incrementa.
• No tiene partes móviles en superficie, de modo que es recomendable para áreas urbanas.
• La ausencia de derrames en superficie hace de este método el de menor impacto ambiental.
• Puede ser automatizado para supervisión y control.
• Es aplicable en pozos direccionales y horizontales (dependiendo del ángulo de construcción. Normalmente < 9°/100 pies)
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Limitaciones
• El costo inicial del sistema es relativamente alto.
• Su aplicación se limita a pozos de profundidad media, principalmente por la degradación del aislamiento del cable y por limitaciones de temperatura del motor y del sello.
• Requiere una fuente de electricidad estable y confiable.
• El rendimiento de la bomba se ve afectado significativamente por el gas libre y después de cierto límite puede ocurrir un bloqueo por gas, de modo que este sistema no es recomendable para pozos con alto GOR.
• Para reparar cualquier componente del equipo de fondo, se requiere sacar toda la completación del pozo(workover).
• Aunque existen equipos especiales, el tiempo de vida esperado se ve afectado severamente por la producción de arena de la formación.
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COMPONENTES DEL SISTEMA DE BES
COMPONENTES DE SUPERFICIE
COMPONENTES DE FONDO
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Componentes de superficie:
• TRANSFORMADOR PRIMARIO
• TABLERO DE CONTROL /VARIADOR DE FRECUENCIA
• TRANSFORMADOR SECUNDARIO
• CAJA DE UNION
• CABEZAL
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Componentes de fondo:
• CABLE
• “Y tool” o BYPASS (Opcional)
• BOMBA
• SEPARADOR DE GAS(Opcional)
• SECCION SELLANTE (SELLO)
• MOTOR
• SENSOR (Opcional)
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• Se usa para reducir el voltaje de la línea primaria hasta un voltaje que puede ser manejado por el Tablero de Control o un Variador de Frecuencia.
• Si se usa un Tablero de Control, el voltaje de salida será el voltaje requerido por el motor.
• Si se usa un Variador de Frecuencia, el voltaje de salida será el voltaje requerido por este equipo y será necesario utilizar un transformador secundario.
• Puede ser un solo transformador trifásico o un banco de tres transformadores monofásicos.
TRANSFORMADOR PRIMARIO
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TABLERO DE CONTROL
• Cajas con muchas partes eléctricas instaladas para proteger y diagnosticar los equipos de fondo
• Dispositivos adicionales incluyen sistemas de encendido de carga baja, controles de la velocidad del variador de frecuencia
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VARIADOR DE FRECUENCIA
• Dispositivo diseñado e instalado para cambiar la frecuencia de la corriente suministrada al motor controlando así la velocidad en el eje para un óptimo funcionamiento.
• Proporciona flexibilidad para ajustar y mejorar las condiciones de producción deseadas (tasa de flujo).
• Puede ser programado para situaciones especiales tales como encendidos sin sobrecarga y con torques constantes.
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• Se lo utiliza cuando se instala un Variador de Frecuencia, para elevar el voltaje hasta los requerimientos del motor. Comúnmente se lo conoce como “Transformador elevador”.
• Puede ser un solo transformador trifásico o un banco de tres transformadores monofásicos.
TRANSFORMADOR SECUNDARIO
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Caja de Unión
• Aloja en su interior el empalme entre el cable que viene del pozo y el cable del tablero de control.
• También se la llama Caja de Venteo puesto que provee el medio para sacar el gas que podría venir desde el pozo a través del cable, hacia la atmósfera.
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Cabezal del pozo
• Debe proveer facilidades para instalar el cable con un sello adecuado
• Puede incluir estranguladores ajustables, válvulas de alivio
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• Debe garantizar el suministro de potencia eléctrica al motor
• Son hechos de diferentes materiales conductores recubiertos por una envoltura protectiva que asegura su integridad bajo las condiciones operativas y de los medios en los que trabajan
• La caída de voltaje, la temperatura y los fluidos circundantes deben ser considerados durante el diseño y proceso de selección
• Vienen en dos configuraciones básicas: planos y redondos.
CABLE
Conductor
Película de poliamida
Aislante Envoltura de plomo
Trenza
Armadura metálica
Conductor
AislanteCinta Recubri
miento de caucho
Armadura metálica
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“Y tool” O BYPASS(OPCIONAL)
• Permite intervenir el pozo con cable (wireline) o tubería flexible si así fuera el caso.
• El modelo mostrado es de la compañía Phoenix Petroleum Services Ltd. Y se cierra automáticamente por el flujo producido por la bomba electrosumergible cuando arranca.
• Este nuevo modelo permite registrar el comportamiento de la bomba mientras está operando.
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• Es el “corazón” del sistema
• Las BES son bombas centrífugas multi etapa
• La tasa de descarga depende de varios factores, tales como la presión hidrostática, las RPM, el diseño de las etapas y las propiedades del fluido
BOMBA CENTRIFUGA
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BOMBA CENTRIFUGA (Componentes Básicos)
Una etapa
• Impulsor
• Difusor
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• Separa el gas libre para evitar el bloqueo por gas
• Usa fuerzas centrífugas para separar el líquido del gas antes que ingrese a la bomba
• Hay dos tipos: estático y rotario (centrífugo y tipo vórtice)
SEPARADOR DE GAS
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SECCION SELLANTE
• Sirve como conexión entre el eje del motor y el eje de la bomba
• Previene la entrada del fluido del pozo hacia el interior del motor
• Proporciona un volumen de aceite para compensar la expansión y la contracción del aceite del motor
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MOTOR
• Trifásico, tipo inducción de corriente eléctrica alterna; proporciona la energía a la bomba para que rote y acelere a los fluidos que están siendo bombeados.
• Se le provee de enfriamiento mediante la circulación de fluidos a su alrededor.
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SENSORES
• Están disponibles una variedad de sensores. Se instalan de acuerdo a requerimientos específicos que permiten un mejor y más seguro control de las operaciones de la BES por medio del monitoreo y de los dispositivos de protección del equipo
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Teoría de las Bombas Centrífugas
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Teoría Elemental de las Bombas Centrífugas
Definición:
Componentes:
Una bomba es una máquina que tiene la capacidad de transferir energía a un fluido en forma de Potencia Hidráulica. Las Bombas Centrífugas son turbo-máquinas.
Una etapa : Impulsor - Difusor - Revestimiento
Eje
Arandela de Empuje
Buje de apoyo
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Componentes de la BES
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Una Etapa
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Empuje Axial
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Curvas Características de Comportamiento
Curva Ideal:
Curva Real:
Basada en un análisis dimensional de velocidad
usando la ecuación de Euler para turbo-máquinas.
No se consideran pérdidas de energía
Basada en pruebas experimentales
Se consideran pérdidas de energía
Eficiencia
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Curvas Características Ideales
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Curvas Características Ideales
g
cu
g
cuHe uu 1122 −=
2
222 tan β
mu
cuc −=
Qkkg
cu
g
uHe m
212
2222
tan−=−=
β
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Curvas Características Ideales
RPM Constante
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Transferencia de Energía & Pérdidas de Energía
e
mh H
H=η
ilv QQQ
Q
++=η
ωγη
T
HQQQ eilm
)( ++=
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Curvas Características Reales
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Curvas Características Reales
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El Rango Operativo Recomendado es limitado
Bajas Tasas:
Altas Tasas:
Intermitencia de la producción
Down-thrust (rozamiento inferior I – D)
Se requieren altos valores de NPSH
Altas potencias efectivas
Up-thrust (rozamiento superior I – D)
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Curvas Características Reales
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Variación de la Curva de Comportamiento
Velocidad Rotacional [N] o Frecuencia[f]
Diámetro del Impulsor [D]
Fluidos altamente viscosos [µ]
Alta GOR
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Leyes de Afinidad de las Turbo-máquinas
322
2311
121 DN
Q
DN
Q === φφ
22
22
22
12
1
121 DN
Hg
DN
Hg ===ψψ
51
31
151
31
121 DN
P
DN
P
ρρ==Ρ=Ρ
µρ ND2
Re =
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Leyes de Afinidad de las Turbo-máquinas
Diagrama
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Efectos de la Viscosidad en la Curva de Comportamiento
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Efectos de la Viscosidad en la Curva de Comportamiento
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Efecto del Gas en la Curva de Comportamiento
DiagramaPerformance Characteristic Curve with Gas
GN 4000
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
QL [bpd]
H [
ft]
α = 0 [%]
α = 2 [%]
α = 6 [%]
α = 8 [%]
α = 10 [%]
α = 12 [%]
α = 14 [%]
α = 16 [%]
α = 18 [%]
α = 20 [%]
Surging
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Carga Neta Positiva de Succión (Net Positive Suction Head)
NPSH
La NPSH disponible (NPSHa) para una instalación,
tiene que ser determinada por el usuario
La NPSH requerida (NPSHr) para una bomba dada,
es proporcionada por el fabricante de la bomba
Cavitación
NPSHa > NPSHr
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Carga Neta Positiva de Succión o Net Positive Suction Head
NPSH
vasa HHHNPSH −+=
g
P
g
PZhf
g
PNPSH vapatm
st
a ρρρ−+±−=
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Análisis Nodal
y
Aplicaciones de las BES
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Introducción al Análisis Nodal
Usando BES
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Producción vs Potencia
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Dimensionamiento de los sistemas BES
Standard:
Variables:
API Recommended Practice 11U (RP 11U)
“Recommended Practice for Sizing and Selection of Electric Submersible Pump Installations”
La viscosidad y los efectos de degradación por gas.
Puesto que la aplicación de las BES en la industria petrolera es relativamente reciente, no hay modelos generales para considerar los efectos de la viscosidad y del gas, de modo que cada fabricante emplea un método diferente para manejar estos problemas.
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Dimensionamiento de los sistemas BES
Datos de
diseño BES
100% Agua
Petróleo
liviano sin gas
libre
Petróleo
liviano y gas
libre
Petróleo
pesado sin
gas libre
Petróleo
pesado y gas
libre
Petróleo con
espuma
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Pr
Pro
fund
idad
de
l poz
o
Pro
fund
idad
de
la b
omba
Pr Pwf
Tot
al D
ynam
ic H
ead
Niv
el
Din
ámic
o de
F
luid
o
Pre
sión
en
la
cabe
za
del p
ozo
Pér
dida
s de
pr
esió
n po
r fi
cció
n en
el
Tub
ing
Niv
elE
stát
ico
de F
luid
o
Presión
Pro
fund
idad
Pr
Temperatura
0
TrTwh
Tamb
Condiciones Estáticas vs Condiciones Fluyentes
Concepto de Carga DinámicaTotal
(Total Dynamic Head TDH)
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Pr
Pro
fund
idad
de
l poz
o
Pro
fund
idad
de
la B
omba
Pr Pwf
Niv
el
Din
ámic
o de
F
luid
o
Pre
sión
en
la
Cab
eza
del p
ozo
Pér
dida
s de
pr
esió
n po
r fr
icci
ón
en e
l T
ubin
g
Niv
el
Est
átic
o de
F
luid
o
Presión
Pro
fund
idad
Pr
Temperatura
PIP
Pwh0
Tr
Pwf
∆P
Tot
al D
ynam
ic H
ead
Condiciones Estáticas vs Condiciones Fluyentes
Concepto de Carga DinámicaTotal
(Total Dynamic Head TDH)
Twh
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Dimensionamiento de los sistemas BES
Información requeridaDatos del Pozo & Yacimiento
• Especificaciones del Casing
• Especificaciones del Tubing
• Profundidad del pozo
• Comportamiento del yacimiento (IPR)
• Temperatura del fondo (BHT)
• Gradiente Geotérmico
Datos de Producción
• Presiones del Separador/Cabeza
• Especificaciones de la línea de flujo
• Tasa de producción deseada
Características de los Fluidos & Propiedades PVT
• Gravedad específica del Petróleo, Gas y Agua
• Factores Volumétricos para cada fase, presión de burbuja, viscosidad del petróleo, GOR.
(pueden ser determinadas usando correlaciones)
• WOR de producción (Corte de agua)
• GOR de producción
Datos de Energía Eléctrica
• Voltaje primario disponible
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Dimensionamiento de los sistemas BES - Ejemplo
Datos del Pozo & Yacimiento
• Casing -> 7”, 35 lb/ft
• Tubing -> 2 7/8”, 6.5 lb/ft, 8EU, 90°
• Profundidad del pozo -> 5350 ft
• Comportamiento del yacimiento
J = 1.5 bpd/psi, Pr = 1700 psi
• BHT -> 180 °F
• Gradiente geotérmico -> 0.018 °F/ft
Datos de Producción
• Presión del Separador -> 100 psi
• Línea de flujo -> 2000 ft, 4”, sch 40, 0°
• Tasa de producción deseada -> 2000 bpd
Características de los Fluidos & Propiedades PVT
• Gravedad API del petróleo -> 30 °API
• Gravedad específica del agua -> 1.02
• Gravedad específica del Gas -> 0.80
• Viscosidad del petróleo -> 0.70 cp
• Presión de burbuja -> 1500 psi
• WOR de producción -> 90%
• GOR de producción -> 30 scf/bbl
Datos de Energía Eléctrica
• Voltaje primario disponible -> 12500 V
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Dimensionamiento de la Bomba
1. Analizar los datos e identificar el tipo de problema.
La viscosidad del petróleo es baja (0.7 cp) y el corte de agua es alto (90%) , de modo que no deberíamos tener problemas de emulsiones. Basándonos en las dos razones, no se necesita realizar correciones de viscosidad.
Por otra parte, la relación gas – petróleo es baja y con un corte de agua del 90% el GLR es aún más bajo.
GLR = GOR * (1 - fw) = 30 * (1 - 0.90) = 3 scf/bbl
Conclusión: Se puede diseñar el sistema despreciando los efectos por viscosidad y los efectos por presencia de gas libre.
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Procedimiento General
2. Determinar la gravedad específica y el gradiente de presión del fluido
wwowwwoo SGfSGfSGfSGfSG +−=+= )1(
876.0305.131
5.141
5.131
5.141 =+
=+
=API
SGo
006.1)02.1()90.0()876.0()90.01( =+−=SG
ftpsiftpsiSGP /4356.0)006.1(/433.0433.0 ===∇
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3. Determinar la presión de succión de la bomba o la profundidad de asentamiento de la bomba.
En este caso, como el corte de agua es alto y el GOR es muy bajo, el comportamiento de línea recta entre la tasa de flujo y la presión de fondo fluyente puede ser usado:
psipsibpd
bpdpsi
J
qPP
PP
qJ rwf
wfr
367/5.1
20001700 =−=−=⇒
−=
psibombaladetoasentamiendedprofundidapozodeldprofundidaPPPIP wf 100)( ≥−∇−=
P
PpozodeldprofundidabombaladetoasentamiendedprofundidaMínima wf
∇−
−=100
ftftbombaladetoasentamiendedprofundidaMínima 47374356.0
1003675350 =−−= Pwf
Oil
Oil
+ W
ater
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motorAZ TeAZTBHTPIT ∆+−−∇−= − )]1([ /
4. Determinar la temperatura de admisión de la bomba.
Usando la correlación de Shiu y tomando en consideración el efecto del motor:
Donde:
BHT = Temperatura de fondo del pozo, °F Z = (profundidad del pozo – profundidad de asentamiento de la bomba), ft
∇T = Gradiente de temperatura, °F/ft A = Distancia de relajación, ft
2051.44146.42608.02904.09303.25253.0 −−= eSGSGdWA woLtot ρ
Donde:
Wtot = tasa de flujo másico total, lbm/sec ρL = densidad del líquido a condiciones de tanque de almacenamiento, lbm/ft^3
d = diámetro interno del tubo, in SGx = Gravedad específica (petróleo y agua)
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mp
mmotor EEC
EhT
778
)1( −=∆
4. Determinar la temperatura de admisión de la bomba (Cont.)
FTmotor °=+
−=∆ 2.2)85.0()65.0())0.1(9.0)5.0(1.0(778
)85.01(6000
•Procedimiento iterativo
•Despreciable para altos cortes de agua, pozos someros o crudo liviano
En nuestro caso asumimos:
h = 6000 ft, Em = 0.85, Ep = 0.65, Co = 0.5, Cw = 1.0
Em = Eficiencia del Motor, fracción
h = Cabeza de la bomba, ft
C = Capacidad calórica específica, BTU/(lbm °F)
Ep = Eficiencia de la Bomba, fracción
wwow CfCfC +−= )1(
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4. Determinar la temperatura de admisión de la bomba (Cont.)
2051.44146.42608.02904.09303.25253.0 −−= eSGSGdWA woLtot ρ
0764.0)1( gLwLLtot SGQfGORQW −+= ρ
{ } SGSGfSGfff wwowwwowL 4.62)1(4.62)1( =+−=+−= ρρρ
3/77.62)006.1(4.62 ftlbmL ==ρ
sec16.8
0764.0)8.0()9.01(30615.577.62sec86400
20003
33
3
lbmW
ft
lbm
bbl
ft
bbl
ft
ft
lbmD
D
bblW
tot
tot
=
⇒
−+=
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4. Determinar la temperatura de admisión de la bomba (Cont.)
24.521802.1876.0004.677.6216.8 2051.44146.42608.02904.09303.25253.0 == −− eA
motorAZ TeAZTBHTPIT ∆+−−∇−= − )]1([ /
Finalmente:
FePIT °=+−−−−= −− 6.1812.2)]1(24.5218)47375350[(018.0180 24.5218/)47375350(
Conclusión: En muchos casos podemos asumir BHTPIT ≅
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5. Determinar las propiedades PVT y las condiciones del fluido en la admisión de la bomba
bbl
scfPSGR
FT
API
gs 2.410
10
18
1008.0
10
10
18
83.0
1
)6.181(00091.0
)30(0125.02048.1
)(00091.0
0125.0
=
−=
−= °
stb
bbl
TSG
SGR
o
o
gso
06.1)6.181(25.1876.0
8.02.4000147.0972.0
25.1000147.0972.0
175.15.0
175.15.0
=
+
+=
⇒
+
+=
β
β
scf
ft
P
RTZg
3
155.0)7.14100(
)4606.181(98.002827.0
)(02827.0 =
++=°=β
)(1033.3)60(101)60(102.11 6264 soluciónengashaynoPxTxTxw−−− −−+−+=β
stb
bblxxxw 03.1)7.114(1033.3)606.181(101)606.181(102.11 6264 =−−+−+= −−−β
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6. Determinar la tasa de flujo total a las condiciones de la admisión de la bomba
D
stb
ft
bbl
scf
ft
D
stbQtot 2208
615.5
1155.0)2.430(06.11.0)03.1(9.02000
:0) (Rsw agua elen solución en gasexisteno que Assumiendo
3
3
=
−++=
=
7. ¿Necesitaremos un separador de gas? (Calcular la fracción de gas en la admisión de la bomba)
( )( ) gswwswowww
gswwswg RfRGORfff
RfRGORff
ββββ
−−−+−+−−−
=)()1()1(
)()1(
( )( )gswwswowwwLtot RfRGORfffQQ βββ −−−+−+= )()1()1(
( ) %4.6615.5/155.0)2.430(06.11.0)03.1(9.0
615.5/155.0)2.430(1.0
:aguaelen solución en gas existenoqueAsumiendo
=−++
−=gf
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8. Fracción de gas que ingresa a la bomba
gsepbombalaaentra
g fEf )1( −=
mecánicasep
naturalseptotal
libreg
venteadolibreg
sep EEQ
QE +==
Bomba
Separador
Protector/Sello
Gasventeado
Orificios deadmisión
Orificios desalida del gas
Cable
Geometría delAnular
Tasas de flujo
Propiedades delfluido
Patrón deflujo
Velocidad angular(separadores rotarios)
Resbalamiento
Esep ??
90%, 40%,65%, 50%, ...
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8. Fracción de gas que ingresa a la bomba (cont.)
• Puesto que la fracción total de gas en la admisión de la bomba es 6.4%, valor que es menor que el 10% (regla práctica), no es necesario un separador de gas.
• Para propósitos de diseño asumamos que la eficiencia de separación natural es cero (el peor caso).
• Puesto que la fracción total de gas es baja, como una primera aproximación (propósitos didácticos) asumamos asimismo que no ocurre degradación debido al gas en el comportamiento de la bomba.
gbombalaaentra
g ff ==−= %4.6%4.6)01(
9. Tasa de flujo volumétrico total ingresando a la bomba
( )( )gswwswsepowwwLtot RfRGORfEffQQ βββ −−−−+−+= )()1()1()1(
D
stbQtot 2208=
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Dimensionamiento de la bomba
10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head)
ftftpsi
psi
P
PseparadorelenaCSH sep 230
/4356.0
100)arg( ≅=
∇=
oSG
PIPbombaladetoasentamiendeofundidadVNL
433.0Pr −=
verticalnetontoLevantamie
tubingelenfricciónporpresióndePérdidasflujodelínealaennetontoLevantamie
flujodelínealaenfricciónporpresióndePérdidasseparadordelaCTDH
++++
++= arg
ftftpsi
psiftVNL 4473
)876.0(/433.0
1004737 ≅−=
)(0)( horizontalsensegmentodellongitudFNLsegmentos
== ∑ θ Pwf
SH
FFL
FNL
TFL
VNL
Oil
Oil
+ W
ater
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
67
Puesto que la gravedad específica del fluido es cercana a la gravedad específica del agua y la fracción de gas es muy baja, las gráficas para las pérdidas de presión por fricción para el agua pueden ser utilizadas:
ftftFFL
flujodelínealadeLongitud
ft
pérdidasFFL
6.31000
20008.1
10001000
==
=
Dimensionamiento de la bomba
10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head) Cont.
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
68
ftftTFL
bombaladetoasentamiendeofundidad
ft
pérdidasTFL
1331000
473728
1000
Pr
1000
≅=
=
Dimensionamiento de la bomba10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head) Cont.
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
69
En flujo multifásico donde el uso de las gráficas para las pérdidas de presión por fricción ya no es válido, la presión de descarga puede ser evaluada empezando con la presión de cabeza o con la presión de separador y utilizando cualquier correlación de flujo multifásico o modelo mecanístico. Entonces:
P
PPIP
P
PTDH bombaadesc
∇∆+=
∇= arg Qo
Pre
sión
de
adm
isió
n
∆Pbomba
ftTDH 4840)447313304230( =++++=
Finalmente:
10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head) Cont.
Dimensionamiento de la bomba
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
70
11. Seleccionar una bomba y determinar el número de etapas
etapasetapaft
ft
etapahead
TDHetapas 103
/47
4840
/# ===
Dimensionamiento de la bomba
De los catálogos de los fabricantes seleccionamos una bomba:
Que sea compatible con el diámetro interno del casing.
Máximo diámetro posible:
Según el diámetro se incrementa la eficiencia se incrementa
Las unidades de mayor diámetro son usualmente más baratas
La bomba opera mas fría debido a la alta velocidad del fluido en el anular
La tasa total de flujo deseada debe estar en el Rango Operativo Recomendado:
Como una regla práctica, es mejor que esta tasa deseada esté lo más cercana al punto de máxima eficiencia, para tomar en cuenta la declinación del pozo.
1
2
Chequear el catálogo para ver si es posible 2
Bomba seleccionada: modelo GC2200, serie 513
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
71
12. Determinar el requerimiento de potencia para el motor
Dimensionamiento del Motor
rHPprotectorHPseparadoHPbombaHP ++=
HPetapa
HPHPbomba
SGetapa
HPetapasHPbomba
115006.111.1103
#
≅
=
=
HP vs Total Dynamic Head - 513 Series Seal Section
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Total Dynamic Head (ft)
Pow
er (
HP
)
HPHPHP 2.124)2.36115( =++=
El diámetro (“serie”) del separador y sello es usualmente el mismo que el de la bomba
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
72
13. Seleccionar un motor del catálogo
Dimensionamiento del Motor
Que sea compatible con el diámetro interno del casing y con la temperatura del pozo.
Si no existe un modelo para la potencia requerida, seleccionar el siguiente motor con HP más alto.
Es preferible escoger una combinación estandar serie del motor – serie de la bomba.
Los motores de altos voltajes (baja corriente) requieren diámetros de conductores más pequeños.
Los motores de altos voltajes, implican equipo VSD o tablero de control más caros.
Posiblemente se necesitará realizar un análisis económico.
Los motores serie 562 son estándares para las bombas serie 513, entonces del catálogo: 3
Seleccionamos el Motor: 130 HP, 2145 V, 35 Amp
%5.95130
2.124100arg ===
HP
HP
HP
HPnormaloperaciónunaduranteaC
motor
requerido
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
73
13. Selecionar el cable eléctrico para esta aplicación
Dimensionamiento del Cable
Seleccionar cable redondo o plano de acuerdo con el espacio libre del anular.
Seleccionar un cable que proporcione una caída de voltaje de menos de 30 voltios/1000 ft.
Determinar la temperatura de operación del cable y realizar las correcciones del caso.Chequear
Motor
Sello
S/2
M/2
Bomba Protectorde cable
Cable
Banda
Casing Drift
uno)a(menor MCDGBC2
S
2
MCDlibre Espacio −
++++−= ó
Donde:
CD = Diámetro drift del casing
S = Diámetro del sello
C = Espesor del cable/diámetro (catálogo)
M = Diámetro del motor
B = Espesor de la banda (0.03 in)
G = Espesor del protector de cable (0.16 in)
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
74
Dimensionamiento del cable
4
factorTvoltajedeCaída
ftvoltajedePérdidas
=
'10001000/
Seleccionar el cable cable # 4. Entonces de las especificaciones del catálogo, temperatura
del cable ~ 200 °F:
'1000
6.20288.1
'1000
161000/
VVftvoltajedePérdidas =
=
in
in
36.062.598.5MCD
025.016.003.039.02
5.13
2
5.6298.5Clearance
=−=−
=
++++−=
5
13. Selecionar el cable eléctrico para esta aplicación
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
75
factorTvoltajedeCaída
ft
bombaladetoasentamiendeofundidadcableelenvoltajedeCaída
=
'10001000
Pr
( ) VVcable elenvoltajedeCaída 98288.1161000
47374# ≅=
14. Determinar el voltaje superficial requerido
cableelenvoltajedeCaídamotordelalnoVoltajerequeridoerficialVoltaje += minsup
VVVrequeridoerficialVoltaje 2243982145sup =+=
ftbombaladetoasentamiendeofundidadcablederequeridaLongitud 200Pr +=
ftftftcablederequeridaLongitud 49402004737 ≈+=
Cable seleccionado: #4 Cu, plano, 3KV, 4940 ft
13. Selecionar el cable eléctrico para esta aplicación (cont.)
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
76
15. Seleccionar el transformador Calcular KVA.
Si no existe ningún modelo para loa potencia requerida, elegir el transformador más cercano con mayor KVA.
Decidir entre un transformador trifásico o tres transformadores monofásicos (de una sola fase).
1000
sup33 motordelAmperajexrequeridoerficialVoltajexKVA =
KVAAxVx
KVA 1361000
35224333
==
Transformador Seleccionado: Transformador Trifásico de 150 KVA
Voltaje Primario 12500 V
Voltaje Secundario 2250 V (~ 2243 V)
Dimensionamiento del Transformador
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
77
15. Otros equipos y consideraciones generales
Es recomendable una fuerte sinergía entre el ingeniero de campo y el representante del fabricante de los equipos de Bombeo Electrosumergible BES.
Seleccionar un tablero de control del catálogo de acuerdo con el voltaje superficial requerido.
Seleccionar un separador rotario, como una regla práctica, si la fracción de gas en la admisión de la bomba es mayor que el 10% para bombas radiales o que el 15% para bombas de flujo mixto.
Seleccionar una sección sello del tipo laberinto, cámara o laberinto/cámara. Altos empujes, temperaturas, inclinación del pozo podrían requerir instalar equipos en serie.
Chequear la compatibilidad de la rosca del tubing con la sección de descarga de la bomba.
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
78
Si se va a usar un variador de velocidad, se necesitan consideraciones especiales acerca de la potencia del motor y de la bomba.
Chequear la producción de fluidos corrosivos o de producción de arena.
Chequear las limitaciones de potencia máxima en el eje de la bomba, sello y separador; de explosión y de colapso de las carcasas de los equipos.
Chequear la velocidad del fluido alrededor del motor (debe ser > 1 ft/seg para una mezcla agua/crudo liviano).
Frecuencia (Hz)
Pot
enci
a (H
P) Bomba
Motor
3
60 60
= Hz
BHPBHPbombaHz
=
6060
HzMHPMHPmotor
Hz
Dis
eño
15. Otros equipos y consideraciones generales (cont.)
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
79
Diseño para pozos con mucho gas
Las propiedades del fluido y las tasas volumétricas de flujo cambian continuamente a lo largo de la bomba, por lo tanto, debe usarse un procedimiento incremental.
P0 = PIP
∆P
P1 = PIP + ∆P/n
P2 = PIP + 2∆P/n
PDP = PIP + n∆P/n
Seleccionar el número de pasos (por ej. n = 4)
P
PPIP
P
PTDH bombaadesc
∇∆+=
∇= arg
nXn
PXPIPPX ...,,2,1,0=∆+=
{ }wwowwwowL SGfSGfff +−=+−= )1(4.62)1( ρρρ
30763.0
97.28
ft
lbmSG
TRZ
PSGG
GG ==ρ
A condiciones estandar:
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
80
P0 = PIP
∆P
P1 = PIP + ∆P/n
P2 = PIP + 2∆P/n
PDP = PIP + n∆P/n
gLwLLtot QfGORQW ρρ )1( −+=
( )( )gswwswsepowwwLtot RfRGORfEffQQ βββ −−−−+−+= )()1()1()1(
totw
totmezcla Q
W
agua de másico Flujo
totalmásicoFlujoSG
ρ==
Entre PX and PX+1
21++
= XmezclaXmezclamezcla
SGSGSG
21+∇+∇
=∇ XmezclaXmezclamezcla
PPP
mezclamezcla SGP 433.0=∇
21++
= XtotXtottot
QQQ
Diseño para pozos con mucho gas
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
81
etapaacP
P
etapaac
TDHPparaetapas
XX
XXXXXX /arg
1
/arg#
1
111
∇∆
==∆+→
+→+→+→
Seleccionar una bomba para la tasa promedio de flujo entre P0 y P1
Calcular el número de etapas como antes.
Iterar para otro ∆PX -> X+1. Finalmente:
Dimensionar los otros equipos como antes.
• Se requiere de un cuidado especial para la fracción de gas libre en la admisión de la bomba. Para pozos con altos GOR, el uso de separadores en serie y de nuevas tecnologías podrían ayudar.
∑=PDP
PIP
etapasetapasdetotal ##
Diseño para pozos con mucho gas
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
82
Limitaciones en el diseño de pozos con mucho gas
PROBLEMA
Efecto del gas en la degradación del comportamiento de la bomba.
Tolerancia límite al gas
Eficiencia de los separadores de gas rotarios
Eficiencia natural
Nuevas tecnologías
ESTUDIOS RECIENTES
Sachdeva, R.Cirilo, R.
Turpin
Alhanati, F. Sambangi, R.Amrin H.
Serrano, J
Meudys, R
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
83
Diseño para fluidos viscosos
El efecto de la viscosidad para el cálculo de la Carga Dinámica Total TDH debe ser considerado.
Existirá degradación de la curva de comportamiento de la carga (head) y se requerirá un incremento en la potencia.
¿Cuánta degradación existirá?: American Hydraulics Institute:- Bomba de una sola etapa
- Difusor tipo voluta
PDVSA-Intevep (pruebas de laboratorio)- Empíricas (rango 1 - 1700 cP)
Factores de los fabricantes - Empíricos
6
7
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
84
Diseño para fluidos viscosos
Puesto que la viscosidad cambia con la temperatura a lo largo de la bomba, debe llevarse a cabo un procedimiento incremental iterativo similar al de un pozo con mucho gas.
Para cada cálculo entre PX y PX+1, los cambios de la temperatura deben reflejarse en las propiedades, por lo tanto estos cambios deben ser estimados:
[ ]FQCSG
BHPT perdida
bomba °=∆1.5
[ ]FEEC
EhT
mp
mmotor °−=∆
778
)1(
BHPperdida = Potencia perdida, HP
SG = Gravedad específica
C = Capacidad calórica específica, BTU/(lbm °F)
Q = Tasa de flujo, GPM
h = Cabeza de la bomba, ft
Em = Eficiencia del motor, fracción
Ep = Eficiencia de la bomba, fracción
8
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
85
Alternativas para pozos con alto porcentaje de gas libre
Separadores de gas rotarios
Su eficiencia varía con la tasa de flujo según la predicción del modelo de Alhanati.
En la región de alta eficiencia, a bajas tasa de flujo, puede manejarse porcentajes de gas libre del 85 hasta el 99% .
Sin embargo, según se incrementa la tasa de flujo ocurre un punto crítico donde la eficiencia puede ir más abajo del 20%.
Estos separadores pueden ser conectados en tándem (serie), pero su comportamiento todavía no está bien entendido
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
86
Configuración tipo camisa
Se reversa la dirección del fluido para maximizar la separación natural debido a la flotación del gas.
Se requiere una camisa o envoltura para alcanzar la reversión del fluido o el enfriamiento del motor.
El caso más clásico es cuando la unidad de BES se asienta debajo de las perforaciones.
Dos casos adicionales son el de camisa cerrada con un stinger (tubo) y el de camisa invertida.
Alternativas para pozos con alto porcentaje de gas libre
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
87
Nuevas tecnologías
Manejador de gas de REDA. Emplea huecos de recirculación adicionales o más anchos en áreas estratégicas del impulsor. La recirculación del líquido, facilita que el gas entrampado fluya.
Etapas de baja NPSH (FCNPSH y GCNPSH) de Centrilift. Esas son casi etapas axiales, las cuales pueden manejar altas tasas de flujo pero generar baja carga. Son instaladas en la admisión para mejorar las condiciones de succión de la bomba principal. (Similar al concepto de bomba telescopiada).
Ambas tecnologías han demostrado tener una baja tendencia para el candado de gas o traba por gas.
Huecos de recirculación
Alternativas para pozos con alto porcentaje de gas libre
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
88
Alternativas para la producción de crudos viscosos
A una temperatura más alta se tiene una viscosidad más baja. De modo que el calentamiento al fondo puede ser inducido usando resistencias eléctricas, cable subdimensionado especial, etc. Es necesario un cuidado especial con los límites del motor.
Una baja viscosidad asimismo puede ser obtenida inyectando algún tipo de diluyente como kerosene o crudo de alto API. Se encuentran disponibles algunos cables con conductos de inyección.
La inyección de agua, en la admisión de la bomba, también se usa como un método para levantar crudos de alta viscosidad.
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
89
Aplicaciones especiales
Unidad de cable suspendido
La unidad se baja al pozo sin usar la tubería de producción (tubing). Se suspende de un cable y el cable eléctrico está asociado a él.
Un elemento especial de asentamiento soporta a la bomba y proporciona un acople fijo para evitar torques excesivos en el cable.
A diferencia de las instalaciones convencionales, el motor se localiza sobre la bomba.
Un cambio de bomba puede realizarse sin controlar el pozo, utilizando un sistema lubricador en la cabeza del pozo, similar al utilizado en BH.
El sistema produce por el anular.
La principal ventaja es la reducción de costos asociados con el trabajo de sacar la tubería de producción, especialmente en locaciones costa afuera.
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
90
Aplicaciones especiales
Sistema de manguera flexible desplegada
El principio es similar a la unidad de cable suspendido, pero una manguera flexible provee en este caso el soporte.
Hay dos sistemas: Uno donde el cable está unido externamente a la manguera flexible y el más aceptado en el cual el cable está dentro de la manguera flexible y la producción es a través del anular.
Este sistema proporciona protección extra al cable, el cual es uno de los elementos más delicados durante la bajada del equipo.
Asimismo el motor se localiza sobre la bomba.
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
91
Separación de agua al fondo
Este sistema combina el sistema BES con la tecnología de separación mediante hidrociclones para que la producción tenga un bajo corte de agua.
El agua separada se inyecta en una formación adyacente a la productora o aún en esta si existe un acuífero y el espesor de la formación es adecuado.
La separación y disposición del agua producida dentro del mismo pozo puede evitar problemas operativos/económicos.
Se reducen los costos de tratamiento del crudo y del agua producida.
Algunos sistemas usan dos bombas, una para alimentar al hidrociclón y otra para levantar el fluido.
Aplicaciones especiales
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
92
Dimensiones del equipo y Rango Operativo Recomendado
de la bomba
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
93
GC2200 Pump Performance- 60 Hz
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Flowrate (bbl/d)
Hea
d (f
t)
- E
ff. (
%)
0.00
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
2.40
2.80
3.20
Bra
ke
HP
(H
P)
stages 8 17 27 36 45 55 65 74 84 93 103 112 122 131 141 150 160 170 178 187197 206 215 225 235 244 254 263 273 282 292 301 311 320 330 340 348 357 367
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
94
Motores serie 562
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
95
Caída de voltaje en el cable & factoresde corrección por temperatura
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
96
35
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
97
Efectos de la viscosidad en el comportamiento de la bomba
LIQUID FLOW RATE (OIL + KEROSENE) (BPD)
EF
FIC
IEN
CY
(%
)
0.00
15.00
30.00
45.00
60.00
75.00
0 1500 3000 4500
WATER
60 Hz
45 Hz
40 Hz
35 Hz
30 Hz
20 Hz
MIXTURE VISCOSITY 593 Cp @ 20 C
20 Hz
60 Hz
Water -60 Hz
LIQUID FLOW RATE (OIL + KEROSENE) (BPD)
HE
AD
(F
EE
T)
0.00
15.00
30.00
45.00
60.00
75.00
0 1500 3000 4500 6000
WATER
60 Hz
45 HZ
40 Hz
35 Hz
30 Hz
20 Hz
MIXTUREVISCOSITY 593 Cp @ 20 C
60 Hz
20 Hz
Water -60 Hz
LIQUID FLOW RATE (OIL + KEROSENE) (BPD)
BR
AK
E H
OR
SE
PO
WE
R (
HP
)
0.00
1.50
3.00
4.50
6.00
7.50
0 1500 3000 4500 6000
WATER
60 Hz
45 Hz
40 Hz
35 Hz
30 Hz
20 Hz
MIXTURE VISCOSITY 593 Cp @ 20 C
20 Hz
60 Hz Water -60 Hz
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
98
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
99
Comportamiento del motor serie 562
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
9:14:24 9:43:12 10:12:00 10:40:48 11:09:36 11:38:24 12:07:12
T ime (hh:mm:ss)
Wel
lhea
d an
d in
take
Pre
ssur
e (P
si)
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
Pum
p di
scha
rge
Pre
ssur
e (P
si)
<-- Pump intake P
<-- Wellhead P
pump discharge P -->
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
101
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
102
% free gas pump can handle vs PIP (after Turpin)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 100 200 300 400 500
Pump Intake pressure (psi)
% f
ree
gas
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
103
Dimensiones del Equipo y Rango de Motores aplicable
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
104
Consumo de potencia
135771
)()( específicaGradedadxftHeadxBPDflujodeTasaHPsalida =
bombaladeEficiencia
HPBHP salida=
motordelEficiencia
BHPHPentrada =
salidaentradaperdida HPHPHP −=
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
105
PROBLEMAS Y AVERIAS
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
106
• El consumo de corriente es casi constante y alrededor del 10% del valor nominal o de placa del motor
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
107
• Pequeñas variaciones en la corriente con la finalidad de mantener la potencia (HP) constante• Podría ser provocado por el arranque inicial de un equipo en un sistema primario con altas variaciones de voltaje en el mismo
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
108
• Arranque inicial en “A”• Operación Normal en “B”• Disminución del amperaje según baje el nivel de fluido más allá del de diseño y gas comienza a separarse cerca de la bomba en “C”• La sección “D” muestra el amperaje bajo errático a medida que el nivel de líquido se acerca a la admisión de la bomba y volúmenes cíclicos de gas y líquido lodoso posiblemente pararán la unidad
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
109
ANivel estático de líquido
T=0
BNivel de líquido
T1>0
CNivel de líquido
T2>T1
DDemasiado gas y
bajo amperaje en el motor producen la
traba por gas
CANDADO DE GAS O TRABA POR GAS
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
110
• Arranque inicial en “A”• Operación normal en “B”• Disminución del amperaje según el nivel de fluido desciende debajo del de diseño en la sección “C”• El motor se apaga debido a la baja corriente en el punto “D”• Después del tiempo programado el motor arranca otra vez pero el fluido del pozo se mantiene en la condición de descenso
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
111
• No hay suficiente intervalo de tiempo entre ciclos para permitir que se restaure el nivel de líquido• La bomba está sobredimensionada
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
112
• Hay fluctuaciones en la corriente desde que el gas retenido y el gas libre ingresan alternadamente a la bomba• También puede suceder en el caso de que crudos emulsificados estén presentes
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
113
• Después de un corto período de operación, el motor se apaga debido a una baja de la corriente• Se repiten en secuencia varios intentos de encendido sin éxito• Una posible baja densidad del fluido no permitiría que el motor trabaje bajo condiciones nominales
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
114
• No hay una adecuada corriente en el motor y probablemente existe una mala calibración del relé de protección del motor (relé de hipocoriente)• El motor trabaja en vacío y algo se quema (el cable o el motor)
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
115
• En la seccción “A” el motor arranca a un amperaje un poco inferior al de trabajo y va aumentando gradualmente a normal•En la sección “B” la unidad trabaja normalmente•La sección “C” muestra un aumento gradual del amperaje hasta que la unidad se desvia de la línea de sobrecarga apagándose• Entre otras, las posibles causas son tormentas con rayos, aumento de la densidad o viscosidad del fluido, producción de arena, desgaste del equipo y sobrecalentamiento del motor
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
116
• El sistema se apaga debido a sobrecarga (corriente elevada)• Se intentó hacer rearranques manuales sin éxito• Se requiere investigación adicional antes de intentar reencender el equipo• Los intentos manuales de reencendido pueden destruir el equipo
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
117
• Se observa un comportamiento errático de la corriente durante un corto periodo después del arranque inicial• Podría ser debido a problemas de escala, arena suelta y fluidos de perforación o de control de pozo de alta densidad
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
118
• Se observa un comportamiento variable e impredecible de la corriente• El motor finalmente se apaga debido a sobrecarga• Se requiere un análisis exhaustivo del pozo antes de intentar reencender el equipo• Usualmente indica fallas de varios elementos simultáneamente (Bomba remordida [agarrotada], motor quemado, cable quemado o fusibles quemados)
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
119
Completaciones conBombas Electrosumergibles
BES
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
121
Tomado de Petroleum Well Construction Economides et al, 1998
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
122
13/03/13 Levantamiento Artificial BES
123