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PROYECTO DE GRADO EN LA MODALIDAD DE PRACTICA EMPRESARIALBOMBEO ELECTROSUMERGIBLE. DESCRIPCIN, DISEO Y MONITOREO.

SCHLUMBERGER -WCP-Artificial Lift System

FREDY ALONSO PEA SUESCN

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIAS FISICO QUIMICAS

ESCUELA DE INGENIERIA DE PETROLEOSBUCARAMANGA

2005


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PROYECTO DE GRADO EN LA MODALIDAD DE PRACTICA EMPRESARIALBOMBEO ELECTROSUMERGIBLE. DESCRIPCIN, DISEO Y MONITOREO.

SCHLUMBERGER -WCP-Artificial Lift System

FREDY ALONSO PEA SUESCN

Tutor de la EmpresaANDRES MAURICIO ESPINOSA

Ingeniero

Tutor de la UniversidadOLGA PATRICIA ORTIZ

Docente UIS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIAS FISICO QUMICAS

ESCUELA DE INGENIERIA DE PETRLEOSBUCARAMANGA

2005


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DEDICATORIA

A mi pap, Rafael, por ser mi ejemplo, mi fuerza, mi fortaleza, mi apoyo y mi granayuda.

A mi mam, Frady Maria, Por ser la inspiracin que me impulsa para seguiradelante.

A mi hermana Rafaela, y a mi sobrino Samir, por el amor y la compaa quesiempre me han brindado.

A mis hermanas Dennis y Gloria, y mis sobrinos.

A mi tia Rosalba, mis primos Andres, Mery y Esther, Oscar y sus hijos.

A mi novia, Diana Paola, mi media mitad, mi consentida.


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AGRADECIMIENTOS

Al Ingeniero Andrs Espinosa Gutirrez, mi tutor en Schlumberger.

A la Ingeniera Olga Patricia Ortiz, mi tutora en la UIS.

A amigos y amigas.

A Claudia, Arsenio, Yeison y Ayarit, mi familia en Neiva.

A la Familia Martnez.

A mis amigos en Neiva.


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CONTENIDO

pg.

1. CONCEPTOS BASICOS 171.1 PROPIEDADES DE LAS ROCAS EN LOS YACIMIENTOS 171.1.1 Porosidad 171.1.2 Permeabilidad. 181.1.3 Saturacin. 202. LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL 222.1 BOMBEO MECNICO. 242.1.1 Componentes 262.1.2 Tipos de unidades de bombeo 272.1.3 Ventajas 282.1.4 Desventajas 28

2.2 BOMBA DE CAVIDADES PROGRESIVAS (PCP) 282.2.1 Fabricantes 282.2.2 Principio de Operacin 292.2.3 Bomba 292.2.4 Equipo de Superficie 292.2.5 Sistema de rotacin de superficie 302.2.6 La cabeza de rotacin 30

2.2.7 Rotor 312.2.8 Estator 312.2.9 Ventajas 312.2.10 Desventajas 312.3 GAS LIFT. 322.3.1 Mtodo de inyeccin 332.3.2 Circuito de inyeccin en superficie 35


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2.3.3 Tipo de completamiento. 35

2.4 BOMBEO HIDRULICO 372.4.1 Componentes 372.4.2 Tipos de Sistemas de Bombeo Hidrulico 382.5 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE 393. CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD 403.1 DISTRIBUCIN ELCTRICA 403.2 VOLTAJE (V) 413.3 CORRIENTE (I) 413.4 RESISTENCIA (R) 413.5 LEY DE OHM 423.6 ONDA SENOSOIDAL DE CORRIENTE ALTERNA 423.7 POTENCIA (P) 433.8 FRECUENCIA (HERTZ) 443.9 INDUCTANCIA (L) 453.10 CAPACITANCIA (C) 46

3.11 IMPEDANCIA (Z) 463.12 CONDUCTORES 473.13 AISLANTES 473.14 FACTOR DE POTENCIA (PF). 473.15 TRANSFORMADORES 483.16 MOTORES ELCTRICOS 514. COMPONENTES DEL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE 55

4.1 EQUIPO DE SUPERFICIE 574.1.1 Generador de potencia elctrica 574.1.2 Transformador reductor (SDT) 574.1.3 Variador o controlador de frecuencia (VSD). 584.1.3 Transformador elevador (SUT) 594.1.4 Caja de conexiones 594.2 EQUIPO DE FONDO 59


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4.2.1 Sensor de fondo 60

4.2.2 Motor 624.2.3 Cable de Potencia. 654.2.4 Extensin plana de cable o cable de conexin al motor 694.2.5 Vlvula cheque. 704.2.6 Vlvula de drenaje 704.2.7 Protector 704.2.8 Seccin de Entrada a la bomba o Intake 774.2.9 Bomba 825. DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO 895.1 DATOS REQUERIDOS 895.1.1 Tamao, peso y profundidad de asentamiento del revestimiento 895.1.2 Profundidad de los intervalos perforados 895.1.3 Tamao y Rosca de la tubera de produccin 895.1.4 Corte de agua y relacin gas-petrleo (GOR) 905.1.5 Gravedad especfica de los lquidos y del gas que se van a producir. 90

5.1.6 Temperatura del fondo del pozo (BHT) 905.1.7 ndice de productividad (J) o relacin de desempeo de flujo (IPR). 905.1.8 Presin en cabeza del pozo (THP) 905.1.9 Nivel de sumergencia deseado y presin de entrada a la bomba (PIP)deseada 915.1.10 Voltajes disponibles en superficie 915.2 PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEO DEL SISTEMA DE BOMBEO

ELECTRO SUBMERGIBLE 915.2.1 Recopilacin de Datos 925.2.2 Capacidad de produccin 935.2.3 Clculos de gas 935.2.3 Clculo de la cabeza dinmica total en pies (TDH). 965.2.4 Seleccionar el tipo de bomba 965.2.5 Determinar el tamao ptimo de los componentes 97


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5.2.6 Seleccin del cable 97

5.2.7 Determinacin de la capacidad del equipo elctrico 975.2.8 Variador de Frecuencia VSD 985.3 DISEO DE UN SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE 1005.3.1 Recopilacin de Datos 1005.3.2 Clculos del diseo 1016. SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO INTERACT 1326.1 QUE ES INTERACT? 1326.2 CUALES SON LAS FUNCIONES DE INTERACT? 1336.3 CENTRO DE CONTROL Y MONITOREO ESPWATCHER 1346.4 PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN EN LA LOCACIN Y LA MANERA DEDETECTARLOS EN INTERACT. 1356.4.1 Comportamiento normal de un pozo 1356.4.2 Pozo bloqueado por gas 1366.4.3 Pozo con problema de slidos 1376.4.4 Pozos trabajando a baja carga 138

7. CONCLUSIONES 140BIBLIOGRAFA 142


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LISTA DE FIGURAS

pg.

Figura 1. Representacin grfica de la porosidad. 17Figura 2. Representacin grfica de la permeabilidad dual. 18Figura 3. Unidades de la permeabilidad. 19Figura 4. Efecto del tamao de grano sobre la permeabilidad. 20Figura 5. Efecto del cambio de estratificacin sobre la permeabilidad. 20Figura 6. Bombeo mecnico. 24Figura 7. Funcionamiento de la bomba de fondo. 25Figura 8. Configuracin tipica de una PCP. 29Figura 9. Sistemas de mocion para PCP. 30Figura 10. Diagrama sistema gas Lift. 32Figura 11. Gas lift continuo e intermitente. 34

Figura 12. Circuito cerrado. Gas lift. 35Figura 13. Pozo que fluye naturalmente bajo el efecto de gas lift. 36Figura 14. Componentes de un sistema de bombeo hidrulico. 37Figura 15. Configuraciones del sistema de bombeo hidraulico tipo pistn. 38Figura 16. Tipos de bombas en el bombeo hidraulico tipo JET. 39Figura 17. Onda senosoidal de AC. 43Figura 18. Ondas senosoidales para sistema trifsico AC. 44

Figura 19. Efectos de la inductancia sobre la corriente 45Figura 20. Transformadores 49Figura 21. Devanados en conexiones Y y Delta 50Figura 22. Componentes del sistema Electrosumergible. 55Figura 23. Generador electrico. 57Figura 24. Tranformador. 58Figura 25. Variador de frecuencia. 58


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Figura 26. Instalacin tipica BES. Equipo de fondo. 60

Figura 27. Sensor 61Figura 28. Motor 62Figura 29. Cojinete de empuje. 63Figura 30. Partes del motor 64Figura 31. Cable de potencia. 65Figura 32. Cable redalene. 68Figura 33. Cable redablack. 69Figura 34. Cable redalead. 69Figura 35. Protector 71Figura 36. Protector de camara laberintica. 72Figura 37. Protectores tipo bolsa. 73Figura 38. Cojinetes de carga en los protectores. 74Figura 39. Configuraciones en los protectores. 75Figura 40. Intake 78Figura 41. Flujo inverso dentro de un separador de gas. 79

Figura 42. Separador de gas dinamico. 80Figura 43. Configuracion del equipo de fondo. 81Figura 44. Bomba 82Figura 45. Corte de una etapa. 83Figura 46. Impulsor y Difusor. 83Figura 47. Movimiento de flujo dentro de una etapa. 85Figura 48. Etapa tipo pancake, flujo radial. 85

Figura 49. Tipos de construcciones para las bombas. 87Figura 50. Curva de capacidad a diferentes frecuencias, Bomba SN3600. 99Figura 51. Perdidas por friccin en la tuberia. 107Figura 52. Curva de desempeo a 60 Hz para una etapa. Bomba GN2500 109Figura 53. Curva de desempeo a 60 Hz para una etapa. Bomba G2700 109Figura 54.Curva de desempeo a 60 Hz para 1 etapa. Bomba SN 2600 110Figura 55. Curva de desempeo a 60 Hz para 57 etapas. Bomba SN 2600 111


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Figura 56. Housing disponibles para bomba SN 2600 de construccin ARZ 112

Figura 57.Curva de desempeo a 60 Hz para 63 etapas. Bomba SN 2600 113Figura 58. Curvas de desempeo a frecuencia variable para 63 etapas.Bomba SN 2600 114Figura 59. El Rango de los Motores MK, serie 540, a 60 Hz y a 50 Hz 117Figura 60. Curvas de desempeo de los motores MK, serie 540. 118Figura 61. Ratings de carga para protector Vs Temperatura para aceiteREDA 2. 122Figura 62. Carta de prdida de voltaje en el cable 122Figura 63. Seleccin del variador de frecuencia. 127Figura 64. Caractersticas del variador de frecuencia. 128Figura 65. Diagrama de completamiento. 130Figura 66. Equipo de superficie seleccionado 131Figura 67. Comportamiento normal de un pozo 135Figura 68. Corriente y frecuencia de un pozo bloqueado por gas 136Figura 69. Presin y temperatura en un pozo bloqueado por gas 137

Figura 70. Pozo afectado por el ingreso de slidos al sistema 138


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LISTA DE TABLAS

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Tabla 1. Materiales componentes del cable de potencia. 67Tabla 2. Algunas bombas con sus respectivos diametros y caudales. 108Tabla 3. Potencia requerida para diferentes tipos de separadores. 115Tabla 4. Configuraciones del protector segn el tipo de aplicaciones. 120Tabla 5. Equipo de fondo seleccionado 129


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RESUMEN

TITULO: BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE. DESCRIPCIN, DISEO Y MONITOREO

AUTOR: FREDY ALONSO PEA SUESCN PALABRAS CLAVES: Bombeo Electrosumergible, levantamiento artificial, Diseo, Descripcin,Monitoreo, InterACT.

Casi la totalidad de los pozos de petrleo fluyen naturalmente al inicio de su vida productiva.Durante este tiempo la presin del yacimiento proporciona suficiente energa para levantar el fluido

hasta superficie.

Despus de algn tiempo, esta presin se agota, y por tanto no habr en el yacimiento la suficienteenerga para levantar el fluido, afectndose de esta manera la produccin. En este momento sehace necesario instalar un mtodo de levantamiento artificial.

Un sistema de levantamiento artificial proporciona la energa necesaria para producir el fluidocuando en el yacimiento no existe la suficiente energa para llevarlo a superficie.

Uno de estos sistemas es el Bombeo Electro Sumergible (BES), el cual consiste en elfuncionamiento de una bomba centrifuga la cual le imprime al fluido la suficiente energa para queeste pueda llegar a superficie.

Este libro contiene una descripcin de las caractersticas principales de los equipos usados en laoperacin de un sistema de bombeo electro sumergible. Con el objetivo de ampliar elconocimiento de esta tecnologa ampliamente usada en las operaciones de produccin, sepresenta la identificacin de los componentes principales y una corta explicacin de su funcin,adems de los parmetros para su diseo y un ejemplo de diseo de un sistema BES.

Tambin se describe el sistema de monitoreo satelital InterACT, sistema utilizado por lamultinacional Schlumberger para el control y el monitoreo de los sistemas de bombeo electrosumergible.

Trabajo de Grado Facultad de Ingenieras Fsico-Qumicas. Escuela de Ingeniera de Petrleos. Directora de Escuela: Dra.Zuly Imelda Caldern.


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SUMMARY

TITLE: ELECTRO SUBMERSIBLE PUMPING. DESCRIPTION, DESIGN AND MONITORING.

AUTHOR: FREDY ALONSO PEA SUESCN KEY WORDS: Electro Submersible Pumping, Artificial Lift, Design, Description, Monitoring,InterACT.

Almost the whole of the oil wells flow naturally, when they start their period production. During thistime the pressure of the reservoir provides sufficient energy to raise fluid until the surface.

After a few times this pressure is not the same, it drops dramatically inside the reservoir, so that theproduction will be affected by the lack of energy. This is the moment to apply a method that can liftthe fluid artificially.

A lifting artificial system offers energy necessary to extract the fluid, when there is not potency totake the oil out of the surface.

One of these methods is the electro submersible pumping, which constitutes operating a centrifugalbomb. That system produces energy to make the fluid began to flow from the well.

That project holds a detail description of the main characteristics of the equipments used for theoperation of electro submersible pumping. This work was done with the sole purpose of improvingknowledge from this technology, used widely for extraction operations. That piece of work showsthe principal component extraction and gives a short explanation of its functions. Also, the paperbrings general parameters to design and to illustrate with a pumping electro submersible system. Inthis case, it is necessary to mention the use of monitoring satellite, INTERACT, used by themultinational corporation Schlumberger, in order to control and to monitor all the electrosubmersible pumping systems.

Project of Degree Faculty of Engineering Physical - Chemistry

School of Petroleum EngineeringManager of School: Dra. Zuly Imelda Caldern


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INTRODUCCIN

En un pozo que fluye naturalmente y suficiente energa almacenada en elyacimiento para que el hidrocarburo llegue a superficie sin la intervencin deningn otro mecanismo. La energa encargada de levantar el fluido hasta lasuperficie es la presin del yacimiento. Cuando esta presin es tan baja que elpozo no puede fluir o cuando la rata de volumen de produccin deseado es msgrande que la que la energa del yacimiento puede suministrar, se hace necesarioutilizar un levantamiento artificial.

Un levantamiento artificial es un mecanismo utilizado para lograr la recuperacinde fluidos de un pozo despus de que ste no puede producir dichos fluidos consu propia energa.

Un tipo particular de levantamiento artificial es el Bombeo Electrosumergible(BES), que se basa en la utilizacin de bombas centrfugas que por medio de surotacin le imprimen al fluido la energa necesaria para que este alcancesuperficie.

Este libro consigna algunas generalidades acerca de la descripcin,funcionamiento, diseo y monitoreo de una unidad de bombeo electrosumergible,obtenidas por el autor en su prctica empresarial realizada con la compaaSchlumberger Surenco, en la lnea de levantamiento artificial en la ciudad deNeiva.


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1. CONCEPTOS BASICOS

1.1 PROPIEDADES DE LAS ROCAS EN LOS YACIMIENTOS

1.1.1 Porosidad. Porcentaje o fraccin de espacios vacios en el volumen total deroca. La porosidad de las rocas en los yacimientos debe ser determinada pormedida directa sobre muestras de corazones en el laboratorio o estimada in situpor medio de anlisis de registros.

Figura 1. Representacin grfica de la porosidad.

Fuente: SCHLUMBERGER-ARTIFICIAL LIFT

Porosidad Primaria. Se refiere a los espacios vacos presentes despus de lasedimentacin de granos y por lo tanto es la porosidad de la matriz.

Porosidad secundaria. Espacios vacos debidos a huecos, cavernas, fracturas yotras discontinuidades en el volumen total de la roca.

Porosidad dual. Sistemas que presentan porosidad primaria y secundaria, consistemas interconectados de porosidad secundaria. Grficamente se podra ver dela siguiente manera:


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Figura 2. Representacin grfica de la permeabilidad dual.


1.1.2 Permeabilidad. Es una medida que especifica la capacidad de flujo dentrode la roca. Se determina por medio de experimentos de flujo en el laboratorio.Tambin se puede ver la permeabilidad como la continuidad de los espaciosporosos en una roca. Henry Darcy por medio de la experimentacin desarroll unaecuacin diferencial que mide la permeabilidad con respecto a un flujo dado:

L P

Q

*= .Ecuacin 1.1

Donde:

Caudal Q

esindeGradiente L P

idad Vis

dad Permeabili

=

=

==

Pr

cos

Las unidades utilizadas en la anterior ecuacin deben estar en el mismo sistemade medida.


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Figura 3. Unidades de la permeabilidad.


Permeabilidad Absoluta (K.) Permeabilidad medida cuando un fluido estsaturando el 100% del espacio poroso.

Permeabilidad Efectiva (Ke). Permeabilidad medida cuando el espacio porosoest siendo ocupado por ms de un fluido. Siempre es menor que lapermeabilidad absoluta de la roca.

Permeabilidad Relativa (Kr). Relacion entre la permeabilidad efectiva y lapermeabilidad absoluta de una roca. Se define como:

er = .Ecuacin 1.2

-Factores que afectan la permeabilidad.

Tamao de grano. El tamao de grano est relacionado directamente con lacapacidad de flujo en la roca. Una roca que est conformada por granos queposean un tamao considerable, puede presentar una mayor permeabilidad,permitiendo un flujo fcil de fluidos. Por el contrario, una roca con granos


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pequeos, presentara baja permeabilidad, y por lo tanto los fluidos no se

desplazaran fcilmente.

Figura 4. Efecto del tamao de grano sobre la permeabilidad.


Cambios de estratificacion. Un cambio de estratificacin abrupto actua comouna barrarera de flujo:

Figura 5. Efecto del cambio de estratificacin sobre la permeabilidad.


1.1.3 Saturacin. Es la medida del espacio poroso que est siendo ocupado porun fluido. Durante la depositacin, las rocas del yacimiento estn totalmentesaturadas de agua, llamada agua connata. Como los hidrocarburos migran y sedepositan en estas rocas, una porcin de esta agua es desplazada, quedando elespacio poral ocupado por 2 tipos de fluidos, agua y aceite. Si hay presencia de


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gas en el yacimiento, el espacio poral estar ocupado por tres fluidos. Se pueden

definir en este caso tres tipos de saturaciones:

Saturacion de agua (Sw) . Fraccin que representa el volumen de aguacontenido en el espacio poroso. Es la relacin entre el volumen de agua y elvolumen total de espacio poroso.

Saturacion de aceite (So) . Fraccin que representa el volumen de aceitecontenido en el espacio poroso.

Saturacion de gas (Sg) . Cuando en el yacimiento hay presencia de gas, sepuede presentar otro tipo de saturacin, la saturacin de gas. Esta saturacin sedefine como la fraccin que representa el volumen de gas contenido en el espacioporoso.

La suma de las saturaciones de los fluidos presentes en el espacio poral debe ser

igual a la unidad, as:

Sw + So + Sg = 1.Ecuacin 1.3


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Los sistemas de levantamiento artificial se distinguen por que ellos mismosmantienen la presin y adicionan energa a los fluidos producidos en el pozo; estaenerga no es suministrada por el yacimiento.

Los siguientes tipos de levantamiento artificiales estn comnmente disponibleshoy:

Bombeo mecnico

Cavidades progresivas

Gas Lift

Bombeo hidrulico

Bombeo Electrosumergible.

El bombeo mecnico, el electrosumergible y las cavidades progresivas estnbasados en la accin de bombas, levantando los fluidos a superficietransfirindoles energa mecnica.

El bombeo hidrulico entrega energa a los fluidos producidos mezclndolos con

un fluido de potencia.

El gas lift adiciona energa al sistema introduciendo en l gas que disminuye elpeso de la columna hidrosttica, haciendo que el fluido pueda ser levantado.


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2.1 BOMBEO MECNICO.

Figura 6. Bombeo mecnico.


El principio de este sistema es el funcionamiento de una bomba dedesplazamiento positivo en fondo que es accionada desde superficie por medio deuna sarta de varillas y un sistema reciprocante.

El sistema utiliza una bomba vertical que consiste en un cilindro y un mbolohueco con una vlvula. La bomba va dentro de la sarta de tubera y va conectadacomo componente final de esta. El sistema se acciona desde superficie medianteun motor que mueve un balancn o un elevador hidrulico.


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El ciclo del bombeo puede ser fragmentado de la siguiente manera:

Durante el golpe ascendente del mbolo la vlvula viajera esta cerrada. Lacolumna de lquido correspondiente al golpe ser levantada a superficie, mientrastanto se alivia el peso del fluido y la presin de la zona productora podr entoncesabrir la vlvula fija, permitiendo de esta manera que el barril de la bomba se llenede efluente.

Durante el golpe descendente del mbolo la vlvula de mbolo hueco se abre y lavlvula fija se cierra, evitando de este modo que el fluido retorne a la zonaproductora y permitiendo que el mbolo retorne libremente a su punto inicial en labase del barril de la bomba.

Figura 7. Funcionamiento de la bomba de fondo.


Como funciona la bomba de fondo

Bola y silla

Niple de asentamiento

Valvula fija cerrada

Barril

Valvula viajera abierta

Embolo moviendose hacia abajo

Tubing

Jaula

Embolo moviendose haciaarriba


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2.1.1 Componentes

Motor. Puede ser elctrico o de combustin interna, su funcin es imprimirmovimiento a la unidad de bombeo. Su requerimiento de potencia depender de laprofundidad y de otras caractersticas propias del pozo.

Estructura. Comprende la Base de la Unidad, el Poste Maestro y el Balancn. Caja Reductora. Su funcin es reducir la alta velocidad y bajo torque del motora las revoluciones de trabajo y alto torque de la Unidad de Bombeo.

Contrapesas. sirven para balancear o contrarrestar el peso de las varillas ms lacolumna de lquido.

Crack. Recibe el movimiento rotatorio del eje de baja velocidad de la CajaReductora.

Brazos o Bielas. Transmiten el movimiento del Crank hacia la BarraEscualizadora.

Cojinetes. (Central y Lateral), el primero transmite el movimiento entre entre elPoste Maestro y el Balancn y el segundo transmite el movimiento entre elBalancn y las Bielas a travs de la Barra Escualizadora.

Cabezal. Ubicado en uno de los extremos del balancn y mantiene la barra lisaverticalmente por medio de su curvatura que es un segmento de un crculo.

Guaya. Sirve para unir el Cabezal con la Barra Lisa. Aguila. Es un bloque de hierro que va unido a la guaya y de donde cuelga labarra lisa.

Freno. Sirve para posicionar el balancn en un punto deseado despus de quitarel movimiento que le imprime el motor a la Unidad de Bombeo.

Barra Lisa. Se conecta siempre con la parte superior de sarta de varillas yconsiste en una barra pulida, la cual hace sello con los empaques de la caja deempaques para que no ocurran escapes de crudo.

Caja de Empaques. Es una conexin que se emboca en la T de Produccin ysirve para evitar escapes de crudo por el movimiento ascendente y descendentede la Barra Lisa.


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T de Produccin . Une la sarta del Tubing, la Caja de Empaques y la Lnea de

Flujo por donde viaja el crudo hacia la batera de produccin.

2.1.2 Tipos de unidades de bombeo. El Instituto Americano del Petrleo (API)identifica, de acuerdo con la geometra y forma de la estructura, tres clases deunidades de bombeo mecnico:

Sistema Clase I . Est conformado por la unidad de bombeo mecnicoConvencional. Esta especifica que el punto de soporte del balancn sea centralcon la conexin de la caja reductora, el contra-balance en un extremo y el cabezalde la sarta de varillas en el otro extremo.

Sistema Clase II. Incluye la unidad Mark II y la Unidad Balanceada por Aire.Esta geometra especifica que el punto de soporte del balancn est en un extremoy el cabezal en otro extremo. El contrabalance se ubica entre los dos puntosanteriores. El API no especifica equidistancias entre los puntos crticos

mencionados. La unidad Mark II fue diseada para optimizar el comportamiento dela bomba de subsuelo, dando mayor eficiencia al sistema completo. Esta unidadrequiere ms contrabalanceo debido al grado de desfase en la manivela que varaentre 18 a 28 grados. La unidad Balanceada por Aire, tiene la ventaja, de ser mscompacta y menos pesada que las otras geometras, tambin se presta pararecorridos largos con diseos especiales; la unidad se balancea con cambios depresin del cilindro de aire, se puede proveer mucho contrabalanceo con

relativamente pequeos aumentos de presin.

La unidad de Bajo Perfil. Fue diseada para estar en reas urbanas o encampos donde el tamao de una unidad convencional o Mark II es inapropiado ydifcil de manejar. Estas unidades surgieron por la necesidad de espacio de lasciudades que crecieron alrededor de los campos petroleros.


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2.1.3 Ventajas. Este sistema ofrece la posibilidad de producir el pozo a la mxima

capacidad de aporte y no requiere altos valores de presin de entrada a la bombapara tomar fluido. Es un sistema muy conocido por el personal de operadores,usualmente no es costoso. El sistema se acomoda rpidamente a los cambios devolumen y puede operar a altas temperaturas sin problema. Una ventajaimportante es que permite realizar un diagnstico rpido y existe gran variedad deherramientas de lecciones aprendidas

2.1.4 Desventajas. El volumen mximo que puede manejar decrece con laprofundidad, este sistema presenta problemas en presencia de gas libre y enambientes corrosivos, genera reparaciones frecuentes y es difcil su aplicacin enpozos desviados.

2.2 BOMBA DE CAVIDADES PROGRESIVAS (PCP)

La PCP es una bomba de desplazamiento positivo y est basada en la invencinde Rene Moineau La Bomba de tornillo Helicoidal. Este invento se aplica desde1950 en motores de perforacin o taladros. Y se inicia su aplicacin en laproduccin de petrleo como un mtodo de levantamiento artificial a inicios de ladcada de los 80s.

2.2.1 Fabricantes. Los principales fabricantes de este tipo de bombas son: Weatherford Monoflo Netzsch (Alemania) KUDU/PCM Moineau (Canad-Francia) Robbins & Myers (a Schlumberger Company) EMIP Francia


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2.2.2 Principio de Operacin. El desplazamiento positivo de la bomba en fondo

es aplicado desde superficie a travs de una sarta de varillas estndar.

2.2.3 Bomba. La bomba en fondo consiste de dos hlices: el rotor que es unahlice externa sencilla con seccin transversal redonda que cuelga y a la vez esaccionada por la sarta de varillas. El estator que es una hlice doble que cuelgade la tubera de produccin.

2.2.4 Equipo de Superficie. El equipo de superficie consiste del sistema derotacin, del acople y de la cabeza de rotacin. Estos componentes estnmontados directamente sobre el cabezal del pozo.

Figura 8. Configuracin tipica de una PCP.


CONFIGURACION TIPICA DE UNA PCP

VARILLAS

TUBING

CASING

ROTOR

CENTRALIZADOR

ESTATOR

BARRA DE PARO

COLA DE TUBERIA(opcional)

VARILLAS

TUBING

CASING

ROTOR

CENTRALIZADOR

ESTATOR

BARRA DE PARO

COLA DE TUBERIA(opcional)

SISTEMA DEACCION

ACOPLE

DRIVE HEAD

LINEA DE FLUJO

CABEZA DE POZO

VARILLAS


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2.2.5 Sistema de rotacin de superficie. Este consiste de un motor primario, del

reductor de velocidad y de la cabeza de rotacin. El motor primario, usualmente unmotor elctrico acciona la sarta de varillas por medio de un reductor de velocidad.Existen varias clases de reductores de velocidad tales como:

Reductor de giro Correa de rotacin Combinacin de correa de rotacin y reductor de giro Combinacin de variador de rotacin y reductor de giro

Figura 9. Sistemas de mocin para PCP.


2.2.6 La cabeza de rotacin. Est encerrada dentro de una carcaza de acero.La carcaza est integrada con el eje de rotacin y con una pareja de cojinetespara soportar las varillas y la cabeza hidrulica, otro juego de cojinetes paraasegurar la correcta alineacin del eje de rotacin y juegos de empaques para

EJEMPLOS DE SISTEMAS DE MOCIONPARA SISTEMAS PCP

MOTOR ELECTRICO

REDUCTORDE GIRO

ACOPLE DEL ENSAMBLE

CABEZA DEMOCION

CORREA DEMOCION


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aislar mediante sello la cabeza del pozo de la cabeza de rotacin. La sarta que

une al eje de rotacin con el motor en fondo es una sarta de varillas estndar.

2.2.7 Rotor. Es un tornillo sin fin elaborado en acero inoxidable de caractersticasespeciales para hacerlo resistente a la abrasin. Su diseo permite ellevantamiento del fluido.

2.2.8 Estator. Es un moldeado de precisin de un elastmero el cual estadherido a un tubo de acero la carcaza de la bomba.

2.2.9 Ventajas. Las principales ventajas de este sistema son:

Puede manejar fluidos de baja y alta viscosidad. Se han producido fluidos deviscosidades hasta de 20,000 cP a 40 C con este sistema.

Puede manejar fluidos con arena o slidos abrasivos. Maneja fluidos en dos fases sin presentar bloqueo por gas.

Fcil reemplazo de la sarta de varillas y econmico. Ms econmicos los costos de operacin que el bombeo mecnico. Bajo perfil en superficie Menos vibracin menos ruido. Con motor en fondo, til para aplicar en pozos altamente desviados. Bajo consumo de potencia elctrica.

2.2.10 Desventajas. Algunas desventajas de este sistema son: Mxima temperatura 250 F. Debido al hinchamiento del elastmero no es estable para crudos livianos. Sensible a presencia de aromticos y H 2S. Bajos volmenes de produccin. Aplicaciones no muy profundas.


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2.3 GAS LIFT.

Figura 10. Diagrama sistema gas Lift.


El sistema Gas Lift es el segundo sistema de levantamiento artificial mscomnmente utilizado en la actualidad. Su uso no es muy comn costa afueradebido a las limitaciones de espacio y a los requerimientos de una vlvula deseguridad en superficie.

Gas lift es una tcnica de produccin por levantamiento artificial que se usa paralograr que un pozo que no fluye o que tiene produccin insuficiente fluya pormedio de la disminucin de la contra presin hidrosttica entre el fondo y


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superficie. Esto se hace inyectando gas en la base de la sarta de produccin y su

objetivo es aliviar la densidad de la columna de lquido disminuyendo la presinhidrosttica. Esta inyeccin se realiza en etapas desde el tope hasta el fondo pormedio de vlvulas de gas lift hasta que todo el lquido se remueve y el pozo fluye.

Las ventajas principales del sistema de Gas Lift son que con la presencia de gasen el fluido del yacimiento ayuda a levantar el fluido, sin necesidad de bombas.Este es mtodo de alta produccin en cuanto a volumen. El equipo puedecentralizarse al mximo. Se puede manejar la presencia de arena o slidos. Lavlvula se puede remover por medio de wireline. El sistema posee pocas partesmecnicas en fondo y requiere pocos trabajos de mantenimiento. Adems es unaexcelente aplicacin en pozos desviados.

Aun as tiene ciertas desventajas, como que no se puede lograr la mximaproductividad del pozo (pumping off). La mnima presin de produccin en fondose hace mayor en funcin de la profundidad y el volumen que se desee obtener,

se debe contar con una fuente de gas, la ubicacin y seleccin del equipo desuperficie puede llegar a ser muy complejo y se requiere un compresor; en casoque se cuente con gas corrosivo este debe ser tratado previamente a la inyeccinpara prevenir daos en la tubera.

Se puede hacer una clasificacin de este sistema de levantamiento de acuerdo asu mtodo de inyeccin, su Circuito de inyeccin en superficie y al tipo de

completamiento del pozo al que se aplica.

2.3.1 Mtodo de inyeccin. El gas se puede inyectar de forma continua ointermitente.

Gas Lift Continuo. Se inyecta gas natural a una presin y tasa dada en la basede la sarta de produccin. Esto hace que la densidad del fluido en la tubera se


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aligere y permita que la mezcla de los dos fluidos alcance la superficie. Logrando

as, que el pozo fluya.

Gas Lift Intermitente . Se inyecta un volumen de gas presurizado a una tasa altaen la parte ms baja de la sarta de produccin. Esto despeja hacia superficie elvolumen de lquido que ste contiene. Como resultado, la presin en la zonaproductora se reduce y se genera el flujo. El lquido acumulado sobre el punto deinyeccin ser vaciado en la misma forma.

Figura 11. Gas lift continuo e intermitente.


GasInyectado

GasInyectado

(a) Gas Lift Continuo (b) Gas Lift Intermitente

GasInyectado

GasInyectado

(a) Gas Lift Continuo (b) Gas Lift Intermitente


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2.3.2 Circuito de inyeccin en superficie. Generalmente el gas utilizado viene

del gas producido del yacimiento (GOR) o de pozos de gas que estn disponiblesy que estn cerca. Por tanto se puede contemplar dos circuitos de inyeccin:

Circuito cerrado . Este significa que el gas que ser usado es recobrado delseparador. Despus de experimentar los procesos pertinentes (Extraccin degasolina, deshidratacin, des-endulzamiento, etc), ste es comprimido por unaserie de compresores y reinyectado a los pozos.

Circuito abierto. Este tipo de circuito involucra el gas procesado de unyacimiento de gas y se quema o se vende una vez se utilice. Hay pozos que pueden producir por s mismos bajo el efecto de Gas Lift. El aceitedel yacimiento es levantado a superficie mediante el gas de formacin del mismoyacimiento.

Figura 12. Circuito cerrado. Gas lift.


2.3.3 Tipo de completamiento. Gas Lift se puede usar con completamientossencillos o mltiples y la produccin del pozo puede ser:


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Directa . Inyeccin a travs del revestimiento, produccin a travs de la sarta de

produccin

Figura 13. Pozo que fluye naturalmente bajo el efecto de gas lift.


Inversa. Inyeccin por la sarta de produccin con produccin a travs delrevestimiento.


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AB

C

D

E

AB

C

D

E

2.4 BOMBEO HIDRULICO

Los sistemas de bombeo hidrulico transmiten potencia al fondo del pozo pormedio de la presurizacin de un fluido de potencia en la tubera que va hacia elwellbore.

2.4.1 Componentes. Los componentes principales del sistema de bombeohidrulico son:

A: Tanque para el fluido de potencia.B: Unidad Bombeo del fluido de potencia en superficie.C: Sistema de recoleccin.D: Vlvula de control en cabeza.E: Motor y bomba de fondo.

Figura 14. Componentes de un sistema de bombeo hidrulico.



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2.4.2 Tipos de Sistemas de Bombeo Hidrulico

Bombeo hidrulico tipo pistn. La bomba de pistn es una bomba dedesplazamiento positivo y consiste de dos secciones, el motor y la bomba. Elmotor es accionado por medio de un fluido de potencia desde superficie.

Existen tres configuraciones del sistema de bombeo hidrulico tipo pistn: Sistema de fluido de potencia cerrado Sistema de fluido de potencia abierto Sistema de fluido de potencia abierto con bomba libre.

Figura 15. Configuraciones del sistema de bombeo hidraulico tipo pistn.


Bombeo Hidrulico Tipo Jet . En el bombeo tipo Jet el fluido de potencia entra aalta velocidad para mezclarse con el fluido del pozo y levantarlo hacia la superficiepara luego ser separados. Hay dos clases de bomba tipo Jet,

Inyeccin de fluidode potencia

Retorno del fluidode potencia

Produccin

(A)Sistema de fluido

de potencia cerrado

Produccin y retorno

Inyeccin del fluidode potencia Produccin y

retorno

Bomba

Motor

Inyeccin del fluidode potencia

(B)Sistema de fluido

de potencia abierto

(C)Sistema de fluido

de potencia abiertoCon bomba libre

Bomba Bomba

Motor Motor


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Fija al revestimiento . Este tipo de bomba se fija al revestimiento mediante un

empaque.

Fija a un inserto . Este tipo de bomba se fija a un inserto que hace parte delequipo de fondo.

Figura 16. Tipos de bombas en el bombeo hidraulico tipo JET.


2.5 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE

Este es el tipo de levantamiento en el cual se va a centrar este trabajo. Acontinuacin se va a desarrollar el tema de una manera ms amplia.


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3. CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD

3.1 DISTRIBUCIN ELCTRICA

La mayora de estaciones usan la energa hidrulica de una cabeza de agua, laenerga del calor producida por el uranio o la quema de combustibles fsiles comoel carbn, el petrleo, o el gas natural, para producir vapor y as manejar unaturbina acoplada a un generador.

El generador AC es el ms importante medio para la produccin de electricidad.Todos los generadores elctricos dependen de la accin de una bobina a travsde un campo magntico o viceversa para su operacin. Si hay movimiento relativoentre un conductor y un campo magntico, se generar un voltaje. Por

consiguiente, el generador convierte la energa mecnica en energa elctrica lacual es luego direccionada al consumidor por el sistema de transmisin ydistribucin. La corriente alterna es ms adecuada para transmisin de largadistancia debido a que puede ser fcilmente generada de bajos a moderadamentealtos voltajes. Puede entonces elevar el voltaje a valores muy altos adecuados para una transmisin eficiente, y despus el voltaje puede ser reducido a un valoradecuado para uso general por medio de equipos conocidos como

transformadores. Entre mayor el voltaje o presin, menor el alambre requeridopara llevar una cantidad dada de energa elctrica, de aqu, la ventaja de latransmisin de alto voltaje. Para mejorar el entendimiento de los principios de lageneracin y el sistema de distribucin de la energa elctrica a continuacin serevisaran algunos fundamentos bsicos de electricidad.


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3.2 VOLTAJE (V)

Debido a que los electrones estn normalmente distribuidos equitativamente enuna sustancia, se requiere una fuerza o presin llamada fuerza electromotriz paradesprenderlos de los tomos y hacerlos fluir en una direccin definida. Esta fuerzaes frecuentemente llamada tambin potencial elctrico o voltaje. La unidad para lamedicin de esta fuerza electromotriz es el voltio.

3.3 CORRIENTE (I)

Cuando un potencial o voltaje de suficiente fuerza es aplicado a una sustancia,causa el flujo de electrones. Este flujo de electrones es llamado una corrienteelctrica. La tasa de este flujo de corriente es medida en amperios. Un amperio es

la tasa de flujo de corriente elctrica representado por el movimiento de unacantidad de electrones por segundo.

3.4 RESISTENCIA (R)

La resistencia puede ser comparada con la friccin encontrada por un flujo deagua a travs de una tubera. Una tubera recta, lisa por dentro, conduce el aguacon poca prdida de presin. Si la tubera es rugosa dentro y tiene muchas curvasla prdida de presin ser alta y la tasa de flujo ser muy reducida. Similarmente,un material que tenga baja resistencia permite a la electricidad fluir con pequeasprdidas de voltaje; un material con alta resistencia causa una correspondiente


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gran cada en el voltaje. La energa usada para vencer la resistencia es convertida

a calor.

3.5 LEY DE OHM

El voltaje requerido para hacer fluir una corriente depende de la resistencia delcircuito. Un voltaje de un voltio har fluir a un amperio a travs de una resistenciade un Ohm. Esta relaciones conocida como la ley de Ohm.

R V

=I Ecuacin 3.1

Donde: I = Corriente en amperiosV = Voltaje en Voltios

R = Resistencia en Ohms

3.6 ONDA SENOSOIDAL DE CORRIENTE ALTERNA

En un sistema AC de una sola fase, el voltaje y la corriente seguirn ms o menosuna onda senosoidal. Ellos incrementan de cero a un mximo en una direccin,luego disminuyen a cero, incrementan otra vez a un mximo pero en la direccinopuesta y disminuyen nuevamente a cero, completando con esto un ciclo de dosalternaciones y 360.


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Figura 17. Onda senosoidal de AC.


3.7 POTENCIA (P)

La potencia est definida como la energa necesaria para hacer un trabajo. Entrminos elctricos, representa la energa necesaria para mantener un flujo decorriente. La potencia elctrica se mide en Vatios, 746 equivalen a un caballo defuerza. Un vatio es una unidad muy pequea de potencia; por esto cuando se estehablando de la potencia requerida por motores, el termino kilovatio (KW) es usadosiendo un KW equivalente a 1000 vatios. Esta potencia verdadera es la cantidadde potencia realmente consumida en un circuito. En un circuito puramenteresistivo, cuando el voltaje y la corriente estn en fase, la potencia puede ser

definida como:

P = V * I Ecuacin 3.2Donde: P = Potencia en vatios

V = Voltaje en voltiosI = Corriente en amperios


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Un sistema de distribucin de electricidad AC trifsico, como el nombre lo indica,

tiene tres sistemas de electricidad AC de una sola fase. Estos sistemas de unasola fase estn espaciados de tal forma que el voltaje generado en cualquiera delas fases se ha desplazado 120 de las otras dos (figura 18). La potencia totalenviada por un sistema de tres fases balanceado es igual a tres veces la potenciaenviada por cada fase.

Figura 18. Ondas senosoidales para sistema trifsico AC.


Para obtener la corriente enviada a un motor de corriente alterna, no se puedesimplemente multiplicar los amperios efectivos por los voltios efectivos. Si elcircuito contiene inductancia y/o capacitancia y los circuitos del motor siempre lacontienen el producto de la corriente efectiva y el voltaje efectivo ser mayor quela potencia verdadera. Esta potencia aparente es medida en voltio-amperios o msfrecuentemente en una unidad mil veces mayor, los kilovoltio-amperio, usualmenteabreviada KVA.

3.8 FRECUENCIA (HERTZ)

Cuando un generador rota 360, una revolucin completa, el voltaje generadocomplet un ciclo. Si el generador rota a una velocidad de 60 revoluciones por


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segundo, el voltaje generado completara 60 ciclos en un segundo. Se puede decir

que el voltaje generado tiene una frecuencia de 60 ciclos o 60 Hertz.

La relacin entre frecuencia generada (F) expresada en Hertz (ciclos porsegundos) y la velocidad del rotor (N), expresada en rpm, y el numero de polos (P)en el motor, es dado en la siguiente formula:

120 NP

=F Ecuacin 3.3

3.9 INDUCTANCIA (L)

Muchos circuitos AC contienen bobinas, transformadores y otros aparatoselctricos que producen efectos magnticos. Cuando la corriente aumenta, el

circuito almacena energa en el campo magntico. Cuando la corriente disminuyeel circuito abandona esta energa del campo magntico. Por consiguiente estosefectos magnticos reaccionan sobre la corriente. Ellos retardan la corriente ycausan que est detrs de la onda de voltaje; en la figura 19 se puede ver que elvoltaje ha alcanzado su mximo y comenz a caer algn tiempo antes de que lacorriente alcance su mximo.

Figura 19. Efectos de la inductancia sobre la corriente



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Alguna corriente estar fluyendo en el circuito en el instante en que el voltaje es

igual a cero. Esta reaccin magntica es llamada inductancia y es medida enHenrys.

3.10 CAPACITANCIA (C)

Otra clase de influencia sobre la corriente alterna es causada por la presencia enel circuito de platos alternados de material conductivo separados por un aislante.Este aparato es comnmente conocido como un capacitor. Un capacitor tomaenerga del circuito para cargar sus platos y luego retorna esa energa al circuitocuando la carga es removida. Esta habilidad para acumular una carga al circuito ypara devolverla al mismo es llamada capacitancia. Esta reaccin es medida enFaradays. La capacitancia tiende a contrarrestar la inductancia en un circuito y estil para superar el retardo inductivo en la corriente inherente en la mayora de

motores de corriente alterna.

3.11 IMPEDANCIA (Z)

En un circuito AC la corriente est afectada por la resistencia, la inductancia, y la

capacitancia. La combinacin de dos o de todos los tres de estos efectos esconocida como impedancia de un circuito. La impedancia de un circuito es laoposicin total a un flujo de corriente. La unidad de medida de esta impedancia esel Ohm. La unidad para la medicin de muy bajas impedancias es el microOhm yes igual a una millonsima parte de un Ohm. La unidad para impedancias muyaltas es el Mega Ohm que es igual a un milln de Ohms.


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3.12 CONDUCTORES

Un conductor es una sustancia que permite a los electrones fluir libremente atravs de ella. Entre algunos de los materiales en donde los electrones fluyen masfcilmente estn: la plata, el oro, el cobre, el aluminio, el hierro y otros metales. Elalambre y los cables son las formas ms comunes de conductores.

3.13 AISLANTES

Un aislante es una sustancia a travs de la cual los electrones tienen muchadificultad para viajar. Tales materiales como el vidrio, ciertos plsticos, fibra ypapel seco no permiten que casi ningn electrn fluya a travs de ellos. Estosmateriales son llamados aislantes, no conductores o dielctricos. Cuando un

aislante es contnuo como por ejemplo alrededor de un alambre es comnmentellamado aislamiento.

3.14 FACTOR DE POTENCIA (PF).

El factor de potencia es la razn entre la potencia verdadera (KW) y la potenciaaparente (KVA); el factor de potencia puede ser definido como:

KVA KW

VaVatios

Aparente Potencia

Verdadera Potencia PF === .Ecuacin 3.4


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El Kilovatio de entrada a cualquier mquina puede ser encontrado multiplicando

los KVA de entrada por el factor de potencia:

KW = KVA * PF Ecuacin 3.5

El factor de potencia es igual a uno si el voltaje y la corriente alcanzan susrespectivos valores mximos simultneamente. Sin embargo, en la mayora desistemas de corriente alterna el voltaje alcanza su mximo valor en una direccindada antes de que la corriente alcance su mximo valor, entonces la corrienteestar retardada con respecto al voltaje. Este retardo puede ser medido engrados. Este retardamiento de corriente es causado por aparatos comotransformadores, motores de induccin, etc.

3.15 TRANSFORMADORES

Un transformador es un aparato por el cul el voltaje de un sistema de corrientealterna puede ser cambiado. Este consta de un ncleo de hierro rodeado porbobinas de alambre aislado. Usualmente el ncleo y las bobinas estn inmersosen aceite, el cual sirve como un aislante y ayuda a refrescar el transformador. Untransformador simple consta de dos devanados muy tensionados acoplados,usualmente con un ncleo de hierro, pero elctricamente aislados entre ellos. El

devanado en el cual una fuente de voltaje AC es aplicado, es llamado el primario.Este genera un campo magntico el cual corta a travs de las vueltas del otrodevanado, llamado el secundario y genera el voltaje en l. Los devanados noestn fsicamente conectados entre s; sin embargo, ellos estn magnticamenteligados. De esta forma, un transformador transfiere potencia elctrica de unabobina a otra por medio de un campo magntico alternante. Asumiendo que todaslas lneas magnticas de fuerza del primario cortan a travs de todas las vueltas


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del secundario, el voltaje inducido en el secundario (Vs) depender en la razn del

nmero de vueltas en el secundario (Ns) al nmero de vueltas en el primario (Np).Esto es matemticamente expresado como:

Vp* Np Ns

=Vs .Ecuacin 3.6

El voltaje cambia en proporcin exacta al nmero de vueltas en cada devanado.Por ejemplo, si el devanado de alto voltaje tiene 1000 vueltas y es conectado a uncircuito de 4160 voltios, un devanado de bajo voltaje de 100 vueltas proveer 416voltios.En un autotransformador hay solamente un devanado, parte de el siendo paravoltaje bajo y todo estando conectado en el circuito de alto voltaje. En estetransformador el circuito de alto voltaje no est aislado del de bajo voltaje.

Figura 20. Transformadores

a) Transformador simple b) Auto TransformadorFuente: SCHLUMBERGER-ARTIFICIAL LIFT

Un transformador no genera potencia elctrica; simplemente transfiere potenciaelctrica de un devanado a otro por induccin magntica. Aunque lostransformadores no son 100% eficientes estn muy cercanos a esto.

Debido a que la potencia es igual al voltaje por la corriente (VI), si Vp Ip representala potencia primaria y Vs Is representa la potencia secundaria, entonces la


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potencia primaria es igual a la potencia secundaria. Expresando estas

afirmaciones en forma de ecuacin para un transformador 100% eficiente,tenemos:

Vp Ip = Vs Is .Ecuacin 3.7

Los dos mtodos ms importantes de conectar aparatos AC trifsicos,particularmente generadores y transformadores, son por conexiones Y y Delta.Estas conexiones tomaron sus nombres debido a que ellas se asemejan a la letracomn Y y la letra griega delta ( ), respectivamente. La figura 21 ilustra losdevanados en conexiones Y y .

La corriente alterna trifsica es producida por generadores que tienen tresdevanados. Como se mencion previamente estos devanados ocupan posicionestales que el voltaje producido en cada devanado est desplazado 120 elctricosde los voltajes producidos por los otros dos devanados. Los grados elctricos

difieren de nuestro usual concepto de grados. Un generador de cuatro polos porejemplo, producir dos ciclos 720 grados elctricos, para una sola revolucinmecnica (360 grados) de su rotor.

Figura 21. Devanados en conexiones Y y Delta



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Para conexiones delta, el voltaje de la lnea es igual al voltaje producido en

cualquiera de los tres devanados, asumiendo que el sistema est sin cargas quela carga est igualmente distribuida entre las tres fases. Para una conexin Y, elvoltaje de la lnea es mayor que el voltaje producido en un devanado de 1,732veces. Este factor es derivado vectorialmente adicionando los voltajes producidosen los tres devanados. En un sistema balanceado, la corriente en un sistema Y esigual a la corriente en cada devanado. En el sistema delta, sin embargo, lacorriente de la lnea es 1.732 veces la corriente en cada devanado de un sistemabalanceado.

Un transformador trifsico puede ser conectado en Y o en configuracin delta. Laconexin Y enva ms voltaje y menos corriente. Una conexin delta paratransformadores tiene la importante ventaja que la potencia de tres fases puedeser enviada usando solamente dos transformadores, aunque sacrificandoconsiderablemente la capacidad. Los transformadores conectados en lo que esllamado un delta abierto, pueden enviar solamente 57.7% de la potencia de tres

transformadores conectados en un delta cerrado.

La conexin Y produce un voltaje mayor que la conexin delta, lo cual es algunasveces una ventaja considerable.

3.16 MOTORES ELCTRICOS

Los motores elctricos usados en operaciones de bombas electrosumergibles sonnormalmente de dos polos, 3 fases, jaula de ardilla, de tipo induccin. Estosmotores trabajan a algo menos de 3600 rpm en sistemas de 60 Hertz. El voltaje dediseo y operacin de estos motores puede ser tan bajo como 230 voltios tanalto como 5000 voltios. Los requerimientos de amperaje pueden ser de 12 a 200


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amperios. Los motores de tres fases tienen tres devanados separados, uno para

cada fase, distribuidos uniformemente alrededor de una circunferencia interior deuna pila cilndrica de lminas de acero. Los devanados y las laminaciones apiladasson conocidos como el ESTATOR.

Dentro de la circunferencia interna del estator est localizado lo que es llamado unROTOR. El rotor es tambin hecho de una pila cilndrica de lminas de acero conun espacio libre mecnico entre el diametro externo del rotor y el diametro internodel estator. Este espacio libre es conocido como la brecha de aire. La brecha deaire es requerida para prevenir frotamiento entre los dos miembros; esta brechaest llena de aceite para lubricar los cojinetes y remover el calor que es generado.Esta brecha de aire es optimizada para asegurar un intercambio entre la friccin yla prdida de fluido en la brecha de aire y la potencia requerida para manejar lapotencia magntica a travs de la brecha de aire al rotor.

Los devanados del estator estn conectados a una fuente de voltaje trifsica

alterna la cual causa una corriente de tres fases en el estator produciendo uncampo magntico senosoidal en la brecha de aire. El campo magntico rotante enla brecha de aire causa que una corriente fluya en las barras del rotor, lo cualresulta en un torque enviado por el rotor y de este modo realizando una rotacin.Para que la corriente est fluyendo en el rotor, es necesario tener movimientorelativo entre el campo magntico transmitido en la brecha de aire y el rotor. Lavelocidad transmitida del campo magntico en la brecha de aire est dada por la

expresin:

Pf *120

= N .Ecuacin 3.8

Donde: N = Nmero de revoluciones transmitidas por minutoF = FrecuenciaP = Nmero de polos en el motor


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Los motores de induccin de jaula de ardilla son unos de los ms simples en

construccin y los ms confiables, principalmente debido a que no hay ningunaconexin elctrica para el rotor. Adems de ser uno de los ms confiables estambin uno de los motores ms eficientes. Todos los motores de induccin de

jaula de ardilla tienen nombre de placa, el cual, como un mnimo indica sus HPestimados, voltaje estimado y corriente estimada.

El principal factor en la determinacin de la clasificacin del motor es sutemperatura de operacin. La temperatura de operacin es determinada por lasprdidas del motor y por que tan efectivo es el fludo que pasa alrededor de lasuperficie externa del motor en remover el calor, como tambin la temperatura defondo. Algunas caractersticas para tener en cuenta son:

Voltaje de placa . Es el voltaje que aparece en los terminales del motor paragenerar los HP estimados. Debe ser tenida en cuenta una tolerancia paracontrarrestar la cada de voltaje del cable y para determinar el voltaje apropiado de

superficie. Un motor operando a voltaje de placa para su carga estimada total,estar operando a una corriente mnima para la carga estimada, la cualcorresponde a la eficiencia mxima del motor, tambin como las prdidas en elcable mnimas. En otras palabras, maximizando la eficiencia del sistema.

Corriente de placa. Es la corriente que el motor demandar cuando opera alos HP y al voltaje de placa. Si la corriente es menor que la corriente de placa

significa que el motor no est totalmente cargado. De otra forma, si la corrienteexcede la corriente de placa, el motor est sobrecargado o el voltaje de la terminales incorrecto, ambas. Sin embargo, cuando el sistema es primero energizado noes inusual para el motor llevar corriente que exceda la corriente de placa, comoparticularmente en casos donde se produce arena. En este caso, es recomendadoque el sistema sea dejado energizado de 2 a 3 horas y si las condiciones sobre


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corriente todava persisten, el fabricante deber ser contactado para determinar si

es aconsejable la operacin continua.

Torque estimado del motor. Es el valor de torque que el motor producircuando est totalmente cargado a su velocidad estimada. La relacin de torquecon otras variables se presenta a continuacin:

N252.5*HP

= Ecuacin 3.9

Donde: = Torque del motor (lb*ft)HP = Caballos de fuerzaN = Velocidad estimada del motor (rpm)

Eficiencia del motor. Es la relacin de la potencia de salida con la potencia deentrada y es usualmente expresada como un porcentaje. Para calcular la potencia

de entrada y de salida en el motor, se utilizan las siguientes ecuaciones:

252.5I* N

=HP=HPsalida .Ecuacin 3.10

746cos*I*V*732.1

=HPentrada Ecuacin 3.11

Donde: V = Voltaje en las terminales del motor

I = Corriente de la lneaCos = Factor de potencia del motor

La eficiencia de los motores electrosumergibles est entre 80 a ms de 90% alvoltaje y la carga estimada. La eficiencia del motor variar con la carga.


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4. COMPONENTES DEL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE

Figura 22. Componentes del sistema Electrosumergible.


En 1930 Armais Arutunoff, el inventor del motor sumergible, fund Reda, la

compaia lider en levantamiento artificial Electrosumergible. Hoy en da, Reda esparte de la familia Schlumberger, quien ha seguido con la tradicin y la excelentelabor realizada por el principal proveedor mundial de sistemas de bombeoelectrosumergible para bombeo de agua, aceite y aplicaciones industriales.

Transformadores

Perforaciones

Protector

Entrada de la Bomba

Bomba

TubingValvula Checke (opcional)Valvula de drenaje (opcional)

Casing

MotorPothead

Empalme al Flat del motorFlat cable del motor

Cable Primario

Produccin

CabezlCaja de

Conexiones

Controlador delMotor

Transformadores

Perforaciones

Protector

Entrada de la Bomba

Bomba


Casing

MotorPothead


Cable Primario

Produccin

CabezlCaja de

Conexiones


Perforaciones

Protector

Entrada de la Bomba

Bomba


Casing

MotorPothead


Cable Primario

Produccin

CabezlCaja de

Conexiones



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Existen ms de 15,000 instalaciones de sistemas de bombeo electrosumergible en

ms de 100 pases. Estos sistemas en total levantan 1 de cada 12 barriles depetrleo producido en el mundo.

Los equipos para bombeo electrosumergible cubren un rango de revestimientostan pequeos como 4 1/2 pulgadas con tasas de produccin de 100 BOD hasta100.000 BPD, en pozos con revestimiento de 13 3/8 pulgadas. Dependiendo delas condiciones de la aplicacin, se cuenta con sistemas de bombeo paratemperaturas de fondo (BHT) desde 50 F hasta 500 F, adems de sistemasresistentes a la abrasin.

Las potencias disponibles de los motores en las diferentes series van desde 7.5Hp hasta 1.170 Hp a 60 Hz.

Los componentes del sistema de bombeo electrosumergible se pueden combinarde diferentes formas para satisfacer las necesidades especficas en ciertas

aplicaciones especiales, lo que hace que este tipo de levantamiento sea muyflexible.

El esquema general del equipo electrosumergible puede ser dividido en dosgrandes grupos, a saber:

Equipo de superficie.

Equipo de fondo.

A continuacion se van a desarrollar cada uno de estos grupos, para conocer teorabsica de los equipos que los conforman.


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4.1 EQUIPO DE SUPERFICIE

Lo conforman los equipos que suministran la potencia elctrica necesaria paraoperar el equipo de fondo de acuerdo a los parmetros de diseo previamenteestablecidos. Entre ellos encontramos:

4.1.1 Generador de potencia elctrica. Equipo que genera la potencia elctricanecesaria para la operacin del equipo de fondo. Generalmente en los primerosaos de operacin de los campos se utilizan moto-generadores. Posteriormente,se mantiene la mitad de la potencia con generacin propia y la otra parte utilizandola produccin de energa a nivel Nacional "ISA".

Figura 23. Generador elctrico.


4.1.2 Transformador reductor (SDT). Se encarga de reducir el voltaje de la lneade alta tensin al voltaje requerido en la entrada del variador de velocidad o delswitchboard de voltaje constante (480 V.). En el caso que se tenga un generadorno es necesario el transformador reductor SDT.


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Figura 24. Tranformador.


4.1.3 Variador o controlador de frecuencia (VSD).

Figura 25. Variador de frecuencia.



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Es el equipo encargado de controlar la frecuencia de trabajo del motor de la

bomba. Su funcionamiento permite operar las bombas a diferentes frecuencias.Recibe corriente alterna de 480 V de forma senosoidal y la convierte a corrientecontinua (para alimentacin del sistema de control y cambio de frecuencias),posteriormente es convertida nuevamente a corrientes alternas de salidarectificadas "sin picos". De esta manera, de acuerdo a las condiciones deoperacin del pozo y sin necesidad de sacar el equipo de fondo es posible ajustarlas mejores condiciones de superficie, (corriente, frecuencia, amperaje) quegeneren el desempeo ptimo del equipo de subsuelo.

La capacidad del variador controlador viene dada en KVA (Relacin KiloVoltio- Amperio), indicando la relacin mxima que soporta cada equipo.

4.1.3 Transformador elevador (SUT). Se encarga de incrementar el voltaje quesale del controlador de frecuencia (VSD) al voltaje nominal requerido por el motor,para que opere eficientemente.

4.1.4 Caja de conexiones. Es una caja que se instala cerca al cabezal del pozo yen la cual se une el cable de potencia que suministra la energa al motor con elequipo de superficie. Su principal funcin es ventear cualquier migracin de gasproveniente del pozo a travs de la chaqueta de caucho del cable y asi evitarposibles explosiones.

4.2 EQUIPO DE FONDO

Los componentes bsicos de fondo de un Sistema de Bombeo Electro sumergibleson: motor, protector, seccin de entrada a la bomba, bomba, cable de conexindel motor (flat cable extension) y cable de potencia.


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Entre los elementos complementarios del sistema estn el separador de gas,

manejador avanzado de gas AGH y la unidad que registra la presin y temperatura(Surveyor, Phoenix, Pump Watcher). Algunos de los accesorios comnmenteusados son vlvulas cheque y bleeder, centralizadores, protectores de cable,herramienta en Y, empaquetaduras, conectores elctricos y sistemas deinyeccin de qumicos.

Figura 26. Instalacin tipica BES. Equipo de fondo.


4.2.1 Sensor de fondo . Datos importantes del yacimiento y del desempeo de labomba estn disponibles con el uso de sistemas de monitoreo de presin ytemperatura. Correlacionando la presin del yacimiento con la rata de flujo, un


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operador puede determinar cuando cambiar el diseo de la bomba o considerar un

workover en el pozo. Los sistemas tpicos tienen la capacidad de

Continuamente monitorear la presin y temperatura de fondo. Proveer la deteccin de fallas elctricas.

Figura 27. Sensor



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4.2.2 Motor . Los principios bsicos de diseo y operacin de los motores de la

B.E.S son los mismos que los motores elctricos normales de superficie. Sonmotores de induccin, trifsicos, tipo jaula de ardilla, con dos polos de induccin.

Puesto que el motor de la B.E.S. debe ser instalado en el interior delrevestimiento, debe tener una geometra adecuada. Debido al ambiente en el cualopera el motor, tambin existen otras diferencias en el diseo y construccin delmotor de la B.E.S para que resista este tipo de condiciones extremas. Losmotores son llenados completamente con aceite mineral altamente refinado o conaceite sinttico el cual lubrica los cojinetes y provee resistencia dielctrica yconductividad trmica para disipar el calor generado hacia el housing (CamisaExterna) del motor. El calor es luego transferido al fluido que pasa por lasuperficie externa del motor.

Figura 28. Motor



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El thrust bearing cojinete de empujes del motor soporta la carga de los rotores y

el eje.

El motor puede ser utilizado con corriente alterna a 60 Hz 50 Hz. Fsicamenteno hay diferencia entre un motor para operacin a 50 Hz y uno de 60 Hz.

Los motores Schlumberger estn disponibles en cinco series diferentes: 375, 456,540, 562 y 738 para aplicaciones en pozos con revestimiento de dimetro externode 4.50, 5.50, 6.625, 7.00, 8.625 y mayores, respectivamente.

Figura 29. Cojinete de empuje.


El comportamiento de los motores cambia de acuerdo a la carga a que estnsometidos. Cada tipo de motor tiene sus curvas de rendimiento de velocidad,factor de potencia, eficiencia y amperaje en funcin del porcentaje de carga.

Cojinete de empuje


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Normalmente un motor gira entre 3400 y 3500 RPM @ 60 Hz. El sentido del

movimiento depende de la direccin de la corriente, permitiendo en un momentodado girar la bomba en sentido contrario con solo invertir el sentido de la corrienteelctrica en superficie.

- Partes del Motor. En trminos generales el motor consta principalmente de tres partes: El Estator, elrotor y los elementos mecnicos.

Figura 30. Partes del motor


Estator . Es la pieza del motor que genera el campo magntico al hacer circularcorriente por su bobinado. Utilizando un tubo metlico (housing), en su interior soncolocados unos anillos o lminas perforadas. El material utilizado en laslaminaciones es acero de bajo contenido de carbono y ltimamente aceroinoxidable. Este conjunto forma el cuerpo del estator. Por las lminas perforadasse hacen pasar los alambres que constituyen las bobinas del motor, dejando en elcentro un espacio donde se colocar el rotor.

Rotor . Est compuesto por un eje donde se colocan pequeos rotores de 12pulgadas de largo cada uno. Cada rotor est sostenido en sus extremos por unabalinera, la cual soporta cualquier movimiento radial que pueda tener el rotor al

Housing

Estator

Rotor

Bobinado delEstator


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girar. Por regla general, cada uno de estos rotores puede aportar determinada

potencia Hp, (vara de acuerdo al motor). De sta forma, un motor tpico de 200Hp tiene 16 rotores de 12.5 HP cada uno. El conjunto descrito (eje y rotores) escolocado dentro del estator. Al circular la corriente por el estator, genera un campomagntico entre sus bobinas, el cual es cortado por el metal de los estatoresgenerando un movimiento rotacional de stos. Este movimiento es trasmitidohasta la bomba utilizando conectores (couplings) entre los ejes de los sellos y lasbombas.

Elementos mecnicos . los elementos mecnicos estn constituidos por: uncojinete de rodamiento que soporta el conjunto eje-rotores, balineras de soportede movimiento radial de cada rotor, bujes en cada una de estas balineras,conectores de cables entre motores y conectores de cable de potencia.

4.2.3 Cable de Potencia. El cable de potencia es uno de los componentes msimportantes y sensible en el Sistema de B.E.S. Su funcin es transmitir la energaelctrica desde la superficie al motor y transmitir las seales de presin y

temperatura registradas por el sensor de fondo a la superficie.

Figura 31. Cable de potencia.



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Todos los cables utilizan conductores de cobre estaado. Las tres fases son

aisladas individualmente, el aislamiento es fsicamente pegado con adhesivo alconductor. Los conductores pueden tener adems una barrera protectora y/o unafibra trenzada sobre el aislamiento. Luego, los conductores son encamisados paraproveer proteccin mecnica y qumica y finalmente, por lo general, se envuelvenlos conductores con armadura metlica.

El xito o fracaso de la instalacin depende en gran parte de la adecuadaseleccin del cable de potencia para las condiciones de operacin. En pozos muyprofundos que requieren cables especiales. El cable puede ser el componentems costoso del sistema. Los cables estn disponibles en configuracin redonday plana y los conductores a su vez pueden ser slidos, trenzados o compactados.

La tabla 1 muestra las designaciones usadas para los materiales comnes de loscomponentes del cable.

- Designacin de los cables.La designacin de un cable se hace especificando el calibre del cable, el tipo deaislante que utiliza, los tipos de barrera y chaqueta que lo estn recubriendo, eltipo de armadura que utiliza, el voltaje para el cual esta diseado y la geometria enla que se presenta. Por ejemplo, un cable 2/7 POTB G4F ser:

2/7 : #2 AWG con 7 conductores trenzados.

P : Aislante de polipropileno.O : Chaqueta de nitrilo Oil-resistente.TB : Cinta y trenza.G : Armadura de acero galvanizado.4 : Rango de 4 KVF : Cable plano


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Tabla 1. Materiales componentes del cable de potencia.

CCoommppoonneennttee AAbbr r eevviiaacciinn Material

Aislante

PPE, P

E

K

T

Copolimero polipropileno

Goma EPDM (Etileno PropilenoDieno Metileno) goma

Kapton

Cinta Semiconductiva(REDASURFACE)

Barrera

S

TB

F

TB

L

PVDF (Fluoro-polivinilieano)

Cinta Tedlar

Teflon de extrusin FEP

Cinta de alta temperatura

Plomo

Chaqueta

PE

O

E

HDPE (Polietileno de altadensidad)

Compuesto de caucho de nitriloresistente al aceite

EPDM, compuesto de caucho

Armadura

G

HG

DG

SS

M

Acero galvanizado

Acero altamente galvanizado

Doble galvanizado

Acero inoxidable

Monel



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- Tipos de cable.

Los cables de uso ms comn han sido agrupados en familias como REDALENE,REDABLACK, REDAHOT y REDALEAD. Dentro de estas familias de cables sepueden tener variaciones con diferentes rangos de operacin, dependiendo de suconstruccin. Los ms comunes son:

Los cables de la familia REDALENE tienen aislamiento de polipropileno (P oPPE) y forro de nitrilo resistente al aceite, (O). La temperatura mxima de estos

conductores es 205 F y la mnima temperatura para su manipulacin e instalacines -45 F. REDAVALU es un tipo de cable alternativo al REDALENE, su costo esmenor y puede usarse en pozos con fluidos que no son agresivos y detemperaturas relativamente bajas.

Figura 32. Cable redalene.


Los cables tipo REDAHOT tienen aislamiento de EPDM (E) y forro de Nitrilo

resistente al petrleo (O). La temperatura mxima de los conductores es 275 F.

Los cables tipo REDABLACK utilizan aislamiento de EPDM (E) y tambin forro

de EPDM (E). Los rangos de temperatura ms comunes son 300 y 400 F, deacuerdo a las opciones seleccionadas.

PPEOPPEO POTBPOTB


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Figura 33. Cable redablack.


Los cables tipo REDALEAD tienen aislamiento de EPDM (E) y un forro

impenetrable de plomo (L). El rango de temperatura para estos cables es 400 F o450 F, dependiendo de su configuracin.

Figura 34. Cable redalead.


4.2.4 Extensin plana de cable o cable de conexin al motor. El cable depotencia ocupa espacio considerable dentro del casing, por lo cual es dificil bajar

este cable hasta el empalme con el motor. Adems, el empalme con el motor,quees de vital importancia para la correcta operacin del equipo, tendria que hacersemanualmente lo que implicara altos riesgos al momento de operar el equipo porlas condiciones extremas donde se encuentra ubicado. Por esta razn se utilizauna seccin de cable ms delgada que el cable de potencia, y que adems traeincorporada la unin al motor llamada extension plana. La extension plana escorrida desde la cabeza del motor a lo largo de las secciones del protector, el

EEREER ETBEFETBEF

ELBE ELB


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separador de gas y la bomba, ms un mnimo de 6 pies sobre la cabeza de

descarga de la bomba. Normalmente es necesario utilizar construccin plana decable debido al limitado espacio anular entre el O.D del equipo y el I.D del casing.

4.2.5 Vlvula cheque. La vlvula cheque usualmente se localiza 2 a 3 tubossobre la cabeza de descarga de la bomba. Se emplea para mantener la columnade fluido sobre la bomba. Si la vlvula cheque falla en mantenerla o si la vlvulacheque no es instalada, el escurrimiento del fluido del tubing a la bomba puedecausar una rotacin en reversa de la unidad de subsuelo cuando el motor estapagado. La carga aplicada durante la rotacin en reversa puede resultar en unmotor quemado, cable quemado o un eje roto.

En las instalaciones donde la vlvula cheque no es puesta, se debe dejar eltiempo suficiente para que el fluido del tubing drene hacia la bomba antes que elmotor sea reiniciado. Un tiempo de 30 minutos es tpicamente recomendado.

4.2.6 Vlvula de drenaje. Cuando la vlvula cheque es usada en el Bottom holeassembly, es recomendable instalar una vlvula de drenaje seguidamente sobre lavlvula cheque para prevenir que el tubing est lleno cuando se saque el equipo.La funcin de esta vlvula es la evacuacin de todo el fluido que pueda estar en eltubing al momento de sacar el equipo del pozo.

4.2.7 Protector . El protector est ubicado entre la seccin de entrada a la bomba

y el motor. El protector es una pieza vital en el ensamblaje y su funcin esabsorber todos los esfuerzos que puedan estar presentndose sobre el sistema. Sino es seleccionado apropiadamente puede reducir la vida til del equipo. Elprotector va lleno de aceite mineral, que se comprime y se expande segn losesfuerzos que se estn ejerciendo sobre el sistema.


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Figura 35. Protector


- Tipos de protector.

Hay algunos diseos de protectores que permiten la transferencia de esfuerzos(presin) sin que se produzca la mezcla de los dos fluidos (aceite mineral-fluidosdel pozo). Uno de estos tipos es el tipo laberinto.

En la cmara de laberinto se utiliza la diferencia entre la gravedad especifica del

fluido del pozo y el aceite del motor para mantenerlos separados, a pesar de queestn en contacto directo ya que el protector esta abierto a la seccin de entrada ala bomba en su parte superior.

El fluido del pozo es generalmente inmiscible con el aceite del motor, por estarazn aunque haya un contacto directo no hay tendencia para contaminar el aceitedel moto


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La cmara del laberinto est aislada de la rotacin del eje por un tubo exterior al

eje, por lo tanto no se mezcla cuando gira la unidad.

Figura 36. Protector de camara laberintica.


Hay sistemas en las que el sistema de laberinto no es aplicable. En casos dondeel fluido del pozo es ms liviano que el aceite del motor (aproximadamente 0.85),el aceite del motor ira al fondo de la cmara y seria desplazado rpidamente porel fluido del pozo.

Si la gravedad especfica del fluido del pozo es muy cercana o menor a lagravedad especifica del aceite del motor, este tipo de protector no debera serutilizado.

Los protectores de laberinto tampoco deben ser aplicados en pozos horizontales oaltamente desviados. El diseo de la separacin por gravedad requiere que launidad est en posicin vertical, o casi vertical. Mientras mayor es el ngulo,menor ser la capacidad de expansin de aceite. Cuando se hacen inspeccionesen el campo de los equipos recuperados del pozo la inspeccin del protector tipo


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laberinto debe hacerse antes de que el protector sea acostado. Una vez que el

protector ha sido puesto en posicin horizontal el fluido del pozo se puededistribuir en todas las cmaras, lo que ocasionaria la mezcla de los fluidos.

Para aplicaciones donde las gravedades especficas del fluido del pozo y delaceite del motor son similares o en pozos demasiado desviados, se utilizanprotectores de sello positivo o bolsa los cuales mantiene separados fsicamentelos dos fluidos.

Figura 37. Protectores tipo bolsa.


Este sistema es similar al fuelle encontrado en algunos motores de pozos deagua excepto que la bolsa tiene mucha mayor capacidad para la expansin ycontraccin que un tpico fuelle. El material de esta bolsa es un elastmero dealta temperatura y alto rendimiento que puede resistir las severas condicionestpicas encontradas en los pozos de petrleo. La bolsa mantiene el fluido del pozoen el exterior y el aceite limpio del motor en el interior. Cuando el aceite del motorse expande o se contrae, la bolsa simplemente se infla o se contrae paraadaptarse al cambio de volumen.


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El protector de sello positivo ofrece una gran ventaja por su flexibilidad y es til en

una amplia variedad de aplicaciones. Sin embargo, se debe tener cuidado en lasaplicaciones de ste tipo de protectores en pozos con fluidos que contienenqumicos o que son tratados continuamente con qumicos. Como con cualquierelastmero que se aplica en el rea petrolera, se debe tener en cuenta este efectopara garantizar que el elastmero no sea daado por el fluido del pozo. Si el sellopositivo se rompe, el motor puede ser contaminado fcilmente con el fluido delpozo.

Otra funcin del protector es absorber el empuje generado por la bomba. Elcojinete de empuje del protector posee una superficie relativamente grande sobrela cual se absorbe el empuje. Adems, puesto que el cojinete de carga (thrustbearing) opera y absorbe la carga en un entorno de aceite limpio, el tiempo deservicio de la B.E.S. se prolonga.

Figura 38. Cojinetes de carga en los protectores.


A travs del tiempo se ha venido utilizando los protectores en diferentesconfiguraciones para cumplir con los requerimientos de las diferentes aplicaciones.Los protectores tipo laberinto 66L y protectores de sello positivo tipo pre-llenados,

Cojinete de empuje ascendente

Cojinete de empuj e descendente

Corredor de empuje


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A l g u n

a s C o

m b i n a

c i o n e

s P o s

i b l e s

LSLSBBSBSL BPBSLSLLSBBSLB L

CamaraDe Bolsa

CamaradeLaberinto

Ejes

Cabeza

Base

Cuerpo deSello

P a r t e

s C o m

u n e s

Solo Thrust

El Sitema del Protector Modular

de bolsa simple (PFSB) y de doble bolsa (PFDB) han sido usados exitosamente

alrededor del mundo por dcadas. Estos y algunas combinaciones de ellos seusan todava en muchas partes.

El concepto de la tecnologa de protectores modulares permite combinar mltiplessecciones o cmaras, tanto de laberinto como de sello positivo, utilizando pocaspartes para ensamblar un protector con la combinacin requerida para cadaaplicacin. Aunque los diseos anteriores aun estn disponibles, el sistemamodular se esta volviendo ms comn. El sistema modular es realmente muysimple. Consiste en una cabeza, base, eje, seccin de sello (tipo laberinto obolsa) y un cojinete de empuje. Con pocos mdulos o partes es posible fabricarmuchas configuraciones.

Figura 39. Configuraciones en los protectores.



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La nomenclatura para denominar los protectores modulares es simple y brinda

informacin de cmo esta configurado un protector.

La denominacin del protector siempre comienza desde la cabeza y sigue hacia labase, se denomina de acuerdo a las cmaras de sello utilizadas y a la forma enque estas se conectan entre s (por Ej: en serie o en paralelo).La L se utiliza para cmara tipo laberinto y la B para cmaras de tipo bolsa. Encuanto al tipo de conexin, la P significa en PARALELO y la S significaconexin en SERIE.

En algunas ocasiones se encuentran tambin las letras HL, lo que indica que elprotector tiene un cojinete de alta carga.

Dados estos cdigos para la designacin de los protectores, un protector BSBSL-HL es un protector de tres cmaras, que tiene una cmara de bolsa en la cabezaconectada en serie a otra cmara inferior de bolsa la cual esta luego conectada en

serie a la ltima cmara de sello que es de tipo laberinto. Adems, ste protectortiene cojinetes de alta carga.

Los protectores modulares estn disponibles en series 400 (4.00), 540 (5.40),562 (5.62) y serie 738, el 540 y el 562 sin adaptadores. El protector 562 tieneuna seccin de empuje ms larga y cojinete de mayor dimetro para aplicacionesde alto empuje descendente, todas las dems partes son exactamente las

mismas.Este protector fue desarrollado especialmente para aplicaciones de alto empuje,como por ejemplo con las bombas HN20000 y JN21000.

- Funciones del protector.

El protector tiene tres funciones principales:


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Proveer un sello y equilibrar las presiones interna y externa para evitar que el

aceite del motor sea contaminado por el fluido del pozo, actuando tambin comoun reservorio de aceite para el motor.

Soportar la carga axial (empuje) desarrollada por la bomba.

Transmitir el Torque desarrollado en el motor hacia la bomba, a travs del ejedel protector.

Una de las funciones del protector es evitar el ingreso del fluido del pozo al motordonde podra causar daos irreparables al sistema. Esto se logra a travs deequilibrar la presin en el interior del protector con la presin externa del fluido delpozo, independientemente del valor de la presin.

Puesto que la base del protector est abierta al motor, la presin en el interior delmotor se equilibra con la presin del ambiente externo del fluido que rodea a la

unidad. Manteniendo una presin diferencial mnima se restringe el ingreso defluido del pozo hacia el motor. Para lograr esta funcin, el protector debe permitirde alguna manera que el fluido del pozo se comunique con el aceite del interior delprotector.

4.2.8 Seccin de Entrada a la bomba o Intake. La mayora de los diseos de

las BES se hacen con finalidad de producir la mxima cantidad posible de petrleosin comprometer el rendimiento del equipo. Una de las razones que degradan elrendimiento del sistema es la cantidad de gas libre a la entrada de la bomba.Dependiendo de la cantidad de gas esperada en la seccin de entrada a lascondiciones de diseo se determina el uso de una seccin de entrada simple intake o un separador de gas.


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Aunque todava estn disponibles secciones de entrada con cojinetes metlicos

estndar, la recomendacin de ingeniera de Reda es usar solamente seccionesde entrada tipo ARZ los cuales tienen cojinetes resistentes a la abrasin. Losseparadores de gas tipo *RS, *RS-ES y Vortex tienen cojinetes resistentes a laabrasin ARZ en su construccin estndar.

Figura 40. Intake


Debido a la eficiencia y resistencia del sistema de cojinetes resistentes a laabrasin tipo ARZ el rendimiento y tiempo de servicio del sistema BES se mejorasustancialmente. El beneficio se entiende fcilmente si se considera que laseccin de entrada est ubicada inmediatamente por encima del protector en elensamble del equipo.

Los separadores de gas son tambin secciones de entrada pero tienen algunoscomponentes adicionales diseados para evitar el paso de gas libre hacia labomba. La tecnologa de separacin y manejo de gas libre en las aplicaciones deBES ha ido evolucionando y perfeccionandose continuamente.


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El diseo original de los separadores de gas esttico se basaba en el incremento

de la separacin por medio de la inversin de la direccin del flujo en la seccin deentrada a la B.E.S. Por eso son conocidos como separadores de gas de flujoinverso (RF, Reverse Flow).

Figura 41. Flujo inverso dentro de un separador de gas.


Puesto que estos separadores no entregan efectivamente ningn trabajo al fluidotambin se los conoce como Separadores Estticos.

Cuando el fluido entra al separador de gas la direccin del flujo se invierte,disminuyendo la cantidad de gas arrastrada por el lquido que entra al separador.

Algunas de las burbujas de gas siguen su camino por el espacio anular, otrasentran al separador pero se separan en el espacio anular entre el housing y lacamisa interna del separador de gas, y finalmente el gas que no se logra separar

pasa con el lquido al interior de la bomba.

A diferencia de los separadores estticos, los separadores de gas Dinmicos oRotativos s ejercen un trabajo en el fluido para lograr mayor separacin de gasdentro del separador. Para entender el proceso de separac

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