(13) Bombas Electrosumergibles 2015 - A
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 1
BOMBAS ELECTROSUMERGIBLES
BES
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 2
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 requieresacar 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 losrequerimientos 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 condicionesoperativas 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 poliamidaAislante Envoltura de plomo
Trenza
Armadura
metálica
Conductor
AislanteCinta Recubrimiento
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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 20
• 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 ytipo vórtice)
SEPARADOR DE GAS
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 21
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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 22
MOTOR
• Trifásico, tipo inducción de corriente eléctricaalterna; 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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 23
SENSORES
• Están disponibles una variedad de sensores. Se
instalan de acuerdo a requerimientos específicos
que permiten un mejor y más seguro control delas operaciones de la BES por medio del
monitoreo y de los dispositivos de protección
del equipo
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 24
Teoría de las Bombas
Centrífugas
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 25
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 BombasCentrífugas son turbo-máquinas.
Una etapa : Impulsor - Difusor - Revestimiento
EjeArandela de Empuje
Buje de apoyo
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Componentes de la BES
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 27
Una Etapa
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 28
Empuje Axial
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 29
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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 30
Curvas Características Ideales
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 31
Curvas Características Ideales
g
cu
g
cu He uu 1122
2
222
tan
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 32
Curvas Características Ideales
RPM Constante
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 33
Transferencia de Energía & Pérdidas de Energía
e
m
h H
H
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vQQQ
Q
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H QQQ eil m
)(
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 34
Curvas Características Reales
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 35
Curvas Características Reales
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 36
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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 37
Curvas Características Reales
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 38
Variación de la Curva de Comportamiento
Velocidad Rotacional [N ] o Frecuencia[f ]
Diámetro del Impulsor [D ]
Fluidos altamente viscosos [ ]
Alta GOR
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 39
Leyes de Afinidad de las Turbo-máquinas
3
22
2
3
11
121
D N
Q
D N
Q
2
2
2
2
22
1
2
1
121
D N H g
D N H g
5
1
3
1
1
5
1
3
1
121
D N
P
D N
P
m
N D2
Re
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 40
Leyes de Afinidad de las Turbo-máquinas
Diagrama
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 41
Efectos de la Viscosidad en la Curva de Comportamiento
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 42
Efectos de la Viscosidad en la Curva de Comportamiento
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 43
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 [ f t ]
Surging
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 44
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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 45
Carga Neta Positiva de Succión o Net Positive Suction Head
NPSH
va sa H H H NPSH
g
P
g
P Z hf
g
P NPSH
vapatm s
t a
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 46
Análisis Nodal
y
Aplicaciones de las BES
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 47
Introducción al Análisis Nodal
Usando BES
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 48
Producción vs Potencia
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 49
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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 50
Dimensionamiento de los sistemas BES
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 51
Pr
P
r o f u n d i d a d
d e l p o z o
P r o f u n d i d a d
d e l a b o m b a
Pr Pwf
T o t a l D y n a m i c H e a d
N i v e l
D i n á m i c o d e
F l u i d o
P r e s i ó
n
e n l a
c a b e z
a
d e l p o z o
P é r d i d a s
d e
p r e s i ó n
p o r
f r i c c i ó n
e n e l
T u b i n g
N i v e l
E s t á t i c
o
d e F l u i
d o
Presión
P r o f
u n d i d a d
Pr
Temperatura
0
TrTwh
Tamb
Condiciones Estáticas vs Condiciones Fluyentes
Concepto de Carga DinámicaTotal(Total Dynamic Head TDH)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 52
Pr
P
r o f u n d i d a d
d e l p o z o
P r o f u n d i d a d
d e l a B o m b a
Pr Pwf
N i v e l
D i n á m i c o d e
F l u i d o
P r e s i ó
n
e n l a
C a b e z a
d e l p o z o
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f r i c c i ó n
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T u b i n g
N i v e l
E s t á t i c o
d e F l u i d
o
Presión
P r o f u n d i d a d
Pr
Temperatura
PIP
Pwh0
Tr
Pwf
DP
T o t a l D y n a m i c H e a d
Condiciones Estáticas vs Condiciones Fluyentes
Concepto de Carga DinámicaTotal(Total Dynamic Head TDH)
Twh
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 53
Dimensionamiento de los sistemas BES
Información requeridaDatos del Pozo & Yacimiento
• Especificaciones del Casing
• Especificaciones del Tubing
• Profundidad de los disparos
• 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)
• WLR de producción (Corte de agua)
• GOR de producción
Datos de Energía Eléctrica
• Voltaje primario disponible
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 54
Dimensionamiento de los sistemas BES - Ejemplo
Datos del Pozo & Yacimiento• Casing -> 7”, 35 lb/ft
• Tubing -> 2 7/8”, 6.5 lb/ft, 8rd EU, 90°
• Profundidad de los disparos -> 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
• WLR de producción -> 90%
• GOR de producción -> 30 scf/bbl
Datos de Energía Eléctrica
• Voltaje primario disponible -> 12500 V
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 55
Dimensionamiento de la Bomba
1. Analizar los datos e identi f icar 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 - f w) = 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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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 56
Procedimiento General
2. Determinar la gravedad específica y el gradiente de presión del f luido
wwowwwoo SG f SG f SG f SG f SG )1(
876.0305.131
5.141
5.131
5.141
API SGo
006.1)02.1()90.0()876.0()90.01( SG
ft psi ft psiSG P /4356.0)006.1(/433.0433.0
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 57
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:
psi psibpd
bpd psi
J
q P P
P P
q J r wf
wf r
367/5.1
20001700
psibombaladetoasentamiended profundidadisparoslosded profundida P P PIP wf 100)(
P
P disparoslosded profundidabombaladetoasentamiended profundida Mínima
wf
100
ft ft bombaladetoasentamiended profundida Mínima 47374356.0
1003675350
Pwf
O i l
O i l + W a t e r
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 58
motor
A Z T e A Z T BHT PIT D )]1([ /
4. Determinar la temperatur a 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 deasentamiento de la bomba), ft
T = Gradiente de temperatura, °F/ft A = Distancia de relajación, ft
2051.44146.42608.02904.09303.25253.0 eSGSGd W A wo Ltot
Donde:
Wtot = tasa de flujo másico total, lbm/s L = densidad del líquido a condiciones de
tanque de almacenamiento, lbm/ft3
d = diámetro interno del tubo, pg SGx = Gravedad específica (petróleo y agua)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 59
m p
mmotor
E E C
E hT
778
)1( D
4. Determinar la temperatura de admisión de la bomba (Cont.)
F T motor
D 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, E p = 0.65, Co = 0.5, Cw = 1.0
Em = Eficiencia del Motor, fracción
h = Carga dinámica total de la bomba, ft
C = Calor específico del fluido, BTU/(lbm °F)
E p = Eficiencia de la Bomba, fracción
wwow C f C f C )1(
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 60
4. Determinar la temperatura de admisión de la bomba (Cont.)
2051.44146.42608.02904.09303.25253.0 eSGSGd W A wo Ltot
0764.0)1( g Lw L Ltot SGQ f GORQW
SGSG f SG f f f wwowwwow L 4.62)1(4.62)1(
3/77.62)006.1(4.62 ft lbm L
s
lbmW
ft
lbm
bbl
ft
bbl
ft
ft
lbm
s
día
día
bl W
tot
tot
16.8
0764.0)8.0()9.01(30615.577.6286400
20003
33
3
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 61
4. Determinar la temperatura de admisión de la bomba (Cont.)
24.521802.1876.0004.677.6216.8 2051.44146.42608.02904.09303.25253.0 e A
motor
A Z T e A Z T BHT PIT D )]1([ /
Finalmente:
F e PIT
6.1812.2)]1(24.5218)47375350[(018.0180 24.5218/)47375350(
Conclusión: En muchos casos se puede asumir BHT PIT
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 62
5. Determinar las propiedades PVT y las condiciones del f luido en
la admisión de la bomba
stb
scf P SG R
F T
API
g s 29.1110
10
18
1008.0
10
10
18
83.0
1
)6.181(00091.0
)30(0125.02048.1
)(00091.0
0125.0
stb
bl
T SG
SG R
o
o
g
so
063.1)6.181(25.1876.0
8.029.11000147.0972.0
25.1000147.0972.0
175.15.0
175.15.0
scf
ft
P
RT Z g
3
156.0)7.14100(
)4606.181(98.002827.0
)(02827.0
)(1033.3)60(101)60(102.11 6264 soluciónen gashayno P xT xT xw
stb
bl x x xw 03.1)7.114(1033.3)606.181(101)606.181(102.11 6264
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 63
6. Determinar la tasa de fluj o total a las condiciones de
la admisión de la bomba
día
stb
ft
bl
scf
ft
día
stbQtot 2171
615.5
1156.0)29.1130(063.11.0)03.1(9.02000
3
3
:0)(Raguaelensoluciónengasexistenoque Assumiendo sw
7. ¿Necesitaremos un separador de gas?
(Calcular la fracción de gas en la admisión de la bomba)
g sww swowww
g sww sw
g R f RGOR f f f
R f RGOR f f
)()1()1(
)()1(
g sww swowww Ltot R f RGOR f f f QQ )()1()1(
%8.4
615.5/156.0)29.1130(06.11.0)03.1(9.0
615.5/156.0)29.1130(1.0
g f
:aguaelensoluciónengasexistenoque Asumiendo
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 64
8. F racción de gas que ingresa a la bomba
g sep
bombalaaentra
g f E f )1(
mecánica
sep
natural
septotal
libre g
venteado
libre g
sep E E Q
Q E
Bomba
Separador
Protector/Sello
Gasventeado
Orificios deadmisión
Orificios desalida del gas
Cable
Geometría del
Anular
Tasas de flujo
Propiedades del
fluido
Patrón de
flujo
Velocidad angular
(separadores rotarios)
Resbalamiento
Esep ??
90%, 40%,65%, 50%, ...
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 65
8. F racción de gas que ingresa a la bomba (cont.)
• Puesto que la fracción total de gas en la admisión de la bomba es
4.8%, 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 primeraaproximación (propósitos didácticos) asumamos asimismo que no
ocurre degradación debido al gas en el comportamiento de la bomba.
g
bombalaaentra
g f f %8.4%8.4)01(
9. Tasa de fluj o volumétr ico total ingresando a la bomba
g sww sw sepowww Ltot R f RGOR f E f f QQ )()1()1()1(
D
stbQtot 2171
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 66
Dimensionamiento de la bomba
10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head)
ft ft psi
psi
P
P separador el enaC SH sep
230/4356.0
100)arg(
oSG
PIP bombaladetoasentamiendeofundidad VNL
433.0Pr
vertical netonto Levantamie
tubing el en fricción por presiónde Pérdidas flujodelínealaennetonto Levantamie
flujodelínealaen fricción por presiónde Pérdidas separador del aC TDH
arg
ft ft psi
psi ft VNL 4473
/)876.0(433.0
1004737
)(0)( horizontal sen segmentodel longitud FNL segmentos
Pwf
SH
FFL
FNL
TFL
VNL
O
i l
O i l + W a t e r
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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:
ft ft FFL
flujodelínealade Longitud
ft
pérdidas FFL
6.31000
20008.1
10001000
Dimensionamiento de la bomba
10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head) Cont.
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 68
ft ft TFL
bombaladetoasentamiendeofundidad
ft
pérdidasTFL
1331000
473728
1000
Pr
1000
Dimensionamiento de la bomba
10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head) Cont.
![Page 69: (13) Bombas Electrosumergibles 2015 - A](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062504/5695cf3d1a28ab9b028d3861/html5/thumbnails/69.jpg)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
P PIP
P
P TDH bombaadesc
D
arg Qo
P r e s i ó n d e a d m i s i ó n
Pbomba
ft TDH 4840)447313304230(
Finalmente:
10. Determinar la Carga Dinámica Total (Total Dynamic Head) Cont.
Dimensionamiento de la bomba
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 70
11. Seleccionar una bomba y determinar el número de etapas
etapasetapa ft
ft
etapahead
TDH etapas 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 71
12. Determinar el requer imiento de potencia para el motor
Dimensionamiento del Motor
r HPprotector HPseparado HPbomba HP
HP etapa
HP HPbomba
SGetapa
HP etapas HPbomba
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)
P o w e r
( H P )
HP HP HP 2.124)2.36115(
El diámetro (“serie”) del separador y sello es
usualmente el mismo que el de la bomba
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
HP normal operaciónunaduranteaC
motor
requerido
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 73
13. Selecionar el cable eléctr ico 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(menorMCDGBC2S
2MCDlibreEspacio
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)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 74
Dimensionamiento del cable
4
factor T voltajedeCaída
ft voltajede Pérdidas
'1000
1000/
Seleccionar el cable cable # 4. Entonces de las especificaciones del catálogo, temperatura
del cable ~ 200 °F:
'1000
6.20288.1
'1000
161000/
V V ft voltajede Pérdidas
in
in
36.062.598.5MCD
025.016.003.039.02
5.13
2
5.6298.5Clearance
5
13. Selecionar el cable eléctr ico para esta aplicación
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 75
factor T voltajedeCaída
ft
bombaladetoasentamiendeofundidad cableel envoltajedeCaída
'10001000
Pr
V V cableel envoltajedeCaída 98288.1161000
47374#
14. Determinar el voltaje superf icial requer ido
cableel envoltajedeCaídamotor del al noVoltajerequeridoerficial Voltaje minsup
V V V requeridoerficial Voltaje 2243982145sup
ft bombaladetoasentamiendeofundidad cablederequerida Longitud 200Pr
ft ft ft cablederequerida Longitud 49402004737
Cable seleccionado: #4 Cu, plano, 3KV, 4940 ft
13. Selecionar el cable eléctr ico para esta apl icación (cont.)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
sup3 motor del Amperaje xrequeridoerficial Voltaje x KVA
KVA A xV x
KVA 1361000
3522433
Transformador Seleccionado: Transformador Trifásico de 150 KVA
Voltaje Primario 12500 V
Voltaje Secundario 2250 V (~ 2243 V)
Dimensionamiento del Transformador
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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.
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 78
Si se va a usar un variador de velocidad, se necesitanconsideraciones 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 carcasasde los equipos.
Chequear la velocidad del fluido alrededor del motor (debe ser > 1ft/seg para una mezcla agua/crudo liviano).
Frecuencia (Hz)
P o t e n c i a ( H P ) Bomba
Motor
3
6060
Hz
BHP BHP bomba Hz
6060 Hz MHP MHP motor Hz
D i s e ñ o
15. Otros equipos y consideraciones generales (cont.)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
P PIP
P
P
TDH
bombaadesc
D
arg
n X n
P X PIP P X ...,,2,1,0
D
wwowwwow L SG f SG f f f )1(4.62)1(
30763.0
97.28
ft
lbmSG
T R Z
P SGG
GG
A condiciones estandar:
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 80
P0 = PIP
P
P1 = PIP + P/n
P2 = PIP + 2
P/n
PDP = PIP + n P/n
g Lw L Ltot Q f GORQW )1(
g sww sw sepowww Ltot R f RGOR f E f f QQ )()1()1()1(
tot w
tot mezcla
QW
aguademásico Flujototal másico FlujoSG
Entre PX and PX+1
2
1
X mezcla X mezcla
mezcla
SGSG
SG
2
1 X mezcla X mezcla
mezcla
P P P
mezclamezcla SG P 433.0
2
1 X tot X tot
tot
QQQ
Diseño para pozos con mucho gas
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 81
etapaac P
P
etapaac
TDH P paraetapas
X X
X X X X
X X /arg
1
/arg#
1
11
1
DD
Seleccionar una bomba para la tasa promedio de flujo entre P0 y P1
Calcular el número de etapas como antes.
Iterar para otro DPX -> 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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:
F QC SG
BHP T
perdida
bomba D 1.5
F E E C
E hT
m p
mmotor
D778
)1(
BHP perdida = 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
E p = Eficiencia de la bomba, fracción
8
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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 oenvoltura para alcanzar la
reversión del fluido o el
enfriamiento del motor.
El caso más clásico es cuando
la unidad de BES se asientadebajo 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 87
Nuevas tecnologías
Manejador de gas de REDA. Empleahuecos 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 yGCNPSH) 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 88
Alternativas para la producción de crudos viscosos
A una temperatura más alta se tiene una viscosidad más baja. De modoque 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.
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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.
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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.
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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 unacuífero 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 delagua producida.
Algunos sistemas usan dos bombas, una para
alimentar al hidrociclón y otra para levantar el fluido.
Aplicaciones especiales
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 92
Dimensiones del equipo y Rango Operativo Recomendado
de la bomba
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 93
tages 8 17 27 36 45 55 65 74 84 93 103 112 122 131 141 150 160 170 178 187
197 206 215 225 235 244 254 263 273 282 292 301 311 320 330 340 348 357 367
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 94
Motores serie 562
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 95
Caída de voltaje en el cable & factoresde corrección por temperatura
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 96
35
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 99
Comportamiento del motor serie 562
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
Time (hh:mm:ss)
W e l l h e a d a n d i n t a k
e P r e s s u r e ( P s i )
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
P u m p d i s c h a r g e
P r e s s u r e ( P s i )
<-- Pump intake P
<-- Wellhead P
pump discharge P -->
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 101
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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 r e e g
a s
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 103
Dimensiones del Equipo y Rango de Motores aplicable
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 104
Consumo de potencia
135771
)()( específicaGradedad x ft Head x BPD flujodeTasa
HP salida
bombalade Eficiencia
HP BHP salida
motor del Eficiencia
BHP HP entrada
salidaentrada perdida HP HP HP
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 105
PROBLEMAS Y AVERIAS
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 106
• El consumo de
corriente es casi
constante y alrededordel 10% del valor
nominal o de placa del
motor
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 107
• Pequeñas variacionesen 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 108
• Arranque inicial en “A”
• Operación Normal en “B”
• Disminución del amperajesegún 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 yvolúmenes cíclicos de gas y
líquido lodoso posiblemente
pararán la unidad
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 109
A
Nivel estático de líquido
T=0
B
Nivel de líquido
T1>0
C
Nivel de líquido
T2>T1
D
Demasiado gas y
bajo amperaje en el
motor producen la
traba por gas
CANDADO DE GAS O TRABA POR GAS
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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 debidoa la baja corriente en el
punto “D”
• Después del tiempo
programado el motor
arranca otra vez pero elfluido del pozo se mantiene
en la condición de descenso
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 111
• No hay suficiente
intervalo de tiempo
entre ciclos para
permitir que se
restaure el nivel de
líquido
• La bomba está
sobredimensionada
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 113
• Después de un corto
período de operación, elmotor se apaga debido a
una baja de la corriente
• Se repiten en
secuencia varios
intentos de encendidosin éxito
• Una posible baja
densidad del fluido no
permitiría que el motortrabaje bajo condiciones
nominales
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 114
• No hay una adecuadacorriente en el motor y
probablemente existe
una mala calibración del
relé de protección delmotor (relé de
hipocoriente)
• El motor trabaja en
vacío y algo se quema
(el cable o el motor)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 115
• En la seccción “A” el motorarranca a un amperaje un
poco inferior al de trabajo yva aumentando gradualmentea normal•En la sección “B” la unidadtrabaja normalmente•La sección “C” muestra un
aumento gradual delamperaje hasta que la unidadse desvia de la línea desobrecarga apagándose• Entre otras, las posiblescausas son tormentas con
rayos, aumento de ladensidad o viscosidad delfluido, producción de arena,desgaste del equipo ysobrecalentamiento del motor
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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 manualesde reencendido pueden
destruir el equipo
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 117
• Se observa uncomportamiento 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
• Se observa un
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial 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)
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 119
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Completaciones conBombas Electrosumergibles
BES
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06/04/2015 Levantamiento Ar tif icial BES 121
Tomado de Petroleum Well Construction
Economides et al, 1998
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