Diseño de bombas

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Ejemplos de Aplicaciones


Datos Requeridos para el Diseño (1)Datos Requeridos para el Diseño (1)Datos del Pozo

Tubing y casing (tamaño y peso)

Intervalo del pozo (medida y vertical)

Profundidad de asentamiento de la bomba (medida y vertical)

Datos de la ProduccionPresion de Cabezal

Presion del Casing

Prueba de produccion con nivel o presion de fondo fluyente

Nivel de fluido estatico o presion estatica

Temperatura de fondo

Produccion deseada

RGP

%AyS

Condiciones del fluido del pozoGravedad especifica del agua

API del crudo

Gravedad especifica del gas

Presion de burbujeo

Viscosidad del crudo

Datos PVT


Datos Requeridos para el Diseño (2)Datos Requeridos para el Diseño (2)

Fuente de EnergiaVoltaje primario disponible

Frecuencia

Capacidad de la fuente de potencia

Problemas PosiblesArena

Carbonatos (Scale)

Corrosion (H2S, CO2, N2, Aminas)

Parafina

Emulsion

Gas

Temperatura


Ejm 1_Pozos con Alto Corte de AguaEjm 1_Pozos con Alto Corte de Agua

Suposiciones:El fluido producido es incompresible,

la gravedad especifica no varia con la presion.


Pozos con Alto Corte de AguaPozos con Alto Corte de Agua

Procedimiento:– Determinar capacidad de produccion, profundidad de asentamiento y

presion de entrada a la bomba.– Calcular la altura de carga total requerida.– Seleccionar el tipo de bomba segun diametro interno del casing y rango

de produccion deseado. – Determinar la altura de carga generada y potencia al freno requerida

por una etapa a la produccion deseada.– Calcular el numero de etapas.– Calcular la potencia requerida.– Selecionar el tipo de seccion sellante segun tamaño de equipo y

aplicacion.– Determinar si se ha excedido alguna limitacion de carga como

resistencia del eje, carga en los cojinetes de empuje, etc.– Seleccionar el tipo y tamaño del cable de potencia en base a amperaje

del motor, temperatura del conductor y limitaciones de espacio.– Calcular el voltaje de superficie y los requerimientos de KVA.


Pozos con Alto Corte de Agua (ej.)Pozos con Alto Corte de Agua (ej.)

Datos del PozoTubing (tamaño y peso) 2 3/8” EUE 8Rd.

Casing (tamaño y peso) 7” 23#

Intervalo del pozo (medida y vertical) 5300-400’

Profundidad de asentamiento de la bomba (medida y vertical) 5200’

Datos de la ProduccionPresion de Cabezal 150psi

Prueba de produccion / presion de fondo fluyente 900BPD, 985psi @ 5350’

Presion estatica 1650psi

Temperatura de fondo 180F

Produccion deseada 2000BPD

%AyS 90%

Condiciones del fluido del pozoGravedad especifica del agua 1.02

API del crudo 30API

Viscosidad del crudo No se conoce

Fuente de EnergiaVoltaje Primario Disponible 7200 / 12470 volt

Frecuencia 60HZ



Determinacion de la Presion de Fondo Fluyente

BPD

Pw

f INDICE DE PRODUCTIVIDAD

0

400

800

1200

1600

2000

0 900 2200

PI = Pest-Pwf

Q

2000BPD

172PSI


Se corrige la presion de fondo fluyente por la diferencia entre la profundidad de asentamiento de la bomba y la profundidad de referencia, considerando la perdida por friccion en el espacio anular.

SGL = (1.02 x 0.9) + (0.876 x 0.1) = 1.01Gra. Esp. mezcla

( )PIP = P -

Referencia - Asentamiento x SG

wfL

ftpsi2 31.

( )PIP = 172psi -

5350ft - 5200ft x 1.01

= 106 psi

ftpsi2 31.




( )Altura Dinamica = Asentamiento -

PIP x

SG = 4957ft

ftpsi

L

2 31.

Nivel de Fluido:

Perdidas por Friccion Segun Hazen - Williams:

hf = 31ft x 5200ft / 1000 = 161ft

Cabezal = PSI x

SG =

150psi x

1.01 = 343ft

ftpsi

L

ftpsi2 31 2 31. .

Cabezal en Altura:

TDH = 4957 + 161 + 343 = 5461ftTDH = 4957 + 161 + 343 = 5461ft




Tamaño de bombaSegun el revestimiento de 7” 23# que se tiene, se debe seleccionar el

diametro del equipo en tablas que se encuentran en el catalogo de las bombas.

Los equipos de mayor tamaño tienen ventajas: normalmente son menos costosas que las de menor diametro, el fluido recorre el motor a mayor velocidad.

Bomba seleccionada para el ejemplo, tasa deseada de 2000BPD:

GC-2200GC-2200




0

10

20

30

40

50

60

0 1500 2150 3000 36000

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

MOTOR LOAD BREAKHORSEPOWER

HEAD CAPACITY

48.7 ft

1.09HP

2000 BPD




Numero de Etapas = TDH/ET.TDH =

49.7 ft/et.5460 = 110 Etapas

Potencia al Freno de la Bomba

BHP = 1.09 BHP/ET x 110 etapas x 1.01 = 121 BHP




Normalmente la serie de la seccion sello es la misma que la de la bomba, pero existen adaptadores especiales para conectar las unidadesde diferentes series.

El requerimiento de la potencia del sello es funcion del TDH. Para un sello serie 513 tenemos:

2

2.5

3

3.5

4

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

HO

RS

EP

OW

ER

TDH





Seleccion del Motor

Los requerimientos de potencia son:

Bomba: 121HP

Seccion Sellante: 3HP

Se necesita un motor de un minimo de 124HP

El voltaje del motor se puede seleccionar en base a:

- Alto voltaje, menos perdidas en el cable de Potencia

- Alto voltaje, mas costoso el controlador del motor



Seleccion del Cable

Se debe seleccionar el cable tomando en cuenta:-Tamaño del cable

-Caida de voltaje: recomendable no mas de 30V por cada 1000’ y en pozos profundos menos del 15% de la placa del motor. Si la caida de voltaje esta entre 15 y 19%, es recomendable el uso de VSD.

-La seleccion del tipo de cable se basa en las condiciones del fluido y la temperatura de operacion.


Procedimiento:– Determinar capacidad de produccion, profundidad de asentamiento y presion de

entrada a la bomba. Calculo de IPR.– Calcular volumen total de fluido a la entrada de la bomba.– Determinar la Presion de descarga de la bomba.– Calcular la altura de carga total requerida.– Seleccionar el tipo de bomba segun diametro interno del casing y rango de

produccion deseado y si es necesario determinar el separador de gas. – Determinar la altura de carga generada y potencia al freno requerida por una

etapa a la produccion deseada.– Calcular el numero de etapas.– Calcular la potencia requerida.– Selecionar el tipo de seccion sellante segun tamaño de equipo y aplicacion.– Determinar si se ha excedido alguna limitacion de carga como resistencia del eje,

carga en los cojinetes de empuje, etc.– Seleccionar el tipo y tamaño del cable de potencia en base a amperaje del motor,

temperatura del conductor y limitaciones de espacio.– Calcular el voltaje de superficie y los requerimientos de KVA.

Pozos con Alto GORPozos con Alto GOR



Rs, Bg, Bo deben ser calculados. Las correlaciones mas usadas son:

-Standing

-Vasquez y Beggs

-Lasater

-Glaso

La correlacion seleccionada afectara los calculos del diseño significativamente.



Debido a la capacidad de compresion y expansion del fluido en la tuberia de produccion, debe ser calculada la presion de descarga de la bomba. Existen gran cantidad de correlaciones multifasicas para flujo vertical y desviado, siendo las mas comunmente usadasa en la industria:

-Hagedorn and Brown

-Aziz

-Beggs and Brill

-Orkiszewski

-Duns y Ros

La correlacion seleccionada afectara los calculos del diseño significativamente.


Datos del PozoTubing (tamaño y peso) 2 3/8” EUE 8Rd.

Casing (tamaño y peso) 5 1/2” 17#

Intervalo del pozo (medida y vertical) 5500-000’

Profundidad de asentamiento de la bomba (medida y vertical) 5000’

Datos de la ProduccionPresion de Cabezal 120psi

Prueba de produccion / presion de fondo fluyente 700BPD, 970psi @ 5000’

Presion estatica 1200psi@ 5000’

Temperatura de fondo 165F

Produccion deseada 1000BPD

GOR 430

%AyS 65%

Condiciones del fluido del pozoGravedad especifica del agua 1.08

API del crudo 35API

Gravedad especifica del gas 0.65

Presion de burbujeo 2000psi

Fuente de EnergiaFrecuencia 60HZ

Pozos con Alto GOR (ej.)Pozos con Alto GOR (ej.)


Suposiciones:La gravedad especifica del fluido

varia dentro de la bomba de forma despreciable



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

160

0

180

0

200

0

2200

2400

200

400

600

800

1000

1200

0

BPD

Pw

f

700BPD

970PSI

1000BPD

850PSI


Calculo del gas en solucion a condiciones PIP(Calculo del volumen de entrada a la bomba)



Calculo del gas en solucion a condiciones PIP(Calculo del volumen de entrada a la bomba)

Utilizando la correlacion de Standing

R = YP

18 x

10

10S gb

0.01125 x API

0.00091 x T

°

1 2048.

Donde:

Yg = Gravedad especifica del gas

Pb = Presion

T = Tempeatura de fondo en F

Rs @ 850psi = 150 scf/stb



Calculo del factor volumetrico del petroleo(Calculo del volumen de entrada a la bomba)

Yg = Gravedad especifica del gas

Yo = Gravedad especifica del petroleo

B = 0.972 + 0.000147Fo1.175

Donde: F = RY

Y+ 1.25T

S

g

o

0 5.

Bo @ 150scf/bbl = 1.11 res. bbl/stb



Calculo del factor volumetrico del gas(Calculo del volumen de entrada a la bomba)

B = 5.04 x Z x T

Pg

Donde:

Z = Factor de compresibilidad del gas

T = Temperatura de fondo en R (460+F)

P = PIP

B = 5.04 x 0.85 x (460 +165)

864 = 3.1 bbl / mcfg



Calculo del Volumen de gas libre(Calculo del volumen de entrada a la bomba)

Gas Total = BNPD x GOR

1000 =

350 x 430

1000 = 150.5 mcf

Gas en Solucion = BNPD x R

1000 =

350 x 150

1000 = 52.5 mcfs

Gas Libre = Gas Total - Gas en Solucion = 98 mcf

Volumen Gas = Bg x Gas Libre = 304bgpdVolumen Gas = Bg x Gas Libre = 304bgpd



Calculo del volumen de petroleo y agua(Calculo del volumen de entrada a la bomba)

Volumen Petroleo = BNPD x Bo = 389 bppd

Volumen Agua = BBPD x %AyS = 650 bwpd



Calculo del volumen de fluido y % de gas libre(Calculo del volumen de entrada a la bomba)

Volumen Total = Vo + Vw + Vg = 1343 BPD

%Gas Libre = V

V =

304 bgpd

1343bpd x 100 = 23%

g

t

% de Gas Libre = 23%% de Gas Libre = 23%


Debido a que el porcentaje de gas libre a la entrada de la bomba es mayor de 10%, es necesario el uso del separador de gas. Asumiendo una eficiencia de separacion del 80%:

Vg = Volumen de gas a la entrada x (1-effsep)

Vg = 304 bgpd x (1-0.8) = 61 bgpd

Vt = Vo + Vw + Vg = 1100 bfpdVt = Vo + Vw + Vg = 1100 bfpd

Volumen de entrada a la bomba

%Gas Libre =61 bgpd

1100bpd x 100 = 5.5%


Calculo del volumen de entrada a la bomba


GOR dentro de la bomba(Calculo del volumen de entrada a la bomba)


Gasbomba = Gas en Solucion + Gas Libre no Separado

61 bgpd

3.1 bbl / mcfGasbomba = 52.5mcf + = 72.2 mcf

GOR72.2 mcf x 1000

350 stb oil = 206 scf / stbbomba =


S =masa de la mezcla (m

bfpd x 5.6146 x 62.4mezclam )

mm = (BNPD x So + BWPD x Sw) x 62.4 x 5.6146 + GORbomba x BNPD x Sg x 0.0752

Calculo de la Gravedad Especifica de la Mezcla


mm = (350 x 0.85 + 650 x 1.08) x 62.4 x 5.6146 + 206 x 350 x 0.65 x 0.0752

mm = 353700 lbs/dia

SS = lbs / dia

1100 x 5.6146 x 62.4 = 0.9180.918mezclamezcla

353700


Tamaño de bomba

Segun el revestimiento de 5 1/2” 23# que se tiene, se debe seleccionar el diametro del equipo en tablas y graficas que se encuentran en el catalogo de las bombas.

Bomba seleccionada para el ejemplo, tasa deseada de 1100BPD de mezcla:

FC-925FC-925

Determinacion del Tipo de Bomba




FC-925FC-925

0

5

10

15

20

25

30

35

0 700 925 1150 14500

0.15

0.3MOTOR LOAD BREAKHORSEPOWER

HEAD CAPACITY

0.246HP

23 ft

1100 BPD


Determinacion del levantamiento por etapa


Con la altura de carga por etapa se debe calcular el incremento de presion por etapa

TDH/et x SG

2.309 ft/psiPresionetapa =

23ft/et x 0.918=

2.309 ft/psi

PresionPresionetapaetapa = 9.14 psi/et = 9.14 psi/et


Calculo de la presion de descarga


Para las condiciones del fluido de produccion se determino que la correlacion de flujo vertical Hagedorn y Brown tiene un error despreciable. El resultado arrojado por la simulacion es:

PresionPresiondescargadescarga = 2049 psi = 2049 psi


Calculo del numero de etapas


Pdescarga - Pentrada

Presionetapa

Numeroetapa = 2049psi - 850psi

9.14 psi/et=

NumeroNumeroetapaetapa = 132 etapas = 132 etapas

Para una mayor aproximacion, se debe calcular la gravedad especifica de la mezcla a condiciones de descarga de la bomba y promediarla con la gravedad especifica de la entrada.


Calculo de la potencia requerida


La potencia generada por el motor debe suplir energia a:

Bomba

Separador de Gas

Seccion Sellante

Potencia al Freno de la Bomba

BHP = 0.246 BHP/ET x 132 etapas x 0.918 = 29 BHP

Potencia requerida por el separador de gas

Hpseparador de gas = 4 HP

Potencia requerida por la seccion sellante

Hpseccion sellante =1.5 HP

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