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POZOS 11

(PRlMERAPARJE) 1 . 11

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A P U ~ T E S D E -.. PRon.ucCION DE POZOS II

(PRIMERA PARTE)

.-

..

P R E F A C I O

En febrero de 1979 se firm un convenio de colaboracin en-tre la UNAM, PEMEX, IMP y el CIPM (Colegio de Ingenieros P~ troleros de Mxico) . El objetivo del convenio ha sido ele-var el nivel acadmico de los alumnos del rea de Ingeniera Petrolera en la Facultad de Ingeniera, tanto de licenciatu ra como de posgrado, as como crear el Doctorado y promover la superacin de un mayor nmero de profesionales que labo-ran en la industria petrolera, por medio de cursos de actua lizacin y especializacin.

Uno de los programas que se estn llevando a cabo a nivel -de licenciatura, dentro del marco del Convenio, es la elab~ racin y actualizacin de apuntes de las materias de la ca-rrera de Ingeniero Petrolero. Con esto se pretende dotar -al alumno de m~ y mejores medios para elevar su nivel aca-dmico, a la vez que proporcionar al profesor material di-dctico que lo auxilie en el proceso ensefian~a-aprendizaje.

La elaboracin de estos apuntes fue realizada por el Sr. Ing. Hctor Daz Zertuche.

DEPARTAME~TO DE EXPLOTACION DEL PETROLEO

CAPITULO I

I. - CONCEPTOS GENERALES.

I.1.- Fundamentos de fljo de fluidos. Peso especfico.- Densidad.- Densidad espec:fica.-Presin y Carga.- Gradiente de presin.- Nmero de Reynolds.

I.2.- Fundamentos de las bombas centrfugas.

Carga terica desarrollada por un impulsor.- Curvas de com-portamiento de la bomba.

I.3.- Efecto de algunos pa~metros en el comportamiento de la bom-b 1 \ .a. . .

Efecto del cambio deJvelocidad en las curvas de comportamie~ to.- Efecto de la den~idad especfica.- Efecto del cambio de dimetro del impulsor. - Cavitacin.

CAPITULO II

II. ~ DESCRIPCION DEL EQUIPO DE BOMBEO ELECTRICO.

II. l. - Componentes del equipo subsuperficial.

Bomba Sumergible. - Protector o Secci n Sel lante. - Motor Su-mergible. - Separador de Gas.- Cables.

II.2.- Componentes del equipo superficial.-

Tablero de contro.1.- Transformadores.- Caja cie unjn.-

II.3.- Accesorios.

CAPITULO III

III,.- DISEO DE INSTALACIONES DE BOMBEO ELECTRICO.

Introduccin.-

ITI.1.- Factores c.rue afectan el diseo de la bomba.-

Configuracin de flujo.- Capacidad de flujo del pozo. S12 bombea o no qas. - Separacin de gas. - Pozos desviados. -

Empacadores.~ Efectos viscosos.- Temperatura.- Operacin vs condiciones de descarga.

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III.2.- Detalle del Diseo de Instalaciones.-

Introduccin.- Consideraciones generales en el diseo de -bombas.- Datos requeridos del pozo.- Curvas estndard de -comportamiento.- Carga dinmica total.- Seleccin del ca-ble.- Dimensiones del transformador.- Resumen del procedi-miento para dimensionar bombas.

III.3.- Ejemplos de diseo para pozos productores de agua. Introduccin.- Problema de ejemplo para un pozo produtor de agua.- Problema comparativo para pozos productores de -agua. - Discusin de los problemas anteriores.

III.4.- Ejemplos de diseo para pozos productores de aceite.-Pozo productor de aceite sin gas libre. - Pozo productor de aceite y agua sin produccin de g~s.

III. 5. - Diseo para pozos con produccin de gas de media a alta.

Introduccin.- Procedimiento de diseo para pozos que pro-ducen gas.- Problema de ejemplo para un pozo con baja pro-duccin de ga$.- Problema de ejemplo para un pozo con alta produccin de gas.

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CAPITULO I

CONCEPTOS GENERALES

I.1.- Fundamentos de flujo de fluidos. -~ '

Peso especfico: Peso de una unidad dP volumen

. 3 3 t' (lb/pies); (gr/cm)

Densidad.- Masa contenida en una unidad de volumen

3 (grm/cm )

donde:

( lbm/pies 3)

g (cm/seg2)

Densidad Especfica. - Relacin del peso de un volumen dado de una sustancia entre el peso del mismo volumen de agua a 60F (Adimen-si0nal)

S>. Gr. = 141.5 131.5 + "API

PRESION, CARGA Y GRADIENTE DE PRESION.-

Presin y carga representilfl los mismos valores en diferentes uni-dades y se relacionan por la expresin;

K x presin Sp. Gr. Carga.::;:

K = Ctte. de proporcionalidad

Si presin (lb/pb2 )

(kq/cm2)

y Carga (pies)

y (m)

K = 2.31

K = 10

Gradiente s la presin que ejerce una columna de lquido de al- tura unitaria

Grad; = Sp. Gr. K

Nmero do Roynolds . -

La resistencia a fluir de un fluido se relaciona a un nmero co-nocido como nmero de Reynolds NRe

~ NRe = ./ 1-1

f' densidad del fluido Upidades consistentes v velocidad del fluido

11 viscosidad del fluido

d dimetro del cond.ucto

Si N es aproximadamente inferior a 2000 el flujo es laminar, o Re bien es turbulento a un N mayor de 4000 17:e

I.2.- Fw1damentos de las bo!T\bas centrfugas

CARGA TEORICA DESARROLLADA P~ UN IMPULSOR.-

Un impulsor, operando a una velocidad dada, generar la misma can tidad de carga independientemente de la densidad especfica (SP.GR.) --del fluido, ya que l.a carga se expresa en trminos de al tura de esa co-lumna de fluido en particular.

CURVAS DE COMPORTAM.IENTO DE LA BOMBA. -

La prueba prctica de unq bomba se realiza hacindola trabajar a -velocidad constante y estrangulando la descarga. Durante la prueba se mi-den en varios puntos: el gasto~ el incremento de presin a travs de la bomba y la potencia al freno. El incremento de presin se convierte a car ga y se calcula +.:t eficiencia tqtal de la bo$a. Con base en esos dato~ -se dibujan las curvas .de carga, potencia a'l f~eno y eficiencia en func~n del gasto manejado. (Fig. I.1) E t . 2 n resumen, un concep o muy impo.rtantE> es que la carga en lb/pg desarro llada por una bomba rentrfuga swnergible depende de la velor.idad perifl rica del impulsor y es independientP. del peso del: lquido bombeado. La :-carga tlesarrollada convertida a p:ies ser la misma,ya sea que la boTnba es t manejando agua (Sp.Gr .. = l), &ceite (Sp.Gr. = 0.85), salmuera -(Sp.Gr. = 1.35) o cualquier otro :fluido de diferente densidad especfica.

La lectura de presin en un manmetro a la descarga de la bomba ser di-ferente aunque el dimetro del impulsor y velocidad sean idnticas en ca da caso;

Las figuras (I.2) y (I.3) muestran la relacin de bombas idnticas mane-jando lquidos d diferentes densidades especficas.

I. 3. - Efecto de algunos parmPt ros en el comportamiento de la bomba. -Condiciones de ope~acin y su efecto en e1 comportamiento de la bomba:

Las curvas publicadas de comportamiento de la bomba (Fig. I.1 l, es-tn referidas a una velocidad en rev9luciones por minuto (RPM) fija, en agua dulce de sp.Gr.= 1 yr = 1 cp. Sin embargo, las bombas se us~ en.

1-2

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"

CARGA X SP. GR. PRES ION

K

A. B. C.

T f T (/) (/) (/) LU LU LU a:: a:: a:: o o o o o o ..- ..- ..-

J: J: J:

SP. GR. 1 .O SP. GR. 0.80 SP. GR. 1.35

FIG. 1. 2.- LOS TRES CILINDROS CONTIENEN 100 PIES DE COLUMNA DE LIQUIDO CON DIFERENTES DEN-SIDADES ESPECIFICAS. COMO RESULTADO LA PRES)ON EN EL FONDO DE CADA CILINDRO ES DIFERENTE.

1-l!

y

(

"" ....

i i ~ i Sp. Gr. = 1.0 Sp. Gr. = 0.80 Sp Gr. = 1 .35

Fig. 1.3.- Se muestran t~es bombas idnticas trabaando a la misma velocidad v manejando lquidos con dife-rentes densidades especificas. La carga dinmica total !COTI desarrollada es igual en los tres casos, pero la pretin de descarga de cada bombl es diferente.

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FIGURA No. 1.3

EFECTOS DE LA GRAVEDAD ESPECIFICA DEL FLUIDO EN LA RELACION PRESION-

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CARGA DE LA BOMBA.

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o o o I{) 11 :I:

l.1 e;

\o< ~o

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FLUIDO CON

GRAVEDAD ESPE-

CIFICA : 1.0

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l. ~ ,o< ~o

111'

FLUIDO CON

1

. .P..;,_l_!.~~-~~/pg2

GR AVEDPO ESPE -

CIFICA = 0.80

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1

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FLUIDO CON

GRAVEDAD ESPE-

CIFICA : 1.35

.. ..

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la prctiCa, para bombear lqui~os de Sp. Gr. y }J. diferentes y pueden operar a diferentes RPM~ En estos casos es necesario predecir el compo!:_ tamiento de la bomba bajo condiciones reales de operacin:

a). - Efecto dl'1 cambio ac velocidad en las curvas de comportamiento.

El gasto vara en proporcin directa a los cambios de velocidad de la bomba. La carga producida es proporcional al cuadrado de la ve-locidad y la potencia es proporcional al ctibo de la velocidad. La eficiencia de la bomba permanece constante con los cambios de velo cidad.

b).- Efecto de la densid;;td especfica.- (Sp.Gr;}

La carga producidapor un impulsorno depende de la densidad espe-cfica. Entonces ~Q. curva de capacidad de carga no depende de la -densidad especfica. La potencia vara directamente con la Sp.Gr. y la eficiencia de la bomba permanece constante independientemente de la densidad del lquido.

e) - Efecto de cambios de. dimetro de impulsor. -

La capacidad vara directamente con el dimetro, la carga vara .di-rectamente con el 'cuadrado del dimetro y la potencia vara con el cubo del dimetro. La eficiencia de la bomba no cafY!bia.

Cavitacin.-

Si la presion absoluta del lquido en cualquier parte dentro de la l:;>omba cae abajo cie la presin de saturacin correspondiente a la tem peratura de operacin, entonces se forman pequeas burbujas de vapor. Estas burbujas son arrastradas por el lquido fluyendo, hacia regio-nes de mas altas presiones donde se condensan o colapsan.

La condensacin de las burbujas produce un tremendo incremento en la presin lo que resulta similar a un golpe de martillo o choque. Este fenmeno se conoce como :cavi bacin. . .

.....

Dependiendo de la magnitud de la cavitacin, :.~~>:a puede resultar en una Qestruccin mecnica debida a la erosin," dorrcisin y a la inten-sa vibracin.

La cavitacin tarnbi.n tiene un efecto significativo en el comporta-miento de la bomba: Su capacidad y eficiencia se reducen .

. ~

I-7

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CAPITULO II DESCRIPCION U~L EQUIPO DE BOMBEO ELECTRICO

' ,,..,,.

COMPONENTES DE,L EQUIPO SUBSUPERFICIAL

BOMBA SUMERGIBLE.-

Existen diferentes oiseo.s para aplicaciones particulares y cada uno tiene sus propias venta]as, desventajas y limitaciones. Las bombas centr fugas son de mltiples etapa~ (Fig. II.l) y cada etapa consiste de un im pulsor giratorio y un difusor estacinario (Fig. II.2). El tipo de eta-pa que se use determina el vqlumen de fluido que va a producirse y el n mero de etapas determina la qarga generada y la potencia requerida. En una bomba de impulsores flotahtes, stos se mueven axialmente a lo largo de la flecha y pueden descani":tr e~ empuje ascendente o descendente en co-jinetes, cuando estan en oper~cin. Estos empujes los absorbe un cojinete en la seccin sellante.

En la bomba de impulsores fijos, stos no pueden moverse y el empuje desa rrollado por los impulsor~ lo amortigua un cojinete en la seccin sellan-te.

los empujes desarrollados por los impulsores dependen de su diseo hidru lico y mecnico, adems del punto de operacin de la bomba. Una bomba ope rando un gasto superior al de su diseo produce empuje ascendente excesi=-voy por el contrario, operando a un gasto inferior produce empuje descen-dente. A fin de evitar dichos empujes la bomba debe operar dentro de un rango de capacidad recomendado, el cual se indica en las curvas de compor-tamiento de la~ bombas y que van del 75 al 125'6 del punto de mayor eficien cia de la bomba.

PROTECTOR O SECCION SELLANTE.

El protector en general ejecuta cuatro funciones bsicas (Fig. II.3 y II. 3a) :

1) .- Conecta las carcasas de la bomba y el motor conectando la fle-cha impulsora del motor con la flecha de la bomba.

~ ,.;.2) .-.Aloja un cojinete que absorbe el empuje axial desarrollado por .; la bomba.

3) .- Evita la entrada de fluido del pozo al motor.

4) .- Proporciona un recipiente de aceite para compensar la expansin y contraccin del .aceite del motor debido al calentamiento y en friamiento del motor cuando la unidad trabaja.o se para.

MOTOR SUMERGIBLE (Fig. II.4) .-

El motor e9 la fuerza impulsora que hace girar a la bomba. Lo.s moto-res elctricos usados en operaciones de bombeo elctrico son bipolares, trifsicos, del tipo jaula de ardilla de induccin y operan a una veloci-dad relativamente constante de 3500 rpm a O cps. Los motores se llenan

11-1

BOMBA CENTRIFUGA SUMERGIBLE

De rnlt1ples otapas con succin fJst

..

" "

Impulsor

Difusor

Fig. 11. 2 .- Impulsor giratorio y difusor estacionario que componen una etapa de la bomba.

II-3

FIGURA No. 11.-3

PROTECTOR DEL MOTOR

Camora Exterior

Corco5o

II-4

Eje

Acoplamiento Del Eje

Camero Interior

I . I Volvula de Retenc1on

t

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D ci

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....

7

FIGURA No. ll.-3a

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ACEITE DEL MOTOR

FLUIDO BLOQUEANTE

FLUIDO DEL POZO

II-5

.

.

.J8}

con un aceite mineral. altamente refinado que debe proporcionar resisten-cia dielctrica, lubricacin a los cojinetes y buena conductividad trmi-ca.

El cojinete de empuje del motor soporta la carga de los rotores del mo-tor. El aceite no conductor en la carcasa del motor lubrica los cojine-tes y transfiere el cal?r generado en el motor a la carcasa.

El calor de la carcasa a su vez es transferido a los fluidos. del pozo que pasan por la superficie externa del /:motor; por lo tanto, el motor de la

/ unidad de bombeo nunca se coloca abajo del punto de entrada de fluido. /. /

La profundidad de colocacin es uh factor determinante en la seleccin -del voltaje del motor debido a las prdidas de voltaje en el cable. Cuan do la prdida de voltaje es demasiado grande, se requiere un motor de _-mas alto voltaje y menor amperaje. En pozos muy profundos, la economa es un factor: Con un motor de mas alto voltaje es posible usar un cable mas pequeo y mas barato. Sin embargo, un tablero de control de ms alto voltaje y ms caro, puede requerirse.

La potencia del motor se calcula multiplicando la mxima potencia por eta pa (obtenida de las curvas de la bomba) por el nmero de etapas de la bom ba y corrigiendo con la densidad especfica del fluido bombeado.

Los requerimientos de amperaje pueden variar desde 12 a 130 amps. La po-tencia requerida se logra con incrementos de longitud de la seccin del

. ~ . motor. El motor esta construido con rotores generalmente de 12 a 18 pg. que se montan en la flecha y con estatores (bobinas) montadas en la car-casa de acero del motor.

El motor sencillo mas largo es de aproximadamente 30 pies y alcanza de -200 a 250 HP, mientras que motores. en tandetn pu.eden tener 100 pies de lar go y alcanzar 1000 HP.

SEPARADOR DE GAS (Fig. II.5 y II.5a.)

El separador es una seccin normalmente colocada entre, el protector y la bomba y sirve como succin o entrada a la bomba. Separa el gas libre del fluido y lo desva de la succin de la bomba. El separador puede ser efectivo pero es difcil determinar su eficiencia con exactitud.

La eliminacin del gas no es necesariamente la forma ptima de bombear el pozo. Es decir, aunque el volumen total en la succin de la bomba se re-duce, la presin de descarga se incrementa debido a la menor cantidad de gas en la columna de fluidos por arriba de la bomba.

El separador es una ayuda en la prevencin del candado de gas y normalmen te permite un bombeo mas eficiente en pozos gasificados.

CABLES.-

La potencia se.suministra al motor por medio.de un cable elctrico. Un -rango de tamaos de conductor permite cubrir los requerimientos del mo-tor. Existentes en estilo redondo (Fig. II.6) y plano (Fig. II.7). y con

II-6

..

FIGURA No. 11.-4

MOTOR ELECTRICO 5UMERG19LE

CABLE

EJE

CARCASA

EMBOBINADO DEL - --------

ESTATOR

FJE

1 T 1 -~~.,0...,..:~

..

FIGURA No. 11. 5

SEPA HAOOR DE"

GAS

---- -------

Anillo fmpocodor

Cmara de Segregacin

fluido

Cojnete Radial

Corco so

'

FIGURA No. ll.-5a.

l t r Sube el Gas

1 l 1 l Entra el

Fluido

l

SEPARADOR DE GAS

lI 11-9

- '- ,:., .. ,,~,,,,.,,.;,.,,. '

ais larniontos to:,; c.;b~s p11~~11(:dl'-' h:rrnr unnadura de .:icero, bronce o monel.

Existen en el mercado lo:; cnbles p1 ;u1os y redondos con conductores de ta mao ele! :~ al 6 en cobre o

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FIGURA No. 11.-6

(C)

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Cable Redondo

FIGURA No. 11.-7

Cable Plano

FIGURA No. 11.-8

CONDUCTOR AISLADO

CORRIENTES DE FUGA -------"

. '.'.1'

TRANSFORMADORES (Fig. II.9.a):

Conjuntos de tres transformadores de fase 6nica, transforma-dores estndard trif5sicos y autotransformadores trif~sicos se fabrican para. uso en bombeo sumergido. Estas unidades lle-nas de aceite para autoenfriamiento, est5n disefiadas para con vertir el voltaje de la lnea primaria al voltaje requerido -por el motor. Estn equipados con "taps" para mayor flexibi-lidad.

CAJA DE UNION.- (Fig. II.lQ.)

Esta caja se localiza entre el cabezal del pozo y el trans-formador por razones de seguridad. El gas puede viajar a tra vs del cable superficial hasta el transformador y producir-un incendio o explosin. La caja de uni6n impide este viaje del gas.

TIPOS /:t)E INSTAL_ACIONES. -

a) Estndard b) Cubierta (Shrouded) Suministra enfriamiento al motor

instalado c) Re levador (Booster) Pozo somero elevador de presi6n

de una lnea. d) Sistema produccin/inyeccin. e) Caverna de almacenamiento f) Inyeccin de zona superior a zona inferior g) Produccin a trav~s de tube~a d~ revestimiento con

la bomba en el extremo inferior. h) Sistema suspendido del cable.

ACCESORIOS.-

a) vlvula de contrapresin b) VSlvula d~ Dr~ne c) Centradores d) Flejes e) Registradores de presin de fondo f) Cabezal

-~~la Fig: ri;1i i~ m~estra la forma en que quedan distribui-~~s e~;~i pozo ,Y "e~ la superficie todas las partes del equipo

~nt e r i,:grmen te descritas. '~ , ..

II-12 : , ~ !

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FIGURA No. ll.-9a ' . .' .. . . . .

TRANS/11)/IMADOR

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Monofsico Trifasico

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FIGURA No. 11.-11 Distribucin de los componentes del aparejo de bombeo elctrico instalado en un pozo.

TRANSFORMADOR

T

TU8ERIA DE

REVESTIMIENTO

FLEJES

CABLE REDONDO

CABLE PLANO

PROTECTOR

-

TANQUES

' ._ __________________ ) ----- ~ ------ -- .

.,.___._ __ TUBERIA DE PROOUCCION

SOM SA CENTRIFUGA

SEPARADOR DE GAS

.,._...,_ __ MOTOR ELECTRICO

~ ........................................................................................................ ..

II-14

CAPITULO 111

J)lSE~O DE. INSTALACJONES DE BOMBEO ELECTRICO

INTRODUCCION

El diseo de instalaciones.de bombeo elctrico normalmente requiere de la consideracin metdica de varios factores:

1) .- Es importante que la bomba se seleccione para el gasto deseado de produccin. Cada bomba tiene su propio rango de gasto sobre el que es mas eficiente y est menos sujeta al desgaste mecnico. La buena informa--cin de la capacidad de flujo del pozo y del yacimiento ayuda a evitar el sobre dimensionamiento de la bomba, lo cual puede resultar en una ope-racin de bombeo intermitente cuando la bomba trabaja en vaco. 2) .- La bomba debe dimensionarse para producir el incremento de presin necesario para elevar el fluido del pozo a la superficie y mantener la presin requerida en la boca del pozo. En el bombeo centrfugo vertical es importante seleccionar el nmero correcto de etapas. Nuevamente la in fonnacin de comportamiento de flujo es til. 3) .- El tamao del motor puede seleccionarse para el flujo y carga ade-cuados junto con la eficiencia de la etapa de bomba seleccionada. El comportamiento de la bomba y requerimientos del motor tambin se ven afectados por las caractersticas de la mezcla de fluido que se bombea de.un pozo en particular. Por lo tanto, deben considerarse: densidad y viscosidad del fluido, contenido de gas, corrosividad y abrasividad.

FACTORES QUE AFECTAN EL DISENO DE LA BOMBA.

Configuracin de flujo.-El tamao de la tubera de revestimiento es muy importante ya que contro-la el dimetro mximo de la bomba y el motor que puede introducirse en el pozo. Generalmente los costos inicial y de operacin resultarn menores cuando los dimetros de bomba y motor sean mas grandes.

El tamao de la tubera de produccin depende del gasto a producir y es-t relacionado con el dimetro de la bomba, es decir, mayor dimetro de bomba, mayor dimetro de tubera de produccin.

Capacidad de Flujo del pozo.-Recurdese que el flujo arriba de la presin de burbujeo conduce a que el pozo probablemente tenga un ndice de productividad constante. Esto mis-mo es verdadero para pozos productores de agua sin gas ya que fluye una sola fase lquida. Para flujo abajo del punto de burbujeo, podemos usar el procedimiento de Vogel (Fig. III.-ll para eficiencia de flujo igual a 1.00 y la extensin de Standing del trabajo de Vogel para eficiencias di ferentes de 1.00 (Pozos daados o mejorados).

I II-1

FIGURA No. 111. 1

Curva general de IPR (Comportamiento de flujo al pozo)

CURVA DE J. V. VOGEL (J.P.T., Jan 1968)

PRESION ~EAL --

f' PREStON MAXIMA _,

1

1,0

"' ~ """

"' ' "'

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0.8

~ """

0.7

6 ~ ~ .. 2

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' -. o 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 01} 0.7 OB 09

' GASTO REAL

GASTO MAXIMO .

III-2

..

Si se conoce la capacidad de flujo, se puede disear una bomba para el mximo gasto o cualquier gasto deseado. Esto asegura que la bomba opere cerca de la mxima eficiencia .

En muchos casos la bomba podra llegar a bombear en vaco, es decir, si la capacidad de la bomba excede la capacidad de aportacin del pozo. Sin embargo, debe tenerse cuidado de asegurar que no se bombee en vaco.

La mayora de las bombas sumergibles operan apropiadamente con 220 lb/pg2, o menos, de presin en la succin de la bomba si el fluido que se bombea es lquido. Sin embargo, si existe gas libre en las proximidades de la succin, la pregunta no es acerca de la mnima presin de succin, sino cunto gas libre es capaz de manejar la bomba en particular, sin caer en el candado de gas y/o cunto gas puede separarse de manera que la born ba pueda manejar el gas que no se separa.

Se bombea o no Gas.-

Como regla general, la mayora de las instalaciones bombean la produccin por la tubera de produccin sin empacador en el pozo. E.sto significa que el gas puede ser desviado al espacio anular o pasado a travs de la bomba.

Si existe gas en el pozo hay, entre el nivel del fluido y el fondo, un am plio rango de combinaciones de lquido y gas que son significativas para el tamao y localizacin de la bomba en el pozo. Es imposible decir que cualquier criterio sea siempre el mejor para seleccionar la bomba y su lo calizacin ya que los datos del pozo y yacimiento no siempre son de la misma confiabilidad, las condiciones del yacimiento pueden cambiar con el tiempo y otros factores pueden ser diferentes de un pozo a otro.

Una posibilidad es colocar la bomba de manera que la presin de succin sea superior a la presin de burbujeo.. Entonces no hay gas libre en la succin de la bomba y el volumen que la bomba maneja es simplemente la produccin a condici~nes superficiales multiplicado por el factor de vo-lumen de la formacin. Esto puede hacerse unicamente si el punto de pre-sin de burbujeo ocurre arriba.del extremo de la sarta de produccin.

Otra posibilidad es colocar la bomba de manera que la presin de succin sea inferior a la presin de burbujeo. Esto tiene la ventaja de acortar la longitud de la tubera de produccin y del cable, pero la bomba debe manejar un flujo igual al mismo gasto a condiciones superficiales multi-plicado por un factor de volumen de la formacin ligeramente menor, ms el gas libre que pasa a travs de la bomba ... Conforme la bomba se coloque mas arriba en el pozo la cantidad de gas se incrementa y debe tenerse cuidado de que el flujo que llega a la succin no tenga una relacin gas lquido mas alta de la que la bomba es capaz de manejar. El separador de gas construdo integralmente con la bomba desva el gas libre de la succin de la bomba, hacia el espacio anular, a.onde puede ser purgado a la atmsf"era o bien, a instalaciones de recoleccin de gas.

II I-3

La bomba y el motor se ven afectados por la cantidad de gas que pasa a -travs de la bomba. Generalmente el gas tendr un efecto benfico en la tubera de produccin y reducir la potencia requerida por el motor, pe-ro la bomba necesitar manejar un gasto mayor. La capacidad de la bomba se afecta grandemente por la relacin gas libre-lquido que debe manejar. Cuanto ms gas est en solucin la bomba se comportar normalmente, es decir, como si bombeara un lquido de baja densidad y as .continuar has ta que la relacin gas libre lquido alcance aproximadamente 0.1. Arri-:-ba de esta cantidad la bomba empezar a producir una carga menor que la normal y conforme el gas libre se incremente, eventualmente caer en el candado de gas y dejar de bombear cantidades apreciables de fluido.

Separacin de gas.-

Un problema sin resolver que actualmente se tiene en el bombeo elctrico es, como determinar el volumen de gas que es posible separar. Antiguamen te, el gas poda descargarse a la atmsfera pero actualmente es una prc tica prohibida. La tubera de revestimiento puede unirse a la lnea de -flujo para permitir que el gas separado, entre a dicha Jnea cerca de la cabeza del pozo.

Debe tenerse cuidado de colocar la bomba sumergida una cierta profundi-dad en el lquido. Sera una situacin obscura decir que se puede sepa-rar de 15 a 25% del gas libre.

Pozos Desviados.

Las bombas sumergibles estn diseadas para operar generalmente en una ~ sicin vertical. Sin embargo, pueden operar en pozos desviados. La bomba en si misma, operar en posicin aproximadamente vertical cuando sea ne-cesario. El lmite de desviacin de la vertical se determina frecuentemen

. ~

te por la capacidad de la unidad para mantener la separacin entre el -aceite del motor y el fluido del pozo, lo cual incumbe al fabricante. Pa-ra unidades diseadas con una barrera flexible entre el aceite del motor y el fluido del pozo, el lmite de desviacin cambia.

Empacadores.

La forma preferente de instalar una bomba elctrica sumergible es sin em-pacador de manera que queda colgando de la tubera de produccin. Puede instalarse un empacador, pero significa una instalacin especial ya que el cable de potencia al motor debe pasar a travs del empacador. Si ste se requiere en el pozo, su seleccin se har cuidadosamente de modo que la bomba tenga sobre s muy poco o nada de peso a compresin. Un empaca-dor permanente utilizando sellos de tipo largo trabajara satisfactoria-mente, teniendo en mente que la tubera de produccin se alarga cuando la bomba empieza a mover grandes volumenes de lquidos calientes y ejeE_ cer una compresin sobre la bomba si no se hacen los ajustes necesarios. En resumen, si se requiere del uso de empacadores, sese uno que pueda colocarse sin que la bomba o tubera de produccin queden sujetas a com-presin.

III-4

..

Efectos Viscosos.

La viscosidad afecta el comportamiento de las bombas centrfugas dis-minuyendo la curva de capacidad de carga, reduciendo la eficiencia y ha ciendo que la ms alta eficiencia ocurra a un gasto menor. Para cual- -quier bomba el efecto en la carga producida es mayor a m~s altos gastos y menor a bajos gastos. Ya que las curvas publicadas de comportamiento de las bombas estan basa-das en pruebas en las que el agua es el fluido, es necesario ajustar las curvas para fluidos de mis alta viscosidad. La cantidad de a]uste vara entre bombas. Aqullas con pasajes de flujo mas pequeo generalmente se afectarn ms por la viscosidad alta.

Temperatura.-

La temperatura de fondo es importante para la instalacin de bombas elc tricas sumergibles. Es necesario conocer la temperatura a la que el motor va a operar. Tambin en la seleccin del cable uno de los factores.de con trol es la temperatura.

Aunque la bomba no puede colocarse en el fondo, un alto ritmo de produccin mover a los fluidos rpidamente hacia la tubera de produccin, acarrean do a la bomba una temperatura mucho m's alta que la existente bajo condi:-ciones estticas. La temperatura ms alta en la bomba acorta la vida del motor. Por ejemplo por cada lBF de aumento de temperatura por arriba del rango del aislamiento del motor, la vida de ste se reduce en un me-dio. Los cables disponibles que operarn existosamente a 350F o ms, sern , mas costosos conforme la temperatura sea mayor.

La temperatura tambin debe conocerse para determinar el volumen total de entrada especialmente para manejo de gas. Operacin vs. Condiciones de descarga.

En la seleccin final de la potencia del motor, los requerimientos en HP de operacin pueden ser menores que los requerimientos en HP de descarga. Sin embargo, el ritmo de descarga puededisminuir a un valor mucho menor que el ritmo de. ope~acin para propsitos de descarga. Habr casos cuando un pozo ha sido cargado con salmuera y la potencia requerida para ope-racin puede ser mucho menor que la potencia requerida para descarga. Puede ser necesario promediar entre los dos requerimientos de HP teniendo en mente que el motor puede sobre cargarse cuando mucho 20% por un pe-rodo corto de tiempo, necesario para descargar el pozo. Esto siempre se verificar al finalizar el diseo para asegurar que el pozo se descarga-r.

DETALLE DEL DISE~O DE INSTALACIONES.

Introduccion. Existen procedimientos de diseo para dos tipos de pozos:

II I-5

1) .- Pozo$ que no producen gas y

2) .- Pozos que producen gas

Si no hay gas en el pozo, los clculos para seleccionar el equipo de bom beo son relativamente cortos y simples. La cantidad de carga que la bom=-ba debe producir es simplemente la suma de los pies de carga requeridos para elevar el lquido a la superficie, ms la friccin en la tubera de produccin y la presin necesaria en la cabez del pozo a lo que se le resta la presin producida por el fluido sobre la sccin de la bomba. As de simples son los clculos debido a que la densidad especfica del fluido es, para propsitos prcticos, la misma a travs del pozo, por lo tanto, la conversin entre presin en lb/pg2 y presin en pies de carga es la misma en todos los puntos del interior del pozo.

, Sin embargo, si el pozo es productor de gas el problema es mucho mas com plicado. Ya que la presin y temperatura no son iguales en ningn punto del interior del pozo, el volumen de gas tampoco es el mismo y su propor cin en la mezcla de la que est siendo liberado no es igual. Esto resul ta en un cambio constante de densidad conforme la mezcla de fluido y ga;-pasa a travs de las perforaciones, a la bomba y hacia la superficie a travs de la tubera de produccin.

2 No existe una conversin constante entre la presion (en lb/pg ) y la pre sin (en pies) de carga; por lo tanto es necesario hacer clculos en pe:-queos intervalos a lo largo de la columna de flujo, desde el yacimiento hasta la superficie. La presin que la bomba debe producir es igual a la sumatoria de las cargas calculadas para cada intervalo. Ya que dichos clculos son laboriosos y relativamente complejos, deben estar programa-dos pa~a_resolverse-con computadora. El uso de esos programas es proba-blemente la nica forma prctica. de seleccionar o disear una bq~a y motor para pozos productores de aceite y gas.

Ya sea que exista o no gas para ser considerado, hay algunas condiciones especiales que afectan la seleccin de bomba y motor. Si el fluido es vis coso se selecc~onar una bomba de mayor capacidad y mayor carga, lo cual-au!(lentar el tamao de.motor requerido. Si existen condiciones corrosi-vas, abrasivas o de incrustaciones pueden necesitarse .consideraciones es-peciales para dar proteccin a los metales.

La instalacin mas simple desde un punto de vista de diseo es para un po-zo de agua debido a que no pasa gas libre a travs de la bomba. La siguien te ms simple ~s para un pozo con baja relacin gas-aceite donde el gas puede o no pasar a travs de la bomba. La tercera es para un pozo que pro duce bastante gas de manera que una porcin de todo el gas debe bombearse. Finalmente estn las aplicaciones especiales tales como para fluidos vis-cosos.

CONSIDERACIONES GENERALES EN EL DISEO DE BOMBAS.

El dimensionamiento de una bomba sumergible, en la mayora de las aplica-ciones es simple cuando se han entendido los fundamentos bsicos del equi po sumergible y los datos del pozo. Cada aplicacin es una situacin in--dividual debido a las condic;iones variantes del pozo y al tipo de fluidos que se bombean.

1 III-6

..

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Datos requeridos del pozo .

La informacin inicial usada para dimensionar una unidad sumergible es muy importante y debe ser real para asegurar la unidad de tamao apropiado. Los datos requeridos caen en las siguientes cuatro categoras generales:

1) Comportamiento de flujo del pozo y del yacimiento (IPR). 2) Dimensiones fsicas del pozo. 3) Caractersticas de los fluidos del pozo. 4) Objetivos del diseo y requerimientos preestablecidos ~e suministro

de potencia, etc.

1) .- El comportamiento de flujo del pozo y yacimiento, est.ablece la capac.!_ dad mxima de produccin del pozo y tambin determina la presin para -cualquier gasto menor que el mximo. El comportamiento de flujo general-mente est descrito como la presin esttica a una profundidad conocida mas una presin fluyendo a un mnimo de gasto conocido. Si no hay gas en el pozo los niveles de .fluido son suficientes en lugar de las presione~. La presin para otros gastos se determina por extensin de los datos de la curva de comportamiento de flujo en una de las dos formas generalmen~ te aceptadas. La lnea recta de ndice de productividad se usa si no hay g.as o si todo el gas est en solucin. La curva de comportamiento de flu-jo (IPR) Fig. III.l., se usa cuando la presin del yacimiento cae abajo de la presin de burbujeo en el flujo hacia el pozo' causando que el gas se libere y que fluyan dos fases. en el yacimiento.

2) .- El tamao y peso de la tubera de revestimiento determinan el dime tro mximo de motor y bomba qu~ ajustarn en el pozo, Esto es !.~.portante ya que generalmente se tendr la instalacin mas eficiente cuando se uti-lice la bomba de mayor dimetro que tenga el rango de flujo adecuado. 3) .- La profundidad total y. la de los intervalos perforados determinan -respectivamente la mxima profundidad posible de colocacin de la bomba y la mxima profundidad a la que puede colocarse la bomba sin necesitar un motor recubierto. Si las perforaciones quedan arriba del motor es ne-cesario usar una camisa para obligar al flujo a que pase externamente por el motor y as lo enfre.

4) .- Las densidades especficas y porcentajes de los lquidos y gas que -componen la mezcla que se bombea determinan la potencia del motor. Por lo tanto la ~ensidad especfica del agua y del gas, la densidad API del acei te, el porce~taje de ~gua y relacin gas-aceite son datos necesarios. 5) .- La viscosidad, si est disponible, es necesaria ya que las curvas p~ blicadas de comportamiento de la bomba estn basadas en pruebas con agua.

6) .- La temperatura del fluido cerca del fondo y en la cabeza del pozo -son necesarias particularmente si hay gas presente .Y q~e.la cantidad de gas en solucin y el volumen d~ \gas li,bre son sensibles a la temperatura y .9.ambian. a lo l~rgo ~el pozo y de la tubera de produccin. Tambin la

~~ieccin del mat.eriai del cable para el motor queda afectada por la tem-peratura del lquido a la cual est expuesto.

I II-7

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7). - Los datos PVT en forma de presin,' re}aC16n gas..'.aceite en soicin y factor de volumen de la formacin son necesarios si hay gas presente. Si para un caso en particular se desconocen los datos P.V.T. pueden aproxi-marse mediante las correlaciones estndar.

8) . - Otra informacin no perte~e'~iente; al pozo ni al yacimiento pero im-portante para el sistema de bombeo, tambin se requiere. Dicha informa-cin es necesaria a fin de impulsar a la produccin a su destino final.

El voltaje disponible del suministro de potencia determinar el tamao de los transformadores y otros componentes elctricos. Si es de 50 60 Hz (ciclos) establecer la velocidad y rendimiento de la bomba. El tamao de la tubera de produccin generalmente est relacionado con el dimetro de la bomba y determina las prdidas por friccin que deben incluirse en la carga dinmica total. El tamao y tipo de roscas de la tubera de pro-duccin deben conocerse a fin de que las vlvulas de contrapresin, las de purga, extensin de la bomba y cabezal del pozo puedan seleccionarse.

A fin de familiarizarse con las curvas de comportamiento y cartas, en es ta seccin se cubre el procedimiento de dimensin para un pozo petrolero tpico. Para demostrar las diferencias en los dos tipos bsicos de pozos 1 ' los mismos datos de pozo y yacimiento se usarn en ambos con .la unica di ferencia del gas presente en uno de ellos. Entienda~e que lbs dos proce::-dimientos bsicos pueden admitir el rango de variables tales como dife-rencias en porcentaje de agua, densidad especfica y viscosidad experime!!_ tadas en la seleccin de una bomba y motor. .

~urvas Estndard de Comportamiento.

La figura III.2 ilustra las curvas estndard de comportamiento. La curva de capacidad de carga est graficada con la carga en pies y en metros co mo ordenada (vert.) contra capacidad en barriles por da y en m3 /da c~ rno abscisa (horiz.). El agua dulce (Densidad especfica= Sp. Gr. = 1) es el fluido usado en las pruebas de las bombas sumergibles. La carga pa ra una aplicacin propuesta puede estar dada en pies y la carga deseada..., y capacidad se pueden leer directamente de las curvas de agua sin corree cin, si la viscosidad del lquido es aproximada a la del agua.

El total de etapas' requerido se encuentra con la frmula: Carga Dinmica Total (pies) Total de Etapas = Carga (pies)/ una etapa

Como un ejemplo, con referencia a la Fig. III.2, si el total de la carga calculado fuera 5000 pies y el volumen requerido de 2100 bl/da, el nme ro de etapas se encontrara entrando a la curva de la bomba con 2100 bl/ d.a de gasto, moviendose verticalmente a la curva de capacidad de carga y leyendo ~n la escala de la izquierda la carga por t.apa de 19. 7 pi~~:r. Entonces el nmero de etapas sera: . . ..

Total de Etapas 5000 pies = 254 etapas 19. 7 pies/etapa

III-8

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La potencia mostrada en la curva para agua se aplicar unicarnente a l-quidos con densidad especfica 1.0. Para otros lquidos la potencia de esta curva para agua debe multiplicarse por la densidad especfica del fluido.

HP = HP/etapa x Total de Etapas x Sp. Gr.

Nuevamente usando la curva estndard de comportamiento y suponiendo una densidad especfica (l. O) de agua dulce, el requerimiento de potencia de las 254 etapas calculadas se encontrara tornando la potencia por etapa de la curva de la bomba. Dicho requerimiento sera 0.435 HP/etapa. La -potencia total sera:

HP = 0.435 HP/etapa X 254 etapas X 1.0 = 110 HP

Carga Dinmica Total.-

La carga dinmica total (CDT) es simplemente la carga total que se re-quiere que la bomba produzca cuando est bombeando el gasto deseado. Es la diferencia entre la carga requerida en la descarga de la bomba para impulsar al flujo a su destino final y cualquier carga existente en la succin de la bomba (Fig. III.3)

A continuacin se hacen algunas aclaraciones para la descripcin de la carga dinmica total:

Los ingenieros diseadores se refieren a la carga dinmica total como la presin en la cabeza del pozo fluyendo expresada en pies, mas la friccin desde la profundidad de la bomba mas la elevacin efectiva. La eleva-cin efectiva es la profundidad a la que la bornbq fif:l colee.a para produ-cir el gasto deseado, es decir, la profundidad de col.ocacin menos la su mergencia.

Mas especficamente, cuando se bombea un lquido sin gas, la carga din mica total es la suma de (1) Las prdidas por friccin en la tubera de produccin y lnea superficial (2) La diferencia de elevacin entre.el destino final del fludo producido y la profundidad de la bomba, (3) Cual quier prdida significativa en la .lnea de descarga debido a vlvulas, -separador, etc. (4) Menos la carga existente en la succin de la bomba debida a la columna de fludo por arriba de la succin. Estos clculos pueden hacerse utilizando carga como unidad de presin ya que la densi-dad del fludo es la misma a travs del sistema de bombeo.

Sin embargo, cuando hay gas presente en el pozo, la densidad no es la -misma a travs del sistema y los clculos deben hacerse en unidades de libras por pulgada cuadrada (lb/pg ) y convertirse a carga a fin de uti-lizar las curvas estndard de comportamiento de la bomba.

\

Con frecuencia para propsitos de 4iseo, las prdidas y diferencias de -elevacin en la lnea superfici~l, son reemplazadas p0r una presin en la cabeza del pozo, la cual es suficiente para mover el flujo a travs de di cha lnea.

III-10

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PROFUNDIDAD DE

w o z z o ~ f:3 u a: :::> a.. (/)

.................. ------- COLOCACION (CDT)

Nivel Dinmico T

EJEMPLO:

Presin requerida en la boca del pozo

Profundidad de colocacin de la bomba

'I\J.bera de produccin

Gasto

Fludo Bombeado

Fludo por arriba de la bomba

Presin en la cabeza en pies de carga:

2 200 (lb/pg ) X 144 (pg2 /pie2) 54. 79 lb/pie 3

=

2 200 lb/pg

10,570 pies

2 7/8 pg.

1,600 bl/da

70 % aceite API 40

30 % agua S.G. = 1.05

= 54.79 lbm/pie3

650 pies

526 pies

Prdidas por Friccin en 10,570 pies de T.'P. (Fig. III.3a)

101 570x 20.5 ft = 217 pies 1,000 ft

Diferencia de elevacin = Bomba - Cabeza del Pozo

10570 - 650 = 9920 pies

Carga Dinmica Total

9920 + 217 + 526 = 10663 pies

Seleccin del Cable.-

El tamao y tipo de cable que se selecciona para una aplicacin queda de-terminado por la capacidad. qe conduccin. de corriente del cable y por el medio ambiente en el que el cable va a trabajar (temperatura y presin). Ejemplo para determinar el Voltaje Superficial Requerido La definicin de voltaje superficial requerido es la carga de voltaje ne-cesaria en la superficie para satisfacer el voltaje del motor utilizado mas las prdidas de voltaje debidas al tamao del cable y otros componen-tes elctricos en el sistema.

II I-12

"

) FIGURA N:A Ja. 3a PERDIDAS DE FLUJO DEBIDO A LA FRl.CCION EN TUBERIAS A.P.I. ~-

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u. --..... i/ .:..o/ '"J rv/ . "'I "": r t

..

Utilizando la Fig. III.4 se calcula el voltaje superficial requerido pa-ra:

Motor: 890 volts, 58 amperes

Cable: 3600 pies, No. 2, conductor de cobre

' De 'la grfica se encuentra una prdida de vol taje de 20 v /1000 pies de ca.:. ble No. 2, cobre y 58 amps. Entonces en 3600 pies de cable se pierden:

3.6 x 20 = 72 volts

Sumando al voltaje del motor: 890 + 72 = 962 volts

Una buena regla en prdidas de vol taje para transformadores trifsicos es el. 2.5 % del voltaje requerido:

962 volts x 2.5%:= 24 volts

El' voltaje total requerido ser: 962 + 24 = 986 = 990 volts

La cantidad de voltaje de operacin es algo flexible dentro del rang~ de 50 volts. Si el voltaje no puede ser exacto ser ligeramente mayor en lu-gar de menor. Sin embargo, el voltaje se establece lo ms cercano posible al ptimo (990v) confo:rine lo permita el transformador.

Algunos diseadores prefieren utilizar motores de alto voltaje y tableros de control grandes, anticipandose a incrementos de produccin posterio-res. Tambin los motores de alto voltaje con bajo amperaje, deben utili-zarse en pozos profundos donde el tamao de la tubera de revestimiento limita el tamao de cable que. puede usarse y por lo tanto limita el arnp!:_ raje del motor. Si existen varias opciones, entonces la determinacin del uso o no de un sistema de 2400 volts, depender de la evaluacin econmica. La seleccin del voltaje del motor es funcin de la profundidad, tamao de tubera de revestimiento, tamao del cable,costo del cable, costo del tablero de con-trol y costo de la energa elctrica. Corno regla general se puede usar:

A) Bajo HP B) HP > 70

C) 70 - 200 HP

D) > 200 HP

Profundidad Somera

Profundidad Intermedia

Pozos Profundos

Sistema de 1500 v 2400 v.

440 V

762 - 830 V

Tablero de 1500 V Motor 900 - 1300 v

Dependiendo de la profundidad, costo del tablero de control, del cable y la potencia.

III-14

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FIGURA No. 111.-4

Prdida 'de voltaje a lo l~~qo d.I, cable elctrico

60

Ejemplo:

Basado en el costo, para determinar el uso o no de un sistema de 2400 v.

Dados: Motor 150 HP

Profundidad 6000 pies

Seleccin del voltaje del motor:

1) 2150 V 43 amps.

2) 1150 V 80 amps.

Se tienen los siguientes costos, loscuales mantienen su relacin cuando cambian: (costos en dlares)

Tablero de control 2400 V $ 5,300.00

1500 V $ 3,000.00

Cable # 2 $ 2.70/pie

$16,200.00

Cable # 4 $ 1.85/pie

$11, 100 .00 -..

Costo Total:

2400 V 5300 + 11,100 = 16,400.00

1500 V 3000 + 16,200 19,200.00

El ahorro con el sistema de 2400 ves de $ 2,800.00 y por lo tanto es el que se selecciona.

A continuacin se presenta otro ejemplo que muestra la determinacin fi-nal basada en los costos de operacin.

Ejemplo.-Dados los datos del ejemplo anterior excepto la profundidad = 3000 pies

Costos: Cable # 4 = $1.85 X 3000 = 5550.00

# 2 - $2.70 X 3000 = 8100.00

Con el # 4 el ahorro es de $ 2,550.00

111-16

Costo Total:

2150 V 5300 + 5550 = 10,850.00

1500 V 3000 + 8100 = 11,100.00

Diferencia = $ 250.00

Existe muy poca diferencia~ de aqu que la decisin debe tomarse con base en los costos de potencia de operacin (energa elctrica) .de ambas unida des:

43 amps. en cable # 4 Prdidas = 23v/1000 pies

80 amps. en cable # 2 Prdidas = 27v/1000 pies

Para el cable # 4:

(3000) (23/1000) = 69v, para el motor de 2150 v

Voltaje superficial = 2150 + 69 = 2219 volts

Kw = (v) (amps) (P .F.) t/3 ) 1000

(2219) (43) (0.85) (l. 7:3) = -'-~~;;......;.......-...---.~--------,--~

1000

Para el cabie # 2

=

= 140.31

(3000)(27/1000) = 81 v, para el motor de USO v

Voltaje Superficial = 1150 + 81 = 1231 volts

kw = (1231) (80) (0.85)(1.73) = 144.81 1000

La diferencia es de 4.5 kw mas, para el motor de 1150 v:

(4.5) (24 hrs) (30 das) = 3240 kwhr/mes

La diferencia en costo: ,

( 3240.) ($0. 01) = $32. 40/mes

Entonces la seleccin ser: Motor de 2, 150 v ,. con ahorros de:

Costo Inicial = $ 250.00

costo de Operacin = $ 32.40/mes

III-17

Dimensiones del Transformador.

Para dimensionar un autotransformador, un transformador trifsico o un conjunto de .t;res transformadores de una fase, se utiliza la ecuacin:

Donde:

Ejemplo:

Kva Vs X Am X l. 73 1000

Kva Kilovolts amps.

Vs = Voltaje superficial requerido Am = Amperaje nominal del motor

amperaje que ser utilizado,

Voltaje superfici~l requerido Amperaje

Kva = 990 X 58 X l. 7 3 1000

= 990 V

= 58 amps

= 99.4'

Si se usan tres transformadores de una fase, los 99 ~va se dividen entre 3 para establecer un valor para cada transformador.

El autotransformador el transformador trifsico ne~~~Ha+n un tamao mnimo para 100 Kva.

Si se sabe que en el futuro se requerir una unidaq mas grande puede re-sultar econmicamente factible instalar transformadores con el rango su-perior adecuado.

RESUMEN DEL PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR BOMBAS

Para dimensionar una unidad de bombeo sumergible se proporciona la siguie~ te secuencia;

1) Recopilar y analizar informacin del pozo, produccin, fluidos y datos elctricos.

2) Determinar la capacidad de produccin del pozo a la profundidad de co-locacin de la bomba determinar la profundidad de colocacin al gas to deseado. Esto incluye determinar la presin de succin de la bomba (psucc) misma que se usar para el diseo y el volumen que se va a bom bear para obtener los barriles de lquidos deseados a condiciones de -tanque.

3) Calcular la carga dinmica total (CDT) = (Prdidas por friccin) + (Pre-sin del sistema) + (Elvacin vertical).

III-18

..

4) Para el clculo de la capacidad y carga total, seleccionar de entre las curvas caracterstiC::as, la del tipo de bomba que tenga la mas al-ta eficiencia pra la aplicacin. La bomba seleccionada tambin debe ser de dimetro exterior que ajuste en el interior de la tubera de revestimiento del pozo.

5) Calcular para el tipo de bomba seleccionada, el nmero de etapas re-querido para suministrar la carga necesaria para producir el gasto deseado.

6) Determinar la potencia requerida para el motor, usando la densidad especfica mas alta del fluido que encuentre para estos clculos. El tipo de protector generalmente se selecciona de la serie del motor d! terminado.

7) Seleccionar el tamao y tipo de cable ms econmico para la aplicacin, de los datos tcnicos disponibles.

8) Determinar la prdida de voltaje en el cab.le y el voltaje superficial requerido. Este valor establece el tamao del tabtero'de control.

9) Calcular los requerimientos de "KJ/A a fin de dimensionar los transfor-madores.

10) Seleccionar los accesorios adecuados tales como:

A) Tamao y tipo de cabezal para tubera de produccin (Bola colgadera) B) Equipo de servicio requerido para terminar la.instalacin.

C) Equipo opcional.

11) Determinar que otras etapas se requieren para asegurar buenas opera-ciones:

A) Cubrir el equipo con protecciones anticorrosivas o el uso de mate-riales inhibidores de corrosin.

B) Usar, si se requiere, cubierta en forma de camisa en el aparejo. EJEMPLOS DE DISEGO PARA POZOS PRODUCTORES DE AGUA

INTRODUCCION.-

Las bombas elctricas frecuentemente se utilizan en todos los tipos de po . zos de agua para uso domstico, irrigacin, pozos de agua dulce para in- -yeccion y pozos de agua salada tambin para inyeccin, pozos de agua sa~ lada para remocin de sal y posiblemente para disolver gas en agua salada.

Estos representan el problema de diseo mas simple. Como en el caso de un pozo petrolero, se necesita buena informacin. Aunque se tiene .algo de -flexibilidad en la bomba, es preferible operarla a su mxima eficiencia -cuando se produce el gasto deseado.

I II-19

PROBLEMA DE EJEMPLO PARA UN POZO PRODUCTOR DE AGUA

1) Recopilar y analizar la informacin:

Tubera de Revestimiento Tubera de Produccin Profundidad Disparos Fuente de Potencia Nivel Esttico de Fluido Densidad especfica del agua Temperatura Indice de Productividad Gasto deseado Lnea Superficial

=

=

=

=

8 5/8 pg Diam. ext. 5 1/2 pg Diam ext. 2200 pies 1900 2200 pies 12,500 volts

500 pies 1.1

120 F 10 bl/da/pie

10,000 bl/da 2000 pies, 4pg, 30 pies de elevacin

Seleccionar la bomba electrocentrfuga sumergible adecuada y el equipo re-lacionado con la misma.

2) Determinar la capacidad de produccin del pozo.

En este problema se desea un gasto de 10,000 bl/da.

3) Determinar la carga dinmica total requerida para 10,000 bl/da: A) P (en pies) = ~

J 10,000 bl/da 10 bl/da/pie = 1000 pies

Carga de Elevacin = 1000 pies + 500 pies (niv.estat.) = 1500 pies

Por seguridad colocar la bomba a 1600 pies Esta sera la carga total sin considerar la friccin y la contra pre-sin en la cabeza del pozo, pero deben tomarse en cuenta.

B) Pwh Presin en la cabeza del pozo (En pies de carga)

Pwh Componente de elevacin + Prdidas por friccin en horizontal

Pwh 30 pies + (55 pies/1000 pies) (2000 pies) = 140

C) Las prdidas por friccin en la tubera de produccin: (Fig. III.3)

Para 10,000 bl/da en T.P. 5 pg = 18.5 pies/1000 pies (18.5) (1.6) = 29.6 pies

Carga dinmica total = 1500 + 29 . 6 + 140 = 1670 pies

I II - 2 O '"' "

pies

la lnea

..

4) Seleccionar la bomba adecuada: Seleccin basada en las curvas caractersticas de bombas

a) Tubera de revestimiento = 8 5/8 pg b) Gasto = 10,000 bl/da

Seleccione la bomba I-300, con rango de capacidad de: 8,000 a 11,500 bl/da. Fig. III.5

5) Determinar el nmero de etapas requerido:

Curvas caractersticas para la bomba I-300-60Hz - 3500 rpm para dimetro de tubera de revestimiento mnimo de 8 5/8 pg.

A 10,000 bl/da, cada 100 etapas desarrollan 5950 pies de carga.

Num" ero de t . ..:1 1670 pies de carga e apas requeri~o = 5950 pis/100 etapas

Ne = 2 8 etapas

6) Determinar la potencia requerida para el motor:

Para 10,000 bl/da, se requie!en 585 HP/100 etapas basado en Sp.Gr.= 1.0

Para agua de Sp. Gr. = 1.1

H.P = (28 etapas) ( 585 HP ) (1.1) = 180 HP/ 100 etapas Ntese que el mximo HP en el rango de operacin es de 610 HP/100 eta-pas = 6.1 HP/etapa

HP = (6.1) (28) (1.1) = 188 HP

Generalmente se selecciona este ltimo valor ya que pueden necesitarse HP adicionales para propsitos de descarga.

La seleccin del motor de 60 H se realiza tomando en cuenta: z

Si el pozo tiene una temperatura superior a 180F, seleccionese un mo-tor de suficientes HP de manera.que losl88 HP representen unicamente el 80% del total de HP.

En este caso la temperatura es inferior y por lo tanto una unidad de -190 a 200 HP es suficiente. Se encuentra que un motor de la serie 540 proporciona 200 HP con 1160 volts y 105 amps. (Fig. III.6)

7) Seleccionar el cable: Si se tiene suficiente espacio usese cable redondo. Los siguientes cables estan disponibles (TRW-REDA)

II I-21

. TRW REDA . lnt:. ~GA CARGA METROS PIES

2500 .. 8000

:4RG4 -T4p~ C/040

7000. 2000

-

. 6000

~Ti') ~ / 1500 5000-

.. Q/ 4000 . C' V ~ ~ ~ 1000 -~ 3000 /pO. OE IENCIA

j 2000

- 7 500 '

1000 I lo .

BPD o 2000 4000

m3 /dlO 0 500

FIGURA No. 111.-5 CURVAS CARACTERISTICAS DE BOMBEO

IOOETAPAS- 1-300- 60 Hz SERIE 650- 35000 RPM

. . . . . . . . . . . , . . . .

. . RANGO . .

.. . .

RECOMENDADO : : . .

. - . . . . . . . . . . . . .

. -........ _ ......

. . . . . . . . . . . .

... .. . . . . . . ..

. . . . . . . . . . . .

. . . ... . . . . ..

. . . ... . . . .

~ - .. ... . ---- ... ~ -- -- . . . .. . . . . . . . . ~? r-........ . . . . .. ... . .. ~ r.-s . . . . . . . .. -..:...._ . . .. . ..

/ """' ~ ... . . . . . . . . . & . . . ... . .. . . . . . . . .. ....

~ ... ... . . . . . . . . . . . . . . . ... K . . _. . . . . .. ... . . . .. -, . . . . .. i" . . . . . . . . . ... .. ' ... . .. . .. . . . . . . . .. ... . . . ... . . . . ..

M

--

Serie 375 (3.7511 O.E.) .

11. P. V nlt s :l\mps 7. 5 415 13. 5

400 20 lo. 5 6go lZ

330 34 1 5~ 415 Z7

415 35 19. 5::: 650 2Z. 5

441) 38. 5 a. 5 750 22.. 5

650 l9. 5 25. 5 780 24.5

Motores Tondem 30:: 630 35. 5

39~ 575 51 45 660 51. 5

740 51. 5 51 1000 38

1250 31 58. 5::: 860 51

. 67. 5 990 51. 5 90

102

H. P.

200

lZO -io ZO

1320 1480

SERIE 738 (7.38" O.E.)

Volts

2300 1350 Z300 2300 l.300

51. 5 51. 5

Amps

54 101

59 65 70

Motores Tondem 400:: 2300 108 440::: 2000 136 4HO:

135

520: 2300 140

Datos de motores disponibles

Serie 4.50. (4.56 O.E.)

H. P., Volts Amps 8. 4 . 415 14, Z

u. 6 39.0 21 455. 18

16. 8 390 . 27. 6

415 Z5. 9 21 445 30 45Q . Z9. 5

450 . 35. 5 25. 2 465 . 34. z 540. 29_ 5

775 20.5

29.4 450 41. l 710 26 33. 6 415 51

465 . 50. 7 37. 8 585

' 2 72~ 32. 5 570 50. 3

46.Z 705 40. 5 845 34

54. 5 670 .: 50

845 39. 5 670 57. 3

63 775 50 980 39. 5

71. 5 775 57. 3 880 so. 5 Motores Tondem

------- 109 950 71 126 1080 u. 143 840 105

Serie 456. (4.5611 O.E.}

11. P. Volt1 Amp1 10 440 15

440 Z3 15 750 13. 5

460 l8 zo 760 17

4l0 38 Z5 no 22. 5

440 43.5 30 765 25

400 55 35 690 32

.800. 27.5 450 57

40 675 38 900 28. 5 700 45. 5

50 840 38 980 32. 5 670 57

60 840 45. 5 1000 38 980 45

70 785 57 1170 38 900 ~,

80 llZO 46 1350 38 1000 57

90 1260 45 1500 38 llZO 57

100 970 66 1400 45. 5 1080 65

110 1Z40 57 1000 77 1170 66

IZO 1350 57 2300 33. 5

Motores Tondem 1080 82. 5

140 ZZ80 39 lZ70 80

160 Zl60 47.5 180* Zl70 so zoo

DISPONIBLE EN PEDIDO ESPECIAL ZMO 59

220 227-5 6Z 2-10 22'>0 70

Serie 540 ( 11 5.43 O.E.)

1-1.P. Voll s--rAmps 445 29 20 76l 17

30 445 44 720 Z7. 5 445 59

40 670 39 740 36 ~90 30 430 75

50 740 . 44 920 35 445 87

60 665 58 755 52 890 44. 775 58

70 880 51 1035 44 685 7b 770 68 10 190 ~8

1115 44 740 85 855 74

100 960 66 1100 58 770 'J8 120 890 85

1330 57 835 98

130 965 84 150 965 97 160 1015 99 180 1000 113 zoo

1160. 108 . ZZOO 57

1200 IZO 225 2300 . 62. 5 Motores Tan

1 ..

a) 3 KV Redalane = std. (bueno pra 180F) - Galv.

b) 3 KV - Redared - Gal v. (buno :>ara 300 F)

e) 3 KV - Polietileno (bueno para ::orrosin a T

Seleccionar el # 1 Cu (Fig. III.-7)

8) Determinar la prdida de voltaje en el cable (Fig. III.4) 30v/1000 pies

1.6 x 30 = 50 volts

Seleccionese el tablero de control.

Use cable de polietileno

9) Selecc.ionar el transformador ..

Voltaje superfici~l = 1160 + 50 = 1210 volts Kva = (V) (amp)

1000 3 (1210) (105) (l. 73)

= = 220 1000

140F)

Use un conjunto de tres transformadores de 75 Kva cada uno para un total de 225 Kva.

PROBLEMA COMPARATIVO PARA POZOS PRODUCTORES DE AGUA.

Los dos siguientes problemas son, uno para:

5 1/2" T.R. X 2 3/8" T.P. y otro para: 7"T.R. X 2 7/8" T.P.

Ntese que en los dos ejemplos se tiene la misma presin en la cabeza del pozo y la misma profundidad de elev~cin. Sin embargo se pueden usar me~ nos HP en 7" x_2 7/8" debido a que las prdidas por fricci6n son menores en T.P. de 2 7/8" y tambin al hecho de que una bomba de mayor dimetro exterior es mas eficiente.

Ejemplo A Informacin:

T. R. = 5 1/2 pg T. P. = 2 3/8 pg Intervalo 4000 pies Nivel estt. = 1000 pies Temp. de fondo = 160F

II I-24

FIGURA No. 111.-7

Longitudes Maximas De Cable Recomendado para Motores . Con Varias Relaciones Volts/ Amperes.

1~0, YOVbk v ycwLE N4 CABLE N2 : z a a a a E : : 1 a a : 1 : ; & ' u y..- r-- z ... , a

140nl 1 I 1 I 1 11 1 1 1 1 1 ' 1 8 1 t--t---+--+---1--.9'-J t---t-~-+-~-+-~+-~l--L-1

~ e ..... 12001 ' I :1 I W 11 1 1 1 JI ff 1 ff 11 1 1 1 ff V A 1 1 1 1 1' < 1 , 1 o

~ ..J LIJ 01000 lLJ ..,

~ ~ ..J 0 80011 1 11 >

30

o o ' '

1 ~ o o ' 6..---r:.,- 1 11-+-- 1, & o\) O o0 o n~ o o ' \"'

J = l. O bl/da/pie s. G. = 1.1 Q deseado = 2000 bl/da pwh 100 lb/pg

2 =

Seleccin de la bomba para 2000 bVda . . . 2000 bl/d!a

P (pies) = 1 bl/da/pie = 2000 p~.es

1000 pies (niv.Estat.) + 2000 = 3000 pies de elevacin

Colocar la bomba a 3300 pies por seguridad

Para 2000 bl/da la prdida por friccin en T.P. de 2 3/8 (Dim. int. = l.992 = 2") es de 72 pies/1000 pies.

Con la bomba colocada a 3300 pies

Friccin total= (72) (3.3) = 237.6 pies '

Gradiente del agua producida i

0.433 X 1.1 - 0.476 lb/pg2/pie = = p

X S.G. = H X '/6 agua producida Y. agua H = 100 lb/pg2 .;.. 0.476 lb/pg2/pie = Pwh Grad. agua prod. ; 210 pies

Carga dinmica total :; 3000 + 237. 6 + 210 = 34ttt-- pies

De la Fig. III.8: Bomba: D-55 para T.R. = 5 l/2" Diam. Ext.

Desarrolla 22 pies de carga por etapa a 2000 bl/d!a

3447.6 No. etapas = -----. 22 ( pies ) 157 t pies/etapa = e apas

HP = 157 etapas x 0.6 HP/etapa = 94.2 HP (agua dulce)

HP x l.l = 103.6 HP para agua de S.G. : 1.1

Ejemplo B Informacin:

T. R. = 7"

T. P. = 2 7/8"

Intervalo = 4000 pies

1428 lb/pg 2 Pws =

Ternp. fondo = l60F

1 II-26 . '

~-! ~ 1

N ---l

Carga (m)

900

750

600

450

300

Cargo (pies)

3000 1--

2000 1--

1500

1000

Curvas de comportamiento bomba Redo 100 etapas - 055 - 60 Hz Serie 400 - 3500 RPM

rK.:

11 !A"' .f-tf;:llJj f-lt""'M..1 fl l l 1 t

~ lltJ.

Tamao mnimo de T.R. 51/2 11 O.E.

Potencia 'Eficiencia (HP) (%)

60

50

i !di l ITHll 111l1lmJ11111111111111 11 ~j;fT' 1 l /t,;.t. l .. l . ~ P~$f Yff. 80 40 n 60 30

I~! ~ ' , ~

~ 1 40 20

. 1:1~lrtt,f f..f; tJ"t.Jll t: f. !*111 VJ-fl

1 J!JLlll tff.fl 1 j j 11 1 j 1 j 1 1 j 1 1 1 1-N\ 20 10 iB .:1.;m; ~-'.~ SI 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r p. -~ .

. ;:~r ~= 1111111111111111111100 1 1

1000 1500 2000 2500 . 3000 3500 bl/da Tipo 055

Figura m.8

J

Psep

= 2.10 bl/da/lb/pg2

2 50 lb/pg

LINEA SUPERFICIAL= 3"; ~pies de lOnJ. tubera vieja (old pipe) Cambio de elevacin = 6_8 pies hacia arr Lba

S.G. = 1.1

Seleccionar la bomba para 2000 bl/da

P = 2000 bl/d!a 2 A 2 .10 bl/dia/lb/pg 2

= 952. 38 lb/pg

Pwf = 1428 - 952.38

Gradiente:

2 = 475.62 lb/pg

0.433 X 1.1 = 0.476 lb/pg2/pie

= 475.62 lb/p12 H 0.476 lb/pg /pie = 999.2 pies de columna de agua cuando

se est bombeando.

4000 - 999.2 = 3000.8 pies de elevacin

Colocar la bomba a 3300 pies por seguridad.

La prdida por friccin en la T.P. e. 2000 bl/da = 30 pies/

1000 pis.

La prdida total por -friccin:

3.3 x 30 = 99 pies

La carga requerida en la boca del pozo es:

50 lb/pg2, 68 pies de elevacin y 2000 pies de l!nea superficial.

50 ~ (0.476) = 105.04 pies 68.00 pies

. ~ 10.04 pies 2000 pi~s ~n 3" oldpipe =:= 37.00 pieS .

Carga dinmica total:

Elevacin Friccin

Carga Superficial =

=

3000.8

99.0 210.04

3309.84 = 3310 pies III-28

1 N _,

Cargo (m)

1500

1250

1000

750

500

250

Curvos de comportamiento bombo Redo 100 etapas -G 52 E - 60 Hz .. Serie 540 -3500 RPM

r- T " - - Tomaiio ' _,,, " ' . r ! 1T ' " '1 TT T , . ~1ntmo de (

) 1 ~ 1 1 1 1 ; , 1 1 . ._, e :::~ ,. ,.. "' L. T. R. 6 ~/e O. E . ples ~ ~ i 1 ; 1 l i . ' .. . ,. - : T . "!' f T -r ' l 1 1 ' -- ,. . ' . ' ' ' . ' ' . ' ' ' ' sooo ' "" o~n- ' . ' ; "i ~ Rango :e: 1 , , 1 '. 1 1 ~ , P,.............. ....... 1

' ' - "'-..- " " . '" ' ' ' ' t ' T 1 ,- -~u _ ' l i'..$!..C/ ~ 1 . ' , . --recome. ndado "''ti" ' ' : ' '. : : ~ ~ r _; 1 ' (HPl (%}'

, r 1 1 1

~ . l t ! ' ! 1 1"'lllli:

La seleccin de bombas es: Para T.R. 7" G - 52E .. o G-62E

La seleccin sera la G-52E si el dato de J no es muy confiable o si se predice que la Pws puede declinar en corto :.:iempo.

La bomba G-52E desarrolla 39 pies/etapa a ~~000 bl/da 3310 pies 39 pies/etapa = 84. 87 = 85 etapas

85 etapas x 0.95 HP/etapa ".' 80~ 75 HP 80. 75 HP (agua dulce) x Ll S.G. = 88.82 HP

DISCUSION DE LOS DOS PROBLEMAS ANTERIORES

Ntese que ambos problemas tuvieron la misma elevacin y la misma pre-sin en la boca del pozo. En el caso de T.R. de 7"' se us una tubera de produccin mas grande :oara reducir las prdidas por friccin.

Esta situacin permite el uso de una bomba de mayor dim~tro, ms efi-ciente y mas econmica. La coinQinacin de menores prdidas por friccin en la tubera de produccin y una bomba mas eficiente requiere de 88.82 HP de carga parael motor en la'T.R. de 7" mientras que en la 'l'.R. de 5 1/2" se necesitan 94. 2 HP.

De aqu la importancia de la terminacin inicial debido a que el tamao de tubera de revestimiento tiene una decidida influencia en la eficien cia del bombeo elctrico.

EJEMPLO: Pozo productor de aceite sin gas libre.

En este problema el pozo tiene una baja relacin gas-aceite y produce 15% de agua. Se supone que no pasa gas libre a travs de la bomba.

1) Datos p l T.R. = 5 1/2" a 6150 pies, 17# o T.P. 2 3/8" = z o Intervalo = 5900 a 5970 y 6000 a 6030 pies p Pws = 2000 l}:)/pg 2 5950 pies (medido) a R

Pwf 1500 lb/pgi = o D Q 475 bl/da (400 bl/da de aceit~) = u e RGA = 350 pie3/bl e

TWf 170F = I 2 o pb = 2000 lb/pg (Yacimiento de empuje por gas en N soiucin)

I II-30

F API (o = 30 L u s. G.o = 0.876 I D s. G. w 1.02 o s s. G.g = 0.75

SISTEMA DE POTENCIA1 VOLTAJE PRIMAR.l;O 7200/12470

El pozo produce fluidos corrosivos

se desea producir al mximo gasto.posible manteniendo 300 lb/pg2 en la succin de la bomba. El problema.difiere de los de pozos de agua, en que el volmen en la bomba es mayor debido al factor de volumen del aceite.

Profundidad de colocaci6n de la bomba =

Presin de succin =

Adems se supone que todo el gas va al espacio anular

2) CAPACIDAD DE PRODUCCION DEL POZO.

5850 pies 2 300 lb/pg

. . . 2 Se ha decidido prpbar y crear 300 lb/pg en la succion de la bomba colo-cada a 5850 pies (50 pies arriba de las perforaciones) . Esto es muy razo-nable ya que probablemente se requerirn las 300 lb/pg2 para desviar el gas al espacio anular. Es un diseo prctico puesto que de la experiencia para este tipo de aplicacin se ha encontrado que se requieren aproxima-damente 300 lb/pg2 en la succin para tener buenas condiciones de bombeo. Los 50 pies por arriba de las perforaciones para colocar la bomba penniti-rn que el fluido pase por el motor para enfriarlo.

La presin esttica se midi a 5950 pies y la bomba colocada 100 pies arri ba lo cual reduce ligeramente la presin de fondo medida. Para encontrar esta reduccin es necesario conocer la S.G. promedio del fluido por aba-jo de la bomba. El pozo produce 475 barriles de fluido en total (15% de agua y 85% de acei te). La S.G. del aceite sin gas es de 0.876 y la del agua es 1.02,:

0.876 X 85 % 0.74 l.02 X 15 % 0.15

0.89 = s. G. promedio (Abajo de la bomba) Entonces 100 pies representan aproximadamente

p 100 pies x 0.89 2.31 pies/lb/pg2

II I-31

40 lb/pg2

Se desprecia el efecto del gas libre en la e->lumna. Entonces la presin esttica de fondo en la 'iomba puede estimarse. corno:

2000 - 40 = .1960 lb/pg 2

Ahora puede calcularse la capacidad de prodl. ::cin del pozo. Corno se tra-ta de un yacimiento con empuje por gas disuFLto se puede usar la curva general de I.P.R. (Vogel) para verificar el volmen disponible para bom-bear.

A continuacin se ilustra la curva de I.P.R. generalizada y corno calcu-lar el volumen disponible para esta aplicacin (Fig. III.-1)

gL

Pwf

p ws

Pwf = p

ws

q

~ax

475 lb/da

1500 lb/pg 2

2000 lb/pg 2 =

1500 0.75 = 2000

0.40 (De la curva)

475 qrnax

~ax

q ~ax

= 0.40

ll88 bl/da

= 300 + 40

= 0.17

2 = 340 lb/pg

= 0.94 (De la curva)

q = (0.94) (1188) = 1117 bl/da

Es el gasto para Pwf 340 lb/pg2 a la profundidad de medicin (5950 pies) la cual da 300 lb/pg2 a la profundidad de succin de la bomba.

J = bl/da p ws

- p wf 2000 - 1500

.. ' 2 J = 0.95 bl/dia/lb/pg

2 AP para tener 300 lb/pg en la succin de la bomba:

2000 - 40 - 300 ... 1660 lb/pg2

q = 4P X J = 1660 lb/plxo.95 bl/da/lb/pg2:1577 bl/da

III-32

Si se hubiera usado este mtodo, la capaciddd de produccin del pozo se-r!a optimista y posiblemente resultara una untdad sobrediseada. La pro ductividad del pozo se verificara despus .e que la unidad hubiera ope::-rado algn tiempo. Si la capacidad del pozo resulta mayor que la antici-pada, una unidad de mas alto volumen puede ~nstalarse.

Ntese que el volumen de 1117 = 1125 bl/da est medido a condiciones de almacenamiento ( a c.atm.) y por lo tanto e:; necesario determinar el vo-lumen que debe bombearse para obtener el vo~ umen mencionado en la super-ficie. Existen datos suficientes para deterninar el factor de volumen del aceite a la presin de. 300 lb/pg2 . (Correlacin de Standing)

El gasto de quido del yacimiento ser:

1125 bl/da X 0.85 X 1.075 1028 blo/da.

1125 b/d x 0.15 agua = 199 blw/da

1227 bl/da

Supuestamente no pasa gas libre a travs de la bomba.

3) CARGA DINAMICA TOTAL.

Esta determinada por:

A) Elevacin vertical:

Se calcula con el nivel. dinmico de fluido cuando se tienen 300 lb/pg2 en la succin de la bomba. Esta presin convertida a pies de columna de lquido se resta de la profundidad de colocacin de la bomba:

2 Suponiendo que las 300 lb/pg sern un gradiente de aceite, despre ciando el gas

H = :300 lb/pg2 x 2. 31 pies/lb/pg2 0.876 (S.G.)

H = 5850 pies - 790 pies ~ 5060 pies V

B) Prdidas por friccin:

= 790 pies ( Sumergencia de la bomba)

Dados: 5850 pies de.T.P.,_2 3/8" a 1227 bl/da

Las prdidas por friccin (Fig. III.-3) son de:

40 pies/1000 pies

Ft = 40 x 5.85 = 234 pies

III-33

Usese 250 pies de prdidas por friccin par incluir la vlvula de con-tra presin y el niple de circulacin.

NOTA: Las prdidas en estos dispositivos sor. pequeas comparadas con la carga total y pueden despreciarse, sin embargo considerar de 5 a 10 pies de prdida en cada uno, es adecuado.

C) La presin superficial: 2 .

Dada: Una presin en la boca del pozo de 200 lb/pg usando una densi-dad especfica promedio de 0.890 y convertida a pies de carga:

. 200 lb/ 2 x 2.31 pies/lb/pg2 Carga en pies = pg - -- = 520 pies 0.89 (S.G.)

La carga dinmica total ser:

CDT = 5060 (Hv) + 250 (Ft) + 520 (Pwh) = 5830 pies

4) Tamao y Tipo de Bomba . .:..

La unidad debe instalarse en T .. R. de 5 1/2 pg. Diam. Ext. entonces una -bomba de la serie 400 (4 pg. Diam.Ext.) es adecuada.

Para el gasto de 1227 bl/da la D-40 (Fig. III .10) de Reda es la mas efi-ciente y de Centrilift la M-34 o G-48.

5) Nmero de Etapas necesario.

La carga por etapa de la bomba D-40 es de aproximadamente 23 pies. Enton-ces

No. etapas = C D T pies/etapa

6) Potencia del motor.

HP Netapas X HP/etapa X s. G.

5830 23 = 254 etapas

HP 254 X 0.35 X 0.89 (Usando el mximo HP)

HP = 79 ;

NOTA: Este requerimiento de potencia es para el pozo en condiciones de operacin.

Un motor serie 456 ( 4. 56 pg O. D.) se puede usar en el dimetro interior de la tubera de revestimiento. Un motor de 90 HP est disponible y se -considera una buena s leccin para esta aplicacin. (Fig. III. 6)

I II-34

- NCYrA: Si el pozo est controlado con salmu.-ra o un fluido mas pesado el motor de 90 HP estar sobrecargado ai)roximadamente un 10% mientras se expulsa el fludo de control. Estn tendr que tomarse en cuenta en el arranque inicial del pozo.

7) Cable

El tamao del cable, voltaje y amperaje deJ motor para una operacin mas econmica deben seleccionarse.

Para seleccionar el cable_ se toma ~n cuenta la temperatura de fondo de -170F y la longitud de 5850 pies mas 100 pies para conexiones superficia-les, es decir 5950 pies de cable.

Para esta instalacin se selecciona el motor de 1250v y 45 amps (Fig. III.6) utilizando el cable No. 4 conductor de cobre. Los 45 amps. ajustan en el rango de la capacidad de conduccin del cable No. 4 (Es el tamao ms gran de que puede usarse en la T.R. de 5 1/2 pg). El cable Redalane es la me- -jor eleccin para 170F. T~in se puede usar el tablero de control de 1500 v.

Si se hubiera seleccionado el motor de 57 amps. la capacidad de conduc-cin del cable No. 4 se aproxima a su lmite. Si se seleccionara el motor de 1500v, se requerira un tablero de control de 2400v a un mayor costo.

El motor de 2000 v podra seleccionarse usando el cable No. 6 con el mo-tor de 29 amps pero tendra que usarse el tablero de 2400 volts y el ca-ble No. 6 necesitara cambiarse posteriormente.

8) Prdida de voltaje en el cable y voltaje superficial Dados: Cable: 5950 pies, No. 4, cobre

Motor: 45 amps, 1260 volts

se encuentra que la prdida de voltaje para 45 amps con cable No. 4 a 170F es de 24 v/1000 pies de cable, entonces el voltaje superficial requerido s:

V = (24 x 5.95) + 1260 x 1.025% = 1438 volts s

Donde el 2.5% se considera prdida en el transformador.

Un voltaje superficial de 1425 a 1450 volts ser el apropiado para esta aplicacin.

9) Clculo de KVA

Dados: Voltaje superficial Amper aje =

1450 volts

45 amps. (Operacin normal) Kva

1450 X 45 X l. 7 3 1000 = 113

III-35

Se usarn tres transformadores de una fase

Fuerza

Q

2 200 lb/pg

60 .. Hz

1600 bl/da e c. atm. Colocacin de la bomba a la profundidad necEsaria

No hay arena, incrustaciones, corrosin ni parafinas.

1) Seleccin de una bomba que ajuste en T.R. de 7 pg D.E. con capacidad de produccin de 1600 bl/da a c.atm.

2) J 1000 bl/da 2900-2540 = 2.78 bl/da/lb/pg2

Pwf para Q = 1600 bl/da

Pwf = 2900 - 1~~~8 = 2325 lb/pg2 a 10 ,000 pies

3) S.G. agua a 60F = 1.05 ; a .. 190F = 96. 7\ (1.05)

Aceite 40API n 60F = 93.4 % (0.825)

~.Agua (1~05) (0.967) (0.3) ~ 0.30

(0.825) (0.934) (O. 7) =.54

S.G. Promedio = 0.84

La elevacin efectiva para Pwf =- 2325 lb/pg2

H 10,000 - 2325 3 ,606 pies 0.433 X 0.84

Por seguridad la bomba se puede colocar a 4000 pies

Prdidas por friccin en T. P. 20.5 pies/1000 pies

F = 4 x 20.5 = 102 pies t

HPwh 200

0.433 X 0.84 550 pies

Sumergencia de la bomba = 4000 pies - 3606 pies

CDT = 3606 + 102 + 550 = 4258 pies

II I-37

394 pies

4) Bomba Serie 513 Tipo I - 42B Centrili rt

5) Para Q = 1600 bJ:/da la bomba produce 3.:: 3 pies/etapa 4258

etapas= 38 _3 - 112 etapas

6) Potencia: A 1600 bl/da 'la I-42 B requiere 0.69 HP/etapa

HP = 112 X 0.69 X 0.84 = 65 HP

Motor Serie 544 75 HP 1350 v/35 amps

7) Cable: Para la combinacin.- 1350 v, 35 amps y 4000 pies

Cable No. 4, Conductor de cobre Cada de 18 v/1000 pies

Debe ser resistente a temperatura de 225F

8) Voltaje Superficial requerido

Vs = 1350 + 18 x 4 = 1422 volts

9) Transformador:

Kva 1422 X 35 X l. 7 3 1000 86 Kva

Tres transformadores de 29 kva lo cual conduce a los existentes en el mercado de 37.5 kva cada uno.

10) Accesorios: Los necesarios.

DISE~O PARA POZOS CON PRODUCCION DE GAS DE MEDIA A ALTA:

INTRODUCC ION :

Los pozos que se bombean con gas representan una mayor dificultad en el -diseo. Aqu se supondr que todo o un cierto porcentaje del gas se bombea. En general la solucin consist.e en determinar primeramente la presin de succin de la bomba (Pwf si se coloca en. el fondo) y a continuacin la pre sin de descarga de la bomba utilizando una correlacin apropiada de flu--jo multifsico. As se detennina la presin diferencial entre la succin y la descarga de la bomba, que representa la .AP que la bomba debe desarro-llar. Iniciando con la presin de succin se suponen incrementos de pre-sion y se determina el gradiente de presin promedio en dichos incrementos de los que puede determinarse la carga promedio desarrollada. De estos in-

II 1-38

crementos de carga se.determinan las etapa> requeridas entre los incre-mentos de presin. El nmero total de etap1s se determina swnando los iri cremen tos de etapas. Finalll).ente, los reque .:imlcmtos de. HP pueden deter--minarse y el diseo se.1 termina. r

. )

A continuacin se presenta un procedimiento suponiendo una mezcla homog-nea en la bomba y que la bomba puede desar ollar una carga concordante a calculos de densidad sin resbalamiento. La temperatura a travs de la -bomba se supone constante debido a su cortd longitud. Las propiedades de los fludos se obtienen de anlisis PVT (B

14). Determinar el nmero total de etapas ( E paso 13) 15). Determinar HP/etapa de las curvas de e mportamiento.

16). Determinar el total de HP ( Z. paso 15) Ocurrir una combinacin de bombas, es decir, 120 etapas de una bomba X - 50 y 60 etapas de otra bomba Z - 60 Esta ser la bomba para condiciones de operacin y se necesitarn ms etapas para descargar el pozo.

EJEMPLO: PROBLEMA PARA UN POZO CON BAJA PRODUCCION DE GAS

PROCEDIMIENTO DETALLADO PARA DETERMINAR EL NUMERO DE ETAPAS NECESARIO ENTRE EL INCREMENTO DE 500 A 700 lb/pg2

DATOS:

. HT

T. R.

T. p.

p ws

RGL

RGA

7000 pies

= 5 1/2 pg

= 2 3/8 pg

=

=

=

1000

500

2 lb/pg

lb/pg2

2 200 lb/pg .

250 pie 3 /bl 3 500 pie /bl

SG g 0.63

= 500 bl/da

= 500 bl/da (50% agua)

SG 1.07 w

SG = 35 API o

120F

Twf

Se bombea el 100% del gas

Encontrar el nme2o de etapas necesario entr2 la presin de succin de la bomba a 500 lb/pg y la presin de 700 lb/pg

1) Encontrar el volumen de aceite, gas y agua aso2iado con un barril de aceite en tanque de almacenamiento a 500 lb/pg y 700 lb/pg2 (Suponer un incremento de 20 lb/pg2).

V + V + V o g w B = l bl a cond. tanque

V 1 (Bo) = 1 (1.08) = 1.08 bl. a cond. escurrimiento ( a e.e) o

3 . Vo (pie ) = (1.08) (5.61)

V g = 500 pies3 /bl a

6.059 pies 3

cond. atm.

B = Patm X z g500

X Te/(Tatm X p ) e

1 14.7 620 5.615.XS14.7 ~ 520 X

0.97 l

bl = 0.00577 ~ pie

B g 0.00504 TZ p

bl pie3

III-40

.: 0.00404 bl pie3

Vw ''"' l (Bw) '' 1 B/B (No hay eambio en el volumen de agua)

csoo) - Loe R ;.: 80 pie3/bl a c.atm. s

80 (700) ,. l.094 Rs - 120 pie3 /bl a c.atm.

GAS LIBRE (500) = 500 - 80 = 420 pie 3/bl a c.atm.

GAS LIBRE (700) 3 - 500 - 120= 380 pie /bl a c.atm.

El volumen de aceite, aCJUa y gas libre a 500 lb/pg2 asociado con

+ V + V w q

l li s (l.OH) + (1.0) + 420 (0~00577) = 4.5034 bl/B

Volumen total producido: (500 lb/pg2)

250 (4.5034) = l 125.85 bl

Significa que por los 250 blo producidos en la superficie se manejan 1125.85 bl de fluidos en el fondo.

2 Para 700 lb/pg :

1 B = (1.094) + (1.0) + (380) (0.00404) = 3.6292 bl/B

Volumen total producido: (700 lb/pg2).

250 (3.6292) = 907 .3 bl

2) Encontrar el gasto total de masa en lbm/da A) Masa de aceite:

SG lb (62.4) (~ o p1e

. 3 lb (5.615) (pie ) =SG o (350) ( ) bl bl

se 141.5 o i.31. 5 + 0 J\PI

1 B = (0.8498) (350) = 297.3 lbs

B) Masa de agua:

SG w

(350):; (1.07) (350)

1 B = 374.5 lbs.

III-41

141.5 = 0.8498 131.5 + 35

lb = 374.5 (bi )

~

e) Masa de gas:

SG g(O .0764) (~ pie-' . . 3

(500) (p~~ )

1 B = (0.65) (0.0764) (500) = 24.83 lbs

Masa por 1 B de aceite, agua y gas:

(297.3) + (374.5) + (24.83) = 696.63. lbs

Gasto total de masa:

(696.63) (;:;,) (250) (:~a) = 174,157.5 lbm da

Es un valor constante sin resbalamiento en cada presin sealada.

3) Encontrar el gradiente de presin en lb/pg2/pie a 500 y 700 lb/pg2

fmezcla =

696.63

MASA VOL.

lbm f (500) ( 4 so 34 ) ( 5 . 61 ) (bl) (pie3jbl) = 27.55 lbm pie3 Gradiente

f (700) = Gradiente

1 144

696.63

(lbm/pie3 144pg2/pie2

27.55 144

lb (3.6292) (5.61) - 34 .185-:::::-J pie

34.185 144

. 2 = 0.2474 lb/pg /pie

= 0.1913 lb/pg2/pie

4) Encontrar el gradiente promedio: 0.1913 + 0.2474 Grad. Prom. = 2 - O. 2143 lb/pg2 /pie

5) Encontrar el volumen promedio:

2 2 = 1017 bl/da

6) Seleccionar la bomba para este gasto promedio Veanse las bombas: Reda D-40, Centrilift M-34 ODI R9 Kobe II SOF. ,

I II-42

7) La bomba Reda D-40 entrega una carga de 25 pies/etapa De dond es necesario determinar la prc:;in/etapa

(H/etapa) (lb/pg2/ft) = 25 x 0.243 = 5.36 lb/pg2/etapa

8) Encontrar el nmero de etapas necesario para el incremento de presin de 200 lb/pg2

EJEMPLO

N e

2 200 lb/pg 5.36 lb/pg2/etapa 37.3 etapas (Usar 38 etapas)

Bomba Reda D-40

A fin de determinar la presin de descarga requerida para la bomba en un pozo que produce una gran cantidad de gas se usar alguna de las correla ciones de flujo multifsico siguientes: ( *)

a) Hagedorn y Brown b) Orkiszewski c) Dun y Ros d) Beggs y Brill e) Poettmann y Carpenter

Se dispone de los mismos datos del ejemplo anterior excepto que se prod~ ce 100% aceite

Todo el gas libre entra. a la bomba y se supone que no hay resbalamiento en la bomba. (GIP = 100%)

1) Determinar los requerimientos de descarga de la bomba utilizando el m todo de Hagedorn y Brown.

La presin de descarga requerida para que el pozo fluya es de 1300 lb/pg2.

2) En tanto que como el volumen de 500 bl/da (aceite a cond. atm.) y su gas asociado es variable con la presin y temperatura, debe hacerse un clculo del volumen en l.a succin de la bomba y del volumen conforme se avanza a travs de la bomba.

Mtodo de Clculo del Volumen en la Bomba.

El volumen total que pasa a travs de la bomba consiste de aceite, gas y agua a la temperatura y presin prevalecientes pozo abajo. El volu-men de los tres se reduce conforme se mueven hacia arriba de la bomba aumentando progresivamente la presion hasta que se desarrolla la pre-sin necesaria para hacer que el pozo fluya. En este caso es de 1300 lb/pg2.

( *) Referencias.

II I-43

Volumen total en la succin = aceite + agua + gas

V succ

q (1 o

GIP = Gas que entra a la bomba.

V succ

V succ

500(1-0)B0 + q(o) + 500(1-0) (500-80) (1.0) (0.00577)

500 (1.08) + 500 (420) (0.00577)

1751. 7 bl a 500 lb/pg 2

W porcentaje de agua c

Es decir, 500 bl y el 100% del gas pasando por la bomba

Rs, se obtuvo de la correlacin de Standing, entrando a la grfica con 500 psi y a mano derecha, B0 tambin se obtuvo de la correlacin de Stan ding.

Bg = 0.00504 ZT p bl pie3 a c. estndard

Despus de calcular el vo~umen en la succin se usa el mismo mtodo para presiones sucesivamente mas altas con incrementos de