Download - Bombeo Electrosumergible - Grupo No. 2
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BOMBEO
ELECTROSUMERGIBLE
JOSE BARRERO
JHONATAN ERAZO
CRISTIAN FORIGUA
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El bombeo electrosumergible es un mtodo de levantamiento artificial que se comenz a utilizar
en Venezuela en 1958, con el pozo silvestre 14. Es
un mtodo de levantamiento artificial que utiliza
una bomba centrfuga ubicada en el subsuelo para levantar los fluidos aportados por el
yacimiento desde el fondo del pozo hasta la
estacin de flujo.
INTRODUCCION
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El sistema de bombeo electrosumergible se basa en la
extraccin de petrleo mediante el uso de bombas centrifugas,
similares a las utilizadas para la produccin de agua.
Es un medio efectivo y econmico para lograr recuperar
considerables volmenes de fluidos a grandes profundidades.
Su aplicacin es mayor en yacimientos con altos volmenes de
fluido, porcentajes de agua y una baja relacin gas petrleo (GOR), en la actualidad estos equipos han obtenido excelentes
resultados en la produccin de fluidos de alta viscosidad, en
pozos con fluidos abrasivos, altas temperaturas y que disponen
de un dimetro reducido.
SISTEMA BES
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EL sistema de bombeo electrosumergible se puede
dividir en tres grupos principales:
Equipos de Superficie
Equipos de Subsuelo
Cableado
200 KVA
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SELLO
SEP. DE GAS
BOMBA COMB.
MOTOR
SENSOR
TUB.
CABLE
CAJA DE
EMPALMES
TRANSFORMADOR
ELEVADOR
ACCIONADOR
DE VARIACIN
DE VELOCIDAD
TRANSFORMADOR
REDUCTOR
LNEA DE FUERZA
NIVEL ESTTICO
NIVEL DINMICO
Sistema BES
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EQUIPO DE SUPERFICIE
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El primer transformador reduce el
voltaje de la lnea de distribucin al
voltaje necesario para el
funcionamiento del variador de
velocidad, mientras que el segundo
transformador eleva el voltaje de
salida del variador al voltaje que
requiere el motor electrosumergible
con las respectivas conexiones
(DELTA o ESTRELLA).
TRANSFORMADORES
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El VSD (Variable Speed Driver),
controla la velocidad de rotacin
del eje en el motor
electrosumergible que se
encuentra axialmente acoplado al
eje de la bomba centrifuga.
El VSD proporciona la potencia
suficiente al equipo de fondo para
que ste funcione en ptimas
condiciones, ofrece adems
numerosas opciones de proteccin,
control y monitoreo del respectivo
equipo que varan de acuerdo al
fabricante.
CONTROLADOR DEL MOTOR ELECTROSUMERGIBLE (VSD)
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Caja de Venteo (Caja de Empalme)
Ventea a la atmsfera cualquier gas
que se encuentre en la armadura
de proteccin del cable elctrico de
potencia que proviene del pozo.
Facilita puntos de prueba
accesibles para realizar mediciones
elctricas del equipo de fondo
Cumple con tres funciones importantes:
Proveer un punto de conexin entre el bobinado secundario
del transformador elevador multi-taps y el cable elctrico de
potencia proveniente del fondo del pozo.
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Carta Amperimetrica
Por lo general junto a la
caja de venteo se ubica
un registrador
amperimtrico, donde se
registra de forma grfica
la corriente del motor electrosumergible en
cartas Amperimtricas,
como se indica en la
figura.
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CABEZAL DE POZO
El cabezal cierra
mecnicamente el
pozo en la
superficie, soporta el
peso del equipo
electrosumergible
instalado, adems
mantiene un
control sobre el
espacio entre el
casing y la tubera
de produccin del
pozo.
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EQUIPO DE
FONDO
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Son aquellas piezas o componentes que operan
instalados en el subsuelo.
Las compaas de bombeo electrosumergible se
especializan en la fabricacin de estos equipos,
mientras que los componentes de los otros dos grupos
son considerados miscelneos.
EQUIPOS DE SUB-SUELO
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BOMBA ELECTROSUMERGIBLE
La bomba electrosumergible es del
tipo centrfuga multi-etapa, donde su
dimetro de fabricacin depende del
espacio que se dispone en cada pozo,
el caudal de descarga depende de: la
carga hidrosttica, la velocidad de giro
del motor electrosumergible, diseo
de las etapas internas y propiedades
del fluido.
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BOMBA ELECTROSUMERGIBLE
Los componentes mecnicos de cada etapa de la bomba
son: un impulsor rotatorio y un difusor estacionario.
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BOMBA ELECTROSUMERGIBLE
La parte rotativa, el impulsor, genera fuerzas
centrfugas que aumentan la velocidad del fluido
(energa potencial ms cintica).
La parte estacionaria, el difusor, dirige el fluido de
la forma adecuada al siguiente impulsor.
Transforma parte de la energa cintica en
energa potencial o presin.
La bomba centrfuga trabaja por medio de la transferencia de
energa del impulsor al fluido desplazado.
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ETAPA DE LA BOMBA
El corte transversal de la bomba
muestra los difusores e
impulsores ubicados en el
alojamiento.
Se superponen varias etapas
(bombas multi-etapas) para
obtener la altura de columna
(tdh) deseada.
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SEPARADOR DE GAS
Su funcin es de separar el gas libre
La cmara rotativa de diseo especial
acta como una centrfuga.
Obliga los fluidos pesados a dirigirse
hacia las paredes exteriores y deja
que el gas libre migre hacia el centro
de la cmara.
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SEPARADOR DE GAS
El gas libre es fsicamente separado del
resto de los fluidos al final del separador.
El fluido rico en lquidos es dirigido hacia
la toma de la bomba.
La corriente rica en gas es venteada al
espacio anular.
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Eje roto
Destruccin de componentes internos
Eje con juego radial
Eje con juego axial
Eje atascado
Corrosin debido al material de la
carcaza
Erosin
FALLAS MAS FRECUENTES
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PROTECTOR / SELLO
Sus funciones son:
Provee el volumen necesario para permitir la expansin del aceite dielctrico contenido en el motor debido al
incremento de la temperatura del motor cuando se encuentra funcionando.
Iguala la presin externa del fondo de pozo con el fluido dielctrico interno del motor.
Protege al motor de la contaminacin de los fluidos del pozo mediante secciones sellantes que evitan que
ingresen por el eje de acoplamiento.
Absorbe los movimientos axiales al eje producidos por las etapas de la bomba.
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PROTECTOR / SELLO
Componentes: carcaza, sellos
mecnicos, zapata de empuje,
bolsas elastomeras, sistema
laberintico, aceite dielectrico.
Instalado entre el motor y bomba
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PROTECTOR / SELLO
Fluidos del pozo
Aceite mineral
dielctrico
Los fluidos del pozo comprimen la parte exterior de la bolsa, la cual
presuriza el aceite del motor en la parte interior de la misma.
La cmara de empuje
diseada para absorber la
fuerza de empuje producida
por la bomba
El rea laberntica es la segunda
barrera que protege al motor en caso
de que los fluidos del pozo atraviesen
los sellos mecnicos o la bolsa.
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CONVENCIONAL DE TRES CMARAS
Protege contra la entrada
de fluido.
El contacto directo entre el
fluido del pozo y del motor
ha sido considerado el
nico medio de igualar
presiones en el sistema de
sellado
Permite una mejor disipacin de calor.
Cada sello mecnico protege su propio
recipiente, creando tres secciones
sellantes en una unidad.
La barrera elstica en la cmara superior
permite la contraccin-expansin del
aceite del motor cuando la temperatura
cambia desde la superficie hasta el fondo
y a la de operacin.
La barrera elstica es resistente al
ataque qumico y la penetracin del gas,
por lo que el aceite del motor se protege
efectivamente contra contaminantes.
Cada recipiente es lo suficientemente
grande para absorber la expansin-
contraccin volumtrica de los motores
ms grandes existentes en el
mercado.
TIPOS DE SELLO
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FALLAS MAS FRECUENTES
Protector con invasin de fluidos
Protector con cmaras vacas
Protector con sellos mecnicos daados
Protector con zapata de empuje daada
Protector con zapata de empuje desgastada
Protector con eje roto
Protector con corrosin galvnica
Protector con hueco en la carcaza
Protector con tapones de llenado, drenaje, venteo flojos
Protector con bolsa elastmera daada
Materiales de fabricacin: no diseados para las condiciones
de operacin.
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MOTOR ELECTROSUMERGIBLE
El motor electrosumergible provee la energa
que necesita la bomba para rotar y acelerar los
fluidos que estn siendo bombeados hacia la
superficie, consta bsicamente de un estator
bobinado de induccin bipolar trifsico y rotor
jaula de ardilla, que gira a una velocidad
sincrnica, que se calcula como:
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MOTOR ELECTROSUMERGIBLE
Debido al dimetro reducido de los pozos, el motor electrosumergible
se encuentra constituido por pequeos estatores que se encuentran
internamente acoplados de forma mecnica, un segmento en corte del
motor electrosumergible se observa en la figura
Las partes del motor
electrosumergible son:
Bastidor Housing
Estator
Rotor
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MOTOR COMPONENTES BSICOS
EJE
COJINETE
ROTOR
ALOJAMIENTO
ESTATOR
BOBINADO
SISTEMA DE ENCAPSULADO
EPOXICO
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MOTOR ELECTROSUMERGIBLE
Una corriente alterna (ac) de tres
fases crea campos magnticos que
giran en el estator. Estos campos
magnticos inducen al rotor y al eje a
girar dentro del estator.
Cada rotor es entonces capaz de
producir un determinado nmero de
hp a un voltaje dado.
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FALLAS MAS FRECUENTES
Motor quemado
Motor desbalanceado
Motor con cortocircuito
Motor con estator quemado
Motor con invasin de fluidos
Motor con rayaduras
Motor con eje partido
Motor con eje doblado
Motor con incrustaciones sobre la carcasa.
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SENSOR
Dispositivo electrnico que enva seales a
superficie a travs del cable elctrico
Se conecta al motor de fondo
Sensor detecta varias variables: presin
succin, presin descarga, temperaturas,
vibracin y prdida de corriente
Se alimenta de corriente continua de 120
voltios
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CABLE DE POTENCIA
Conduce la energa necesaria para impulsar el motor desde superficie. Algunas veces es el componente ms costoso (pozos
muy profundos o muy problemticos).
Dentro de las aplicaciones del cable de potencia en el sistema BES, actualmente en la
industria se tiene la opcin de instalar el cable
de potencia con un tubo capilar o 2 tubos
capilares, lo cual facilita la inyeccin de
productos qumicos tales como anticorrosivos,
diluyentes, antiespumantes, anti scale
(incrustaciones) etc., desde la superficie.
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CABLE DE POTENCIA
Esta opcin de usar tubo capilar facilita la operacin BES, principalmente cuando hay formacin de asfltenos, parafinas,
formacin de incrustaciones, produccin de petrleo con alto
corte de agua, petrleos pesados, etc.
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LIMITACIONES DEL CABLE
El cables estndar tienen en promedio 10 aos de vida.
El medio ambiente bajo el que opera el cable tambin afecta
directamente su vida.
A temperatura mxima de 167 C se reduce la vida a la mitad por
cada 15 C de exceso por arriba del mximo.
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Cable con cortocircuito
Cable con alto desbalance
Cable con estiramiento
Cable torcido
Cable con armadura corroda
Cable con aislamiento hinchado
Cable con empalme defectuoso
proveniente de fabrica.
Cable golpeado durante la bajada
del equipo bes
Cable golpeado durante el
transporte y manejo del carrete
FALLAS MAS FRECUENTES
Cable daado por inyeccin
de qumicas y cidos
Cable con hueco debido al
wash out de tubera de
produccin
Cable con problema de
manufactura.
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ACOPLES
Son los conectores cilndricos con estras que conectan las
diferentes piezas del aparejo: motor-motor, motor-sello, bomba-
bomba, etc.
El material es de acero inoxidable y son nicos para la
conexin en que se usan. Sus dimensiones dependen del
dimetro de cada componente del equipo BES de fondo.
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SELECCIN Y DISEO DEL SISTEMA BES
API del crudo
Corte de agua
Gravedad especifica del agua
Gravedad especifica del gas
GOR
Temperatura de fondo del yacimiento
Temperatura de superficie
Perforaciones (Vertical)
IP (ndice de Productividad)
IPR (Mtodo)
Impurezas del gas (% de N2, H2S, CO2)
Presin de burbuja
Los parmetros que se deben tomar en cuenta para el diseo son:
Viscosidad (temperatura y CP)
Profundidad de la Bomba
Produccin deseada
Eficiencia del separador
Presin de cabeza
Presin del Casing
Dimetro del Casing
Dimetro del Tubing
Correlaciones PVT
Correlaciones para Flujo Multifsico
Tipo de Bomba
Tipo de Sello
Tipo de Motor
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Rango de volmenes de produccin muy amplio (200 BPD a
60000 BPD).
Se puede instalar en pozos desviados sin problemas a
profundidades de hasta 13000 pies.
Se aplica en pozos de petrleo pesado, viscosos.
Soportan altas presiones y temperaturas.
Fcil de instalar y operar.
Costo de levantamiento para altos volmenes es generalmente
bajo.
Se pueden instalar Sensores de fondo para tener una mejor
data del yacimiento
VENTAJAS DEL SISTEMA BES
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Equipo muy costoso, alto gasto de inversin inicial.
Se limita a profundidades medias.
No conveniente en pozos con alto GOR.
Limitacin en pozos con produccin de materiales slidos .
La fuente de electricidad debe ser estable y fiable.
Alto gasto por consumo de energa elctrica .
Reparar algn componente del equipo de subsuelo requiere de un
reacondicionamiento.
DESVENTAJAS DEL SISTEMA BES
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Bombeo Electro
Sumergible (BES) Diseo de un Sistema BES
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Procedimiento para el diseo del BES
1.- Estimar la Capacidad de Afluencia del Intervalo Productor:
-Calcular la IPR con base en la prueba de produccin del pozo,
presin esttica y la presin de burbuja.
- Estimar la tasa mxima permisible de produccin, de acuerdo a
la IPR y considerando futuros problemas de conificacin de agua
y/o gas y arenamiento.
- Seleccionar el caudal de diseo (bpd) y su respectiva presin de
fondo fluyente (Lpca)
Qopt = 0.75* Qmx
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Procedimiento para el diseo del BES
2.- Determinar el Nivel Dinmico de Lquido (pies).
- Estimar el gradiente de la Mezcla (Gm).
Gm = 0.433 * m (lpc/pie)
m = o*fo + w*fw
Donde:
m: Gravedad especfica de la mezcla o: Gravedad especfica del petrleo w: Gravedad especfica del agua. fw: Corte de Agua
fo : Corte de Petrleo = 1-fw
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Procedimiento para el diseo del BES
2.- Determinar el Nivel Dinmico de Lquido (pies).
-Estimar la altura de la mezcla (pies). Nivel Esttico
hm = Pwf/Gm (pies)
-Estimar el Nivel dinmico (pies).
Nivel Dinmico = Profundidad total del pozo Altura de la mezcla (hm).
3.- Determinar la Profundidad de asentamiento de la bomba (pies).
Prof. Asentamiento = Nivel Dinmico + hd (sumergencia)
Donde hd depende del criterio de diseo. Se recomienda una sumergencia de 700 a 1000 pies de profundidad. Esto es relativo
considerando que la bomba se debe colocar a la profundidad donde la
fraccin de gas a su entrada sea mnima.
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Procedimiento para el diseo del BES
4.- Estimar la Presin y Temperatura a la entrada de la bomba
-Asumiendo variacin lineal, el gradiente dinmico se puede
obtener:
Gtd = [Tfondo-Tsuperf]/profundidad
-La temperatura a la entrada de la bomba a profundidad se
determina:
Tentrada = Tfondo Gtd * (Prof. Total Prof. Asentamiento de la bomba)
-Estimar la presin en la entrada de la bomba a profundidad
Pentrada = 0.433 * m * hd
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Procedimiento para el diseo del BES
5.- Determine las propiedades PVT de los fluidos a condiciones de la
entrada de la bomba
-Calcular Pb, Rs, o, w, g, Z
Pb = Dato
Rs = Ecuacin de Standing.
Bo = Ecuacin de Standing
Bw = Se asume 1.
Bg = (0.00503*Z*T(R)) / P (Lpca)
Donde
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Procedimiento para el diseo del BES
6.- Determine la fraccin de gas en la entrada de la bomba
g = [(1-fw).(RGP-Rs)-fw.Rsw].Bg / fw.Bw+(1-fw).Bo+[RGP-Rs).(1-fw)-fw.Rsw.Bg]
7.- Comparar la fraccin de gas a la entrada de la bomba
-Si g > o igual a 7% incremente la profundidad de asentamiento de la bomba en 100 pies y repita los pasos 4 a 6.
- Si g > a 7% y se ha alcanzado la profundidad lmite de asentamiento de la bomba, se recomienda colocar un separador
para reducir la fraccin de gas a la entrada de la bomba. Se debe
considerar la instalacin de un separador de eficiencia 90%.
- Si g < a 7% y n no se ha alcanzado la profundidad total del pozo, es de su interes considerar repetir los pasos hasta lograr 0% de
gas libre.
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Procedimiento para el diseo del BES
8.- Calcular la tasa total de fluido a la entrada de la bomba
qt = ql*{fw*Bw + (1-fw)*Bo + [(1-fw)*(RGP-Rs) fw*Rsw]*Bg}
Si se considera la colocacin de un separador se debe tomar en
cuenta lo siguiente:
RGPnueva = (1-0.01*Eficiencia)*(RGP-Rs)+Rs
RGLnueva = RGPnueva*fo
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Procedimiento para el diseo del BES
9.- Carga dinmica total ( TDH): La carga dinmica total en el sistema
BES est dado por la suma del nivel de fluido dinmico mas la prdida
de friccin de la tubera mas la presin de descarga (Presin del
tubing)
TDH = Nivel dinmico (ND) + Friccin del tubing (Ft) + Presin de
descarga ( Pd)
Donde
Pd = [Pwh]/Gm
Ft: Grfico de William y Hazen
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Seleccin de la Bomba:
La seleccin de la bomba esta basada en el caudal que podr aportar el
pozo para una determinada carga dinmica y segn las restricciones del
tamao del casing. La opcin ms econmica normalmente se da
eligiendo equipo de series grandes (dimetros grandes) las cuales sern
restringidas por el diametro del Casing.
La bomba seleccionada deber ser aquella en el que el caudal terico a
extraer se encuentre entre los lmites ptimos de trabajo de la misma y cerca
de la mxima eficiencia. En caso de tener dos o mas bombas cerca de la
mxima eficiencia, la seleccin final se basar en:
1) Comparacin de Precios.
2) Potencia requerida (de la cual depende el consumo y el precio del
motor).
Una vez seleccionada la bomba, se pueden observar tres curvas
caractersticas correspondientes al comportamiento de una etapa de la
bomba:
1) BHP(Pump Only Load): Potencia consumida por la etapa (Rojo)
2) Head Capacity: Capacidad de Elevacin (Azul)
3) Eficiencia (Pump Only Efficiency)]: (Verde)
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A partir del grfico podemos determinar la capacidad de elevacin
de la etapa (Con el caudal cortamos la curva de la Head Capacity y
leemos el valor en la parte izquierda del grfico). Como en cualquier
curva caracterstica de bombas centrfugas se puede observar como
vara el caudal en funcin de la altura de elevacin (es decir respecto
a la contrapresin que acta sobre la etapa.
Siguiendo el mismo procedimiento podemos determinar la potencia
consumida por una etapa (Con el caudal cortamos la lnea
correspondiente al BHP (pump only load) y leemos el primer valor de
la parte derecha del grfico).
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Cuando se tiene un funcionamiento con condiciones de frecuencia
variable, la cantidad de barriles por da (BPD) que la bomba puede
extraer del pozo, sigue el comportamiento de las Curvas Tornado, que se observan en la figura.
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Dimensiones de la Bomba
Una vez calculada la capacidad de elevacin de una etapa y
sabiendo que la bomba deber vencer una presin (TDH) de
columna de lquido, podemos determinar el N de Etapas que
necesitaremos:
Para calcular el nmero de etapas requeridas , se divide la carga
dinmica total entre el levantamiento en pies que tiene cada
etapa.
Nmero de etapas = Carga Dinmica Total / Levantamiento de
cada etapa
Despus que se ha calculado el mximo nmero de etapas, se
procede a calcular los HP requeridos para el total de etapas:
HP totales = HP-Etapa x N Etapas x m.
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Seleccin del Motor (Clculo de Potencia)
Existe una gran variedad de motores en el mercado, y si bien la
seleccin bsica se realiza a travs de la potencia requerida,
intervienen en la misma el rango de voltaje, la frecuencia, la
profundidad (temperatura), aplicaciones especiales para ambientes
corrosivos, etc.
La potencia requerida por el motor se calcula multiplicando la
potencia consumida por una etapa (calculada anteriormente con la
curva) por el N de Etapas.
Hp requeridos = HP-etapa x N Etapas
Con este valor vemos en la tabla de seleccin de motor a 60 Hz y
seleccionamos el(los) motor(es) necesarios para el diseo.
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Seleccin del Cable
El tamao adecuado del cable depende de los factores
combinados de cada de tensin, amperaje y espacio disponible
entre los acoples de tubera de produccin y la tubera de
revestimiento.
Remtase a la curva de cada de Tensin del Cable. De acuerdo
con el amperaje del motor seleccionado y la temperatura dada
de fondo de pozo, se recomienda la seleccin de un tamao del
cable que d una cada de tensin de menos de 30 voltios por
1.000 pies.
El Voltaje por cada mil pies debe ser corregido por temperatura,
mediante la tabla de correccin.
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Seleccin del Tablero y Transformador.
Para determinar el voltaje total necesario debemos considerar
adems la cada del voltaje en el cable.
Por la tabla anterior obtenemos para los amperios del motor, la
cada de voltaje.
Si consideramos la profundidad a la cual ser instalado el
equipo:
Voltaje en el cable = Prof. Instalacin x Cada de voltaje
Entonces el voltaje requerido en superficie es:
Voltaje total = 2x voltaje del motor + voltaje en el cable
KVA = (volts x amp x 1.732)/1000