esp complemento teórico y diseño de equipamiento

Complemento teórico Introducción al sistema de bombeo electrosumergible

Cátedra de Producción Petrolera.UNPSJB. 2002 - 1 - Ing. Marcelo Hirschfeldt

Introducción El bombeo “electrosumergible” (electric submersible pump, ESP), es quizás el sistema de extracción artificial mas versátil. El mismo consiste básicamente de un motor eléctrico de fondo, una bomba centrífuga, sellos(protectores), cable de potencia y un control de superficie. La bomba es montada sobre un motor eléctrico, el cual recibe la energía eléctrica desde superficie a través del cable de potencia. Este sistema tiene el mayor rango de caudal de producción de todos los sistemas de extracción( entre 100 b/d a 90,000 b/d) dependiendo del diseño de las mismas. Si bien las velocidades de rotación son constantes (50 Hz o 60 Hz, dependiendo de la región) en la actualidad se ha extendido el uso de variadores de frecuencia lo cual permite una mayor amplitud en el rango de operación. Las ESP’s son utilizadas para producir una variedad de fluidos que generalmente contienen gas, productos químicos ,contaminantes varios y distintos cortes agua. Los fluidos con altos contenidos de H2S y CO2 son considerados corrosivos y muy agresivos, pero peden ser producidos utilizando materiales con recubrimientos especiales. La arena y otros contaminantes abrasivos pueden ser producidos manteniendo una vida útil del sistema considerable, utilizando equipamientos y técnicas especiales. Pueden ser operados e instalados en pozos verticales, desviados y direccionados. Como el equipamiento puede llegar a medir mas de 60 m (200 ft), debe tenerse especial cuidado en desviaciones muy agudas(“dogleg” por ejemplo) causando puntos calientes en la zonas de contacto motor-casing, con la consecuente pérdida de aislamiento eléctrica. Las ESP’s pueden ser utilizadas en posición horizontal, pero su vida útil dependerá de la habilidad del conjunto de sellos (protectores) de aislar el fluido del pozo, del aceite aislante del motor. ESP’s son comúnmente instalados en pozos donde la temperatura de fondo es superior a los 350 ºF . Operaciones a elevadas temperaturas requieren de componentes especiales en el motor y en el cable de potencia. Algunos estudios indican que la ESP es el sistema de extracción artificial mas eficiente y el mas económico, si se evalúa el costo por barril de fluido elevado a superficie. Los rangos de eficiencia energética(potencia requerida / potencia consumida) están entre 16 a 68 %, dependiendo del tipo y volumen de fluido, altura de elevación neta y el tipo de bomba. La mayor desventaja de este sistema es que tiene un rango muy limitado de producción una vez instalado en el pozo, comparado con otros sistemas de extracción.

Figura 1



Instalación típica La instalación típica se puede observar en la Figura 1. La energía disponible en superficie es transformada a la energía requerida de fondo, a través de un transformador trifásico( Figura 2). La energía transformada es suministrada a un tablero de comando y desde allí es transportada al motor de fondo a través del cable de potencia. El cable es bajado junto a la columna de tubings durante la operación de “pulling” y sujetado a los mismos con sunchos metálicos. El cable es conectado al motor por medio de un cable mas delgado(extensión plana) debido al espacio reducido entre en motor y el diámetro interior del casing. La bomba centrífuga está localizada en la parte superior de la instalación. La parte superior de la bomba está “sostenida” a la columna de tubings por medio de una “cabeza de descarga” . En la parte inferior de la bomba se encuentra la succión o “intake” la cual permite que el fluido entre a la bomba. El componente central es el sello (protector). El protector equaliza la presión externa e interna, y aísla al motor de los fluidos del pozo. El componente inferior es el motor, el cual comanda a la bomba centrífuga. Cabe acotar que el motor deberá ser instalado sobre los punzados permitiendo que el fluido del reservorio pase a través del espacio anular casing-motor, permitiendo el enfriamiento del motor. Si bien existen otras alternativas, las mismas serán discutidas en apartados especiales.



Componentes principales Motor El motor eléctrico es la unidad motora de la ESP. Consta de polos, tres fases y un rotor tipo jaula de ardilla. La velocidad nominal a 50 Hz es de 2914 RPM, y 3500 RPM a 60 Hz. El motor es completado interiormente con aceite mineral refinado, el cual le provee las propiedades dieléctricas, lubricación de los rodamientos y conductividad térmica. En los extremos posee cojinetes( thrust bearing) los cuales tienen la función de soportar la carga axial del rotor del motor. El calor generado durante la operación es transferido al fluido del pozo cuando el mismo fluye por la parte exterior del “housing” del motor(carcasa exterior). La velocidad mínima de pasaje de fluido es de 0.305 m/s. Debido a que el motor es refrigerado por el fluido de producción, nunca debe instalarse por debajo de las zonas productivas mientras la instalación sea la convencional. Esta se podrá hacer solo con instalaciones que posean “caños camisa” que obliguen a esta refrigeración, o con bombas “booster” de refrigeración forzada(utilizadas por la empresa Centrilift) Los motores son fabricados en cuatro diferentes diámetros (series): 3.75, 4.56, 5.40, 7.38 pulgadas. A su vez son fabricados de tal forma que pueden ser ensamblados(instalados en tandem) según los requerimientos de potencia, siempre y cuando no sea satisfecha por una unidad.

eje

Tren de rotores

estator

enchufe

- Sección transversal del bobinado de un estator



Bomba La ESP es una bomba centrífuga multietapa. El tipo de etapa utilizado determina la capacidad de producción de fluido. El número de etapas determina la capacidad de elevar una columna de líquido y la potencia requerida. Cada etapa está constituida por un impulsor (impeler) y un difusor. El impulsor es la parte rotante de la bomba, encargado de transformar energía cinética en energía potencial(principio de bombeo centrífugo). El difusor es la parte estática de la bomba(solidaria al housing) que se encarga de conducir el fluido desde la descarga del impulsor a la succión del impulsor posterior.

Protector (sello) El principal propósito del protector es aislar el aceite del motor del fluido producido, ecualizando la presión del interior del motor con la presión de fondo de pozo. Dentro de los diseños de protectores podemos encontrar los de sello positivo y los laberínticos. El diseño con sello positivo, contiene una “bolsa” elástica, la cual funciona como barrera para contener la expansión térmica del aceite del motor durante la operación, aislándolo a su vez del fluido del pozo. El diseño laberíntico usa la gravedad específica del fluido del pozo y del aceite del motor, previniendo que el fluido del pozo contamine al aceite. El protector tiene cuatro funciones básicas:

1) Conecta la bomba al motor conectando los housing y los ejes . 2) Alojar los cojinetes que absorben la carga axial del eje de la bomba 3) Aislar el aceite del motor del fluido del pozos, equalizando la presión del interior del motor

con la presión de fondo de pozo 4) Absorber la expansión térmica del aceite como resultado del incremento de la

temperatura durante el funcionamiento y la contracción térmica cuando se produce una parada del equipamiento

difusor

impulsor



Succión( con separador de gas Dos tipos de succión (intake) son utilizados para permitir que el fluido ingrese a la succión de la bomba. El intake estandar y el intake con separador de gas. El intake con separador de gas es utilazo cuando la relación gas-líquido (GLR) es mayor del que puede transferir la bomba. Si el gas permanece en solución, la bomba operará dentro de los rangos especificados, pero si la GLR supera a un valor aproximado de 0.1, la bomba puede perder capacidad de elevación. Si el valor de la GLR se incrementa, el gas libre se incrementa llegando a producir un bloqueo por gas ( gas lock), provocando una reducción en la producción de fluido y en casos extremos la rotura de la bomba. Existen dos tipos de separadores de gas, estáticos y rotantes. Los estáticos inducen al fluido a cambiar de dirección, provocando la disminución de la presión en ese punto y facilitando la liberación del gas. El gas separado viaja a la superficie a través del espacio anular tubing-casing.



Cable de potencia La energía eléctrica es suministrada al motor de fondo por medio de un cable especial. Existen básicamente dos tipos de cable( según su sección transversal), plano (flat) y redondo( round) Fig-1 En la tabla 2 se puede observar los distintos tamaños de cable, los cuales dependeran de los requerimientos de corriente. La protección mecánica está provista por una armadura de acero galvanizado o en ambientes extremadamente corrosivos por Monel ™. El cable consta de tres conductores de cobre (uno por fase). Cada conductor está recubierto con aislantes y materiales que lo protegen mecánicamente. El espesor y la composición del aislante depende, determina la resistencia del cable a la temperatura, pérdida de corriente y permeabilidad al los fluidos del pozo( líquido y gas). Dentro de los cables convencionales se encuentran aquellos que poseen un tubo capilar( Fig 4) por el cual se puede dosificar productos químicos o solventes para llegar hasta el fondo de la instalación.



Dimensionamiento y cálculos de diseño A continuación se detallan los pasos a seguir para calcular y analizar las variables de diseño de una instalación de bombeo electrosumergible.

1. Datos de producción de pozo e instalación actual 2. Caudal máximo de extracción(potencial de producción) 3. Carga dinámica total(TDH o Total Dynamic Head) 4. Selección de bomba( ver curvas características) 5. Dimensiones de la bomba(cálculo de número de etapas) 6. Selección del motor(cálculo de potencia) 7. Determinación del cable de potencia 8. Cálculo de voltaje y potencia en superficie para seleccionar tablero y transformador



1) Datos del pozo

a) Caudal bruto actual: 80 m3/d b) % agua: 95 c) ρ fluido(agua): 1.01 gr/cm3 d) Nivel dinámico: 700 mbbdp e) Nivel estático: 440 mbbdp f) Presión de boca de pozo: 10 kg/cm2 g) Punzado/s: 1750-1755 mbbdp h) Ø casing: 5 ½ “ 15.5 # i) Ø tubing: 27/8” 6.5 #

2) Caudal máximo de extracción(potencial de producción) Determinaremos el caudal máximo que extraeremos del pozo, considerando un nivel dinámico por sobre el punzado de 200 m(*)

(*) se considera un fluido monofásico

0100200300400500600700800900

1000110012001300

14001500160017001800

0 50 100 150 200 250 300 350 400

caudal[m3/d]

nive

l[mbb

dp]

Nivel dinámico @ 80 m3/d

ND= 1550m @ 340 m3/d



3) Carga dinámica total(TDH o Total Dynamic Head) El cálculo del TDH permitirá determinar el Nº de etapas requeridas en la bomba. Este valor representa la diferencia de presión a la que va a estar sometida la bomba expresado en altura de columna de líquido. El mismo está dada por los siguientes términos:

a)- Pcf : Pérdida de carga por fricción en los tubings b)- Pbdp : Presión de boca de pozo c)- P.Nivel: Presión debido a la columna de líquido a elevar

TDH= Pbdp + Pcf + Nd [m o ft]

a) Pcf : Pérdida de carga por fricción en los tubings

Para calcular la pérdida de carga por fricción, debido al flujo por el interior de los tbgs se puede usar la Ecuación de Hazen Williams, la cual es aplicable para agua a 20ºC.

8655.4

85.185.1 1.

3.34.

100.083.2

IDQ

CF

=

[ ] bpddmQ 2140340

3≅=

Para un tubing Ø 27/8” de ID= 2.441 pulg la pérdida de carga es:

=

= ft

ftF 10005,40441,2

1.

3,342140

.120100

.083,2 8655.4

85.185.1

Esto significa que la pérdida de carga por fricción en el interior de los tubings es igual a 40.5 ft(pies) de columna de líquido por cada 1000 ft de tubings(o 4.047 m/ 100 m de tbgs).

mmtbgmtbgmPcf 701700.0404,0 ≅

=

b)- Pbdp : Presión de boca de pozo (en m de columna de líquido)

[ ] mx

cmgr

cmkg

x

cmgr

cmkgpresión

mPbdp 100101

.1010

3

2

3

2

=

=

=ρ

c)- P.Nivel: Presión debido a la columna de líquido a elevar P.Nivel = 1550 m

F = pérdida de carga en ft/1000 ft Q = caudal [bpd] C =120



TDH= 70 m + 100 m + 1550 m

4) Selección de bomba( ver curvas características) La selección de la bomba está basada en el caudal que podrá aportar el pozo para una determinada carga dinámica y según las restricciones del tamaño del casing. La opción mas económica normalmente se da eligiendo equipos de series grande(diámetros grandes) las cuales serán restringidas por el Ø del casing La bomba seleccionada deberá ser aquella en que el caudal teórico a extraer se encuentre entre los límites óptimos de trabajo de la misma y cerca de la máxima eficiencia. En caso de tener dos o mas bombas cerca de la máxima eficiencia, la selección final se basará en:

a) Comparación de precios b) Potencia requerida( de la cual depende el consumo y el precio del motor)

Para este caso seleccionaremos una bomba Serie 400(O.D 4 pulg) para casing de 51/2” de O.D. El modelo es DN-3000 de la marca REDA-Schlumberger que cumple con las consideraciones antes mencionadas.(ver curva adjunta a continuación)

10

100

1000

1000 10000

caudal [bpd]

perd

ida

por f

ricc

ión[

ft/10

00 ft

de

tbg]

2 3/8" OD (1.995 I.D) 2 7/8" OD (2.441 I.D) 3 1/2" OD (2.992 I.D)

Representación gráfica de la ecuación de Hazen Williams para distintos diámetros



En la curva de performance de la bomba se pueden observar tres curvas características correspondientes al comportamiento de 1(una) etapa de la bomba modelo DN-3000:

a. BHP(rojo): potencia consumida por la etapa b. Head capacity: Capacidad de elevación(azul) c. Eficiencia energética(verde)

A partir de esto podemos determinar la capacidad de elevación(en m de columna de líquido) de la etapa. Como en cualquier curva característica de bombas centrífugas se puede observar como varía el caudal en función de la altura de elevación (es decir respecto a la contrapresión que actúa sobre la etapa). Para un caudal de 340 m3/d : Epe(elevación por etapa) = 4.4 m/etapa(ver gráfico 1) Siguiendo el mismo procedimiento podemos determinar la potencia consumida por una etapa: Hp/etapa = 0.36 Hp/etapa

4.4 /

0.36



5) Dimensiones de la bomba(cálculo de número de etapas) Una vez calculada la capacidad de elevación de una etapa y sabiendo que la bomba deberá vencer una presión(TDH) equivalente a 1700 m de columna de líquido, podemos determinar el Nº de etapas que necesitaremos:

[ ]

[ ] [ ] [ ]etapasetapamm

etapamepemTDH

etapasN 386/4.4

1700/

º ≅==

Por catálogo podríamos usar 4 cuerpos de bomba de 96 etapas, dando un total de 384 etapas

6) Selección del motor(cálculo de potencia) Existe una gran variedad de motores en el mercado, y si bien la selección básica se realiza a través de la potencia requerida, intervienen en la misma el rango de voltaje, la frecuencia, la profundidad(temperatura), aplicaciones especiales para ambiente corrosivos, etc. La potencia requerida por el motor se calcula determinando la potencia que consume cada etapa(por curva) y multiplicándola por el Nº de etapas.

[ ] HpetapasetapaHprequeridosHp 138384/36.0_ ≅×= Seleccionaremos dos motores Serie 456 de 50Hz con las siguientes características: - UT(upper tandem) 73 Hp 1042 Volt 44.5 Amp - CT( Center tandem) 73 Hp 1042 Volt 44.5 Amp



7) Determinación del cable de potencia La selección del mismo se realiza teniendo en cuenta la corriente máxima consumida y que la caida de voltaje sea inferior a aproximadamente 10 volt/100 m . Para una corriente de 44.5 amp podríamos elegir un cable #4(ver tabla de selección)

8) Cálculo de voltaje y potencia en superficie para seleccionar tablero y

transformador Para determinar el voltaje total necesario debemos considerar además la caida de voltaje en el cable: Por tabla tenemos que para 45 amp, la caída de voltaje es de 21 volt/1000 ft de cable, es decir 7 volt/100 m. Si consideramos que el equipo será instalado en 1700 m de profundidad: Volt en cable = 1700 m x 7[volt/m]/ 100 m = 119 Volt El voltaje requerido en superficie es: Volt total= 2x1042 Volt + 119 Volt = 2203 Volt KVA = (Volts x Amp x 1.732)/1000 KVA= (2203 Volt x 45 Amp x 1.732)/1000 KVA = 171 KVA Podríamos usar un transformador de 180 KVA

esp complemento teórico y diseño de equipamiento

Education