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Producción 2 Bombeo Electro Sumergible (BES)

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El sistema de bombeo electrosumergible (B.E.S) es un sistema de levantamiento artificialque emplea la energía eléctrica convertida en energía mecánica para levantar unacolumna de fluido desde un nivel determinado hasta la superficie, descargándolo a unadeterminada presión.

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El BES tiene como principio fundamental levantar el fluido del reservatoriohasta la superficie, mediante la rotación centrífuga de la bombaelectrosumergible. La potencia requerida por dicha bomba es suministradapor un motor eléctrico que se encuentra ubicado en el fondo del pozo; lacorriente eléctrica, necesaria para el funcionamiento de dicho motor, essuministrada desde la superficie, y conducida a través del cable de potenciahasta el motor.

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Variador de Frecuencia

Caja de VenteoEs la caja de conexiones del sistema.Permite conectar el cable de energía

del equipo de superficie con el cable de

conexión del motor

Cabezal de Descarga

Transformador Elevador

Transformador Reductor

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Variador de FrecuenciaUn variador de velocidad ajusta el régimen dela bomba mediante la variación de velocidaddel motor

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Transformador ReductorEs el que reduce la energía del sistemageneral y las acondiciona al voltaje querequiere el Variador de Frecuencia

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Transformador ElevadorEs el que aumenta la energía reducida por el transformador reductor y lasacondiciona al voltaje que requiere el Motor de fondo

Cabezal de DescargaEsta diseñada para soportar el peso del Equipo de subsuelo y se usa para mantener el control del espacio anular del pozo

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Caja de VenteoEs la caja de conexiones del sistema. Permite conectar elcable de energía del equipo de superficie con el cable deconexión del motor

La caja de venteo tiene tres funciones:– Funciona como un punto de conexión entre elpenetrador del cabezal, el cable "pigtail" y el cable desuperficie permanente, permitiendo que los espaciosinternos de estos cables esté completamente sellados paraprevenir la migración de gases desde el cabezal al cuartode control.

– Permite el acceso al sistema eléctrico del cabezal parapruebas de rutina y la localización de averías; así comofacilitar un medio local de aislamiento fuera de línea.

– Funciona como punto de desconexión del equipo delcabezal desde el sistema eléctrico de superficie duranteuna intervención o reparación del pozo.

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SELLO

SEP. DE GAS

BOMBA COMB.

MOTOR

SENSOR

TUB.

CABLE

CAJA DE VENTEO

TRANSFORMADOR

ELEVADOR

VARIADOR DE

FRECUENCIA

TRANSFORMADOR

REDUCTOR

LÍNEA DE FUERZA

NIVEL ESTÁTICO

NIVEL DINÁMICO

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Sensor de FondoEs un instrumento electrónico unido al motorque recibe señales físicas de su entorno yluego son transformadas en señaleselectrónicas y enviadas a través del cable depotencia hasta el panel de control ensuperficie

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Motor Eléctrico.Recibe la energía desde una fuente superficial decorriente alterna creando un campo magnéticoque giran en el estator, estos inducen al rotor y aleje girar en el estator.

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Protectores y/o SellosAíslan al motor de los fluidos del pozo y ecualizan la presión entre el pozo y el Motor, y permiten también la expansión o contracción del aceite para el motor. Se encuentra instalado entre el motor y la bomba

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Sección de Admisión de los Fluidos:Puede ser simplemente una secciónranurada convencional que sirva defiltro o un separador de gas.

El Separador de GasTambién provee entrada perosepara el gas antes que ingrese a labomba.

Hacia la bomba

Orificios de venteo

Tubo de compresión

Cámara de separación rotativa

Rotor revestido

Guias de orientación

Buje central

Orificios de entrada

Alojamiento

Revestimiento del rotor

Cámara de separación

Tubo de compresión

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BombaEs el componente encargado de impulsar al flujo desde lasprofundidades del yacimiento hasta la superficie. El número deetapas centrifugas determina la velocidad, la presión y la energíarequerida.

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Cable de PotenciaConduce la energía necesaria para impulsar el motor desde superficie. Algunas veces es el componente más costoso (pozos muy profundos o muy problemáticos).

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Dentro de las aplicaciones del cable de potencia en el sistema BES, actualmente en laindustria se tiene la opción de instalar el cable de potencia con un tubo capilar o 2 tuboscapilares, lo cual facilita la inyección de productos químicos tales como anticorrosivos,diluyentes, antiespumantes, anti scale (incrustaciones) etc., desde la superficie.

El diseño del tubo capilar está supeditado al requerimiento del cliente y a la geometría delpozo, por ejemplo: tubo capilar de ½", 1", etc.

Esta opción de usar tubo capilar facilita la operación BES, principalmente cuando hayformación de asfáltenos, parafinas, formación de incrustaciones, producción de petróleo conalto corte de agua, petróleos pesados, etc.

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Parámetros RecomendadosCaudal de Operación: 200-30.000 BPD, En pozos del mar del

norte, ha manejado hasta tasas de 60.000 BPD.

Temperatura: 100 a 400°F.

Desviación del pozo: La bomba debe estar asentada en una zona

de 8° / 100 pies.

Profundidad: Puede operar a grandes profundidades, hasta

20.000 pies.

Propiedades del HidrocarburoGas: saturación de gas libre < 10%

°API: Maneja crudos con °API mayor a 10, es una de las mas

importantes opciones para la extracción de crudo pesado.

Ambientes Ácidos: los materiales soportan ambientes corrosivos.

Propiedades del Yacimiento.Presencia de Arena: < 200 ppm (preferiblemente 0)

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El bombeo electrosumergible se utiliza para manejar grandes volúmenes de líquido y

supera técnica y económicamente a otros métodos de levantamiento artificial cuando

se reúnen las siguientes condiciones:

• Alta productividad del pozo.

•Baja presión de fondo.

• Alta relación Agua-Petróleo (RAP).

• Baja relación Gas- Líquido (RGL).

Cuando se tienen altas presiones de fondo y bajas relaciones agua-petróleo es

necesario considerar otros métodos, como el bombeo mecánico y el levantamiento

artificial por gas, pero no se descarta la posibilidad de utilizar bombeo electro

sumergible.

En caso de altas RGP, se puede emplear el bombeo electro sumergible utilizando un

eficiente separador de gas y colocando la bomba lo mas profundo posible.

Otras de las aplicaciones mas importantes de éste método de bombeo es en

proyectos de inyección de agua.

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Ventajas:

• Puede levantar volúmenes extremadamente altos (90000 bpd) en pozos someros con revestidor grande.• No presenta problema con hoyos desviados.• Aplicable Costa Afuera.• Los costos de levantamiento para grandes volúmenes son muy bajos.• Diversidad de Tamaños.• Se pueden instalar fácilmente sensores de presión en el hoyo para ser medidos en superficie.• No causan destrucciones en ambientes urbanos.• Fácil para aplicar tratamientos contra la corrosión y formación de escamas.

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Limitaciones:

• Es imprescindible disponer de una fuente de corriente eléctrica.• Se requieren altos voltajes ( +/- 1000 voltios).• No es práctico en pozos someros de baja productividad.• Limitaciones por el tamaño del revestidor.• Los cables causan problemas en el manejo de la tubería.• Los cables se deterioran al estar expuestos a altas temperaturas.• La producción de sólidos y gas es problemática.• No se recomienda en profundidades mayores de 10000 pies debido al costo del cable y a la dificultad en instalar suficiente potencia en el fondo del pozo.• El análisis no es fácil.

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Las partes mas expuestas en este sistema lo constituyen: el motor, la bomba, el protector y elcable. En esta succión se enumeran algunas de ellas:

Motor: Es la parte mas susceptible a sufrir daños por ser el eje principal del equipo, puedepresentar:

• Excesiva carga de voltaje al motor originada por un mal diseño, desgaste de la bomba, bajovoltaje.• Filtración de los sellos del protector, que llevan a causar corto circuito en el motor, estafiltración puede ser originada por vibraciones excesivas de la bomba, mal manejo durante suinstalación o traslado, defecto de fabricación.• Desgaste de la carcasa del motor debido a corrosión.• Operación insuficiente del motor debido a presencia de sucio o humedad en el tablero decontrol que originan fluctuaciones en el voltaje.

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Bomba:

• Desgaste de las arandelas inferiores y superiores del impulsor cuando la bomba seencuentra operando en condiciones de empuje hacia abajo o hacia arriba respectivamente.• Desgaste de los componentes debido al tiempo de funcionamiento.• Desgaste de los componentes por abrasión.• Taponamiento de las etapas por sedimentos.• Doblez en el eje por mal manejo durante el traslado o el montaje.• Corrosión.

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Protector:

• Mal manejo, lo cual puede ocasionar rompimiento de los sellos de cerámica produciendofuga de aceite.• Vibraciones de la bomba.• Excesivas paradas y arrancadas del equipo.

Cable:

• Mal manejo durante la instalación y corrida dentro del pozo.• Mala centralización.• Excesiva carga de amperaje.• Mala conexión con el cable plano.

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Suministro Operacional

EquipoPozo /

Yacimiento

Causas Generales

Inestabilidad

Deficiencia en el suministro eléctrico Falta de monitoreo continuo

Diseño inadecuado del equipo

Operación ineficiente durante la instalación del equipo

Practicas inadecuadas durante la vida operativa del equipo

Manejo inadecuado del equipo

Acondicionamiento deficiente del pozo

Proceso de fabricación deficiente

Propiedades de los materiales de fabricación deficiente

Desgaste propio del tiempo de operación

Producción de Sólidos

TemperaturaBajo Aporte

Producción de Gas

Incrustaciones

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Diseño de un Sistema BES

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Procedimiento para el diseño del BES

1.- Estimar la Capacidad de Afluencia del Intervalo Productor:

-Calcular la IPR con base en la prueba de producción del pozo, presión estática yla presión de burbuja.- Estimar la tasa máxima permisible de producción, de acuerdo a la IPR yconsiderando futuros problemas de conificación de agua y/o gas y arenamiento.- Seleccionar el caudal de diseño (bpd) y su respectiva presión de fondo fluyente(Lpca)

Qopt = 0.75* Qmáx

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Procedimiento para el diseño del BES

2.- Determinar el Nivel Dinámico de Líquido (pies).

- Estimar el gradiente de la Mezcla (Gm).

Gm = 0.433 * γm (lpc/pie)

γm = γo*fo + γw*fw

Donde:

γm: Gravedad específica de la mezclaγo: Gravedad específica del petróleoγw: Gravedad específica del agua.fw: Corte de Aguafo : Corte de Petróleo = 1-fw

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Procedimiento para el diseño del BES

2.- Determinar el Nivel Dinámico de Líquido (pies).

-Estimar la altura de la mezcla (pies). Nivel Estático

hm = Pwf/Gm (pies)

-Estimar el Nivel dinámico (pies).

Nivel Dinámico = Profundidad total del pozo – Altura de la mezcla (hm).

3.- Determinar la Profundidad de asentamiento de la bomba (pies).

Prof. Asentamiento = Nivel Dinámico + ∆hd (sumergencia)

Donde ∆hd depende del criterio de diseño. Se recomienda una sumergencia de 700 a 1000pies de profundidad. Esto es relativo considerando que la bomba se debe colocar a laprofundidad donde la fracción de gas a su entrada sea mínima.

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Procedimiento para el diseño del BES

4.- Estimar la Presión y Temperatura a la entrada de la bomba

-Asumiendo variación lineal, el gradiente dinámico 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 presión en la entrada de la bomba a profundidad

Pentrada = 0.433 * γm * ∆hd

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Procedimiento para el diseño del BES

5.- Determine las propiedades PVT de los fluidos a condiciones de la entrada de labomba

-Calcular Pb, Rs, βo, βw, βg, Z

Pb = DatoRs = Ecuación de Standing.Bo = Ecuación de StandingBw = Se asume 1.

Bg = (0.00503*Z*T(°R)) / P (Lpca)

Donde

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Procedimiento para el diseño del BES

6.- Determine la fracción de gas en la entrada de la bomba

λg = [(1-fw).(RGP-Rs)-fw.Rsw].Bg / fw.Bw+(1-fw).Bo+[RGP-Rs).(1-fw)-fw.Rsw.Bg]

7.- Comparar la fracción de gas a la entrada de la bomba

-Si λg > o igual a 7% incremente la profundidad de asentamiento de la bomba en100 pies y repita los pasos 4 a 6.

- Si λg > a 7% y se ha alcanzado la profundidad límite de asentamiento de labomba, se recomienda colocar un separador para reducir la fracción de gas a laentrada de la bomba. Se debe considerar la instalación de un separador deeficiencia 90%.

- Si λg < a 7% y áún no se ha alcanzado la profundidad total del pozo, es de suinteres considerar repetir los pasos hasta lograr 0% de gas libre.

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Procedimiento para el diseño 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 colocación 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 diseño del BES

9.- Carga dinámica total ( TDH): La carga dinámica total en el sistema BES está dado por la suma del nivel de fluido dinámico mas la pérdida de fricción de la tubería mas la presión de descarga (Presión del tubing)

TDH = Nivel dinámico (ND) + Fricción del tubing (Ft) + Presión de descarga ( Pd)

Donde

Pd = [Pwh]/Gm

Ft: Gráfico de William y Hazen

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• Selección de la Bomba:

La selección de la bomba esta basada en el caudal que podrá aportar el pozo para una determinada carga dinámica y según las restricciones del tamaño del casing. La opción más económica normalmente se da eligiendo equipo de series grandes (diámetros grandes) las cuales serán restringidas por el diametro del Casing.

La bomba seleccionada deberá ser aquella en el 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:

1) Comparación 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 características 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 Elevación (Azul)3) Eficiencia (Pump Only Efficiency)]: (Verde)

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Curva de Comportamiento de una Bomba

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A partir del gráfico podemos determinar la capacidad de elevación de la etapa (Conel caudal cortamos la curva de la Head Capacity y leemos el valor en la parteizquierda del gráfico). Como en cualquier curva característica de bombas centrífugasse puede observar como varía el caudal en función de la altura de elevación (es decirrespecto a la contrapresión que actúa sobre la etapa.

Siguiendo el mismo procedimiento podemos determinar la potencia consumida poruna etapa (Con el caudal cortamos la línea correspondiente al BHP (pump onlyload) y leemos el primer valor de la parte derecha del gráfico).

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• Dimensiones de la Bomba

Una vez calculada la capacidad de elevación de una etapa y sabiendo que la bomba deberá vencer una presión (TDH) de columna de líquido, podemos determinar el N° de Etapas que necesitaremos:

Para calcular el número de etapas requeridas , se divide la carga dinámica total entre el levantamiento en pies que tiene cada etapa.

Número de etapas = Carga Dinámica Total / Levantamiento de cada etapa

Después que se ha calculado el máximo número de etapas, se procede a calcular los HP requeridos para el total de etapas:

HP totales = HP-Etapa x N° Etapas x γm.

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• Selección del Motor (Cálculo de Potencia)

Existe una gran variedad de motores en el mercado, y si bien la selección básica serealiza a través de la potencia requerida, intervienen en la misma el rango de voltaje,la frecuencia, la profundidad (temperatura), aplicaciones especiales para ambientescorrosivos, etc.

La potencia requerida por el motor se calcula multiplicando la potencia consumidapor 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 selección de motor a 60 Hz y seleccionamosel(los) motor(es) necesarios para el diseño.

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• Selección del Cable

El tamaño adecuado del cable depende de los factores combinados de caída detensión, amperaje y espacio disponible entre los acoples de tubería deproducción y la tubería de revestimiento.

Remítase a la curva de caída de Tensión del Cable. De acuerdo con el amperajedel motor seleccionado y la temperatura dada de fondo de pozo, se recomiendala selección de un tamaño del cable que dé una caída de tensión de menos de 30voltios por 1.000 pies.

El Voltaje por cada mil pies debe ser corregido por temperatura, mediante latabla de corrección.

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• Selección del Tablero y Transformador.

Para determinar el voltaje total necesario debemos considerar además la caída del voltaje en el cable.

Por la tabla anterior obtenemos para los amperios del motor, la caída de voltaje.

Si consideramos la profundidad a la cual será instalado el equipo:

Voltaje en el cable = Prof. Instalación x Caída 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

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Ejercicio

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Ejercicio

Ejercicio:

Para el Diseño de sistema de Bombeo Electro Sumergible se tienen las siguientes condiciones:

Tfondo = 300 ºF yo = 0,9 Rs = 57 pcn/ bnTsup = 60 ºF fw = 0,32 RGP = 200 pcn / bnyg = 0,8 Bo = 2,19 by/bn Bg = 0,0078 bls / pcnZ = 0,94 Rsw = 12 bls /pcn Ef sep = 90 %

Bomba GN1600 – Series 540

Del análisis nodal se tiene que : Pws = 2500 lpcPb = 2000 lpcQb = 500 bpdQmax = 1200 bpdPwh = 150 lpc