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 artificialmas versátil.Elmismo
consiste básicamente de un motor eléctrico de fondo,una bomba
centrífuga, sellos(protectores), cable de potencia yun controlde
superficie. La bomba es montada sobre un motoreléctrico,elcual
recibe la energía eléctrica desde superficie a través delcable 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 llegara medirmas
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 artificialmas eficiente yelmas
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 muylimitado 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 almotorpor
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 cualpermite
que el fluido entre a la bomba. El componente centrales
el sello (protector). El protector equaliza la presión externa e interna, y aísla al motorde 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 elfluido del
reservorio pase a través del espacio anular casing-motor,permitiendo elenfriamiento delmotor.
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 yun rotortipo 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 rotordel
motor.
El calor generado durante la operación es transferido al fluido del pozo cuando elmismo 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 poruna
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 alhousing)que se
encarga de conducir el fluido desde la descarga del impulsor a la succión delimpulsorposterior.
Protector (sello)
El principal propósito del protector es aislar el aceite del motor delfluido 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 delfluido delpozo ydelaceite 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 delinteriordelmotor
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 separadorde gas es
utilazo cuando la relación gas-líquido (GLR) es mayor del que puede transferirla bomba.Siel
gas permanece en solución, la bomba operará dentro de los rangos especificados,pero sila GLR
supera a un valor aproximado de 0.1, la bomba puede perdercapacidad de elevación.Sielvalor
de la GLR se incrementa, el gas libre se incrementa llegando a producirun bloqueo porgas (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 alfluido 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 delespacio anulartubing-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)yredondo(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 conductorestá recubierto con
aislantes y materiales que lo protegen mecánicamente. El espesoryla composición delaislante
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 elfondo 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 ytransformador

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
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
0 50 100 150 200 250 300 350 400
caudal[m3/d]
nivel[mbbdp]
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 estarsometida 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 interiorde 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
ID
Q
C
F 











=
[ ] bpd
d
mQ 2140340
3
≅=
Para un tubing Ø 27/8” de ID= 2.441 pulg la pérdida de carga es:



=











=
ft
ft
F
1000
5,40
441,2
1
.
3,34
2140
.
120
100
.083,2 8655.4
85.185.1
Esto significa que la pérdida de carga por fricción en el interior de los tubings es iguala
40.5 ft(pies) de columna de líquido por cada 1000 ft de tubings(o 4.047 m/100 m de
tbgs).
mmtbg
mtbg
mPcf 701700.0404,0 ≅



=
b)- Pbdp : Presión de boca de pozo (en m de columna de líquido)
[ ] mx
cm
gr
cm
kg
x
cm
gr
cm
kgpresión
mPbdp 10010
1
.10
10
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 aportarelpozo 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 caudalteórico a extraerse 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 finalse 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]
perdidaporfricción[ft/1000ftdetbg]
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 poruna
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:
[ ]
[ ] [ ]
[ ]etapas
etapam
m
etapamepe
mTDH
etapasN 386
/4.4
1700
/
º ≅==
Por catálogo podríamos usar 4 cuerpos de bomba de 96 etapas, dando un totalde 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 elrango 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 considerarademás la caida de voltaje
en el cable:
Por tabla tenemos que para 45 amp, la caída de voltaje es de 21volt/1000 ftde 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

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