- Recuperación
natural - Recuperación
primaria - Bombeo
Electrosumergible - Descripción del
equipo de bombeo Electrosumergible - Componentes
Subsuperficiales - Bomba Centrífuga
Sumergible - Componentes
superficiales
El comportamiento
de los yacimientos durante su explotación está
influenciada por las características productivas de la
roca, la presencia de flujo multifásico a través
del medio poroso, así como el esquema de desarrollo
implantado.
La explotación convencional, incluye la
recuperación natural ó primaria, que puede ocurrir
con flujo natural o bien con sistemas
artificiales de producción; y la secundaria, que se aplica
para mantener la presión
del yacimiento o desplazar los fluidos del yacimiento.
Mientras que para la recuperación Mejorada
contempla métodos
térmicos químicos y la inyección de gases. En este
trabajo se
presenta un análisis de inyección de gas amargo como
alternativa de explotación bajo un concepto de
recuperación secundaria de hidrocarburos
para el campo. Debido a que el
petróleo es un recurso no renovable, los pozos que se
encuentran produciendo van declinando su producción por la
pérdida de presión natural del yacimiento. Por lo
que se hace necesario instalar la infraestructura adecuada para
la recuperación del petróleo, que en la mayoría de los
yacimientos representa de un 60 a 70% por recuperar, por lo cual,
es conveniente un sistema
artificial.
La producción primaria se define como la
recuperación de hidrocarburo asociada a
mecanismos naturales de empuje en un yacimiento, como
expansión de la roca y el fluido, gas disuelto,
acuífero activo, casquete de gas o bien drene
gravitacional, en yacimientos naturalmente fracturados,
adicionalmente se tiene un mecanismo adicional denominado
exudación, que consiste básicamente en la acción
combinada de fuerzas capilares y gravitacionales, las cuales
originan la expulsión de los hidrocarburos de la matriz a la
fractura.
Durante esta etapa el flujo de fluidos dentro del
yacimiento, ocurre por energía propia de él. En
ocasiones las presiones de fondo de los pozos no son suficientes
para llevar los fluidos hasta la superficie, por lo que es
necesario diseñar e instalar un sistema artificial de
producción que permita recuperar estos hidrocarburos,
antes de considerar cualquier proceso de
mayor costo y de
tecnología
sofisticada.
Durante la vida productiva de los yacimientos, la
presión tiende a disminuir debido a la explotación
del campo, a tal grado que los pozos productores dejan de fluir
de forma natural, en variadas ocasiones estas disminuciones de
presión pueden ser originadas por daños en los
pozos, ocasionados principalmente por la misma operación,
generalmente este daño es
removido mediante limpieza y estimulaciones.
Cuando no se tiene daño en la formación y
el flujo de fluidos no es capaz de llegar a las instalaciones
superficiales, es necesario implantar un sistema artificial de
producción, acorde a las características del campo.
Es necesario efectuar un estudio en el que involucre los
diferentes sistemas artificiales, como son: bombeo
mecánico, neumático y electrocentrífugo, los
cuales permiten ayudar a vencer las caidas de presión y
mantener el pozo fluyendo para así mantener la plataforma
de producción comprometida.
Si aún así, ya con un sistema de
producción implantado, existe una baja aportación
de hidrocarburos del yacimiento al pozo, debe analizarse la
posibilidad de aplicar un proceso de mantenimiento
de presión ,ó bien , de desplazamiento.
Cuando un pozo llega al fin de su vida de flujo natural,
surge la pregunta de ¿qué método
debe utilizarse para mantenerlo en producción?. Para el
caso de este proyecto se
considera la solución de suministrar energía en la
forma de gas para ayudar a elevar los líquidos de la
formación por la tubería de producción. En
este trabajo se plantea utilizar el bombeo neumático de
flujo continuo. El gas inyectado origina que la presión
que ejerce la carga del fluido sobre la formación
disminuya debido a la reducción de la densidad de dicho
fluido y por otro lado la expansión del gas inyectado con
el consecuente desplazamiento del fluido.
A manera de información y por considerarse como otro
sistema de recuperación de hidrocarburos importante se
explicará lo que es el Bombeo
Electrocentrífugo.
El bombeo electrocentrífugo sumergido ha probado
ser un sistema artificial de producción eficiente y
económico. En la actualidad ha cobrado mayor importancia
debido a la variedad de casos industriales en los que es
ampliamente aceptado.
En la industria
petrolera, comparativamente con otros sistemas artificiales de
producción tiene ventajas y desventajas, debido a que por
diversas razones no siempre puede resultar el mejor.
Es decir un pozo candidato a producir artificialmente
con bombeo electrocentrífugo sumergido, debe reunir
características que no afecten su funcionamiento como las
altas relaciones gasaceite, las altas temperaturas, la presencia
de arena en los fluidos producidos y medio ambiente
de operación agresivo, que son factores con influencias
indeseables sobre la eficiencia del
aparejo.
Entre las características únicas del
sistema están su capacidad de producir volúmenes
considerables de fluido desde grandes profundidades, bajo una
amplia variedad de condiciones del pozo y particularmente se
distingue por que, su unidad de impulso o motor está
directamente acoplada con la bomba en el fondo del
pozo.
El aparejo de bombeo eléctrico trabaja sobre un
amplio rango de profundidades y gastos.
Su aplicación es particularmente exitosa cuando
las condiciones son propicias para producir altos
volúmenes de líquidos con bajas relaciones
gas-aceite. El
sistema opera sin empacador.
Sumergido en el fluido del pozo y suspendido en el
extremo inferior de la tubería de producción,
generalmente por arriba de la zona de disparos.
Anteriormente, para el diseño
del aparejo de bombeo eléctrico se consideraba como
único requisito, que la bomba debía colocarse por
abajo del nivel dinámico del fluido en el pozo, de tal
manera que estuviera garantizada la alimentación continua
de líquidos en la succión de la bomba, previendo
posibles variaciones en las condiciones del pozo. Además,
se suponía la existencia del flujo de una sola fase
líquida en la tubería de producción,
determinando las perdidas de presión por la
fricción.
Estas suposiciones, aún hoy son validas para
pozos productores de agua ó
para aquellos con altas relaciones agua-aceite y volumenes
despreciables de gas.
Más adelante, el procedimiento de
diseño evolucionó con la operación de
métodos para determinar caídas de presión en
tuberías verticales con flujo multifásico;
entonces, también se utilizaron correlaciones para el
cálculo
de propiedades PVT de los fluidos. Lo anterior permitió
efectuar la selección
del equipo de bombeo con mejor aproximación, para pozos en
los que existe una cantidad importante de gas que se produce con
los líquidos. En estos casos se tomaron en cuenta los
efectos del gas que se libera en la tubería de
producción conforme se reduce la presión, durante
el viaje ascendente de los hidrocarburos hacia la superficie, de
manera que, determinar la variación de la densidad de la
mezcla a presiones inferiores a la de burbujeo, condujo a
diseños en los que las dimensiones del motor y de la bomba
fueron hasta 50% menores, respecto a las obtenidas con las
suposiciones mencionadas anteriormente.
En la actualidad el diseño a mejorado,
incorporando en los cálculos la consideración de
que el volúmen y propiedades físicas de la mezcla,
varían constantemente en el interior de la bomba; lo cual
se traduce en reducciones importantes de su capacidad
volumetrica, desde la presión de succión hasta la
de descarga. Consecuentemente las dimensiones del motor y de la
bomba son aún menores, para lograr una operación
más eficiente del sistema, para obtener en la superficie
el gasto de líquidos deseado, manteniendo la
presión necesaria en la cabeza del pozo.
Descripción del equipo de bombeo
Electrosumergible
Una unidad típica de bombeo
electrocentrífugo sumergido está constituida en el
fondo del pozo por los componentes: motor eléctrico,
protector, sección de entrada, bomba
electrocentrífuga y cable conductor. Las partes
superficiales son: cabezal, cable superficial. Tablero de
control,
transformador.
Se incluyen todos los accesorios necesarios para
asegurar una buena operación, como son: separador de gas,
flejes para cable, extensión de la mufa, válvula de
drene. Válvula de contrapresión, centradores,
sensor de presión y temperatura de
fondo, dispositivos electrónicos para control del motor,
caja de unión, y controlador de velocidad
variable.
La integración de los componentes es
indispensables, ya que cada uno ejecuta una función
esencial en el sistema para obtener las condiciones de
operación deseadas que permitan impulsar a la superficie
el gasto requerido.
figura 1. Distribución de los componentes del aparejo
en la forma tradicional como quedan colocados en el
pozo.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Motor eléctrico
El motor eléctrico colocado en la parte inferior
de aparejo, recibe la energía desde una fuente
superficial, a través de un cable; su diseño
compacto es especial, ya que permite introducirlo en la
tubería de revestimiento existente en el pozo y satisfacer
requerimientos de potencial grandes, también soporta una
alta torsión momentánea durante el arranque hasta
que alcanza la velocidad de operación, que es
aproximadamente constante para una misma frecuencia, por ejemplo:
3500 revoluciones por minuto (rpm) a 60 ciclos por segundo (Hz).
Normalmente, consiste de una carcasa de acero al bajo
carbón, con láminas de acero y bronce fijas en su
interior alineadas con las secciones del rotor y del cojinete
respectivamente. En la figura 2 se muestra el corte
transversal de un motor, como los utilizados en aplicaciones de
bombeo eléctrico. Son bipolares, trífasicos, del
tipo jaula de ardilla y de inducción: los rotores construidos con
longitudes de 12 a 18 pg están montados sobre la flecha y
los estatores sobre la carcasa: el cojinete de empuje soporta la
carga de los rotores. El interior del motor se llena con aceite
mineral caracterizado por su alta refinación, resistencia
dieléctrica, buena conductividad térmica y
capacidad para lubricar a los cojinetes. Dicho aceite, permite
que el calor generado
en el motor, sea transferido a la carcasa y de ésta a los
fluídos
de pozo que pasan por la parte externa de la misma; razón
por la que el aparejo no debe quedar abajo del intervalo
disparado.
Pruebas de
laboratorio
indican que la velocidad del fluido que circula por el exterior
del motor, debe ser de 1 pie/seg para lograr un enfriamiento
adecuado.
Los requerimientos de amperaje pueden variar desde 12
hasta 130 amperes (amps) y se logra mayor potencia,
aumentando la longitud de la sección del motor: cuando
éste es sencillo, puede tener aproximadamente 30 pies de
largo y Fig.2 desarrollar de 200 a 250 caballos de fuerza (hp),
mientras que otros integrados en tandem alcanzan hasta 100 pies
de largo y desarrollan 1000 (hp).
La profundidad de colocación del aparejo es un
factor determinante en la selección del voltaje del motor
debido a las pérdidas de voltaje en el cable. Cuando la
pérdida de voltaje es demasiado grande, se requiere un
motor de más alto voltaje y menor amperaje. En pozos muy
profundos, la economía es un factor
importante: con un motor de más alto voltaje es posible
usar un cable más pequeño y más barato. Sin
embargo, puede requerirse un tablero de control de más
alto voltaje y más caro.
Protector
Este componente también llamado sección
sellante ver fig. 3, se localiza entre el motor y la bomba:
está diseñado principalmente para igualar la
presión del fluido del motor y la presión externa
del fluido del pozo a la profundidad de colocación del
aparejo.
Adicionalmente tiene las siguientes cuatro funciones
básicas:
1. Conecta la carcasa de la bomba con la del motor y une
rígidamente la flecha 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
contaminación del aceite lubricante del motor con el
fluido del pozo.
4. Provee un receptáculo para compensar la
expansión y contracción del aceite lubricante del
motor, debidas al calentamiento o enfriamiento de éste,
cuando la unidad está trabajando o cuando está sin
operar. Esta función equivale a igualar la presión
interna en el motor con la presión externa en el
pozo.
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Existen dos tipos de protectores: el convencional y el
de tres cámaras aislantes. El diseño
mecánico y principio de operación de los
protectores difiere de un fabricante a otro.
La diferencia principal está en la forma como el
aceite lubricante del motor es aislado del fluido del pozo. El
protector convencional, protege contra la entrada de fluido
alrededor de la flecha. El contacto directo entre el fluido del
pozo y del motor ha sido considerado el único medio de
igualar presiones en el sistema de sellado. Se ha fig.3
determinado que el mejoramiento real del funcionamiento del motor
sumergible puede lograrse si el aceite del motor se aísla
completamente de los fluidos del pozo evitando cualquier contaminación. Este enfoque llevó al
desarrollo de la sección sellante tipo "D" en el cual se
aísla el aceite del motor del fluido del pozo por medio de
un líquido inerte bloqueante.
El protector de tres cámaras,.constituye
realmente tres sistemas de sellos en uno. Cada cámara
consiste de un sello mecánico y de un recipiente de
expansión-contracción. Aunque dos de los tres
sellos mecánicos fallen por alguna razón, el motor
sumergible queda protegido.
Este tipo de sección sellante proporciona la
mejor protección disponible contra el ácido
sulfhidrico u otros fluidos contaminantes del pozo. Las
características y beneficios de este tipo de protector
son:
- Tres sellos mecánicos ampliamente
espaciados. - Una distribución amplia de los sellos que
permite una mejor disipación de calor. - Cada sello mecánico protege su propio
recipiente, creando tres secciones sellantes en una
unidad. - Un tubo permite que haya flujo de aceite lubricante
entre los tres recipientes. - La barrera elástica en la cámara
superior permite la contracción-expansión del
aceite del motor cuando la temperatura cambia desde la
superficie hasta el fondo y a la de
operación. - La barrera elástica es resistente al ataque
químico y la penetración del gas, por lo que el
aceite del motor se protege efectivamente contra
contaminantes. - Cada recipiente es lo suficientemente grande para
absorber la expansión-contracción
volumétrica de los motores
más grandes existentes en el mercado.
Separador de gas:
El separador de gas fig.4 es un componente opcional del
aparejo construido integralmente con la bomba, normalmente se
coloca entre ésta y el protector. Sirve como
succión o entrada de fluidos a la bomba y desvía el
gas libre de la succión hacia el espacio anular. El uso
del separador de gas permite una operación de bombeo
más eficiente en pozos gasificados, ya que reduce los
efectos de disminución de capacidad de carga en las curvas
de comportamiento, evita la cavitación a altos gastos, y
evita las fluctuaciones cíclicas de carga en el motor
producidas por la severa interferencia de gas.
Existen dos tipos de separadores: Convencional, y
Centrífugo., donde su operación consiste en
invertir el sentido del flujo del líquido, lo que permite
que el gas libre continúe su trayectoria ascendente hacia
el espacio anular. Su aplicación es recomendable en pozos
donde a la profundidad de colocación del aparejo, las
cantidades de gas libre no son muy grandes. El separador
centrífugo, que trabaja en la siguiente forma: en sus
orificios de entrada, recibe la mezcla de líquido y gas
libre que pasa a través de una etapa de succión
neta positiva, la cual imprime fuerza centrífuga a los
fluidos; por diferencia de densidades el líquido va hacia
las paredes internas del separador y el gas permanece en el
centro. Una aletas guías convierten la dirección tangencial del flujo, en
dirección axial; entonces el líquido y gas se
mueven hacia arriba, pasan a través de un difusor que
conduce a los líquidos a la succión de la bomba y
desvía al gas hacia los orificios de ventilación,
donde el gas libre va al espacio anular por fuera de la turbina
de producción.
Es necesario mencionar que la total eliminación
del gas libre, no es necesariamente la mejor forma de bombear el
pozo. Por una parte, el volumen de
fluidos que entra a la bomba es menor, pero la presión que
la bomba debe entregar en la descarga se incrementa, debido a la
menor relación gas-aceite de la columna hidráulica
en la tubería de producción. Entre los efectos que
causa la presencia de gas libre en el interior de la bomba
están: el comportamiento de la bomba se aparta del
señalado en sus
curvas características, reducción de su
eficiencia, fluctuación de carga en el motor, posible
efecto de cavitación y otros consecuentes.
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Fig. 4
Su función básica es imprimir a los
fluidos del pozo, el incremento de presión necesario para
hacer llegar a la superficie, el gasto requerido con
presión suficiente en la cabeza del pozo.
Las bombas
centrífugas son de múltiples etapas fig. 5, y cada
etapa consiste de un impulsor giratorio y un difusor
estacionario. El tamaño de etapa que se use determina el
volumen de fluido que va a producirse, la carga o presión
que la bomba genera depende, del número de etapas y de
este número depende la potencia requerida. En una bomba de
impulsores flotantes, éstos se mueven axialmente a lo
largo de la flecha y pueden descansar en empuje ascendente o
descendente en cojinetes, cuando están en
operación. Estos empujes a su vez, los absorbe un cojinete
en la sección sellante.
En la bomba de impulsores fijos, estos no pueden moverse
y el empuje desarrollado por los impulsores los amortigua un
cojinete en la sección sellante. Los empujes desarrollados
por los impulsores dependen de su diseño hidráulico
y mecánico, además del gasto de operación de
la bomba. Una bomba operando un gasto superior al de su
diseño produce empuje ascendente excesivo y por el
contrario operando a un gasto inferior produce empuje
descendente. A fin de evitar dichos empujes la bomba debe de
operar dentro de un rango de capacidad recomendado, el cual se
indica en las curvas de comportamiento de las bombas y que
generalmente es de 75 % al 95% del gasto de mayor eficiencia de
la bomba.
Un impulsor operando a una velocidad dada, genera la
misma cantidad de carga
independientemente de la densidad relativa del fluido
que se bombea, ya que la carga se
expresa en términos de altura de columna
hidráulica de fluido. De esta característica
se
desprende el siguiente concepto:
La presión desarrollada por una bomba
centrífuga sumergible, depende de la velocidad
periférica del impulsor y es independiente del peso del
líquido bombeado. La presión desarrollada
convertida a longitud de columna hidráulica que levanta la
bomba, es la misma
Para ver el gráfico seleccione la
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Fig.5
cuando la bomba maneje agua de densidad relativa 1.0,
aceite de densidad relativa 0.85, salmuera de densidad relativa
1.35, o cualquier otro fluido de diferente densidad relativa. En
estos casos la lectura de
la presión en la descarga de la bomba es diferente,
únicamente permanecen fijos el diámetro y la
velocidad del impulsor.
Una interpretación diferente del concepto
anterior, es que cada etapa de la bomba imprime a los fluidos un
incremento de presión exactamente igual. En esta forma, si
la primera etapa eleva la presión en 0.5 (Kg/cm2) y la
bomba tiene 20 etapas, el incremento total de presión que
se obtiene es de 10 (Kg/cm2).
Características de la bomba:
Para establecer las posibilidades de aplicación
de una bomba ya construida, por lo que se refiere al gasto que
puede manejar, ver tabla 1, es necesario determinar mediante
pruebas prácticas, sus curvas características o de
comportamiento; las cuales indican para diversos gastos, los valores de
eficiencia y longitud de columna hidráulica que es capaz
de desarrollar la bomba; así como, la potencia al freno en
cada caso.
Las pruebas prácticas de la bomba se realizan
utilizando agua dulce de densidad relativa 1.0 y viscosidad 1-0 cp
haciéndola trabajar a velocidad constante y estrangulando
la descarga. Durante la prueba se miden en varios puntos: el
gasto, el incremento de presión a través de la
bomba y la potencia al freno. El incremento de presión se
convierte a carga de columna hidráulica y se calcula la
eficiencia total de la bomba.
Con base en esos datos se dibujan
las curvas de carga, potencia al freno y eficiencia en
función del gasto manejado. La construcción de gráficas con curvas características
para una bomba se realiza de la siguiente manera:
Tabla 1
1. El gasto se mide por medio de recipientes aforados u
orificios calibrados
2. La altura total de elevación o carga
hidráulica, se determina fijando la altura de
succión por medio de un vacuómetro y la altura de
descarga por medio de un manómetro.
3. La potencia se determina por medio de un dinamómetro o por la potencia que alcance
el motor eléctrico de acondicionamiento, tomando en
consideración su rendimiento.
4. El número de revoluciones por minuto se
obtiene por medio de un tacómetro o por medio de un
contador de revoluciones.
5. La eficiencia se obtiene al despejarla de la
fórmula de la potencia.
Siguiendo las consideraciones anteriores y mediante
pruebas sucesivas, se van construyendo las curvas
características de la bomba.
Cada curva representa el comportamiento de la bomba a
una velocidad particular para alturas de elevación
variables, lo
que en la práctica se consigue generalmente de la
siguiente manera: se cierra la válvula de descarga y se
hace funcionar la bomba a su número normal de revoluciones
por minuto, por ejemplo a 3500 rpm, en este caso el gasto es cero
y en la bomba se establece una presión que alcanza
aproximadamente unos 5300 pies, para lo cual, se requiere una
potencia de 40 Hp, todo lo anterior para 100 etapas. Se abre
progresivamente la válvula de descarga y empieza el flujo:
la curva de capacidad de carga, baja progresivamente, las curvas
de potencia y eficiencia van aumentando a medida que aumenta el
gasto
Continuando con la apertura de la válvula, se
disminuye el valor de la
carga y aumentan los valores del
gasto, la eficiencia y la potencia. El valor máximo de
eficiencia corresponde a los valores de gasto y carga para los
cuales se construyó la bomba.
Sin embargo, las bombas en realidad se utilizan para
bombear líquidos de diferentes densidades y viscosidades,
operando a otras velocidades también
constantes.
En estos casos es necesario tomar en cuenta el efecto de
algunos parámetros a fin de predecir el comportamiento de
la bomba bajo condiciones reales de operación:
Efecto del cambio de
velocidad:
El gasto varia en proporción directa a los
cambios de velocidad de la bomba. La carga producida es
proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia es
proporcional al cubo de la velocidad. La eficiencia de la bomba
permanece constante con los cambios de velocidad.
Efecto de la densidad relativa:
La carga producida por un impulsor no depende de la
densidad relativa. Entonces la curva de capacidad de carga no
depende de la densidad relativa, la potencia varia directamente
con la densidad relativa y la eficiencia de la bomba permanece
constante independientemente de la densidad del
líquido.
Efectos de cambio del diámetro de
impulsor:
La capacidad de carga varia directamente con el
diámetro de los impulsores y la potencia varia
directamente con el cubo del diámetro. La eficiencia de la
bomba no cambia. Las gráficas de curvas de comportamiento
para cada bomba, las publica el fabricante además de las
curvas de eficiencia carga y potencia vs gasto, incluye
información respecto al diámetro de tubería
de revestimiento en que puede introducirse la bomba, tipo y
número de serie de la misma, ciclaje de la corriente para
alimentar al motor, velocidad de la flecha del motor y el
número de etapas considerado en la
elaboración.
En cuanto a la forma de utilizar las gráficas de
curvas características, se tiene que de acuerdo al ciclaje
(Hz) de la corriente disponible, se selecciona un grupo de
gráficas, verificando que su número de serie o
diámetro externo, sea tal que puedan introducirse en la
tubería de revestimiento existente en el pozo; de este
grupo se selecciona una que maneje con mayor eficiencia el gasto
deseado las condiciones de profundidad de colocación de la
bomba. Una vez seleccionada la gráfica, a partir de dicho
gasto, se traza una línea vertical, hasta intersectar con
las curvas de potencia, eficiencia y capacidad de carga, de tal
forma que se hagan las lecturas en las escalas
correspondientes.
Fenómeno de Cavitación:
Si la presión absoluta del líquido en
cualquier parte dentro de la bomba cae debajo de la
presión de saturación correspondiente a la
temperatura de operación, entonces se forman
pequeñas burbujas de vapor. Estas burbujas son arrastradas
por el líquido fluyendo, hacia regiones de más
altas presiones donde se condensan o colapsan. La
condensación de las burbujas produce un tremendo
incremento en la presión lo que resulta similar a un golpe
de martillo o choque. Este fenómeno se conoce como
Cavitación. Dependiendo de la magnitud de la
cavitación, ésta puede resultar en una
destrucción mecánica debida a la erosión,
corrosión y a la intensa vibración.
La cavitación también tiene un efecto significativo
en el comportamiento de la bomba. Su capacidad y eficiencia se
reducen.
La energía
eléctrica necesaria para impulsar el motor, se lleva
desde la superficie por medio de un cable conductor, el cual debe
elegirse de manera que satisfaga los requisitos de voltaje y
amperaje para el motor en el fondo del pozo, y que reúna
las
propiedades de aislamiento que impone el tipo de fluidos
producidos.
Existe en el mercado un rango de tamaños de
cable, de configuración plana y redonda, ver fig 6, con
conductores de cobre o
aluminio, de
tamaños 2 al 6. El tamaño queda determinado por el
amperaje y voltaje del motor así como por el espacio
disponible entre las tuberías de producción y
revestimiento.
Considerando la longitud de un conductor para la
aplicación de un voltaje dado, los volts por pie
disminuyen conforme el alambre es más largo, como
consecuencia la velocidad del electrón disminuye lo que
resulta en una reducción de corriente, en otras palabras,
"la resistencia es directamente proporcional a la longitud del
conductor".
Fig. 6
Cuando la sección transversal o diámetro
de un alambre es mayor, tiene un efecto contrario sobre la
resistencia ya que el número de electrones libres por
unidad de longitud se incrementa con el área. Bajo esta
condición la corriente se incrementará para una
fuerza electromotriz (fem) dada ya que se mueven más
electrones por unidad de tiempo, en
otras palabras "La resistencia es inversamente proporcional al
área de la sección transversal del
conductor".
Cuando se usan cables en sistemas de alto voltaje, cada
uno de los conductores está rodeado por un considerable
espesor de material aislante y algunas veces con una cubierta de
plomo
Aunque la corriente normal fluye a lo largo del
conductor, existe una pequeña corriente que pasa a
través del aislamiento (fuga de corriente) de un conductor
a otro. Esta fuga se considera despreciable.
El aislamiento de los cables debe resistir las
temperaturas y presiones de operación en el
pozo.
Sin embargo, para los cables utilizados también
existen limitaciones debidas a materiales
utilizados en su construcción. Los cables estándar
tienen en promedio 10 años de vida a una temperatura
máxima de 167º F y se reduce a la mitad por cada
15º F de exceso por arriba del máximo. El medio
ambiente bajo
el que opera el cable también afecta directamente su vida.
Sin embargo hay cables que resisten temperaturas del orden de
350º F.
La instalación del cable se realiza
fijándolo en la parte externa de la tubería de
producción con flejes, colocando de 3 a 4 por cada
lingada; en la sección correspondiente a los componentes
del aparejo, es recomendable colocar flejes cada metro, debido a
que esta sección es de mayor diámetro y puede
dañarse durante las operaciones de
introducción al pozo, por lo que comunmente
se instalan protecciones adicionales llamadas guarda cable. A lo
largo de esta sección la configuración del cable es
plana y se le llama extensión de la mufa, la cual
constituye el contacto con el motor.
La unión de la extensión de la mufa y el
cable conductor se denomina empate; su elaboración se
realiza cuidadosamente en la localización del pozo ya que
constituye una de las partes débiles de la
instalación. Un empate también puede ser necesario
en cualquier punto a lo largo del cable, donde se detecte una
falla del mismo o donde la longitud del cable sea insuficiente
para llegar a la superficie.
Bola Colgadora
Este dispositivo se coloca en un nido sobre el
árbol de válvulas.
Su función es sostener la tubería de
producción, permitir su paso y el de los tres conductores
del cable, proporcionando el sello necesario en el espacio anular
entre tubería de producción y de revestimiento para
evitar fuga de fluidos a la superficie. Está construida de
acero, cubierta de neopreno. En el caso de instalaciones marinas
el paso de los conductores del cable, lo tiene integrado y su
contacto es como el de la mufa.
Caja de viento
Se instala por razones de seguridad entre
el cabezal del pozo y el tablero de control, debido a que el gas
puede viajar a lo largo del cable superficial y alcanzar la
instalación eléctrica en el tablero. En la caja de
viento o de unión, los conductores del cable quedan
expuestos a la atmósfera evitando
esa posibilidad.
Tablero de control
Es el componente desde el que se gobierna la
operación del aparejo de producción en el fondo del
pozo. Dependiendo de la calidad de
control que se desea tener, se seleccionan los dispositivos que
sean necesarios para integrarlos al tablero. Este puede ser
sumamente sencillo y contener únicamente un botón
de arranque y un fusible de protección por sobre carga; o
bien puede contener fusibles de desconexión por sobrecarga
y baja carga, mecanismos de relojería para
restablecimiento automático y operación
intermitente, protectores de represionamiento de líneas,
luces indicadores de
la causa de paro,
amperímetro, y otros dispositivos para control remoto, los
tipos de tablero existentes son electromecánicos o bien
totalmente transistorizados y compactos.
Transformador
Este componente se utiliza para elevar el voltaje de la
línea al voltaje requerido en la superficie para alimentar
al motor en el fondo del pozo; algunos están equipados con
interruptores "taps"que les dan mayor flexibilidad de
operación. Se puede utilizar un solo transformador
trifásico o un conjunto de tres transformadores
monofásicos.
Accesorios
Con el propósito de asegurar una mejor
operación del equipo es necesario contar con algunos
accesorios.
Válvula de contra
presión
Se coloca de una a tres lingadas de tubería por
arriba de la bomba. Esta válvula permite el flujo en
sentido ascendente, de manera que cuando el motor deja de
trabajar, impide el regreso de la columna de fluidos y evita el
giro de la flecha de la bomba en sentido contrario, lo cual la
dañaría.
Válvula de drene
Se coloca de una a tres lingadas por arriba de la
válvula de contra presión. Su función es
establecer comunicación entre el espacio anular y la
tubería de producción, con el propósito de
que ésta se vacíe cuando se extrae el aparejo del
pozo. Para operarla, se deja caer una barra de acero desde la
superficie por la tubería de producción; la barra
rompe un perno y deja abierto un orificio de comunicación
con el espacio anular.
Controlador de velocidad variable
Este dispositivo puede ser considerado como equipo
accesorio u opcional, únicamente bajo ciertas
circunstancias que impone el mismo pozo. Eventualmente la
información disponible para efectuar un diseño no
es del todo confiable y como consecuencia se obtiene una
instalación que no opera adecuadamente; anteriormente la
alternativa sería rediseñar e instalar un nuevo
aparejo, debido a que el sistema de bombeo eléctrico
trabaja a velocidad constante para un mismo ciclaje. En otros
casos, algunos pozos son dinámicos en cuánto a
parámetros de presión de fondo, producción,
relación gas-aceite y otros para los cuales no es
recomendable la operación de un aparejo con velocidad
constante. Lo anteriormente expuesto limita la aplicación
del sistema a pozos estables donde el número de etapas de
la bomba, sus dimensiones y velocidad podrían ser
constantes.
El controlador de velocidad variable permite alterar la
frecuencia del voltaje que alimenta al motor y por lo tanto
modificar su velocidad. El rango de ajuste de la frecuencia es de
30 a 90 Hz, lo que implica su amplio rango de velocidades y por
lo tanto de gastos que es posible manejar. Una alta frecuencia
incrementa la velocidad y el gasto; una baja frecuencia, los
disminuye.
Otros accesorios pueden ser los sensores de
presión y de temperatura de fondo, centradores, carrete de
cable, cajas protectores para transporte del
equipo, etc.
La integración de todos los componentes descritos
es indispensable, ya que cada uno ejecuta una función
esencial en el sistema, para obtener en la superficie el gasto de
líquido deseado, manteniendo la presión necesaria
en la boca del pozo.
Nava, Luis
Ortiz, Liseth
Republica Bolivariana De Venezuela
La Universidad del
Zulia
Facultad de Ingeniería