Dónde:
N: Revoluciones por minuto (RPM) f: Frecuencia en línea (60 Hz)
P: Número de polos en el motor (2 polos)
19
Ramírez, M.Bombeo electrosumergible: Analisis, diseño, optimización y trouble shooting, Worshop International, Monogas, Venezuela, Julio 19-23,2004
“El principal propósito de un motor es convertir la energía eléctrica en movimiento que gire al eje. El eje está conectado a través del sello y el separador de gas y gira los impulsores de la bomba”20
, de esta forma el motor electrosumergible provee la energía que necesita la bomba para rotar y acelerar los fluidos que están siendo bombeados hacia la superficie.
Grafico 28. Corte del motor electrosumergible. Fuente: Baker Hughes – Artificial Lift System Componentes del Motor Electrosumergible
A continuación se describirán las principales partes del Motor Electrosumergible Rotor
“Es uno de los componentes internos del motor y es que genera los HP del motor, por ejemplo en un motor de 180 HP y si el motor consta de 10 rotores, cada uno de ellos está aportando 18 HP”21
.Los rotores se encuentran localizados dentro de la circunferencia interna del estator
Los rotores (ver Gráfico 29) están fabricados de un tubo cilíndrico de laminaciones de hierro silicio dejando un espacio mínimo entre el diámetro exterior del rotor y el diámetro interior del estator, y van montados sobre el eje y fijados frente al campo magnético del estator.
Gráfico 29. Rotor del motor electrosumergibe. Fuente: Baker Hughes Services International Inc.
20
Roosa S. Centrilift Submersible Pump Handbook.Ninth Edition.v1, Claremore Oklahoma, 2009
21
Ramírez, M.Bombeo electrosumergible: Analisis, diseño, optimización y trouble shooting, Worshop International, Monogas, Venezuela, Julio 19-23,2004
Estator
Es el bobinado del motor electrosumergible y viene encapsulado, está diseñado para trabajar a diferentes temperaturas y para su aplicación en los pozos BES se debe tener en cuenta varios factores, tales como la temperatura de fondo del pozo, la posición de sentado, etc.
Grafico 30. Estator del motor electrosumergible. Fuente: Baker Hughes Services International Inc. Cojinete de motor (Rotor Bearing)
Son componentes internos del motor electrosumergible y elementos estáticos, cuya función principal es fijar y centralizar el conjunto de rotores. En toda configuración del motor, entre rotor y rotor existe un cojinete.
Los cojinetes de motor (ver Gráfico 31) tienen una ranura mecanizada que permite alojar al T Ring (anillo en forma de T).
Gráfico 31. Cojinete del motor electrosumergible Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System T ring
“Anillo en forma de T, este anillo tiene la función de expandirse por acción del aceite y temperatura contra las paredes del estator y no permitir que el cojinete gire”22
, en el Gráfico 32 podemos observar su configuración.
Gráfico 32. T ring del motor electrosumergible Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System
Eje del motor
Es el componente interno del motor electrosumergible que hace girar el sistema es un eje hueco mecanizado y perforado (ver Gráfico 33) para hacer llegar aceite a todos los cojinetes del motor, como así también la de soportar los esfuerzos del torque.
Gráfico 33. Eje del motor electrosumergible Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System Cojinete de Empuje (Thrust bearing)
“Se conoce también como zapata y su función principal es soportar la carga axial del conjunto de rotores. Se encuentra instalado en la parte superior del motor y su configuración puede ser direccional o bi-direccional”23.
La zapata posee una serie de radios y canales mecanizados como se puede observar en el Gráfico
34, esto permiten formar una película de aceite evitar así el desgaste mecánico prematuro en el
funcionamiento.
Gráfico 34. Zapata del motor electrosumergible Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System
Base del motor
“La Base de Motor (ver Gráfico 35) está diseñada para poder incorporar accesorios como por ejemplo un ánodo de sacrificio, centralizador o Sensor de Fondo PHD, por medio de un tapón que permite las conexiones de los mismos”24
.
23
Ramírez, M.Bombeo electrosumergible: Analisis, diseño, optimización y trouble shooting, Worshop International, Monogas, Venezuela, Julio 19-23,2004
24
Gráfico 35. Base del motor electrosumergible. Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System
Internamente la base de motor contiene al imán de motor como se puede observar en el Gráfico 36, este está fijado para poder captar las partículas metálicas en suspensión que pueda existir en el aceite.
Gráfico 36. Imán del motor electrosumergible. Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System Housing (Carcaza) del Motor
El Housing es la cubierta del motor, está provisto de roscas en ambos extremos para facilitar la instalación del cabezal y la base del motor electrosumergible, los diámetros varían según los fabricantes y principalmente del diámetro que se dispone en cada pozo.
Aceite dieléctrico
Es un aceite mineral o sintético que provee la lubricación y enfriamiento de los componentes internos del motor electrosumergible. Está diseñado para trabajar a diferentes temperaturas.
Bujes o manguitos cojinete motor
“Se encuentran localizados entre el eje y el cojinete (rotor-rotor) y es el elemento dinámico que gira junto con el rotor, (ver Gráfico 37).”25.
Gráfico 37. Bujes Manguitos cojinete motor Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System
25 Ramírez, M.Bombeo electrosumergible: Analisis, diseño, optimización y trouble shooting, Worshop International, Monogas, Venezuela, Julio 19-23,2004
Sensor de Fondo
El sensor de fondo (ver Gráfico 38) permite cuantificar los parámetros de fondo del pozo y proporciona datos para mejorar la eficiencia y confiabilidad del sistema BES.
La gama de sensores de fondo de Baker Hughes, ALS cubre un amplio rango de necesidades desde medidas básicas hasta datos más sofisticada para optimización de producción, a lo largo de la historia se han desarrollado diferentes tipos y modelos entre los que destacan:
Centinel™,Centinel+™,Centinel +D™ y WellLIFT™.
Gráfico 38. Sensor de fondo. Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System Cable de Potencia
La energía eléctrica es transmitida al motor electrosumergible a través de un Cable de Potencia (ver
Gráfico 39) trifásico el cual se fija a la tubería de producción por medio de flejes o con protectores
sujetadores especiales.
Este cable debe ser pequeño en diámetro, bien protegido de golpes mecánicos y resistente al deterioro de sus características físicas y eléctricas por efecto de los ambientes calientes y agresivos de los pozos.
Gráfico 39. Cable de Potencia Fuente: Baker Hughes -Artificial Lift System
Componentes del cable de potencia
Los cables Baker Hughes – Artificial Lift System se construyen en configuraciones redondas y planas La mayoría de cable se componen de al menos cuatro componentes: conductor, aislamiento, camisa y la armadura como se observa en el Gráfico 40.
Gráfico 40. Componentes del cable de potencia Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System Cable de extensión (Motor Lead Extensión – MLE) y Pothead
“El cable de extensión del motor o MLE es un cable construido especialmente para ser instalado en toda la longitud del equipo de fondo debido a que este es más delgado y disminuye el diámetro exterior del conjunto que un cable común, posee una ficha de conexión o Pothead que va conectado al motor en uno de sus extremos y por el otro extremo se empalma al cable de potencia”26
.
Gráfico 41. Cable de Extensión y Pothead Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System
El cuerpo del Pothead tiene inyectado goma EPDM que no permite el ingreso del fluido del pozo a través de los conductores y terminales fijados, también realiza un perfecto sellado en el cabezal de motor.
El Gráfico 42, describe al Cable de Extensión y al Pothead propiedad Baker Hughes – Artificial Lift System.
26
Gráfico 42. Cable de Extensión y Pothead propiedad Baker Hughes – Artificial Lift System Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System
Componentes de Superficie del Equipo de Bombeo Electrosumergible Baker Hughes – Artificial Lift System
El equipo de superficie se compone de máquinas eléctricas que regulan la energía eléctrica, según los parámetros de operación del equipo de fondo, es por eso que cualquier operación inadecuada en superficie tiene consecuencias directas en el equipo de fondo las cuales pueden ser determinantes
para la vida útil del mismo. A continuación se presenta la descripción de los equipos de superficie
que forman parte del sistema de Bombeo Electrosumergible. Transformadores
Los transformadores son usados para convertir el voltaje al requerido por los equipos del Bombeo Electrosumergible, tenemos el transformador reductor y elevador.
El trasformador reductor baja el voltaje desde las líneas de distribución de 13,8 KV o 34,5 kV al
requerido por los variadores que generalmente oscila entre 460V y 480V.
“La tensión de salida del variador es generalmente inferior a la requerida por el motor, por eso se usa un transformador elevador que sube el voltaje hacia el requerido por el motor que generalmente se encuentra entre 1000V-3760V.
Gráfico 43. Trasformador Elevador y Reductor Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System
Variador de frecuencia
El Variador de Frecuencia (ver Gráfico 44) se instala entre los transformadores reductor y elevador, y es un sistema para controlar la velocidad del motor de corriente alterna, controlando la frecuencia de voltaje aplicado, es decir este sistema permite que el motor de la bomba trabaje a diferentes velocidades.
La utilización de un variador de frecuencia permite: Mejorar la eficiencia del sistema
Maximizar la producción de los pozos. Aislamiento de los equipos de fondo Provee un Arranque con voltaje reducido
Gráfico 44. Variador de Frecuencia Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System Cable de Superficie
El cable de superficie (ver Gráfico 45) conecta la caja de venteo con el variador de frecuencia, y a su vez el VSD con el lado secundario del transformador, existe una longitud máxima del cable para cada sección del cable en superficie.
Caja de Venteo
En el Gráfico 46 se muestra la caja de venteo que cumple con tres funciones específicas. Conectar los cables de energía con la bomba.
Ventila con la atmósfera los gases que puedan estar atrapados dentro del cable del motor. Permite un rápido chequeo de los voltajes y corrientes para diagnóstico de los problemas
Gráfico 45. Esquema cable de superficie Fuente: Baker Hughes - Artificial Lift System
Gráfico 46. Caja de Venteo Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System
Cabezal del pozo
El cabezal del pozo está diseñado para hacer el cierre del pozo en superficie, soportar el peso del equipo y se usa para mantener control sobre el espacio anular del pozo.
Está equipado con una empaquetadura que proporciona un sello positivo alrededor del cable y de la tubería de producción. Hay varios métodos disponibles de los fabricantes de cabezas de pozo para lograr su empaquetamiento, dependiendo del método empleado, el empaquetamiento podrá resistir presiones diferenciales que alcanzan los 10.000 PSI.
Existen cabezales de altas presiones, sobre los 3000 PSI, estos usan una alimentación de energía eléctrica para prevenir la migración del gas a través del cable. Los cabezales son fabricados para el tamaño estándar de tuberías de revestimiento desde 4.5 a 10 de pulgada.
Secci
Seccióón Bn B
O.C.T
O.C.T
Secci
Seccióón An A
O.C.T
O.C.T
Secci
Seccióón Bn B
O.C.T
O.C.T
Secci
Seccióón Bn B
O.C.T
O.C.T
Secci
Seccióón Bn B
O.C.T
O.C.T
Secci
Seccióón An A
O.C.T
O.C.T
Secci
Seccióón An A
O.C.T
O.C.T
Secci
Seccióón An A
O.C.T
O.C.T
Gráfico 47. Cabezal del Pozo Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System
Accesorios
Válvula de retención
La Válvula de Retención también conocida como standing valve (ver Gráfico 48) “tiene por función mantener una columna llena de fluido por encima de la descarga de la bomba, no permitiendo así un retorno cuando el equipo de fondo está parado”27
.
Gráfico 48. Válvula de Retención o Standing Valve Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System Válvula de Drenaje
La instalación de esta válvula está recomendada de uno a dos tubing por encima de la válvula de retención, y su función es la da vaciar la columna de fluido de la tubería de producción. Si no hay válvula de retención instalada no hay razón para que exista una válvula de drenado, ya que el fluido de la tubería por lo general es drenado a través de la bomba cuando se realiza el pulling
Flejes (Bandas)
El cable de extensión del motor y el cable de potencia se mantienen sujetos a la tubería de producción por unas bandas metálicas selladas (ver Gráfico 49) que aseguran el cable para que este no se deslice y forma curvaturas que pueden ser dañadas. La función principal además de la de sostener al cable es la de mantener este lo más vertical posible con respecto a la tubería de producción.
Gráfico 49. Flejes
Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System
Acoplamientos (Coupling)
Son los conectores cilíndricos con estrías que conectan los ejes de las diferentes piezas del aparejo: motor-motor, motor-sello, bomba-bomba, etc.
Los acoplamientos que unen a los ejes poseen distintas resistencia tanto a la torsión como los agente químicos del fluido de fondo de pozo y son únicos para la conexión en que se usan.
En el Gráfico 50, se muestra acoplamientos propiedad Baker Hughes – Artificial Lift System.
Gráfico 50 Acoplamientos. Fuente: Baker Hughes- Artificial Lift System
Centralizador
Los centralizadores (Gráfico 51) son frecuentemente utilizados en aplicaciones del sistema BES para ubicar el equipo en el centro del pozo y son especialmente útiles en pozos desviados, para eliminar el daño externo y para asegurar la refrigeración uniforme del equipo.
Gráfico 51. Centralizador
DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE
“El diseño de una instalación de Bombeo Electrosumergible, al igual que otros métodos de levantamiento artificial, no es una ciencia exacta e involucra un gran número de factores. El procedimiento varía considerablemente con las condiciones del pozo y con los fluidos que van a ser bombeados. Es muy importante obtener información detallada acerca del estado mecánico del pozo, la historia de la producción y las condiciones del yacimiento. La obtención de buenos datos acerca de estas condiciones antes de realizar el diseño es esencial para un diseño exitoso”28.
Baker Hughes – Artificial Lift System que presta este tipo de servicio, utiliza el software AutographPC, sin embargo es de vital importancia para cualquier ingeniero conocer el procedimiento a seguir en el diseño de un equipo electrosumergible. Artificial Lift System ha establecido un procedimiento de nueve pasos que le ayuda a diseñar el sistema de bombeo electrosumergible apropiado para cualquier pozo en particular. Cada uno de los nueve pasos están explicados a continuación.
Sin embargo es necesario antes estudiar algunos conceptos básicos indispensables. Fundamentos Teóricos Básicos
A continuación se estudiará diversos conceptos en los que se incluye: Características del reservorio, Propiedades de los fluidos, Principios de Hidráulica, Principios de electricidad.
Características del reservorio
Presión del reservorio
Es la presión encontrada a la profundidad del reservorio productor de petróleo. Temperatura del reservorio
La temperatura a la profundidad donde el petróleo es encontrado, usualmente es una función de la gradiente geotérmica, dependiendo del lugar la gradiente puede variar entre 1.5 a 2.5 °F/100 ft.
Porosidad
Se define como la capacidad que tiene la roca para almacenar fluidos, y está determinada por la relación entre el volumen poroso y el volumen bruto o total de la roca. Matemáticamente:
Ecuación 2. Cálculo de porosidad