Livelihood sensitivity report

El Protector o sección sellante está ubicado entre la parte superior del motor y la parte inferior de la bomba, puede ser instalado como una unidad sencilla o como una unidad tándem. El protector está diseñando para proteger al motor por medio de cuatro funciones básicas, las cuales son:

1. Provee el volumen necesario para permitir la expansión del aceite dieléctrico contenido en el motor. La expansión se debe al incremento de temperatura del motor cuando la unidad esta operación y a la temperatura de fondo del pozo.

2. Igualar las presiones interna del motor y protector con la del pozo. Esta ecualización de presiones a lo largo del motor evita que el fluido del pozo pueda infiltrarse en las uniones selladas del motor. 3. Proteger al motor de la contaminación de los fluidos del pozo. Está

compuesto por un conjunto de cámaras dispuestas una sobre otra y separadas por sellos mecánicos, cada cámara contiene bolsas de elastómeros y laberintos para evitar la contaminación inmediata de este y del motor con los fluidos del pozo.

4. Absorber el empuje axial descendente de la bomba. Este empuje es absorbido por medio de un cojinete de empuje deslizante (Thrust Bearing). El empuje descendente es el resultado de la presión desarrollada por la bomba actuando sobre el área del eje de la bomba y el empuje residual transferido por cada impulsor individualmente al eje (Schlumberger, 2009).

82 Figura 36. El Protector

(Schlumberger, 2008)

En su vida útil se ha definido un ciclo operativo para el protector, el cual está estrechamente vinculado a la cantidad de paradas y arranques a las que este se encuentre expuesto y esto definirá su tiempo de vida, a continuación en la Figura 36 se muestran sus ciclos de operación y su detalle paso a paso.

1. Servicio del protector antes de su instalación, realizado en superficie, la temperatura interna del aceite será la temperatura ambiente externa (OAT).

2. Instalación del sistema a la profundidad deseada, el protector en conjunto con el resto del equipo BES se baja al pozo y alcanza la temperatura de fondo (BHT). Se asume que la expansión del aceite en esta etapa es de 9%.

Instalación del sistema a la profundidad deseada. Dado que el sistema puede contener solo el 100% del volumen, el sistema descargará el 9% al pozo. Este aceite se pierde.

83 Figura 37. Ciclos de operación del protector

(Schlumberger, 2005)

3. Operación del motor y expansión adicional, en esta etapa se observa que nuevamente el sistema solo puede contener el 100% del volumen. El 4% del aceite que se expande se pierde en el pozo (MOT).

4. Parada del equipo BES por cualquier motivo, contracción del aceite. En este caso el sistema tiene solamente el 96% de aceite original del motor, de manera que el protector tendrá un pequeño volumen de fluido del pozo en la primera cámara para balancear el volumen. 5. Ciclos de operación del motor. Al repetirse constantemente las

paradas y arranques del equipo BES, el sistema tiende a perder más volumen de aceite del motor debido a varias razones como son: Temperatura del motor, gravedad específica, gas en el aceite del motor, emulsiones, etc.

6. Recuperación de la unidad a la superficie y contracción del aceite del motor. Cuando el sistema BES es recuperado del pozo, el aceite del motor se enfriará nuevamente a la temperatura de la superficie (OAT) (Schlumberger, 2009).

84 2.7.4 EL MOTOR ELÉCTRICO

Los principios básicos de diseño y operación de los motores de las B.E.S. son los mismos que los motores eléctricos normales de superficie. Son motores de inducción, trifásicos, tipo jaula de ardilla, con dos polos de inducción.

Puesto que el motor de la BES debe ser instalado en el interior del casing, debe tener una geometría adecuada. Debido al ambiente en el cual opera el motor también existen otras diferencias en el diseño y construcción del motor de la B.E.S. Los motores son llenados completamente con un aceite mineral altamente refinado o con aceite sintético el cual lubrica los cojinetes y provee resistencia dieléctrica y conductividad térmica para disipar el calor generado hacia el housing del motor. El calor es luego transferido al fluido que pasa por la superficie externa del motor. El thrust bearing del motor soporta la carga de los rotores y eje.

El motor puede ser utilizado con corriente alterna de 60 Hz o 50 Hz. Físicamente no hay diferencia entre un motor para operación a 50 Hz y uno de 60 Hz, con excepción de la placa de datos del motor.

El comportamiento de los motores cambia de acuerdo a la carga a que están sometidos. Cada tipo de motor tiene sus curvas de rendimiento de velocidad, factor de potencia, eficiencia y amperaje en función del porcentaje de carga.

Figura 38. Motor Electrosumergible (Schlumberger, 2008)

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Cuando se calcula la potencia requerida del motor para la aplicación hay algunas consideraciones operativas que se deben tomar en cuenta, como si el sistema operará con switchboard a frecuencia fija 50 o 60 Hz o a frecuencia variable y si el programa de work over incluye el control (matado) del pozo con fluido de alta gravedad específica. Si el diseño del equipo se hace solamente considerando la potencia requerida para manejar el fluido de producción, que en muchos casos puede tener una gravedad específica mucho menor que el fluido de control, la potencia calculada para el motor puede ser mucho menor a la potencia requerida para descargar el fluido de control. Si se tiene previsto operar el equipo con un switchboard sería necesario sobredimensionar el motor.

Los factores que se consideran en el proceso de selección del motor incluyen:

 Serie del motor,

 Tipo de motor,

 Configuración del motor, voltaje, amperaje, sección simple o tándem y

características especiales de operación.

 Características de operación a las condiciones de diseño y máxima

temperatura de operación del motor.

Como se puede ver en las curvas de rendimiento de los motores, el rendimiento del motor cambia a medida que cambia el porcentaje de carga aplicado con respecto a plena carga.

86 Figura 39. Curvas de Desempeño del Motor (Velocidad RPM)

(Schlumberger, 2005)

Figura 40. Curvas de Desempeño del Motor (% Eff/PF/Potencia y Amps) (Schlumberger, 2005)

En realidad, el motor normalmente no entregará la potencia indicada en la placa, ya sea porque la potencia requerida por la bomba no es exactamente

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igual a la potencia de placa del motor o porque las condiciones en la superficie no permiten suministrar exactamente el voltaje nominal al motor. La mayoría de los motores están diseñados para tener su "máxima eficiencia" con una velocidad y factor de potencia aceptables en el "punto de diseño". Este es punto al cual típicamente se determina el rating del motor. Cuando el motor está sometido a una carga diferente a la potencia de placa se afectará la eficiencia y/o la velocidad del motor. Mientras no se excedan las capacidades físicas del motor no habrá problema. De hecho, es una práctica común en la industria en algunos casos sobrecargar un motor o decir que estos tienen un 10% de potencia adicional disponible si opera en pozos a temperaturas relativamente bajas.

Por otro lado cuando se somete el motor a una carga mayor a la nominal, para generar los HP adicionales el motor girará más lento. (Esta reducción en la velocidad se llama deslizamiento, el cual aumenta para generar más potencia).

Por otra parte, generará más calor interno y operará más caliente. Debido a que el motor no es 100% eficiente, una parte de esta potencia se pierde como calor.

En una aplicación típica, el voltaje es fijo en la superficie y el amperaje de operación cambia de acuerdo a los cambios de carga. De hecho, nosotros usamos la información de la carta de amperaje para ver qué está pasando con el motor en el fondo. Podemos predecir esta relación fácilmente con la ecuación para calcular los HP del motor:

(Ecu 56)

Asumiendo que todo lo demás se mantiene fijo en la ecuación, si la potencia aumenta, el amperaje aumenta y este incremento debería ser directamente proporcional, pero esto no se cumple ya que esta relación no es lineal debido a que el factor de potencia y la eficiencia no son constantes pero la tendencia es similar.

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Una consideración importante en el rating del motor es la velocidad ya que esta disminuirá con el incremento de carga. Si la velocidad es muy baja, el rendimiento de la bomba se verá afectado, por lo que debemos limitar la carga a un punto donde la velocidad sea aceptable.

Figura 41. Curvas del motor de velocidad vs torque (Schlumberger, 2008)

Otro de los factores más importantes para determinar el rating de un motor es la temperatura.

Durante la operación del motor se genera calor en el devanado, este calor debe ser disipado por el fluido del pozo que pasa bañando la superficie externa del motor. La máxima temperatura interna del motor está determinada parcialmente por los componentes individuales tales como el aislamiento, soldaduras, aceite, etc. Por tanto, resulta muy importante considerar la temperatura en el interior del motor. La máxima temperatura para los motores estándar es de 400°F.

En condiciones normales de operación existen algunos factores que pueden causar que la temperatura interna del motor exceda el límite de temperatura del motor y por tanto deben ser evitados. Estos factores incluyen: operación

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de la bomba hasta que produce todo el aporte del pozo y se queda sin nivel de fluido, atascamiento de la bomba por excesiva cantidad de gas libre, bombas atascadas, pérdida de la capacidad de transferencia de calor por depósitos de escala en la pared externa del motor, fugas de fluido por la tubería de producción (recirculación de fluido), pérdida de flujo por operación contra una válvula de superficie cerrada, y en general sobrecargas del motor (Schlumberger, 2008).

2.7.5 SENSOR DE FONDO

Se puede obtener datos valiosos del comportamiento de la bomba y del yacimiento mediante el empleo de sistemas de detección de presión y la temperatura en el fondo del pozo. Correlacionando la presión del yacimiento con la tasa de producción, un operador puede determinar cuándo es necesario cambiar el tamaño de la bomba, cambiar el volumen de inyección o considerar una intervención del pozo.

Los proveedores de los sistemas ESP, ofrecen diferentes tipos de sensores de presión y temperatura de fondo de pozo. Estos sistemas varían en diseño, costo, precisión, confiabilidad, operación y capacidad. El sistema típico tiene la capacidad de (1) monitorear continuamente la temperatura y la presión de fondo del pozo, (2) proporcionar la detección de las fallas eléctricas, (3) puede colocarse en interface con el controlador de velocidad variable para regular la velocidad y (4) transferencia electrónica de datos (Schlumberger, 2009).

2.7.6 CABLE DE POTENCIA

El cable de potencia es uno de los componentes más importantes y sensibles en el Sistema de BES. Su función es transmitir la energía eléctrica desde la superficie al motor, y transmitir las señales de presión, temperatura, etc. desde el instrumento sensor de fondo a la superficie.

Todos los cables utilizan conductores de cobre estañado. Las tres fases son aisladas individualmente, el aislamiento es físicamente pegado con adhesivo

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al conductor. Los conductores pueden tener además una barrera protectora y/o una fibra trenzada sobre el aislamiento. Luego los conductores son encamisados para proveer protección mecánica y química y finalmente, por lo general se envuelven los conductores con armadura metálica.

Figura 42. Configuración del cable de potencia BES (Schlumberger, 2008)

El éxito o fracaso de la instalación depende en gran parte de la adecuada selección del cable de potencia para las condiciones de operación. En pozos muy profundos que requieren cables especiales, el cable puede ser el componente más costoso del sistema.

Los cables modulares están disponibles en configuración redonda y plana y los conductores a su vez pueden ser sólidos, trenzados o compactados. El proceso de selección del cable de potencia es básicamente un proceso de dos pasos:

 Selección del tamaño de cable (AWG), y

 Selección de la configuración apropiada, considerando

 Voltaje requerido en superficie,

 Temperatura del conductor a las condiciones de operación,

 Temperatura de superficie,

 Condiciones especiales de operación, tipo de fluido,

tratamientos químicos, gas, nivel de fluido, etc.

En general la selección del calibre del cable se hace balanceando las condiciones de operación y el costo. En lo referente al calibre del cable, el

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propósito principal es transportar la energía eléctrica desde la superficie al motor. En este sentido se podría decir que el cable de mayor calibre es mejor porque en éste se tendrán menores pérdidas de voltaje lo que se traduce en mayor eficiencia del sistema, por otro lado, se debe considerar también que los cables de mayor calibre son más costosos. Por lo tanto se debe buscar un punto de equilibrio entre costo inicial y costo de operación. Para seleccionar el calibre del cable se debe evaluar la caída de voltaje en los conductores, la cual es función de la intensidad de corriente que pasa por el conductor, la longitud del cable y de la temperatura del conductor. La forma más sencilla para determinar la pérdida de voltaje en cable es usando una carta de caída de voltaje.

Figura 43. Carta de pérdida de voltaje en el cable (Schlumberger, 2012)

Mientras que el motor constituye una carga “inductiva”, el cable es una carga casi puramente “resistiva” (aunque tiene cierta reactancia). Esto significa que no toda la corriente se pierde en el sistema el cual tiene un factor de potencia menor que 1.0. Si se ignora la reactancia del cable, el factor de

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potencia del cable sería exactamente 1.0. Lo que significa que no se puede calcular la caída de voltaje del sistema en base solamente a la resistencia. Con respecto a las limitaciones físicas tubing/casing que determinar si el cable cabe o no en el pozo, en general se puede decir que mientras más pequeño el cable mejor. Esto se puede lograr sea usando un calibre menor o usando cable de construcción plana (conductores paralelos) en lugar de cable redondo.

Una desventaja del cable plano sobre el cable redondo es que en general ofrece menor protección mecánica que su equivalente cable redondo, haciendo que sea más susceptible a daño durante la instalación.

Bajo una carga de compresión los conductores en el cable redondo pueden moverse ligeramente permitiendo manejar la carga.

Figura 44. Cable redondo bajo carga de compresión (Schlumberger, 2005)

En cambio en el cable paralelo, no se hay lugar para desplazarse para absorber esfuerzo, por tato se comprime el aislamiento.

93 Figura 45. Cable plano bajo carga de compresión

(Schlumberger, 2005)

La otra desventaja del cable plano es su asimetría, el cable redondo es completamente simétrico. Cierta cantidad de la corriente que circula por los conductores se pierde en forma de calor de tal forma que el cable tiende a calentarse sobre la temperatura ambiente. En el cable redondo, los tres conductores se calientan uniformemente.

En el cable paralelo, los dos conductores de los extremos están en ambientes similares, por lo que tienden a calentarse uniformemente. Sin embargo, el conductor central está rodeado por dos “calentadores” de tal forma que no puede disipar el calor al fluido del pozo. Como resultado de esto, el conductor central del cable paralelo funciona más caliente que los otros dos.

Figura 46. Perfil de disipación térmica en el cable plano (Schlumberger, 2005)

Dado que la caída de voltaje en un conductor es función de la temperatura, si aumenta la temperatura, la caída de voltaje también se incrementa. Cuando se usa cable plano, por lo general el voltaje en la tres fases en los

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terminales del motor están desbalanceados, aun cuando el voltaje este perfectamente balanceado en superficie. El desbalance de voltaje puede provocar un calentamiento adicional en el motor.

El cable redondo tiene un pre esfuerzo intrínseco como consecuencia del

proceso de “cableado” o trenzado de los conductores, este esfuerzo hace

que los conductores tengan la tendencia de desplazarse hacia el centro. Si el aislamiento termoplástico se ablanda, los conductores se moverán hacia el centro y producirse un corto circuito (Schlumberger, 2009).

Figura 47. Ablandamiento de un aislamiento termoplástico (Schlumberger, 2005)

2.8 EQUIPO DE SUPERFICIE

2.8.1 TRANSFORMADORES DE POTENCIA

La operación del transformador está basada en el principio de que la energía eléctrica puede ser transferida por inducción mutua desde una bobina a otra. Cuando el bobinado primario es energizado por una fuente de corriente alterna, un campo magnético se induce en el núcleo del trasformador. Este flujo une ambas bobinas primaria y secundaria, induciendo voltaje en ellas, el mismo voltaje es inducido en cada vuelta de ambos bobinados. Por lo tanto, el número de vueltas en el devanado secundario en comparación con el número de vueltas en el devanado primario determina cuánto voltaje va a estar presente a través de todo el bobinado.

95 Figura 48. La relación entre el voltaje y el número de vueltas del devanado

(Schlumberger, 2012)

La fórmula siguiente se utiliza para la mayoría de transformadores utilizados en la industria.

(Ecu 57)

El transformador superior tiene 10 vueltas en el primario y 2 vueltas en el secundario. Esto se puede interpretar como una relación de transformación de 10/2 o 5:1. Básicamente por cada 5 voltios a la entrada, tendríamos a la salida 1 voltio. Si el voltaje en el primario fuera de 600 volts AC, entonces el voltaje secundario será 120 volts AC o 600/5 = 120 volts AC. Este es el caso de un transformador reductor. Si el mismo transformador fuera usado y el devanado primario fuera 2 y el secundario fuera 10, entonces se tratara de un transformador elevador.

La distribución de la energía eléctrica primaria en los campos petroleros se realiza a voltajes intermedios, tal como 6,000 voltios o más. El equipo

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electrosumergible funciona con voltajes entre 250 y 4000 voltios, es decir el voltaje del sistema primario no es compatible con los requerimientos de voltaje de superficie, por lo tanto, es necesario un transformador para que realice la transformación del voltaje de distribución.

Se dispone de configuraciones de bancos de transformadores de tres fases simples, transformadores estándar de tres fases y autotransformadores de tres fases para uso electrosumergible. Estos son llenados de aceite, tienen unidades propias de enfriamiento que son diseñadas para convertir la línea de voltaje primario al requerimiento del voltaje del motor (Schlumberger, 2009).

2.8.2 VARIADORES DE FRECUENCIA

Es un dispositivo electrónico el cual sintetiza un voltaje variable de tres fases, variando la frecuencia de la fuente de poder para motores de inducción.

Como las características de los pozos productores de petróleo son cambiantes, el VSD es usado para cambiar el levantamiento de la bomba y optimizar el flujo a la salida del pozo.

97 Figura 49. Variador de frecuencia

(Schlumberger, 2008)

Un variador de frecuencia consta de tres partes principales las cuales son:

 Fase rectificadora (conversora), esta convierte la entrada de voltaje de

AC a DC.

 Fase capacitiva, la cual suaviza la onda de voltaje DC y la vuelve lineal.

 Fase inversora, esta invierte el voltaje DC a un AC ajustable.

En la actualidad en el mercado existe una variedad de marcas existentes y tipos de variadores por la cantidad de pulsos disponibles, tal es así que se pueden instalar desde 6, 12, 18 y 24 pulsos. Existen beneficios adicionales cuando se utilizan VSD´s de 18 y 24 pulsos ya que estos generan menor producción de armónicos a las líneas de distribución de voltaje y hacia el equipo ESP, teniendo en cuenta que la producción de armónicos disminuye la vida útil de los equipos ESP y daña los componentes electrónicos en

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generadores de potencia, en estos días se hace imprescindible el uso de