Bombeo Electrosumergible (BES)
Principio de Funcionamiento
El principio básico del sistema de bombeo electrosumergible es transmitir la energía de un motor eléctrico sumergible al fluido del pozo en forma de presión, utilizando bombas electrocentrífugas. La unidad se encuentra suspendida de la tubería de producción, sumergida en el fluido del pozo y conectada a la superficie mediante un cable que suministra energía eléctrica al motor. El conjunto motor-protector-bomba tiene un acoplamiento continuo mediante ejes de conexión estriados, que hacen rotar el protector y la bomba al girar el eje del motor.
Equipo de Superficie
- Banco de Transformación Eléctrica
- Tablero de Control
- Variador de Frecuencia
- Caja de Venteo
- Cabezal de Descarga
- Equipo Misceláneo
Descripción del Equipo de Superficie
Banco de Transformación Eléctrica
Consiste en transformadores que cambian el voltaje de un sistema de corriente alterna. Está compuesto por un núcleo de láminas de hierro rodeado por alambres de cobre, generalmente sumergidos en aceite para aislamiento y enfriamiento. Se utiliza para obtener el voltaje adecuado para la operación del equipo. Existen diferentes tipos: monofásico, bifásico y trifásico, diseñados para convertir el voltaje primario de la línea eléctrica al voltaje requerido por el motor.
Tablero de Control
Es el comando de la instalación, su función es proteger y controlar las operaciones del pozo. Consta de interruptores de arranque y parada, selectores de voltaje, fusibles, amperímetro, luces de señalización, etc. Puede incluir dispositivos especiales para bombeo intermitente y control remoto.
Variador de Frecuencia
Es un tablero de control con dispositivos que suministran frecuencias y voltajes variables al motor. Los beneficios del variador de frecuencia son:
- Arranque del motor a bajas velocidades, reduciendo esfuerzos en el eje de la bomba y componentes del motor.
- Operación de la bomba por debajo de su frecuencia nominal, reduciendo el desgaste y la abrasión.
- Reducción de efectos magnéticos en el embobinado del motor.
- Protección del equipo de fondo ante variaciones eléctricas.
Caja de Venteo
Es una caja de conexiones que permite conectar el cable de energía del equipo de superficie con el cable del motor, y ventea a la atmósfera el gas que fluye por el cable, evitando que llegue al panel y cause una expulsión.
Cabezal de Descarga
El cabezal del pozo debe tener un cabezal en el tubing tipo hidrante o empaque cerrado, que proporciona un sello positivo alrededor del cable y la tubería.
Equipo Misceláneo
Incluye el resto del equipo que forma parte de la unidad de bombeo electrosumergible:
- Amperímetro Registrador: Se utiliza en el diagnóstico de instalaciones de BES a través de la carta amperimétrica, para observar o predecir anomalías. Registra continuamente el amperaje extraído por el motor, reflejando las condiciones del bombeo.
- Centralizadores: Se utilizan para centrar el motor y la bomba en pozos desviados, evitando que el cable se dañe por roce con la tubería de revestimiento.
- Cintas de Cables: Se usan para amarrar el cable de energía a la tubería, se utiliza una cinta por cada 15 pies de intervalo.
- Guarda Cable: Protege el cable de conexión al motor o cable plano del roce con el revestidor.
- Generadores de Presión en el Fondo del Pozo: Sensores de presión que facilitan la disponibilidad de datos del comportamiento de la bomba. Por correlaciones de la presión del yacimiento con la tasa de extracción, se puede determinar la necesidad de cambiar el tamaño de la bomba, la tasa de inyección o considerar un reacondicionamiento del pozo.
Descripción del Equipo de Subsuelo
Motor Eléctrico
Los motores son trifásicos, bipolares, de inyección y del tipo rejilla. Operan a 3500 rpm para 60 Hz y 2915 rpm para 50 Hz. Están encerrados en una camisa de acero llena de aceite dieléctrico que asegura lubricación y buen intercambio de calor con el fluido del pozo. Es recomendable colocar el motor por encima de las perforaciones. La viscosidad mínima de flujo en el anular motor-revestidor debe ser de 1 pie/seg (Norma API). Los fabricantes ofrecen una amplia gama de motores con relación al diámetro del revestidor.
Protector
Se encuentra entre el motor y la bomba y cumple cuatro funciones:
- Conectar el eje de la bomba al eje del motor.
- Absorber las cargas axiales de la bomba.
- Compensar la expansión o contracción del motor por temperatura.
- Evitar la entrada del fluido del pozo al motor.
Sección de Admisión de Fluidos
Es la entrada del fluido a la bomba y puede ser una sección ranurada convencional que sirve de filtro o un separador de gas.
Separador de Gas
Es un impulsor ubicado entre el protector y la bomba que reduce la cantidad de gas libre que pasa a través de la bomba. Existen varios tipos, los más comunes son el separador de flujo inverso (estático) y el centrífugo (dinámico). La separación ocurre en una cámara rotativa. El fluido entra al separador y pasa a través de un inductor hacia la etapa de menor descarga neta positiva, convirtiendo el flujo de tangencial a axial, reduciendo pérdidas. La cámara acelera el fluido, forzando el líquido hacia la pared externa y el gas al centro. Un difusor dirige el líquido a la entrada de la bomba y el gas a los agujeros de ventilación, saliendo por el anular.
Bomba
Es la parte fundamental del equipo, succiona y suministra energía a los fluidos. Son bombas centrífugas de múltiples etapas. Cada etapa consta de un impulsor rotativo (móvil) y un difusor, fabricados de aleaciones resistentes a la corrosión o plásticos. Al girar el eje, el fluido en los impulsores es expulsado por fuerza centrífuga a mayor presión. El número de etapas depende de la carga hidráulica o levantamiento neto requerido. El difusor es la parte estacionaria, cambia la velocidad radial a elevación vertical.
Cuando el eje gira a una velocidad (rpm) se cumple que: (Leyes de afinidad válidas para fluidos de baja viscosidad)
- El volumen bombeado (bpd) es función directa del diámetro del impulsor.
- La carga hidráulica es función directa del cuadrado del diámetro del impulsor.
- La potencia desarrollada es función del cubo del diámetro del impulsor.
El diámetro del revestidor es importante en la selección de la bomba. Es típico dibujar las gráficas de carga hidráulica, potencia y rendimiento en función del volumen. Los fabricantes proporcionan estas curvas para toda la variedad de bombas, suponiendo que el líquido es agua. Las curvas de comportamiento representan la carga total en pies contra la capacidad en bls/día. El líquido utilizado para calcular la tasa de bombeo es agua, ya que la carga en pies es independiente de la gravedad específica si la viscosidad es cercana a la del agua. Si no, se debe corregir por viscosidad. La potencia en las curvas de agua se aplica a líquidos con gravedades específicas de 1.0. Para otros líquidos, se multiplican los HP (agua) por la gravedad específica del líquido bombeado.
Existen dos válvulas adicionales por encima de la bomba:
- Válvula Cheque: Se coloca 2 a 3 tubos sobre la bomba, disminuye la presión hidrostática sobre los componentes de la bomba.
- Válvula de Drenaje: Se instala un tubo por encima de la válvula cheque, se utiliza como factor de seguridad para circular el pozo de casing a tubing o viceversa.
Cable
El cable eléctrico trifásico transmite la fuerza electromotriz desde la superficie hasta el motor en el pozo. Puede ser plano o redondo, cada conductor puede ser sólido o de múltiples pelos. El cable plano se usa donde hay limitaciones de espacio (anular). El cable redondo convencional está compuesto de varios pelos (alambres) con un protector sobre los tres conductores. Todos los cables cumplen con especificaciones estrictas, se ofrecen en varios tamaños y materiales, tanto planos como redondos.
Aplicaciones, Ventajas y Limitaciones del Método
El bombeo electrosumergible se utiliza para manejar grandes volúmenes de líquido y es superior a otros métodos cuando se cumplen estas condiciones:
- Alta productividad del pozo.
- Baja presión de fondo.
- Alta relación agua-petróleo (RAP).
- Baja relación gas-líquido (RGL).
Con altas presiones de fondo y bajas RAP, se deben considerar otros métodos, como el bombeo mecánico y el levantamiento por gas, pero no se descarta el BES. En caso de altas relaciones gas-petróleo, se puede emplear el BES con un separador de gas eficiente y colocando la bomba lo más profundo posible. Otra aplicación importante es en proyectos de inyección de agua.
Ventajas
- Puede levantar volúmenes extremadamente altos (90000 bpd en pozos someros con revestidor grande).
- Es simple de operar.
- No presenta problemas con pozos desviados (uso de centralizadores).
- Es aplicable costa afuera.
- Los costos de levantamiento para grandes volúmenes son bajos.
- Diversidad de tamaños.
- Se pueden instalar sensores de presión en el pozo (telemetría).
- No causa destrucciones en ambientes urbanos.
- Fácil aplicación de tratamientos contra la corrosión y formación de escamas.
Limitaciones
- Requiere una fuente de corriente eléctrica confiable.
- Requiere 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 a altas temperaturas.
- La producción de sólidos y gas es problemática.
- No se recomienda en profundidades mayores de 10000 pies por el costo del cable y la dificultad de instalar suficiente potencia (se coloca más arriba por el nivel dinámico).
- El análisis no es fácil (cálculos y software).
Fallas en el Equipo de Bombeo Electrosumergible
Las partes más expuestas a fallas son: motor, bomba, protector y cable.
Motor
- Excesiva carga de voltaje por mal diseño, desgaste de la bomba o bajo voltaje.
- Filtración de los sellos del protector que causan cortocircuito en el motor, por vibraciones excesivas de la bomba, mal manejo, defecto de fabricación.
- Desgaste de la carcasa del motor por corrosión.
- Operación insuficiente del motor por suciedad o humedad en el tablero de control, que originan fluctuaciones en el voltaje.
Bomba
- Empuje ascendente o descendente.
- Desgaste de las arandelas del impulsor cuando la bomba opera con empuje hacia abajo o hacia arriba.
- Desgaste de los componentes por tiempo de funcionamiento (vida útil) o abrasión.
- Taponamiento de las etapas por sedimentos.
- Doblez en el eje por mal manejo.
- Corrosión.
Protector
- Mal manejo, que puede ocasionar rompimiento de los sellos de cerámica y fuga de aceite.
- Vibraciones de la bomba.
- Excesivas paradas y arrancadas del equipo (fluctuaciones eléctricas).
- Cambios bruscos del ciclaje.
Cable
- Mal manejo durante la instalación y corrida dentro del pozo.
- Excesiva carga de amperaje.
- Mala conexión con el cable plano.