Bombeo Electro Sumergible Datos técnicos acerca del bombeo electro sumergible, s umergible, equipos, instalaciones y detalles.
Introducción
Justificación
La explotación petrolera es una de las más importantes fuentes de riqueza del Ecuador, los ingresos generados por el petróleo hace que la economía del país sea dependiente de este recurso. Para la explotación petrolera se debe tener en cuenta muchos aspectos, tales como: Ubicación, tipo de petróleo, tipo de suelo donde se ubica el yacimiento, impacto ambiental, etc. Uno de los aspectos más importantes y del cual depende el la tecnología a utilizar para la explotación es el comportamiento del pozo el cual está directamente ligado a los componentes del suelo donde se encuentra el mineral, es por ello que se ha buscado diferentes métodos de extracción los cuales se adapten a las diferentes características de cada pozo, y de esta manera reducir costos de explotación e incrementar la producción y las ingresos económicos Uno de los métodos existentes desde ya hace varios años es el bombeo electro sumergible, el cual utiliza una bomba centrifuga para transportar los fluidos hasta la estación de flujo. Este método, a pesar de ser muy efectivo para producir crudos livianos y pesados, es uno de las técnicas que necesita mayor supervisión, análisis y control, de manera que el funcionamiento del sistema sea óptimo.
Cuando el pozo deja de producir por flujo natural, se requiere el uso de una fuente externa de energía para conciliar la oferta con la demanda de energía. La utilización del bombeo electro sumergible es con el fin de levantar levantar los fluidos desde el fondo del pozo hasta el separador, es lo que se denomina levantamiento artificial. El propósito de los métodos de levantamiento artificial es minimizar los requerimientos de energía en la cara de la formación productora, con el objeto de maximizar el diferencial de presión a través del yacimiento y provocar, de esta manera, la mayor afluencia de fluidos, sin que generen problemas de producción. Al ser el bombeo electro sumergible un proceso de extracción de petróleo utilizado en el Ecuador creemos conveniente analizarlo y estudiarlo, para poder conocer su principio de funcionamiento, sus diferentes componentes.
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Método de levantamiento artificial por bombeo electrosumergible (BES) El bombeo electrosumergible es un método que se comenzó a utilizar en Venezuela en 1958, con el pozo silvestre 14. Se considera un método de levantamiento artificial que utiliza una bomba centrífuga ubicada en el subsuelo para levantar los fluidos aportados por el yacimiento desde el fondo del pozo hasta la estación de flujo. La técnica para diseñar las instalaciones de bombeo electrosumergible consiste en: seleccionar una bomba que cumpla los requerimientos de la producción deseada, de asegurar el incremento de presión para levantar los fluidos, desde el pozo hasta la estación, y escoger un motor capaz de mantener la capacidad de levantamiento y la eficiencia del bombeo. Este es un método de levantamiento artificial altamente eficiente para la producción de crudos livianos y medianos; sin embargo, es uno de los métodos de extracción de crudo que exige mayor requerimiento de supervisión, análisis y control, a fin de garantizar el adecuado comportamiento del sistema. Éste 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. Tiene como principio fundamental levantar el fluido del reservorio hasta la superficie, mediante la rotación centrífuga de la bomba electrosumergible. La potencia requerida por dicha bomba es suministrada por un motor eléctrico que se encuentra ubicado en el fondo del pozo; la corriente eléctrica, necesaria para el funcionamiento de dicho motor, es suministrada desde la superficie, y conducida a través del cable de potencia hasta el motor. El Sistema BES representa uno de los métodos más automatizables y fácil de mejorar, y está constituido por equipos complejos y de alto costo, por lo que se requiere, para el buen funcionamiento de los mismos, de la aplicación de herramientas efectivas para su supervisión, análisis y control. 3
Ventajas •
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Los costos de levantamiento para grandes volúmenes son bajos. Es usado en pozos verticales y desviados. Pueden manejar tasas de producción alrededor de 200 – 90000 BPD. Este tipo de instalaciones no impacta fuertemente en las zonas urbanas. Bajo mantenimiento. Se facilita el monitoreo de presiones y temperaturas de fondo del hoyo, a través del uso de sensores. Puede ser manejado en pozos con grandes cortes de agua y baja relación gas- líquido. Alta resistencia en ambientes corrosivos dentro del hoy.
Desventajas •
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Los cables se deterioran al estar expuestos a altas temperaturas. Es imprescindible la corriente eléctrica, se requiere de altos voltajes. Los cables dificultan el corrido de la tubería de producción. No es recomendable usar cuando hay alta producción de sólidos. No es funcional a altas profundidades debido al costo del cable, a posibles problemas operacionales y a los requerimientos de alta potencia de superficie. Con la presencia de gas libre en la bomba, no puede funcionar ya que impide el levantamiento. Las bombas están afectadas por: temperatura de fondo y producción de arena.
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Componentes de un sistema de bombeo electrosumergible Los componentes en la superficie de los pozos son: Cabezal del Pozo Caja de Venteo (Caja de Empalme) Transformadores Variador de frecuencia Tablero de mando •
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Equipo de Superficie
La instalación de superficie consta de un transformador reductor de 13,8 kV a 480 V, voltaje necesario para la operación del variador de frecuencia, el cual provee el voltaje trifásico variable al transformador elevador multi-taps, elevando al voltaje necesario para la operación del motor en el fondo del pozo, la caja de venteo es un punto de conexión del equipo de superficie con el equipo de fondo, finalmente junto a la caja de venteo se instala un registrador de amperaje del motor electrosumergible.
Transformadores. El primer transformador reduce el voltaje de distribución de 13,8 kV al voltaje de 480 V, necesario para el funcionamiento del variador de velocidad, mientras que el segundo transformador eleva el voltaje de salida del variador (480V variable en frecuencia) al voltaje que requiere el motor electrosumergible con las respectivas conexiones (DELTA o ESTRELLA)
El Transformador Multifrecuencial es frecuentemente utilizado en aplicaciones como alimentación de motores para bombas pozo profundo en el Campo Petrolero, también común en Minería y Molinos de viento.
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CARACTERÍSTICAS •
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Estos Transformadores son diseñados para trabajar a frecuencias desde 30 hasta 90 ciclos. Regulación de voltaje en 28 posiciones, de las cuales se obtiene la tensión ideal para alimentación de las bombas de pozo profundo. Sistema de refrigeración diseñado para un factor K20. Construidos en configuración delta en el devanado primario y terminales externos para el devanado del secundario, permiten configuraciones en estrella o delta. Transformador elevador para tensiones más usuales en devanados primarios a 480 V, devanados secundarios a tensiones 1100/3810 V. y 1450/4800 V. Fabricados en potencias desde 260 hasta 1200 KVA. Las salidas de alta y baja tensión se construyen en compartimientos cerrados propios (Tipo Pad Mounted), para brindar seguridad y estética a las acometidas subterráneas. (A petición del cliente las salidas pueden ser sobre la tapa para el caso de redes aéreas).
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. Flare
ppm
ppm 8,34
Mscm/h 25,44
9,77
5,61 mmscfd
V108
Ex
GSU-1
LPFuelGas
GSU-2
29533bbl/d
NO DATA mmscfd
FuelGas Co
-0,04mmscfd
StrippingGas C-
V109
StrippingGas C-
9130bbl/d
VRU
F ue l Ga s L/ G C
.
FuelGas Skid
26,62mmscfd Lif
(A ( - -
E101
V101
C101
0,57mmscfd StrippingGas
V116
V102
21677 bbl/d
PowerFluid (Icotea)
V103
-
53143 bbl/d
CrudeExport(ULE)
14519bbl/d
E105
Cabezal del Pozo. El cabezal cierra mecánicamente el pozo en la superficie, soporta el peso del equipo electrosumergible instalado, además mantiene un control sobre el espacio entre el casing y la tubería de producción del pozo. La conexión del cable de potencia que viene de la caja de venteo, se realiza mediante un conector llamado “Quick Conector”, donde se realiza el empalme de los cables eléctricos de superficie y de fondo.
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Caja de Venteo. Cumple con tres funciones importantes: Proveer un punto de conexión entre el bobinado secundario del transformador elevador multi-taps y el cable eléctrico de potencia proveniente del fondo del pozo. Ventea a la atmósfera cualquier gas que se encuentre en la armadura de protección del cable eléctrico de potencia que proviene del pozo. Facilita puntos de prueba accesibles para realizar mediciones eléctricas del •
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pozo. Por lo general junto a la caja de venteo se ubica un registrador amperimétrico, donde se registra de forma gráfica la corriente del motor electrosumergible en cartas Amperimétricas
Variador de frecuencia. El controlador del motor electrosumergible VSD (Variable Speed Driver), que se instala en la superficie del pozo entre los transformadores reductor y elevador multitaps, éste controla la velocidad de rotación del eje en el motor electrosumergible que se encuentra axialmente acoplado al eje de la bomba centrifuga multi-etapa ubicada en el fondo del pozo. El VSD proporciona la potencia suficiente al equipo de fondo para que éste funcione en óptimas condiciones, ofrece además numerosas opciones de protección, control y monitoreo del respectivo equipo que varían de acuerdo al fabricante.
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Instrumentos. El controlador del motor electrosumergible Variable Speed Driver (VSD) está constituido por: Un conversor AC/DC Un inductor Un capacitor Puente trifásico de semiconductores del tipo IGB. •
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El controlador del motor electrosumergible VSD (Variable Speed Driver), que se instala en la superficie del pozo entre los transformadores reductor y elevador multi-taps, éste controla la velocidad de rotación del eje en el motor electrosumergible que se encuentra axialmente acoplado al eje de la bomba centrifuga multi-etapa ubicada en el fondo del pozo. El VSD proporciona la potencia suficiente al equipo de fondo para que éste funcione en óptimas condiciones, ofrece además numerosas opciones de protección, control y monitoreo del respectivo equipo que varían de acuerdo al fabricante, físicamente se observa. La estructura interna de un VSD de 6 pulsos, consta de una etapa conversora de 6 pulsos, etapa de filtrado y una etapa inversora, se representa mediante un diagrama de bloques.
Equipo de Fondo Motor electrosumergible. Las partes del motor electrosumergible son: •
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Bastidor ó Housing Estator Rotor
Bastidor (Housing) El bastidor 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, en la tabla, se mencionan diámetros de bastidores según la serie de fabricación.
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ESTATOR Cada estator interno del motor electrosumergible se encuentra formado por: Núcleo del Estator Bobinados del Estator •
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Núcleo del Estator. Cada núcleo de cada estator esta formado de laminaciones comprimidas entre sipara asegurar una estabilidad mecánica a lo largo de todo estator.
Bobinados del Estator El bobinado por fase para cada estator interno se realiza mediante conductores de cobre revestidos de esmalte (Polyamido PEEK).
Rotor.
El rotor del motor electrosumergible, gira libremente acoplado al eje del motor.
La refrigeración del motor electrosumergible, se realiza mediante la circulación de aceite mineral altamente refinado con una alta rigidez dieléctrica (30kV) y conductividad térmica, ofreciendo además una buena lubricación de los componentes mecánicos, adicionalmente el motor se refrigera por la circulación del fluido del pozo que debe tener una velocidad mínima de 1 pie/segundo. El motor electrosumergible suministra exactamente tantos HP (Horse Power) como la bomba multi-etapa necesite, la mayoría de motores están diseñados para ser más eficientes en el “punto de diseño”, se encuentra en función de la carga, típicamente tiene valores entre el 80% y 90% en condiciones normales de funcionamiento. Las curvas de: velocidad (RPM), eficiencia y factor de potencia del motor electrosumergible en función de la carga, se describen en la figura.
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Los parámetros importantes que se deben tomar en cuenta para la operación del motor electrosumergible son: Potencia Nominal: Es la potencia máxima que genera el motor electrosumergible bajo condiciones nominales de funcionamiento, generalmente a la frecuencia de 60 ó 50 Hz. Voltaje Nominal: Es el voltaje necesario que se debe suministrar a los terminales del motor electrosumergible para su correcto funcionamiento. Corriente Nominal: Es la corriente que circula por los bobinados del estator del motor electrosumergible en condiciones nominales de funcionamiento, si la corriente es menor el motor no se encuentra totalmente cargado, mientras que si la corriente es mayor a la nominal el motor se encuentra sobrecargado, condiciones de baja y sobre carga se deben corregir rápidamente para que el motor no sufra daños mecánicos o eléctricos o deje de funcionar.
Los valores nominales del motor electrosumergible, se encuentran especificados por la serie que tiene el respectivo equipo, como se describe en la tabla.
Acoplamiento. Son los conectores cilíndricos con estrías que conectan las flechas de las diferentes piezas del aparejo: motor-motor, motor-sello, bomba-bomba, etc. El material es de acero inoxidable y son únicos para la conexión en que se usan. Sus dimensiones dependen del diámetro de la flecha de cada componente del equipo BES de fondo. Por ejemplo en un equipo BES de serie 540, la flecha del motor es de 1.375 pulgadas, la flecha del protector es de 1.187 pulgadas y la flecha de la bomba es de 1.0 pulgadas. Durante una instalación del equipo BES, es imprescindible tener en stock en el campo o plataforma, un juego adicional de acoplamientos debido a que se pueden dañar durante las conexiones de los equipos sub-superficiales o se pueden caer en la boca del pozo.
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Bolsa (Sello).
Este componente también llamado sección sellante, 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. En la figura, se muestra un sello que se instala entre el motor electrosumergible y la bomba multi-etapa, puede ser instalado como una unidad simple o como una unidad tandem (conexión serie de equipos del mismo tipo).
Las funciones básicas de este equipo son: •
Permitir la igualación de presión entre el motor y el anular.
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Absorber la carga axial desarrollada por la bomba a través del cojinete de empuje, impidiendo que estas se reflejen en el motor eléctrico.
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Prevenir la entrada de fluido del pozo hacia el motor.
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Proveer al motor de un depósito de aceite para compensar la expansión y contracción del fluido lubricante, durante los arranques y paradas del equipo eléctrico.
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Transmitir el torque desarrollado por el motor hacia la bomba, a través del acoplamiento de los ejes.
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Protector o sección sellante
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 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 l a 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 sulfhídrico u otros fluidos contaminantes del pozo. Las características y beneficios de este tipo de protector son: !
Tres sellos mecánicos ampliamente espaciados.
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Una distribución amplia de los sellos que permite una mejor disipación de calor.
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Cada sello mecánico protege su propio recipiente, creando tres secciones sellantes en una unidad.
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Un tubo permite que haya flujo de aceite lubricante entre los tres recipientes.
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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.
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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.
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Cada recipiente es lo suficientemente grande para absorber la expansión-contracción volumétrica de los motores más grandes existentes en el mercado.
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Los sellos, al igual que bombas y motores, se clasifican según su serie, la que se relaciona directamente con su diámetro exterior. La nomenclatura utilizada, es la misma que para los motores. tr3; tr4; tr5 y tr7 La tabla a continuación muestra la máxima capacidad de los motores.
En la actualidad los sellos se pueden configurar en función de las necesidades propias de cada pozo, combinando diferentes tipos de cámaras, cojinetes de empuje, sellos mecánicos y materiales a utilizar, haciéndolo personalizado a cada aplicación. Las cámaras de un sello pueden ser de dos tipos: •
Laberinto
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Sello positivo (bolsa de goma)
Las cámaras de laberinto están compuestas por una serie de tubos, que forman un laberinto en el interior de esta para hacer el camino difícil al fluido de pozo que intenta ingresar al motor. Este tipo de cámara puede seleccionarse para aquellos pozos donde el fluido a producir tiene una densidad superior a la del aceite del motor (con alto corte de agua), o en pozos verticales. En aquellos pozos donde la densidad del fluido es semejante a la del aceite del motor o los equipos son instalados en la sección desviada del pozo, es conveniente utilizar cámaras de sello positivo o bolsa de goma. La bolsa de goma es un elastómero que tiene la finalidad de evitar el contacto físico de los fluidos del pozo con el aceite del motor, pero al ser muy flexible cumple con equilibrar las presiones en ambos lados de ella. A su vez, cuando el equipo comienza a inclinarse, los laberintos comienzan a perder su capacidad de expansión, la cual puede recuperarse utilizando cámaras de sello positivo. A medida que la inclinación aumenta se hace necesario incrementar la cantidad de cámaras con elastómero, pudiendo llegar a colocarse hasta 4 cámaras de bolsa por cada tandem. Esto permite alcanzar inclinaciones de hasta 75o u 80o
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Bomba. Son del tipo centrífugo de múltiples etapas, cada etapa consiste de un impulsor (dinámico) y un difusor (estático). El número de etapas determina la carga total generada y la potencia requerida. Los componentes mecánicos de cada etapa de la bomba son: un impulsor rotatorio y un difusor estacionario, como se observa en la figura:
El movimiento del fluido a través de las etapas de la bomba electrosumergible, se produce por el movimiento rotatorio del impulsor proporcionando al fluido la energía cinética necesaria para que circule por el difusor y la suma de etapas genera la adición de presiones, produciendo suficiente energía potencial elevando el fluido hasta la superficie, como se describe en la siguiente figura:
Las bombas se fabrican de diferentes materiales de acuerdo a los requerimientos del pozo y del operador. Es de tipo centrifugo-multicapas, cada etapa consiste en un impulsor rotativo y un difusor fijo. El número de etapas determina la capacidad de levantamiento y la potencia requerida para ello. El movimiento rotativo del impulsor imparte un movimiento tangencial al fluido que pasa a través de la bomba, creando la fuerza centrifuga que impulsa al fluido en forma radial, es decir, el fluido viaja a través del impulsor en la resultante del movimiento radial y tangencial, generando al fluido verdadera dirección y sentido de movimiento. 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, y cada etapa consiste de un impulsor giratorio y un difusor estacionario. El impulsor da al fluido energía cinética. El difusor cambia esta energía cinética en energía potencial (altura de elevación o cabeza). 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. 14
Las etapas a su vez pueden clasificarse, dependiendo de la geometría del pasaje de fluido, en dos tipos: Flujo Mixto
Flujo Radial
Otra clasificación de los diferentes tipos de bombas se realiza según la serie de las mismas. A la vez, la serie esta directamente relacionada con el diámetro de la bomba, por ejemplo “a”; “d”; “g”; “h”; etc. 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. Bombas Centrífugas Sumergibles
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 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).
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La curva de comportamiento de la bomba electrosumergible, permite conocer las características de funcionando la bomba, como se indica en la figura:
En la figura anterior también se observa: La Curva de Altura de la Columna: Indica la altura de fluido que cada etapa puede levantar,
en función de los barriles por día (BPD) que la bomba extrae del pozo. La Curva de Potencia al Freno (BHP): Indica la potencia en HP (Horse Power), que requiere
cada etapa para tener el caudal necesario para levantar el fluido (BPD). La Curva de Eficiencia: Indica como varia la eficiencia de la bomba electrosumergible, hasta
a un valor máximo de barriles por día (punto de máxima eficiencia), que la bomba puede extraer del pozo. El movimiento rotatorio de los impulsores hacen que las etapas soporten un empuje hacia arriba llamado “UPTHRUST” (funcionamiento de la bomba hacia la derecha del punto de máxima eficiencia) ó un empuje hacia abajo llamado “DOWNTHRUST” (funcionamiento de la bomba hacia la izquierda del punto de máxima eficiencia). Cuando se tiene un funcionamiento con condiciones de frecuencia variable, la cantidad de barriles por día (BPD) que la bomba puede extraer del pozo, sigue el comportamiento de las “Curvas Tornado”, que se observan en la figura:
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Tubería La tubería de revestimiento es una de las principales partes de un pozo petrolero. Consiste en una columna de tuberías de acero que se introducen dentro del pozo enroscándolas una a otra para formar un tubo continuo hasta que se alcance la profundidad deseada. Generalmente se presentan los siguientes tramos de tubería en los pozos: • • • • •
Tubería de revestimiento guía. Tubería de revestimiento superficial Tubería de revestimiento intermedia o protectora Tuberías de revestimiento para producción Liner
DIVERSAS CONFIGURACIONES DE TUBERÍA DE REVESTIMIENTO (CASING)
Tubería Guía
Es la primera sección en una columna y la de mayor diámetro el cual esta en 18 5/8”. Esta tubería provee sesten a formaciones no consolidadas, aísla zonas acuíferas y brinda protección contra flujos de gas. Esta cañería controla la erosión causada por el lodo de perforación. Tubería de Superficie
Esta tubería tiene como función proteger el pozo contra desmembramientos de formaciones débiles, aísla zonas acuíferas, previene perdidas de circulación y proporciona un ancla para el equipo preventor de explosiones. El diámetro de este tipo de tubería varia entre 9 5/8” – 13 3/8”. Tubería Intermedia
Suministra aislamiento en zonas inestables del pozo, en zonas donde hay pérdidas de circulación o bajas presiones y en capas productoras. Las presiones que tiene que soportar son considerables. Con esta sarta de tubería se protege formaciones como: domos salinos o arcillas desmoronables. El tamaño es de 9 5/8” – 10 3/4”. Tubería de Producción
Esta tubería se utiliza para aislar zonas productivas y contener presiones de formación. Tiene que estar diseñada para soportar presiones de inyección provista, por ejemplo, por un fractura, producción asistida por Gas Lift,e, e incluso para cementación, que en este tipo de tuberías suele ser critica. Las tuberías pueden ser de 7” o más pequeñas. 17
Liner
Esta tubería es corta la cual no llega hasta la superficie del pozo, sino que cuelga de otra tubería que le sigue en diámetro, llamada colgador de liner. La tubería colgada permite reducir costos y mejorar la hidráulica en perforaciones mas profundas. Los Liners pueden funcionar como tubería intermedia o de producción, normalmente esta cementada en toda su longitud. La mayoría de revestimientos cortos o liners son de 4 !” de diámetro externo. Fabricación La tubería de revestimiento esta diseñada y fabricada siguiendo las especificaciones entre otras de la norma API %CT en la cual se describe que esta puede ser construida sin costura (S)o con costura mediante soldadura eléctrica (SE) dependiendo del tipo de tubería, del grado y grupo al cual esta pertenezca tal como se indica en la siguiente tabla. PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN Y TRATAMIENTO TÉRMICO DE TUBERÍAS DE REVESTIMIENTO Y PRODUCCIÓN (CASING Y TUBING)
Normalizado en toda su longitud (N), normalizado y revenido (N y R) o templado y revenido (T y R) a elección del fabricante, o en caso de que asi se encuentre especificado en la orden de adquisición. Los tipos 9Cr y 13Cr pueden ser templados al aire. En RS11 se encuentran especificados requisitos especiales solo para tubos de revestimiento electrosoldados (ES) P110 y Q125. Cuando se suministran tubos de revestimiento electrosoldados de las referencias P110 o Q115, los requisitos de RS11 entran en vigencia en forma automática. (S) construida sin costura. (SE) construida con costura mediante soldadura eléctrica. Estos datos se han recogido de la siguiente fuente: AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE (API), specification for casing and tubing. API 5CT-2001, Página 77. 18
Tubería de Producción Esta tubería puede sufrir muchos defectos durante el funcionamiento, los mas comunes son: los hoyos de corrosión y los daños mecánicos, pero también suele producirse el desgaste debido al uso de la tubería. Hoyos de Corrosión. Los hoyos de corrosión, es el daño mas común en la tubería de producción, puede presentarse en la superficie interna como en la superficie externa o a veces en las dos a la vez. Esta puede localizarse en áreas determinadas e incluso llegar a cubrir toda la longitud del tubo. Esta corrosión se da generalmente por el efecto combinado de corrosión-desgaste, o por presencia de sulfuros que atacan como corrosión-erosión.
El desgaste de la tubería también puede presentarse debido al movimiento que realizan las varillas de succión dentro de la pared interna de la tubería.
Daños Mecánicos
Los daños mecánicos suelen darse debido al manejo o manipulación de la tubería. Estos daños suelen ser muy comunes en el área donde se utiliza las cuñas para el ajuste de lo tubo, sitio donde se suele suscitar niveles altos de tensión. Este daño se acentúa por una corrosión acelerada, por efecto de formación de celda galvánica en la zona deformada.
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Cableado La unión eléctrica entre los equipos, instalados en el subsuelo, y los equipos de control en superficie son los cables. Existen varios tipos de cables en una instalación de Bombeo Electrosumergible los cuales se muestran a continuación: • • •
Extensión de Cable Plano. Cable de Potencia. Conectores de Superficie.
La extensión de cable plano, es una cola de cable de características especiales que en uno de sus extremos posee un conector especial para acoplarlo al motor. En el otro extremo este se empalma al cable de potencia. La diferencia entre ambos es que este posee las mismas propiedades mecánicas y eléctricas que los cables de potencia pero son de un tamaño inferior.
Cable Conductor Eléctrico (Pothead)
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, 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. Existen muchos tipos diferentes de cable, y la selección de uno de ellos depende de las condiciones a las que estará sometido en el subsuelo. Considerando la longitud de un conductor para la aplicación de un voltaje dado, los voltios 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.
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Cable conductor eléctrico.
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 comúnmente 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.
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Cable de Potencia. El trifásico, transmite la energía eléctrica al sistema, los conductores son de tipo sólido o trenzado, pueden ser de diferente diámetro de acuerdo a la aplicación requerida, normalmente para la alimentación de potencia se requiere cable #1 y el de conexión al motor suele ser #5, #4, #6. Su configuración puede ser plana o redonda, se sabe que el cable redondo ayuda a eliminar el desbalance entre las fases. Su uso depende de factores mecánicos y de diámetros. Tienen protección mecánica por una carcaza. El cable normalmente va cubierto por un blindaje de acero galvanizado, aunque se fabrican con blindaje de monel para contrarrestar el ataque de elementos corrosivos, como el ácido sulfhídrico o corrosión. El aislamiento y la cubierta están diseñados especialmente para que resistan la penetración de gases y agua. El cable representa una parte considerable de la inversión total en la unidad de bombeo eléctrico y es diseñado y fabricado para condiciones de diferentes temperaturas. Cable de Potencia con Tubo Capilar. Dentro de las aplicaciones del cable de potencia en el sistema BEC, actualmente en la industria se tiene la opción de instalar el cable de potencia con un tubo capilar o 2 tubos capilares, lo cual facilita la inyección de productos químicos tales como anticorrosivos, diluyentes, antiespumantes, anti scale (incrustaciones) etc., desde la superficie.
El diseño del tubo capilar está supeditado al requerimiento del cliente y a la geometría del pozo, por ejemplo: tubo capilar de !", 1", etc. Esta opción de usar tubo capilar facilita la operación BEC, principalmente cuando hay formación de asfáltenos, parafinas, formación de incrustaciones, producción de petróleo con alto corte de agua, petróleos pesados, etc. Cable de Extensión del Motor Anteriormente mencionado, este cable es el conector del cable de potencia a la mufa del motor, Su diámetro es menor, normalmente #5 o #4, está protegido por una carcaza de monel. Esta carcaza es resistente a la acción de los ácidos y de la corrosión y más bien débil para la protección mecánica. El monel es bastante flexible y se presta al fácil manipuleo, esta es la razón por la que hay que tener mucho cuidado cuando se trabaje con este cable. Las fases son sólidas y se conectan al cable de potencia principal por el empalme o juntura que se hace con unos manguitos metálicos llamados “nicco press” y unas cintas aislantes para evitar la penetración del agua a las conexiones. La estructura final de este empalme es bastante sólida y debe de ser hecha de manera tal que no incremente demasiado su diámetro exterior a fin de no perjudicar el libre desplazamiento hacia el interior del pozo. Las medidas de este cable, aunque pueden ser pedidas de acuerdo a los requerimientos del usuario, usualmente oscilan entre los 50, 90 y 100 pies y su instalación en el pozo depende de la longitud del equipo BES de fondo. Es muy importante que no se deje demasiada longitud de cable de extensión en la sarta de producción debido a su limitación del monel (coraza del cable) en la protección mecánica. Así mismo prever que el empalme del cable de extensión con el cable de potencia no quede frente al equipo BES de fondo, para evitar problemas posteriores en la introducción del equipo BES. 22
Pothead. En uno de sus extremos trae una pieza sólida con 3 fases, eléctricamente tipo macho, que se adapta a la conexión del motor. Esta conexión, llamada mufa, puede ser de 2 tipos: de enchufe y de empalme. La primera, simplemente se exponen las fases del cable y se enchufa a la conexión, tipo hembra, del motor. La segunda, la conexión del motor termina en 3 fases con manguitos de conexión que se adaptan a las fases de la mufa del cable guía, para luego con cintas eléctricas aislantes envolverlas y fijas esta conexión. Recomendable usar pasta aislante (down corning 111) en las conexiones a fin de incrementar en 15% el aislamiento eléctrico de estas junturas. Empacador para Aplicaciones BES La función del empacador es aislar el espacio anular de la sarta de producción. La continuación de la alimentación de la energía del sistema BES es a través del penetrador del empacador y la liberación del gas al espacio anular es a través de la válvula de venteo. Los empacadores que se están usando en operaciones costa afuera (offshore) en el golfo de México son de 9 5/8" y de carácter recuperable. Estos se pueden volver a usar después de un proceso de mantenimiento. La profundidad de asentamiento es aproximadamente a los 200 metros (+ 600 pies) desde la superficie. En la industria existen diferentes marcas tales como: Baker, Otis, etc. Guarda Cables. Piezas metálicas en forma de U y de 8 pies de largo, son hechas de fierro galvanizado o acero inoxidable y tienen ojales o pasadores a lo largo de su cuerpo por donde se introducirán las bandas metálicas para sujetar estos protectores sobre el cable. Como es obvio, su función consiste en proteger específicamente el cable de extensión del motor. Estos protectores se conectan a lo largo de toda la longitud del cable de extensión del motor. Cuando la tubería de revestimiento es muy grande y el pozo es vertical, no se hace necesario esta protección, a menos que se sospeche de tuberías de revestimiento trabajadas o demasiado viejas que puedan tener rebabas o filos metálicos que pudieran dañar el cable. En pozos BES donde hay restricciones en la geometría del pozo (muy reducido el espacio anular), es recomendable no instalar guarda cables debido a que el mismo guarda cable puede dañar al cable de extensión del motor al entrar en fricción con la tubería de revestimiento o entrar en contacto con alguna parte de la tubería de revestimiento que esté dañada o reparada. La alternativa en este caso es usar centralizadores que proveen los mismos fabricantes (motor-sello, sello-Separador de gas, bomba-bomba) con flejes de 1 1/4". Por ejemplo en pozos con tubería de revestimiento de 7 pulgadas y pesos de 29 lb/pie, 35 lb/pie. Saddles. Pasadores u ojales, son pequeñas piezas metálicas de acero o fierro galvanizado en forma de U por 3 pulgadas de largo. El objetivo de estos dispositivos es el de proteger el cable de la acción de las bandas metálicas y evitar que estas bandas corten el cable por una acción de sobretensión. Por cada fleje que se instala se usa un saddle y son reusables.
La selección de los cables se hace teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: •
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Corrientes Caida de voltaje Niveles corto circuito Temperatura Medio ambiente Configuracion Completacion (geometria del pozo) Desbalance
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Fallas más Frecuentes •
Cable con cortocircuito
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Cable con alto desbalance
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Cable con estiramiento
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Cable torcido
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Cable con armadura corroida
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Cable con aislamiento inchado
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Cable
con
empalme
defectuoso
proveniente de fábrica. •
Cable golpeado durante la bajada del equipo bes
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Cable golpeado durante el transporte y manejo del carrete
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Cable dañado por inyección de químicas y ácidos
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Cable con hueco debido al wash out de tubería de producción
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Cable con problema de manufactura.
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J.R.O.C.P. Ingeniería
