Bombeo electrosumergible de petróleo

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El sistema de bombeo electrosumergible (B.E.S) es un sistema de levantamiento artificial que emplea la energía eléctrica convertida en energía mecánica para levantar una columna de fluido desde un nivel determinado hasta la superficie, descargándolo a una determinada presión. Como en todos los casos cuando se desea diseñar un sistema de levantamiento artificial, es recomendable recordar :

“No siempre lo más barato es lo mas conveniente”
“No siempre la más costosa es la mejor solución”

El bombeo electrosumergible ha probado ser un sistema artificial de producción eficiente y económico. 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 electrosumergible, debe reunir características que no afecten su funcionamiento como las altas relaciones gas/aceite, las altas temperaturas, la presencia de arena en los fluidos producidos, que son factores con influencias indeseables sobre la eficiencia del aparejo.

Entre las características del sistema están su capacidad de producir volúmenes considerables de fluido desde diferentes profundidades, bajo una amplia variedad de condiciones del pozo y particularmente se distingue por que, el motor está directamente acoplada con la bomba en el fondo del pozo. El ensamble de bombeo eléctrico trabaja sobre un amplio rango de profundidades y volúmenes, su aplicación es particularmente exitosa cuando las condiciones son propicias para producir altos volúmenes de líquidos con bajas relaciones gas-aceite.

Descripción del bombeo electrosumergible

Una unidad típica de bombeo electrosumergible está constituida en el fondo del pozo por los siguientes componentes: motor eléctrico, protector, sección de entrada, bomba electrosumergible y cable conductor. Las partes superficiales son: cabezal, cable superficial. Tablero de control, transformador.

Principales Componentes de un Sistema de Bombeo Electrosumergible:

  1. Motor
  2. Bomba (Etapas, constituida por impulsor y difusor cada una)
  3. Cable
  4. Suncho de Sujeción del Cable
  5. Separador de Gas
  6. Sección Sellante
  7. Sensor de Presión de Fondo
  8. Transformador (superficie)
  9. Variador de Control

Equipo electrosumergible de petroleo

Motor izquierda) y Bomba (derecha)

Características principales de un sistema de Bombeo ElectrosumergibleEs necesario tener presente las condiciones que tienden a limitar el empleo de este sistema:

  1. No es recomendable emplear este sistema en pozos de alta relación GLR.
  2. No es recomendable emplear este sistema en pozos de bajo P. I. y Baja Presión.
  3. Es fundamental para el diseño, conocer la presión de burbuja del reservorio que el pozo va drenar, así como la presión actual del reservorio.
  4. La importancia de esto último radica en que no es lo mismo bombear una sola fase (líquido) que dos fases (gas + líquido), debido a que la ecuación del Indice de Productividad cambia según sea el caso, de allí el porque se hace necesario conocer la presión del reservorio y su valor respecto a su presión de burbuja.
  5. La condiciones mecánicas del pozo pueden ser otro factor limitante por lo que es necesario conocer las características de la completación (diámetro del casing y los intervalos abiertos a producción).
  6. Otro factor a tener en cuenta sin duda es el corte de agua, como la mayoría de los sistemas de levantamiento artificial, éste se ha diseñado para fluidos incompresibles, y como sabemos el petróleo sí es compresible, más aun cuando está acompañado de gas.
  7. Es necesario también considerar el tipo de fluido del reservorio y sus características (la alta viscosidad del fluido es un factor limitante, y en algunos casos, en reservorios no consolidados, los fluidos producidos son acompañados por granos de arena y en otros, se forman incrustaciones al ingresar a la instalación, dañando sus partes),

Pasos a seguir para diseñar una instalación de Bombeo Electrosumergible:

Recopilación de la información del pozo:

  • Diámetro, grado y peso de los forros.
  • Intervalos perforados.
  • Profundidad estimada de la Bomba.
  • Presiones: estática y fluyente al punto medio de perforaciones.

Datos del Reservorio:

  • Presión de Burbuja

Datos de Producción:

  • Régimen estimado
  • % de agua
  • G.L.R.
  • Nivel Estático
  • Nivel Dinámico

Características del Fluido:
Gravedad Específica del Petróleo
Gravedad Específica del Agua
Viscosidad del Petróleo

Consideraciones Adicionales a tener en cuenta:

  • Producción de Finos
  • Corrosión
  • Incrustaciones
  • Emulsiones
  • Presencia de Sales
  • Presencia de H2S
  • Alta Temperatura

Principales ecuaciones que facilitan el diseño de un sistema de levantamiento artificial por Bombeo Electrosumergible (BES)Ecuación del Indice de Productividad (cuando la presión es mayor que la presión de burbuja, flujo de una sola fase):

Ecuación del Indice de Productividad (cuando la presión es menor que la presión de burbuja, flujo bifásico o ecuación de Vogel):

Donde:
Qmax: Máximo flujo a la Presión cero
Pwf: Presión Fluyente de Fondo (referida al punto medio vertical de las perforaciones)
Pr: Presión del reservorio a un flujo dado
q: Régimen de flujo a la presión Pwf

El nivel (altura) dinámico de bombeo del fluido se calcula considerando las presiones ejercidas por la ubicación de la bomba (generalmente 100´ sobre el tope de las perforaciones), la sumergencia y finalmente la presión del reservorio a esa profundidad.La altura total resulta de la suma algebraica de las alturas (presiones) representadas por la pérdida de presión por fricción en la tubería de producción y la presión de descarga, así como la altura dinámica, de acuerdo a la siguiente ecuación:

Altura total (Heat = Ht). Es la atura que debe vencer la bomba.

Donde:
Ht:Altura total
Hd: Altura de descarga
Hs: Altura de Succión

Altura de Descarga. Es la suma algebraica de la altura estática de descarga y la altura debido a pérdidas por fricción en el sistema:

Donde:
Hed: Altura estática en la descarga (diferencia de presión entre el nivel de sumergencia y la descarga, pies)
Hfd: Altura equivalente debido a pérdidas por la fricción
Ps: Presión de descarga en el separador (pies)
Altura de Succión. Es la suma algebraica de la altura estática más las pérdidas por fricción en la succión de la bomba:

Donde:
Hes: Profundidad vertical de la Bomba (pies)
Hf: Altura equivalente a la pérdida por fricción ( 0 pies)
Prs: Presión del reservorio a la profundidad de succión (pies)

Para aplicar las ecuaciones es necesario primero determinar el valor de q óptimo a partir de la ecuación de Vogel, graficando en la curva los valores de régimen (q) vs, altura dinámica.Una vez hallado este valor y su altura correspondiente se va a la gráfica del rendimiento de la bomba seleccionada y se halla la altura y la potencia correspondientes por etapa, dividiendo el valor de Ht entre el valor de la altura hallado, se obtiene el número de etapas, luego multiplican este último valor por la potencia (hp) se halla la potencia total al freno del motor.

Determinación del Nivel Dinámico:

  • Se calcula la distancia entre el punto medio y el tope de las perforaciones (verticales)
  • Se hace la suma algebraica del nivel de sumergencia de la bomba (1000´) la presión al punto medio de las perforaciones y la distancia de la bomba al mismo punto (todo en pies)
  • Se reemplaza el valor hallado anteriormente y los demás valores en la ecuación y se halla la carga total al régimen de flujo seleccionado.

Curvas características

Las curvas características empleada en el sistema de bombeo electrosumergible son las que se muestran en el gráfico a continuación:


Curva de Vogel: Relación Pwf/Pr vs q/qmax

Gráfica del tipo de bomba que reúna entre otras características la capacidad de bombeo adecuada, el diámetro de casing adecuado así como el consumo de potencia.