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CAPÍTULO 2
DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL EQUIPO DE BOMBEO
ELECTROSUMERGIBLE
La principal función del sistema de bombeo electrosumergible para la extracción
del petróleo, es proporcionar la energía adicional al fluido del yacimiento
mediante el uso de bombas centrifugas multi-etapa, donde su caudal de
operación es controlado mediante variadores de velocidad instalados en la
superficie del pozo.
En el campo Libertador, se encuentran instalados equipos de superficie y de
fondo de tres compañías diferentes: REDA-SCHLUMBERGER, BAKER-
CENTRILIFT y WOOD GROUP, donde sus características de operación eléctrica
y mecánica se ajustan a las condiciones de operación de cada pozo.
2.1 SISTEMA DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE
El sistema de bombeo electrosumergible, es un medio efectivo y económico paralograr recuperar considerables volúmenes de fluidos a grandes profundidades.
Su aplicación es mayor en yacimientos con altos volúmenes de fluido,
porcentajes de agua y una baja relación gas – petróleo (GOR), sin embargo en la
actualidad estos equipos han obtenido excelentes resultados en la producción de
fluidos de alta viscosidad, en pozos con fluidos abrasivos, altas temperaturas y
que disponen de un diámetro reducido.
La instalación del sistema de bombeo electrosumergible consta de dos grupos,
que son:
• Equipo de Superficie
• Equipo de Fondo
Los componentes del equipo de superficie y de fondo en el sistema de bombeoelectrosumergible, se muestra en la figura 2.1.
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FIGURA 2.1: Componentes del equipo de superficie y de fondo en el sistema BES
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El equipo de superficie en los pozos del campo Libertador, se encuentra
alimentado eléctricamente mediante una red de distribución a 13.800 V, excepto
en los pozos SHUSHUQUI-18 y PACAYACU-05 (Ver Mapa 1.2), donde se
cuenta con generadores individuales en las respectivas locaciones.
2.1.1 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 velocidad (VSD), 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, como se describe en la figura 2.2.
FIGURA 2.2: Equipo de superficie en el sistema BES
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Los componentes en la superficie de los pozos son:
• Cabezal del Pozo
• Caja de Venteo (Caja de Empalme)• Transformadores
• Controlador del Motor Electrosumergible (Variador de Velocidad VSD)
2.1.1.1 Cabezal del Pozo
El cabezal cierra mecánicamente el pozo en la superficie, soporta el peso del
equipo electrosumergible instalado, además mantiene un control sobre elespacio 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, como se indica en la figura 2.3.
FIGURA 2.3: Cabezal del pozo
CABLE DEPOTENCIA DESUPERFICIE
QUICKCONECTOR
LINEA DE FLUJOA LA ESTACION
TUBERIA DEPRODUCCIONDEL EQUIPODE FONDO
LINEA DEDRENAJE DE
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2.1.1.2 Caja de Venteo (Caja de Empalme)
En la figura 2.4, se muestra la caja de venteo, que cumple con tres funciones
importantes:
1. 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.
2. Ventea a la atmósfera cualquier gas que se encuentre en la armadura de
protección del cable eléctrico de potencia que proviene del pozo.
3. Facilita puntos de prueba accesibles para realizar mediciones eléctricas del
equipo de fondo.
FIGURA 2.4: Caja de venteo (Caja de Empalmes)
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 encartas Amperimétricas, como se indica en la figura 2.5.
PUNTOS DECONEXIÓN
CABLE DE POTENCIADE FONDO
CABLE DELTRANSFORMADOR
MULTI-TAP
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FIGURA 2.5: Carta amperimétrica
2.1.1.3 Controlador del Motor Electrosumergible (VSD)
El controlador del motor electrosumergible VSD (Variable Speed Driver), que se
instala en la superficie del pozo entre los transformadores reductor y elevadormulti-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 alfabricante, físicamente se observa en la figura 2.6.
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FIGURA 2.8: Etapa Conversora AC/DC del VSD
La etapa conversora realiza una rectificación de forma de onda completa (ciclo
positivo y negativo de la onda) del voltaje para cada fase de los terminales de
entrada al VSD, como se indica en la figura 2.9.
Hz V V AC
60)(480: − DC
V
FIGURA 2.9: Voltaje rectificado
La magnitud del voltaje continuo a la salida de la etapa conversora (AC/DC), se
calcula como:
Donde:
1 MUHAMMAD RASHID, “Electrónica de Potencia Circuitos, dispositivos y Aplicaciones”, pág160
π
MAX
DC
V V
.33=
1 Ec 2.1
DC V : Voltaje continuo a la salida de la etapa conversora (Voltio)
MAX V : Voltaje máximo
LLMAX V V
−= .6 (Voltio)
LLV
−: Voltaje línea – línea (Voltio)
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2.1.1.3.2 Etapa de Filtrado
La etapa de filtrado reduce el rizado de la señal de voltaje que se rectifica en la
etapa anterior mediante un filtro formado por un inductor (L) y un capacitor (C),en la conexión que se indica en la figura 2.10.
FIGURA 2.10: Etapa de filtrado del VSD
La señal de voltaje a la salida de la etapa de filtrado mediante el circuito de la
figura anterior (bus de DC), se observa en la figura 2.11.
VOLTAJE RECTIFICADO VOLTAJE FILTRADO
FIGURA 2.11: Voltaje filtrado
2.1.2.1.3 Etapa Inversora
En la figura 2.12, se muestra la etapa inversora que se encuentra formada
eléctricamente por un puente trifásico de semiconductores del tipo IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor), en ésta etapa se controla la frecuencia del
voltaje que sirve de alimentación al motor electrosumergible y control de la bombaen el fondo del pozo.
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FIGURA 2.12: Etapa inversora del VSD
2.1.1.4 Transformadores
Los transformadores: reductor y elevador multi-taps, se instalan en la superficie
del pozo de bombeo electrosumergible, como se indica en la figura 2.13.
FIGURA 2.13: Transformadores en el sistema BES
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, mientrasque el segundo transformador eleva el voltaje de salida del variador (480V
TRANSFORMADORREDUCTOR
13,8 kV / 480 V
TRANSFORMADORELEVADORMULTI-TAPS
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variable en frecuencia) al voltaje que requiere el motor electrosumergible con las
respectivas conexiones (DELTA o ESTRELLA) y el tap que se selecciona en el
transformador elevador se indica en la figura 2.14.
FIGURA 2.14: Panel de conexiones en el transformador elevador multi-taps
Para la selección de los taps adecuados, se toman en cuenta las siguientes
consideraciones:
• La caída de voltaje que se tiene por la longitud del cable eléctrico de potencia
a la frecuencia de operación del VSD.
• El consumo de voltaje en el motor electrosumergible a la frecuencia de trabajo.
• La caída de voltaje debido a la temperatura de fondo del pozo.
Los taps, son dos selectores (números y letras) que mediante su combinación
seleccionan el voltaje en el bobinado secundario del respectivo transformador
elevador, que se ha seleccionado para el funcionamiento del equipo de fondo, las
posibles combinaciones junto con los voltajes se especifican en la placa delrespectivo equipo como se indica en la figura 2.15.
CONECTORESDEL BOBINADOSECUNDARIO
CONECTORESDEL BOBINADOPRIMARIO
SELECTORMULTI- TAPS
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FIGURA 2.15: Placa del Transformador Elevador Multi-taps1
2.1.2 EQUIPO DE FONDO
Se identifica como equipo de fondo, los componentes que se encuentran en el
subsuelo del pozo acoplados a la tubería de producción, estos componentes se
mencionan en orden ascendente empezando desde el fondo del pozo: sensor de
fondo, motor electrosumergible, sello ó protector, separador de gas, bomba
centrífuga multi-etapa y el cable eléctrico de potencia, como se indica en la
figura 2.16.
1 SOUTHWEST COMPANY
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FIGURA 2.16: Equipo de fondo en el sistema BES
2.1.2.1 Motor Electrosumergible
El motor electrosumergible provee la energía que necesita la bomba para rotar y
acelerar los fluidos que están siendo bombeados hacia la superficie, consta
básicamente de un estator bobinado de inducción bipolar trifásico y rotor jaula de
ardilla, que gira a una velocidad sincrónica, que se calcula como:
P
f N
*120=
1 Ec 2.2
Donde:
N: Revoluciones por minuto (rpm)
f: Frecuencia en línea (60 Hz)
P: Número de polos en el motor (2 polos)
1 MUHAMMAD RASHID, “Electrónica de Potencia Circuitos, dispositivos y Aplicaciones”, pág 542
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Aplicando la ecuación Ec 2.2, a la frecuencia de operación de 60 Hz se tiene
una velocidad sincrónica nominal de 3.600 rpm (revoluciones por minuto).
Debido al diámetro reducido de los pozos, el motor electrosumergible seencuentra constituido por pequeños estatores que se encuentran internamente
acoplados de forma mecánica, un segmento en corte del motor electrosumergible
se observa en la figura 2.17.
FIGURA 2.17: Segmento en corte del Motor Electrosumergible1
Las partes del motor electrosumergible son:
• Bastidor ó Housing
• Estator
• Rotor
2.1.2.1.1 Bastidor ó 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 2.1, se mencionan diámetros de bastidores
según la serie de fabricación.
1 REDA-SCHLUMBERGER-TRAINING COURSE
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DIÁMETROS DE BASTIDORES
DIÁMETRO (PULGADAS) EQUIPO
3,75 Serie375 4,56 Serie456
5,40 Serie540
5,62 Serie562
7,38 Serie738
TABLA 2.1: Diámetros de bastidores para motores electrosumergibles1
2.1.2.1.2 Estator
Cada estator interno del motor electrosumergible se encuentra formado por:
• Núcleo del Estator
• Bobinados del Estator
Núcleo del Estator
Cada núcleo de cada estator esta formado de laminaciones comprimidas entre si
para asegurar una estabilidad mecánica a lo largo de todo estator, como se indica
en la figura 2.18.
FIGURA 2.18: Laminaciones internas en el núcleo del estator2
1 REDA-SCHLUMBERGER CATALOG2 REDA-SCHLUMBERGER CATALOG
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Bobinados del Estator
El bobinado por fase para cada estator interno se realiza mediante
conductores de cobre revestidos de esmalte (Polyamido PEEK), como se muestraen la figura 2.19.
FIGURA 2.19: Segmento en corte del bobinado en el estator1
2.1.2.1.3 Rotor
El rotor del motor electrosumergible, gira libremente acoplado al eje del motor,
como se observa en la figura 2.20.
FIGURA 2.20: Segmento en corte del Rotor2
1 REDA-SCHLUMBERGER TRAINING COURSE2 REDA-SCHLUMBERGER TRAINING COURSE
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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 2.21. .
FIGURA 2.21: Curvas de rendimiento del motor electrosumergible1
1 REDA-SCHLUMBERGER-CATALOG
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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 motorelectrosumergible 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 lacorriente 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 2.2.
TABLA 2.2: Rangos de operación del motor electrosumergible-serie 5401
1 REDA-SCHLUMBERGER-CATALOG
RANGOS DE OPERACIÓN DEL MOTOR
60Hz 50Hz
POTENCIA VOLTAJE CORRIENTE
HP V A
1305 1088 51.5100 83
2313 1928 27
1105 921 69.5120 1002270 1892 32.5
1022 852 85
1299 1083 69.5140 117
2101 1751 40.5
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Cuando el sistema es energizado por primera vez, no es raro observar que el
motor electrosumergible consuma una corriente mayor a la nominal, hasta
cuando el pozo se estabilice y la corriente es menor al valor nominal.
2.1.2.2 Protector o Sello
En la figura 2.22, 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).
FIGURA 2.22: Partes del Protector o Sello
Las funciones básicas del sello ó protector son:
• Provee el volumen necesario para permitir la expansión del aceite dieléctrico
contenido en el motor debido al incremento de la temperatura del motorcuando se encuentra funcionando.
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• Iguala la presión externa del fondo de pozo con el fluido dieléctrico interno del
motor.
• Protege al motor de la contaminación de los fluidos del pozo mediantesecciones sellantes que evitan que ingresen por el eje de acoplamiento.
• Absorbe los movimientos axiales al eje producidos por las etapas de la
bomba.
2.1.2.3 Bomba Electrosumergible
La bomba electrosumergible es del tipo centrífuga multi-etapa, donde su diámetro
de fabricación depende del espacio que se dispone en cada pozo, el caudal de
descarga depende de: la carga hidrostática, la velocidad de giro del motor
electrosumergible, diseño de las etapas internas y propiedades del fluido.
Los componentes mecánicos de cada etapa de la bomba son: un impulsor
rotatorio y un difusor estacionario, como se observa en la figura 2.23.
a) b)
FIGURA 2.23: a) Impulsor, b) Difusor
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 potencialelevando el fluido hasta la superficie, como se describe en la figura 2.24.
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En la figura 2.25, 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 delpozo.
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 máximaeficiencia), 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 2.26.
FIGURA 2.26: “Curvas Tornado” de la bomba electrosumergible GC 29001
1 BAKER CENTRILIFT-CATALOG
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2.1.2.4 Cable Eléctrico de Potencia
La energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del motor electrosumergible
es transmitida desde la caja de venteo a través de un cable eléctrico depotencia, que puede ser plano ó redondo de forma simple y/o con tubo capilar
para la inyección de químicos dentro del pozo, como se observa en la figura 2.27.
FIGURA 2.27: Cable de potencia trifásico a) plano b) redondo1
Los componentes internos del cable eléctrico de potencia, se identifican en la
figura 2.28.
FIGURA 2.28: Componentes internos del cable de potencia2
1 BAKER CENTRILIFT-CATALOG2 BAKER CENTRILIFT-CATALOG
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Conductor: El conductor interno del cable eléctrico de potencia, se fabrica de tres
tipos: sólido, trenzado y compacto, el calibre mas utilizado en las instalaciones
de bombeo electrosumergible es el AWG #2.
Aislamiento: El aislamiento del conductor interno del cable eléctrico de
potencia, se encuentra fabricado de:
PPE ó P: Polipropileno/etileno
E: EPDM ( Etileno propileno dienemetileno)
K: Poliamida( Kaptom)
T: Cinta semi-conductora
S: Especial
Barrera: La barrera protectora del conductor interno del cable eléctrico de
potencia, se encuentra fabricada de:
TB-300: Cinta Trenzada de fluoruro de Polivinil (PVF o Tedlar)
TB-400: Cinta trenzada de alta temperatuta
F: Fluoropolimero extruido (FEP)
S: Fluoruro de Polivinildeno Extruido (PVDF o Solef)
L : Plomo
Chaqueta: La chaqueta de protección de la barrera en el cable eléctrico de
potencia se encuentra fabricada de:
PE: Polietileno de alta densidad (HDPE)
O: Nitrilo (Compuesto de goma de nitrilo resistente al petróleo)
E: EPDM ( Compuesto de goma de EPDM)
Armadura: Finalmente la armadura protectora del cable eléctrico de potencia se
encuentra fabricada de:
FP: Perfil de armadura plano
HG: Acero galvanizado de película gruesa
GG: Doble galvanizado (dos películas)
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SS: Acero inoxidable
M: Monel
G: Acero galvanizado
El espesor de la armadura puede variar desde 0,015 pulgadas a 0,034 pulgadas
(0,38 mm. a 0,86 mm.).
Capacidad de Voltaje y geometría del cable: La capacidad de voltaje que el
cable eléctrico de potencia puede operar se encuentra especificada por:
2.1.2.5 Cable Eléctrico de Extensión (Motor Lead Extensión-MLE)
El cable de extensión, es un segmento corto de cable de potencia que en uno
de sus extremos posee un conector para la conexión al motor electrosumergiblemientras que en el otro extremo se empalma al cable eléctrico de potencia que
viene de la superficie, como se muestra en la figura 2.29.
a) b)
FIGURA 2.29: a) Cable de extensión plano, b) Conector al motor electrosumergible
1
1 REDA-SCHLUMBERGER-CATALOG
3,4,5,8: Capacidad de voltaje en kVF: Configuración del cable plano
R: Configuración del cable redondo
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2.1.2.6 Separador de Gas
El gas que se encuentra presente en los pozos disminuye la eficiencia de la
bomba electrosumergible y cuando la presión de fondo es menor a la presiónde burbuja del petróleo (Pb), las partículas de petróleo y gas se empiezan a
separar incrementando la posibilidad de cavitación o bloqueo por gas en la bomba
electrosumergible, siendo necesaria la instalación del separador de gas, que se
indica en la figura 2.30.
FIGURA 2.30: Separador de gas1
La aplicación del separador de gas se realiza en los pozos con una elevada
relación gas petróleo (GOR), tomando en cuenta que la bomba electrosumergible
puede operar normalmente con un porcentaje de gas libre menor al 10% del
volumen de fluido que esta siendo bombeado.
1 BAKER CENTRILIFT-CATALOG
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2.1.2.7 Sensor de Fondo
El sensor de fondo, se encuentra instalado en la base del motor
electrosumergible, se encarga de monitorear la temperatura del motor y lapresión de entrada a la bomba electrosumergible.
Las señales de temperatura y de presión de fondo son previamente
acondicionadas por el propio sensor en el fondo del pozo y transmitidas a través
del cable eléctrico de potencia hacia la superficie.
El sensor de fondo, esta constituido de: un paquete sensor, paquete inductor y
paquete indicador.
Paquete Sensor: Se instala en la base de motor electrosumergible y es el
encargado de censar y acondicionar la señal de presión y temperatura de fondo
a una señal eléctrica, para ser transmitida a través del cable eléctrico de potencia
hacia la superficie.
Paquete inductor: Se ubica junto al variador de velocidad en la superficie,proporciona la energía eléctrica al sensor de fondo para su funcionamiento, se
encuentra formado como se indica en la figura 2.31.
FIGURA 2.31: “Paquete Inductor” del sensor de fondo
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Paquete Indicador: Se encuentra formado por un display con una interfase que
le permite interactuar con el operador y visualizar la temperatura y la presión de
fondo, se ubica junto al “Paquete Inductor”, como se muestra en la figura 2.32.
FIGURA 2.32: “Paquete indicador” del sensor de fondo
En los pozos del campo Libertador, se encuentran tres tipos de sensores que
son: PHD ó CENTINEL (Baker-Centrilift), PHOENIX (Reda-Schlumberger) y
SMARTGUARD (Wood Group).
2.2 EQUIPO ELECTROSUMERGIBLE INSTALADO EN LOS POZOS DELCAMPO LIBERTADOR
Los equipos electrosumergibles que se encuentran instalados en los pozos del
campo Libertador, que se analizan en el presente proyecto hasta el 31 de marzo
del 2007 (fecha de cierre del estudio), los equipos de superficie, que se
encuentran instalados, se describen en las tablas: tabla 2.3, tabla 2.5 y la
tabla 2.7, los equipos de fondo, que se encuentran instalados se describen en
las tablas: tabla 2.4, tabla 2.6 y la tabla 2.8.
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TABLA 2.3: Equipo de superficie BAKER-CENTRILIFT
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TABLA 2.4: Equipo de fondo BAKER-CENTRILIFT
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61
TABLA 2.5: Equipo de superficie REDA-SCHLUMBERGER
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http://slidepdf.com/reader/full/t11020-capitulo2 32/33
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TABLA 2.6: Equipo de fondo REDA-SCHLUMBERGER
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TABLA 2.7: Equipo de superficie TABLA 2.8: Equipo de fondo
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