El principio básico del sistema de bombeo a través de bombas electrocentrífugas es transmitir en forma de presión la energía de un motor eléctrico sumergible al fluido del pozo. La unidad se encuentra suspendida de la tubería de producción, sumergida en el fluido del pozo y conectada hasta la superficie a través de un cable para suministrar energía eléctrica al motor. El conjunto motor-protector-bomba tiene un acoplamiento continuo que se logra mediante ejes de conexión estriados, los cuales tienen como fin hacer 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 subsuelo

Banco de Transformación Eléctrica

Está constituido por los transformadores que son unidades por medio de las cuales el voltaje de un sistema de corriente alterna puede ser cambiado, consta de un centro de láminas de hierro rodeado por alambres de cobre. Generalmente el centro y los alambres son sumergidos en aceite, el cual sirve como aislante y ayuda a enfriar el transformador. Es necesario para obtener el voltaje adecuado para la operación del equipo. En el mercado se pueden conseguir diferentes tipos: monofásico, bifásico y trifásico, los cuales están diseñados para convertir el voltaje primario de la línea eléctrica en el voltaje que pueda requerir el motor correspondiente.

Tablero de Control

Constituye el comando de la instalación, su función es la de proteger y controlar las operaciones del pozo. Consta de interruptores para arranque y parada, botones selectores de voltaje, fusibles, amperímetro, luces de señales, etc. Puede traer dispositivos especiales para bombeo intermitente y manejo por control remoto.

Variador de Frecuencia

Es un tablero de control que tiene dispositivos capaces de suministrar frecuencias y voltajes variables al motor. Los principales beneficios que se obtienen con el variador de frecuencia son:

• Permitir arrancar los motores a bajas velocidades reduciendo los esfuerzos en el eje de la bomba y componentes del motor. Al arrancar la bomba puede operar en rango por debajo de su frecuencia nominal, lo cual reduce el desgaste y los efectos de abrasión. En el motor se reducen los efectos estrictamente magnéticos en el embobinado.
• Proteger al equipo de fondo de variaciones eléctricas.

Caja de Venteo

Es una caja de conexiones y cumple dos funciones: permite conectar el cable de energía del equipo de superficie con el cable de conexión del motor, y permite ventear a la atmósfera el gas que fluya a través del cable, evitando que llegue al panel, ya que esto ocasionaría una expulsión.

Cabezal de Descarga

El cabezal del pozo debe ser equipado con un cabezal en el tubing tipo hidrante o empaque cerrado, el cual proporcionará un sello positivo alrededor del cable y la tubería.

Misceláneos

Está constituido por el resto del equipo que también forma parte de lo que conforma la unidad de bombeo electrocentrífugo, como son:

• Amperímetro Registrador: Se utiliza en el diagnóstico de instalaciones de BES a través de la carta amperimétrica, para observar o predecir anomalías. Presenta un continuo registro del amperaje que ha sido extraído por el motor. El registrador es utilizado ya que refleja las condiciones del bombeo, reportando tanto la operación normal como cualquier problema.
• Centralizadores: Son utilizados para centrar el motor y la bomba en pozos ligeramente desviados, también evita que el cable se dañe por roce con la tubería de revestimiento.
• Cintas de Cables: Son usadas para amarrar el cable de energía a la tubería, se utiliza una cinta por cada 15 pies de intervalo.
• Guarda Cable: Sirve para proteger el cable de conexión al motor o cable plano del roce con el revestidor, por ser esta la conexión de mayor diámetro externo en toda la configuración del equipo.
• Generadores de Presión en el Fondo del Pozo: Sensor de presión al fondo del pozo. Este tipo de generadores facilita la disponibilidad de datos del comportamiento de la bomba, por correlaciones de la presión del yacimiento con la tasa de extracción un operador puede determinar la necesidad de cambiar el tamaño de la bomba, cambiar la tasa de inyección o considerar un trabajo de reacondicionamiento al pozo.

Descripción de los equipos del subsuelo

Motor Eléctrico

Los motores usados en este tipo de levantamiento son trifásicos, bipolares, de inyección y del tipo rejilla. Opera a 3500 rpm para frecuencia de 60 Hz y 2915 rpm para 50 Hz. Se encuentra encerrado en una camisa de acero llena de aceite dieléctrico que asegura una lubricación apropiada y buen intercambio de calor con el fluido del pozo, de allí, que sea recomendable colocar el motor por encima de las perforaciones. Es recomendable que la viscosidad mínima de flujo en el anular motor-revestidor sea aproximadamente de 1 pie/seg. Norma API. Los fabricantes presentan una gran disponibilidad de motores con relación al diámetro del revestidor.

Protector

Se encuentra entre el motor y la bomba y cumple cuatro funciones básicas, estas son:

1. Permitir conectar el eje de la bomba al eje del motor.
2. Absorbe las cargas axiales de la bomba impidiendo que esta se reflejen en el motor.
3. Compensa la expansión o contracción del motor por el efecto de calentamiento o enfriamiento.
4. No permite la entrada del fluido del pozo al motor.

Sección de Admisión de Fluidos

Esta sección constituye la entrada del fluido a la bomba y puede ser simplemente una sección ranurada convencional que sirve de filtro o un separador de gas.

Separador de Gas

Es un impulsor que está ubicado entre el protector y la bomba y reduce la cantidad de gas libre, que pasa a través de la bomba. Existen varios tipos de separadores de gas, siendo los más comunes el separador de flujo inverso (estático) y el centrífugo (dinámico). La separación del gas y líquido ocurre en una cámara rotativa. El fluido del pozo entra en el separador y pasa a través de un inductor hacia la etapa de más baja descarga neta positiva, el fluido guiado y convertido de un flujo con dirección tangencial a uno con dirección axial reduciendo así las pérdidas de flujo, el fluido pasa a la cámara del separador. La cámara acelera el fluido forzando el líquido hacia la pared externa mientras que el gas libre se mantiene en el centro. El gas y el líquido llegan a un difusor que encamina el líquido hacia la entrada de la bomba y el gas hacia los agujeros de ventilación, de allí que el gas por el anular.

Bomba

Constituye la parte fundamental del equipo de bombeo electro-centrífugo, ya que ella succiona y suministra la energía a los fluidos aportados por el yacimiento. Son bombas centrífugas compuestas de múltiples etapas. Cada etapa consta de un impulsor rotativo (móvil) con su respectivo difusor, fabricado de aleaciones metálicas resistentes a la corrosión o bien plásticos para casos de producción de área. Al girar el eje de la bomba el fluido que se encuentra en los impulsores es expulsado por acción de la fuerza centrífuga a mayor presión de la que tenía originalmente, de allí que el número de etapas dependerá de la carga hidráulica o levantamiento neto requerido. El difusor es la parte estacionaria de una etapa, cambia la velocidad radial a elevación vertical. Cuando el eje de una bomba centrífuga gira a una determinada velocidad (rpm) se cumple que: Leyes de afinidad válidas solo para fluidos de baja viscosidad. -El volumen bombeado (bpd), es función directa del diámetro del impulsor.- La carga hidráulica (levantamiento o altura de la bomba) es función directa del cuadrado del diámetro del impulsor. – La potencia desarrollada en función del cubo del diámetro del impulsor. De lo antes mencionado se concluye que el diámetro del revestidor representa un papel muy importante en la selección de la bomba. Con relación a las características del funcionamiento, es típico dibujar las gráficas de cargas hidráulicas (altura), potencia y rendimiento en función del volumen a la bomba. Los fabricantes proporcionan estas curvas de funcionamiento para toda la variedad de bombas disponibles, y suponiendo que el líquido a bombear es agua. Las gráficas o curva de comportamiento de bombas centrífugas sumergibles representan la carga total en pies contra la capacidad expresada en bls/día. El líquido utilizado generalmente para calcular la rata de bombeo de estas bombas es agua, ya que la carga en pies desarrollada por una bomba centrífuga es independiente de la gravedad específica siempre y cuando la viscosidad del líquido sea cercana a la del agua, sino, debe realizarse la corrección por viscosidad, la potencia mostrada en las curvas de agua será aplicada solamente a los líquidos con gravedades específicas de 1.0. Para otros líquidos hay que multiplicar los HP (agua) por la gravedad específica del líquido bombeado. Existen por encima de la bomba dos válvulas adicionales que cumplen la siguiente función: Válvula Check: Es usualmente colocada 2 a 3 tubos sobre el montaje de la bomba, su función es disminuir presión hidrostática sobre los componentes de la bomba. Válvula de Drenaje: Se instala un tubo por encima de la válvula check y se utiliza como factor de seguridad para circular el pozo de casing a tubing o viceversa.

Cable

El cable eléctrico trifásico se encarga de transmitir la fuerza electromotriz desde la fuente de poder en la superficie hasta el motor en el pozo. Dicho cable es construido en una configuración plana redonda, y cada conductor puede ser sólido o de múltiples pelos, el cable plano es fabricado con los conductores colocados y armados uno al lado del otro, es utilizado preferiblemente donde existen limitaciones de espacio físico (anular). El cable redondo convencional está compuesto de varios pelos (alambres) individualmente aislados y con un protector del material colocado sobre los tres conductores. Todos los cables cumplen con estrictas especificaciones, se ofrecen en varios tamaños de conductores y materiales, tanto para configuraciones planas como redondos.

Aplicaciones, Ventajas y Limitaciones del Método

El bombeo electrosumergible se utiliza para manejar grandes volúmenes de líquido y supera técnica y económicamente a otros métodos de levantamiento artificial cuando se reúnen las siguientes condiciones:

• Alta productividad del pozo.
• Baja presión de fondo.
• Alta relación agua-petróleo (RAP).
• Baja relación gas-líquido (RGL).

Cuando se tienen altas presiones de fondo y bajas relaciones agua-petróleo es necesario considerar otros métodos, como el bombeo mecánico y el levantamiento por gas, pero no se descarta la posibilidad de utilizar bombeo electrosumergible. En caso de altas relaciones gas-petróleo, se puede emplear el bombeo electrocentrífugo utilizando un eficiente separador de gas y colocando la bomba lo más profundo posible. Otra de las aplicaciones más importantes de este método de bombeo es en proyectos de inyección de agua. Entre las ventajas y limitaciones que presenta este método convencional de producción se pueden enumerar:

Ventajas

• Puede levantar volúmenes extremadamente altos (90000 bpd en pozos someros con revestidor grande).
• Simple de operar.
• No presenta problemas con hoyos desviados, uso de centralizadores.
• Aplicable costa afuera.
• Los costos de levantamiento para grandes volúmenes son muy bajos.
• Diversidad de tamaño.
• Se pueden instalar fácilmente sensores de presión en el hoyo para ser medidos en superficie (telemetría).
• No causan destrucciones en ambientes urbanos.
• Fácil para aplicar tratamientos contra la corrosión y formación de escamas (fácil la inyección de químicos).

Limitaciones

• Es imprescindible disponer de una fuente de corriente eléctrica confiable.
• Se requieren 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 al estar expuestos a altas temperaturas.
• La producción de sólidos y gas es problemática.
• No se recomienda en profundidades mayores de 10000 pies debido al costo del cable y a la dificultad en instalar suficiente potencia en el fondo del pozo (se coloca más arriba por el nivel dinámico).
• El análisis no es fácil (por los cálculos y software).

Fallas en el equipo de bombeo electro-centrífugo

Las partes más expuestas a fallas en este sistema lo constituyen: motor, la bomba, el protector y el cable. En esta sección se enumera una de ellas.

Motor

Es la parte más susceptible a sufrir daños por ser el eje principal del equipo, puede presentar:

• Excesiva carga de voltaje al motor originado por el mal diseño, desgaste de la bomba, bajo voltaje.
• Filtración de los sellos del protector que llevan a causar corto circuito en el motor, esta filtración puede ser originada por vibraciones excesivas de la bomba, mal manejo durante su instalación o traslado, defecto de fabricación.
• Desgaste de la carcasa del motor debido a la corrosión.
• Operación insuficiente del motor debido a presencia de sucio o humedad en el tablero de control que originan fluctuaciones en el voltaje.

Bomba

Entre las razones por las cuales pueden fallar las bombas se tiene:

• Empuje ascendente o descendente, desgaste de las arandelas inferiores y superiores del impulsor cuando la bomba se encuentra operando en condiciones de empuje hacia abajo o hacia arriba respectivamente.
• Desgaste de los componentes debido al tiempo de funcionamiento (vida útil). Desgaste de los componentes por abrasión.
• Taponamiento de las etapas por sedimentos.
• Doblez en el eje por mal manejo durante el traslado o el montaje.
• Corrosión.

Protector

Entre las razones por las cuales puede fallar el protector se encuentran:

• Mal manejo, lo cual puede ocasionar rompimiento de los sellos de cerámica produciendo fuga de aceite.
• Vibraciones de la bomba.
• Excesivas paradas y arrancadas del equipo (fluctuaciones en el servicio eléctrico).
• Cambios repetitivos del ciclaje.

Cable

Puede sufrir daños debido a:

• Mal manejo durante la instalación y corrida dentro del pozo.
• Excesiva carga de amperaje.
• Mala conexión con el cable plano.