universidad tecnológica equinoccial facultad de ciencias de la ...

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
ESCUELA DE TECNOLOGÍA DE PETRÓLEOS
TESIS PARA LA OBTENCIÓN
DEL TÍTULO DE
TECNÓLOGO EN PETRÓLEOS
TÍTULO
“DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
ELECTROSUMERGIBLES APLICANDO EL CRITERIO DE
VELOCIDAD VARIABLE CON CONTROLADORES DE
ELABORADO POR:
FRECUENCIA”
GILBERTO AURELIO FEIJOO OCHOA
QUITO, MAYO 2004

CERTIFICADO
Certifico que bajo mi dirección el presente trabajo fue realizado en
su totalidad por:
Gilberto Aurelio Feijoo Ochoa
Ing. Marco Corrales

DECLARACIÓN
Mediante el presente, declaro que todo lo expuesto para la
elaboración de esta tesis de grado está bajo la estricta y única
responsabilidad del autor de la misma.
Gilberto Aurelio Feijoo Ochoa
C.I. 171017028-1

DEDICATORIA
El presente trabajo lo dedico a mi madre quien con su cariño y enseñanzas fue
mi ejemplo a seguir, supo sembrar en mi sus principios y el respeto y
solidaridad hacia los demás. Siempre estarás a mi lado.
A mi padre por la comprensión y el apoyo que ha tenido para mí a través de
este período de preparación profesional y durante mi
vida.
A mis hermanos por su apoyo y tiempo dedicados en mí para alentarme y
ayudarme a crecer como persona.
A mis sobrinas que despertaron en mí el amor, la ternura y las
ganas de seguir adelante.
A mis familiares por la confianza y el cariño que me demuestran siempre.
Gilberto

AGRADECIMIENTO
Estoy en la obligación de dar mi sincero agradecimiento a quienes
han colaborado para alcanzar este importante objetivo de mi vida.
A Dios por darme salud y las fuerzas necesarias para estudiar y
culminar mi carrera profesional.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial, a su Rector y a todos
sus Profesores que con sus enseñanzas, forman profesionales que
aportan el desarrollo del país.
Al Ing. Marco Corrales que más que un Director de tesis, fue una
guía y un amigo que impulsó y compartió conmigo la realización de
este proyecto.
A la empresa en la que trabajo “Rio Alto Exportación S.A.”, en
especial a todos mis compañeros del Campo Tiguino.
Mil gracias
Gilberto

ÍNDICE PAG.
SUMARIO
CAPÍTULO I
1.- INTRODUCCIÓN 1
1.1.- Objetivo general 3
1.2.- Objetivos específicos 3
1.3.- Justificación 4
1.4.- Hipótesis 5
CAPÍTULO II
2.- MARCO TEÓRICO 6
2.1.- Fundamentos eléctricos generales 6
2.1.1.- Distribución de fuerza eléctrica 6
2.1.2.- Voltaje 6
2.1.3.- Amperaje 7
2.1.4.- Resistencia 7
2.1.5.- Ley de Ohm 7
2.1.6.- Onda de la corriente alterna 8
2.1.7.- Potencia 8
2.1.8.- Frecuencia 9
2.1.9.- Inductancia 10

2.1.10.- Capacitancia 11
2.1.11.- Impedancia 11
2.1.12.- Conductores 11
2.1.13.- Aisladores 12
2.1.14.- Factor de potencia 12
2.2.- Fundamentos hidráulicos generales 12
2.2.1.- Densidad 13
2.2.2.- Gradiente de presión 13
2.2.3.- Gravedad específica 13
2.2.4.- Viscosidad 14
2.2.5.- Presión de intake o de entrada a la bomba 15
2.2.6.- Caudal 17
2.2.7.- Fricción en las tuberías 17
2.2.8.- Bombas centrífugas 19
2.2.9.- Cavitación 19
2.2.10.- Gas locking 20
2.2.11.- Potencia al freno 20
2.3.- Transformadores 21
2.4.- Componentes del sistema de bombeo electrosumergible 24
2.4.1.- Unidad sensora 25
2.4.2.- Motor 28
2.4.3.- Protector del motor 34
2.4.4.- Entradas y separador de gas 37
2.4.5.- Bombas 40
2.4.6.- Cable eléctrico 47

2.4.6.1.- Cables de configuración Plana 48
2.4.6.2.- Cables de configuración Redonda 49
2.4.7.- Tableros de control 51
2.4.8.- Caja de empalmes 57
2.5.- Tipos de instalaciones en superficie 58
2.5.1.- Instalaciones con generador 58
2.5.2.- Instalaciones con líneas de alta tensión 60
2.6.- Tipos de completaciones 61
2.6.1.- Cuando posee empecadura o packer 61
2.6.2.- Cuando no dispone de packer 62
2.7.- Sistemas de bombeo horizontal 65
2.7.1.- Componentes 66
CAPITULO III
3.- APLICACIONES Y DISEÑO DE EQUIPO ELECTROSUMERGIBLE 69
3.1.- Aplicaciones de Variadores de frecuencia 69
3.2.- La forma básica de trabajar de un VSD 71
3.3.- Armónicos 72
3.4.- Leyes de afinidad 79
3.5.- Ejemplo de diseño 87

CAPÍTULO IV
4.- Problemas en las bombas electrosumergibles 101
4.1.- Causas de fallas 101
4.2.- Ejemplos de problemas en discos amperimétricos 105
4.2.1.- Disco en condiciones normales 107
4.2.2.- Picos por fluctuación del sistema de potencia 109
4.2.3.- Bloqueo por gas 110
4.2.4.- Descargando fluido de completación 112
4.2.5.- Bajo nivel de fluido con interferencia de gas 113
4.2.6.- Bajo nivel de fluido sin interferencias de gas 114
4.2.7.- Arranques fallidos por bajo nivel de fluido 115
4.2.8.- Excesivos ciclos de arranque por bomba mal dimensionada 116
4.2.9.- Gas libre en la bomba 118
4.2.10.- Cargas de baja corriente 119
4.2.11.- Bajacarga ajustada a un valor muy bajo 120
4.2.12.- Tiempo de paro muy corto con sensor de nivel en tanque 121
4.2.13.- Paro por sobrecarga 122
4.2.14.- Bomba manejando sólidos 123
4.2.15.- Excesivos rearranques manuales 124
4.2.16.- Corriente errática por variaciones de fluido del pozo 125
4.2.17.- Presencia de emulsión, otras cargas en superficie o fallas 126
de velocidad en generador

CAPITULO V
5.1.- Conclusiones 128
5.2.- Recomendaciones 130
Bibliografía
Anexos

ÍNDICE DE GRÁFICOS PAG.
GRÁFICO N°1
Onda del Voltaje y la corriente alterna 8
GRÁFICO N°2
Ondas de frecuencia de tres fases 10
GRÁFICO N°3
Presión de succión de la bomba 16
GRÁFICO N°4
Transformador simple 23
GRÁFICO N°5
Auto transformador 23
GRÁFICO N°6
Instalaciones BES típica en costa afuera 25
GRÁFICO N°7
Motor 28
GRÁFICO N°8
Protector 36
GRÁFICO N°9
Separador de gas 38
GRÁFICO N°10
Impulsión y difusor de una etapa de flujo mixta 43
GRÁFICO N°11
Bomba multietapas 45
GRÁFICO N°12
Cable plano 49
GRÁFICO N°13
Cable redondo 50
GRÁFICO N°14
Como funciona un variador de frecuencia 55
GRÁFICO N°15
Pozo con líneas de alta tensión 60

GRÁFICO N°16
Completación de bombeo eléctrico con packer y sin packer 63
GRÁFICO N°17
Completación Básica de un pozo con bomba electrosumergible 64
GRÁFICO N°18
Entrada de seis pasos 72
GRÁFICO N°19
Ejemplos de armónicos 73
GRÁFICO N°20
Entrada de seis diodos 74
GRÁFICO N°21
Entrada de doce diodos 75
GRÁFICO N°22
Comparación de armónicos entre 6-12-18 diodos 75
GRÁFICO N°23
Curva típica de una bomba a 60 Hz 77
GRÁFICO N°24
Curva de bomba a frecuencia variable 78

INDICE DE TABLAS PAG.
TABLA N°1
Motores REDA a 60 Hz 32
TABLA N°2
Rango de flujo permisible y potencia a 60 Hz 40
TABLA N°3
Producciones en BFPD 47
TABLA N°4
Especificaciones para cable Centrilift 51
TABLA N°5
Bombas Reda 60 Hz / 3500 rpm 86
TABLA N°6
Motores Reda serie 540 tipo 91 89
TABLA N°7
Variadores Reda Speedstar 2000 94

INDICE DE FOTOS PAG.
FOTO N°1
Transformador de 2700 KVA 22
FOTO N°2
Multisensor Phoenix 26
FOTO N°3
Unidad sensora PSIU 27
FOTO N°4
Impulsor y difusor de una etapa de flujo radial 41
FOTO N°5
Tableros de control 52
FOTO N°6
Quick connector 57
FOTO N°7
Caja de venteo 57
FOTO N°8
Equipo de superficie alimentado con generador 59
FOTO N°9
Sistema de bombeo horizontal 68
FOTO N°10
Medidor amperimétrico 106

SUMARIO

SUMARIO
El tema a tratarse es el dimensionamiento de equipo electrosumergible aprovechando el
uso del variador de frecuencia, en el marco teó rico se define y explica este sistema.
El bombeo electrosumergible es el principal sistema de levantamiento artificial usado en
nuestro país en la regió n oriental, este sistema es muy amigable ambientalmente, ya que
es eléctrico y no hay que inyectar fluido motriz, el fluido de la descarga va por una
tubería a la estació n de producció n para ser tratado.
El equipo de fondo consta de un motor eléctrico trifá sico, una secció n sellante o
protector, un separador de gas o succió n y una bomba centrífuga multietapa, su principal
funció n es proporcionar el levantamiento necesario al fluido para que éste pueda salir a
superficie en el caudal deseado.
El corazó n del bombeo electrosumergible es la bomba centrífuga, la bomba es un diseñ o
multietapas, sus elementos principales son las etapas, cada etapa consiste de un impulsor
y un difusor. El impulsor es fijado al eje y gira con él mientras que el difusor es está tico
dentro de la carcaza de la bomba.
El variador o controlador de frecuencia variable nos permite operar la bomba
electrosumergible sobre un amplio rango de frecuencia en vez de estar limitado a la
frecuencia de línea. Podemos sacar provecho de esto para seleccionar un tamañ o de

omba y de motor capaz de manejar un amplio rango de condiciones en un pozo
productor.
Los variadores de frecuencia está n clasificados de acuerdo a su KVA, con el variador
podemos determinar la frecuencia base y los pará metros de operació n de la bomba y el
motor.
Una de las etapas má s importantes previo al diseñ o de un equipo de bombeo
electrosumergible es la adquisició n de los datos de completació n del pozo, las
características de los fluidos de éste y las condiciones del yacimiento.
En el proceso de diseñ o se debe comenzar por la selecció n de la bomba y el nú mero de
etapas para cumplir con los requerimientos de caudal y levantamiento para obtener la
producció n deseada, diseñ ar el motor con la potencia requerida, determinar el voltaje
má ximo en superficie y las pérdidas de éste, seleccionar el variador que nos dará
frecuencia y caudal variable, y un transformador elevador.
El uso del variador de frecuencia es ú til si se desconoce la productividad de un pozo, para
estar preparado para cambios en las condiciones del pozo a través del tiempo, si se desea
mantener la presió n a la entrada de la bomba constante, reducir los requerimientos de
arranque.

SUMMARY
The topic to be is the dimension ship of electro submersible equipment taking advantage
of the use of variable speed driver, in the theoretical mark is defined and explains this
system.
The electro submergible pumping is the main system of artificial lift used in our country
on the oriental region, this system is very friendly environmentally, since it is electric and
it is not necessary to inject motive fluid, the fluid of the discharge goes for a pipe line to
the production station to de treated.
The bottom assembly consists of an electric three-phase motor, a stamping section or
protector, a gas separator or suction and a centrifugal multi stage pump, its main function
is to provide the necessary lift to the fluid so this can come out to surface in the wanted
flow.
The heart of the electro submersible pumping is the centrifugal pump, the pump it is a
multi stage design, its main elements are the stages, each stage consists of an impeller
and a diffusive. The impeller is fixed to the axis and tour with him while the diffusive is
static inside the wrapper of the pump.

The driver or variable speed controller allow us to operate the electro submersible pump
on a wide range of speed instead of being limited to the line frequency. We can take
profit out of this to select a pump size and of motor able to manage a wide range of
conditions in a producing well.
The variable speed drivers are classified according to their KVA, with the driver we can
determine the base speed and the parameters of operation of the pump and the motor.
One of the previous more important stages to the design of a electro submersible
pumping assembly is the acquisition of the data of the well completion, the characteristics
of the fluids of this and the conditions of the location.
In the design process you should begin with the selection of the pump and the number of
stages to fulfill the flow requirements and rising to obtain the wanted production, to
design the motor with the required power, to determine the maximum voltage in surface
and the losses of this, to select the variable speed driver that will give us speed and
variable flow, and a transformer elevator.
The use of the variable speed driver is useful if one ignores the productivity of a well, to
be prepared for changes under the conditions of the well through the time, if wants
himself to maintain constant the pressure to the intake of the pump, to reduce the outburst
requirements.

1.- INTRODUCCIÓ N
Generalmente se considera a las bombas electrosumergibles como equipos de
bombeo artificial para grandes volú menes de fluido, sin embargo se construyen en
varios tamaños para ofrecer un amplio rango desde caudales tan bajos como 100
bfpd. En la actualidad, en el Campo Tiguino, es el ú nico sistema de levantamiento
artificial que se utiliza.
Una instalación típica de fondo, de bombeo electrosumergible, consiste de un
motor eléctrico de inducción trifá sico de dos polos, una sección sellante o
protector, un separador de gas o succión y una bomba centrífuga multietapa.
La energía eléctrica para alimentar el motor, proveniente en nuestro caso de un
generador individual para cada pozo, es acondicionada mediante un transformador
y un panel de control para suministrar el voltaje correcto y las protecciones
adecuadas. Todos estos equipos forman parte de las instalaciones de superficie y
está n ubicadas en la locación del pozo.
La energía eléctrica es transmitida desde superficie al motor de fondo a través de
un cable eléctrico de tres conductores o fases que van engrampadas a la tubería de
producción.
El correcto diseño y dimensionamiento del equipo de fondo, es de suma
importancia para la obtención de una instalación satisfactoria. El conocimiento de
1

las características de cada una de las partes componentes de este equipo permite
un mejor diseño de la instalación.
Las bombas electrosumergibles multietapas conocidas como BES (Bomba
Eléctrica Sumergible) o ESP por sus siglas en inglés (Electrical Sumergible
Pump), se han constituido en el levantamiento artificial má s usado en los ú ltimos
tiempos en el campo Tiguino de la Compañía Petrobell Inc. y otros campos de
compañías operadoras privadas, al igual que en los campos de la Empresa Estatal
Petroproducción. La característica de mayor relevancia para su preferencia frente
a otros sistemas de levantamiento artificial es su adaptabilidad a casi todas las
condiciones de producción de un yacimiento, debido a que pueden producir desde
100 hasta 100.000 barriles de fluido por día, con profundidades de 300 hasta
20000 pies de profundidad, con presiones fluyentes mayores y menores al punto
de burbuja. Dependiendo de las aplicaciones, hay sistemas disponibles para
temperaturas de fondo de 50 a 500 ° F. 1
El controlador de velocidad o frecuencia variable nos permite operar la bomba
electro sumergible sobre un amplio rango de frecuencia en vez de estar limitado a
la frecuencia de línea. Podemos sacar provecho de esto para seleccionar un
tamaño de bomba y de motor capaz de manejar un amplio rango de condiciones
de la aplicación.
Lo que hacemos con los controladores de velocidad variables es diseñar una
bomba basá ndonos en ciertas condiciones de flujo, las cuales determinará n dentro
1 Tomado de: Manual de producción – Amoco, Argentina.
2

de qué rango de frecuencia se debe de operar, seleccionando un motor que sea lo
suficientemente grande para proveer la potencia (HP) requerida a la frecuencia
teórica má xima para nuestra aplicación.
La tecnología de los VSD (Variable Speed Driver) ha mejorado mucho en los
ú ltimos años, permitiendo adaptarse a los cambios de producción de un pozo ya
sea controlando la presión de fondo o el caudal productivo de éste, controlando la
frecuencia de operación o encontrando la frecuencia óptima, permitiendo manejar
los equipos automá ticos con mucha facilidad, incluso se puede llevar la
información a un computador central.
1.1.- Objetivo general
Dimensionar los equipos electro-sumergibles de fondo de pozo y bombas
horizontales de transferencia aplicando el criterio de velocidad variable con
controladores de frecuencia para optimizar las operaciones.
1.2.- Objetivos específicos
• Explicar como funciona un controlador de velocidad variable
• Comparar las ventajas y desventajas de diferentes tipos de variador
• Seleccionar los equipos óptimos de subsuelo y de superficie
• Aplicación practica del método de levantamiento artificial eléctrico
enfocado a los variadores de frecuencia VSD
3

• Determinar la frecuencia teórica máxima permisible para una
aplicación dada.
• Evaluar los efectos del controlador de velocidad variable en el
rendimiento de las bombas electro sumergibles de fondo de pozo y
bombas horizontales de transferencia.
1.3.- Justificación del estudio
Esta tesis mostrará una opción adicional de los avances tecnológicos para la
optimización del levantamiento artificial eléctrico que se está aplicando en los
campos petroleros del país.
Se explicará cómo funcionan los variadores de frecuencia y como afectan al
rendimiento del sistema de bombeo electrosumergible, se considerará varias
aplicaciones y se desarrollará n ecuaciones y procedimientos, con ejemplos
para entender mejor el proceso de diseño.
El bombeo electrosumergible se ha constituido en el sistema de levantamiento
artificial má s usado en los ú ltimos tiempos en el Campo Tiguino, llegando a
ser el sistema de levantamiento utilizado desde que se encuentra operando la
empresa privada en este campo, este sistema también es el más usado por
Petroproducción y otras compañías operadoras privadas.
Se ofrecerá el marco teórico necesario a fin de introducir los conceptos
teóricos de la ingeniería de reservorios y los conceptos de operación del
controlador de velocidad variable.
4

1.4.- Hipótesis
Sí se dimensiona los equipos electro sumergibles aplicando el criterio de
velocidad variable con controladores de frecuencia se logra optimizar las
operaciones de producción.
5

2.- MARCO TEÓ RICO
2.1.- Fundamentos elé ctricos generales
Se revisará la distribución de corriente alterna y de términos eléctricos y
ecuaciones asociadas con la operación del bombeo electrosumergible.
2.1.1- Distribución de fuerza elé ctrica
La mayor parte de las plantas de generación emplean la fuerza hidrá ulica de una
caída de agua, la energía calórica producida por uranio en una planta nuclear, o la
utilización de combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas natural), para producir
vapor y mover una turbina acoplada a un generador. Todos los generadores
eléctricos dependen de la acción de una bobina y un campo magnético para su
operación, el generador o dinamo convierte la energía mecá nica de rotación de
una bobina en energía eléctrica, gracias a la inducción electromagnética.
2.1.2.- Voltaje
Para obtener una dirección neta en el flujo de electrones se necesita aplicar una
fuerza, dicha fuerza puede tener su origen en la acción de un campo magnético
(generador) o en la actividad química (batería), esto obliga a los electrones a
moverse en una dirección a través del circuito gracias a la fuerza electromotriz
que generan, la unidad de medida es el voltio.
6

2.1.3.- Intensidad de corriente
Cuando un voltaje es aplicado a una sustancia, se origina el flujo de electrones,
llamado corriente eléctrica. La cantidad de este flujo de corriente por segundo se
conoce como amperio que es su unidad de medida.
2.1.4.- Resistencia
Se trata de una magnitud característica del conductor que varía con la temperatura
y puede interpretarse como una medida de la dificultad que ofrece éste al paso de
la corriente, a mayor resistencia mayor es la diferencia de potencial necesaria para
obtener una misma intensidad. Su unidad de medida en el Sistema Internacional
es el ohmnio.
2.1.5.- Ley de Ohm
Establece la relación entre voltaje, intensidad de corriente o amperaje y resistencia
mediante la siguiente ecuación:
I (amperio) = V (voltio) / R (ohmnio)
Donde: I = Intensidad de corriente o amperaje
V = Voltaje
R = Resistencia
7

2.1.6.- Onda de la corriente alterna
La intensidad y el voltaje alterno varían, segú n un ciclo que va del cero al má ximo
positivo y del cero al mínimo negativo, completando un ciclo o 360 grados
eléctricos. Fluyen como una onda de forma sinusoidal.
2.1.7.- Potencia
GRÁ FICO Nº 1
Onda del voltaje y la corriente alterna 2
+
0
-
Representa la energía necesaria para mantener un flujo de corriente, se mide en
watts; 746 watts es equivalente a un caballo de fuerza (HP). El watt es una unidad
2 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 86
I
V
UN CICLO
8

pequeña, por la cual para la potencia de los motores se emplea el kilowatt. Esta
potencia es la cantidad de potencia consumida en un circuito y se define así:
P (watt) = V (voltio) * I (amperio)
Un sistema trifá sico contiene tres fases de corriente alterna. Este sistema de fases
simples se encuentran espaciados con una diferencia de 120 grados. La potencia
total generada por el sistema trifá sico es igual a tres veces la potencia de cada
fase. Para obtener la potencia generada no se puede solamente multiplicar los
voltios por los amperios, los circuitos siempre producen inductancia y/o
impedancia, y el producto del voltaje por el amperaje será mayor que la potencia
verdadera. Esta potencia aparente es medida en voltio amperio, o más a menudo
en una unidad mayor como el kilovoltio-amperio, que se abrevia como KVA.
2.1.8.- Frecuencia
Cuando un generador rota completamente 360 grados, es decir, una revolución
completa, el voltaje generado a completado un ciclo. Si el generador rota a una
velocidad de 60 revoluciones por segundo, el voltaje generado tiene una
frecuencia de 60 ciclos o hertz.
9

FASE A
FASE B
FASE C
2.1.9.- Inductancia
+
-
GRÁ FICO Nº 2
Ondas de frecuencia de tres fases 3
Muchos circuitos de corriente alterna contienen bobinas, transformadores y otros
aparatos eléctricos que producen efectos magnéticos. Cuando la corriente se
incrementa, el circuito almacena corriente en el campo magnético. Cuando la
corriente disminuye, el circuito proporciona esta energía del campo magnético.
Por lo tanto, estos efectos magnéticos reaccionan sobre la corriente, causando un
retraso en el voltaje anterior. Esta reacción magnética es llamada inductancia y se
mide en Henrios.
3 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 87
10

2.1.10.- Capacitancia
Otra clase de influencia que altera la corriente es causado por la presencia en el
circuito de placas alternadas de material conductivo separados por aislamiento.
Este mecanismo es comú nmente llamado capacitor. Un capacitor toma energía de
un circuito para cargar estas placas, y luego retornar esa energía al circuito cuando
la carga es removida, esta habilidad es conocida como capacitancia. Se opone a
cualquier cambio en el voltaje, y su efecto es almacenar voltaje. Se mide en
Farads.
2.1.11.- Impedancia
En un circuito de corriente alterna es la resistencia, inductancia y capacitancia las
que afectan a la corriente. La combinación de dos o tres de estos efectos se la
llama impedancia. La impedancia de un circuito es la oposición total a cualquier
corriente de flujo.
2.1.12.- Conductores
Es un material o sustancia que permite el libre flujo de electrones. Los materiales
con mayor conductividad son: oro, plata, cobre, aluminio, hierro y otros.
11

2.1.13.- Aisladores
Es un material o sustancia en la cual los electrones tienen gran dificultad en
desplazarse. Materiales como caucho, vidrio, ciertos plá sticos y papel seco, no
permiten el flujo de electrones. El aislamiento de un cable conductor se realiza
recubriéndolo con material aislante.
2.1.14.- Factor de potencia
Es la relación de la potencia verdadera (KW) y la potencia aparente (KVA), por lo
tanto, el factor de potencia puede definirse como:
Poten. Verdadera KW (Kilo Watts)
Factor de potencia = _______________ = ______ (5-65)
Poten. Aparente KVA (Kilo Voltio-Amperio)
Los kilowatts de una máquina pueden calcularse multiplicando KVA de entrada
por el factor de potencia.
2.2.- Fundamentos hidrá ulicos generales
Para comprender algunos de los fenómenos que se producen en la operación y en
el diseño de las bombas electro sumergibles (BES), se tienen que revisar algunos
conceptos generales:
12

2.2.1.- Densidad
Se define como el peso por unidad de volumen de una sustancia. Por ejemplo la
densidad del agua es de 8.328 lb / gl o 62.4 lb / pie 3 y la densidad del aire es de
0.0752 lb / pie 3 a condiciones está ndar de 14.7 psi y 60 ºF. 4
Densidad = peso / volumen
2.2.2.- Gradiente de presión
Es la presión ejercida por un fluido por cada pie de peso de fluido. El agua fresca
o dulce ejerce una presión gradiente de 0.433 psi / ft. La gradiente de presión del
agua fresca o dulce es la que se toma como referencia para el diseño del sistema
de bombeo eléctrico. Por lo tanto, una columna de agua de 50 pies ejercería una
presión de 21.65 psi (50 pie * 0.433 psi / pie). Para incrementar la presión en un
psi se requiere 2.31 pies de incremento en la profundidad.
2.2.3- Gravedad específica
Es la relación de la densidad o peso específico de un fluido, para la densidad de
un fluido está ndar. En los líquidos, el agua es el material de referencia a una
temperatura de 60 ºF. Para los gases es el aire a condiciones está ndar.
4 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 76
13

La gravedad específica de un crudo se determina empleando el termo-hidrómetro,
es decir, se mide los grados API y la temperatura del líquido. Este valor se lo
denomina gravedad observada y se la debe corregir a 60 ºF mediante tablas de
corrección. En la industria petrolera se tiene una relación entre la gravedad
específica y los grados API mediante la siguiente ecuación:
141.5
Grav. espec = _______________
131.5 + API
Con el valor de la densidad API podemos obtener la gravedad específica. Diez
grados API corresponden a una gravedad específica de 1 que es el caso del agua.
2.2.4.- Viscosidad
Es una medida de la resistencia interna que tienen los líquidos y gases para fluir
libremente dentro de una tubería. En el caso de los líquidos presentan mayor
viscosidad que los gases. Entre líquidos debemos diferenciar la densidad con la
viscosidad; por ejemplo, el agua tiene una densidad de 62.4 lb/ pie 3 y una
viscosidad de 1 centipoise a 60 ºF., un petróleo de 30 API tendrá una densidad de
54.64 lb / pie 3 y una viscosidad de 10 centipoise. Como se puede apreciar, a pesar
de ser má s liviano el petróleo, tiene una mayor resistencia al flujo en una tubería. 5
5 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 78
14

La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura, es decir, a mayor
temperatura, menor viscosidad porque disminuye la resistencia al flujo al
destruirse las fuerzas de cohesión.
2.2.5.- Presión de intake o de entrada a la bomba
En el funcionamiento de las bombas electrosumergibles, el factor má s importante
es el nivel de fluido sobre la bomba o la presión de entrada que tendría la misma.
Es importante que esta presión esté en un rango estabilizado o constante cuando el
pozo está produciendo.
La presión de entrada a la bomba se establece midiendo los pies de líquido sobre
la succión de la bomba, má s la presión en superficie.
Con la presión de entrada a la bomba debemos cuidar que este valor esté por
encima del punto de burbuja, ya que esta es la presión a la cual se forma la
primera burbuja de gas libre, para poder así evitar el fenómeno de cavitación. Por
ejemplo, en Tiguino las presiones de burbuja para el yacimiento Napo T y Main
Hollín son 800 y 200 psi respectivamente, a la temperatura de 220 ºF. 6
6 Tomado de: Datos Departamento de producción, Campo Tiguino
15

9000 pies
GRÁ FICO Nº 3
Presión de succión de la bomba
Por ejemplo: la succión de la bomba está localizada a 9000 pies de profundidad;
empleando un medidor sónico se establece que el nivel de fluido se encuentra
6000 pies de la superficie. La gravedad específica del fluido en el espacio anular
es de 0.950 y la presión del casing 50 psi; la presión de entrada a la bomba será :
Nivel de líquido sobre bomba = 9000 pies – 6000 pies = 3000 pies
PRESION
50 psi
NIVEL
FLUIDO
OPERACION
6000 PIES
ENTRADA DE
LA BOMBA
3000 pies
16

3000 pies * 0.950
Presión entrada = __________________ + 50 psi
2.31 pie / psi
Presión de entrada = 1234 + 50 = 1284 psi
2.2.6.- Caudal
Es el flujo de un fluido, la relación entre la cantidad de fluido que se transporta
por el interior de una tubería, y su velocidad, se relacionan así:
Q = A * V
Donde: Q = caudal; pie 3 / seg
A = á rea de flujo en la tubería; pies 2
V = velocidad de flujo en la tubería; pie / seg
2.2.7.- Fricción en las tuberías
Es la restricción al flujo que se presenta en el interior de una tubería,
principalmente dada por:
- Las paredes internas; al ser de acero y nuevas presentan menor resistencia,
pero si son antiguas y presentan incrustaciones tendrá n resistencia mayor.
- Diá metro interno de la tubería; el diá metro es inversamente proporcional a la
resistencia, un diá metro mayor presentará una menor resistencia
17

- Longitud de la tubería; a mayor longitud más potencia o presión para
desplazar líquidos y gases
- Viscosidad; a mayor viscosidad má s resistencia
Los valores de fricción se encuentran tabulados en manuales y handbooks;
también se disponen de programas computarizados. La ecuación más empleada
para definir la fricción es:
V
1/0.54
Fricción = ________________________ * PDm
(5-50)
1.32 * C*(D/48) 0.63
donde: Fricc. = pérdidas de fricción en tubing; pie
v = velocidad del fluido; pies / seg
D = diá metro interno tubing; pulg
C = Coeficiente fricción
= 100 para tubing viejo (má s 10 años)
= 120 para tubing nuevo (menos 10 años)
= 130 para tubing recubierto internamente con fiberglass
= 140 para tubing recubierto con plá stico
PDm = profundidad de asentamiento de la bomba; pies 7
7 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 79
18

2.2.8.- Bombas centrífugas
Una bomba centrífuga es un dispositivo que convierte la energía mecá nica de un
impeler, en energía hidrá ulica al líquido que desplaza. Una bomba para una etapa
o impeler tiene, a una velocidad y viscosidad determinada, una curva de
rendimiento o perfomance en donde se establecen las relaciones entre la capacidad
de levantamiento desarrollada por la bomba y la capacidad de bombeo,
empleá ndose agua de gravedad específica 1 como líquido de referencia. 8
2.2.9.- Cavitación
Cuando un líquido ingresa al impeler de la bomba, se incrementa la velocidad y se
reduce la presión. Si la presión disminuye por debajo de la presión de vapor
correspondiente a la temperatura del líquido, este se vaporizará , formando una
mezcla de líquido y bolsas de vapor. El efecto má s representativo de cavitación en
una bomba se presenta con ruido y vibración. Esto se debe por el colapso de las
burbujas de vapor cuando alcanzan el lado de alta presión en el impeler. Se puede
presentar roturas del eje y fatigas en la bomba, aunque en las bombas
elctrosumergibles la cavitación ocurre rara vez, se debe realizar un buen diseño y
disponer de una buena presión de entrada a la bomba.
8 Tomado de: Manual de producción – Amoco, Argentina.
19

2.2.10.- Gas locking
En las operaciones de las BES es un fenómeno má s comú n, y ocurre cada vez que
hay un exceso de gas libre en el fluido que esta ingresando a la bomba. Este
fenómeno puede considerarse como una forma de cavitación.
2.2.11.- Potencia al freno
La potencia total requerida por una bomba para realizar un trabajo específico es:
HHP
BHP = _________
(5-60) Eff
GPM * cabeza (pies) * S.G.
BHP = _________________________
(5-61) 3960 * % Eff 9
La potencia de placa HP es la máxima recomendado por el fabricante para la
operación; en el pozo se utilizará el 95 % de este valor. El principal factor que
afecta la eficiencia del motor es la temperatura de operación y está determinado
por el grado de remoción de calor del fluido de la formación, que se desplaza por
la parte externa del motor. La velocidad del fluido será mayor a un pie por
segundo.
9 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 83
20

El voltaje de placa es el valor que se debe disponer en los terminales del motor
para generar la potencia requerida, se debe considerar la pérdida de voltaje que
produce el cable por su longitud y tipo, para determinar el valor correcto en
superficie.
La corriente de placa es el valor requerido por el motor a la potencia y voltaje de
fá brica. Si la corriente es menor, el motor trabajará a menor carga.
El torque del motor es el valor que producirá el motor cuando trabaje a full carga
y velocidad.
La eficiencia del motor es la relación entre la potencia de salida y la potencia de
entrada expresada en porcentaje. La eficiencia operativa debe estar entre valores
de 80 y 90 % o má s; éste valor varía con la carga.
2.3.- Transformadores
Es un dispositivo en el cual el voltaje de la corriente alterna puede ser modificado.
Está formado por un núcleo de hierro rodeado por bobinas de alambre con
aislamiento. Generalmente, el núcleo y las bobinas está n inmersas en aceite,
sirviendo éste como aislamiento y refrigeración del transformador.
Un transformador simple consiste de dos enrollamientos de alambre conductor,
muy apretados entre ambos y con un nú cleo de hierro, pero aislados entre ellos. El
21

enrollado que proviene de una fuente con voltaje de corriente alterna, se conoce
como primario; éste genera un campo magnético que se transmite a los espirales
del otro enrollado, llamado secundario, y produce un voltaje en este. Los
enrollados no está n físicamente conectados, pero se hallan magnéticamente
acoplados.
FOTO Nº 1
Transformador de 2700 KVA
Campo Tiguino
22

El voltaje es cambiado en proporción exacta en el número de espirales en cada
enrollado. Por ejemplo, si un enrollado de alto voltaje tiene 1000 espirales y está
conectado a un circuito de 4160 voltios, en el lado de bajo voltaje el enrollado de
100 espirales proporcionará 416 voltios.
ALTO VOLTAJE (4160 v)
BAJA CORRIENTE
GRÁ FICO Nº 4
Transformador simple
En un autotransformador hay un solo enrollado, una parte va para el alto voltaje y
otra a la zona de bajo voltaje. No existe aislamiento entre los dos circuitos.
ALTO VOLTAJE
BAJO VOLTAJE
GRÁ FICO Nº 5
Autotransformador
BAJO VOLTAJE (416 v)
ALTA CORRIENTE
23

La corriente alterna de tres fases es producida por generadores que tienen tres
enrollados, cada uno de estos ocupa una posición específica, en donde el voltaje
producido en cada enrollado se desplaza 120 grados eléctricos del voltaje
producido en los otros enrollados; un generador de cuatro polos, por ejemplo,
produce dos ciclos o 720 grados eléctricos, para una revolución mecá nica del rotor
(360 grados).
Existen dos tipos de transformadores: de frecuencia y voltaje variable; y, voltaje
variable y frecuencia fija. Los transformadores pueden conectarse en paralelo para
duplicar su potencia en KVA.
2.4.- Componentes del sistema de bombeo electrosumergible
Los componentes básicos de subsuelo de un Sistema de Bombeo Eléctrico
Sumergible son: motor, protector, intake, bomba, cable de conexión del motor y
cable de potencia.
Entre los elementos complementarios del sistema está n el separador de gas,
manejador avanzado de gas AGH y la unidad sensora de presión y temperatura,
Surveyor / Pumpwatcher y actualmente el multisensor Phoenix. Algunos de los
accesorios comú nmente usados son válvulas check y bleeder, centralizadores,
protectores de cable, “Y” tool, empacaduras, conectores eléctricos y sistemas de
inyección de químicos.
24

2.4.1.- Unidad sensora
GRÁ FICO Nº 6
Instalación BES típica en costa afuera 10
Va conectada a la parte inferior del motor y proporciona los datos de presión y
temperatura de fondo, a la profundidad de asentamiento del equipo. La señal viaja
por el cable hasta el equipo en superficie; se han presentados casos en los cuales
un circuito puede producir señales deficientes o dañar el cable y provocar bajos
aislamientos.
10 Tomado de: Presentación Reda ESP systems
25

Multisensor Phoenix
FOTO Nº 2
Multisensor Phoenix
Pozo TIG 07 – Campo Tiguino
Esta unidad sensora es la actualmente utilizada en el Campo Tiguino y en la
mayoría de campos a cargo de empresas privadas. Este sistema es el más
conveniente para obtener la mayor cantidad de información de los pará metros de
fondo, es muy ú til para realizar Build up’s sin necesidad de gastos en bajar
memory gauges, obtiene un dato de cada pará metro cada dos segundos, los
pará metros son: Presión de intake, temperatura de intake, temperatura de motor,
vibración, pérdida de corriente, presión de descarga, medición del flujo y
temperatura de descarga.
26

FOTO Nº 3
Unidad sensora PSIU
Pozo TIG 02 – Campo Tiguino
El valor de la presión convertido a metros de columna de fluido bombeado
permite tener una medida precisa de la sumergencia de la bomba, es decir el nivel
de fluido del pozo sobre la succión. Este dato es importante pues permite evaluar
la conveniencia de modificar la profundidad de instalación, el tipo de bomba, o su
velocidad de rotación o frecuencia para obtener el punto de trabajo óptimo de la
bomba para la má xima producción.
27

2.4.2.- Motor
Los motores eléctricos utilizados para impulsar bombas electrosumergibles son
del tipo de inducción, trifá sicos, bipolares. Estos motores funcionan a 3500 rpm,
cuando la frecuencia de la tensión eléctrica aplicada es de 60 ciclos por segundo
(60 Hz) o a 2900 rpm para 50 Hz. La tensión o voltaje de operación de diseño
puede variar desde 220 hasta 5000 volts, mientras que los requerimientos de
corriente pueden variar desde 12 hasta 140 amperios.
GRÁ FICO Nº 7 11
Motor
11 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
28

En el motor la corriente es inducida en el rotor por el movimiento del campo
magnético en el estator. Esta corriente induce un campo magnético en el rotor. El
campo magnético en el rotor moverá a este, para tratar de alcanzar el campo del
estator. Si hay un eje conectado al rotor, podemos obtener un trabajo ú til. El rotor
tratará de alcanzar al campo del estator, el cual gira a 3600 rpm con 60 Hz, pero
nunca lo logra. La velocidad del rotor será un poco menor y la diferencia se llama
deslizamiento. El deslizamiento es necesario para que un rotor gire a 3600 rpm,
no se movería con respecto al campo magnético del estator y no habría corriente
inducida. 12
La potencia requerida se obtiene incrementando la longitud del motor. El motor se
compone de varios rotores, tipo jaula de ardilla, usualmente de 12 a 18 pulgadas
(0.30 a 0.46 mts.) de longitud, los que van montados sobre un ú nico eje y a su vez
ubicados y alineados dentro de los respectivos bobinados eléctricos o estatores
que está n montados en el interior de la carcaza de acero o housing. En motores
simples (una sola sección) se pueden obtener potencias má ximas de hasta 400 HP
con un largo máximo de 33 pies aprox. (10 mts.), mientras que con motores en
tandem se pueden lograr potencias de hasta 750 HP con un largo de 90 pies aprox.
(27 mts.). 13
El aceite aislante lubrica los cojinetes del motor y transfiere el calor generado en
el motor hacia la carcaza del motor que a su vez se transfiere al fluido del pozo.
Para obtener una refrigeración efectiva el fabricante recomienda que las velocidad
del fluido del pozo en el espacio anular (motor-casing) no sea inferior a 1 pie/seg.
12 Tomado de: Manual de producción – Amoco, Argentina.
13 Tomado de: Manual de producción – Amoco, Argentina.
29

Si este valor no se logra debido a un gran espacio anular se debe instalar una
camisa que se ubica desde la parte superior de la succión de la bomba hasta la
parte inferior del motor.
La utilización de una camisa tiene ventajas adicionales, ellas son: permitir ubicar
la unidad por debajo de los punzados con lo que se podrá producir más
eficientemente el pozo y favorecer la separación del gas en el fluido. Su uso está
limitado por el espacio físico entre el motor y el casing.
Una excesiva o alta temperatura en el motor es el factor principal en las fallas de
motor. Cuando estas fallas ocurren debido a una inadecuada refrigeración o
pueden preverse, se deberá n instalar dispositivos de medición de temperatura que
puedan iniciar la parada del motor para evitar largos períodos de funcionamiento
con excesiva temperatura.
El motor tiene un cojinete de empuje que absorbe las cargas sobre el eje. A pesar
que los rotores pueden girar en ambas direcciones, dependiendo de la secuencia de
las fases eléctricas, el cojinete de empuje del rotor debe girar en el sentido
correcto para prevenir fallas prematuras. Es importante controlar el sentido de
rotación inmediatamente después de poner en marcha la unidad.
El sentido de rotación se puede cambiar invirtiendo la posición de dos de los
conductores (fases) del motor en superficie. En muchos casos, la bomba puede
impulsar un gran caudal de fluido girando en sentido contrario. El caudal
dependerá del nivel está tico de fluido, tamaño de la bomba, altura total de
elevación, etc.
30

Hay varias formas de determinar el sentido de rotación, instalando un medidor de
presión en la línea de producción e invirtiendo la rotación, se podrá notar una
diferencia de presión en casi todos los casos. La mayor presión corresponderá al
giro correcto de la bomba. Se puede invertir la rotación desde el VSD. En pocos
casos, especialmente en pozos con mucho gas, es difícil determinar tal diferencia
de presión. En este caso puede ser necesario hacer una prueba de producción o
medir el caudal, el que será mayor para el sentido de giro correcto.
El rendimiento del motor cambia con la carga, y al igual que las bombas, tienen
sus curvas de rendimiento que indican el cambio de velocidad, eficiencia, factor
de potencia, amperaje y kilovatio de entrada a una bomba con carga respecto a la
variación de voltaje. Como se puede observar la operación a un voltaje menor que
el de placa, resulta en una baja velocidad y alto amperaje. Baja velocidad significa
menos descarga de la bomba, el volumen varía directamente con la velocidad,
mientras que la cabeza con el cuadrado de la misma.
La operación a un voltaje mayor al de placa afecta la corriente y KW con una
reducción del factor de potencia. La recomendación es tratar de conseguir el 100
% de voltaje en superficie con una variación de +- 2 %. Para una misma potencia
se puede encontrar motores con voltaje y amperaje variable, como se indica en la
siguiente tabla. 14
14 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
31

TABLA Nº 1
Motores REDA a 60 Hz 15
HP VOLT AMP LONG PESO TIPO
(pies) (lb)
180 951 111 26.7 1793 S
180 1354 83 26.7 1793 S
180 2313 47.5 26.7 1793 S
200 1058 113 29.4 1978 S
200 2194 55.5 29.4 1978 S
Como se observa el amperaje baja a medida que el voltaje se incrementa, es decir,
los KVA se mantienen constante.
Si a un motor le sometemos a mayor carga, girará más lento y operará más
caliente. Los componentes se expanden a diferentes velocidades debido a que
estos no son iguales; un exceso en la expansión puede dañar los cojinetes.
Cuando el amperaje es alto, es posible que el motor no pueda arrancar debido a
que la carga de arranque causa una caída de voltaje transitoria en el cable de
potencia. Si el motor no recibe más de 50 % del voltaje de la placa en los
terminales, no arrancará .
Los motores normales de superficie vienen en voltajes está ndar tales como 460 V,
4160 V, 2300 V, etc. Los motores de BES tienen diferente voltaje, por la caída de
voltaje en el cable de potencia, que tienen gran longitud (5000 – 7500 pies). Al
15 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
32

seleccionar el rango apropiado tendríamos una limitación en el equipo de
superficie.
Los arrancadores vienen en ciertos rangos como: 600 V, 1000 V, 1500 V, 2400 V,
etc. El voltaje del motor está seleccionado tomando en cuenta las pérdidas en el
cable, así que el voltaje en la superficie será compatible con el arrancador, los
transformadores y otros. 16
Los motores pueden venir tanto en secciones simples como en tandem o en serie.
En una sección simple la potencia no puede ser aumentada. En cambio, una
sección tandem puede ser conectada con otra para aumentar la capacidad del
motor.
Cuando se combina los motores tandem, se debe mantener la misma potencia HP
y voltaje para cada uno. Por ejemplo, se hace un motor de 300 HP combinando
dos motores de 150 HP, en lugar de combinar un motor de 200 HP y otro de 100
HP. Con dos motores juntos, tenemos el doble de la potencia, es decir, las
potencias se suman. El voltaje también será el doble, pero el amperaje no
variará . 17
“Recordar siempre que el voltaje de las configuraciones en tandem no deben
superar los requerimientos del arrancador, cables y otros”.
16 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
17 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
33

Si el motor opera a una mayor frecuencia como 65 HZ, es capaz de entregar má s
potencia. A una frecuencia mayor, el motor buscará má s voltaje, y si no se provee,
tomará má s corriente para compensar funcionando a mayor temperatura.
200 HP * (65 / 60) = 217 HP
2194 volt * (65 / 60) = 2377 volt
55.5 amp = 55.5 amp
Un punto muy importante a considerar es la correcta protección de los motores en
subsuelo. Los controladores pueden dar un nivel de protección simple o
sofisticado. Un controlador simple puede detectar condiciones de sobrecarga OL
o bajacarga UL solamente. Los controladores sofisticados pueden detectar
condiciones como desbalance entre fases, falta de fase, puestas a tierra, etc.
Los valores de sobrecarga y bajacarga normalmente se ajustan alrededor de 15 %
para sobrecarga y 20 % para bajacarga de la corriente de operación
respectivamente.
2.4.3.- Protector de motor
El protector o sección sellante, que se instala entre el separador de gas o intake y
el motor, tiene por objeto igualar la presión interna del motor con la presión del
pozo y permitir la expansión y contracción del aceite aislante del motor, debido a
34

las variaciones de temperatura producidas durante la marcha (calentamiento) o
detención (enfriamiento) del mismo.
Utiliza un sello laberíntico o positivo, la sección inferior está llena con aceite y
contiene los cojinetes de empuje descendente o ascendente. Desarrollan las
siguientes funciones:
- Conectan las carcasas (housings) de la bomba con el motor
- Aloja el cojinete de empuje de las bombas
- Sella la parte superior del motor de los fluidos del pozo, mientras permite la
comunicación de presión entre la parte interna del motor y los fluidos del
pozo.
- Provee el volumen necesario para permitir la expansión del aceite, por la
acción del calor generado por al motor cuando está en operación.
- Absorbe el empuje descendente (downthrust) de la bomba. 18
El eje del motor está acoplado al eje de la bomba a través del eje del protector,
mediante manguitos de acople estriados en ambos extremos. El extremo inferior
del eje del protector, que se acopla al eje del motor, está diseñado para permitir la
elongación del eje del motor debido al incremento de temperatura. El extremo
superior está acoplado al eje de la bomba de manera tal que el peso del eje de la
bomba, la carga hidrá ulica longitudinal sobre el eje de la bomba y cualquier
desbalance de cargas longitudinales sobre los impulsores se transmiten al eje del
18 Tomado de: Manual de producción – Amoco, Argentina.
35

protector. Estas cargas se transfieren o son absorbidas por el cojinete de empuje
alojado en el protector.
GRÁ FICO Nº 8
Protector 19
Si la bomba se para y arranca varias veces, el motor puede resultar dañado debido
a la contaminación del aceite del motor con el fluido del pozo, de manera que una
buena prá ctica será reducir mientras sea posible las posibilidades de
contaminación del aceite del motor. También se deberá ensamblar
cuidadosamente el protector al motor, de lo contrario los o’rings pueden dañarse y
permitir una prematura contaminación.
19 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
36

2.4.4.- Entradas y separador de gas
El objetivo básico es eliminar el gas libre que se encuentra en el fluido del
yacimiento. Idealmente, un pozo debe producirse con una presión de sumergencia
superior a la presión de burbujeo, para mantener los gases en solución a la entrada
de la bomba permitiendo que la bomba reciba líquido mayormente. Esto no es
normalmente posible por lo que los gases deben separarse del líquido antes de la
entrada de la bomba para alcanzar una máxima eficiencia del sistema. Con este
fin, se instala un separador de gas en la succión de la bomba para que ésta no se
vea afectada en su capacidad de extracción.
El separador de gas va situado entre la bomba y el protector del motor eléctrico, el
eje conector se extiende a través del mismo. En funcionamiento el fluido y el gas
suben rá pidamente por el espacio anular y pasan por los resaltos del separador. La
porción líquida de la mezcla invierte su dirección y fluye por las perforaciones
hacia la parte inferior del tubo del separador, seguidamente por acción de un
inductor tipo tornillo el fluido asciende hacia la admisión de la bomba, mientras
que el gas sigue ascendiendo por la columna de fluido. Existen dos tipos de
entradas: está ndares y separadores de gas. Los separadores pueden ser está ticos y
diná micos.
37

GRÁ FICO Nº 9
Separador de gas 20
Entrada está ndar o intake.- La entrada está ndar o ARZ, REDA Co, usa cojinetes
y forros de cojinetes de zirconio para darle una mejor protección contra el
desgaste abrasivo y la vibración lateral; esto es importante cuando se está tan
cerca de un sello mecá nico de un protector. En los dispositivos de entrada
está ndar no se obtiene una eliminación total del gas libre, solo sirve de cá mara de
succión.
Separador está tico de gas.- En el separador de gas existen algunas partes
especiales para retener el gas libre. Los diseños de los separadores originales
buscaban incrementar la separación del gas forzando a que el flujo se revierta
20 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
38

dentro de la entrada antes de ingresar a la bomba. Este diseño trabaja como un
segregador de gas, el separador no realiza ningú n trabajo mecá nico sobre el
fluido; se lo conoce como separador está tico de gas.
Separador diná mico de gas.- Los separadores de gas diná micos imparten cierta
energía al fluido con la finalidad de conseguir que el vapor se separe del líquido.
Este diseño usa un inductor para incrementar la presión del fluido y una
centrífuga; se lo llama separador centrífugo, cinético o rotario. Las paletas de la
centrífuga giran a la misma velocidad como el motor, causando que los fluidos
má s pesados sean forzados a dirigirse hacia fuera. El gas y el líquido cruzan en el
tope donde el gas regresa al espacio anular y el líquido pasa dentro de la bomba.
La eficiencia del separador de gas se determina así:
Eff = gas libre separado / gas libre disponible
Otro término usado en varios programas es el porcentaje de ingreso de gas GIP.
GIP = 1- Eff separador
El GIP cuantifica la cantidad de gas libre presente en la entrada a la bomba,
también incluye la separación natural. 21
La eficiencia de separación no es un nú mero fá cil de predecir debido al nú mero de
variables involucradas. Solamente la separación natural puede variar desde 5 %
21 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
39

hasta 70 %, dependiendo del tipo de fluido, velocidades, patrones de flujo,
dimensiones del equipo, desviación del pozo, etc.
Los separadores rotarios tienen rangos limitados de fluido que pueden aceptar y
consumen una cantidad de potencia del motor.
TABLA Nº 2
Rango de flujo permisible (BFPD a 60 Hz) 22
Tipo Má ximo
Efectivo
Má ximo
Permisible
Mínimo Serie
REDA
KGS/ARS 2440 250 338
65 GS 1750 4300 400/387
RF 2500 6000 400/387
74GS 3600 9000 540
KGS/GRS 7000 1000 540
2.4.5.- Bombas
Potencia a 60 Hz para REDA
SERIE 338 1,75 HP
SERIE 400 1,25 HP
SERIE 540 7,0 HP
La bomba es de tipo multietapas. Está n compuestas de etapas, eje y carcaza,
principalmente. Una etapa está formada por el impulsor y difusor; cada etapa
22 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
40

consiste de un impulsor rotativo, vinculado al eje, y un difusor está tico, vinculado
a la carcaza (casing) de la bomba, formando de esta manera un conjunto rotor-
estator. Dependiendo del tipo de etapa el impulsor tiene de 7 a 9 alabes, los cuales
proveen un movimiento suave al fluido pasando a través del impulsor. El nú mero
de alabes siempre es diferente en el difusor que en el impulsor para prevenir
vibración. La rotación de los impulsores provoca el movimiento de fluido que al
pasar a través de los difusores aumenta su presión gradualmente llegando a un
valor má ximo, cuya magnitud determinada por el nú mero de etapas de la bomba,
proporciona la presión necesaria para elevar el fluido.
FOTO Nº 4
Impulsor y difusor de una etapa de flujo radial 23
23 Tomado de: Presentación Reda ESP systems
41

Las presiones de elevación generadas por etapas individuales de una bomba
multietapa se adicionan. La altura de elevación diná mica total es la presión contra
la cual la bomba debe operar y está determinada por la suma de:
- La distancia desde la superficie al nivel de fluido de trabajo en el pozo, ésta
puede obtenerse de los echometer, o desde el cálculo del índice de
productividad.
- Las pérdidas por fricción del fluido en el tubing, que se obtiene de tablas.
- La presión de descarga del tubing en superficie, se debe convertir el dato de
psig a pies multiplicando por 2.31 y dividiendo por la gravedad específica
del fluido. 24
El nú mero de etapas requerido para la bomba se determina mediante el cociente
de la altura diná mica total y la altura de elevación desarrollada por una etapa. La
altura de elevación desarrollada por una etapa se obtiene de la curva característica
caudal-altura de elevación del tipo de bomba cuya má xima eficiencia se desarrolle
para el rango de caudal para el cual fue diseñada la instalación.
24 Tomado de: Manual de producción – Amoco, Argentina.
42

GRÁ FICO Nº 10
Impulsor y difusor de una etapa de flujo mixta 25
Los fabricantes recomiendan un rango de operación en base a los pará metros de
empuje y eficiencia. Un impulsor operando a un volumen mayor que el rango de
operación recomendado por el fabricante, mostrado en las curvas, producirá un
desgaste en el asiento superior del buje de empuje, dado que la altura de elevación
generada es menor que la de diseño. De manera similar, cuando la bomba está
operando con un caudal menor al recomendado, la altura de elevación generada es
mayor en la descarga del impulsor produciendo un desgaste en el asiento inferior
25 Tomado de: Presentación Reda ESP systems
43

del buje de empuje. Por estas razones, las bombas deben operarse dentro de
ciertos rangos de capacidad para lograr un mínimo desgaste del impulsor y buje
de empuje. Los impulsores pueden vincularse al eje en dos formas, fijos o
flotantes. En el primer caso, los impulsores está n unidos al eje mediante anillos de
compresión y hay solamente dos cojinetes grandes de empuje, uno en cada
extremo. Los impulsores flotantes no está n unidos al eje y se les permite flotar en
el fluido que lo atraviesa (pueden moverse longitudinalmente sobre el eje en un
determinado entorno). Cada impulsor tiene su propio cojinete de empuje y la
separación entre impulsores puede variar. Las bombas utilizadas en nuestra
operación tienen rotores flotantes.
La capacidad de producción de la bomba, para un determinado nivel de fluido,
también depende de las características del fluido a bombear, la que se verá
afectada ante un incremento de viscosidad, peso específico o porcentaje de gas en
el fluido. Por ejemplo, si para un diseño de bomba la viscosidad del fluido es
significativamente superior a la del agua, se tendrá un incremento de potencia y
una reducción en la altura de elevación y caudal.
Dado que la mayoría de los pozos equipados con bombas electrosumergibles
producen altos porcentajes de agua, o la viscosidad del petróleo es muy
aproximada a la del agua, no hay mayor problema con los efectos de la
viscosidad.
44

GRÁ FICO Nº 11
Bomba multietapas 26
El volumen de descarga de la bomba (caudal) depende de la velocidad de
rotación, del tamaño y diseño del impulsor y de la altura de elevación diná mica
total (TDH) que debe vencer. La relación entre altura de elevación, capacidad,
eficiencia y potencia se expresa matemá ticamente como:
26 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
45

BHP = Q * H * SpGr
Eff * 3960
Donde: Q = volumen en BPD
H = altura de elevación en pies
Eff = eficiencia de la bomba
SpGr = gravedad específica de la mezcla agua-petróleo 27
La reacción longitudinal o empuje sobre los impulsores de la bomba y eje es
transferido a los cojinetes de empuje, de manera que un diseño incorrecto de la
bomba podría resultar en una falla prematura. Las bombas fallan normalmente
debido al desgaste o enclavamientos debido a incrustaciones, arena, parafina, etc.
El grado de desgaste puede acelerarse notablemente con la presencia de abrasivos
en el fluido, tales como arena.
En las bombas la codificación está dada por letras y nú meros, por ejemplo: DN-
1000, GN-4000 o SN-8500. Las letras determinan el diá metro externo de la
bomba y en que tamaño de tubing pueden entrar. Los números definen la
producción óptima en BPD; si el impulsor es flotante la bomba puede trabajar en
el límite superior o upthrust o en el límite inferior downthrust. 28 En la siguiente
tabla se presenta los rangos de las principales bombas:
27 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
28 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
46

TABLA Nº 3
Producciones en BFPD 29
REDA
CENTRILIFT
Tipo Rango Tipo Rango
DN-450 350-550 FC-650 450-850
DN-1300 960-1640 FC-1200 950-1540
GN-2000 1500-2500 GC-2200 1500-3000
GN-4000 3200-4800 GC-4100 2800-5600
GN-5200 3900-6600 GC-6100 3650-8200
Dependiendo del tipo de contaminantes sólidos que tenga el fluido del pozo, por
ejemplo, arena de la formación, incrustaciones de carbonatos y sulfatos, óxidos de
hierro, sulfuros, parafinas, etc se requiere una metalurgia especial y la
incorporación de cojinetes en las etapas.
2.4.6.- Cable elé ctrico
La energía eléctrica se envía al motor a través del cable. Son cuidadosamente
aislados y pueden ser de tipo plano o redondo, para trabajar en temperaturas que
pasan los 300 F. Tienen armaduras de acero, bronce o monel, dependiendo de las
condiciones del fluido.
Los cables son de cobre o aluminio, en tamaños desde el No 2 hasta el No 6. El
tamaño apropiado depende del amperaje, caída de voltaje y el espacio disponible
entre el tubing y el casing. El mejor cable seleccionado está en función de la
temperatura de fondo y el tipo de fluido del pozo.
29 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 102
47

La resistencia del conductor es proporcional a la longitud del conductor. Una
mayor á rea en el conductor tiene un efecto inverso en la resistencia. Cuando se
define el tamaño del cable, la caída de voltaje y la capacidad de corriente, es
proporcionado por el fabricante.
El típico material para el armazón en los cables para BES es de acero galvanizado.
Otros materiales como acero inoxidable, monel o bronce se usan regularmente en
medios corrosivos. Cuando se requiere inyectar químicos para prevenir la
corrosión, escala, demulsificantes y otros, se emplea cable con capilar para llevar
el químico hasta la succión de la bomba. Se debe tener precaución en la luz
(clearance) que debe existir entre los diá metros de los cuellos del tubing y motor,
para evitar atascamientos del capilar. 30
2.4.6.1.- Cables de configuración Plana
Estos cables son usados en pozos donde el espacio entre el equipo de fondo y el
diá metro interno del casing es reducido. En esta configuración tenemos una gran
variedad de cables, dependiendo de las características de los fluidos, temperatura
y porcentaje de gas.
30 Tomado de: Manual de equipos, Reda-Schlumberger
48

GRÁ FICO Nº 12
Cable plano 31
2.4.6.2.- Cables de configuración Redonda
Componentes:
1 - Conductor (Cobre sólido)
2 - Aislamiento
(Polipropileno o EPDM)
3 - Chaqueta (Nitrilo, EPDM
o Plomo) y cintas de
protección
4 - Armadura (Acero
Galvanizado, Acero
Inoxidable o Monel).
Estos cables son usados en pozos donde el espacio físico entre el equipo de fondo
y el diámetro interno del casing no es un impedimento. Usando este cable
tenemos un menor desbalance de corriente en superficie, por lo tanto se logra una
mejor operación del equipo de fondo.
31 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
4 3 2 1
49

Componentes:
GRÁ FICO Nº 13
Cable redondo 32
1 - Conductor (Cobre sólido)
2 - Aislamiento (Polipropileno o EPDM)
3 - Chaqueta (Nitrilo, EPDM o Plomo) y cintas
de protección
4 - Armadura (Acero Galvanizado, Acero
Inoxidable o Monel)
32 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
50

Tamañ o del
cable
TABLA Nº 4
Especificaciones para cable Centrilift 33
Caída
voltaje/Amp/
1000 ft @ 149 F
Capacidad
de
corriente
Ohms/100
0ft
@ 149 F
# 6 Cu o # 4 0.988
Al
55 amp 0.474
# 4 Cu o # 2 Al 0.624 70 amp 0.298
# 2 Cu o # 1/0
Al
# 1 Cu o # 2/0
Al
2.4.7.- Tableros de control
0.390 95 amp 0.188
0.307 110 amp 0.149
Hay tres tipos básicos de controladores del motor para las aplicaciones de BES;
estos son: switchboard, arrancadores suaves (soft starter), y controladores de
velocidad variable o llamados variadores de frecuencia. Normalmente, todos
utilizan circuitos sólidos para proveer la protección.
La selección de un tipo de controlador depende de la aplicación, economía y
método preferido de control.
33 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 104
51

Foto Nº 5
Tableros de control 34
Switchboard Arrancador suave (soft starter)
VSD 1200 KVA VSD 518 KVA
34 Tomado de: Presentación Reda ESP systems
52

El switchboard está formado por un motor arrancador, circuito sólido para
protección de sobrecarga y bajacarga, un switch manual o breaker, circuito
retardador de tiempo y un registrador de amperaje. Algunos sistemas de control
tienen equipo en superficie para determinar la temperatura y presión de entrada a
la bomba. Disponen de fusibles para la protección por cortocircuito; dependen del
amperaje del motor, se tiene de 50, 75, 100, 125, 150 y 200 amperios, seriados
como R1, R2, etc. 35
La mayoría de controladores sólidos disponen de protección de bajacarga,
sobrecarga, y protección automá tica contra desbalances de corriente y voltajes en
las tres fases.
Cuando una BES arranca con switchboard, la frecuencia y el voltaje son iguales a
la entrada y salida de los terminales. El resultado es una operación a velocidad
fija. En el arranque de la bomba, la demanda de corriente se incrementa en cinco y
ocho veces el valor nominal, en una fracción de segundo, cuando se aplica el 100
% de voltaje. Este alto consumo de corriente permite al motor liberar varias veces
el torque rateado; puede causar un estrés eléctrico y mecá nico excesivo en el
equipo.
Las BES se utilizan en pozos de gran profundidad (6000-8000 pies), requiriéndose
una gran longitud de cable y causa una caída de voltaje considerable en el motor.
35 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 105
53

Los soft starter está n diseñados para reducir una alta tensión eléctrica y mecá nica
asociados con los arranques ligeros. Es similar a un switchboard está ndar, aunque,
fueron diseñados para disminuir el voltaje en los terminales del motor durante el
arranque.
El arranque suave se lleva a cabo controlando la cantidad de potencia
proporcionada al motor a medida que la velocidad en el motor aumenta. El
sistema utiliza relé en reactores primarios en el campo magnético, dentro de la
bobina, para disminuir el voltaje durante el arranque. Posteriormente, los circuitos
del reactor son colocados en by-pass.
Los arrancadores soft star generalmente usan semiconductores de fuerza como los
SCR`s (silicon controlled rectifiers), para regular la potencia a la bomba.
Típicamente un arranque suave toma un cuarto de segundo para alcanzar la
velocidad nominal. Un variador puede retardar este tiempo hasta 7 segundos,
reduciendo la corriente de arranque y el torque transitorio.
Variadores de frecuencia
Las BES son inflexibles cuando operan a una velocidad fija, es decir, la unidad se
limita a rangos fijos de producción y cabeza de descarga. Los controladores de
velocidad variable o variadores de frecuencia, han permitido superar estas
limitaciones, facilitando que la velocidad del motor y bomba varíen, así la
producción, cabeza o ambos puede ajustarse a los requerimientos del operador, sin
alterar la unidad en el fondo.
54

GRÁ FICO Nº 14
Como funciona un variador de frecuencia 36
RECTIFICADOR FILTRO
480 V; 60 Hz
VOLTAJE
AC - DC
INVERSORES
AC - DC
AC - DC
AC - DC
La operación básica del VSD consiste en transformar la corriente alterna (AC)
trifá sica de 480 volts y 60 Hz, en corriente continua (DC) empleando 6 o más
SCR`s. Luego se tiene un filtro para mejorar la corriente continua, y finalmente
tres inversores de AC a DC mediante los SCR`s. A la salida se tiene una corriente
con voltaje (400-480 V) y frecuencia variable (10 a 110 Hz).
36 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 106
FASE A
FASE B
FASE C
TIEMPO
55

Si se utiliza un generador para proveer la potencia al variador, necesitará
disponerse de filtros especiales para prevenir que las ranuras puedan entrar al
circuito de control. El generador debería estar sobre diseñado entre 25 % a 50 %
má s que la carga real del variador para manejar el exceso de corriente en el
arranque. 37
Un problema de los variadores es la introducción de ruidos en el sistema eléctrico,
que tienen la apariencia de un pico de voltaje; aunque los picos son de baja
energía, aplican tensión en el aislamiento. Esta energía adicional será perdida
como calor. El ruido puede dañar algunos equipos electrónicos.
Cuando se cambia la frecuencia o la velocidad de la bomba se afecta
significativamente el rendimiento. La capacidad de potencia del motor aumentará
directamente con la variación de la frecuencia. Esto asume que el variador
mantiene una relación de voltios por hertz constante.
37 Tomado de: Nociones bá sicas de la producción de petróleo y sus derivados, Eduardo Benalcazar
56

2.4.8.- Caja de empalmes (Junction Box)
FOTO Nº 6
Quick conector
Pozo TIG 07 - Campo Tiguino
FOTO Nº 7
Caja de venteo
Pozo TIG 01 – Campo Tiguino
Caja de venteo
Quick connector
57

Llamada también de caja de venteo, tiene dos funciones:
Provee un punto de conexión entre el cable de fuerza del tablero de control, y
el cable de fuerza que viene del pozo.
Permite él venteo de gas que puede venir a través del cable del pozo y causar
explosión en el tablero de control.
Las instalaciones en superficie de transformadores, caja de empalmes y tablero de
control, se realizan de dos formas:
2.5.- Tipos de instalaciones en superficie
2.5.1.- Instalaciones con generador
En los pozos que no se dispone de líneas de alta tensión, el suministro de energía
se hace por medio de un generador, el que normalmente entrega 480 voltios. Con
un transformador de 480/1150/2300 voltios se eleva el voltaje, que es regulado de
acuerdo a los requerimientos del motor. 38
38 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 111
58

5
FOTO Nº 8
Equipo de superficie alimentado con generador
4
1. Generador
2. Variador de frecuencia
3. Transformador
4. Filtro de armónicos
5. Caja de venteo
Pozo TIG 01 – Campo Tiguino
3
2
1
59

2.5.2.- Instalaciones con líneas de alta tensión
Cuando se dispone de un sistema de distribución de corriente eléctrica de alta
tensión, por ejemplo de 13800 voltios, se instala transformadores de
13800/2300/1150 voltios. En este caso el voltaje se reduce, regula y se conecta al
tablero de control.
LINEA ALTA
13800
60 Hz
GRÁ FICO Nº 15
Pozo con líneas de alta tensión 39
XFM ALTA
T º ;
480
60 Hz
VSC
KVA
400-480 V
10-80Hz
XFM BAJA
MULTI
TAP
T º ;
39 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 107
1100-4500 V
40-120 Hz
CAJA
EMPALME
MOTOR:
2000-2600V
58-105 amp
330-460 Hp
60

2.6.- Tipos de completaciones para las bombas electrosumergibles
Dependiendo de factores como estado del casing, presión del yacimiento, índice
de productividad, diá metro externo de la bomba, diá metro del acople superior de
la bomba, las bombas centrífugas pueden tener dos configuraciones bá sicas:
2.6.1.- Cuando posee empacadura o packer
En este caso no se produce una comunicación del fluido entre el espacio anular y
el tubing. Generalmente se dispone de este modelo cuando el pozo tiene una
presión de yacimiento baja o cercana al punto de burbuja; ademá s, si el casing se
encuentra en mal estado, por corrosión o daño mecá nico, será necesario disponer
del packer. Para evitar un flujo en reversa dentro de la bomba cuando se corte el
fluido eléctrico por cualquier motivo, se dispone de un standing valve sobre la
misma.
Para arrancar el motor con un switchboard, manual o automá ticamente, se debe
analizar el motivo y tiempo de la parada, comprobar la presencia del standing,
para evitar un fuerte torque y posible rotura de los ejes de la bomba. Esto será
muy probable que ocurra si el eje es de diá metro pequeño, debido a la baja
producción del pozo y tamaño de la bomba.
61

2.6.2.- Cuando no dispone de packer
Existe comunicación entre el espacio anular y el tubing. Se emplea esta
configuración en pozos de gran índice de productividad, mayor a 2, o presiones de
reservorio mayores a 2000 psi. Cuando no se dispone de cable con capilar para la
inyección de químicos anticorrosivos o antiescala, en este modelo se puede
inyectar los químicos a través de la recirculación tubing-casing en superficie.
Uno de los graves problemas que se presenta en la operación de BES es la
formación de escala o corrosión en el tubing o bomba. Generalmente, en Tiguino
se produce de la formación Napo T, aunque se ha tenido presencia de escala
también en la arena Main Hollín. La arena T presenta una mayor tendencia a
depositar escala, en cualquier caso, la inyección o tratamiento químico es
fundamental, se ha tenido pozos que forman escala en tres meses.
Una prá ctica comú n consiste en sacar el standing valve de la tubería para
incrementar el á rea de flujo y evitar restricciones que generen escala.
En el caso que no haya energía y se apague la bomba, para arrancar el pozo, se
tomará en cuenta la presión de reservorio, y si es alta se puede proceder al
arranque inmediato. Aquí no ayuda mucho el standing por la resistencia que
presenta la presión del yacimiento al flujo reverso en la bomba.
62

Casing
7 plg o Liner
5 LinerINER
1/2 plg
GRÁ FICO Nº 16
Completación de bombeo elé ctrico con packer
Pr = 1200 psi
P r = 2000 psi
Tubing
3 1/2 O 2 7/8 plg
Camisa circulación
Completación de bombeo elé ctrico sin packer 40
Casing 7 plg Tubing 3 1/2
No- go (asiento del standing valve
Packer
Bomba
Intake
Protector
Motor
Camisa circulación
No- go , asiento del standing valve
Camisa deslizable 2 3/8
Bomba
Intake
Protector
Motor
40 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 113
63

GRÁ FICO Nº 17
Completación Bá sica de un pozo con bomba electrosumergible.
cabezal
Arena
productora
Tubing
Casing
Bombas
Separador de gas o intake
Protector
Motor
Sensor de fondo
64

2.7.- Sistemas de bombeo horizontal
El sistema de bombeo horizontal o superficial consiste de un motor eléctrico, una
cá mara de empuje, bombas centrífugas multietapas y controles eléctricos. Todo
este equipo va montado en un skid de perfil “I” con tubería de sección cuadrada.
Este sistema tiene varias aplicaciones como:
• Inyección de agua de formación
• Transferencia de crudo y derivados
• Bombeo de agua fresca y salada
• Para uso industrial
• Sistemas de bombeo para minería
• Inyección de fluido motriz a alta presión
• Como sistema Booster
En el campo Tiguino este sistema de bombeo horizontal se instaló en el año 2000,
cuando tomo a su cargo las operaciones la empresa privada, en un inicio este
sistema se utilizó para el bombeo de crudo, reemplazando bombas triples de
pistón marca Whitley, con este cambio se logró aumentar la rata de bombeo y
tener un rango amplio en ratas y presiones para bombeo.
65

2.7.1.- Componentes
Motor.- Los sistemas de bombeo horizontal o superficial utilizan motores
eléctricos industriales tipo NEMA B. Este tipo de motor tiene las siguientes
características: 460 v, trifá sico, 60 Hz, 3600 rpm, aislante clase F, factor de
servicio 1.15, torque Nema B, eje corto, cojinete de bolas. El tipo más usado de
motor es el enfriado por aire y sellado, para trabajar al ambiente en extrema
humedad y presencia de basuras. El factor de servicio de 1.15 no significa que el
motor puede ser sobrecargado un 15 % en forma continua, sino en forma
intermitente. Los motores son construidos para trabajar en forma eficiente con
valores de voltaje y amperaje de placa y en forma continua. 41
Cá mara de empuje e intake.- La cámara de empuje absorbe la carga
generada por las bombas, pueden soportar cargas sobre las 10000 libras de empuje
a 3600 rpm, para aplicaciones sobre los 600 Hp. Existen dos diseños de cá maras,
la primera incluye cojinetes de bolas lubricados con aceite con cargas radiales y
axiales, los sellos de los ejes tienen iguales presiones atmosféricas en ambos
lados, haciendo sello ú nicamente para proteger del polvo y basuras exteriores. La
segunda incluye el sello de alta carga que debe manejar la presión de intake de la
bomba.
Entre la cá mara de empuje y la bomba, se monta la sección de intake o entrada de
la bomba, este puede rotar 360º para facilitar la conexión a la tubería de entrada
41 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
66

segú n las necesidades, para altas presiones de intake segú n los requerimientos
operacionales, se deben poner flanges para presiones de trabajo desde 150 hasta
3000 psi. El material debe ser construido en metalurgia anticorrosiva y en
combinación de acero con aleación de níquel y acero inoxidable. 42
Bombas.- Las bombas para sistemas de bombeo horizontal son bombas
centrífugas multietapas, iguales a las bombas que se utilizan para la producción de
petróleo en pozos. Las capacidades de bombeo varían desde 100 hasta 35000
bfpd. 43 Los requerimientos de presión de descarga del sistema deben ser
conocidos para hacer la selección correcta del tipo y modelo de bomba a instalar.
Skid y accesorios.- El skid del sistema HPS es construido sobre una base de
perfil I, el skid debe llegar al campo, completamente armado con la cámara de
empuje, switchs necesarios de parada del equipo y abrazaderas para las bombas.
Sensores de vibración y de presión Murphy deben ser colocados en el skid, los
cuales son necesarios para delimitar las presiones de entrada y salida de la bomba,
así como también la vibración permitida en el equipo.
42
Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
43
Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
67

FOTO Nº 9
Sistema de bombeo horizontal
68

3.- APLICACIONES Y DISEÑ O DE EQUIPO ELECTROSUMERGIBLE
3.1.- Aplicaciones de los Variadores de Frecuencia
Es importante entender cómo funcionan los variadores de frecuencia y cómo
afectan el rendimiento del sistema de bombeo electrosumergible. Para esto
debemos conocer:
• Cómo funciona un variador.
• Conocer el cambio del rendimiento del sistema BES y cómo afecta a la
confiabilidad de la bomba y el motor.
• Comparar las ventajas y desventajas de diferentes tipos de variador.
Los objetivos para operar adecuadamente un variador son:
• Seleccionar los equipos óptimos de subsuelo y de superficie.
• Determinar la frecuencia má xima permisible para una aplicación dada.
• Determinar cómo colocar el variador óptimamente y ajustar la sobrecarga
(O/L) y la bajacarga (U/L).
Una forma de operar las unidades de bombeo electrosumergibles es utilizando un
variador de frecuencia.
El variador de frecuencia nos permite operar la bomba electrosumergible sobre
un amplio rango de frecuencia en vez de estar limitado a la frecuencia de línea.
69

Podemos sacar provecho de esto para seleccionar un tamaño de bomba y de
motor capaz de manejar amplio rango de condiciones de aplicación.
Los cambios en la frecuencia afectan la potencia nominal del motor. La potencia
nominal del motor y la velocidad aumentan con la frecuencia. Podemos
aprovechar el amplio rango de los equipos para tener un sistema BES operable a
una amplia variedad de condiciones.
Esto podría ser ú til en casos tales como:
1) Productividad desconocida
2) Cambio de las condiciones del pozo en el tiempo.
3) Mantener constante la presión en la entrada de la bomba.
4) Reducir los requerimientos de arranque.
5) Disponibilidad de equipo
La reducción en los requerimientos de arranque resulta de un arranque suave en
comparación con el obtenido con un arrancador. Típicamente, un arranque
está ndar toma 1/4 de segundo para alcanzar la velocidad nominal. Un variador
puede retardar este tiempo hasta 7 segundos reduciendo la corriente de arranque y
el torque transitorio. 44
Aunque el diseño cuando que utiliza un variador de frecuencia es más
complicado, no es muy difícil de entender y realizar. Si se toma en cuenta algunas
reglas simples, diseñar un sistema BES puede ser sencillo.
44 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
70

3.2.- La forma bá sica de trabajar de un VSD.
En los Variadores se utilizan dispositivos no-lineales para cambiar la Corriente
Alterna AC entrante en corriente contínua DC, este proceso introduce la mayoría
de armónicos en el sistema de potencia.
En un Inversor variable de voltaje tal como un Variador de seis pasos, maneja un
conjunto de SCR (silicon controlled rectifiers) que desempeñan esta función.
Estos dispositivos son disparados en coordinación con la corriente Alterna de
entrada AC, para variar el voltaje DC, basado en la velocidad (frecuencia). Esto
ocasiona dos condiciones:
• 1) Si el VSD no esta suministrando su Voltaje má ximo, se produce un cambio de
Fase entre la corriente y voltaje de entrada.
• 2) La forma de onda de la corriente no es sinusoidal. 45
45 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
71

3.3.- Armónicos
GRÁ FICO Nº 18
Entrada de seis pasos 46
Los sistemas de potencia son diseñados para transferir la potencia generada en
generadores, en un voltaje con forma de onda sinusoidal con una pequeña
distorsión (pocos armónicos). Los armónicos son múltiplos enteros de la
frecuencia fundamental.
La frecuencia fundamental es la frecuencia a la cual el equipo debería estar
utilizando y que en el caso de nuestra región es de 60 Hz, si fuera pura o ideal,
sería sinusoidal en su forma y sin presencia de armónicos.
Los armónicos son una forma de distorsión y como tal, hay una ecuación que
cuantifica la cantidad, y se conoce con el nombre de THD (Total Harmonic
46 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
72

Distortion). THD se expresa como un porcentaje, y es la suma de los cuadrados
del las amplitudes de todos los armónicos de voltaje (o corriente), comparada a la
amplitud de la frecuencia fundamental. 47
THD (%) = 100* SQRT (((A2) 2 + (A3) 2 + (A4) 2 +… +(AN) 2 ))
A1
GRÁ FICO Nº 19
Ejemplos de armónicos 48
Considere que la corriente está fluyendo de la línea "A" a través de la celda 1.
Cuando la celda 2 dispara, la corriente comienza a transferirse de la línea A a la
línea B. Las reactancias de fuente no permiten que esto sea instantá neo, así el
tiempo requerido para la conmutación llega tener muescas anchas.
Por un breve período de tiempo, dos líneas está n en corto.
47
Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
48
Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
73

En los variadores PWM (Pulse-Width Modulated), se utilizan DIODOS para
cambiar la Corriente Alterna AC entrante en corriente contínua DC, la
rectificación por este medio produce un Voltaje DC fijo. Este tipo de diseño
virtualmente elimina el cambio de fase presente al utilizar SCR´s. Sin embargo
todavía se presenta la deformación de la forma de onda de la Corriente, debido a
la respuesta no lineal de los DIODOS. 49
Esto puede ser reducido aumentando el valor de una Inductancia conectado en
serie ya sea adelante o después de los Diodos. También existe la posibilidad de
utilizar una entrada desfasada múltiple AC, la misma que reduce
significativamente los armónicos de corriente
En vez de utilizar 6 diodos en la entrada, se agregan 6 diodos al circuito. Esto
permite 6 fases AC, las mismas que son desfasadas en 60 grados eléctricos, en vez
de 3 fases desplazadas en 120 eléctricos.
GRÁ FICO Nº 20
Entrada de seis diodos
49 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
74

GRÁ FICO Nº 21
Entrada de doce diodos 50
Esto arreglo distribuye el flujo de la corriente en los diodos reduciendo las
componentes 5ta y 7ma de los armónicos.
GRÁ FICO Nº 22
Comparación de armónicos entre 6 – 12 – 18 diodos 51
50
Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
51
Tomado de: Production systems, Wood Group ESP
75

En los variadores PWM (Pulse-Width Modulated), se genera una onda cuadrada,
pero se “divide" la forma de onda en varios pulsos pequeños a fin de simular una
onda sinusoidal de voltaje.
La salida de voltaje se varía cambiando el ancho de los pulsos. La salida de
voltaje varía de modo lineal con la frecuencia de salida con el fin de equiparar los
requerimientos de flujo (Voltios / Frecuencia) del motor.
En tal virtud se simula un voltaje de forma sinusoidal, resultando finalmente en
una corriente sinusoidal
A pesar del tipo de variador que usamos, nunca tendremos potencia tan buena
como una onda sinusoidal está ndar. Los VSD's también son má s complicados que
un arrancador está ndar y, por lo tanto, son má s problemá ticos.
La gran ventaja de usar un variador de frecuencia es que permite una gran
flexibilidad en la aplicación de equipos de bombeo para pozos. Observemos una
curva de bomba a velocidad variable:
76

GRÁ FICO Nº 23
Curva típica de una bomba a 60 Hz 52
Podemos ver que simplemente por cambiar la frecuencia (o la Velocidad de la
bomba), podemos afectar bastante su rendimiento. Necesitamos ver
cuidadosamente qué está haciendo el variador de frecuencia a nuestro equipo de
subsuelo para diseñar correctamente el tamaño de la unidad.
52 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
77

GRÁ FICO Nº 24
Curva de bomba a frecuencia variable 53
La capacidad de potencia del motor aumentará directamente con la variación de la
frecuencia. Este asume que el variador mantiene una relación de voltios por hertz
constante.
HP2 = HZ2 o HP2 = HP1 * HZ2
HP1 HZ1 HZ1
53 Tomado de: Folleto de introducción al sistema BES y dimensionamiento de equipo BES, Jorge
Palomino
78

Así se vería una curva para un motor de 200 Hp a 60 Hz:
POTENCIA MOTOR
300
250
200
150
100
50
3.4.- Leyes de afinidad
Podemos predecir el rendimiento de una bomba a cualquier frecuencia por medio
de las leyes de afinidad: 54
TASA RPM 2 = TASA RPM 1 * RPM 2
RPM 1
ALTURA RPM 2 = ALTURA RPM 1 * RPM 2 2
RPM 1
BHP RPM 2 = BHP RPM 1 * RPM 2 3
20 40 60 80 100
RPM 1
FRECUENCIA Hz
54 Tomado de: Operaciones de producción de petróleo, Eduardo Benalcazar, pag. 107
79

Cuando cambia la velocidad de una bomba centrífuga, las características de su
perfomance también se alteran; estos cambios son predecibles, a través de las
Leyes de Afinidad. Fueron derivadas de aná lisis no dimensionales en máquinas
rotativas.
Las leyes muestran que para relaciones relativamente comunes o similares
diná micamente, ciertos pará metros dimensionales permanecen constantes.
Experimentalmente han demostrado su precisión, y pueden ser aplicadas en
cualquier punto de la curva cabeza-flujo. Las relaciones matemá ticas entre estas
variables son:
Q2 = Q1 * (N2/N1)
H2 = H1 * (N2/N1) 2
BHP2 = BHP1 * (N2/N1) 3
Donde: Q = Caudal; BPD
N = Velocidad; RPM
H = Cabeza o capacidad de desplazamiento; pies
BHP = potencia al freno; HP 55
55 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
80

Usando estas leyes, las curvas de perfomance, a cualquier velocidad, pueden ser
construidas para predecir el comportamiento de la bomba. Las condiciones
hidrá ulicas como tipo de flujo, empuje del impeler o eficiencia se mantendrá n
idénticas. No predicen la respuesta de la bomba actual si las condiciones del
pozo varían.
Debido a que la relación de RPM es la misma que la relación de frecuencia,
podemos sustituir los Hz por las RPM en las leyes de afinidad.
RPM 2 = HZ 2
RPM 1 HZ 1
Si conocemos el rendimiento de la bomba a 60 Hz, (es decir, tenemos una curva
de bomba disponible) fá cilmente podemos calcularlo a cualquier otra frecuencia.
TASA HZ = TASA 60 * HZ
60
ALTURA HZ = ALTURA 60 * HZ 2
BHP HZ = BHP 60 * HZ 3
60
60
Generalmente, podemos ver que, cómo el incremento de la frecuencia, la tasa, la
cabeza y los BHP, también se incrementará n.
81

Ahora, se debe enfocar en las cosas desde el punto de vista eléctrico para ver
cómo estos cambios en el rendimiento de la bomba afectará n el motor.
BHP HZ = BHP 60 * HZ 3
60
Los BHP requeridos por la bomba incrementan con el cubo de la relación de Hz.
Aparecería grá ficamente de esta manera:
POTENCIA BOMBA
500
400
300
200
100
20 40 60 80 100
FRECUENCIA Hz
Si se dibuja la curva de la bomba encima de la curva del motor, se puede ver que
la bomba requiere menos BHP de lo que el motor es capaz de entregarle en
algunas frecuencias menores. Entonces, a frecuencias mayores, los BHP
requeridos por la bomba sobrecargarían este motor. En este caso particular, los
BHP de la bomba y el HP del motor son iguales a 75 Hz y 250 Hp.
82

POTENCIA
500
400
300
200
100
La curva anterior indica que el motor es capaz de satisfacer los requerimientos de
la bomba hasta 75 Hz. Valores mayores sobrecargará el motor, causando
recalentamiento y posiblemente una falla prematura. Por lo tanto, el límite
má ximo de frecuencia será 75 Hz para este ejemplo. 56
Si usá ramos un motor más pequeño, se tendría un límite más bajo para la
frecuencia máxima. Por lo tanto, se requiere seleccionar un motor lo
suficientemente grande para nuestro requerimiento de Hp a la frecuencia má xima
requerida, en la que se está interesado producir.
56 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
20 40 60 80 100
FRECUENCIA Hz
83

POTENCIA
500
400
300
200
100
En general, lo que haríamos con él es diseñar una bomba basado en ciertas
condiciones de fluídos las cuales determinará n dentro de qué rango de frecuencia
deseamos operar.
Luego, necesitaríamos seleccionar un motor el cual será suficientemente grande
para nuestra necesidad de Hp a la frecuencia má xima requerida en la que estamos
interesados.
Debido a que el rango del motor es basado a 60 Hz ó 50 Hz, es necesario ajustar
el rango para otras frecuencias diferentes de ésas. A la frecuencia máxima
deseada, la potencia requerida por la bomba y la potencia disponible del motor
será n iguales.
Esto significa:
MHP HZ = BHP HZ
20 40 60 80 100
FRECUENCIA Hz
(1)
(2)
Motor má s
pequeñ o (2)
84

MHP 60 * HZ = BHP 60 * HZ 3
60 60
Podemos calcular el tamaño del motor requerido a 60 Hz.
MHP 60 = BHP 60 * HZ 2
60
Si conocemos los BHP de la bomba a 60 Hz y la frecuencia má xima de operación,
podemos fá cilmente determinar cuá l es el mínimo tamaño del motor a 60 Hz que
necesitamos.
Debido a que el rango del motor es de 50 o 60 Hz, es necesario ajustar el rango
para otras frecuencias diferentes de esas. Se conoce que, a la frecuencia má xima
deseada, la potencia requerida por la bomba y la potencia disponible en el motor
será n iguales.
MHP Hz = BHP Hz
MHP Hz = BHP 60 * (Hz/60) 2
85

TABLA Nº 5
Bombas Reda 60 Hz / 3500 rpm
Pump Monel Shaft Shaft Recommended
Capacity @ 60 Hz
Series - O.D. Type Max BHP Size ( BPD) (M 3 /D)
A400 94 0.625 200 – 500 32 – 80
AN550 94 0.625 400 – 700 64 – 111
AN900 94 0.625 550 – 1100 87 – 175
338 Series - O.D. 3.38 A1200 94 0.625 800 – 1650 127 – 262
AN1200 94 0.625 600 – 1400 95 – 223
A1500 125 0.687 1000 – 2000 159 – 318
AN1500 125 0.687 1000 – 2000 159 – 318
DN280 44 0.50 100 – 450 16 – 72
D400 94 0.625 200 – 550 32 – 87
DN440 94 0.625 100 – 550 16 – 87
DN525 94 0.625 300 – 625 48 – 99
DN675 94 0.625 325 – 850 52 – 135
D950 125 0.687 600 – 1150 95 – 183
400 Series - O.D. 4.00 DN1000 125 0.687 700 – 1250 111 – 199
DN1100 125 0.687 600 – 1350 95 – 215
DN1300 125 0.687 800 – 1600 127 – 254
D1400 125 0.687 900 – 1850 143 – 294
DN1750 125 0.687 1200 – 2050 191 – 326
DN1800 125 0.687 1200 – 2400 191 – 382
DN2150 125 0.687 1400 – 2600 223 – 413
DN3000 256 0.875 2000 – 3700 318 – 588
DN3100 256 0.875 2400 – 4000 382 – 636
DN4000 256 0.875 3400 – 5200 541 – 827
GN1600 256 0.875 1200 – 2000 191 – 318
GN2100 256 0.875 1650 – 2500 262 – 398
GN2500 256 0.875 1800 – 3100 286 – 493
G2700 256 0.875 2000 – 3400 318 – 541
513 Series O.D. 5.13 GN3200 256 0.875 2200 – 4150 350 – 660
GN4000 375 0.995 2500 - 5000 398 – 795
GN5200 375 1.00 3900 – 6600 620 – 1049
GN5600 375 1.00 4000 – 7500 636 – 1193
GN7000 375 1.00 5000 – 9000 795 – 1431
GN10000 637 1.187 7000 – 12000 1113 – 1908
SN2600 256 0.875 1600 – 3250 254 – 517
538 Series O.D. 5.38 SN3600 256 0.875 2400 – 4700 382 – 747
SN8500 256 1.00 6000 – 11000 954 – 1749
HN13000 375 1.00 9200 – 16400 1463 – 2608
562 Series O.D. 5.62 HN15000 375 1.00 12000 – 18000 1908 – 2862
HN21000 637 1.19 17000 – 24500 2703 – 3896
JN7500 637 1.187 6500 – 9000 1034 – 1431
675 Series O.D. 6.75 JN10000 637 1.187 8250 – 14500 1312 – 2306
JN16000 637 1.187 12800 – 19500 2035 – 3101
JN21000 637 1.187 16000 – 25000 2544 – 3975
862 Series O.D. 8.62 M520 637 1.187 12000 – 24000 1908 – 3816
M675 637 1.187 19000 – 32500 3021 – 5168
950 Series O.D. 9.50 N1050 1000 1.50 24000 – 43000 3816 – 6837
1000 Series O.D. 10.00 N1500 1000 1.50 35000 – 59000 5565 – 9381
1125 Series O.D. 11.25 P2000 1125 1.68 53600 - 95800 8523 – 15233
86

Cuando se conoce los BHP de la bomba a 60 Hz y la frecuencia máxima de
operación, se puede determinar fá cilmente cual será el tamaño mínimo del motor
que se necesita a 60 Hz.
3.5.- Ejemplo de diseñ o
Se dispone de una bomba GN-4000 de 175 etapas que va a operar hasta 80 Hz con
un fluido de gravedad 1.05. Para obtener el tamaño del motor a 60 Hz.
De la curva de rendimiento de la bomba se obtiene los BHP por etapa, 1.45; los
BHP totales será :
BHP 60 = 1.45 BHP / etapa * 175 etapas * 1.05 = 267
MHP 60 = 267 * (80/60) 2 = 474 Hp
Por ejemplo, se presenta en el caso de tener instalado una bomba GN-4000 con un
motor de 400 Hp a 60 Hz. Para conocer la frecuencia má xima a la que se puede
operar sin sobrecargar el motor, se resuelve la siguiente ecuación:
MHP60 400
Hz = 60 * _________ = 60 * _________ = 73 Hz
BHP60 267
Se dispone de una ecuación para calcular donde está el 100 % de la carga del
motor, pero también interesa conocer cual será la carga a otras frecuencias. Puede
calcularse de la siguiente manera:
87

BHP60 Hz 2
% Carga = ___________ * _________
(5-81)
MHP60 60
Para los datos anteriores, en el caso de que la bomba trabaje a 53 Hz, la carga
sería:
% Carga = (267 / 400) * (53 / 60) 2 = 52 %
Hay que tener precausión cuando se utiliza un motor demasiado grande para la
aplicación o cuando se trata de operar el motor sobre un amplio rango de
frecuencia, o ambos, si queremos proteger el motor correctamente.
Un motor má s grande que lo necesario permite operarlo con menor calor, lo cual
debería mejorar su vida ú til. Sin embargo, si el motor es demasiado grande, podría
impedir la operación en el rango de frecuencia completo.
Ya hemos seleccionado la bomba y el motor. Ademá s, planificamos utilizar un
variador. Ahora necesitamos seleccionar el variador de frecuencia. Los variadores
de frecuencia está n clasificados de acuerdo a su KVA. De tal manera que
necesitamos saber cuá ntos KVA se requieren. Para hacer esto, tenemos que
considerar solamente la máxima frecuencia a la que planificamos operar la
unidad. Debido a que en este punto, la producción y presión son mayores, la
unidad deberá aportar mayor cantidad de trabajo al fluido.
88

Tabla 6
Motores Reda serie 540 tipo 91
HP VOLT AMP TIPO LONG. ft PESO lbs
100 1305 51.5 S 15.7 1007
UT 15.8
2313 27 S 15.7 1007
UT 15.8
120 1105 69.5 S 18.5 1194
UT 18.5
CT 18.8
2270 32.5 S 18.5 1194
UT 18.5
140 1022 85 S 21.2 1380
UT 21.2
CT 21.5
1299 69.5 S 21.2 1380
UT 21.2
CT 21.5
2101 40.5 S 21.2 1380
UT 21.2
160 1153 82.5 S 23.9 1580
UT 24.0
CT 24.3
2078 47.5 S 23.9 1580
UT 24.0
180 951 111.0 S 26.7 1793
UT 26.7
CT 27.0
1354 83 S 26.7 1793
UT 26.7
CT 27.0
1998 54 S 26.7 1793
UT 26.7
2313 47.5 S 26.7 1793
UT 26.7
200 1058 113 S 29.4 1978
UT 29.5
CT 29.7
2194 55.5 S 29.4 1978
UT 29.5
89

Del catá logo, seleccionamos dos motores en tá ndem de 200 Hp cada uno para un
total de 400 Hp, 2116V y 113A (@ 60 Hz)
El motor que usaremos es de 400 Hp, 2116V y 113Amp. a 60 Hz.
El voltaje del motor a 70 Hz será :
VOLTS = 2116 * 73 = 2574.47
60
Para conocer el amperaje, debemos saber que este amperaje todavía será nominal
(113 Amp.). El amperaje nominal no cambiará con la frecuencia.
De acuerdo a la placa del motor, se debe encontrar cuá ntos KVA se requieren a 73
Hz. Los KVA del motor a 73 Hz será n:
KVA = VOLTS * AMPS * 1.732
1000
KVA = 2574 * 113 * 1.732 = 504
1000
En realidad, sabemos que el motor no va a ser totalmente cargado, de manera tal
que el KVA real será ligeramente menor. Por lo tanto, la eficiencia y el factor de
potencia disminuyen cuando el motor no está cargado completamente.
90

Esto causará que el requerimiento de KVA del motor sea mayor que el esperado
si se toma en cuenta solamente el amperaje. Para tener un factor de seguridad,
usaremos el KVA total del motor basado en la placa.
Tenemos que recordar que habrá una caída de voltaje en el cable de potencia. Para
este ejemplo, asumimos que el tamaño del cable es N° 1 AWG.
Voltage Drop per 1,000 feet of Cable
60
50
40
30
20
10
#6
GRÁ FICO Nº 25
Pé rdida de voltaje en el cable 57
#4
#6 Cu
#4 Cu
0
0 20 40 60 80 100 120 140
Current in Amperes
#2
#1
#2 Cu
#1 Cu
#1/O
#1/O Cu
Del grá fico, la caída de voltaje será alrededor de 24 v cada 1000'. Entonces la
caída total de voltaje en el cable si es de 5000 pies de largo será de:
57 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
91

CAIDA DE VOLTAJE = 5000 * 24 = 120
1000
Debemos sumar este valor a los 2574.47 V del motor, para obtener el voltaje que
se requiere en la superficie, el cual será de 2690.47V. Es decir, el variador debería
proveer 2690.47V a 73 Hz para suministrar el voltaje requerido por el motor.
El KVA requerido será :
KVA = 2690 * 113 * 1.732 = 526
1000
Este valor está muy cerca de 518 KVA. No se puede usar un variador de 518
KVA porque debemos considerar que la salida del variador debe ser de 2690 v a
73 Hz. El ú nico problema es que el má ximo voltaje que el variador puede entregar
es de 460V a 480V.
Esto significa que necesitamos usar un transformador elevador entre el variador y
el motor. Los transformadores no son 100% eficientes, por lo tanto, debemos
aumentar el KVA requerido tomando en cuenta la eficiencia del transformador.
Si asumimos una eficiencia de 96% en el transformador, entonces el variador
deberá entregar alrededor de 547 KVA al transformador. El 4% es solamente para
efectos de cálculo. Cada transformador tiene una eficiencia en base a su
construcción. Es recomendable usar la eficiencia real si se conoce. Deberíamos
seleccionar un transformador con una capacidad de por lo menos de 547 KVA.
92

No podemos usar cualquier transformador. El transformador elevador que se debe
usar en conjunto con un variador es de un diseño especial; siempre tienen dos
devanados separados. Nunca debemos usar un autotransformador en conjunto con
un variador. Adicionalmente, el transformador debe ser diseñado tomando en
cuenta los requerimientos especiales del variador.
El diseño del transformador elevador debe considerar lo siguiente:
1) Debe tener baja densidad de flujo magnético para:
• Proveer Voltaje Extra de arranque (V. Boost)
• Compensar por D.C.
• Manejar la onda de voltaje cuadrada
2) Los selectores deberían cubrir una amplia gama de voltaje.
3) Debería ser capaz de manejar el KVA má ximo a cualquier voltaje seleccionado.
4) Debería tener el rango pleno de KVA para todas las frecuencias de operación.
Necesitamos un variador de una salida de 547 KVA y afortunadamente los
variadores está n clasificados por su salida.
Debido a que los variadores no son 100% eficientes, el tamaño del transformador
primario debe ser ajustado para compensar la pérdida de KVA en el variador.
Los 547 KVA está n muy cerca de los 518 KVA del variador que se tiene
disponible en el catá logo, sin embargo es muy importante recordar que, por
ninguna razón, los variadores pueden estar sobrecargados.
93

TABLA Nº 7
Variadores Reda Speedstar 2000 58
Si la temperatura ambiente es muy alta, no es recomendable cargar el variador
completamente, debido a que podría recalentarse mucho.
Otra consideración es que un variador no siempre es capaz de entregar su má ximo
KVA. Un voltaje desbalanceado o un sistema eléctrico flojo podría impedir la
utilización óptima de un variador.
Por lo tanto se necesitaría un variador de 600 KVA (@ 60 Hz).
58 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
94

Si se planifica operar entre 45 y 73 Hz, el técnico de campo debe conocer esta
información cuando se está ajustando el variador.
Este variador puede operar en un amplio rango de frecuencia, pero su máximo
voltaje de salida será de 460V a 480V. Lo que queremos hacer es ajustar el
variador para que la salida sea de 460V a la frecuencia má xima de 73 Hz.
De esta manera, obtendremos una capacidad máxima de salida en KVA del
variador.
Si se ajusta el variador a una frecuencia bá sica de 60 Hz, significa que el variador
nunca podrá ir má s allá de 60 Hz. La unidad necesita operar a 73 Hz, entonces una
frecuencia bá sica de 60 Hz no es adecuada.
En cambio si se ajusta el variador a una frecuencia bá sica de 90 Hz, hay que tener
en cuenta que el variador mantiene constante la relación voltaje / hertz.
Esto no necesariamente es un problema, pero se debe saber que el máximo
amperaje de salida permisible es fijo. Esto significa que el KVA de salida del
variador se reduce con el voltaje.
Si nuestra frecuencia básica de operación se ajusta muy alto, el VSD no tendrá
suficiente capacidad de KVA para operar nuestro equipo de subsuelo al punto
requerido.
En general, es mejor si se ajusta al variador con una base de frecuencia tan cerca
al punto de funcionamiento como sea posible. Esto da mucha más eficiencia
95

debido a que el variador está operando má s cerca de su carga plena. Esto también
provee un mejor control y protección al motor.
Si, por ejemplo, se coloca el variador para 73 Hz y decidimos má s tarde que no
deseamos correrlo mucho má s rá pido que a 63 Hz, realmente deberíamos colocar
el variador con una nueva base de frecuencia de 63 Hz.
Esto puede ser realizado fácilmente por un técnico de la empresa proveedora de
las bombas eléctricas o por personal capacitado en el campo.
Si se necesita un VSD de mayor capacidad del que se dispone si necesitamos Por
ejemplo, un VSD de 1200 KVA y solamente disponemos de uno de 1000 KVA
para producir nuestro pozo, 1000 KVA es el mayor tamaño de VSD
comercialmente disponible. Es posible instalar dos VSD en paralelo, para obtener
el doble de capacidad. 59
Esta es una proposición extremadamente costosa, y correr VSD en paralelo
requiere de ajustes de sincronización muy precisos y también de algunos controles
maestros adicionales. En algunas ocasiones, ésta es la ú nica opción disponible y,
ciertamente, es factible.
Ahora bien, hemos seleccionado un VSD de 600 KVA, para nuestra aplicación
que utiliza un motor de 400 HP. También sabemos que nuestra bomba requerirá
267 HP cuando funcione a 73 Hz. Debemos ajustar las protecciones de Bajacarga
y Sobrecarga del motor, ajustaremos a valores de 15% por arriba y 20% por
59 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
96

debajo del amperaje nominal. Sabemos que nuestro motor tiene un amperaje
nominal de 113 Amps.
El ajuste de Bajacarga será de:
U/L = 113 x 80% = 90.5 amps
El ajuste de Sobrecarga será de:
O/L = 113 x 115% = 130 amps
Recuerde que el motor no toma 113 Amps sólo por que esto está escrito en la
placa. La corriente usada dependerá de la carga aplicada al motor.
Para determinar la carga que aplicaremos al motor:
La potencia de la bomba a 73 Hz es de 267 Hp.
Un motor de 400 HP a 60 Hz es capaz de desarrollar una potencia de 486 Hp a 73
Hz, de modo que la carga en el motor será :
PORCENTAJE DE CARGA PLENA = 267 = 55 %
486
En la curva podemos ver que el motor tomará alrededor del 58% del amperaje de
placa, o sea unos 66 Amps.
97

Con esto, el ajuste correcto para Bajacarga será de:
U/L = 53 Amps.
y el de Sobrecarga será de
O/L = 76 Amps
Esto está lejos de los cá lculos de placa que hicimos anteriormente.
Recuerde que cuando reducimos la frecuencia, necesitamos reajustar los puntos de
control del motor a valores razonables para mantener una protección adecuada del
equipo en todo momento.
Generalmente ajustamos el valor de O/L un poco alto y el valor de U/L bastante
bajo para evitar que el equipo se detenga mientras realizamos los cambios de
frecuencia. Si bien podemos hacer esto temporalmente mientras estamos
cambiando la frecuencia, no debemos permitir que la unidad continú e
funcionando con estos ajustes. El cambio de frecuencia no tiene ninguna relación
directa con la corriente de funcionamiento del motor.
La ú nica razón de que el amperaje sea menor es que, a menores velocidades,
aplicaremos cargas menores. Esto es porque una aplicación con VSD es una
aplicación de amperaje variable. El VSD tendrá en la salida una relación V / Hz
constante. Esto es un requerimiento de diseño.
Aunque los VSD son diseñados para mantener una relación V / Hz constante, en
la prá ctica, nunca será así si involucramos a un cable de potencia. La razón es que
98

la corriente varía debido a los cambios en el requerimiento de BHP en la bomba y
esto cambiará la cantidad de carga que se aplica al motor lo que, en definitiva,
afectará a la caída de voltaje en el cable.
Si el cable es muy largo o fue sub diseñado, esto puede ser muy significante.
Ademá s puede ser necesario reajustar la salida del transformador elevador a un
voltaje menor si pensamos operar el equipo a una frecuencia baja por un tiempo
prolongado.
Los VSD presentan algunos problemas desde el punto de vista de diseño de los
equipos de subsuelo, sin embargo, algunas aplicaciones son muy ú tiles.
Muchos VSD permiten un "Circuito Cerrado" de control. Si se utiliza un sensor
para monitorear la presión de subsuelo, los datos de presión pueden ser
reingresados al VSD y la velocidad puede ser controlada automá ticamente para
mantener una presión de subsuelo constante. Esto puede ser de utilidad para
aquellos usuarios que buscan producir sus pozos tratando de mantener la presión
en la succión tan baja como sea posible para maximizar la producción. En
realidad, se han documentado muchos casos donde se obtuvieron éxitos.
Otra aplicación puede ser una inundación de CO2, donde es necesario mantener
una cierta presión para obtener un grado mínimo de miscibilidad.
Los VSD vienen en una configuración Nema 1 que es la unidad más pequeña
para cada tamaño en particular. Estos no son a prueba de intemperie y deben ser
99

instalados dentro de estructuras protegidas y cerradas, tales como una sala de
control en una plataforma de costa afuera.
La versión Nema 3R cuenta con un gabinete para intemperie y puede ser instalado
en una planchada en la locación del pozo. En ambientes con temperaturas
extremadamente altas, es necesario instalar una sombra o algú n tipo de rejilla para
ayudar con la refrigeración. 60
Algunos VSD pueden ser provistos en un contenedor sellado, con aire
acondicionado. Estos pueden ser ú tiles para operaciones en ambientes adversos
tales como desiertos o selvas. Una de las ventajas de estos gabinetes es que se
puede trabajar en ellos aunque el clima esté lluvioso.
Podemos resumir el proceso de diseño como:
1) Seleccionar la bomba y la frecuencia de operación.
2) Diseñar el motor requerido.
3) Determinar el voltaje má ximo en la superficie.
4) Calcular el KVA total (incluyendo las pérdidas).
5) Seleccionar el variador.
6) Determinar la frecuencia base y los pará metros
de operación para ajustar el variador.
7) Determinar los pará metros de operación a otras
frecuencias de intereses (específicamente la
menor).
60 Tomado de: Aplicaciones BES, sensores Phoenix y operación sistema de bombeo horizontal,
Reda-Schlumberger
100

4.- PROBLEMAS EN LAS BOMBAS ELECTROSUMERGIBLES
4.1.- Causas de fallas
Las fallas que pueden producirse en una unidad electrosumergible se deben a
problemas mecá nicos y eléctricos. Las fallas mecá nicas se refieren principalmente
a la bomba, separador de gas o intake y el protector del motor, y sus causas
pueden ser taponamiento o desgaste prematuro de sus partes por las características
del fluido (contenido de sales, carbonatos, parafina y arena).
Así también si la bomba elegida no es apta para trabajar en el rango de producción
que se estimó, normalmente porque han variado las condiciones originales del
pozo, se producirá n vibraciones en el eje y desplazamientos de los rotores a sus
posiciones límites que se traducen en desgastes de los rodamientos y los rotores,
afectando ademá s el sello mecá nico del protector del motor. Las fallas eléctricas
pueden ocurrir por fallas en el cable, en los empalmes, en el enchufe y en el
motor.
Es de destacar que en numerosas ocasiones las fallas eléctricas son mú ltiples, por
ejemplo cable en cortocircuito y fase a tierra. En estos casos es generalmente
difícil determinar cuá l de las dos fue la falla original y cuá l es la consecuencia.
Por esta razón es importante realizar una evaluación periódica de los pará metros
de funcionamiento del motor y bomba (producción, nivel, presión de descarga,
corriente del motor, aislamiento, tensión) de modo de hacer la mejor estimación
posible de la causa de falla.
101

Para prevenir fallas en el cable, previo a bajar la instalación se le debe efectuar
una prueba de aislación utilizando un megóhmetro de alto voltaje. La operación se
realiza comprobando la aislación entre las fases (conductores) y entre cada fase y
armadura metá lica del cable. Un cable se considera aceptable si la resistencia de
aislación tiene un valor mínimo de 1000 megohmios a 5000 volts.
Finalmente hay una falla eléctrica muy característica que se origina por un
problema mecá nico en el protector. Un protector que por cualquier razón deja de
funcionar correctamente, dejará pasar a lo largo del tiempo una cierta cantidad de
fluido del pozo al interior del motor, contaminando el Aceite dieléctrico que va
perdiendo sus propiedades aislantes. Cuando esto ocurre se producen arcos entre
conductores del motor a diferente tensión que destruyen la aislación de los
mismos y el motor deja de funcionar.
No se debe olvidar que para evitar problemas de recalentamiento de los
transformadores y exceso de carga al motor, no se debe exceder el 95 % del valor
de amperaje de placa. El desbalance de las fases tampoco debe exceder el 15 %.
Los problemas operativos que se presentan en el campo con mayor frecuencia, y
se registran en la carta de amperaje son:
§ Picos de atascamiento por presencia de escala
§ Bolsas de gas por pérdida del nivel de fluido en el pozo
§ Variaciones de voltaje en la línea principal por arranques de otros motores que
consumen alta potencia
102

§ Amperaje intermitente por estar operando cerca del nivel de fluido en el pozo,
se presenta mucho gas o el fluido está muy emulsionado, tapá ndose
momentá neamente la admisión.
§ Variaciones en el amperaje del motor por fase a tierra
Para el incremento y decremento de la frecuencia, la misma que debe ser de 1 HZ
cada 5 minutos, para evitar daños en el VSD y variaciones bruscas de amperaje en
el motor, especialmente cuando se incrementa.
Se han tenido otros problemas operativos como:
◊ Alta presión de cabeza por presencia de escala en el sombrero, línea de flujo o
bajo la vá lvula master.
◊ Baja presión de cabeza y pérdida de producción por comunicación casing-
tubing, debido principalmente a corrosión en el tubing.
◊ Alto amperaje por daños en el VSD; al observar la carta de amperaje no se
encuentra picos de atascamiento, ni existe obstrucción por escala en la tubería
o en el standing valve.
Los valores de control y operación de un variador de frecuencia son definidos por
el fabricante, una vez que el Departamento de Ingeniería de Petróleos ha calculado
en los programas computarizados. El arranque de un pozo con variador lo realiza
el representante del equipo, en conjunto con los supervisores del departamento
eléctrico y el supervisor u operador de producción. Los pasos a seguir,
comú nmente, son:
103

Se comprueba pará metros de voltaje y amperaje en transformadores, VSD y
caja de unión.
Verificar que las vá lvulas en el cabezal del pozo, línea de flujo y estación se
encuentren correctamente abiertas.
Prender el VSD, calibrado a la mínima frecuencia, para chequear el sentido de
giro, El flujo se direcciona al tanque de lodos del taladro de work over. La
frecuencia se puede subir a un valor referencial de 50 Hz.
Una vez determinado correcto sentido de giro, enviar fluido de pozo a la
estación de producción y determinar la prueba de producción por seis horas,
tomando la lectura y el BSW cada hora.
Cuando se ha estabilizado la producción y BSW, se incrementa la frecuencia en
un valor máximo de 2 Hz y se toma la prueba de producción; es recomendable
esperar unas 12 horas mínimo antes de variar la frecuencia para una nueva
evaluación. Si se ha realizado un buen diseño y selección de los equipos, el VSC
trabajará por encima de los 60 Hz. La frecuencia má xima operativa debe ser
similar a la calculada, y representa el 95 a 98 % de la carga del motor.
Para prender un VSD, se recomienda seguir los siguientes pasos:
♦ Revisar que las vá lvulas del pozo y estación estén en la posición correcta.
♦ Colocar una frecuencia de arranque de 50 Hz.
♦ Prender el VSD
104

♦ Esperar 2 a 3 minutos que se estabilice la bomba; tomar datos de amperaje
fases, voltaje salida, presión de intake y presión cabeza
♦ Subir la frecuencia un Hz cada dos a tres minutos; tomar datos, hasta llegar a
frecuencia de operación o má xima.
♦ Realizar la prueba de producción.
Para apagar un VSD, se recomienda seguir los siguientes pasos:
♦ Bajar la frecuencia a 50 Hz.
♦ Apagar el equipo
♦ Colocar tarjeta de no operar hasta nueva orden del Departamento de
Producción.
4.2.- Ejemplos de problemas en discos amperimé tricos
Mediante el uso de discos amperométricos, se mostrará n algunos ejemplos de
problemas que se pueden presentar en el equipo de fondo y en el pozo, se podrá
analizar sobre las posibles causas de los efectos que ellas muestran.
Este es un resumen de los problemas má s comunes y no significa que éstos sean
los ú nicos que existen. Estos grá ficos representan ejemplos de campo y los discos
obtenidos en realidad pueden ser diferentes en ciertos aspectos.
105

FOTO Nº 10
Medidor amperimé trico
Pozo TIG 02 – Campo Tiguino
En todos los casos asumiremos que estamos operando un motor con una corriente
de placa de 40 amperios, cargado a 100% de su capacidad. Para nuestro motor de
40 amp, hemos ajustado los valores de sobrecarga a 46 amp (115% del valor de
placa) y el de bajacarga a 32 amp (80% del valor de placa). Siempre se debe usar
estos porcentajes para determinar los valores de ajuste de SOBRECARGA y
BAJACARGA.
106

4.2.1.- Disco en condiciones normales.
MIDNIGHT
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40
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10
Este es un disco amperométrico típico. La unidad de subsuelo está operando
correctamente y tomando los amperios de placa.
El ú nico error es que el seteo de la pluma no está correctamente ajustado. Si se
observa el disco como valor, podemos pensar que el equipo de subsuelo falló.
Esta es una de las razones por las que el seteo de la pluma debe estar
correctamente ajustado.
Si se cambia la relación de transformación y colocamos un disco nuevo,
obtendremos algo parecido a este ejemplo.
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8
9
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NOON 1 2 3 4 5 6 PM 7
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MIDNIGHT
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30
20
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6 PM 7
Este es un disco amperométrico normal. Nótese el pico de arranque seguido de
una línea suave y simétrica a 40 Amps. Esto representa una condición ideal.
En un pozo, el amperaje puede no ser exactamente de 40 Amps, puede ser
ligeramente mayor o menor. Esto no será gran problema si las cartas remanentes
son consistentes día tras día. Los cambios en las cartas pueden ser causados por
variaciones en las condiciones del pozo o por posibles problemas en el sistema.
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NOON 1 2 3 4 5
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4.2.2.- Picos por fluctuación del sistema de potencia.
MIDNIGHT
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6 PM 7
Este es un ejemplo de un disco que, en su mayoría, parece "normal" a excepción
de algunos picos periódicos y aparentemente aleatorios que la cruzan.
Con las BES, para una carga constante, el amperaje varía inversamente
proporcional al voltaje. Si el voltaje en el sistema de potencia disminuye, la
corriente en el equipo deberá subir para compensar. La causa má s comú n de estos
picos son sobrecargas periódicas del sistema, que podrían ser causadas por el
arranque de equipos de alta potencia conectadas al mismo sistema o descargas
eléctricas (rayos) cayendo en algú n punto del sistema.
8
5
9
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3 4
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NOON
2
1
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4.2.3.- Bloqueo por gas.
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2
MI
D
NI
G 11
H
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3
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4 5
Este es un disco que muestra un arranque seguido de una disminución gradual del
amperaje, el cual posteriormente se hace muy inestable. Luego el amperaje
muestra una drá stica caída y comienza una línea muy suave.
8
Cuando la unidad se arranca por primera vez, el nivel de fluido es alto por lo que
la producción y la corriente son ligeramente altas. A medida que el nivel de
fluido baja, la corriente disminuye hasta que el nivel es tan bajo que el gas
comienza a entrar en la bomba. La variación en la gravedad específica causa un
amperaje errá tico. Eventualmente ingresará suficiente gas para bloquear la bomba.
Cuando la bomba está bloqueada con gas, el sistema no está produciendo ningú n
fluido. Cuando la bomba no está produciendo fluido, el motor continú a
funcionando (el amperaje no es cero). Esto puede causar que el motor se queme
por falta de movimiento de fluido necesario para su refrigeración.
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6 AM
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30
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6 PM
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5
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3
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2
N
O
O
1
110

En este caso debemos subir el valor de ajuste de Bajacarga para que la unidad se
detenga si la bomba se bloquea. Deteniendo el equipo, podemos desbloquear la
bomba aunque, si tenemos instalada una vá lvula de retención, ésta puede impedir
el desbloqueo. Una opción es recircular una parte del fluido al anular para
mantener el nivel de fluido. También puede ser necesario profundizar la bomba
para ganar sumergencia. Otra opción es rediseñar buscando un equipo más
pequeño.
Si estamos utilizando un VSD, sólo debemos bajar la frecuencia
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4.2.4.- Descargando fluido de completación
MIDNIGHT
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6 PM 7
Este disco muestra una corriente alta luego del arranque, que eventualmente baja
hasta un valor "normal". Si la sobrecarga hubiera sido ajustada en 46 Amps, el
equipo no hubiera continuado funcionando. Para que esto fuera posible , el valor
de "sobrecarga" debería haberse ajustado a má s de 60 Amps.
Una posible causa es que la bomba esté descargando fluido de completación. La
alta gravedad del fluido causa un incremento en la corriente hasta que éste es
bombeado fuera del pozo. Luego de que el fluido se agota, la corriente baja a un
valor normal. Si esperamos una condición similar a ésta, será necesario tener un
ajuste de sobrecarga mayor, en forma temporal, para luego ajustar al valor normal
de 115%. Si se espera que esta condición dure más de unos minutos, puede ser
necesario utilizar un motor más grande para que la sobrecarga no cause un
aumento en la temperatura interna del motor que pueda reducir su vida ú til.
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112

Si se utilizara un VSD, se podría bajar los hertz para reducir la carga hasta que el
fluido de completación se agote.
4.2.5.- Bajo nivel de fluido con interferencia de gas.
MIDNIGHT
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Este disco muestra una unidad que arranca y funciona por un tiempo. La corriente
disminuye gradualmente hasta que se observa errá tica. El equipo se detiene
durante otro lapso de tiempo y repite el ciclo. Después rearranca y funciona por
un período mayor pero, eventualmente, se detiene..
Este es un caso donde la bomba produce más fluido del que el pozo entrega. La
bomba achica el nivel de fluido y el amperaje baja hasta que el gas comienza a
desprenderse en la succión de la bomba. La baja gravedad del gas, mezclada con
la alta densidad del fluido causa mucha variación en la corriente. La unidad se
detendrá por Bajacarga y rearrancará automá ticamente después de tres horas. Las
posibles soluciones de este problema son recircular fluido, profundizar la bomba,
rediseñar la bomba o, en caso de contar con un VSD, bajar la frecuencia.
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4.2.6.- Bajo nivel de fluido sin interferencia de gas.
MIDNIGHT
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Este disco es similar al anterior, excepto que el amperaje es claramente firme
antes de detenerse
Esto también sucede por "bajo nivel de fluido", excepto que en este caso el
yacimiento no cuenta con una cantidad de gas que pueda interferir con la bomba.
Las medidas correctivas son las mismas que en el caso anterior. Si esta condición
aparece después de algunos meses (o años) de operación normal, puede ser que un
daño superficial esté reduciendo la productividad del pozo. Una estimulación
podría devolver el nivel de productividad inicial o mejorarlo.
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4.2.7.- Arranques fallidos por bajo nivel de fluido.
MIDNIGHT
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Este disco es similar a los de bajo nivel de fluido, pero aquí aparecen algunos
picos adicionales a las 7:00 AM, 1:00 PM y a las 7:00 PM.
Los picos adicionales se deben a intentos de arranque fallidos. El tiempo de
rearranque está ajustado muy bajo y la bomba intenta arrancar cuando aú n no hay
suficiente fluido en el pozo y ésta vuelve a caer por bajacarga. Una acción
inmediata es reajustar el tiempo de rearranque automá tico. A largo plazo, el
equipo debe rediseñarse
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4.2.8.- Excesivos ciclos de arranque por bomba mal dimensionada.
MIDNIGHT
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Este disco muestra algo muy similar a la falta de nivel de fluido, sólo que el
tiempo de funcionamiento es muy corto. Esto es muy perjudicial para el equipo,
por lo que debe ser corregido inmediatamente. Muchos rearranques pueden
fatigar al motor y causar un incremento de temperatura que nunca será disipado.
Este disco puede ser causado por una bomba que es demasiado grande como lo
explicamos anteriormente o, aunque parezca extraño, una demasiado pequeña (Ej.
no tiene suficiente altura). En el ú ltimo caso, la bomba es capaz de producir fluido
cuando el nivel es alto pero, cuando éste va descendiendo, la bomba no puede
desarrollar la suficiente altura para llevar fluido a la superficie. Una ayuda para
determinar este caso sería tomar un registro de nivel de fluido, o las lecturas de los
sensores de presión de fondo, también sería ú til cerrar la vá lvula de descarga para
constatar el incremento de presión. Para esto es necesario estar seguro de que la
tubería sea capaz de manejar alta presión
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Este disco puede ser causado también por una descarga de línea tapada o una
vá lvula cerrada en el cabezal de boca de pozo o la línea de flujo.
Algunos pozos de baja permeabilidad son producidos intencionalmente en forma
intermitente. Si éste es el caso, será necesario utilizar arrancadores suaves para
reducir los esfuerzos del motor.
Si utilizamos un VSD, es posible intentar reducir la frecuencia. Sin embargo,
éstos ya poseen un sistema de arranque suave.
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4.2.9.- Gas libre en la bomba.
MIDNIGHT
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6 AM
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Este disco muestra un funcionamiento cerca del nivel correcto pero la figura es
muy inestable.
Este disco es el producto de gas libre comenzando a ingresar a la bomba. También
es posible que la producción de emulsión cause discos similares. Para suavizar la
línea es posible recircular fluido o profundizar la bomba. La producción de gas
libre generalmente reduce la producción en el tanque, por lo que esto es
beneficioso para reducir este efecto. Muchas bombas operan con este tipo de
disco. En la medida en que tengamos un buen ajuste de bajacarga, esta condición
no tendrá efectos nocivos sobre la bomba.
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4.2.10.- Cargas de baja corriente.
MIDNIGHT
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Este disco muestra un equipo que funcionó por unos momentos y luego de
detenerse por bajacarga no rearrancó.
Esto podría ser causado por la producción de fluidos de baja densidad que no
cargan correctamente al motor.
Si las pruebas de producción demuestran la existencia de fluido, intente bajar el
ajuste de bajacarga. Esto debe realizarse con precaución ya que si este valor es
muy bajo, el motor podría quedar sin protección. Otras posibles causas son una
falla en el tiempo de retardo de bajacarga del controlador, o un eje cortado en la
bomba.
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4.2.11.- Bajacarga ajustada a un valor muy bajo.
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6 PM 7
Este disco muestra un arranque normal, seguido por una reducción gradual de la
corriente hasta estabilizarse en alrededor de 20 Amps, luego la unidad se detuvo
por sobrecarga.
Este es un caso en el que la unidad bombea el fluido del pozo hasta el punto en
que no hay fluido para producir, pero la unidad continú a funcionando sin producir
carga hasta que la temperatura aumenta quemando el motor y deteniendo al
equipo por sobrecarga. Este es un caso donde la bajacarga fue ajustada a un valor
muy bajo. La bajacarga debe ser reajustada a un valor mayor y la unidad
rediseñada.
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4.2.12.- Tiempo de paro muy corto con sensor de nivel en tanque.
MIDNIGHT
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Este es el disco de un equipo controlado por un sensor de nivel de tanque. Una
aplicación comú n de las BES es producir en un tanque de contención. Este tanque
tendrá un controlador que detendrá a la bomba cuando esté lleno, permitiendo que
rearranque cuando el nivel baje hasta un cierto punto.
El problema aquí es que el tiempo de rearranque es muy corto. Cuando la bomba
se detiene, la columna de fluido en la tubería tiende a bajar pasando por la bomba
lo que causa un efecto de turbina conocido como "backspin". Si bien esto no es
un problema, si el equipo intentara arrancar mientras esto ocurre, podría cortarse
un eje. Si bien es cierto que una válvula de retención ayudaría con esto, si ésta
presenta fugas la condición sería la misma. Para obtener una protección completa,
puede utilizarse un detector de "Backspin" o ajustar el tiempo de rearranque a un
valor mayor (má s de 30 minutos).
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4.2.13.- Paro por sobrecarga.
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Sobre-
carga
Este disco muestra un arranque normal seguido por una corriente normal. A las
7:00 AM la corriente comienza a subir hasta que, finalmente, el equipo se detiene
por sobrecarga y permanece detenido. No hay rearranques automá ticos
disponibles en condiciones de sobrecarga.
No debe intentarse rearrancar el equipo hasta encontrar la causa de la sobrecarga.
Las causas má s comunes de sobrecarga son:
1) Incremento en la gravedad del fluido
2) Producción de arena
3) Incremento en la viscosidad (formación de emulsión)
4) Problemas eléctricos o mecá nicos en el equipo de subsuelo
5) Problemas eléctricos o mecá nicos en los equipos de superficie, etc.
La instalación completa debe revisarse cuidadosamente.
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4.2.14.- Bomba manejando sólidos.
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Este disco muestra un arranque normal seguido por un período de corriente
errá tica que finaliza en una curva normal suave.
Esta curva generalmente es causada por partículas sólidas que ingresan a la bomba
tales como escamas, arena, MPC, lodo, etc. Aunque esto no es extraño, no
deseamos que estos materiales afecten el desgaste de la bomba. En casos como
éstos, el pozo debería limpiarse siempre para remover los materiales extraños
antes de arrancar la bomba. Si la causa fueran arenas no consolidadas, es posible
estrangular la salida en el arranque e incrementar la producción lentamente
(especialmente en pozos convertidos recientemente de balancines, que producen
tasas bajas) Sin embargo, la reducción de la tasa debe permitir un enfriamiento
adecuado del motor.
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4.2.15.- Excesivos rearranques manuales.
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6 PM 7
Este disco muestra un arranque normal seguido por un tiempo de corriente
normal. En las tres horas siguientes se observan picos que terminan en un paro por
sobrecarga. Esto es seguido por 5 picos.
Este disco no es totalmente anormal, excepto por los rearranques manuales que
presenta. Una sobrecarga es causada por algú n motivo, y no debemos intentar un
rearranque hasta que hayamos descubierto (y resuelto) el problema. Estos
rearranques podrían destruir piezas vitales del equipo que aun estarían sanas. Si la
O/L se debe a un motor quemado, estos rearranques pueden cortar al motor en
dos, cayendo la porción inferior al fondo del pozo. El resultado será una costosa
maniobra de pesca.
Este disco muestra corrientes muy errá ticas hasta que el equipo finalmente se
detiene por sobrecarga. No se deben intentar rearranques manuales o automá ticos
hasta haber resuelto el problema.
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4.2.16.- Corriente errá tica por variaciones del fluido del pozo.
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5 6 PM 7
Una amplia variación en la gravedad específica, viscosidad, presión de superficie,
o producción de partículas pueden ser la causa de discos como ésto.
Algunos resultados comú nmente asociados con este tipo de sobrecarga son
motores quemados, cables cortocircuitados, bombas trabadas, fusibles quemados
(primarios o secundarios), etc.
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4.2.17. - Presencia de emulsión, otras cargas en superficie o fallas de
velocidad en generador.
MIDNIGHT
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Este disco muestra un arranque normal seguido por un incremento gradual de la
corriente, para luego presentar una repentina caída a la corriente normal. El disco
muestra que esto ocurre a intervalos de tiempo regulares.
Una de las posibles causas es la formación de emulsión dentro de la bomba, que
se limpia periódicamente. Si éste es el caso, deberíamos considerar el uso de
antiemulsionantes.
Esto también puede ser producto de una disminución en el voltaje de superficie
debido a otros equipos pesados, conectados a la misma línea, que se encuentran en
un ciclo de encendido y apagado, o má ximo y mínimo. Es conveniente reducir la
demanda del sistema.
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Otra posible causa es, si se utiliza un generador, donde el sistema de gobierno del
mismo presente fallas o cambios de la velocidad, causando fluctuaciones en el
voltaje. Solución: reparar el generador.
127

5.1.- Conclusiones
• Un adecuado dimensionamiento del equipo de bombeo electrosumergible, es
el primer factor para conseguir una vida operativa larga de los equipos y
mantener una producción del pozo estable, un inapropiado dimensionamiento
dará como resultado que las bombas operen fuera del rango recomendado, lo
cual ocasionaría desgastes prematuros.
• Una imprecisa adquisición y validación de los datos de la completación del
pozo daría como resultado un mal posicionamiento o falta de espacio del
equipo dentro del casing en el pozo.
• Una imprecisa información de los datos del fluido podría dar lugar a la
selección de motores de menor potencia que la requerida por la bomba,
causando sobrecarga en los motores y eventualmente falla prematura de estos.
• El uso de controladores de frecuencia en un pozo de bombeo
electrosumergible representa una buena inversión, ya que permite acoplarse a
cualquier cambio de comportamiento del fluido del pozo o condición del
yacimiento, y así, sacar provecho a la vida ú til del equipo.
• El uso del controlador de frecuencia puede ayudar a compensar el inadecuado
dimensionamiento del equipo por la extensión del rango operativo dentro de
los limites recomendados.
128

• Es muy importante considerar el uso de un separador de gas rotativo en los
pozos con alta relación gas-aceite, para evitar que el gas ingrese a la bomba en
un porcentaje considerable y reduzca el flujo de la bomba o forme un candado
de gas y quede bloqueada sin poder producir.
• El controlador de frecuencia es de mucha utilidad para obtener la producción
óptima de un pozo, gracias a la velocidad variable que permite controlar la
presión de fondo para que ésta no baje del punto de burbuja, y así evitar
problemas mecá nicos y eléctricos en el equipo de fondo.
• El envejecimiento de los componentes de los equipos es una de las razones
principales de falla en el sistema de bombeo electrosumergible, si se controlan
los factores que influyen en el tiempo de operación del equipo, este podría
funcionar má s de un año, lo que supera el tiempo de vida que normalmente se
tiene en el campo.
• La velocidad variable ayuda a sacar el mayor provecho en la producción de un
pozo, así como también permite corregir problemas de sobreproducción que
afecten la vida ú til del pozo.
• El controlador de frecuencia es el equipo má s ú til para el bombeo eléctrico, ya
que puede controlar el arranque del equipo, protegiendo tanto el equipo de
superficie como el equipo de fondo.
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5.2.- Recomendaciones
• Para proteger tanto al controlador de frecuencia como al motor, es muy
importante cuidar que el valor de sobrecarga de corriente este un 15% mayor a
la corriente a la que se encuentra funcionando, al igual que la bajacarga esté
con un 20% menor a este valor, y controlar con la frecuencia que el amperaje
no exceda el amperaje de placa del motor.
• Las unidades deberían ser dimensionadas para operar dentro del rango
recomendado de caudal para cada tipo de bomba.
• El controlador de frecuencia y el transformador elevador deben ser escogidos
para entregar la suficiente potencia al motor, considerando la máxima
frecuencia de operación.
• Previo al diseño, obtener la información precisa del pozo, las propiedades de
los fluidos y del reservorio, los modelos computarizados y correlaciones
deberían cumplir lo má s cerca posible con los pará metros del pozo, el error de
las correlaciones no debe pasar el 5%.
• Es muy importante realizar un control diario de los pará metros de los pozos,
para de esa forma tener información para poder advertir y corregir problemas
que se presenten con el equipo o con el pozo.
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BIBLIOGRAFÍA GENERAL
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• BENALCAZAR, Eduardo: Nociones bá sicas de la producción de
petróleo y sus derivados, Quito-Ecuador, 1998
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• SALVAT, Gran enciclopedia ilustrada, volumen 2 “La ciencia”,
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ANEXOS