CALENTADORES DE INMERSIÓN PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN PRUEBAS DE BOMBA DE CAVIDAD PROGRESIVA Y EFECTO DE LA TEMPERATURA INDUCIDA SOBRE LA EFICIENCIA

Las bombas de cavidad progresiva o PCP (por sus siglas en inglés) se utilizan comúnmente instaladas en el fondo del pozo o en la superficie para bombear mezclas altamente viscosas. Entre las aplicaciones, se mencionan levantar crudo pesado cargado de arena, deshidratar el metano del lecho de carbón o bombear lodo de potasa de la mina de potasa. La capacidad de manejar sólidos y fluidos altamente viscosos lo convierte en un método ideal de bombeo con costos de capital y operativos muy bajos y altas eficiencias en el rango de 25 % a 95 %. 

La bomba de cavidad progresiva consta de un rotor y un estator. El rotor gira mientras el estator permanece estacionario. La PCP se describe mejor como una bomba de engranajes con un solo rotor helicoidal que gira dentro de un estator interno revestido de elastómero de doble hélice. 

Una de las cosas importantes sobre la eficiencia de la PCP es que depende del ajuste de interferencia inicial del rotor y el estator, la temperatura, la velocidad de rotación y las propiedades del fluido de formación. Por ejemplo, estas pueden ser el corte de agua (EC, por sus siglas en inglés), la relación gas-aceite (GOR, por sus siglas en inglés) y la densidad del fluido. El elastómero que recubre el estator es el corazón de una PCP e influye en la vida útil y el rendimiento. 

PRUEBA DE PCP CON UN CALENTADOR DE INMERSIÓN

Las bombas de cavidad progresiva se prueban en un banco de pruebas para determinar la eficiencia de la bomba antes de su puesta en servicio. El elastómero en el estator se hinchará cuando entre en contacto con el fluido de formación. La magnitud de ese hinchamiento se basa en las propiedades del fluido de formación, por lo que es fundamental determinar la «eficiencia de no hinchamiento» de la bomba. Para esto, por lo tanto, la bomba debe probarse a la temperatura que experimentará mientras esté en servicio, que es la misma que la temperatura en el fondo del pozo. 

La configuración de la prueba se muestra en la figura 1. La configuración de prueba opera en un circuito cerrado donde un motor eléctrico está conectado a la caja de cambios visto y a un eje que a su vez está conectado con el rotor de la PCP. Se utiliza un tanque de agua con celda de carga para medir el volumen de agua bombeada por la PCP. El volumen de agua bombeada en cada ciclo de prueba se utilizará para determinar la eficiencia de la PCP. El cuerpo principal de la configuración de prueba alberga el depósito de 600 litros en donde el agua es calentada por el calentador de inmersión. 

Hay una bomba de carga instalada en la parte posterior de la configuración de prueba. Esta alimenta el agua del depósito principal a través de una manguera de 3 pulgadas a la PCP. El fluido bombeado por la PCP se fuerza a través de una válvula de estrangulamiento que restringirá el flujo y establecerá la presión diferencial requerida en la bomba. Esta es una simulación del cabezal o la presión que se requiere para bombear el fluido a la superficie.

Figura 1: Configuración de prueba

El cuerpo principal alberga un tanque de 600 litros en el que se instala un calentador de inmersión de 12 KW para calentar el fluido de prueba a la temperatura de prueba. El calentador de inmersión está instalado en la base del tanque y es un calentador trifásico con suministro de 480V y una longitud de inserción de 36 pulgadas. Se supone que existe una temperatura ambiente de 20 °C y una temperatura de prueba final de 40 °C.

Potencia para calentar 600 litros de agua = P = 4.2 x L x T

L = Cantidad de fluido de prueba que es agua = 600 litros

T = Diferencia entre temperatura final e inicial = 20 °C

P = 14 KW

Potencia del elemento calefactor = 12 KW

Dividir P por la clasificación del elemento calefactor nos dará el tiempo que tomará calentar el agua, es decir, 1,16 horas.

Esto presenta la oportunidad de optimizar el tamaño de los elementos calefactores para reducir el tiempo de calentamiento del fluido de prueba. 

EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA EFICIENCIA DE LA PCP

Como se mencionó anteriormente, la eficiencia de la PCP se ve afectada por los cambios en la temperatura, ya sea en la superficie o en el fondo del pozo. Para cuantificar el cambio, se probaron dos PCP de la misma elevación y capacidad en el mismo banco utilizando el mismo calentador de inmersión. Las pruebas se realizaron a 100 RPM y 200 RPM. La Figura 2 muestra la comparación de la eficiencia de bombeo de las dos bombas, la bomba A y la bomba B a 200 RPM. La bomba A se probó a 30 °C mientras que la bomba B se probó a 40 °C. Tanto la bomba A como la B son bombas iguales con la misma capacidad.

Figura 2: Parte superior: Bomba A a 200 RPM y 30 °C. Parte inferior: bomba B a 200 RPM y 40 °C

La eficiencia aumenta del 21 % a 13500 kPa al 30 % a la misma presión cuando la temperatura aumenta de 30 °C a 40 °C, lo que equivale a que la variación de temperatura de fondo de pozo de 10 °C aumentará la eficiencia de la bomba en un 10 % también. La eficiencia de la bomba se manifiesta físicamente en términos de su capacidad o de la producción que se puede lograr a la temperatura deseada. 

Una consecuencia de esta cuantificación es para el proceso de drenaje por gravedad asistido por vapor (SAGD, por sus siglas en inglés) en el cual se inyecta vapor en la formación para reducir la viscosidad del fluido (petróleo pesado y arenas bituminosas). Al cuantificar el efecto de la temperatura en la PCP, se puede aumentar la eficiencia de la bomba inyectando vapor.

CONCLUSIÓN

El calentador de inmersión proporciona la transferencia de calor necesaria al fluido de prueba para simular la temperatura de fondo de pozo que experimentará la PCP. Por lo tanto, el registro preciso de la temperatura de fondo de pozo a través de medidores de temperatura o herramientas de registro con cable proporcionará la temperatura que la PCP experimentará en servicio y que puede determinar la «eficiencia de no hinchamiento» requerida del sistema. La «eficiencia de no hinchamiento» desempeñará un papel crucial en el tiempo de ejecución y el rendimiento de la PCP. 

Sin embargo, la temperatura no es el único factor que puede aumentar la eficiencia del sistema. Otros factores incluyen el aumento de la velocidad de rotación del rotor, pero ambos factores, es decir los aumentos de la velocidad y de la temperatura, tienen efectos sobre el tiempo de funcionamiento de la PCP. Las PCP están limitadas en términos de temperatura máxima que los elastómeros pueden manejar antes de que comiencen a degradarse. El tamaño del calentador de inmersión debe basarse en la temperatura máxima para la que está clasificado el elastómero en el estator de la PCP y el tamaño del depósito en el cuerpo principal del banco de pruebas.