EL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE
EL BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE:Funcionamiento bsico y descripcin de componentes.
OBJETIVOS DEL CURSO
Al finalizar este curso, UD estar en capacidad de: Describir las caractersticas, beneficios, desventajas aplicaciones de un sistema de Bombeo Electrosumergible. Explicar los componentes de Electrosumergible y su operacin. un sistema y
Bombeo
SISTEMA BES
Utiliza la accin de una bomba centrifuga movida por un motor elctrico sumergible, para imprimir al fluido de yacimiento la energa necesaria para alcanzar la superficie y ser producido
VENTAJAS DEL MTODO DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLEPuede bombear grandes volmenes ( alrededor de 20000 BPD). No obstruye en locaciones urbanas. Simple de operar. Fcil para instalar sensor de presin en fondo. Se puede usar Offshore. Fcil de ejecutar tratamiento antiescala y anticorrosivo. Disponible en diferentes tamaos. Costos de produccin para grandes volmenes muy bajos.
DESVENTAJAS MTODO DE BOMBEO ELECTROSUMERGIBLELa mayor limitante de un sistema BES es la temperatura. .- Limite de temperatura del cable de potencia. .- Elastmeros utilizados en el equipo. .- temperatura del Motor. Altos GOR pueden afectar el funcionamiento del equipo. Alto contenido de slidos pueden causar rpido desgaste y disminucin en el run life. Alto dog leg alteran la instalacin y operacin.
COMPONENTES Componentes de Subsuelo. Bomba centrfuga multi-etapas. Separador de Gas (Manejo del gas libre). Seccin sellante. Motor Electrosumergible. Sensores de fondo. Cable de potencia. Componentes de Superficie. Tableros de frecuencia fija (Switchboards). Controlador de Frecuencia Variable (VSD).
Caja de VenteoPSI
DIAGRAMA GENERAL
Variador de Frecuencia
Transformador
Bomba
Motor Lead Cable
Separador de Gas o Intake Seccin Sellante
Motor
BOMBAS
Bombas centrfugas multietapas. Construidas de diferentes dimetros. Su nmero depende de la aplicacin. Cada etapa est conformada por: Impulsor Rotatorio Energa Cintica. Difusor EstacionarioEnerga Potencial.
CLASIFICASION DE LAS BOMBAS
IMPULSOR
MANGUITO
ARANDELAS DE EMPUJE
OJO FALDON
IMPULSOR
Pasajes para flujo
IMPULSOR
Direccin de Rotacin
Faldn Manguito Eje Alabe
Pasaje de Fluido
DIFUSOR
PEDESTAL
ALMOHADILLAS E. Descendente
DIAMETRO INTERNO ASIENTOE. Ascendente
CONVERTIR LA ENERGIA DE ALTA VELOCIDAD Y BAJA PRESION, EN ENERGIA DE BAJA VELOCIDAD Y ALTA PRESION.
DIFUSOR
ETAPAS
Impulsor
Difusor
ETAPA: Es el conjunto de un impulsor y un difusor Las etapas pueden ser de flujo radial o flujo mixto.
CURVA DE COMPORTAMIENTOElectric Submersible Pumps, Inc.Curva del Performance de la Bomba TE-11000 1 etapa @ 3500 RPM CabezaMetros Pies O.D. BOMBA 5.37"/ 136.40 mm Mar 10, 2000CARGA MOTOR HP EFICIENCIA SOLO BOMBA
RANGO DE OPERACION RECOMENDADO 15 50
10
100%
Capacidad de Levante (Cabeza)40 8 80%
10 30
cia cien Efi20 5
ba om la B e od Sol
6
60%
nsumo HP de co
4
40%
10
2
20%
0
0 2000 500 4000 6000 1000 8000 10000 1500 12000 2000 14000
BPD 0 3 M /DIA 0
0 16000 2500
0%
CAPACIDADThis curve represents nominal performance to be used in pump sizing calculations. Actual pump performance will comply with acceptance limits specified in Table 4.1, API RP 11S2 (Recommended Practice for Submersible Pump Testing -- March 1, 1990)
CONSTRUCCIN BOMBA FLOTANTE
Cada impulsor es libre de moverse hacia arriba o abajo sobre el eje (Flota sobre el eje).Bomba
Espacio
Los thrust washers se ubican en los puntos de contacto entre el impulsor y el difusor, y soportan el empuje generado por el movimiento de cada impulsor
Seccin Sellante
MOTOR
(a) Empuje Soportado por Arandela de Empuje Impulsor: T lbs. (b) Empuje soportado por el cojinete del Sello: P x N x A lbs. (c) Presin desarrollada por cada etapa: P psi (d) Numero de Etapas: N (e) Area del Eje: A in 2 (f) Fuerza actuante en el extremo del eje: P x N x A lbs. (g) Empuje Hidrulico desarrollado por cada impulsor: T lbs.
CONSTRUCCIN BOMBA COMPRESORA
Bomba
Todos los impulsores estn fijos al eje, por lo tanto se mueven como un solo cuerpo: Sin un impulsor se mueve, el eje se mueve tambin.
Sin Espacio
Los impulsores, debido a la gravedad, se asientan en el difusor. Para evitar esto se realiza la operacin llamada Shimming. El Shimming consiste en levantar el eje ubicando unas pequeas calzas de lmina en el coupling, transmitiendo el empuje generado por la bomba directamente al eje del protector
Seccin Sellante
MOTOR
(a) Empuje Soporta por las Arandelas de Empuje de Impulsor: 0 lbs. (b) Empuje Soportado por el Cojinete del Sello: T x N + P x N x A lbs.
COMPARATIVA COMPRESORA - FLOTANTEPorqu utilizar FLOTADORA? Cada etapa maneja su propio empuje, por lo tanto se pueden utilizar bastantes etapas en una bomba sin preocuparse por la capacidad del thrust bearing del protector Mayor facilidad en manufactura Mayor facilidad en instalacin en campo porque no requiere shimming Porqu utilizar COMPRESORA? Algunas etapas generan demasiado empuje para ser soportado solamente por los washers. Si hay corrosivos o abrasivos, es preferible manejar el empuje en un rea lubricada por aceite del motor en lugar de fluido de pozo Debido a que todo el empuje es soportado por el protector, si ste tiene gran capacidad, la bomba puede trabajar en un rango mayor sin ver comprometida su integridad
BOMBAS - CLASIFICACIN
Las etapas pueden clasificarse, dependiendo de la geometra del pasaje de fluido, en dos tipos:
FLUJO MIXTO
FLUJO RADIAL
ETAPA FLUJO RADIAL
ETAPA DE FLUJO RADIAL: El ngulo de los pasajes de flujo es cercano a los 90 grados.
Este tipo de etapa es mas utilizado en aplicaciones de bajo caudal.
ETAPA FLUJO MIXTO
ETAPA DE FLUJO MIXTO El ngulo de los pasajes de flujo es cercano a los 45 grados.
Este tipo de etapa es mas utilizado en aplicaciones de alto caudal.
ETAPA FLUJO MIXTO Vs RADIAL
TABLA DE SELECCIN CONSTRUCCIN DE BOMBAS
INDICE DE AGRESIVIDAD
COMPRESION RESISTENTES ABRASION
FLOTANTE RESISTENTES ABRASION
COMPRESION
Flotante
MG/LITRO ABRASIVOS
BOMBAS COMPRESORAS RESISTENTES A LA ABRASINDISEO ETAPA FLUJO MIXTO DISEO ETAPA FLUJO RADIAL
AJUSTE DEL EJE TUERCA DE COMPRESION IMPULSORES COJINETE DE COMPRESION
BUSHING RS MANGUITO RS DIFUSOR MODIFICADO BUSHING RS MANGUITO RS SOPORTE COJINETE BUSHING RS MANGUITO RS
SOPORTE COJINETE
BUSHING RS MANGUITO RS
AJUSTE DEL EJE
BOMBAS FLOTANTES RESISTENTES A LA ABRASIN
SEPARADORES DE GAS
FUNCIONES Eliminar la mayor cantidad del gas en solucin contenido en el fluido de pozo. Permitir el ingreso de fluidos al interior de la bomba
EFECTO DEL GAS EN EL SISTEMA BES
Cuando hay presencia de gas en las primeras etapas de la bomba, este ocupa una parte del rea de flujo y disminuye la eficiencia volumtrica del sistema, disminuyendo la produccin. Si el impulsor se llena completamente de gas, se produce un bloqueo por gas y la bomba deja de desplazar fluido y por lo tanto, de producir.
Interferencia de Gas
Bloqueo por Gas
TIPOS DE SEPARADORES DE GAS
DE FLUJO INVERSO.
ROTATIVOS.
SEPARADORES DE FLUJO INVERSO
La Geometra Interna de los separadores causan un cambio direccional en el fluido que previamente ingres. Se componen de un laberinto que obliga al fluido del pozo a cambiar de direccin antes de ingresar a la bomba. En este momento, las burbujas continan subiendo en lugar de acompaar al fluido. Estos son dispositvos estticos.
SEPARADORES ROTATIVOS
Dispositivos mecnicos muy eficientes. Usan la fuerza centrfuga para separar las fases. Consta de 3 grandes secciones: Inductor. Cmara de Separacin (Centrifuga). Seccin Separadora Se usa en Tandem para incrementar la eficiencia (75% por seccin)
FUNCIONAMIENTO
El Inductor forza al fluido a ingresar al separador, aumentando la presin en el interior de este. Luego la centrifuga separa el lquido, que es impulsado a la parte ms alejada de la centrifuga.Los separadores de gas rotativos, utilizan la fuerza centrifuga para separar el gas del lquido.
GAS EN LOS SISTEMAS ESP
Gas: Porqu? Fluido de Pozo es una mezcla de hidrocarbonos Bajo suficiente presin todo existe en la fase liquida (P > Pb) Si la presin baja, por debajo del punto de burbuja, los gases se tornan envolventes.
GAS EN LOS SISTEMAS ESP
Disminucin en la Presin: Porqu? La meta del equipo ESP es la de obtener mxima tasa de flujo del yacimiento La tasa de produccin relacionada con la presin de fondo fluyente Ms alta es la reduccin de la presin, mayor es la produccin.
GAS EN LOS SISTEMAS ESP
Sin embargo, si la BHP se reduce por debajo del punto de burbuja, gas libre empieza a envolver As, disminuyendo la presin de intake de la bomba se incrementa la tasa, pero introduce gas libre a esta.
GAS LOCKING
Una burbuja de gas a travs del impulsor acta producto de diferentes fuerzas Estas fuerzas producen resbalamiento entre el gas y el liquido viajando a diferentes velocidades A fracciones menores de gas, este se distribuye uniformemente en los impulsores y fluye sin acumulaciones
GAS LOCKING
A mayores fracciones de gas, el movimiento de las burbujas se retrasa al liquido causando que las burbujas se acumulen y bloqueen el ojo del impulsor creando una zona de baja presin Este fenmeno es llamado Gas Locking
SEPARADORES DE GAS
Tipo de SeparadorIntake Estndar Estatico (Flujo Inverso) Dinmico
Eficiencia de Separacin 0 - 20% 25 50% 80 95%
Gas que entra a la bomba 80 100% 50 75% 5 20%
SECCIONES SELLANTES - FUNCIONES
Provee conexin mecnica entre la bomba y el motor Maneja la carga de empuje generado por la bomba Permite la ecualizacin de presiones entre el aceite del motor y el fluido de pozo. Permite la expansin-contraccin del aceite de motor debido a los ciclos trmicos. Prevenir la entrada de fluido de pozo al motor
SECCIONES SELLANTES
Las cmaras de un sello pueden ser de dos tipos: LABERINTO. SELLO POSITIVO (BOLSA DE GOMA).
SELLO LABERNTICO
Sello Mecnico Tornillo de Venteo
Eje
Cojinete de Empuje (Rodete) Cojinete de Empuje Descendente Vlvula de Drenado-Llenado
Tubo
Vlvula de Drenado-Llenado
SELLOS LABERNTICOS
Diseo de tubo en U mantiene la separacin de fluidos de diferentes gravedades especficas. Cojinetes de empuje localizados en la parte inferior del sello. Sellos mecnicos para no permitir el paso de fluido de pozo a lo largo del eje. Estabilizacin radial en la cabeza para prevenir juego radial y excentricidades.
SELLO CON BOLSA ELASTOMRICA
COUPLING SELLO MECANICO CHECK VALVE Un Sentido
BOLSA ELASTOMERICA
BUSHING VALVULA LLENADO SELLO MECANICO COJINETE EMP ASCENDENTE COJINETE DE EMPUJE (RODETE) COJINETE EMP DESCENDENTE
SELLO CON BOLSA ELASTOMRICA
Barrera positiva, no existe interferencia de fluidos. Cojinetes de empuje localizados en la parte inferior del sello. Sellos mecnicos para no permitir el paso de fluido de pozo a lo largo del eje. Estabilizacin radial en la cabeza para prevenir juego radial y excentricidades.
SECCIONES SELLANTES
SELECCIN APROPIADAViscosidad del fluido (Grados API). Inclinacin del equipo con respecto a la vertical. Temperatura de fondo y operativa del motor. Carga de empuje transmitida al sello. Compatibilidad de fluidos con los elastmeros. Cantidad de HP que va a manejar.
PARTES DE PROTECTOR
CICLO DE OPERACIN DEL PROTECTORServicio al Protector previo a la instalacion El sistema se ubica en la profundidad de diseo, el aceite se expande
El motor se detiene. El aceite se contrae
Inicia operacion del motor. El aceite se expande
Ciclos de operacin del Motor
El equipo se saca del pozo. El aceite se contrae
EL MOTOR
Es un motor trifasico. De induccin tipo JAULA DE ARDILLA. De dos polos, similar a los utilizados en superficie. Sumergido en aceite sinttico. aplicaciones de
COMPONENTES DEL MOTOR
Cojinete de Empuje (Rodete) Cojinete de Empuje Alta carga y Temperatura O-Ring Alta Temperatura Slot Anillo Retenedor Barniz Alta Temperatura Arandela de Empuje Aceite Sinttico Ranura Involuta
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR
Las tres fases son conectadas al bobinado del motor, el que termina en una estrella en el interior de este, la cual trata de estabilizar un punto neutro.
Fase A
Fase B Fase C
A
120o
C
120o0o 120o 240o 360o
120o
B
ESTATOR
Slots
Conductores
Detalle de Laminaciones de un Estator
SELECCIN APROPIADA
HP que va a consumir el sistema % de la carga a la cual trabajar Temperatura operativa del motor Profundidad del equipo Velocidad del fluido Presencia de agentes corrosivos y o carbonatos
COMPONENTES DE MOTOR
Housing EstatorBobinado del Estator
Rotor
COMPONENTES DE MOTOREstator:Esta compuesto de laminaciones ranuradas de acero o bronce compactadas a presin, bobinadas con tres alambres (uno por cada fase). Compactadas a presin
Laminas Ranuradas Bobinado
COMPONENTES DE MOTORRotor:Es un dispositivo que rota dentro del estator. Esta formado de laminas ranuradas de menor dimetro que el estator, con barras de cobre en cada ranura.
Rotor
COMPONENTES DE MOTORRotor Bearing:Su funcin es brindar la capacidad de soporte radial al motor. Tiene agujeros de flujo para facilitar la lubricacin del motor.
COMPONENTES DE MOTORThrust Bearing:Se ubica en la parte superior del motor, y su funcin es soportar el empuje generado por todos los rotores.
COMPONENTES DE MOTOREje:El eje del motor electrosumergible permite la circulacin de aceite dielctrico a travs de el y de los rotor bearing para asegurar la lubricacin de sus partes.
Rotores Eje
MOTOR LEAD CABLE
Es la seccin ms inferior del cable de potencia. Es construido con un perfil de diseo tal que pueda ser corrido a lo largo de los sellos y bombas, sin interferencia en situaciones de espacio reducido. Es construido con un terminal especial llamado Pothead. La funcin del Pothead es permitir la alimentacin elctrica con el motor Adems, proporciona un sello hermtico evitando la entrada de fludo al motor
POTHEAD
Empalme con Cinta.
CABLE DE POTENCIA
Es
la
alimentacin elctrica
de
energia
desde
superficie hasta el motor elctrico. Tienen un espesor limitado. Adosado a la tuberia de produccin.
TIPOS DE CABLE
Trenzado Nylon Aislamiento Conductor Chaqueta de Plomo
Armadura
PLANO REDONDO PLANO CON CAPILAR 3/8 REDONDO CON CAPILAR 3/8
CALIBRE Y TIPO DE CONDUCTOR
Trenzado Nylon Aislamiento
Conductor
Chaqueta de Plomo
Armadura
AWG Conductor6 4 2 1
ConductorSlido Estriado
CALIBRE Y TIPO DE CONDUCTORConductor:Calibre: Depende de la necesidad de conduccin de voltaje y corriente, teniendo en cuenta las perdidas de voltaje que se pueden presentar debido a la longitud del cable y la temperatura del pozo.60
#6 AWG
#4 AWG
50
Voltage Drop (V, per 1,000 ft)
40
#2 AWG #1 AWG
30
# 1 /0 A W G20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
C u rre n t (A )
ARMADURA
Trenzado Nylon Aislamiento
Conductor
Chaqueta de Plomo
Armadura
MONEL Monel MONEL PESADO Monel, 20mil Orden Especial GALVANIZADO 20mil en el Plano, 25mil en el Redondo GALVANIZADO PESADO 25mil en el Plano y 34mil en el Redondo ACERO INOXIDABLE 20mil en el Plano y Redondo ACERO INOXIDABLE PESADO 25mil Orden Especial
AISLAMIENTO
Trenzado Nylon Aislamiento
Conductor
Chaqueta de Plomo
Armadura
EPDM Etileno Propileno Dieno Monomero POLIPROPILENO TERMOPLASTICO
VARIADOR DE FRECUENCIA
Es un dispositivo electrnico que permite cambiar la frecuencia de operacin del sistema de bombeo. Al cambiar la frecuencia se afecta el comportamiento de la bomba. Altas frecuencias permite incrementar la tasa de produccin y el levantamiento. Altas frecuencias significa que el motor gira a mayor RPM, lo que se traduce en un mayor suministro de energa al fluido del pozo.
CRITERIOS DE APLICACIN
Desconocimiento de la afluencia del pozo Cambio en el tiempo de las condiciones del pozo Mantenimiento constante de la presin a la entrada de la bomba Reduccin en el arranque de los requerimientos de potencia
TRANSFORMADOR ELEVADOR
Son dispositivos elctricos trifsicos, diseados para incrementar el bajo voltaje relativo del VSD al valor requerido a nivel de los terminales del motor Son del tipo Multitaps, ya que poseen arreglos elctricos que pueden ser variados dependiendo del voltaje requerido por el motor Son diseados bajo estndares llamado OISC, que significa autoenfriados por inmersin de aceite
CAJA DE VENTEO
Conecta el cable de potencia desde el VSD hacia el fondo del pozo Permite el venteo a la atmsfera del gas que pudiera migrar hasta la superficie a travs del cable de potencia, evitando condiciones potenciales de explosin. Es un dispositivo requerido en todas las aplicaciones de bombeo electrosumergible
CARTAS AMPEROMETRICAS
Una carta amperimetrica correctamente interpretada puede mostrar cambios importantes en las condiciones de operacin de los equipos Refleja las alteraciones y desbalances que se presentan en la interaccin entre el equipo de fondo y el pozo, y permite efectuar acciones correctivas sin necesidad de sacar el equipo del pozo
CARTAS AMPEROMETRICAS
Para el anlisis de cartas amperimtricas, asumiremos la operacin de un motor con una corriente de placa de 40 Amperios, cargado a 100% de su capacidad. Para este equipo se han ajustado los valores de sobrecarga a 46 Amperios (115% del valor de placa) y el de bajacarga a 32 Amperios (80% de la corriente de operacin).
CARTAS AMPEROMETRICAS
Operacin Normal: Esta es una carta tpica de amperaje. Sabemos que la unidad de subsuelo esta operando correctamente y consumiendo los 40 amperios de placa. (Hemos tomado medidas de alta con un amperimetro a la salida del Xmer). Puede haber algo anormal con esta unidad?3
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60 50 40 30 20 10
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NOON
MIDNIGHT
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11
3
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6 PM
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9
CARTAS AMPEROMETRICAS
Realmente no. Si cambiamos la relacin de transformacin y colocamos una carta nueva, obtendremos un registro a la escala adecuada. (40 amperios). Esta es una carta de amperaje normal. Tiene el pico de arranque seguido de una lnea suave y simtrica a 40 amperios. Esto representa una condicin ideal.
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NOON
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9 9
1MIDNIG MIDNIGHT
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Fluctuaciones de Energa: Picos periodicos que cruzan el trayecto normal de operacin. La causa ms comn, son cargas periodicas del sistema que pueden ser consecuencia de descargas elctricas cayendo, fluctuaciones en la fuente primaria, o encendido de otros elementos conectados a la misma fuente43
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Bloqueo por Gas: El gas comienza a entrar en la bomba causando un bloqueo por gas. La variacin en la gravedad especifica causa oscilacin del amperaje. Usualmente un episodio de bloqueo por gas lleva a una parada por baja carga3
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Descarga de Fluido de Control: Se est descargando fluido de control. La alta gravedad de este fluido lleva a un incremento de corriente mientras este es desplazado completamente. Se debe ajustar el setting de sobrecarga por encima del 115 % mientras se desplaza, y arrancar a una frecuencia menor de la de operacin.2 2
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60 50 40 30 20 10
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Bajo Nivel de Fluido (Caso I): Este es un caso donde la bomba opera a una rata mayor que el aporte del pozo. Se reduce el nivel de fluido y el gas comienza a separarse llegando a un bloqueo por gas. Las posibles soluciones son: recircular fluido, profundizar la bomba, redisear la bomba u operar el equipo a menor frecuencia.2 2
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Bajo Nivel de Fluido (Caso II): Este es un caso similar al anterior, pero sin presencia de gas. Simplemente el nivel de fluido cae y se presenta un descenso en la corriente de operacin. El pozo no alcanza a llenar el anular para cargar la bomba, y el intento de arranque es fallido El sistema es muy grande para la aplicacin y debe ser rediseado o el pozo estimulado.2 2
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Gas Libre en la Bomba: El equipo est operando cerca de los niveles de diseo, pero con presencia de gas dentro de la bomba, o en ocasiones por la produccin de fluidos emulsificados Este fenmeno representa tambin una disminucin en la produccin en superficie3
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Falla en Apagado por Baja Carga: La unidad bombea fluido al pozo hasta el punto en que no hay fluido para producir, pero el equipo continua funcionando sin carga hasta que se genera suficiente calor para quemar el motor y se activa la alarma de sobrecarga. Este es un caso donde la alarma de bajacarga fu ajustada a un valor muy bajo.2 2
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Sobre Carga: Incremento en la gravedad del fluido o en la viscosidad. (Formacin de emulsiones) Produccin de arena. Problemas elctricos o mecnicos en el equipo de subsuelo o de superficie. Hasta que la causa de la sobrecarga no haya sido determinada, no se debe intentar arrancar el equipo.43
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60 50 40 30 20 10
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1MIDNIGHT MIDNIGHT
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Manejo de Slidos: Partculas slidas que ingresan a la bomba (scale, arena, lodo, etc.) El pozo debe ser limpiado siempre para remover los materiales extraos antes de arrancar la bomba. Es recomendable inicialmente producir el pozo a una rata baja, para crear el drawdown suavemente43
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CARTAS AMPEROMETRICAS
Excesivos Intentos de Arranque: Cuando se presenta parada por sobrecarga, no se debe intentar rearrancar hasta descubrir y dar solucin a las causas Estos rearranques pueden llegar a destruir piezas del equipo que an estan en buen estado.2 2
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PREGUNTAS?
GRACIAS
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