Pompe Sommergibili Elettriche: La Svolta Moderna per Sceglierle al Meglio!

Amici appassionati di ingegneria e produzione, oggi voglio parlarvi di un argomento che mi sta particolarmente a cuore e che, credetemi, può fare una bella differenza nel nostro settore: la selezione delle pompe sommergibili elettriche a cavità progressiva (ESPCP). So cosa state pensando: “Ecco un altro tecnicismo!”. Ma aspettate un attimo, perché sto per raccontarvi come un approccio un po’ più scientifico e moderno possa rivoluzionare il modo in cui affrontiamo questa scelta, portando a risultati davvero sorprendenti.

Per anni, diciamocelo francamente, la scelta di queste pompe si è basata molto sull’esperienza passata, un po’ “a fiuto”. Un metodo che ha i suoi limiti, soprattutto perché manca di un solido supporto teorico. E se vi dicessi che possiamo fare di meglio? Che possiamo avere basi scientifiche solide per i nostri piani di produzione di petrolio, gas e metano da carbone? Beh, continuate a leggere, perché è proprio di questo che parleremo!

Un Nuovo Sguardo: L’Analisi Nodale al Servizio delle Pompe

Il cuore della questione è capire esattamente di cosa abbiamo bisogno. Per questo, abbiamo messo a punto un modello di caduta di pressione nel pozzo che tiene conto di un sacco di fattori, come l’inclinazione del pozzo e l’attrito. Immaginate di dividere il sistema di produzione in vari “nodi” o sottosistemi: dalla testa del pozzo all’uscita della pompa, dall’ingresso all’uscita della pompa stessa, e dall’ingresso della pompa fino al giacimento. Studiando le caratteristiche di ogni sottosistema, possiamo capire come variano i parametri in ogni punto. Questo metodo, chiamato analisi nodale, non è nuovo in assoluto – pensate che Gilbert lo propose per i sistemi di pompaggio già un bel po’ di tempo fa, e Brown ne ha poi approfondito l’applicazione – ma noi l’abbiamo affinato per le ESPCP.

Grazie a questo modello, possiamo determinare la prevalenza operativa, cioè la “spinta” che la pompa deve fornire per sollevare il fluido fino alla testa del pozzo. E questa, amici miei, è l’informazione cruciale per scegliere la pompa giusta. Non solo, ma possiamo anche calcolare la prevalenza nominale necessaria, aggiungendo un piccolo margine di sicurezza (un coefficiente di riserva, di solito tra 1.1 e 1.2), per essere sicuri che la pompa possa affrontare anche condizioni impreviste.

L’Efficienza Prima di Tutto: Curve di Performance e Perdite

Ma non basta scegliere una pompa che “ce la fa”. Vogliamo quella che lavora meglio, sprecando meno energia possibile! Ecco perché abbiamo analizzato a fondo l’efficienza della pompa. Abbiamo preso i dati sperimentali forniti da un produttore e abbiamo “fittato” le curve di performance della pompa. Questo ci permette di prevedere l’efficienza della pompa a diverse pressioni di esercizio.

Quando una pompa ESPCP lavora, ci sono delle perdite di energia. Principalmente, parliamo di due tipi:

• Perdite meccaniche: dovute all’attrito tra le componenti, come la coppia vite-bussola, i dispositivi di tenuta e i cuscinetti. L’efficienza meccanica ci dice quanto la pompa si usura durante il funzionamento.
• Perdite volumetriche: si verificano quando il fluido “scivola” da una cavità all’altra all’interno della pompa, specialmente se la pressione supera i limiti di tenuta. Questo riduce la quantità di fluido effettivamente pompato.

Le perdite idrauliche, invece, sono generalmente trascurabili. L’efficienza totale della pompa è quindi il prodotto dell’efficienza meccanica e di quella volumetrica.

Analizzando le curve, abbiamo notato cose interessanti. Ad esempio, per una pompa tipo XX2600, abbiamo visto che la portata rimane abbastanza costante entro un certo range di pressioni. Ma se la pressione supera una certa soglia, la portata cala drasticamente. Questo perché, anche se c’è interferenza tra rotore e statore, a pressioni elevate si crea un gioco che causa perdite. Allo stesso modo, l’efficienza meccanica tende ad aumentare con la prevalenza: a basse pressioni, l’attrito a secco è maggiore; aumentando la pressione, l’attrito diventa lubrificato e poi liquido, migliorando l’efficienza.

Il risultato? Abbiamo scoperto che l’efficienza della pompa, al crescere della prevalenza, segue un andamento parabolico: prima aumenta e poi diminuisce. Per la pompa XX2600, ad esempio, il range di funzionamento efficiente è tra 1.625 e 2.275 metri di prevalenza, con il punto di massima efficienza intorno ai 1.950 metri. Questo è il punto operativo che raccomandiamo!

Non Solo la Pompa: La Scelta del Motore e del Cavo Sottomarino

Una volta scelta la pompa, il lavoro non è finito. Dobbiamo pensare al motore elettrico che la farà girare e al cavo sottomarino che porterà l’energia laggiù, nel pozzo. Il motore deve fornire potenza sufficiente. Come la calcoliamo? Partiamo dalla potenza di uscita della pompa (quella attiva, necessaria per sollevare il fluido) e, conoscendo l’efficienza della pompa, calcoliamo la potenza di ingresso. Molti studi suggeriscono che la potenza ottimale del motore sia tra il 120% e il 130% della potenza di ingresso della pompa. Questo margine tiene conto di varie evenienze, anche se per pozzi ad alta temperatura (>120°C) potrebbe servire un ulteriore 15-20% per compensare l’attenuazione termica dei materiali isolanti, e per pozzi ultra-profondi (>3000m) bisogna compensare la caduta di tensione del cavo.

Anche l’efficienza del motore varia con il carico. Abbiamo analizzato queste tendenze basandoci sui dati del produttore, e possiamo prevedere l’efficienza del motore una volta nota la potenza di ingresso della pompa.

E il cavo? È fondamentale! Deve trasportare l’energia in modo sicuro ed economico. La scelta si basa sulla sezione del conduttore, che dipende da lunghezza del cavo, corrente elettrica, resistività del conduttore e caduta di tensione. Abbiamo sviluppato un processo per determinare la sezione trasversale raccomandata, correggendo la resistività del conduttore in base alla temperatura e al materiale (rame nudo o stagnato). Generalmente, si stima una caduta di tensione del 5% per garantire un funzionamento sicuro.

La Prova del Nove: I Risultati sul Campo

Tutto molto bello in teoria, direte voi. Ma funziona davvero? Per verificarlo, abbiamo condotto dei test, seguendo protocolli standard (GB/T 21411.1–2014), utilizzando sensori di pressione ad alta temperatura e misuratori di portata. Abbiamo preso i dati di due pozzi petroliferi, J018 e J3618, e li abbiamo usati come riferimento. Abbiamo calcolato la potenza attiva della pompa sommergibile e l’abbiamo confrontata con i dati misurati sul campo.

I risultati? Un errore medio tra i valori calcolati e quelli misurati del solo 2,54%! Questo ci dice che la precisione del nostro metodo è più che adeguata per le esigenze pratiche. Ma non è tutto: dopo aver applicato la nostra metodologia di selezione, l’efficienza di pompaggio dei pozzi J018 e J3618 è aumentata rispettivamente del 7% e del 16,3%. Un bel miglioramento, che si traduce in un notevole risparmio energetico, minori costi di produzione e una maggiore durata della pompa.

Per darvi un’idea, per il pozzo J018 il tipo di motore è rimasto invariato, mentre per il J3618 abbiamo raccomandato un motore con potenza nominale di 9 kW. Per quanto riguarda i cavi, per il J018 abbiamo suggerito un cavo con sezione di 16,5 mm², mentre per il J3618 uno da 10,1 mm².

Guardando al Futuro

Questo approccio, che integra l’analisi nodale e lo studio dettagliato delle performance, rappresenta un passo avanti significativo. Ma non ci fermiamo qui. Il prossimo passo è integrare questi sistemi con hardware aggiuntivo, come sensori per la raccolta dati in tempo reale. Questo aiuterebbe gli operatori a rispondere rapidamente ai cambiamenti delle condizioni del pozzo, migliorando ulteriormente la gestione intelligente dei pozzi di petrolio, gas e metano da carbone.

Inoltre, stiamo lavorando per considerare la presenza di gas nel flusso, un fattore che può ridurre significativamente l’efficienza e aumentare la temperatura vicino all’uscita della pompa. Questo richiederà l’uso di correlazioni di flusso multifase per una maggiore accuratezza e, a seconda della frazione di vuoto all’ingresso della pompa, potremmo suggerire l’uso di un separatore di fondo per ridurre l’effetto del gas.

Insomma, la strada è tracciata: rendere la selezione e la gestione dei sistemi di pompaggio sempre più precisa, efficiente e intelligente. E i risultati, come abbiamo visto, parlano da soli!

Fonte: Springer