(ESP PAPER IN SPANISH) Recomendaciones Prácticas para la Identificación de Problemas en el Diseño, Instalación y Operación del Sistema Artificial de Producción por Bombeo Electrocentrifugo (BEC).

SEGUNDO CONGRESO INTERNACIONAL DEL PETROLEO EN MEXICO “VERACRUZ 2007”

Recomendaciones

Prácticas

para

la

Identificación de Problemas en el Diseño, Instalación Artificial

y

de

Operación Producción

del por

Sistema Bombeo

Electrocentrifugo (BEC). Autores Dr. José Francisco Mendoza Martínez Ing. José Rogelio Villaseñor González Ing. Valentín Cid Domínguez

Co-autores: Ing. Jaime Villaruel González Ing. Jorge Vazquez Morin Ing. Sergio Troncoso González

Villahermosa, Tab. a 2 de marzo de 2007 1

RESUMEN El sistema artificial de producción de Bombeo Electro Centrifugo (BEC), a nivel mundial, ha probado ser eficiente y rentable; entre sus características están la de producir volúmenes considerables de fluido, bajo una amplia variedad de condiciones de flujo del pozo con un amplio rango de profundidades y con aplicaciones exitosas en donde se tiene porcentajes altos de gas libre a la profundidad de colocación de la bomba. Por tal motivo en México este sistema debe ser considerado como una opción para aplicarse en campos terrestres o marinos.

La mayoría de las fallas de los equipos de BEC son de tipo eléctrico, debido a que esta es la fuente principal de energía del sistema. No obstante, el origen de las fallas puede provenir de otra parte y no ser atribuibles a la operación del equipo de BEC en si mismo. (Productividad del yacimiento, durante la introducción del equipo, por cierres de válvulas, propiedades de los fluidos, etc.)

Muchos de los problemas que provocan la

reducción de la vida útil del equipo de BEC se pueden evitar o prevenir y en ocasiones son el resultado de no considerar en forma integral al sistema artificial durante las fases del diseño, instalación y operación del equipo.

Este trabajo se basa en los resultados obtenidos de la aplicación del sistema artificial de BEC, en pozos localizados costa afuera del Golfo de México, en donde se tuvieron fallas prematuras durante su operación, por esta razón el objetivo de este trabajo es proporcionar recomendaciones prácticas que permitan identificar problemas durante el diseño, la instalación y operación en el BEC, incrementando con esto su tiempo de vida en aplicaciones futuras.

2

INTRODUCCIÓN En México el sistema artificial de producción que más se utiliza para pozos con alta productividad es el bombeo neumático, sin embargo en un gran número de casos el corte de agua producida, la profundidad de los pozos y la presión disponible del gas de inyección en la cabeza del pozo han hecho que la eficiencia del sistema artificial disminuya y sea necesario pensar en aplicar otros sistemas artificiales tales como el BEC. El principal problema al que se enfrenta este sistema es la preocupación y desconfianza por el gran número de fallas prematuras que se pueden presentar, lo cual reditúa en el beneficio económico que podría ser nulo y sin valor. Muchos prefieren evitar el uso del BEC hasta agotar todas las posibilidades con otros sistemas artificiales, pero esto no es otra cosa más que el temor a enfrentar lo desconocido ya que a nivel mundial ha probado ser eficiente y rentable por sus altos volúmenes de recuperación de hidrocarburos y en países como Oman, en Arabia Saudita, es ampliamente utilizado. Las primeras pruebas del BEC, en México, fueron realizadas en los años 70’s, en Poza Rica, pero es básicamente en pozos localizados en los estados de Campeche y Tabasco, al sur de la Republica Mexicana, donde se ha aplicado. Siendo Campeche en donde se tiene el pozo con uno de los mayores tiempos de vida a nivel mundial con este sistema, que es de aproximadamente ocho años.

La mayoría de las fallas que se tienen con los equipos de BEC son de tipo eléctrico, ya que esta es la fuente que provee la energía al motor y frecuentemente es el punto más débil del sistema. Sin embargo, las fallas podrían tener su origen en otra parte, como por ejemplo: Una mala selección del yacimiento o una válvula cerrada en superficie lo que ocasionaría problemas de calentamiento al motor. La falta de conocimiento y de experiencia en este sistema puede llevar a condenar prácticamente su aplicación.

Debido a la problemática mencionada anteriormente, el objetivo de este trabajo es proporcionar recomendaciones prácticas que permitan identificar problemas durante el diseño, la instalación y operación en el sistema de BEC, incrementando con esto la confiabilidad en su aplicación e incrementando su tiempo de vida en aplicaciones futuras. 3

SISTEMA INTEGRAL DE BOMBEO ELECTROCENTRÍFUGO Cuando se trata de maximizar el tiempo de vida del BEC, es indispensable considerar a todas las partes que lo componen como un Sistema Integral, conformado por: Sistema Eléctrico, Sistema Mecánico y Sistema Hidráulico como se observa en la Figura 1. Cada una de estas partes es importante y podría ser causa de una falla prematura en caso de algún problema, por lo que es importante puntualizar que la vida del sistema del BEC consta de tres etapas principales1 que son el diseño, la instalación y

la operación como se observa en la Tabla 1. Contar con personal técnico

especializado en cada una de las etapas mencionadas es crítico para asegurar, prolongar y optimizar el tiempo de vida del equipo dadas las condiciones particulares de cada pozo, obteniendo así los beneficios de conservar una producción de hidrocarburos estable, evitar la generación de egresos propiciados por mantenimientos correctivos y por dejar de percibir ingresos de los pozos intervenidos a sistema de BEC por encontrarse fuera de operación debido a fallas.

El concepto del sistema de BEC relacionado con su naturaleza puramente eléctrica es comúnmente mal interpretado al momento de realizar el análisis de las fallas del equipo, ya que el origen de estas puede estar en otra parte2 y no ser atribuibles al equipo de BEC en si mismo. En la mayoría de los casos las fallas de los equipos podrían evitarse, ya que antes de que ocurran se presentan irregularidades en la operación del sistema de BEC, muchas de las cuales pueden prevenirse sin la intervención del operador mediante los sistemas de protección del equipo; en otros casos pueden existir fallas que requieren un análisis cuidadoso y la interpretación de todos los parámetros detectados,

registrados, visualizados y almacenados por el

sistema de control del BEC3. Las principales variables del sistema de BEC que necesitan ser monitoreadas y controladas se mencionan en la Tabla 2.

CASOS DE APLICACIÓN DEL SISTEMA BEC Los casos de aplicación que se presentan en este trabajo, se basan en el análisis de las condiciones de instalación, operación y mantenimiento de todo el sistema de BEC, desde su introducción en los pozos hasta el momento en que salieron de operación los equipos de BEC, con el propósito de documentar las experiencias tenidas, tanto de 4

diseño como operativas, para de esta forma fortalecer la curva de aprendizaje y prolongar la vida útil de los equipos, en las futuras intervenciones que se tienen contempladas realizar en México. El estudio se realizó mediante la conformación de un grupo multidisciplinario de las ramas de la Ingeniería Petrolera, Electrónica y Eléctrica.

La información utilizada constó de: 

Cartas amperométricas de cada pozo (desde su arranque hasta su falla).



Bitácoras (equipo superficial de BEC, motogeneradores y de operación diaria).



Datos registrados en el sensor de fondo y en el variador de velocidad del equipo de BEC (temperaturas, presiones, amperaje, voltaje y frecuencia).



Datos puntuales del comportamiento de los motogeneradores. (tomados cada hora en sitio)



Minutas y reportes de cada pozo.



Inspección en sitio, de las condiciones actuales del equipo superficial del sistema de BEC.

Los resultados obtenidos se detallan de forma breve y concisa a continuación: POZO “A” Eventos Importantes: Durante la operación del equipo de BEC se presentaron eventos significativos, los cuales afectaron la vida útil del equipo de fondo hasta producir la falla del mismo; estos eventos fueron:  Inspección de integridad de las tuberías de revestimiento, con cámara de video.  Estimulación sin equipo de BEC instalado.  Excesivos Paros y Arranques.  Incremento de la temperatura del motor de fondo (Figura 2).  Desbalance de cargas del motor de fondo (Figura 3).  Discrepancias suscitadas todas al mismo tiempo (Figura 4). 

Incremento de presión de descarga y de succión de la bomba.



Baja carga en el motor de fondo.

 Incremento de temperatura del motor de fondo.  Falla en sistemas de protección.  Mala calidad de la energía suministrada. 5

Como resultado del análisis de los eventos presentados en el pozo “A”, se concluyó que el equipo de fondo de sistema de BEC resultó dañado por el incremento en la temperatura, lo cual provocó falla en el aislamiento del motor. POZO “B” Eventos Importantes:  Cambio de intervalo sin nueva toma de información.  Contratiempos en la introducción del equipo de fondo 

Se dejan flejes en el pozo (pescados).



Estimulación con equipo de BEC en el fondo.



Uso tardío de cámara de video.

 Excesivos paros y arranques (Figura 5)  Desbalance de cargas del motor de fondo (Figura 6).  Falla en sistemas de protección.  Temperatura del motor elevada (Figura 7).  Mala calidad de la energía suministrada (véase Figura 8).  Pozo fluye en forma natural con equipo de BEC aterrizado.

Como resultado del análisis de los eventos presentados en el pozo “B”, se concluyó que el equipo de fondo de sistema de BEC se dañó principalmente por el gran número de arranques a los que fue sometido lo cual fue mermando la vida útil del aislamiento del motor.

POZO “C” Eventos Importantes:  No se estimuló el pozo antes de la conversión a BEC.  Se usó cámara de video para inspeccionar condiciones del pozo.  Baja aportación del yacimiento desde el arranque del sistema de BEC (véase Figura 9).  Producción de líquido con presencia de gas en superficie (Figura 9).  Inestabilidad de la corriente del motor desde su arranque (Figura 10).  Alto porcentaje de armónicas a la salida del VDF.  Incremento gradual de la temperatura desde el arranque (Figura 11). 6

Como resultado de los eventos presentados en el pozo “C” el Sistema de BEC fue puesto fuera de operación por presentar inestabilidad en su comportamiento antes de que se presentara daño permanente al equipo de fondo. SISTEMA DE GENERACIÓN DE CORRIENTE ELÉCTRICA. Eventos Importantes: Compuesto por 3 motogeneradores de combustión interna por diesel, con capacidad de producir 1000 Kw. de potencia cada uno; interconectados en paralelo para alimentar y satisfacer los requerimiento de Corriente Alterna de la misma plataforma y de los Sistemas de BEC (Equipo superficial y subsuperficial) de los pozos “A”, “B” y “C”. Eventos Importantes:  El dimensionamiento y diseño de los motogeneradores utilizados no eran exprofesos para los Sistemas de BEC de los pozos mencionados.  La plataforma y el equipo de BEC compartían la misma fuente de alimentación; por lo cual el Sistema Artificial era propenso a la presencia de desbalances5 y Armónicas6, producto del switcheo conmutado ajeno al Sistema de BEC.  La corriente eléctrica producida por los motogeneradores contaba con la presencia de armónicas.  Los equipos de generación carecían en términos generales de un buen funcionamiento (Figura 12), esto debido a: 

Diesel Sucio.



Filtros Tapados.



Falta de lubricación de partes Mecánicas.



Carencias en el mantenimiento preventivo.



Controlador Lógico Programable (PLC) del sistema de motogeneración fuera de operación.

RECOMENDACIONES PRÁCTICAS Con base en datos analizados de los pozos se emiten las recomendaciones siguientes cuyo propósito es que lo ocurrido se tomen como lecciones aprendidas y no se vuelva a repetir: 7

1. Llevar registros históricos; desde pruebas de arranque de pozo tales como: 

Reportes de instalación.



Cartas Amperométricas (de las tres fases).



Bitácoras (equipo de BEC, equipo generador de energía eléctrica y de operación).



Datos registrados en el sensor de fondo y en variador del equipo (temperaturas, presiones, amperaje, voltaje y frecuencia).



Datos del comportamiento del equipo generador de energía eléctrica.

2. Atender las recomendaciones del API4 referentes a la operación, mantenimiento e instalación del equipo; también se requiere de procedimientos operativos propios de la Compañía prestadora de servicios del BEC para su introducción, armado, paro y arranque del equipo, permitiendo maximizar los tiempos de operación. 3. Se deben cumplir con la normatividad relacionada con voltajes5, corrientes5 y % porcentaje armónico6; así como respetar la ventana de operación para la cual fue diseñado el equipo y contar con la habilitación de los sistemas de protección en las variables críticas del sistema. 

Temperaturas.



Presiones.



Voltajes.



Corrientes.



% Armónico.



Vibraciones.

4. No introducir equipo de BEC en intervalos donde se carezca de información confiable (cambios de intervalos), ya

que

se tendrían pocas probabilidades de

éxito. 5. Evitar realizar estimulaciones acidas al yacimiento. Esto cambiaría las condiciones de diseño originales del sistema de BEC. Es latente riesgo de fallas prematuras. No realizar ningún tratamiento con aromáticos, estando en el interior del pozo el equipo de BEC, debido a que esto podría dañar algunos componentes del mismo. 6. Contar

con

un

programa

de capacitación para todo el personal relacionado

con el diseño, instalación del equipo de fondo, operación y mantenimiento del equipo de BEC.

8

7. Realizar estudios a los yacimientos en los pozos donde se tiene planeado su intervención a BEC, para evitar introducir el BEC en donde no se requiera. 8. Debe evitarse el empleo de cedazos, así como cuando se realicen trabajos a boca de pozo no dejar flejes (pescados), ya que estas acciones dificultan la instalación del equipo de BEC y modifican la geometría del pozo. 9. Inspección de integridad de las tuberías de revestimiento, con cámara de video; para poder detectar irregularidades en la TR que puedan entorpecer la instalación o la recuperación de un equipo de BEC. 10. Monitorear en forma local y remota la información generada por los equipos de BEC y el sistema de generación de energía eléctrica, para contar con información confiable que permita en forma oportuna la toma de decisiones. 11. Contar con la asistencia técnica permanentemente en sitio del proveedor del equipo de BEC y de la generación eléctrica (al menos una persona de cada área), para garantizar la integridad de los equipos. 12. Contar con personal capacitado. 

Personal entrenado en el armado e introducción del equipo de BEC y de la T.P.



Personal entrenado en el arranque, paro, monitoreo, supervisión, interpretación de fallas, control, y operación del equipo, tanto superficial como subsuperficial.

CONCLUSIONES Los equipos de BEC analizados dejaron de operar por daño en el equipo de fondo (pozos “A” y “B”) y fuera de operación (“C”), la causa real podrá ser determinada una vez que sean recuperados los equipos y se realicen las pruebas correspondientes en los talleres, pero con la información que se analizó y con que se contó, la falla se atribuye a degradación en el aislamiento del motor provocado por la alta temperatura en la que estuvo operando debido a: 1. Falla en la funcionalidad de los sistemas de protección (desbalance de voltaje, presión de succión, descarga, temperatura del motor, diferencial de presión, alta y baja carga, bajo y alto voltaje). 2. Disminución del gasto debido a cierre no programado de la válvula de tormenta. 3. Arranques excesivos del motor de fondo. 9

4. La mala calidad de la energía suministrada, no se contó con mediciones eléctricas en el lado de alta tensión, ni con el análisis del comportamiento de las armónicas a la entrada y salida del VDF, por lo que se desconoce la operación real del motor de fondo del sistema de BEC. NOMENCLATURA Símbolo °F Amp API RP 11S BEC bpd kg/cm2 Δdesc T.P. T.R. L.E. VDF

Descripción = = = = = = = = = = =

Grados Fahrenheit Carga en Amperes American Petroleum Institute Recommended Practice 11S Bombeo Electrocentrifugo Barriles por día Kilogramos por centímetro cuadrado Diferencial de Presión en la descarga de la bomba Tubería de producción Tubería de Revestimiento Línea de Escurrimiento Variador de frecuencia REFERENCIAS

1. 7th European Electric Submersible Pump Round Table. Aberdeen, Scotland; Optimizing ESP Runlife- A Practical Checklist. 2. 7th European Electric Submersible Pump Round Table. Aberdeen, Scotland; ESP Monitoring – Where’s your speedometer. 3. ESP Workshop.- ESP Power Quality Check, K. Gohary, A. Al-Bimani, A. AlMahrouqi, A. Al-Busaidy, K. Ellithy, I.A. Metwally, Petroleum Development Oman (PDO), Sultan Qaboos University (SQU), This paper was prepared for presentation at the 2005 Society of Petroleum Engineers - Gulf Coast Section Electric Submersible Pump Workshop held in Houston, Texas 27-29 April 2005. 4. API RP 11S, Recommended Practice for the Operation, Maintenance and Troubleshooting of Electric Submersible Pump Installations. 5. IEEE-1159, Monitoring Electric Power Quality. 6. IEEE-519, Recommended Practice and requirements for harmonics control in Electrical Power Systems.

10

Tabla 1 – Etapas principales del Sistema Integral de BEC. Selección

del

yacimiento,

perforación,

terminación,

electricidad,

instalaciones de superficie, propiedades del fluido, experiencias anteriores Diseño

(de la propia compañía, otros operadores,

fabricantes de bombas),

innovación, la economía. La instalación entrenamiento a la tripulación, ambiente de trabajo, Instalación procedimientos y prácticas, paciencia, iniciar arranque, entrenando, entrenando, entrenando. Entrenamiento al personal de operación, monitoreo, sistemas de control Operación

inteligentes, análisis e interpretación del funcionamiento del pozo/BEC.

Tabla 2 – Variables Criticas de monitoreo y control del Sistema de BEC. Parámetro La presión de descarga de bomba Cabeza del pozo & presión de descarga de bomba Presión de succión de la bomba

Función de Control y Monitoreo Bien cerrado-en protección Estimación del corte de agua o la relación gas aceite (RGA) Candado de gas. Caída de presión del yacimiento. Protecciones por estar en zona de esfuerzos ascendentes

Bomba Δdesc

y descendentes. Estimación del flujo. Funcionamiento de la bomba (uso, viscosidad, fabricación)

Temperatura del motor

Sobrecalentamiento (sobrecarga, falta de enfriamiento)

Amperaje del motor

Protecciones por alta y baja carga

Corriente de fuga

Sobrecalentamiento (daños en el aislamiento)

11

CABEZA DEL POZO TRANSFORMADOR ELEVADOR

SEPARADOR LINEA L.E. DE FLUJO

GENERADOR GENERADOR GENERADOR

EMPALME

TUBERIA T.P.

Separador, línea de flujo, válvula de seguridad, T.P., T.R.

SISTEMA ELECTRICO

CABLE DE POTENCIA

Generador, transformador reductor o desfasador, variador de frecuencia, transformador elevador, penetrador de la cabeza del pozo, empalmes, cable de potencia, cable de extensión del motor, motor.

EMPACADOR

SISTEMA HIDRAULICO

TRANSFORMADOR REDUCTOR O DESFASADOR

PENETRADOR DE LA CABEZA DEL POZO

V ÁLVULA DE SEGURIDAD

SISTEMA MECANICO

VDF

BOMBA POTHEAD

Yacimiento y bomba MOTOR

T.R . YACIMIENTO

Fig. 1 – Sistema Integral de Bombeo Electrocentrifugo (BEC).

3500 P/Succ. psi

P/Desc. psi 3300

Disparo del MG

Actualizacion de Software

Disparo del MG

400

Falla motor de fondo por incremento de la temp

350

Fuera de servicio del sensor 300

250

3100 2900 .

Disparo del VDF

450

TEMPERATURA (ºF) .

Temp. Motor ºF

2700 2500 2300 2100 1900 1700

200 22-2

1500 14-3

3-4

23-4

13-5

2-6

22-6

12-7

1-8

TIEMPO

Fig. 2 – Incremento de la temperatura del motor de fondo, Pozo “A”.

12

21-8

PRESIÓN (PSI)

Disparo Disparo Disparo del MG del VDF del MG

Temp/Desc. ºF

Cerrado por ontigencia del huracan Emily

Temp/Succ. ºF

500

480

Volt's

A Amp

B Amp

C Amp

Frecuencia

100

430

80 70

380

60 50

330

40 280 230

30 Se empiezan a separar las 3 fases

Desbalance de cargas de 5.6%

180

20 10 0

TIEMPO

Fig. 3 – Desbalance de cargas del motor de fondo, Pozo “A”.

Fig. 4 – Discrepancias suscitadas todas al mismo tiempo, Pozo “A”. 13

Frecuencia (Hz)

VOLT'S, A, B, C (Amp)

.

90

ARRANQUES Y PAROS MANUALES PARO: 15:15 HRS A.M.: 17:00 HRS

Fig. 5 – Excesivos paros y arranques, Pozo “B”.

75 480

Volt's Disparo Disparo del VDF del VDF

A Amp Disparo del MG

B Amp

C Amp

Frecuencia Disparo del MG

Disparo del MG

70

Estimuló pozo 330

280

65 Variaciones por mala calidad de la energia

DISPARO DEL VDF/ EQUIPO FUERA DE OPERACIÓN

60

55

50

230

180 45 18-5-05 0:00 2-6-05 0:00 17-6-05 0:00 2-7-05 0:00 17-7-05 0:00 1-8-05 0:00 16-8-05 0:00 31-8-05 0:00 15-9-05 0:00 30-9-05 0:00 TIEMPO

Fig. 6 – Desbalance de cargas del motor de fondo, Pozo “B”.

14

Frecuencia (Hz)

380

El pozo fluye naturalmente

VOLT'S, A, B, C (Amp)

Actualizacion de software

Cerrado por contigencia del huracan Emily

430

3000 Temp/Succ. ºF

Temp/Desc. ºF

Temp. Motor ºF

P/Succ. psi

P/Desc. psi

550

Estimulo

pozo

El pozo fluye naturalmente

TEMPERATURA (ºF),

450

400 ¿

350

300

2000

1500

1000

250

200

500

TIEMPO

Fig. 7 – Temperatura del motor elevada, Pozo “B”.

PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE OPERACIÓN MOTOGENERADORES

Día Anterior

En el momento

Día Después

Fig. 8– Mala calidad de la energía suministrada, Pozo “A” y “B”. 15

PRESIÓN (PSI)

2500

500

20

PTP Kg/cm2

Pbjte Kg/cm2

PTR Kg/cm2

Est. pg

1

18 Disparo V Unbal LK

16

Paro X  Tmotor

Disparo MG

"ESTRANGULAD.(pg)"

"PRESIÓN (Kg/cm2)"

3/4 14

Paro X  Tmotor Falla de energía

12 10

1/2

8 6 1/4 4

Apaga Eq hasta que se estimule el pozo

2 0 18-8-05 0:00

0 28-8-05 0:00

7-9-05 0:00

17-9-05 0:00

27-9-05 0:00

7-10-05 0:00

17-10-05 0:00

27-10-05 0:00

TIEMPO

Fig. 9 – Baja aportación del yacimiento y Producción de líquido con presencia de gas en superficie, Pozo “C”.

480

A Amp

C Amp

B Amp Disparo V Unbal LK

Disparo MG

Paro X  Tmotor

430

Frecuencia

Volt's

Paro X  Tmotor

70

60

Falla de energía

380 40 330 30

280

20

230

10 Apaga Eq hasta que se estimule el pozo

180 18-8-05 0:00

0 28-8-05 0:00

7-9-05 0:00

17-9-05 0:00

27-9-05 0:00

7-10-05 0:00

17-10-05 0:00

27-10-05 0:00

TIEMPO

Fig. 10– Inestabilidad de la corriente del motor, Pozo “C”.

16

FRECUENCIA (Hz)

VOLT'S, A, B, C (Amp) ,

50

600

550

Temp/Desc. ºF

Disparo V Unbal LK

Temp. Motor ºF

Disparo MG

P/Succ. psi

350

300

Paro X  Tmotor

2400

FALLA DE LA COMP. SIN SEÑAL

FALLA DE LA COMP. SIN SEÑAL

"TEMPERATURA (ºF)."

Falla de energía

400

2900

Paro X  Tmotor

500

450

P/Desc. psi

1900

1400

250 Apaga Eq hasta que se estimule el pozo 200 18-8-05 0:00

900 28-8-05 0:00

7-9-05 0:00

17-9-05 0:00

27-9-05 0:00

7-10-05 0:00

17-10-05 0:00

27-10-05 0:00

TIEMPO

Fig. 11 – Inestabilidad de la temperatura, Pozo “C.

Pozo “B” Día “w”

Pozo “B” Día “z”

Pozo “A” Día “w”

Pozo “C” Día “z”

Fig. 12– Funcionamiento deficiente del Sistema Generación.

17

"PRESIÓN (PSI)"

Temp/Succ. ºF