RECOMENDACIONES PRÁCTICAS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS EN EL DISEÑO, INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DEL SISTEMA ARTIFICIAL DE PRODUCCIÓN POR BOMBEO ELECTROCENTRIFUGO (BEC). Autores: Dr. José Francisco Martínez Mendoza - PEP -fmartinezm @pep.pemex.com Ing. José Rogelio Villaseñor González - IMP -
[email protected] Ing. Valentín Cid Domínguez - CIATEQ -
[email protected] Co-autores: Ing. Jaime Villarruel González - PEP - jvillarruelg@ pep.pemex.com Ing. Jorge Vazquez Morin - PEP -
[email protected] Ing. Sergio Troncoso González - PEP - stroncosog @ pep.pemex.com Copyright 2007,CIPM, AIPM, AMGP, AMGE, y SPE. Este artículo fue preparado para su presentación en el Segundo Congreso y Exposición Internacional del Petróleo en México, efectuado del 28 al 30 de Junio del 2007 en Veracruz, Ver. , México. El material presentado no necesariamente refleja la opinión del Colegio CIPM y asociaciones AIPM, AMGP, AMGE, y SPE. El artículo fue seleccionado por un Comité Técnico con base en un resumen; el contenido total no ha sido revisado por los comités editoriales del CIPM, AIPM, AMGP, AMGE, y SPE.
RESUMEN.
INTRODUCCIÓN.
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.
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 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.
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.
SISTEMA INTEGRAL ELECTROCENTRÍFUGO.
DE
BOMBEO
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.
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.
Diseño
Instalación
CABEZA DEL POZO TRANSFORMADOR ELEVADOR
SEPARADOR LINEA DEL.E. 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
VÁLVULA DE SEGURIDAD
SISTEMA MECANICO
VDF
BOMBA POTHEAD
Yacimiento y bomba MOTOR
T.R . YACIMIENTO
Figura 1. Sistema Electrocentrifugo (BEC).
Integral
de
Bombeo
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
Operación
Selección del yacimiento, perforación, terminación, electricidad, instalaciones de superficie, propiedades del fluido, experiencias anteriores (de la propia compañía, otros operadores, fabricantes de bombas), innovación, la economía. La instalación entrenamiento a la tripulación, ambiente de trabajo, procedimientos y prácticas, paciencia, iniciar arranque, entrenando, entrenando, entrenando. Entrenamiento al personal de operación, monitoreo, sistemas de control inteligentes, análisis e interpretación del funcionamiento del pozo/BEC.
Tabla 1. Etapas principales del Sistema Integral de BEC1.
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. Parámetro La presión de descarga de bomba Cabeza del pozo & presión de descarga de bomba Presión de succión de la bomba
Bomba Δdesc Temperatura del motor Amperaje del motor Corriente de fuga
Función de Control y Monitoreo Protección en caso de cierre del pozo
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 y descendentes. Estimación del flujo. Comportamiento de la bomba (desgaste, viscosidad, fabricación) Sobrecalentamiento (sobrecarga, falta de enfriamiento) Protecciones por alta y baja carga Sobrecalentamiento (daños en el aislamiento)
Tabla 2. Variables Criticas de monitoreo y control del Sistema de BEC1.
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.
3500 Temp. Motor ºF
P/Desc. psi 3300
Disparo del VDF
450
P/Succ. psi
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 Disparo Disparo del MG del VDF del MG
Temp/Desc. 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
21-8
TIEMPO
Figura 2. Incremento de la temperatura del motor de fondo, Pozo “A”.
PRESIÓN (PSI)
Temp/Succ. ºF
500
Cerrado por ontigencia del huracan Emily
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 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.
Incremento de la temperatura del motor de fondo (Figura 2).
TEMPERATURA (ºF) .
CASOS DE APLICACIÓN DEL SISTEMA DE BEC.
Desbalance de cargas del motor de fondo (Figura 3). 480
Volt's
A Amp
B Amp
C Amp
Frecuencia
por el incremento en la temperatura, provocó falla en el aislamiento del motor.
100
70 380
60 50
330
40 280 230 180
Pozo “B”
80
30 Desbalance de cargas de 5.6%
Se empiezan a separar las 3 fases
20
Frecuencia (Hz)
VOLT'S, A, B, C (Amp)
.
90 430
lo cual
Eventos Importantes: Cambio de información.
intervalo
sin
nueva
toma
de
10 0
TIEMPO
Figura 3. Desbalance de cargas del motor de fondo, Pozo “A”. 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.
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).
ARRAN QUES Y PAROS MANUA LES
Figura 5. Excesivos paros y arranques, Pozo “B”. Desbalance de cargas del motor de fondo (Figura 6). 75 480
Disparo del MG
B Amp
Disparo del MG
Frecuencia
70
Estimuló pozo 330
280
65 Variaciones por mala calidad de la energia
DISPARO DEL VDF/ EQUIPO FUERA DE OPERACIÓN
60
Frecuencia (Hz)
380
El pozo fluye naturalmente
Actualizacion de software
Mala calidad de la energía suministrada.
55
50
230
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
C Amp
Disparo del MG
Cerrado por contigencia del huracan Emily
Falla en sistemas de protección.
Disparo Disparo del VDF del VDF
A Amp
430
VOLT'S, A, B, C (Amp)
Figura 4. Discrepancias suscitadas todas al mismo tiempo, Pozo “A”.
Volt's
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
Figura 6. Desbalance de cargas del motor de fondo, Pozo “B”.
Falla en sistemas de protección.
Pozo “C”
Temperatura del motor elevada (Figura 7).
Eventos Importantes: 3000
Temp/Succ. ºF
Temp/Desc. ºF
Temp. Motor ºF
P/Succ. psi
P/Desc. psi
No se estimuló el pozo antes de la conversión a BEC.
550
Estimulo pozo
El pozo fluye naturalmente
TEMPERATURA (ºF),
450
400 ¿
350
300
2000
1500
PRESIÓN (PSI)
2500
500
1000
Se usó cámara de video para inspeccionar condiciones del pozo. Baja aportación del yacimiento desde el arranque del sistema de BEC (Figura 9).
250
200
500
TIEMPO
Figura 7.Temperatura del motor elevad a, Pozo “B”.
Producción de líquido con presencia de gas en superficie (Figura 9). 20
la
energía
Pbjte Kg/cm2
PTR Kg/cm2
Est. pg
1
suministrada
Disparo V Unbal LK
16
Disparo MG
Paro X Tmotor
3/4 14
"ESTRANGULAD.(pg)"
de
"PRESIÓN (Kg/cm2)"
Mala calidad (Figura 8).
PTP Kg/cm2
18
Paro X Tmotor Falla de energía
12 1/2
10 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
Día Anterior
Figura 9. Baja aportación del yacimiento y Producción de líquido con presencia de gas en superficie, Pozo “C”. Inestabilidad de la corriente del motor desde su arranque (Figura 10). 480
A Amp
B Amp Disparo V Unbal LK
C Amp Disparo MG
430
Pozo fluye en forma natural con equipo de BEC aterrizado.
60
50 380 40 330 30
280
20
230
10 Apaga Eq hasta que se estimule el pozo
180 18-8-05 0:00
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.
70
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
Figura 10. Inestabilidad de la corriente del motor, Pozo “C”. Alto porcentaje de armónicas a la salida del VDF.
FRECUENCIA (Hz)
Figura 8. Mala calidad de la energía suministrada, Pozo “A” , “B” y “C”.
Frecuencia Paro X Tmotor
Falla de energía
Día Después VOLT'S, A, B, C (Amp) ,
En el momento
Volt's
Paro X Tmotor
Incremento gradual de la temperatura desde el arranque (Figura 11). 600
Temp/Desc. ºF
Disparo V Unbal LK
Disparo MG
Temp. Motor ºF
P/Succ. psi
500
400
350
300
Paro X Tmotor
2900
2400
FALLA DE LA COMP. SIN SEÑAL
FALLA DE LA COMP. SIN SEÑAL
"TEMPERATURA (ºF)."
Falla de energía 450
P/Desc. psi
Paro X Tmotor
1900
"PRESIÓN (PSI)"
Temp/Succ. ºF 550
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.
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
Figura 11. Inestabilidad de la temperatura, Pozo “C”. 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.
Pozo “B” Día “w”
Pozo “A” Día “w”
Sistema de Generación de corriente eléctrica. 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”.
Figura 12. Funcionamiento deficiente del sistema de motogeneración.
Eventos Importantes:
RECOMENDACIONES PRÁCTICAS
El dimensionamiento y diseño de los motogeneradores utilizados no eran exprofesos para los Sistemas de BEC de los pozos mencionados.
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:
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.
1. Llevar registros históricos; desde pruebas de arranque de pozo tales como:
La corriente eléctrica producida por los motogeneradores contaba con la presencia de armónicas.
Pozo “B” Día “z”
Pozo “C” Día “z”
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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).
Disminución del gasto debido a cierre no programado de la válvula de tormenta.
Arranques excesivos del motor de fondo.
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.
3. ESP Workshop.- ESP Power Quality Check, K. Gohary, A. Al-Bimani, A. Al-Mahrouqi, 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.
NOMENCLATURA Símbolo °F Amp API RP11S 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.
