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1. Introducción
Uno de los componentes más importantes del equipo de bombeo electrosumergible es el motor de inducción trifásico, el cual proporciona la potencia necesaria a la bomba centrífuga para llevar los fluidos desde fondo de pozo hasta superficie. Por lo general la velocidad de un motor de corriente alterna es controlada mediante un Variador de frecuencia (VSD), el cual ajusta el voltaje y la frecuencia a la cual trabajará el motor.
En una red eléctrica, los variadores de frecuencia (VSDs) son la principal fuente de armónicos debido a su composición electrónica, los cuales distorsionan las señales de voltaje y corriente. Para el correcto funcionamiento de los equipos de control, monitoreo, y protección deben trabajar con señales de forma óptima, es decir una onda senoidal, por lo tanto, la distorsión armónica provoca disturbios en dichos equipos eléctricos y como resultado reduce su vida útil además de generar un impacto económico en la operación.
Sáchica (2020), en el estudio “Metodología para la optimización del consumo energético bajo el análisis de eficiencia financiera con un alto impacto en la reducción de emisiones de GEI. Caso exitoso de aplicación en el campo más grande de Colombia”, estableció como objetivo crear una metodología aplicable en la industria del petróleo y gas para brindar alternativas de optimización del consumo energético. En la metodología realizó un análisis de técnico y financiero para seleccionar los pozos a optimizar, como resultado, en los pozos se realizaron acciones correctivas y se presentaron ventajas adicionales, tales como; la reducción de carga del VSD y el ajuste de frecuencia portadora del VSD. En esta investigación se busca optimizar el consumo de energía en los VSDs de los bloques 16 y 67 del Ecuador [1].
González (2020), en su investigación “Plan de mejoramiento de distorsiones armónicas presentes en equipos de extracción petrolera por medio de estudio de calidad de potencia”, cuyo objetivo fue mejorar el proceso de atenuación de la distorcion armónica, se realizó un análisis técnico con el histórico de fallas antes, durante y después de cada evento; se implementó simuladores y analizadores de red. La solución a la problemática fue con la implementación de filtros de compensación al sistema de variador de frecuencia. Tal estudio se desarrolló en Colombia, debido a que los problemas de distorcion armónica son un problema que existe en todos los campos petroleros a nivel mundial con sistema de Bombeo Electrosumergible. En este estudio de los autores, se analizan las mediciones de calidad de energía de cada pozo para determinar los problemas que ocurren en los bloques 16 y 67 en Ecuador [2].
En los bloques 16 y 67, los variadores de frecuencia (VSDs) de acuerdo a las mediciones de calidad de energía han determinado valores elevados de distorsión armónica, superior al 5 %, esto significa que no cumple con la norma para el control de armónicos ANSI/IEEE 519-1992. Por ello es importante el análisis de la distorsión armónica de la red eléctrica para controlar que el suministro de energía se aproveche adecuadamente y así reducir las pérdidas en equipos de superficie.
1.1. Exposición de teoría y definiciones
Variador de Velocidad (VSD): Es el encargado de proveer una relación entre el voltaje y la frecuencia para las condiciones apropiadas de operación. Debido a esto también se lo conoce con el nombre de variador de frecuencia, ya que permite alterar la frecuencia de un motor y a su vez su velocidad [3].
Transformadores: En la mayoría de los casos el voltaje de superficie disponible no es compatible con el voltaje del motor requerido y los transformadores deben usarse para proporcionar el nivel de voltaje requerido.
Los transformadores son unidades llenas de aceite con auto enfriamiento, los cuales aumentan (transformador elevador) o disminuyen (transformador reductor) el voltaje disponible de la red eléctrica de superficie [4].
Caja de conexiones: La caja de conexiones o caja de venteo consiste en una caja impermeable ventilada que proporciona la conexión eléctrica entre el fondo del pozo y los cables eléctricos de superficie. Ventea a la atmosfera cualquier gas que haya migrado a través del cable de potencia, con la finalidad de prevenir un incendio o explosión [2].
Cable: La energía eléctrica necesaria para impulsar el motor se lleva desde la superficie a través de un cable conductor, debe mantener sus propiedades dieléctricas en condiciones extremas como: altas temperaturas, entornos de fluidos agresivos y la presencia de hidrocarburos y/u otros gases [5].
Bomba: La bomba sumergible eléctrica es de tipo centrífugo multietapa, la función de las bombas es agregar presión de elevación o transferencia al fluido para que fluya desde el pozo a la tasa deseada. Imparte energía cinética al fluido mediante fuerza centrífuga y luego convirtiéndola en energía potencial en forma de presión [6]
Intake: Se ubica entre el protector y la bomba, reduce la cantidad de gas libre que pasa por la bomba. Su uso es opcional y se utiliza cuando se espera una alta relación gas-petróleo [7].
Protector: Su función principal consiste en aislar el motor de los fluidos del pozo para evitar cortocircuitos y la quema del motor debido a que este posee un aceite dieléctrico; por lo general se lo instala entre el motor y la bomba centrífuga del conjunto BES [2].
Motor: son motores de inducción de corriente alterna, trifásicos y de tipo jaula de ardilla. Para el uso eficiente de la energía eléctrica en el motor debe tener una combinación perfecta de tensión-corriente [8].
Sensor: La señal medida por el sensor debe llevarse mediante el cable que se conecta al motor a la superficie donde se encuentra el controlador del motor. Además, la captura de los datos medidos en el fondo del pozo como propiedades físicas y se almacenan en un software donde su propósito es llevar un monitoreo, vigilancia y análisis [9].
Potencia total: Es la energía total de una instalación eléctrica, es decir la suma de energía activa y reactiva, esta se mide en KVA [10].
1.2 Objetivos
Analizar la disminución de pérdidas en los equipos eléctricos de superficie (VSDs y transformadores) para el control y protección del sistema de bombeo electrosumergible de los Bloques 16 y 67 ubicados en el Oriente ecuatoriano.
Determinar los elementos o parámetros de operación sobre los cuales se pueda ejecutar una determinada acción, que permita optimizar el uso de la energía enfocado en incrementar la vida útil de los equipos BES.
2. Materiales y métodos
De acuerdo a las mediciones de calidad de energía de los pozos A1, A2 Y A3 se procedió a realizar el análisis correspondiente a la operación de los VSDs, análisis de la potencia activa del transformador y análisis de la distorsión armónica del sistema asociado entre el 22 de enero y 26 abril en el pozo A1 y entre el 22 de enero y 28 abril en los pozos A1 y A2, respectivamente. La simulación del pozo Prueba se la realizó en el software Pump Desing de la organización Petroleum Engineering Software and Servicies [11].
De acuerdo con los datos petrofísicos y de diseño del pozo prueba se realizó el dimensionamiento del equipo de fondo con el propósito de determinar los parámetros operativos de la bomba, motor, condiciones eléctricas de los variadores, transformadores y secciones de cable, a fin de lograr un mejor entendimiento con respecto al funcionamiento de los equipos de superficie. Mediante el uso del software ETAP se modeló los equipos eléctricos asociados al pozo A1 para corroborar la distorsión armónica que se genera. Además, se calculó una aproximación con respecto a las pérdidas y ahorro económico. Para ello fue necesario analizar el coste KW/h en Ecuador orientado al sector industrial, sugiriendo algunos cambios en los equipos de superficie para lograr un mayor ahorro económico.
3. Resultados y discusión
3.1. Análisis de los VSDs de los pozos A1, A2 y A3
Entre el 22 de enero y el 26 de abril de 2021 en el pozo A1 se produjo una disminución de potencia del 17,3% (Tabla 1). El variador de frecuencia en equipos electrosumergibles produce gran parte de distorsión armónicos en el sistema lo que provoca una distorsión en la señal de entrada, generando pérdidas. En los pozos A2 y A3, no existe variación de potencia nominal entre las fechas señaladas, lo que significa que la potencia se mantuvo en ese intervalo de tiempo.
3.2. Análisis de los transformadores de los pozos A1, A2 y A3
Con el análisis de los datos de lasTabla 2yTabla 3se deduce que: en el pozo A1, hay una disminución de 17,7 % y 13,6 % en potencia activa a la entrada y a la salida del VSD respectivamente; las mediciones de potencia a la salida del variador se aprovecha como potencia útil y se encarga de realizar el trabajo mecánico, lo que se traduce en pérdidas económicas por el coste que se utiliza para generar potencia no utilizable, con el dato de la potencia aparente de la misma manera es posible determinar el rendimiento del transformador. En el pozo A2 hay una disminución de 1,5 % y 0,9 % de la potencia activa a la entrada y a la salida, respectivamente y en el pozo A3 existe una disminución de 21,3 % en la potencia activa de entrada y un aumento del 1,26 % de la potencia activa de salida.
3.3. Cálculo del rendimiento de los transformadores de los pozos A1, A2 Y A3
Para un transformador, el rendimiento se tiene que encontrar entre el rango de 95% - 99%. Con base al análisis de laTabla 4yTabla 5, se observa cuánto ha sido el aumento de la distorsión armónica total en los transformadores.
3.4. Análisis de la distorsión armónica de voltaje y corriente a la entrada de los VSDs de los pozos A1, A2 y A3
En laTabla 6, se observa el aumento de la distorsión armónica total en el transformador reductor del pozo A1. La señal del voltaje conforme transcurre el tiempo de uso del transformador va disminuyendo su distorsión armónica, como consecuencia en la señal de corriente del transformador existe una elevación del 14,2% al 16,5%, al no ser un valor elevado de distorsión armónica, en esta sección no se profundiza el análisis para corregir o disminuir dicha perturbación. En el pozo A2, hay un incremento de distorsión armónica en la señal de corriente de 3,7% al 4,8% y en pozo A3, una reducción de la distorsión armónica de 9,5% al 8%.
3.5. Análisis de la distorsión armónica de voltaje y corriente a la salida de los VSDs de los pozos A1, A2 y A3
Analizando laTabla 7, en el pozo A1 existe una elevación en la señal de voltaje y de corriente del transformador; del 29.5% al 485% y del 23% al 409%, esto implica que está aumentando en gran medida la distorsión armónica, a su vez puede provocar distintas fallas en el equipo, así como también puede provocar calentamiento a los equipos asociados, reduciendo la vida útil de los mismos y pérdidas económicas importantes. En el pozo A2 no existe una elevación en la señal de voltaje y de corriente del transformador, durante el intervalo de tiempo evaluado, no existen anomalías en la distorsión armónica, lo que no generaría daños o fallas en los equipos. En el pozo A3 existe una reducción en la señal del voltaje y de corriente del transformador, del 29,6% al 9,8% y del 33,1% al 12,3 %, esto implica que disminuye la distorsión armónica, lo cual resulta positivo, ya que se reduce el riesgo de posibles fallas en los equipos, es decir, se aumenta la vida útil de los mismos.
3.6. Simulación del equipo de fondo y superficie del pozo de prueba
Los resultados de la simulación del pozo Prueba en el software Pump Desing se encuentran en laFigura 1y parámetros requeridos del equipo eléctrico de superficie en laTabla 8.
3.7. Contrastación de resultados con el software ETAP
Para observar y comparar los resultados reales con los resultados simulados empleando el software ETAP, mostrado en laFigura 2, se determinó que el equipo de superficie está sobredimensionado y esto ocasiona un aumento en la distorsión armónica. La simulación solo considera el análisis de los pozos petroleros A1, A2, A3 y la plataforma en la que se encuentra.
3.8. Cálculo de ahorro de energía por el uso eficiente de los equipos de superficie
Para el cálculo del ahorro mensual para el uso eficiente en capacidad de los equipos de superficie en los pozos A1, A2 y A3, detallado en laTabla 9, se tomó en cuenta un valor máximo y mínimo correspondiente a la potencia activa (KW) de las mediciones de calidad de energía a la entrada del variador de frecuencia.
Tabla 9:Ahorro mensual por el uso eficiente en capacidad de los equipos de superficie en los pozos A1, A2 y A3.
El valor asumido para el análisis económico corresponde al sector energético de Ecuador; el mismo que puede variar con el tiempo [12]; como se detalla en laTabla 10.
4. Conclusiones y recomendaciones
4.1. Conclusiones
Como los equipos de superficie están sobredimensionados ocasionan pérdidas debido a que existe un mayor consumo eléctrico, entonces va a requerir de mayor consumo de combustible para los generadores y por ende el costo para la operación se eleva. Las corrientes armónicas, a lo largo del tiempo producen la quema de los motores o se vayan una fase a tierra, cuando se queda sin una fase de alimentación de energía al motor.
Los parámetros obtenidos en el software proporcionan el dimensionamiento de los equipos de fondo; además, indican los parámetros operativos necesarios que requieren los equipos de superficie, por esta razón se debe hacer más énfasis en el dimensionamiento del equipo de superficie como en los variadores de frecuencia.
El equipo correspondiente al pozo A1, tiene un sobredimensionamiento del 60%, lo que se traduce en pérdidas de corriente y un funcionamiento deficiente del variador de frecuencia. A mayor capacidad de carga del VSD va a trabajar de mejor manera y sus componentes electrónicos van a ser más eficientes y por ende habrá menor distorsión armónica del sistema.
Se ha asumido el coste de KWh con respecto al tema industrial, pero se debe tomar en consideración que ciertas plataformas petroleras tienen su propia autogeneración a través de unidades térmicas que trabajan con diésel o petróleo.
Los resultados reales con los resultados simulados por medio del software ETAP, determinaron que los equipos de superficie se encuentran sobredimensionados y esto provoca una elevación en la distorsión armónica.
4.2. Recomendaciones
Según experiencia en campo, se recomienda que el VSD funcione de óptima forma, es que trabaje al menos al 70% de su capacidad nominal, caso contrario la forma de onda se distorsiona y los elementos electrónicos no trabajan de manera eficiente, esto hace que se generen corrientes parasitas que son llevadas a los equipos de fondo y hacia aguas arriba de donde se provee de energía los equipos de superficie.
Implementar filtros de armónicos activos o pasivos, los mismos que pueden ser utilizados a la entrada y a la salida de los variadores, ya que estos filtros hacen que los equipos tienen un mayor ciclo de vida disminuyendo la distorsión armónica en la señal producida mayormente por el VSD.
Dimensionar los equipos de superficie de acuerdo a los requerimientos del equipo de fondo, para evitar el sobredimensionamiento del conjunto BES.
Realizar un análisis utilizando la metodología empleada en posteriores casos de estudio relacionados al Machine Learning o Inteligencia Articial, debido a que es un problema contractual técnico de campo, para así evitar una parada inesperada del equipo BES, lo que ocasiona pérdidas en producción y costos de reparación
