ANÁLISIS Y REVISIÓN DE LAS MEJORES PRÁCTICAS Y NUEVAS TECNOLOGÍAS EN ESP, CON EL FIN DE OPTIMIZAR LA EFICIENCIA DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓN Y LOS COSTOS ASOCIADOS. Clemente Marcelo Hirschfeldt Fernando Bertomeu OilProduction Oil & Gas Consulting Argentina – Colombia - México

23 al 24 de Julio de 2014. Buenos Aires. Argentina

AGENDA

 Historia del Sistema ESP

 El sistema ESP en la Cuenca del Golfo San Jorge (CGSJ)

Argentina  Análisis de los límites y restricciones del sistema ESP  Evolución de los servicios, tecnologías y su aplicación en la

Argentina  Conclusiones

HISTORIA DEL SISTEMA ESP Sus orígenes y evolución empresarial

HISTORIA DEL SISTEMA ESP



Al contrario de la mayoría de los métodos de levantamiento artificial como el gas lift o los accionados por varillas de bombeo, cuya invención no puede atribuirse a ninguna persona ni tiempo definido, el sistema de bombeo electrosumergible fue inventado y desarrollado por el ruso Armais Arutunoff a finales de 1910.



En 1911 comenzó con la compañía “Russian Electrical Dynamo of Arutunoff” (REDA) y desarrolló el primer motor eléctrico que podía ser operado sumergido en un pozo de petróleo. Para conseguir fondos el Sr. Arutunoff primero emigró a Alemania en 1919, y luego en el año 1923 se estableció en USA.

HISTORIA DEL SISTEMA ESP



Arutunoff patentar en USA la bomba electrosumergible (ESP) en 1926, cubriendo los principales aspectos de este nuevo sistema de levantamiento artificial.



La primera instalación de una ESP fue satisfactoriamente operada en el campo El Dorado en Kansas en 1926.



Arutunoff se trasladó a Bartlesville, Oklahoma en 1928 donde comenzó con Bart Manufacturing Co., luego reorganizada como REDA Pump Co. en 1930.

HISTORIA DEL SISTEMA ESP EN AMÉRICA Y ARGENTINA

HISTORIA DEL SISTEMA ESP EN LA ARGENTINA

2010

2011

2012

2013

REDA Schlumberger

Wood Group ESP

GE

Centrilift

Novomet (Rusia)

HISTORIA DEL SISTEMA ESP

1920

ESP #1. Phillips Petroleum cercana a Burns, Kansas, 1928. Arutunoff es el 3° de la derecho junto a los empleados de REDA.

HISTORIA DEL SISTEMA ESP

Vintage Reda Pump advertisement, 1951 "Submergible Electrical Centrifugal"

1934

HISTORIA DEL SISTEMA ESP

COMPAÑÍAS ACTUALES

EL SISTEMA ESP En la Argentina y en la Cuenca del Golfo San Jorge

DISTRIBUCIÓN DE LOS SLA EN ARGENTINA

29,952 pozos con instalaciones de SLA 26,945 pozos en extracción efectiva) May 2014)

SLA EN CGSJ EN EXTRACCIÓN EFECTIVA

Distribución por sistema

Producción Bruta por SLA

13,532 pozos en extracción efectiva ( May 2014) 552,354 m3/día de producción bruta

EL SISTEMA ESP EN LA CGSJ

SPE 124737 - Selection Criteria for Artificial Lift System Based on the Mechanical Limits: Case Study of Golfo San Jorge Basin / Hirschfeldt / Ruiz

SLA EN CGSJ EN EXTRACCIÓN EFECTIVA

Producción Bruta por SLA – promedio por pozo 180

M3/D – PO POZO

160

154,3

140 120 100

82,3 80 60

43,7

40

25,3

20

9,2

7,1

otros + SN

GL

3,2

0,4

PL

Pistoneo

0 ESP

BH-JP

PCP

BME

ANÁLISIS DE LOS LÍMITES DEL SISTEMA ESP Principios teóricos y prácticos

AMBIENTES QUE LIMITAN EL RENDIMIENTO DEL SISTEMA ESP

Sólidos Ø reducido

Gas

ESP Petróleo viscosos

Temp.

Bajos caudales

Compati bilidad con fluidos

LÍMITES MECÁNICOS DEL SISTEMA ESP Estabilidad mec.

Transmisión de potencia •Ejes

•Ejes - sellos PUMP

Presión No Gap

Cargas axiales

•Housing

SEAL SECTION

•Sellos/cojinetes/ rodamientos

Temperature •Rodamientos •Aceite

MOTOR

•Aislación del bobinado • Elastómeros •Cable

MANEJO DE SÓLIDOS Efectos de la abrasión

EFECTOS DE LA ABRASIÓN Areas de desgaste por abrasión

Desgaste radial

Desgaste en áreas de empuje

MECANISMOS DE DESGASTE Desgaste en áreas de empuje

Desgaste radial

Desgaste por abrasión

MECANISMOS DE DESGASTE

Desgaste en áreas de empuje

Desgaste por abrasión

Desgaste radial

DESGASTE RADIAL

El desgaste radial provoca desestabilización de los ejes, lo cual genera vibraciones en todo el tren de transmisión, afectando principalmente a los sellos mecánicos con la posterior contaminación de los protectores.

MANEJO DE GAS Efectos sobre la eficiencia de bombeo

MANEJO DE GAS



El gas puede tender a producir un bloqueo dentro de la etapa, generando una prematura falla de la bomba.



El gas no lubrica los bujes del equipamiento.



La eficiencia de bombeo se reduce.



La eficiencia del levantamiento será reducida



Debido a la baja densidad del gas, el impulsor no puede impartirle demasiada fuerza centrífuga, por lo tanto la bomba no puede desarrollar mucha altura de elevación con un fluido liviano.

TIPOS DE INTERFERENCIA DE GAS



Baja capacidad de elevación debido a la baja densidad del fluido.



Cavitación: Implosión de la burbuja de gas causando daño en la etapa (no ocurre generalmente en pozos que producen petróleo)



Bloqueo parcial (interferencia)



Bloqueo total

27

IMPACTO DEL GAS EN LA ESP

 Cuando el gas libre entra al primer impulsor de la etapa, ésto toma un espacio y restringe la eficiencia volumétrica en la bomba. El resultado es una declinación en la producción esperada. De hecho si el ojo de los impulsores están llenos de gas, la bomba se bloqueará y puede dejar de producir.

Interferencia por gas

Bloqueo por gas

INTERFERENCIA DE GAS Y VIBRACIONES – EJEMPLO REAL Zona inestable

Zona estable

corriente

vibraciones

MANEJO DE FLUIDOS VISCOSO Efectos sobre la eficiencia de bombeo

EFECTOS DE LA VISCOSIDAD

Un incremento en la viscosidad del fluido producido afecta de la siguiente forma: 

   

Disminuye la capacidad de caudal de la bomba (Q) Disminuye la capacidad de elevación (Head) Aumenta la potencia al freno (BHP), aunque tiende a equilibrase debido a la disminución del caudal producido y el TDH La eficiencia decrece en proporción a los cambios de Q, TDH y BHP. La elevación de la temperatura del fluido hace que la viscosidad baje y mejore la performance de la bomba

CORRECCIÓN DE CURVAS POR VISCOSIDAD

COMPATIBILIDAD CON FLUIDOS Efectos sobre los componentes

COMPATIBILIDAD CON FLUIDOS PRODUCIDOS - CORROSIÓN



Ambientes corrosivos, afectando los components metálicos tanto del equipo como del cable

COMPATIBILIDAD CON FLUIDOS PRODUCIDOS - INCRUSTACIONES



Incrustaciones

COMPATIBILIDAD CON ELASTÓMEROS



La agresividad de los fluidos, sumado a la temperatura pueden afectar a los elastómeros de las bolsas de los protectors, o´ring y demas elementos

BAJOS CAUDALES DE PRODUCCIÓN Baja refrigeración y aumento de la temperatura

PRODUCCIÓN DE BAJOS CAUDALES

La producción de bajos caudales está asociado principalmente a la capacidad de intercambio de calor y refrigeración del motor y sus components (límite de temperatura 120 110

Temperature Rise, F



100 Oil

90 80 70 60 Water

50 40 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Flow Velocity, ft/s

Para motores de inducción

1.8

2.0

EFECTOS DE LA TEMPERATURA Comos se degradan algunos componentes

EFECTOS DE LA TEMPERATURA



Podríamos decir que la temperature es el principal desafío para el Sistema ESP



El incremento en la temperature de fondo puede producer la degradación de: 

Aislación dieléctrica del cable



Componentes que contengan elastómeros



Propiedades del aceite del motor



Aislación dieléctrica de los cables del bobinado del motor



Dilatación mecánica de elementos

EFECTOS DE LA TEMPERATURA Perfil de temperatura

80

90

100

110

120

130

140

1400,0



La temperatura de fondo de pozo y de los fluidos del reservorio, varian acorde varian las condiciones geotérmicas del yacimeinto.

1500,0

1600,0

1700,0



A su vez dependerá del % de petróleo y de la velocidad del fluido para poder lograr una correcta refrigeración de elementos de subsuelo

Profundidad- m

1800,0

1900,0

1915 1923 1953

2000,0

2100,0

2200,0

1999 2008 2025 2084 2096

2174 2198 2220 2236 2246

ESP-2270 m

2300,0

2400,0

2347 2364/67 2371/74 2394 2424/28 2443/46

2500,0

2485/92-DRY 2514 2555- DRY

2600,0

ESP-2438 m

150

APLICACIONES ESPECIALES Entre casing reducidos y la necesidad de bajos caudales

PORQUE SE NECESITAN EQUIPOS PARA DIÁMETROS REDUCIDOS ?



Terminaciones con casing de diámetros reducidos



Pozos que han sido re-entubados por problemas de integridad



Obstrucciones en el casing



Necesidad de instalar el equipo por debajo de los opunzados con camisas que obliguen a la refrigeración del motor



Pozos no-convencionales donde el libraje del casing es mayor, reduciendo el ID



Dog-leg severity que limite la bajada del equipo e instalación final.



Instalaciones con “Y” tools (instalaciones duales o con by-pass)

PORQUE SE NECESITAN EQUIPOS PARA DIÁMETROS REDUCIDOS ?

EVOLUCIÓN DE LOS SERVICIOS Y TECNOLOGÍAS Sus aplicaciones en la Argentina

EVOLUCIÓN DE LOS SERVICIOS Y TECNOLOGÍAS



Durante los últimos 30 años, el Sistema ESP no solo ha evolucionado en su aplicación, sino que tambien en la innovación tecnológica y los servicios asociados.



En esta sección, se pretende repasar las aplicaciones clásicas del Sistema, y alguno de los principales avances en tecnologías de aplicación, materiales y servicios .

EVOLUCIÓN DE LOS SERVICIOS EN ARGENTINA

PRINCIPAL CAMBIO EN EL MODELO DE SERVICIOS Y NEGOCIOS SCHLUMBERGER

1996

ESP WOOD GROUP CENTRILIFT  Cada compañía de servicio bajaba y sacaba sus propios equipos y no lo de la competencia

 La misma operadora seguía el comportamiento de sus pozos, así como sus rutinas de mantenimiento  No existía la inspección, ensayo, recambio parcial de elementos, y el recupero de partes, o no estaba al alcance de todos los clientes  La decisión de bajar un equipo se hacía en el pozo por parte del cliente.

 La intervención a pozos se comenzaron a hacer independientemente de la marca que estaba instalada.

 Se comenzó la inspección, ensayo, recambio parcial de elementos, el recupero de partes y el transporte de equipos (servicio integrado)  Todos los equipos son ensayados antes de bajar.

 Comienza un seguimiento, mantenimiento y asistencia técnica post arranque del equipo  Se comienza a desarrollar y fabricar equipamiento para solucionar problemas locales y particulares.

EJEMPLO DE INSPECCIÓN DE EQUIPOS ESP

Fuente: GE

LLENADO DE MOTORES Y PROTECTORS EN PLANTA

Referencia: MAXIMUS REDA Schlumberger

EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS Y sus aplicaciones en la Argentina

ELEMENTOS DE LA BOMBA ETAPAS

TIPOS Flujo Radial Flujo Mixto Diseños especiales

MATERIALES Sinterizado (Fe-grafito Acero inoxidable Cobre)

Fundición Ni-resist, Acero Inoxidable)

Recubrimientos metálicos Tratamiento termoquímicos Pulvimetalurgia

DISEÑO SEGÚN ENSAMBLE

Flotante Flotante radial estabilizada(RE) Compresora / Compresora RE Semi compresora

DIÁMETROS

Series Slim hole 272, 319 338 Aplicaciones y desarrollos últimos 15 años Aplicaciones y desarrollos recientes

PULVIMETALURGIA MEZCLADO

ENSAMBLE

PRENSADO

TRATAMIENTO TERMICO. CON IMPLEMENTACION DE ALEACION DE COBRE

Fuente: Novomet

LUEGO DEL TRATAMIENTO. ANTES DEL MECANIZADO FINAL

PULVIMETALURGIA - VENTAJAS

 Fabricación de productos más precisos, excelente

     

balanceo, menor vibración, mayor duración Confiabilidad a mayores velocidades Superficies con detalle de suavidad hidrodinámica, mayor rendimiento Menor generación de temperatura operativa, disminuye la formación de carbonatos Fabricación de productos combinados, incluyendo componentes resistentes a la abrasión Alto rendimiento en etapas con pasaje de flujo pequeños (menos de 3 mm) Permite la fabricación de etapas para bajos caudales y diámetros de bomba reducidos Fuente: Novomet

BOMBAS PARA CONDICIONES ABRASIVAS

DISEÑOS ESPECIALES DE ETAPAS – MANEJO DE SÓLIDOS

Centurión (manejo sólidos) - Centrilift

MANEJADORES DE ARENA

 Desarrollada para aumentar el run-life de las bombas y disminuir el riesgo de

falla, mediante la reducción en el tamaño y la agresividad de los sólidos bombeados. Características

• • • • •

Impulsores antiatascamiento Etapas de SST endurecido Etapas compresión Bujes de carburo de tungsteno Eje de alta resistencia

Beneficios • • • •

Menor desgaste de las etapas de la bomba Mayor resistencia a la abrasión del sistema Mayor run-life Reducción en el costo total de producción

• El equipo se instala entre el tandem de bombas y la admisión.

Fuente: GE

GrindStone™

MANEJADORES DE ARENA

Impulsor GrindStone™

Difusor Fuente: GE

ESTABILIZACIÓN DE BOMBAS – RESISTENTE A LA ABRASIÓN (AR- ARZ)

Estabilizadas radialmente

Flotante estabilizadas radialmente

ESTABILIZACIÓN DE BOMBAS – RESISTENTE A LA ABRASIÓN (AR)

Fuente: Novomet

BOMBAS “AR MODULAR” O CON COJINETES INTERMEDIO

Cojinete de carga axial Fuente: Novomet

Fuente: GE

BOMBAS Y CONFIGURACIONES PARA GAS

Fuente: 2008 Gas Well Deliquification Qorkshop.Denver.Colorado

DISEÑOS ESPECIALES DE ETAPAS – MANEJO DE GAS

Vortex - Novomet

DISEÑOS ESPECIALES DE ETAPAS – PARA ALTA EFICIENCIA

• Bombas de alta eficiencia (REDA – Schlumberger)

BOMBAS MULTIFÁSICAS PARA MANEJO DE GAS

• Novomet

• Poseidon (REDA – Schlumberger)

MANEJO DE GAS – MANEJADORES AVANZADOS DE GAS (AGH)

Una bomba centrífuga de alta velocidad que homogeneiza el gas y el líquido para que el sistema ESP puede bombear la mezcla, reduciendo el tamaño de la burbuja.

Fuente: GE

SEPARADORES DE GAS ROTATORIOS – NUEVOS DISEÑOS

 Nuevos diseños, maximizando eficiencia y minimizando riesgos de erosión por impacto de arena Fuente: Novomet

SEPARADORES DE GAS ROTATORIOS – NUEVOS DISEÑOS

Fuente: GE

CONFIGURACIONES PARA MANEJO DE GAS

Fuente: GE

CABLES DE POTENCIA Y CONECTORES

CABLES DE POTENCIA

ahora

antes

POLINITRILO

POLINITRILO + ALTA TEMPERATURA

(*) Plomo, utilizado como barrera mecánica

PLOMO (*)

CONECTOR (POTHEAD) – TAPE IN

 Si bien es un sistema que demanda

de mas tiempo de instalación, sigue siendo utilizado por su confiabilidad  Reemplazo del bloque sellante, por Fuente: GE

uno de PEEK

CONECTOR (POTHEAD) – PLUG IN Nuevos

 Diseño con doble o’ring en MLC, manufacturado en un 100% con materiales de alta temperatura. Fuente: Novomet

TECNOLOGÍA APLICADA A MOTORES

Estator encapsulado en Epoxy para aplicaciones de alta temperatura y reduciendo el desgaste mecánico.

Encapsulado tipo PEEK “En los últimos 10 años se han implementado mas de 100 mejoras en motores, por una sola empresa de servicio en la CGSJ”

MOTOR DE IMAN PERMANENTE (PMM)

El motor de imán permanente (PMM) es un motor sincrónico. Estator similar a la de un motor asíncrono. Los rotores tienen imanes permanentes hechos de aleaciones de samario-cobalto forzando altos niveles de inducción magnética

• • •

PRINCIPALES VENTAJAS • • • • • Fuente: Novomet

Alta eficiencia energética Menor tamaño y peso para transmitir la misma potencia que uno de inducción. Alta confiabilidad Rango de operación entre 500-6000 RPM Menor generación de calor y menor requerimiento de refrigeración (0,1 pie/seg)

MOTOR DE IMAN PERMANENTE (PMM) Motor de Iman Permanente (PMM)

Motor Convencional

 

Motores desde serie 319 Ahorro aproximado del 25% de energía

Fuente: Novomet

TECNOLOGÍA APLICADA A SELLOS Y PROTECTORES  Cambio en el tipo de elastómeros de o´ring, sellos y bolsas de contención por AFLAS

 Tambien mejoras en los cojinetes para

condiciones abrasivas

EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA APLICADA A MONITOREO Y CONTROL 2010

1990

Tableros

VSD

EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA APLICADA A MONITOREO Y CONTROL

Comunicación via wi-fi con el VSD Fuente: GE

EVOLUCIÓN DE LA TECNOLOGÍA APLICADA A MONITOREO Y CONTROL

Con filtro

• Mejora en la calidad de la onda de salida en VSD, al introducir filtros de salida • Esto se traduce en menores esfuerzos sobre el Motor, menor Temperatura de Operación, menor generación de Armónicos, entre otros beneficios Fuente: GE

TECNOLOGÍA ACTUAL PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE ESP

Laso de control

Monitoreo en Real Time

Análisis y Toma de decisión PIP-Temp-Amp-Vibra-Hz

TECNOLOGÍA ACTUAL PARA EL MONITOREO Y CONTROL DE ESP

Fuente: GE

MONITOREO Y SISTEMAS INTELIGENTES

Fuente: GE

MONITOREO Y SISTEMAS INTELIGENTES

Ajuste de la frecuencia del VSD en pozos con interferencia por gas

Protección del motor por disminución en el caudal Referencia: REDA - Schlumberger

Control de Drawdown basado en condiciones específicas del pozo

Testeo de reservorios y performance de pozo

VENTAJAS DEL MONITOREO Y CONTROL DE ESP



Mayor confiabilidad del equipo



Operativamente, permite el control y aistencia en áreas remotas.



Permite producir el reservorio en condiciones óptimas



A partir de la toma de información, y estableciendo lasos de control se puede colectar datos fundamentales para la evaluación del reservorio

APLICACIONES ESPECIALES

INSTALACIÓN DE EQUIPOS ENCAMISADOS

fuente: GE

BOMBAS DE RECIRCULACIÓN POR DEBAJO DE PUNZADOS Zona Productora

Tubo Recirculador

Bomba Principal Diseño estándar o resistente a la abrasión Bomba de Recirculación

Área = 0.73 inch2 - Diámetro.= 0.96 inch

Succión Sello

Tubo Recirculador

Motor

Clamp y centralizador

fuente: Tecpetrol / Centrilift

APLICACIONES PARA BAJOS CAUDALES (EQUIPOS SLIM HOLE)

S-362

S-319 S-319

Fuente: Novomet

BOMBAS DE FLUJO MIXTO TD-1000

Fuente: GE

CONCLUSIONES



El sistema ESP se posiciona cada día como una de las mejores opciones en términos de confiabilidad y flexibilidad.



Las nuevas tecnologías en diseño y materiales permiten afrontar condiciones adversas como el manejo de sólidos, gas, fluidos viscosos y altas temperaturas.



La combinación de sensores de fondo con variadores de frecuencia (VSD) a través de lasos de control, permiten no solo tener un sistema confiable sino también una gestión óptima del reservorio y su evaluación.

CONCLUSIONES



En la gestión de campos maduros, la integración entre empresas de servicios y operadoras es fundamental para maximizar la vida del sistema y reducir los costos asociados (ganar-ganar)

AGRADECIMIENTOS

Un agradecimiento especial a colegas de la Cuenca del Golfo San Jorge que colaboraron con su experiencia y opinión: • Ing. Daniel Santos - Novomet Argentina • Ing. Juan Carlos Segnini - Novomet Argentina • Ing. Pablo Tótaro - GE Oil & Gas Artificial Lift • Ing. Ricardo Teves - GE Oil & Gas Artificial Lift • Ing. Alejandro Figueroa - ENAP Sipetrol • Ing. Federico Baieli - Tecpetrol

Muchas Gracias Clemente Marcelo Hirschfeldt Fernando Bertomeu

[email protected] [email protected]

OilProduction Oil & Gas Consulting ARGENTINA – COLOMBIA - MEXICO

www.oilproduction.net

www.noconvencionales.com

www.op-ct.com

23 al 24 de Julio de 2014. Buenos Aires. Argentina

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