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Experiencia de Campo con la Aplicación y Operación
de los Motores de Imanes Permanentes (PMM) en la
Industria de las Bombas Eléctricas Sumergibles (ESP)
2013
Estructura de la presentación
Tecnología de los PMM
principio de operación
parámetros técnicos
ventajas de aplicación de los ESP-PMM y ESPCP (Bomba eléctrica
sumergible de cavidad progresiva)-PMM
Pruebas internas
Motor de imanes permanentes Borets vs. Motor de inducción (IM)
Ensayos de campo
Motor de imanes permanentes Borets in Rusia, América del Norte
y América del Sur.
2
Principio de operación del PMM
Rotor de alta velocidad
para la aplicación de ESP-PMM
Rotor de baja velocidad
para la aplicación de PCP-PMM
3
Rotor del Motor de Inducción Rotor del Motor de Imanes Permanentes
A diferencia del motor de inducción, el motor de imanes
permanentes usa un rotor con imanes permanentes que permite el
aumento al 10 % de la eficacia del motor.
Rotor Imanes
Permanentes Flujo Magnético
Principio de Operación del PMM
4
Densidad de potencia más alta;
Velocidad síncrona = la energía no se gasta en el resbalamiento;
Control más rápido y más adaptivo;
Rango de operación más amplio, eficacia más alta, inicio suave, el control más fácil
y menor calentamiento ofrecen una excelente solución para los pozos de petróleo
históricamente problemáticos.
Beneficios del Motor de Imanes Permanentes
5
Beneficios Adicionales:
Ventajas de la aplicación
de los ESP-PMM Borets
Consumo de energía reducido entre el 10%
y el 20%;
Eficacia hasta el 93%;
Rango ampliado de operación del motor
de 500-6000 rpm;
Generación del calor reducida requiriendo
el 50% menos velocidad de enfriamiento;
Más corto que el sistema ESP-IM;
Los sensores ESP estándar pueden ser
conectados al punto Y del PMM;
Gastos de explotación más bajos.
6
Rendimiento del PMM y IM a 36kW de potencia nominal
Rango potencia del PMM para
la aplicación del ESP
Rango de potencia a 3000 rpm (50 Hz), kW
Rango de potencia a 300 rpm (60 Hz), CV
7
140 10
250 250
250
391
219 16
250
28
25 50 100 150 200 250 300 350 450 650
Tamaño 103 (series 406)
Tamaño 117 (series 460)
Tamaño 130 (series 512)*
10 140
18 250
* En proceso de ensayos de campo.
400
140 10
250 250
250
250
25 50 100 150 200 250 300 350 450 650
Tamaño 103 (series 406)
Tamaño 117 (series 460)
Tamaño 130 (series 512)*
16 219
28
391
626
28
44
7
Rango ampliado de operación del motor de 250-2000 rpm.
En las condiciones de pozos con las que se enfrentan los sistemas ESP o
ESPCP, el sistema ESPCP-PMM Borets ofrece una alternativa rentable para
aumentar la vida útil y la productividad del pozo.
Los entornos de destino incluyen:
– pozos de índice bajo o medio (típicamente de 25-500 m3/ día
(157-3145 barriles por día);
– pozos con sal e incrustación que reducen la eficacia de ESP;
– pozos con alta viscosidad y líquidos cargados de sólidos;
– pozos con alta relación gas petróleo (GOR);
– pozos poco profundos con unos índices de producción menores
de 16 m3/ día (100 barriles por día);
– pozos con una tendencia de crear emulsión estable y muy viscosa;
– pozos sensibles que requieren un rango de frecuencias más amplio para
evitar bombeo sin necesidad;
– pozos altamente desviados u horizontales que causan desgaste y falla por
rotación en tubos y varillas de las instalaciones PCP.
Ventajas de la aplicación
de los ESPCP-PMM Borets
8
Rango de potencia del PMM para
la aplicación del ESPCP
Rango de potencia a 500 rpm (kW)
Rango de potencia a 500 rpm (CV)
117 mm (460 series)
117 mm (460 series)
9
5 35
7 47
Ventajas del ESP-PMM & ESPCP-PMM
10
Ahorro de energía en los Sistemas PMM ESP
11
Pruebas internas del Motor de Imanes
Permanentes Borets vs. Motor de Inducción
12
Comparación de las características del Motor
de Imanes Permanentes y Motor de Inducción
13
Parámetros
Potencia del Motor=149 CV
Motor de Inducción
EDB110-117V5
PMM
1VEDBT110-117V5
Potencia de salida, CV (kW) 150 (110) 150 (110)
Velocidad de rotación (rpm) 2910 3000
Frecuencia de Operación (Hz) 50 50
Voltaje (V) 2100 1920
Corriente (A) 44 42
Eficacia a Potencia Nominal (%) 84 92.5
Factor de Potencia, COS Ф 0.82 0.96
Velocidad mínima del fluido de
enfriamiento (ft/s) 1.31 1.31
Corriente de marcha en vacío (A) 20.1 2.5
Diámetro de alojamiento, mm (in)
Largo, mm (ft)
117 (4.6)
7695 (25.2)
117 (4.6)
5455 (17.9)
Peso, kg (lb) 573(1263) 376(829 )
Pruebas internas comparativas del motor
PMM vs. Motor de Inducción
Las pruebas internas tuvieron lugar en la empresa Lysvaneftemash en Rusia.
Para efectuar las pruebas fueron elegidos los siguientes motores:
– Motor de Imanes Permanentes 9.1VEDBT36-117 con variador de frecuencia (VFD) Borets-
VD105
– Motor de Inducción 4EDBT36-117 con VFD Borets-04-250 y filtro FVZ-250
Los ahorros de energía para diferentes frecuencias expuestos en la tabla fueron calculados con
la fórmula (1- PspPMM /PspIM) •100%, donde PspPMM y PspIM fueron obtenidos sobre la base de
los resultados de pruebas.
14
Par en el eje,
N•m
Frecuencia
40Hz 45Hz 50Hz 55Hz Valor
promedio 2400 rpm 2700 rpm 3000 rpm 3300 rpm
57 15,2% 14,7% 12,6% - 14,2%
85 11,1% 10,4% 9,2% 7,0% 9,4%
97 11,1% 10,1% 8,8% 7,6% 9,4%
114 11,5% 10,0% 9,3% 9,0% 10,1%
Valor promedio 12,2% 11,3% 10,0% 7,9% 10.8%
Ahorros de energía, %
Ensayos de campo del Motor de imanes
permanentes Borets en Rusia
15
Aplicación del ESPCP-PMM en las condiciones
duras del pozo TNK-BP, yacimiento Russkoye
La explotación del yacimiento de petróleo Russkoye por primera vez empezó en los 1960
usando las bombas de varilla para producir el petróleo. Por culpa de bajo rendimiento de las
bombas de varilla el yacimiento fue cerrado hasta que se encontrara una solución rentable para
producir en las condiciones tan difíciles.
La tecnología del PMM Borets fue uno de los argumentos claves para la compañía petrolera
TNK-BP para volver a explotar el yacimiento cuyas reservas recuperables totales de millones de
toneladas habían estado cerradas durante más de 50 años.
Borets facilitó una tecnología combinada de ESPCP-PMM para operar en condiciones duras
del pozo combinadas con condiciones de ambiente severas (temperaturas ambientales bajas,
limitaciones de eficacia energética, limitaciones de transporte e infraestructura).
Condiciones de operación:
Temperatura de yacimiento baja 17°C (63°F),
Crudo pesado de 460 CP,
Fluido altamente abrasivo con un contenido de arena hasta 16000 mg/l (5.6 lbs/bbl),
Temperaturas de aire de -40 °C en invierno.
El sistema ESPCP-PMM Borets incluía:
PCP: EVNB5-63-1200
PMM: 9.2VEDBT28-117
La vida útil de dos sistemas ESPCP-PMM instalados excedió 750 días
(válido para el 1r trimestre de 2013). 16
El objetivo del ensayo de campo fue evaluar la eficacia energética del Motor de Imanes
Permanentes Borets en comparación del Motor de Inducción. El ensayo de campo tuvo lugar
en el yacimiento de petróleo Gun’-Yoganskoe.
Condiciones de operación:
Caudal – 50 m3/ día (315 barriles por día),
Carga dinámica 1620 m (5315 ft),
Corte de agua – 96%.
Los sistemas de fondo PMM ESP e IM ESP estaban instalados a una profundidad mayor a
2200 metros y tenían la siguiente configuración:
Ensayos de campo comparativos del PMM vs. IM para
la aplicación del ESP en al yacimiento de TNK-BP Gun’-Yoganskoe
Unidad Sistema IM Sistema PMM ESP
Motor PEDT36-117 1VEDBTK36-117
VFD VFD Borets VD-105/
Borets VD-80
17
Ahorros de energía de diferentes sistemas
Motor + VFD/Tablero de conmutación
Tipo del
motor
Frecuencia,
Hz RPM Q, m3/día
Potencia,
kW
Consumo de energía,
kW/ m3 por día
Ahorros
de energía, %
IM
45
-
47 31 15,8
- 50 50 35,3 16,9
55 57,6 48,9 20,4
PMM -
2700 46,2 25,5 13,2 16,3
2850 49 30 14,7 13,3
3100 55,9 40,5 17,4 14,7
Ahorro promedio por operar el PMM Borets 15
18
Aplicación del ESPCP-PMM vs. ESP, PCP de varilla
de bombeo y Bomba aspirante de varilla en Lukoil
El objetivo del ensayo de campo fue evaluar la eficacia energética de la aplicación de
ESPCP-PMM Borets comparada con la aplicación de ESP-IM y PCP de varilla de bombeo y
Bomba aspirante de varilla con motor de superficie en los pozos de condiciones similares.
Condiciones de operación:
pozos con tendencia de crear emulsión muy viscosa,
fluido altamente abrasivo con sólidos hasta 600 mg/l,
GOR en la entrada a la bomba hasta el 50%.
Todas las aplicaciones estaban instaladas a una profundidad de 2400 metros y tenían
la siguiente configuración:
PCP: EOVNB5(A) con un índice de productividad de 3-100 m3/día
PMM: 9.2VEDB – 117 con una potencia de 7-35 kW
VFD: Borets-VD
La vida útil de las aplicaciones ESPCP-PMM instaladas excedió 620 días (válido para el 1r
trimestre de 2013) comparada con los 120 días de las aplicaciones operadas anteriormente.
Ahorro de energía del ESPCP-PMM vs. ESP-IM, PCP
de varilla de bombeo y Bomba aspirante de varilla
Pruebas del Motor de Imanes Permanentes
Borets en América del Norte*
21
*Contenidos protegidos por el derecho del autor IEEE documento No.PCIC-2012-39
Nuevo Orleans, Conferencia de Industria Química y Petrolera, IEEE-IAS,
Septiembre de 2012.
Las diferencias de los sistemas de ensayo eran las siguientes:
Controlador de superficie Borets-VD250-300
Transformador aumentador de salida de 520 kVA
Transformadores reductores de entrada 3-100 kVA, 124470/480
Disyuntor de entrada 400A, 600V
Filtro de armónicos de entrada de 250 kVA
Caja de conexiones de salida de tensión media
Analizador de potencia de grado industrial Shark 200
Analizador de potencia de grado industrial Nexus 1500 instalado en la salida del
transformador aumentador
Los sistemas de fondo PMM ESP e IM ESP estaban instalados a una profundidad mayor a
1830 metros y tenían la siguiente configuración:
Ensayo de campo comparativo del PMM vs. IM
en América del Norte
Unidad Sistema IM ESP Sistema PMM ESP
Motor
de 2 secciones, series 456 series IL180,
240 HP, 2590 V, 59 A (una sección 120 HP,
1295 V, 59 A)
266 HP, 2466 V, 62 A
(a 60 Hz, 3600 rpm)
22
Ensayo de campo comparativo del PMM vs. IM
en América del Norte
Motor B/D kW Diferencia, kW Ahorro de energía, %
IM
2400 167,3
- - 3000 203,4
3400 224,8
PMM
2400 132,9 34,4 20,6
3000 161 42,4 20,8
3400 204,3 20,5 9,1
Ahorro de energía promedio facilitado por la operación del PMM Borets 17
23
Ensayo de laboratorio, América del Norte
24
En el ensayo participaron los siguientes motores: NEMA, ESP IMs y PMM.
Para la mayoría de los motores NEMA la relación voltaje-corriente es casi constante, la
impedancia es lineal.
– El NEMA usado en el ensayo fue un común de 200 HP, clase B, 460V, motor de
inducción del bastidor 444 TS.
Los ESP IMs tienen ranuras del estator cerradas y a bajo voltaje la impedancia está muy
alta. La impedancia no se hace lineal hasta que los puentes entre el diente de la lámina
del estator lleguen a saturarse.
– Los ESP IMs usados en el ensayo fueron los IM5 and IM10.
El IM10 había mejorado el diseño de las láminas. Este motor fue clasificado
a 10 CV/rotor.
El ESP PMM también tiene ranuras de las láminas del estator cerradas, pero en la
operación el flujo suministrado por los imanes satura los puentes.
Una comparación de la eficacia de motores para
los IM10, IM5, PMM y NEMA, América del Norte
La mayor eficacia del motor NEMA se debe al diámetro más largo y funcionamiento con aire
(sin aceite).
Los dos ESP IMs tuvieron menos eficacia por causa de pérdidas de cobre y hierro en el rotor.
Como el PMM no tiene cobre de rotor, las pérdidas de cobre y hierro son cero.
La eficacia a cargas ligeras disminuye para ambos IMs y PMM. Esto se debe al factor de llenado
de aceite. 25
Ensayo de campo del Motor de Imanes
Permanentes en América del Sur
26
Ensayo de campo del PMM, América del Sur
Pozo No. 1
Motor PMM: 3.1VEDBT45-117/V5, 1340V, 25A
Vida útil del PMM – 424 days
Condiciones de operación:
Caudal = 70 m3/día (440 BPD)
Carga dinámica = 570 m (1870 ft)
Corte de agua = 92 %
Pozo No. 2
Motor PMM: 3.1VEDBT45-117/3V5, 1340V, 25A
Vida útil del PMM – 419 días
Condiciones de operación:
Caudal = 101m3/day (635 BPD)
Carga dinámica = 490 m (1608 ft)
Corte de agua = 92 %
27
Pozo No. 3
Motor PMM: 3.1VEDBT36-117/V5, 1070V,
25A
Vida útil del PMM – 408 días
Condiciones de operación:
Caudal = 61 m3/day (384 BPD)
Carga dinámica = 672 m (2205 ft)
Corte de agua = 90 %
La vida útil actual del PMM es de unos 420 días en promedio (válido para abril de 2013).
Desde los principios del 2012 3 sistemas de ESP con los PMM Borets han funcionado en Brasil.
Conclusiones
28
Dinámica de ventas y operación
de los PMM en el mundo
29
Conclusiones. Ventajas del PMM
El ahorro de costos de energía con la tecnología del PMM vs. otros sistemas
ESPCP/ESP es de un 20% al año.
La vida útil del ESPCP o ESP aumenta considerablemente.
Minimiza el tiempo de puesta en funcionamiento.
Permite que el sistema continúe su funcionamiento sin cesar la producción ni
desactivarse en caso de sobrecargas o durante los ajustes de carga.
Reduce la cantidad de operaciones de servicio en el pozo causadas por las
fallas del ESPCP/ESP en condiciones duras.
Capacidad de adaptarse a los cambios en las condiciones de operación del
pozo sin necesidad de sensores adicionales.
Gestión del pozo integrada para determinadas condiciones del pozo.
30
Conclusiones
Hasta hoy han sido instalados más de 2500 sistemas del PMM Borets en todo el
mundo.
Los resultados de las pruebas piloto e instalaciones en EE.UU., Rusia, Brasil han
demostrado una importante reducción en necesidades de energía entre el 10%
y el 20% dependiendo de las condiciones de pozo específicas.
La flexibilidad del sistema hace el sistema de control superficial aplicable en los pozos
problemáticos con condiciones dinámicas poco predecibles.
Los algoritmos adaptables como parte de la unidad de control potencialmente
permitirán un control completo de la operación del pozo por medio de variar la
velocidad de rotación en función de la velocidad corriente registrada en la superficie.
La capacidad de ajustar la velocidad en un rango de operación amplio hace el sistema
muy flexible para varios tipos de aplicaciones.
En cambio la aplicación de la tecnología en condiciones difíciles de extracción artificial
puede optimizar la producción y prorrogar la vida útil del pozo y del equipo.
La aplicación del PMM reduce los costos de operación. 31
32
Clientes a Nivel Mundial
¡Gracias por su atención!
33
