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Universidad Distrital F. J. C. Rodríguez, Sanabria. Sistema de Control para Unidades de Cementación.
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Sistema de Control y Automatización para Unidades
de Cementación de Pozos Petroleros
Control System for Oil Well Cementation Units
Rodríguez Fonseca Juan David, Sanabria Velandia Nestor Ferney
[email protected], [email protected]
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Bogotá D.C., Colombia
Resumen- En el presente documento se presenta el desarrollo de la implementación de un sistema de control y automatización para las unidades de cementación de pozos petroleros. Para tal fin se utilizó un sensor de densidad (densitómetro) y un transmisor de señal en las unidades de cementación como unidad de medición principal.
El sistema implementado muestra la lectura de la medición de densidad de lechada. Tiene la posibilidad de llevar un registro de las mediciones del trabajo desarrollado, gráfica de tendencia de la medición, descarga de datos vía inalámbrica y especialmente por medio USB.
Palabras Clave - Bombeo, cementación,
densidad, flujo, lechada, transmisor.
Abstract - This document presents the development of the implementation of a control and automation system for oil well cementing units. For this purpose, a density sensor (densitometer) and a signal transmitter were used in the cementation units as the main measuring unit.
The implemented system shows the reading of the slurry density measurement. It has the possibility to keep a record of the measurements of the work developed, trend graph of measurement, data download via wireless and especially via USB.
I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la perforación de pozos
petroleros para la extracción de crudo tiene gran
cantidad de procesos, uno de ellos y de los más
importantes es el de cementación, por medio del
cual luego de realizar la perforación, se inyecta
cemento para recubrir las paredes del agujero por el
cual se realiza la extracción del crudo, esto con el
fin de asentar el pozo y fortalecer la estructura para
evitar riesgos durante todo el proceso. Para este
trabajo de cementación se debe bombear cemento
combinado con agua y químicos con unas unidades
de cementación, todo a una presión y con un flujo
que varía de acuerdo con los pasos de cementación,
además el cemento inyectado debe tener una
densidad específica y de alta calidad que garantice
las condiciones que debe soportar dentro del pozo,
y de tal manera que no se solidifique dentro de la
tubería durante el proceso o esté demasiado líquido
y no se adhiera de forma correcta.
En este documento, por lo tanto, se plantea un
sistema de control y automatización para estas
unidades, de tal manera que se monitoreen y se
controlen estas variables, permitiendo a los
operadores tener mayor seguridad del trabajo
realizado.
II. JUSTIFICACIÓN
En los campos petroleros en el proceso de
cementación se observan que las unidades de
cementación aún son muy mecánicas y no poseen
un sistema confiable al momento de medir y
controlar las variables durante este proceso y
aunque en el mercado se encuentran unidades de
cementación con sistemas bastantes avanzados son
de un costo demasiado alto y la mayoría no están
diseñadas para las condiciones de trabajo en los
pozos locales, sino con un sistema muy general y
que está muy cerrado a modificaciones de acuerdo
a las necesidades que se tienen en nuestro país y
reglamentos internos. Por lo cual se requiere de un
sistema confiable el cual pueda realizar la medición
de las variables del proceso, realizar el control, ser
adaptable a las necesidades locales y a un menor
costo que se pueda implementar en las unidades
mecánicas que aún son funcionales por lo cual no es
necesario remplazarlas, sino por el contrario por
medio de este sistema de automatización, renovar su
vida útil y mejorando su funcionamiento.
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III. OBJETIVOS
A. Objetivo General
Automatizar el proceso de cementación por
medio del diseño e implementación de un
totalizador en el que se visualice y se tenga registro
de la densidad de lechada de cemento en la línea en
los trabajos de cementación, se almacenen los datos
de dichos trabajos, gráfica del proceso y de igual
manera se pueda realizar una descarga de datos por
parte del operario o cliente.
B. Objetivos Específicos
Diseñar e implementar un totalizador para la
medición de densidad de lechada de cementación
para las unidades existentes.
Estudiar y definir la instrumentación del sistema
totalizador para realizar el control de flujo y presión
durante el proceso de bombeo.
Diseñar una pantalla de visualización y gráfica
de densidad del proceso.
Desarrollar un sistema de registro y descarga de
datos por parte del usuario principalmente por vía
inalámbrica y USB.
IV. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
A. Cementación de pozos
La cementación de los pozos petroleros consiste en
dos operaciones principales: La cementación
primaria y la cementación con fines de remediación.
La cementación primaria es el proceso de colocación
de una lechada de cemento en el espacio anular
existente entre la tubería de revestimiento y la
formación. La cementación con fines de
remediación tiene lugar después de la cementación
primaria, cuando los ingenieros inyectan cementos
en posiciones estratégicas de los pozos con diversos
fines, incluidos la reparación del pozo y su
abandono.
La cementación primaria es un procedimiento
crítico dentro del proceso de construcción de pozos.
La cementación proporciona un sello hidráulico que
establece el aislamiento zonal, lo que impide la
comunicación de los fluidos entre las zonas
productivas del pozo y bloquea el escape de los
fluidos hacia la superficie. Además, la cementación
produce el anclaje y la sustentación de la sarta de
revestimiento y protege la tubería de revestimiento
de acero contra la corrosión producida por los
fluidos de formación. Si no se logran estos objetivos,
la capacidad del pozo para explotar todo su potencial
productivo puede verse severamente limitada.
La mayoría de las operaciones de cementación
primaria emplean un método de emplazamiento del
cemento que incluye dos tapones.
Fig. 1. Fluido de perforación circulante
Después de perforar un intervalo hasta la
profundidad deseada, una brigada remueve la
columna de perforación, dejando el pozo lleno de
fluido de perforación. Luego, la brigada baja una
sarta de revestimiento hasta el fondo del pozo. El
extremo inferior de la sarta de revestimiento está
protegido con una zapata guía o una zapata flotante.
Ambas zapatas son dispositivos ahusados, con el
extremo en forma de bala, que guían la tubería de
revestimiento hacía el centro del pozo para
minimizar el contacto con los bordes rugosos o los
derrumbes durante la instalación. La zapata guía
difiere de la zapata flotante en que la primera carece
de una válvula de retención. La válvula de retención
impide el flujo inverso, o formación del tubo en U,
de los fluidos que pasan desde el espacio anular
hacia el interior de la tubería de revestimiento. Los
centralizadores se colocan a lo largo de las secciones
críticas de la tubería de revestimiento para ayudar a
evitar su atascamiento mientras se baja en el pozo.
Además, los centralizadores mantienen la tubería de
revestimiento en el centro del pozo para ayudar a
asegurar la uniformidad de la cementación en el
espacio anular existente entre la tubería de
revestimiento y la pared del pozo.
A medida que se baja la tubería de revestimiento en
el pozo, el interior de la tubería de revestimiento
puede llenarse con fluido de perforación. Los
objetivos de la operación de cementación primario
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son: remover del fluido de perforación del interior
de la tubería de revestimiento y del pozo, colocar
una lechada de cemento en el espacio anular y llenar
el interior de la tubería de revestimiento y del pozo,
colocar una lechada de cemento en el espacio anular
y llenar el interior de la tubería de revestimiento con
un fluido de desplazamiento, tal como fluido de
perforación, salmuera o agua.
Los tapones limpiadores son dispositivos
elastométricos que proporcionan una barrera física
entre los fluidos bombeados dentro de la tubería de
revestimiento. Un tampón inferior separa la lechada
de cemento del fluido de perforación y un tapón
superior separa la lechada de cemento del fluido de
desplazamiento.
El tapón inferior posee una membrana que se rompe
cuando éste se asienta en la parte inferior de la sarta
de revestimiento, generando un trayecto a través del
cual la lechada de cemento puede fluir hacía el
interior del espacio anular. El tapón superior no
posee ninguna membrana; por lo consiguiente
cuando se asienta sobre el tapón inferior, se anula la
comunicación hidráulica entre el interior de la
tubería de revestimiento y el espacio anular.
El proceso de construcción de pozos habitualmente
consiste en la instalación de varias sartas de
revestimiento, cada una de las cuales requiere una
operación de cementación primaria. A medida que
el pozo se profundiza, el diámetro de cada sarta de
revestimiento es normalmente más pequeño que el
precedente.
Casi todas las operaciones de cementación utilizan
cemento portland, consistente principalmente en
compuesto de silicato de calcio y aluminato de
calcio que se hidratan cuando se agregan al agua.
Los productos de la hidratación, fundamentalmente
los hidratos de silicato de calcio proveen la
resistencia y la baja permeabilidad requeridas para
lograr el aislamiento zonal.
Cuando un pozo alcanza el final de su vida
productiva, los operadores normalmente proceden a
su abandono mediante la ejecución de una operación
de cementación con tapones.
B. Medición de caudal y transductores de
caudal de fluidos.
1. Movimiento de fluidos
El estudio del movimiento de los fluidos se puede
realizar a través de la dinámica como también de la
energía que estos tienen en su movimiento. Una
forma de estudiar el movimiento es fijar la atención
en una zona del espacio, en un punto en un instante
t, en el que se especifica la densidad, la velocidad y
la presión del fluido. En este punto se examina lo
que sucede con el fluido que pasa por él. Al
movimiento de un fluido se llama flujo y
dependiendo de las características de este se les
puede clasificar en:
1. Flujo viscoso y no viscoso: Los flujos viscosos
son aquellos que presentan resistencia al avance.
Todos los fluidos reales son viscosos.
2. Flujo incompresible y compresible: Los flujos
incompresibles son aquellos que en la densidad
prácticamente permanece constante.
3. Flujo laminar y turbulento: en el flujo laminar, el
fluido se desplaza en láminas o capas paralelas. En
el turbulento las partículas se mueven siguiendo
trayectorias muy irregulares.
4. Flujo permanente: Si las propiedades como la
densidad, la velocidad, la presión no cambian en el
tiempo en un punto del espacio, entonces se dice que
el flujo es permanente, pudiendo cambiar de un
punto a otro.
2. Clasificación de los transductores
Existen varios métodos para medir el caudal según
sea el tipo de fluido, la precisión deseada, el control
requerido y el tipo de causal volumétrico o másico,
los sistemas de medición volumétricos más
frecuentes que se utilizan son: La presión
diferencial, área variable, velocidad, tensión
inducida y desplazamiento positivo. El sistema
medidor de caudal masa es el térmico.
3. Medidores volumétricos
Los medidores volumétricos determinan el caudal
en volumen del fluido. Se señala que la medida de
caudal en la industria se efectúa principalmente con
elementos que dan lugar a una presión diferencial al
paso del fluido. Ente estos elementos se encuentran
los caudalímetros de obstrucción; la placa-orificio o
diafragma, la tobera y el tubo Venturi.
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4. El tubo de Venturi
El tubo Venturi es un dispositivo que origina una
pérdida de presión al pasar por él un fluido. Está
compuesto por una tubería corta recta o garganta
entre tramos crónicos, uno convergente y uno
divergente o de descarga
Fig. 2. Tubo Venturi
5. La Tobera
La tobera consta de un tubo cuyo diámetro
disminuye en forma gradual de un extremo a
otro.También posee dos tomas de presión, una
ubicada al lado anterior y otra ubicada del lado
posterior de la tobera, en las que se puede conectar
un manómetro de presión diferencial.
Fig. 3. Tobera
C. Unidades de Cementación
Las unidades de cementación de pozos hacen
referencia a una maquinaría móvil, la cual se
desplaza entre pozos cada vez que se requiere
realizar una cementación. Estas unidades constan
de varios elementos básicos como lo son los
siguientes:
- Motor de bombeo principal, generalmente a
base de diésel.
- Master principal para encendido de circuito
eléctrico alimentado por batería.
- Tanque de almacenamiento de agua.
- Línea de circulación y bombeo de agua y
lechada.
- Circuito neumático, usado para el control de
actuadores, principalmente válvulas de línea.
- Válvulas de línea, para controlar el paso y
circulación de agua o lechada.
- Tanque de mezcla, es donde se prepara la
lechada de cemento que será bombeada al
pozo.
- Cuchilla de agua y cemento, son válvulas
proporcionales manuales o automáticas para
controlar la cantidad de agua y cemento que
entran al tanque de mezcla.
- Cabina de control principal, es el tablero el
cual usa el operador de la unidad para
controlar la unidad y en donde se encuentran
los principales elementos de medición.
Fig. 4. Unidad de Cementación
D. Sistemas de Control del Mercado
Actualmente en el mercado local no se encuentra
ningún sistema dedicado a estas unidades de
cementación, para esto nos toca remitirnos al
mercado extranjero, donde la principal marca de
motores y bombas usadas en este sistema como
lo es SERVA, ha hecho alianza con Allen-
Bradley para crear unidades de cementación
automatizadas, pero ellos no son los únicos
puesto que se encuentran marcas también en
alianza con SIEMENS entre otros para formar
este tipo de unidades.
Independiente de las marcas estos sistemas
cuentan con las siguientes características
principales:
- Medición de presión de línea de bombeo
- Medición de flujo bombeado
- Contabilización del flujo total
- Medición de densidad de lechada
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- Medición del flujo de agua de lechada
- Generación de gráficas del proceso
- Descarga de datos del proceso para ser
usados en programas como Excel.
- Paro por sobrepresión.
- Control de apertura de cuchilla de agua y
cemento
- Visualización de datos en pantalla.
- Configuración de parámetros para la
calibración de la medición desde pantalla.
Fig. 5. Pantalla Unidad de Cementación
SERVA – Allen-Bradley
Desventajas de los sistemas Actuales
Actualmente estos sistemas realizados por las
grandes marcas de la industria, aunque parecen
ser muy eficientes y de gran calidad, presentan
varias desventajas, especialmente dentro del
mercado colombiano, principalmente debido a al
servicio pos venta y adaptabilidad al ambiente de
trabajo que traen como consecuencia lo siguiente:
- Ambientes de trabajo más duros y condiciones
climáticas adversas que reducen en gran
proporción la vida útil de los equipos, la mayoría
de equipos vienen diseñados para territorios en
dónde las vías de transporte y el ambiente de
trabajo no desgastan el equipo a la misma
velocidad que en nuestros territorios.
- Alto costo de mantenimiento, los repuestos son
difíciles de conseguir, los elementos de control se
deben conseguir programados lo que eleva su
costo y aún más puesto que deben ser instalados
por un representante de la marca en su mayoría.
- Poca capacitación y cultura en el uso de estos
equipos. Muchas veces el personal encargado de
operar las unidades son personas con poca
destreza y conocimiento de equipos de control
por lo cual estos sistemas se hacen enredados
para ellos, además cuando se adquieren las
unidades no hay una capacitación adecuada y los
manuales vienen en otro idioma lo que impide el
correcto uso del sistema y en la gran mayoría de
casos vistos en los mantenimientos al no tener la
información clara se terminan dañando los
equipos o eliminando partes, lo que también
reduce las funciones que tiene el equipo.
- Baja adaptabilidad e implementación en
unidades nuevas o sin sistema de control. Aquí en
nuestros campos colombianos muchas de las
unidades han sido armadas aquí mismo, muchas
comienzan como sistemas completamente
mecánicos y sin sistema de control electrónico
por lo cual con el paso del tiempo se ha tenido la
necesidad de implementar la automatización de
estas unidades, pero estos sistemas de las grandes
marcas son cerrados y no permiten modificación
para adaptarse a este tipo de unidades puesto que
la mayoría no se vende como sistema de control
sino como unidad de cementación completa para
trabajar con sistemas específicos.
V. MATERIALES Y MÉTODOS
A. Características del Sistema
El sistema para las unidades de cementación
propuesto cuenta con las siguientes funciones:
- Recolección de hasta 2 señales por pulsos rápidos
para el cálculo del flujo de cada línea del sistema.
- Recolección de 2 señales análogas para el cálculo
de presión de cada línea del sistema.
- Incorporación de módulo de 4 entradas análogas
para añadir lecturas de densidad, flujo, nivel entre
otras que se requieran
- Se pasa de un sistema de solo monitoreo a un
sistema de control en donde se pueden añadir
funciones de mediante la adquisición de más señales
e incorporación de actuadores.
- Visualización en pantalla HMI de datos medidos
por el sistema tales como flujo de cada línea, flujo
total y presión de cada línea, adicionalmente de
densidad, nivel entre otros que se hayan
incorporado.
- Gráfica de datos medidos de todas las variables.
- Diseño de gráficas y visualización personalizadas
según gusto y necesidad.
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- Descarga de datos para ser llevados a Excel e
imágenes de las gráficas realizadas por la pantalla
por medio de USB, tarjeta SD y vía Ethernet.
- Se incluye módulo inalámbrico para descarga de
datos y conexión sin la necesidad de conexión física
entre la unidad y el PC.
- Monitoreo y grafica en tiempo real con software
especializado y personalizado.
- Calibración y configuración del sistema de
visualización protegido por contraseña.
- Sistema con funciones expandibles, se puede
lograr el sistema completo sin el cambio de equipos,
donde se puede partir del sistema básico e ir
implementando funciones por fases.
- Entradas y salidas disponibles para generación de
funciones adicionales.
- Fácil adaptabilidad a cualquier tipo de unidad de
cementación.
B. Diagramas de Solución
La metodología de solución fue desarrollada de
acuerdo con requerimientos que debía tener el
sistema junto a las características que poseen los
distintos sensores que componen el bloque de
medición de variables y finalmente las necesidades
de control y visualización.
Con las características del sistema se planteó la
siguiente solución:
Fig. 6. Diagrama de bloques de la solución
La solución consiste en integrar un grupo de
sensores que nos van a recolectar los datos de las
distintas variables del proceso, principalmente
densidad y flujo de lechada, flujo y volumen de
bombeo y presión de bombeo, para ser procesadas
por un PLC el cual se comunica con una pantalla
HMI la cual hace toda la visualización de las
variables del proceso, así como el almacenamiento
de datos para luego ser descargados o enviados a un
medio de visualización.
Para la medición de densidad se opta por un sensor
de coriolis por gran precisión, versatilidad y rango
de medición amplio incluso para altas densidades
como la de una lechada de cemento, el cálculo de
flujo de la lechada se hace por medio de un sensor
de flujo que envía una señal de pulsos por medio de
la cual se calcula el flujo, los sensores de pickup
magnéticos se encargan de sensar los pasos de giro
del cardan del motor y enviar una señal de pulsos por
medio de la cual se calcula el flujo y volumen de la
línea de bombeo y el sensor de presión que trabaja
en un rango de 0 a 15000 psi se encargará de
entregar una señal de 4-20mA al PLC para obtener
el dato de la presión de la línea de bombeo. Este
diagrama de solución se muestra de mejor manera
en el siguiente esquema:
Fig. 7. Esquema de la solución
C. Componentes del sistema
Los principales componentes que conforman el
sistema son los siguientes:
- Sensor de Coriolis
El principio de Coriolis es una ciencia exacta. La
fuerza de Coriolis es la más famosa para los efectos
de rotación en la tierra, por ejemplo, causa vientos
desde un área de alta presión hasta un sensor de
vibración de tubos espirales hacia el exterior en una
dirección hacia la derecha en el hemisferio norte.
Caudalímetros de Coriolis operan bajo los principios
de la fuerza de Coriolis, en donde se debe tener en
cuenta la fuerza de inercia para describir los cuerpos
en movimiento en un plato giratorio. Si la masa M
(en velocidad V) es guiado por la placa giratoria (en
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la velocidad angular O). La fuerza de Coriolis (Fc)
se ejerce sobre la placa como se muestra en la
Ecuación:
Los medidores de flujo Coriolis tienen uno o más
tubos vibrantes como se muestra en Figura 8.
Cuando el líquido a ser medido pasa a través de los
tubos vibrantes, se produce un movimiento de
torsión en los tubos. El flujo de masa es proporcional
a los niveles de un movimiento de torsión (es decir,
el movimiento angular).
Fig. 8. Vibración del tubo del sensor de
Coriolis
Fig. 9. Torsión de los tubos del sensor de
Coriolis
El sensor seleccionado para la medición de flujo
másico de este tipo para el tanque de mezcla de
lechada es de la marca Endress & Hauser serie
Promass 83F el cual cumple con todas las
características requeridas.
Fig. 10. Medidor de flujo másico de Coriolis
Endress & Hauser Promass 83F
- Sensor Magnético de Pickup
Los sensores de captación magnética se pueden
montar fácilmente en el borde del husillo del eje o
en la parte posterior del mecanismo. Se pueden usar
como sensor de velocímetro o como sensor de
taquímetro montado en el cárter del volante. En
cualquiera de las aplicaciones, el dispositivo detecta
un cambio repentino en el campo magnético debido
a una protusión metálica en un eje giratorio, una
ranura en un disco de rueda, dientes de un engranaje
o indicador metálico en un sistema de manejo de
material. El sensor genera una onda sinusoidal para
la transmisión al velocímetro, tacómetro o
controlador.
Fig. 11. Sensor pickup.
Entre las referencias de sensores de pickup
buscadas, se escoge la marca Red Lion la referencia
MP62TA por su costo, calidad, modo de instalación
y tamaño principalmente.
Fig. 12. Sensor pickup Red Lion MP62TA.
Características del sensor seleccionado:
- Señal de voltaje de alta capacidad
- Diseño versátil para usar como sensor de
velocímetro o de tacómetro
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- Rendimiento superior a altas temperaturas; supera
a los dispositivos de tipo semiconductor
- Huso roscado de aluminio para una mayor
durabilidad
- El compuesto termoestable moldeado protector
cubre por completo los componentes interiores y no
se ablandará ni se deformará en aplicaciones a altas
temperaturas
- Más resistentes que los sensores de plástico, lo que
significa que pueden tener ligeras áreas huecas
- Fiables mazos de cableado para vehículos pesados
disponibles
- Vida útil muy larga; el sensor no tiene ninguna
pieza móvil y no le afecta la suciedad ni el polvo
- Modelos personalizados disponibles con puestos
terminales, cables, conectores y salidas duales
- Sensor de Presión
El sensor de presión para este tipo de aplicaciones se
instala en la línea de bombeo de la unidad de
cementación, está línea alcanza presiones de
alrededor de 15.000 psi por lo cual su construcción
es especial y su diseño se ajusta para el tipo de
ensamble en las tuberías de este tipo de líneas. Estas
características las cumple el sensor Viatran 510.
Fig. 13. Sensor de presión Viatran 510.
Fig.14. Ensamble sensor de presión en línea.
- PLC
Un controlador lógico programable (Programmable
Logic Controller PLC) es un dispositivo operado
digitalmente, que usa una memoria para el
almacenamiento interno de instrucciones con el fin
de implementar funciones específicas, tales como
lógica, secuenciación, registro y control de tiempos,
conteo y operaciones aritméticas, para controlar a
través de entradas/salidas digitales o analógicas,
varios tipos de máquinas o procesos.
Los PLC´s operan de manera secuencial y cíclica, es
decir, una vez finalizado el recorrido completo de un
programa, comienza a ejecutar su primera
instrucción.
Fig.15. PLC.
Los elementos que contiene un PLC son:
• Unidad Central de proceso
• Módulos de entrada
• Módulos de salida
• Fuente de Alimentación
• Dispositivos periféricos
• Interfaces
Un PLC o Autómata Programable posee las
herramientas necesarias, tanto de software como de
hardware, para controlar dispositivos externos,
recibir señales de sensores y tomar decisiones de
acuerdo a un programa que el usuario elabore según
el esquema del proceso a controlar.
- Pantalla HMI
En la interacción del hombre con máquinas a través
de medios computacionales, hay que tener en cuenta
el término HMI. Término que hacer referencia a la
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supervisión de procesos en su mayoría industriales,
mediante el uso de herramientas HMI – SCADA.
HMI significa “Human Machine Interface”, es decir
es el dispositivo o sistema que permite el interfaz
entre la persona y la máquina. Tradicionalmente
estos sistemas consistían en paneles compuestos por
indicadores y comandos, tales como luces pilotos,
indicadores digitales y análogos, registradores,
pulsadores, selectores y otros que se interconectaban
con la máquina o proceso.
En la actualidad, dado que las máquinas y procesos
en general están implementadas con controladores y
otros dispositivos electrónicos que dejan disponibles
puertas de comunicación, es posible contar con
sistemas de HMI bastantes más poderosos y
eficaces, además de permitir una conexión más
sencilla y económica con el proceso o máquinas.
Fig.16. Pantalla HMI.
D. Desarrollo del sistema.
Para elaborar el sistema es necesario tener claro el
esquema del sistema y sus componentes, pero de
igual manera se trazan las funciones que el equipo
puede tener, es decir el alcance del proyecto.
Este alcance se define por los siguientes puntos:
- Recolección de hasta 2 señales por pulsos rápidos
para el cálculo del flujo de cada línea de bombeo del
sistema.
- Recolección de 2 señales análogas para el cálculo
de presión de cada línea de bombeo del sistema.
- Incorporación de módulo de 4 entradas análogas
para añadir lecturas de densidad, flujo, nivel entre
otras que se requieran
- Se pasa de un sistema de solo monitoreo a un
sistema de control en donde se pueden añadir
funciones de mediante la adquisición de más señales
e incorporación de actuadores.
- Visualización en pantalla HMI de datos medidos
por el sistema tales como flujo de cada línea, flujo
total y presión de cada línea, adicionalmente de
densidad, nivel entre otros que se hayan
incorporado.
- Gráfica de datos medidos de todas las variables.
- Diseño de gráficas y visualización personalizadas
según gusto y necesidad.
- Descarga de datos para ser llevados a Excel e
imágenes de las gráficas realizadas por la pantalla
por medio de USB, tarjeta SD y vía Ethernet.
- Se incluye módulo inalámbrico para descarga de
datos y conexión sin la necesidad de conexión física
entre la unidad y el PC.
- Monitoreo y grafica en tiempo real con software
especializado y personalizado.
- Calibración y configuración del sistema de
visualización protegido por contraseña.
- Sistema con funciones expandibles, se puede
lograr el sistema completo sin el cambio de equipos,
donde se puede partir del sistema básico e ir
implementando funciones por fases.
- Entradas y salidas disponibles para generación de
funciones adicionales.
- Fácil adaptabilidad a cualquier tipo de unidad de
cementación.
Definición de Entradas y Salidas del Sistema
Para proceder a desarrollar el sistema planteado,
empezamos por definir las variables de entrada y
salida del sistema para luego proceder a realizar el
programa del PLC y de la pantalla HMI.
Para nuestro caso todas las variables de entrada
serán principalmente los sensores del sistema (flujo,
presión, densidad, etc.)
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De igual manera para la programación de la pantalla
HMI se deben tener en cuenta unas entradas que
serán botones principales para el manejo de la
pantalla.
En cuanto a las salidas no se tienen muchas en este
caso y las que se encuentran son más de alarma y
casos de emergencia, sin embargo, se tienen unas
salidas contempladas para el control de apertura y
cierre de válvulas de suministro de agua y cemento
para los tanques de mezcla para la preparación de
lechada de cemento.
Tabla 1. Entradas PLC.
Entradas PLC
Entrada Descripción
Sensor Pickup 1 Entrada rápida por
pulsos para conteo de
giros del cardan de la
bomba para el cálculo
de flujo y volumen de la
línea 1
Sensor Pickup 2 Entrada rápida por
pulsos para conteo de
giros del cardan de la
bomba para el cálculo
de flujo y volumen de la
línea 1
Señal Presión 1 Señal de 4-20mA para
lectura de presión de
bombeo línea 1
Señal Presión 2 Señal de 4-20mA para
lectura de presión de
bombeo línea 1
Señal Densidad
Lechada
Señal de 4-20mA para
lectura de densidad de
la mezcla y preparación
de lechada.
Señal Flujo de Agua de
Lechada
Señal de 4-20mA para
lectura de flujo
suministrado de agua
para la preparación de
la lechada.
Tabla 2. Salidas PLC.
Salidas PLC
Salida Descripción
Sobrepresión 1 Activa una salida
cuando se supera el
valor de presión
máxima de la línea 1
Sobrepresión 2 Activa una salida
cuando se supera el
valor de presión
máxima de la línea 2
Abrir Válvula Cemento Abre la válvula que
permite la entrada de
cemento al tanque de
mezcla
Cerrar Válvula
Cemento
Cierra la válvula que
permite la entrada de
cemento al tanque de
mezcla
Abrir Válvula de Agua Abre la válvula que
permite la entrada de
agua al tanque de
mezcla
Cerrar Válvula de Agua Cierra la válvula que
permite la entrada de
agua al tan que de
mezcla.
Programa PLC
Con las variables de entrada y salida definidas se
procede a programar el PLC, para ello empezamos
por definir y activar los bloques de memorias que
requiere el PLC para lectura de entradas rápidas y
entradas analógicas.
Primero se hace la selección del PLC, para lo cual se
busca en el mercado uno con la capacidad de tener
entradas rápidas y mínimo 4 entradas analógicas y
en lo posible de bajo costo sin que esto limite las
demás funciones que se requieren en cuanto a la
comunicación con la pantalla y tranferencia de
información.
Para este caso escogemos un PLC de la marca
DELTA japonesa de la serie DVP-12SA2, el cual es
un PLC compacto con entradas rápidas y le
adicionamos un módulo de la línea DVP-04AD de
entradas analógicas y con esto cubrimos nuestro
requerimiento de hardware de la CPU.
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Fig.17. PLC DELTA DVP-12SA2 y Módulo
Análogo DVP-04AD
.
Empezamos tomando lectura de las entradas
analógicas las cuales no requieren de largos
procedimientos y dejamos para cada una de las 4
entradas dos posiciones de memoria para ajustar las
curvas de lectura y para que luego por pantalla y
dependiendo del sensor a usar se ajusten las medidas
de presión, densidad y flujo de agua.
Para la cuenta de barriles debemos hacer uso de los
sensores de pickup conectados a las entradas rápidas
del PLC y dentro del programa hacemos uso de los
contadores para llevar el conteo de los pulsos
marcados. Luego asignamos de igual dos variables
para usarlas como factores que se aplican para
corregir la medida de los pulsos, este factor depende
del diseño del cardan, del número de dientes que
tenga para contar las vueltas y la capacidad de
bombeo por vuelta de la bomba.
Finalmente se organizan los valores y se mueven a
registros de memorias para ser leídas por la pantalla
HMI. El programa se realiza en Ladder haciendo uso
de bloques de pasos o step (ver Apéndice 2.
Programa PLC).
Programa Pantalla HMI
Para la pantalla HMI se busca dentro del mercado
una pantalla versátil, de buena resolución, con la
capacidad de comunicación con el PLC elegido y
puertos de comunicación para descarga de datos.
De igual manera como factor importante el tema de
robustez, puesto que será una pantalla que estará
expuesta al aire libre y debe tener un grado de
protección alto para evitar ser dañada por agua y
polvo.
Con estas características se selecciona la pantalla de
la marca Maple Systems el modelo HMI5070P,
brillante 7" TFT soporta hasta 65 mil colores y tiene
una resolución más alta (800 x 480 píxeles) que la
mayoría de 6" pulgadas. Este modelo está diseñado
para aplicaciones que requieren una interfaz de
operador compacto resistente con baja potencia. El
HMI5070P opera en 24 V CC y tiene un modo de
ahorro de energía que reduce la corriente a la
pantalla para ahorrar energía. Este terminal
industrial requiere sólo 1,5" de profundidad cuando
se monta a un panel. Además, con protección IP 67
en la parte frontal que estará expuesta.
Fig.18. Pantalla HMI Maple 5070P.
Para la pantalla HMI se diseñaron un total de 6
pantallas principales divididas en las siguientes:
- Pantalla de inicio: Muestra el menú principal del
sistema.
Fig.19. Pantalla Menú Principal.
- Datos del trabajo: Pantalla para ingresar los datos
del trabajo a realizar para mostrar en la gráfica
principal.
Universidad Distrital F. J. C. Rodríguez, Sanabria. Sistema de Control para Unidades de Cementación.
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Fig.20. Pantalla Ingreso datos de trabajo.
- Configurar hora: Pantalla para configurar fecha y
hora del sistema.
Fig.21. Pantalla Configuración fecha y hora.
- Información: Pantalla de información del sistema.
Fig.22. Pantalla Información.
- Pantalla de trabajo: Es la pantalla principal del
sistema, en ella se visualizan los datos medidos, se
da inicio o fin a un trabajo, se guardan los datos del
sistema, se entra al menú de configuración y se
accede a las gráficas.
Fig.23. Pantalla Principal de trabajo.
- Pantalla de calibración: Esta pantalla permite
ajustar los valores de medición por medio del
ingreso de parámetros de cada medida.
Fig.23. Pantalla Calibración de medidas.
- Grupo de gráficas: Son las pantallas diseñadas para
mostrar la gráfica de cada una de las medidas del
sistema.
Fig.24. Pantalla Gráfica Principal.
Estas gráficas se pueden descargar del sistema por
lo cual se diseña una gráfica en específico la cual se
muestra en los informes de los trabajos con los datos
ingresados en la pantalla de datos del trabajo.
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VI. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Con el sistema diseñado y programado, se realizó la
instalación del sistema en una unidad de
cementación ubicada en Campo Rubiales, Meta para
la empresa Superior Energy Services, la cual cuenta
con 4 unidades de cementación sin sistema
electrónico de adquisición de datos.
Fig.25. Unidad de Cementación Superior
Energy ubicada en Campo Rubiales, Meta.
Inicialmente se desarrolló la prueba realizando la
instalación en una unidad y posteriormente gracias
al éxito que se tuvo se instala en otras 3 unidades.
Para todos los casos se aprovechó el panel de control
principal de cada unidad en donde se intaló la
pantalla HMI y en la parte inferior de estos paneles
se colocó un tablero con el PLC.
Fig.26. Pantalla HMI en panel de control.
Adicionalmente junto a cada pantalla se colocó un
conector USB con tapa protectora para la descarga
de datos, esto evita que se deban dirigir a la parte
posterior de la unidad para insertar la memoria USB.
Fig.27. Tablero PLC.
Los sensores de pickup magnéticos se instalaron en
cada uno de los cardan de las bombas, se hizó uso de
2 sensores por cardan de tal manera que uno lleva la
señal al PLC para que sea visualizada en la pantalla
HMI mientras el otro lleva la señal a un registrador
auxiliar Red Lion para así poder comparar la
medición y tener siempre un respaldo en el sistema.
Fig.28. Sensores pickup en cardan.
Así mismo se instalaron dos sensores de presión en
cada línea de bombeo, uno digital que llega al PLC
y uno análogo para comparación y referencia de
medida, así mismo como respaldo.
Los valores de flujo y presión son los datos críticos
durante la labor de cementación y en ningún
momento el operario puede quedar “ciego” de estos
datos pues puede perjudicar la operación, causando
Universidad Distrital F. J. C. Rodríguez, Sanabria. Sistema de Control para Unidades de Cementación.
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daños a la máquina o la línea que pueden incurrir en
lesiones del personal en campo por lo cual se usan
registradores auxiliares y sistemas de medición de
respaldo.
Fig.29. Sensores de presión en línea de
bombeo.
Con la instrumentación y sistema completamente
instalado en la unidad de cementación se puso a
circular la unidad y se observó como el flujo,
volumen, presión y demás datos se mostraron
correctamente en pantalla.
En la pantalla de calibración y basados en los
sistemas de respaldo y auxiliares de medición
instalados se configuraron los parámetros de cada
medida para que la pantalla mostrara la misma
medición.
Fig.30. Pantalla HMI Instalada.
Se verificó que el sistema de gráficas funcionara
correctamente y se descargaron los datos y gráficas
por vía USB inicialmente.
El sistema de guardado de datos y descarga de
gráficas funcionó correctamente, se mostraron datos
y gráficas descargadas listas para impresión para la
entrega de informes por parte del ingeniero de
petróleos encargado del trabajo.
Fig.31. Gráfica del sistema.
Adicionalmente se instalaron módulos RF para la
comunicación inalámbrica y poder hacer la descarga
de datos sin tener que estar en la unidad.
Esta opción es muy importante para el Company-
Man o encargado del pozo donde se realiza el trabajo
para que el supervise la operación en todo momento
de manera remota y sin obstruir la operación en la
unidad ya que el espacio es poco y el operario
necesita poderse mover libremente para controlar de
mejor manera la operación.
Fig.32. Descarga de datos Inalámbrica.
Como resultados se obtuvo lo siguiente:
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- El sistema trabaja correctamente y es de fácil
entendimiento. Su manejo es de tal manera que los
operarios maniobran intuitivamente el sistema
permitiéndoles concentrarse más en la operación.
- La gráficas y descargas de datos de cada operación
agradaron bastante a los ingenieros y operadores, al
ser un sistema personalizado y las gráficas al final
de cada trabajo están listas para ser presentadas en
los informes, lo que les ha ahorrado mucho tiempo
de edición análisis y entrega de trabajos.
- El sistema inalámbrico fue un acierto puesto que se
liberó espacio en la unidad al estar varias personas
revisando la operación. Esto permite al operario
maniobrar con tranquilidad en cada trabajo.
- Como puntos importantes a mejorar, está la
instalación de los sensores magnéticos de pickup,
puesto que se debe construir un mejor soporte por
vibraciones causadas por las altas presiones. El
cardan lograba golpear el sensor y dañarlo. De igual
manera se debe elaborar una carcasa que cubra los
sensores porque debido a la exposición al ambiente
se desgastan rápidamente y la medida de flujo debe
ser recalibrada muy seguido.
CONCLUSIONES
El sistema de adquisición de datos tuvo éxito en su
implementación, demostrando que, con equipos de
menor costo, pero sin reducir calidad se pudieron
lograr todas las funciones deseadas que poseen otros
sistemas desarrollados y de alto costo.
El sistema es fácilmente instalable puesto a que es
capaz de aprovechar unidades sin sistema
electrónico. Es posible adaptar el sistema de control
sin realizar modificaciones mecánicas o
procedimientos elaborados, permitiendo la
adaptación de viejas unidades (que se pensaban
debían ser remplazadas y sacadas de trabajo por ser
obsoletas) a las nuevas necesidades tecnológicas.
El sistema de pantalla de trabajo con sus gráficas
personalizadas y listas para impresión luego de un
trabajo, fue un punto alto de satisfacción para los
ingenieros a los cuales se les redujo el tiempo de
elaboración de informes y se logra la
estandarización del proceso.
AGRADECIMIENTOS
Primero y antes que nada, dar gracias a Dios, por
estar con nosotros en cada paso, por darnos fortaleza
e iluminar nuestras mentes y por haber puesto en el
camino a aquellas personas que han sido soporte y
compañía durante todo el periodo de estudio.
Agradecer hoy y siempre a nuestras familias por
el esfuerzo realizado por ellos. El apoyo en los
estudios, de ser así no hubiese sido posible. A
nuestros padres y demás familiares ya que siempre
nos brindan el apoyo, la alegría y nos dan la
fortaleza necesaria para seguir adelante.
Del mismo modo agradecemos a la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas y al estado de
Colombia por habernos dado la oportunidad de
tener un estudio y una formación que nos permita
salir adelante y poder competir por los altos cargos
en nuestra área de estudio.
REFERENCIAS
[1] R. Cobo, “El abc de la automatización,” tech.
rep., Asociaciión De La Industria Eléctrica
Electrónica, Chile.
[2] Y. Mori and M. Shitara, “The resonance of
coriolis mass flowmeters in a pulsating flow,” in
SICE 2003 Annual Conference, vol. 1, pp. 10–
14 Vol.1, 2003.
[3] SISTEMAS HIDRONEUMATICOS C.A.,
“Manual De Procedimiento Para El Cálculo Y
Selección De Sistema De Bombeo”, Venezuela.
[4] Erazo Flores. Andrés Hernán, Tesis de Grado
“Estudio de la Cementación Remedial del Pozo
Tiguino 3”, Quito, Ecuador, 2010.
[5] Erik B. Nelson. “Fundamentos de la
Cementación de Pozos”, vol. 24, 2011.
[6] R. A. Serway, “Physics”, Fourth Edition,
Saunders College Publishing.
