Prólogo

En la extracción de petróleo en nuestro país, los pozos de crudo pesado representan una proporción considerable. Estos pozos presentan características como alta viscosidad del crudo, alto punto de solidificación, alta densidad y elevado contenido de parafina, lo que dificulta su extracción. En la actualidad, la técnica de recuperación térmica para crudos pesados es el método más extendido y eficaz, tanto a nivel nacional como internacional, para explotar este tipo de pozos. Mediante la tecnología de calentamiento eléctrico con varilla hueca, se calienta completamente el crudo dentro del tubo de producción, lo que reduce su viscosidad, previene la formación de parafina en el interior del tubo y mejora la fluidez del crudo. Esta técnica resuelve eficazmente diversos problemas técnicos que surgen durante la extracción de crudos con alto punto de solidificación, alta viscosidad y elevado contenido de parafina, logrando así aumentar la producción y la eficiencia de los pozos.

La tecnología anterior de calentamiento con barras huecas utilizaba un calentamiento a frecuencia industrial; dado que la carga era monofásica, se requería un transformador independiente para convertir la entrada trifásica en una salida monofásica, lo que provocaba desequilibrios en la red trifásica, un bajo factor de potencia, un alto consumo de energía eléctrica y una considerable contaminación de la red. Además, el efecto de calentamiento era poco evidente, lo que generaba un gran desperdicio de energía eléctrica. Por ello, es necesario explorar un método de calentamiento avanzado que mejore la eficiencia y potencie el efecto de calentamiento. Tras numerosos ensayos, se ha optado por emplear la tecnología de conversión de frecuencia, actualmente bastante madura, para proporcionar a este dispositivo de calentamiento una nueva fuente de alimentación de frecuencia variable: la serie PI500-I de fuentes de alimentación de calentamiento a media frecuencia.

Este dispositivo puede proporcionar frecuencias de hasta 10 a 3000 Hz, permitiendo una regulación continua de la tensión y la corriente de salida, con el fin de lograr una potencia de salida continuamente ajustable. Debido a que la fuente de alimentación de frecuencia media refuerza la inducción por corrientes parásitas, se intensifica el efecto piel y se reduce la fuga magnética; en consecuencia, el efecto de calentamiento eléctrico es considerablemente mejor que con fuentes de alimentación de frecuencia industrial, alcanzando un ahorro energético superior al 20% y reduciendo significativamente el consumo de energía en la producción petrolera.

El principio de funcionamiento del dispositivo de calefacción eléctrica con varilla hueca se muestra en la figura siguiente:

Este dispositivo consiste en hacer pasar un cable por el interior de una varilla de bombeo hueca, formando así un circuito con el cuerpo de la varilla. Al hacer circular corriente alterna de frecuencia industrial a través del cable, se aprovecha el efecto de piel interno para generar energía térmica en las paredes de la varilla de bombeo hueca, calentando así todo el fluido de petróleo en el tubo de producción. Esto eleva la temperatura del petróleo crudo en el interior del tubo, reduce su viscosidad, mejora su fluidez y previene la acumulación de parafina en el interior del tubo, permitiendo así extraer eficazmente petróleo crudo con alta solidificación, alta viscosidad y alto contenido de parafina.

El principio del efecto de piel se muestra en la figura siguiente:

El dispositivo de calefacción eléctrica para varillas de bombeo huecas consiste en introducir un cable calefactor dentro de la varilla de bombeo hueca, formando así un circuito eléctrico cerrado entre la varilla hueca y el cable calefactor. Gracias al principio del efecto piel, se calienta el petróleo crudo en el interior del pozo, lo que permite reducir su viscosidad y eliminar parafinas. El efecto piel, también conocido como efecto de proximidad, se produce cuando una corriente alterna atraviesa un conductor: en lugar de distribuirse uniformemente por toda la sección transversal del conductor, la corriente tiende a concentrarse en la superficie del mismo. Esta concentración de corriente en la superficie del conductor se denomina efecto piel.

Cuando un cable atraviesa un tubo de acero formando un circuito y por él circula una corriente alterna, la corriente en la sección transversal del tubo se concentra principalmente en la superficie interior del mismo. Este fenómeno se denomina efecto de piel interno. Por otra parte, prácticamente no circula corriente por la superficie exterior del tubo; por lo tanto, la pared externa de la varilla hueca puede considerarse como un aislante. Este fenómeno no solo se intensifica notablemente con el aumento de la frecuencia, sino que también se hace más pronunciado al incrementarse el radio del conductor, su permeabilidad magnética y su conductividad eléctrica. Las varillas de bombeo eléctricas de calentamiento por inducción funcionan precisamente aprovechando el efecto de piel interno. Dado que la impedancia de corriente alterna de una varilla de bombeo hueca es mucho mayor que la resistencia del cable conductor, la varilla hueca se convierte en el principal elemento generador de calor.

El principio de funcionamiento de la fuente de alimentación de frecuencia media de la serie PI500-I se muestra en la figura siguiente:

El circuito principal de la fuente de alimentación de calentamiento por frecuencia media adopta una estructura de conversión AC-DC-AC, compuesta por un circuito rectificador, un filtro, un circuito inversor y un circuito de protección. Su principio de funcionamiento consiste en convertir la corriente alterna trifásica de 50 Hz a una corriente continua pulsante con voltaje ajustable mediante un puente rectificador trifásico totalmente controlado; luego, un condensador filtra esta corriente continua pulsante para transformarla en una corriente continua suave y estable, que se envía al puente inversor monofásico. Finalmente, el puente inversor convierte la corriente continua en una corriente alterna de frecuencia media monofásica y ajustable, suministrándola a la carga.

Características de rendimiento del producto

Se utiliza un chip de control DSP especializado de 32 bits de la empresa estadounidense Texas Instruments TI, lo que mejora el rendimiento del sistema de control, simplifica el circuito y proporciona una alta adaptabilidad a diversas cargas. Se logra un control de la fuente de alimentación completamente digital e inteligente.

Se utiliza un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) avanzado de alta potencia como dispositivo conmutador de potencia, y la frecuencia de inversión es ajustable.

Cuenta con función de adaptación automática a la secuencia de fases, sin necesidad de identificar la secuencia de fases de entrada. La salida puede realizar control de potencia constante, voltaje constante y corriente constante.

Utiliza un arranque suave a presión cero, con alta tasa de éxito y sin impactos. Cumple plenamente con las necesidades de los usuarios en la amplia industria del procesamiento térmico.

Utilizando un método de arranque con presión cero por escaneo y un circuito de arranque automático repetido, la tasa de éxito en el arranque puede alcanzar el 100%.

Se utiliza una tensión de frecuencia intermedia como señal de muestreo; no se emplea un transformador de corriente de frecuencia intermedia, y la conexión entre la parte de salida y la carga no requiere distinguir la polaridad.

La interfaz de visualización para la interacción hombre-máquina permite, mediante la selección en el teclado, mostrar la frecuencia de trabajo y la corriente, así como el ciclo de trabajo del pulso de salida y la relación de variación de corriente. Además, puede mostrar el estado y las causas de fallos, haciendo la visualización más intuitiva y fácil de operar.

La tensión y la corriente de salida son continuamente ajustables, lo que permite que el sistema de calefacción opere en su estado óptimo, con una alta eficiencia energética y un evidente ahorro de energía. Función de selección entre control de tensión de salida constante y control de potencia de salida constante.

La parte de salida utiliza un transformador intermedio de frecuencia en configuración circular, destinado a aislar las tensiones de entrada y salida. Este transformador está conectado mediante un conjunto de condensadores a la salida del gabinete de control, actuando así como filtro de corriente continua para prevenir la saturación magnética causada por polarización continua o sobremagnetización, y además puede desempeñar una función de resonancia en serie. El transformador intermedio está fabricado con material amorfo de titanio, que presenta una alta permeabilidad magnética, opera a frecuencias elevadas y tiene pérdidas energéticas propias extremadamente bajas, lo que mejora la eficiencia general del equipo. Si se aumenta aún más la frecuencia, el tamaño del transformador puede reducirse aún más, logrando así una mayor eficiencia operativa. Cuenta con funciones de protección completas: incluye protección contra sobrecorriente, cortocircuito, elevación excesiva de la temperatura interna y sobre o bajo voltaje. Estas características hacen que el equipo sea más completo, más fiable en su funcionamiento y evita daños causados por diversos factores anormales.

Eficiente y ahorro de energía, con un factor de potencia extremadamente alto en todo el rango de potencia.

Relación entre la frecuencia y el efecto de calentamiento

La impedancia del tubo de acero bajo corriente alterna es significativamente mayor que su resistencia en corriente continua, ya que el tubo de acero es un material ferromagnético cuya permeabilidad magnética es 1000 veces superior a la del cobre. A medida que aumenta la frecuencia de la corriente, la impedancia de la varilla hueca de bombeo también aumenta. Según el principio de conservación de la energía, a igual potencia de entrada, cuanto mayor sea la frecuencia de la fuente de alimentación, más intenso será el efecto piel; en consecuencia, la impedancia de la varilla hueca de bombeo también será mayor, lo que permitirá obtener una mayor potencia eléctrica útil, reduciendo al mínimo las pérdidas propias de la fuente de alimentación y ahorrando así una gran cantidad de energía eléctrica, además de lograr un excelente efecto de calentamiento.

Efecto de la aplicación:

Campo de aplicación en la Cuenca del Río Liao

Campo de aplicación en la Fábrica de Petróleo de Daqing

Campo de aplicación en la Cuenca del Norte de China

Desde su lanzamiento, la serie de productos PI500-I se ha aplicado con éxito en varias regiones con yacimientos de petróleo pesado, tales como el Campo Petrolero de Daqing, el Campo Petrolero de Changqing, el Campo Petrolero de Shengli, el Campo Petrolero de la China del Norte, el Campo Petrolero de Liaohe y el Campo Petrolero de Yumen. Mediante ajustes in situ y combinando cables calefactores con potencias adecuadas, generalmente se ajusta la frecuencia a alrededor de 400 Hz a 1000 Hz, lo que representa un aumento de más de diez veces respecto a la frecuencia industrial. Según la potencia seleccionada, la corriente de salida suele ser de aproximadamente 80 A para una fuente de alimentación de 75 kW y de alrededor de 100 A para una fuente de alimentación de 93 kW. A través de transformadores de frecuencia media, la tensión de salida ronda los 800 V (tensiones de salida en serie: 600 V, 800 V, 1000 V y 1200 V). El efecto calefactor es muy evidente, presentando ventajas claras frente al calentamiento a frecuencia industrial.

1. El factor de potencia se ha mejorado notablemente: en el calentamiento a frecuencia industrial original, el factor de potencia era de alrededor de 0,7, mientras que con el calentamiento por variador de frecuencia, las pruebas han mostrado valores superiores a 0,95.

2. Se ha reducido la contaminación a la red eléctrica. En el calentamiento convencional a frecuencia industrial, era necesario convertir tres fases en dos, lo que provocaba un grave desequilibrio en la tensión de entrada del transformador y una fuerte contaminación de la red eléctrica. Tras la implementación del variador de frecuencia, el factor de potencia ha mejorado y el contenido de armónicos se ha reducido notablemente, disminuyendo así la contaminación de la red eléctrica.

3. El efecto de calentamiento es notable. Según el efecto de piel, al aumentar la frecuencia, la energía que recibe la carga se incrementa, y las pérdidas en la línea disminuyen proporcionalmente, lo que mejora el efecto de calentamiento. Según las pruebas, el calentamiento por variador de frecuencia puede alcanzar el efecto previsto 1 o 2 horas antes que el calentamiento a frecuencia industrial, y además, la temperatura resulta más alta.

4. Funciones de protección completas. El gabinete de frecuencia industrial original, al no contar con control por microcontrolador, presenta funciones de protección deficientes; a menudo, debido a cortocircuitos, desconexiones de la carga y estabilidad inadecuada del voltaje, se producen quemaduras en los transformadores y operación inestable. En cambio, el gabinete de fuente de alimentación de frecuencia variable, gracias al control mediante DSP, cuenta con funciones de protección completas, lo que evita problemas causados por fallas en la red eléctrica y en la carga, garantizando así un funcionamiento estable del sistema.

5. El efecto de ahorro energético es evidente. Según las pruebas, cada gabinete de fuente de alimentación de frecuencia variable ahorra alrededor del 20% de energía en comparación con el gabinete correspondiente de frecuencia industrial, lo que permite un ahorro significativo de energía eléctrica, mejora la eficiencia operativa y garantiza el buen funcionamiento del sistema de calefacción. En resumen, la calefacción por variador de frecuencia representa una verdadera revolución en la extracción térmica de petróleo pesado. China cuenta con reservas bastante abundantes de petróleo pesado; promover esta tecnología constituye un medio eficaz para reducir el consumo de energía y las emisiones en la industria petrolera, así como para mejorar la eficiencia.

Palabras finales

En el dispositivo de calefacción eléctrica con varillas huecas, el calor generado por las varillas eléctricas no es constante: cuanto más cerca del suelo se encuentre, mayor será la cantidad de calor generada por unidad de longitud; en cambio, cuanto más hacia abajo se vaya, menor será la cantidad de calor generado por unidad de longitud. Durante el proceso de elevación del crudo, la temperatura del yacimiento disminuye gradualmente. Aprovechando el mecanismo de variación de la potencia de calentamiento de las varillas eléctricas y la temperatura del yacimiento, es posible mantener una temperatura determinada del crudo en el interior del pozo utilizando una potencia relativamente baja. Dado que a mayor frecuencia de la fuente de alimentación, mayor es la corriente captada por la capacitancia parásita, bajo las mismas condiciones del pozo, un dispositivo de calefacción eléctrica de frecuencia media logra un buen efecto de calentamiento con una potencia de calentamiento inferior. Los resultados experimentales muestran que, comparado con la calefacción a frecuencia industrial, a la misma temperatura del crudo en la boca del pozo, la potencia de calentamiento media es entre 10 y 20 kW inferior, lo que supone una tasa de ahorro energético superior al 15%.