Monitoreo y análisis de fracturamiento de bombas en pozos de petróleo con LabVIEW y la plataforma RIO de NI

Perfil Del Cliente

Lime Instruments es  una compañía de rápido crecimiento y un profundo conocimiento en la industria de servicios para pozos. Desarrolla soluciones de instrumentación y control para una variedad de aplicaciones de energía. La compañía ofrece muchos sistemas de hardware y software para los fabricantes y proveedores de servicios en exploración y producción en la industria del petróleo y gas. Un área en la que Lime Instruments se especializa es el desarrollo de sistemas de control para aplicaciones de fracturación hidráulica. La compañía cree que sus principales diferenciadores en la industria son sus productos de alta calidad y el dedicado servicio post-venta.

Oportunidad de Negocio

El mercado de fracturación hidráulica se está expandiendo rápidamente a medida que aumenta la exploración de recursos energéticos de formaciones de esquisto muy por debajo de la superficie terrestre. Por lo tanto, los proveedores de servicios para pozos necesitan controlar una multitud de equipos para mezcla y bombeo para desarrollar los pozos. Ellos requieren una solución escalable y confiable a un costo competitivo, que puede soportar condiciones adversas y tener soporte en todo el mundo. Las soluciones existentes se desempeñan erráticamente en condiciones ambientales como clima extremo y vibraciones intensas. Las fallas de equipo provocan periodos de inactividad en los pozos que resultan extremadamente costosos. Lime Instruments sabía que las compañías de servicios para pozos estarían dispuestos a invertir en una solución que maximice el tiempo de actividad.

Dos clases de proveedores de servicios para pozos ofrecen fracturación hidráulica. La primera clase está formada por grandes empresas conocidas como the majors, que cuentan con equipo construido de acuerdo a sus especificaciones y diseños, además de crear sistemas de control personalizado para este equipo. La segunda clase son nuevos proveedores que construyen sus flotas mediante la compra de equipo a OEMs (fabricantes de equipo original) que también ofrecen sus propios sistemas de control. Ambas clases de empresas tienen que invertir en un grupo personalizado de especialistas electrónicos, ingenieros y técnicos para diseñar, construir, mantener y dar soporte a estos sistemas de control.

Las nuevas empresas de servicios para pozos necesitan sistemas para superar a las grandes empresas principales y requieren un sistema de control común sin importar el OEM a quien le compren. Por lo tanto, Lime Instruments reconoce la necesidad de un sistema de control universal usando hardware modular y software libre.

Solución

Para capturar rápidamente el crecimiento continuo de la demanda en el mercado, Lime Instruments quiso crear el prototipo y En Lime Instruments, queremos ser el mejor integrador de tecnología de control e instrumentación para cualquier industria en la que competimos. Nuestro objetivo es hacer paquetes con el mejor hardware comercial disponible y empacarlos de manera que resistan las condiciones más difíciles que se encuentran en el campo de petróleo. Creemos que el hardware de National Instruments y el software LabVIEW proveen la solución óptima para nuestra aplicación, y se los hicimos la columna vertebral de todo nuestro sistema de control. Otras soluciones de hardware que consideramos no eran capaces de proveer la alta velocidad de E/S y análisis para detectar los picos de presión momentáneos o los indicadores de vibración de estas bombas de fracturación para pozos petroleros. El arreglo de compuertas programable en campo (FPGA) y la capacidad para realizar análisis de los datos con transformadas rápidas de Fourier (FTT) hacen que usar CompactRIO, NI Single-Board RIO y LabVIEW sea la solución perfecta para esta aplicación.

Sistema de Monitoreo de Pozos

Nuestro sistema de monitoreo de pozos de petróleo está diseñado para analizar el desempeño de los componentes vitales de la bomba durante la operación. Nuestro producto preliminar se centra en el control de bombas de alta presión para fracturación en aplicaciones de estimulación de pozos. Cada unidad de fractura tiene un potente motor diesel y transmisión acoplados a una bomba tríplex o quíntuplex. Tanto el motor como la transmisión están equipados con una interfaz electrónica que supervisa las funciones críticas y proporciona información de diagnóstico mientras la unidad está en funcionamiento. El motor y la transmisión envían los datos que monitorean a través de un protocolo de comunicación SAE J1939.

Actualmente, las bombas en esta industria no contienen más de un par de sensores que monitorean sus parámetros de funcionamiento críticos. Generalmente se monitorean la presión de descarga, RPMs, la presión del aceite lubricante y la temperatura del aceite. Cada uno de estos parámetros se mide con un sensor individual y un cable de señal que regresa a la consola de control principal.

El objetivo de nuestro producto es monitorear éstas y otras funciones  y transmitir los datos a la consola de control principal a través del mismo protocolo CAN (Controller Area Network) SAE J1939. Nuestro sistema necesita buscar características de los datos fuera de los rangos de funcionamiento normal y condiciones de falla. Con esta información en tiempo real, los operadores pueden determinar si deben interrumpir o continuar la operación basándose en indicaciones del rendimiento de la bomba en tiempo real. En última instancia, este sistema debe reducir el número de fallos, así como los costos generales de mantenimiento de la bomba.

Implementación Robusta con CompactRIO y LabVIEW

Para nuestras aplicaciones, no existe un paquete de hardware más capaz que CompactRIO. También nos agrada el hecho de que podemos desarrollar software en LabVIEW más rápidamente que en cualquier otro entorno de programación. LabVIEW ha hecho la parte del desarrollo de software mucho más rápida que nuestras experiencias pasadas con programación basada en C. Lo que a la mayoría de programadores de C le tomaría dos años, nosotros podemos lograrlo en un par de meses. Podemos utilizar ese ahorro de tiempo para llegar al mercado más rápidamente y aprovechar el tiempo de retraso de nuestros competidores.

Usamos la plataforma LabVIEW para programar el procesador en tiempo real, el FPGA y E/S con el sistema CompactRIO y para crear una interfaz para controlar y monitorear cada aspecto de los equipos de simulación y servicios para pozos que se encuentran comúnmente en la industria. Creemos que las E/S modulares y el sistema robusto CompactRIO son ideales porque pueden manejar el shock y la vibración, además del amplio rango de temperaturas que se experimentan al montarlo en una pieza de equipo móvil que se arrastra de un lado a otro en yacimientos de petróleo alrededor del mundo.

La apertura de LabVIEW y el hardware de National Instruments facilitan el interactuar con una variedad de sensores, software y protocolos, tales como los siguientes:
• Sensores – Transductores de presión, sensores magnéticos, encoders digitales, sensores de temperatura, densímetros nucleares, medidores de flujo magnéticos, medidores de flujo Coriolis, entre otros
• Software – Software para simulación de pozos y fatiga de ductos flexibles
• Sistemas operativos – Windows XP Embedded, Windows CE, Linux
• Protocolos específicas de la industria –SAE J1939, J1587, J1708; Modbus; Ethernet, 802.11; PROFIBUS

Implementación personalizada con NI Single-Board RIO

Gracias al tamaño pequeño y el bajo costo de NI Single-Board RIO, vemos un gran valor en el uso de este hardware para proveer una solución personalizada a nuestros clientes. Con CompactRIO y NI Single-Board RIO, tenemos la posibilidad de ofrecer diferentes factores de forma y puntos de precio para nuestros sistemas de monitoreo.

Afortunadamente, la transición de CompactRIO para NI Single-Board RIO es un proceso muy rápido y natural debido a la arquitectura de hardware estándar de E/S reconfigurables NI RIO y LabVIEW. NI Single-Board tiene la misma arquitectura de hardware que CompactRIO, así que podemos reutilizar el código de LabVIEW en nuestro hardware de NI Single-Board RIO sin cambios mayores del código.

La ventaja de una solución de National Instruments

Estamos muy satisfechos con la calidad de los productos y el soporte que hemos recibido de NI. NI ha manejado nuestras situaciones técnicas con urgencia y buen seguimiento, ayudándonos a completar nuestra aplicación. Todos en National Instruments, desde los ingenieros de soporte hasta los ingenieros de venta directa, tienen un profundo conocimiento, técnico y de negocios,  sobre sus líneas de productos. Ciertamente ha sido un placer trabajar con un grupo profesional y de gran apoyo.

Beneficios de Negocio

Para lograr la participación de mercado en una industria de rápido crecimiento dominado por las grandes empresas, Lime Instruments tomó ventaja de plataformas establecidas y ha desarrolló un sistema que se puede ser instalado en cualquier pieza del equipo de fracturación; sin  importar quién lo construyó, o, si es viejo o nuevo, incluyendo bombas de los diez fabricantes más importantes. Lime Instruments también puede satisfacer la demanda de los clientes rápidamente, lo que ayudó a la compañía a ganar participación de mercado muy rápido. Si bien la demanda de potencia hidráulica en América del Norte creció rápidamente, la cantidad de sistemas de potencia controlada de Lime Instruments creció cuatro veces más. Esto se tradujo en una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) de la cuota del mercado de 265 por ciento para Lime Instruments en el transcurso de tres años.

Los clientes que utilizan el sistema de control de alta confiabilidad han experimentado una tase de fracaso de menos de 1 por ciento con el  controlador en más de 1.000 sistemas instalados en ambientes extremadamente difíciles durante los últimos cinco años. Uno de los clientes de Lime Instruments, C & J Energy Services, Inc., determinó que con su viejo sistema que utiliza tarjetas propietarias, experimentó una tasa de fracaso del 18 por ciento anual. Esto era muy costoso debido a que la empresa tuvo que mantener capacidad excedente para reparar los sistemas que fallaban. Con el nuevo sistema modular de Lime, la tasa de fallas de los componentes en el sistema se redujo a menos de 2 por ciento, lo que resulta en una mejora del 900 por ciento en la calidad para C & J Energy Services, Inc.

La gerencia de Lime Instruments reconoció la necesidad de ampliar su habilidad de entregar rápidamente sistemas de control personalizados para satisfacer la demanda en aumento de los clientes sin escalar sus costos de ingeniería en la misma proporción. Con las herramientas adecuadas, el equipo de ingeniería de Lime fue capaz de ser extremadamente ágil para cumplir con la creciente demanda de los clientes con menos recursos, mientras se mantenía la calidad. Durante un período de tres años, que dio lugar a una tasa de crecimiento anual compuesto de ingresos del 112 por ciento, el costo de mano de obra de ingeniería tuvo una CAGR de alrededor del 15 por ciento. Utilizando el enfoque graphical system design de NI, Lime creó una ventaja competitiva sostenible al ser más productivo y ofrecer un sistema de control más flexible y de mayor calidad que los competidores no pueden igualar.

Futuro

En el futuro, Lime se centrará en la diversificación de su negocio en mercados ajenos a petróleo y gas, incluyendo smart grid y la energía renovable, aprovechando su inversión en la plataforma NI. La arquitectura genérica de software desarrollada y la productividad de ingeniería que se logró utilizando la plataforma de graphical system design es algo que el equipo de Lime Instruments tiene previsto utilizar en nuevos mercados geográficos como Europa y Asia.

¨NI LabVIEW y la Plataforma CompactRIO nos permitieron usar un desarrollador para programar los dispositivos en tiempo real y FPGA, así como la interfaz de usuario. Si hubiéramos utilizado programación en C o basada en texto, se hubieran requerido tres o cuatro ingenieros para el mismo trabajo.¨- Cory Glass, Vice Presidente de Operaciones, Lime Instruments

Información del Autor:

Robert Stewart, CEO
Lime Instruments, LLC