JOURNAL BOLIVIANO DE CIENCIAS – Vol. 20 – Número 55
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Citar como: Luque Veliz, D.
Software para la determinación
de propiedades pVT aplicados
al sector upstream – midstream.
Revista Journal Boliviano De
Ciencias, 20(55). 46-68 https://
doi.org/10.52428/20758944.
v20i55.960
Revisado: 25/03/2024
Aceptado: 20/05/2024
Publicado: 30/06/2024
Declaración: Derechos de
autor 2024 Luque Veliz,
D., Esta obra está bajo una
licencia internacional Creative
Commons Atribución 4.0.
Los autores/as declaran no tener
ningún conicto de intereses
en la publicación de este
documento.
Dennis Luque Veliz
Universidad Privada del Valle
Resumen
En la industria del petróleo y el gas natural, la determinación exacta de las
diferentes propiedades pVT de un uido proveniente de un pozo petrolero o
gasífero; son de vital importancia para la toma de decisiones técnicas y económicas
dentro del sector de los hidrocarburos. Por esta razón, el presente proyecto tiene
como objetivo desarrollar un prototipo de software que permita determinar las
propiedades físicas de mezclas de hidrocarburos de manera eciente. Y además
que contribuya a ser parte de la solución de uno de los problemas inevitables que
se da en el ámbito laboral y académico de la carrera de Ingeniería de Petróleo y
Gas Natural, que es la disponibilidad de reportes pVT al momento de caracterizar
un uido hidrocarburifero. Dada la naturaleza cuantitativa del proyecto, se optó
por una investigación a través del método cientíco deductivo - descriptivo,
en el que se describen las correlaciones pVT comúnmente utilizadas por los
ingenieros petroleros en los sectores de upstream - midstream y se adaptó la
metodología propuesta por el matemático Póyla para el desarrollo del software.
El resultado del proyecto fue un prototipo de software “independiente” bajo el
seudónimo de PROPIEDADES pVT (Versión 1.1), diseñado y codicado en
App Designer bajo el lenguaje de programación de MATLAB®. Este prototipo
integra más de 36 modelos matemáticos que simplican la resolución de cálculos
numéricos e iterativos presentes en las correlaciones pVT de diferentes uidos
aplicados al sector upstream - midstream, como: gas natural; petróleo (saturado
y bajo - saturado) y agua (saturada y bajo saturada).
Palabras clave: Propiedades pVT. Correlaciones pVT. Software aplicativo al
sector upstream - midstream. Ingeniería de Petróleo y Gas Natural. Programación
en Matlab.
Abstract
In the oil and natural gas industry, the exact determination of the dierent pVT
properties of a uid from an oil or gas well; They are of vital important for making
technical and economic decisions within the hydrocarbon sector. For this reason,
the objective of this project is to develop a software prototype that allows the
physical properties of hydrocarbon mixtures to be determined eciently. And
also contribute to being part of the solution to one of the inevitable problems that
occurs in the work and academic eld of Petroleum and Natural Gas Engineering
Proyecto de ingeniería aplicada
Software para la determinación de propiedades pVT
aplicado al sector Upstream – Midstream
Software for determining pVT properties applied to the Upstream – Midstream area
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career, which is the availability of pVT reports when characterizing a hydrocarbon
uid. Given the quantitative nature of the project, the investigation was chosen
through the deductive - descriptive scientic method, in which the pVT correlations
commonly used by petroleum engineers in the upstream - midstream sectors are
described and the methodology proposed by the Póyla mathematician for software
development. The result of the project was an “independent” software prototype
under the pseudonym PROPERTIES pVT (Version 1.1), designed and coded in App
Designer under the MATLAB® programming language. This prototype integrates
more than 36 mathematical models that simplify the resolution of numerical and
iterative calculations present in the pVT correlations of dierent uids applied
to the upstream - midstream sector, such as: natural gas; oil (saturated and low -
saturated) and water (saturated and low saturated).
Keywords: pVT Properties. pVT correlations. Application software for the upstream
- midstream area. Petroleum and Natural Gas Engineering. Programming in Matlab.
1. Introducción
El estudio de las propiedades físicas de mezclas de hidrocarburos según Brill y
Arirachakaran datan desde mediados del siglo XIX, pero ha sido a partir de la
década de 1975 (comienzos del Periodo del Despertar), cuando se ha comenzado a
incorporar herramientas computacionales con el propósito de predecir las distintas
propiedades pVT y características inherentes al ujo simultaneo de gas y líquido
presentes comúnmente en los sectores de upstream1, midstream2 y downstream3
(Garaicochea et al., 1991; Guzmán, 2009; Valle et al., 2017).
Actualmente, dentro de la industria del petróleo y el gas natural se comercializan
una amplia variedad de software los cuales integran diferentes modelos matemáticos
que varían en complejidad, rango de aplicación, exactitud y origen (por ejemplo,
Keymodel, WellFloTM, Pipesim Flow, PipephaseTM, PipeFlow®, Petrel, entre otros).
La predicción y el modelamiento que realizan estos programas informáticos, están
adecuados a fenómenos presentes en el país de origen del software. Además de estar
licenciados bajo el seudónimo de “privados” estos están programados en idiomas
extranjeros como inglés, árabe, chino y otros (Bratland, 2013). En cuanto a las
publicaciones hechas en las últimas décadas, acerca de la inclusión de software
comerciales orientados a la determinación de propiedades pVT se muestran a
continuación: Gonzales (2005); Iza (2017); Yagual (2019); y Arteaga et al., (2020).
La importancia de la determinación de las propiedades pVT en las operaciones
modernas de la industria de los hidrocarburos forma la base de muchos cálculos del
área de la Ingeniería de Yacimientos, Producción y Transporte de Hidrocarburos. El
conocimiento de estas propiedades es de vital importancia para la toma de decisiones
técnicas y económicas; dado que la determinación incorrecta de dichas propiedades
pVT podrían conducir a errores signicativos en el costo de producción, evaluación
de reservas de hidrocarburos, diseño de instalaciones y equipos, diseño de sistemas
1. Sector de la industria petrolera destinada a la exploración, descubrimiento y producción de Hidrocarburos.
2. Sector de la industria petrolera destinada al transporte y almacenamiento de hidrocarburos.
3. Sector de la industria petrolera destinada a la distribución de los derivados del petróleo
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de producción y transporte, determinación de la cantidad y calidad de uidos a
producirse, y otros que podrían sobrestimar o subestimar el potencial del pozo
petrolero (Ahmed et al., 2018; Baker et al., 2003; Iza, 2017). Estas propiedades
pueden medirse experimentalmente en un laboratorio pVT o pueden estimarse
mediante correlaciones empíricas; el método más preciso para determinar el
comportamiento de estos uidos es a través de un análisis pVT (realizado dentro
de un laboratorio); sin embargo, la evaluación de pozos exploratorios y el diseño
avanzado de equipos a menudo requieren una estimación del comportamiento del
uido antes de obtener una muestra representativa del yacimiento; es entonces
cuando se recurre al uso de diferentes herramientas, como: tablas, grácos y
modelos matemáticos desarrollados bajo un enfoque empírico (Aguilar y Cevallos,
2014; Aramendiz y Velázquez, 2008; Khabullin et al., 2014; Yagual, 2019).
Estos modelos matemáticos, comúnmente llamados ”Correlaciones pVT” tienen
principios termodinámicos y de mecánica de uidos, pero principalmente están
guiados por métodos de observación experimental limitados en su estudio por
parámetros tales como: gravedad del petróleo y/o gas, condiciones de presión,
volumen y temperatura de ujo, relaciones gas – líquido, y otros parámetros. Para
lo cual la determinación de las propiedades pVT se complica a la existencia de
numerosas variables haciendo que los modelos de cálculos comúnmente utilizados
en la industria petrolera sean complejos, dado que por lo general estos integran
procesos numéricos e iterativos (Banzer, 1996; Petrosky y Farshad, 1993).
La presente investigación corresponde al área de la Ingeniería de Yacimientos,
Producción y Transporte de Hidrocarburos donde se expone el desarrollo un
prototipo de un software orientado a la determinación de propiedades pVT. El
desarrollo del software no solo permitirá al ingeniero petrolero simplicar la
resolución de cálculos numéricos e iterativos presentes en las correlaciones pVT,
sino que a través de su manejo este fortalecerá su productividad y conocimiento en
lo cual se traduce como ahorro y ganancia de dinero para las empresas petroleras.
Para este propósito la investigación fue desarrollada a través del método cientíco
deductivo – descriptivo, utilizando técnicas de recopilación de información
bibliográca de fuentes primarias.
2. Metodología
Con el propósito de estructurar de mejor manera la investigación, se ha
adaptado la metodología para el desarrollo del prototipo de software a la propuesta
por el matemático George Pólya (1945). Esta metodología, también conocida como
el “Método de resolución de problemas”, proporciona estrategias y enfoques para
abordar y resolver problemas de manera efectiva y sistemática. Estos principios
también pueden aplicarse al desarrollo de un software, ver Figura 1.
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Figura 1. Metodología para el desarrollo del software
Fuente: Elaboración propia a partir del esquema propuesto por Poyla, G. (1940).
La Figura 1 presenta una adaptación básica de la metodología propuesta por el
matemático Pólya para la resolución de problemas matemáticos. En este esquema
se denen los siguientes aspectos: el propósito principal del software, la secuencia
de procesamiento de datos, los datos de entrada necesarios para abordar el
problema (especicaciones de entrada), la información que debe generarse como
resultado de la solución del problema (datos de salida), el diseño del entorno de
trabajo conforme a los objetivos principales del proyecto y el proceso de validación
del software; además de todas las funcionalidades adicionales que deben ser
incorporadas.
2.1. Acerca del Diseño y Programación del Software
El prototipo del software fue creado bajo la denominación de “PROPIEDADES
pVT”, a razón de que esta herramienta está orientada a la determinación de
propiedades físicas de mezclas de hidrocarburos. En cuanto a su programación,
fue codicado bajo el lenguaje de programación del sistema de Matlab® a través de
su aplicación App Designer, en el cual se diseñó las diferentes interfaces grácas4
y posteriormente se desarrolló la codicación de los algoritmos matemáticos
seleccionados (ver Tabla 1). La selección del sistema base de programación
(Matlab®), para el desarrollo del software en el presente proyecto, se eligió en
función del tipo de aplicación a desarrollar y la complejidad en la incorporación
de cálculos. Matlab® al momento de crear una aplicación permite compartir
programas como aplicaciones “independientes” empaquetándolas en los archivos
del instalador directamente desde la barra de herramientas de App Designer, o bien
creando una aplicación web o de escritorio independiente a través de la función
de Matlab Compiler™ (MathWorks, 2022). Esta función ha permitido desarrollar
dentro de este estudio un software que no tendrá como requisito tener instalado el
4 La Interfaz Gráca de Usuario o GUI es denida como una interfaz que se puede utilizar para
controlar PC, tabletas y otros dispositivos. Las GUI utilizan elementos grácos como iconos, menús e
imágenes para facilitar su manejo.
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sistema de base de programación para su ejecución, ni tener conexión a internet,
sino que a través de un archivo compartido se podrá hacer uso del software desde
cualquier ventana de escritorio.
Según MathWorks® (2022), las principales características del sistema de Matlab®,
son:
Lenguaje de programación de alto nivel para cálculos cientícos y de
ingeniería.
Entorno de escritorio optimizado para la exploración iterativa y solución
de problemas.
Visualización de grácas en 2D y 3D; y herramientas para crear diagramas
personalizados.
Aplicaciones para ajustar curvas, clasicar datos, analizar señales, ajustar
sistemas de control y muchas otras tareas.
Herramientas para crear aplicaciones con interfaces de usuario
personalizadas.
Interfaces para C/C++, Java, .NET, Python, SQL, Hadoop y Microsoft
Excel.
Opciones de implementación libres de derechos para compartir programas
de aplicación computacional o móvil programados en el lenguaje de Matlab®
con los usuarios nales.
Figura 2. Estructura jerárquica del software PROPIEDADES pVT (Versión 1.1)
Nota: La Figura 2, expone mediante un esquema la estructura jerárquica de los
apartados principales y secundarios que integra el software. De esta gura se
aprecia que el software “PROPIEDADES pVT” (Versión 1.1) presenta cinco
secciones (menú principal, ayuda al usuario, propiedades del gas natural, petróleo
y agua), cuatro sub – secciones (propiedades del petróleo y agua saturada y bajo
saturado, respectivamente) y 25 funciones de cálculo (remítase a la Tabla 1 para
más información acerca de las funciones de cálculo seleccionados e incorporados
en el software).
Fuente: Elaboración propia, 2022.
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2.2. Selección de las Correlaciones pVT
Es evidente que para calcular las propiedades pVT de los uidos hidrocarburíferos
se requiere la selección de modelos matemáticos que permitan determinar valores
muy aproximados a los datos medidos en las pruebas de laboratorio pVT. Para la
selección de estos modelos matemáticos, se llevó a cabo una exhaustiva revisión
documental de las correlaciones pVT frecuentemente utilizadas por los ingenieros
petroleros en el sector de upstream – midstream, donde para su selección y posterior
incorporación (programación) se aplicaron los siguientes criterios:
• Procedimiento de cálculo
• Rango de aplicación.
• Sustento bibliográco
• Complejidad en la programación
La Tabla 1 presenta una descripción general de las correlaciones pVT
correspondientes a las propiedades físicas del gas natural, petróleo y agua, las
cuales que fueron seleccionadas en base a los criterios mencionados previamente
para su inclusión en el software.
Tabla 1. Propiedades físicas de mezclas de hidrocarburos aplicado al sector
upstream - midstream
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Fuente: Elaborado a partir de la siguiente bibliografía Bánzer, 1996; Garaicochea
et al., 1991; Llumiquinga y Proaño, 2016; Menjura et al., 2014; Trauwvitz y Torres,
2008.
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3. Resultados
3.1. Desarrollo del Software
La Figura 3, muestra la Interfaz Gráca de Usuario (GUI) de la sección Menú
Principal del software (desarrollado). De esta gura es posible distinguir cuatro
botones principales:
1. El botón Acerca del Software, sirve como acceso a la GUI donde
se presenta toda la información complementaria del software; en este
apartado el usuario podrá acceder a la información acerca del autor y el
proyecto donde se desarrolló el sustento cientíco.
2. El botón Nuevo Cálculo, permite acceder a la GUI de las secciones,
sub – secciones y funciones de cálculos que integra el software. Dentro
de este apartado, los usuarios pueden seleccionar la propiedad especíca
que desean calcular utilizando casillas de vericación de selección única.
3. El botón Ayuda, ofrece acceso a la GUI de asistencia para el
usuario, donde los usuarios pueden consultar el manual técnico del
software y obtener ayuda adicional.
4. El Botón Cerrar, permite salir de la interfaz del menú principal
del software.
Figura 3. Menú principal del software PROPIEDADES pVT (Versión 1.1)
Fuente: Elaboración propia a partir de la programación del software en
MATLAB®.
A continuación, se describe uno de los entornos de trabajo del software
(desarrollado), ya que todas las interfaces grácas de usuario (GUI) diseñadas
para el prototipo siguen un mismo patrón de ejecución.
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Figura 4. Interfaz gráca del entorno de trabajo del software PROPIEDADES
pVT (Versión 1.1)
Fuente: Elaboración propia a partir de la programación del software en
MATLAB®.
La Figura 4 muestra la interfaz gráca de usuario del entorno de trabajo de la
función “Densidad del gas natural”. Este entorno de trabajo, al igual que los 25
restantes (Tabla 1), se distingue por tener cuatro principales apartados:
1. Conguración general del cálculo, este primer apartado permite
al usuario, mediante una pestaña de selección única, seleccionar el tipo de
correlación pVT que más se ajuste y/o adapte a su caso de estudio.
2. Información del modelo matemático, dentro de este segundo
apartado, el usuario puede acceder a la descripción general de los modelos
matemáticos que fueron codicados. Este apartado también incluye la
siguiente información:
Rango de aplicación de los modelos matemáticos
codicados.
Nomenclatura de la simbología utilizada en la
descripción del modelo matemático.
Referencias bibliográcas de las correlaciones pVT
obtenidas.
3. Ingreso de datos, dentro de este tercer apartado, el usuario debe
completar el formulario de ingreso de datos habilitados en el entorno de
trabajo del software. Datos a tomar en cuenta:
Los datos de entrada y salida deben ser ingresadas en
unidades del campo petrolero.
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La habilitación de su visualización de estos datos de
entrada está en función al tipo de correlación pVT seleccionado
por el usuario.
Es importante que se ingresen la totalidad de datos de
entrada numérica habilitados de lo contrario el software asumirá
como cero (0).
4. Presentación de resultados, nalmente en este último apartado,
el usuario podrá acceder a los resultados obtenidos para su caso de estudio.
Para la impresión de este, se debe hacer clic en el botón “Calcular”.
3.2. Descripción del uso del Software
a) Interfaz gráca del entorno de trabajo principal
b) Interfaz gráca del entorno de trabajo secundario
Figura 5. Entorno de trabajo principal y secundario de la función “Densidad del
gas natural”
Fuente: Elaboración propia a partir de la programación del software en MATLAB®.
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La Figura 5(a), describe los pasos que deben ser completados por el usuario en el
entorno de trabajo principal al momento de determinar una propiedad en especica
(para este caso, la propiedad (Densidad del gas natural). Mientras la Figura 5(b),
muestra el entorno de trabajo secundario de la misma propiedad, donde el usuario
puede observar las grácas del comportamiento de la propiedad (en especíca)
frente a otras variables. La presentación de estas gracas fueron codicadas en dos
dimensiones (ejes X y Y); y los rangos que asuman estas coordenadas dependerán
de los valores de cada variable y/o valores que se ingresen como dato.
Tabla 2. Requisitos del sistema para la instalación del software PROPIEDADES
pVT (Versión 1.1)
Requisitos del Sistema
Requerimientos del
hardware
Equipo, teclado, mouse, monitor.
Memoria RAM (recomendada): 1 GB.
Requerimientos del
software
Sistema operativo (Windows 7 en
adelante).
Sin conexión a internet.
No tener instalado Matlab®.
Nota: La Tabla 2 detalla los requerimientos en cuando a hardware y software
necesarios para la instalación del software PROPIEDADES pVT (Versión 1.1).
Fuente: Elaboración propia a partir de la programación del software en MATLAB®.
3.3. Metodología aplicada para la vericación y validación del Software
Con el n de tener una forma de vericar el correcto funcionamiento de los
algoritmos de cálculo programados (correlaciones pVT) e identicar los posibles
errores durante la codicación de los modelos matemáticos se desarrolló una
metodología para la vericación y validación de los resultados obtenidos a través
del software frente a resultados recopilados de fuentes bibliográcas o en su caso
resueltos de manera manual, ver Figura 6.
Esta metodología, representada a través de un diagrama de ujo (DFD), detalla
la secuencia de pasos a seguir durante el proceso de comparación directa de
resultados. Inicialmente, se recopilaron datos de campo y/o laboratorio de diferentes
fuentes bibliográcas, como: Ahmed (2007); Garaicochea y colaboradores (1991);
Llumiquinga y Proaño (2016); Menjura y colaboradores (2014); Trauwvitz y Torres
(2008). Estos datos recopilados se utilizaron como especicaciones de entrada y
salida para vericar y validar los resultados generados por el prototipo de software.
Además, en caso de que se detecten discrepancias en la comparación de resulta
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Figura 6. Metodología aplicada en la validación del software
Fuente: Elaboración Propia, 2022.
4. Conclusiones
Una vez concluido el proyecto de investigación de ingeniería aplicada se concluye
que:
1. Se cumplió con éxito el objetivo principal de la investigación,
pues se desarrolló un prototipo de software bajo la denominación
de “PROPIEDADES pVT” (Versión 1.1) para la determinación de
propiedades pVT aplicado al sector upstream – midstream; como parte
de la solución a uno de los problemas inevitables que se da en el ámbito
laboral y académico de la carrera de Ingeniería de Petróleo y Gas Natural,
que es la disponibilidad de reportes pVT al momento de caracterizar un
uido hidrocarburifero. Se vericó que el software resuelve de manera
eciente las correlaciones pVT, lo cual resulta fundamental para la toma
de decisiones técnicas y económicas, así como para llevar a cabo una
variedad de cálculos en áreas como la Ingeniería de Yacimientos, Ingeniería
de Reservorios, Ingeniería de Producción e Ingeniería de Transporte y
Almacenaje de hidrocarburos. Esto convierte a este prototipo en una
herramienta de soporte indispensable para el análisis y la resolución de
problemas inherentes al cálculo de propiedades pVT.
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2. En función de la búsqueda de información documental
relacionada a la determinación de las propiedades físicas de mezclas de
hidrocarburos y en base a criterios de selección se denieron más de 36
modelos matemáticos (correlaciones pVT) relacionados al cálculo de
las propiedades físicas del gas natural, propiedades físicas del petróleo
(saturado y bajo – saturado), y propiedades físicas del agua (saturada y
bajo – saturada). Adicionalmente se desarrolló un manual técnico del
software con el n de explicar y dar a conocer a los usuarios nales las
características, limitaciones y formas de funcionamiento del software.
3. En cuanto al prototipo del software, este fue desarrollado bajo el
lenguaje de programación del sistema de Matlab® (Versión 9.4) a través
de “App Designer” el cual permitió crear una aplicación informática
“independiente” que no tendrá como requisito tener instalado el sistema
de base de programación, ni conexión a internet para su ejecución; esto
benecia al sector petrolero, ya que comúnmente las infraestructuras
petroleras (on shore - o shore) están ubicados en lugares muy alejados
de la urbanización, donde no cuentan con infraestructuras típicas de
conectividad a internet. Por lo tanto, se enfocó en desarrollar un software
amigable y de fácil uso que mejore la experiencia en el manejo de
programas informáticos en la Industria del Petróleo y el Gas Natural. De
esta manera, se asegura que los usuarios nales puedan aprovechar al
máximo las funcionalidades del software PROPIEDADES pVT (Versión
1.1), sin la necesidad de contar con conocimientos especializados en
programación o en el manejo especíco del sistema de Matlab®.
5. Recomendaciones
En esta sección también se incluyen recomendaciones para futuros
trabajos que se puedan realizar como continuación de este estudio, de modo que se
amplíe el alcance y la aplicación del prototipo del software PROPIEDADES pVT
(Versión 1.1) desarrollado en el presente trabajo.
1. Para futuras investigaciones, modicaciones y/o actualizaciones
de la presente versión del software, se recomienda considerar la
incorporación de otras propiedades pVT y extender el número de
correlaciones pVT aplicados al sector upstream – midstream; para que
este prototipo llegue a convertirse en una herramienta indispensable en
el estudio y la determinación de las propiedades físicas de mezclas de
hidrocarburos.
2. También se recomienda ampliar la aplicación del software de
forma que se pueda implementar la función “Sistema de prueba”, esta
función permitirá al usuario realizar comparaciones estadísticas de los
resultados reportados por las pruebas de laboratorio pVT versus los
generados por el software; la función “Adaptabilidad”, esta función
permitirá al usuario corregir los resultados de una determinada propiedad
en el software en función del error porcentual determinado con la función
“Sistema de prueba” y la función “Reporte”, el cual permitirá al usuario
imprimir de manera física los casos de estudio.
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Agradecimientos
El autor desea expresar sus agradecimientos a la Universidad Privada del Valle.
Dirección de Investigación (Sede Académica La Paz - Bolivia) por brindar la opor-
tunidad de publicar el presente proyecto de ingeniería aplicada. Da las gracias
también a los revisores del presente documento por sus correcciones y sugerencias.
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