S'ha demostrat que els components de protecció de bombes protegeixen les bombes de la sorra i allarguen la vida útil dels ESP en pous no convencionals. Aquesta solució controla el reflux de sorra de fracturació i altres sòlids que poden causar sobrecàrregues i temps d'inactivitat. La tecnologia habilitadora elimina els problemes associats amb la incertesa de la distribució de la mida de les partícules.
A mesura que cada cop més pous de petroli depenen dels ESP, allargar la vida útil dels sistemes de bombament submergible elèctric (ESP) esdevé cada cop més important. La vida útil i el rendiment de les bombes d'elevació artificial són sensibles als sòlids en els fluids produïts. La vida útil i el rendiment de l'ESP disminueixen significativament amb l'augment de partícules sòlides. A més, els sòlids augmenten el temps d'inactivitat del pou i la freqüència de treball necessàries per substituir l'ESP.
Les partícules sòlides que sovint flueixen a través de bombes d'elevació artificial inclouen sorra de formació, apuntalants de fracturació hidràulica, ciment i partícules metàl·liques erosionades o corroïdes. Les tecnologies de fons de pou dissenyades per separar sòlids van des de ciclons de baixa eficiència fins a malla de filferro d'acer inoxidable 3D d'alta eficiència. Els desarenadors de vòrtex de fons de pou s'han utilitzat en pous convencionals durant dècades i s'utilitzen principalment per protegir les bombes de partícules grans durant la producció. Tanmateix, els pous no convencionals estan subjectes a un flux intermitent de llimes, cosa que fa que la tecnologia existent de separació de vòrtex de fons de pou només funcioni de manera intermitent.
S'han proposat diverses variants de pantalles combinades de control de sorra i desarenadors de vòrtex de fons de pou per protegir els ESP. Tanmateix, hi ha buits en la protecció i el rendiment de producció de totes les bombes a causa de la incertesa en la distribució de mida i el volum de sòlids produïts per cada pou. La incertesa augmenta la longitud dels components de control de sorra, reduint així la profunditat a la qual es pot col·locar l'ESP, limitant el potencial de disminució del reservori de l'ESP i impactant negativament en l'economia del pou. Es prefereixen profunditats de col·locació més profundes en pous no convencionals. Tanmateix, l'ús de desarenadors i àncores de fang de tap mascle per suspendre conjunts de control de sorra llargs i rígids en seccions de revestiment amb una alta severitat de dogleg va limitar les millores del MTBF de l'ESP. La corrosió del tub interior és un altre aspecte d'aquest disseny que no s'ha avaluat adequadament.
Els autors d'un article del 2005 van presentar resultats experimentals d'un separador de sorra de fons de pou basat en un tub cicló (Figura 1), que depenia de l'acció del cicló i la gravetat, per demostrar que l'eficiència de separació depèn de la viscositat de l'oli, el cabal i la mida de les partícules. Demostren que l'eficiència del separador depèn en gran mesura de la velocitat terminal de les partícules. L'eficiència de separació disminueix amb la disminució del cabal, la disminució de la mida de les partícules sòlides i l'augment de la viscositat de l'oli, Figura 2. Per a un separador de fons de pou de tub cicló típic, l'eficiència de separació baixa fins a ~10% a mesura que la mida de les partícules baixa fins a ~100 µm. A més, a mesura que augmenta el cabal, el separador de vòrtex està subjecte a desgast per erosió, que afecta la vida útil dels components estructurals.
La següent alternativa lògica és utilitzar una malla de control de sorra 2D amb una amplada de ranura definida. La mida i la distribució de les partícules són consideracions importants a l'hora de seleccionar malles per filtrar sòlids en la producció de pous convencionals o no convencionals, però poden ser desconegudes. Els sòlids poden provenir del jaciment, però poden variar d'un taló a un altre; alternativament, la malla pot haver de filtrar sorra de la fracturació hidràulica. En qualsevol cas, el cost de la recollida, l'anàlisi i les proves de sòlids pot ser prohibitiu.
Si la malla de tubs 2D no està configurada correctament, els resultats poden comprometre l'economia del pou. Les obertures de la malla de sorra que són massa petites poden provocar obstruccions prematures, aturades i la necessitat de reparacions. Si són massa grans, permeten que els sòlids entrin lliurement al procés de producció, cosa que pot corroir les canonades de petroli, danyar les bombes d'elevació artificial, buidar els obturadors superficials i omplir els separadors superficials, cosa que requereix sorrejat i eliminació. Aquesta situació requereix una solució senzilla i rendible que pugui allargar la vida útil de la bomba i cobrir una àmplia distribució de mides de sorra.
Per satisfer aquesta necessitat, es va dur a terme un estudi sobre l'ús de conjunts de vàlvules en combinació amb malla de filferro d'acer inoxidable, que és insensible a la distribució de sòlids resultant. Els estudis han demostrat que la malla de filferro d'acer inoxidable amb mida de porus variable i estructura 3D pot controlar eficaçment sòlids de diverses mides sense conèixer la distribució de la mida de partícula dels sòlids resultants. La malla de filferro d'acer inoxidable 3D pot controlar eficaçment els grans de sorra de totes les mides, sense necessitat de filtració secundària addicional.
Un conjunt de vàlvules muntat a la part inferior de la malla permet que la producció continuï fins que s'extregui l'ESP. Evita que l'ESP es recuperi immediatament després que es col·loqui la malla. El conjunt de vàlvules i malla de control de sorra d'entrada resultant protegeix els ESP, les bombes d'elevació de vareta i les terminacions d'elevació de gas dels sòlids durant la producció netejant el flux de fluid i proporciona una solució rendible per allargar la vida útil de la bomba sense haver d'adaptar les característiques del dipòsit a diferents situacions.
Disseny de protecció de bombes de primera generació. Es va desplegar un conjunt de protecció de bombes amb malles de llana d'acer inoxidable en un pou de drenatge per gravetat assistit per vapor a l'oest del Canadà per protegir l'ESP dels sòlids durant la producció. Les malles filtren els sòlids nocius del fluid de producció a mesura que entra a la cadena de producció. Dins de la cadena de producció, els fluids flueixen cap a l'entrada de l'ESP, on es bombegen a la superfície. Es poden instal·lar obturadors entre la malla i l'ESP per proporcionar un aïllament zonal entre la zona de producció i el pou superior.
Amb el temps de producció, l'espai anular entre la criba i la carcassa tendeix a formar un pont amb sorra, cosa que augmenta la resistència al flux. Finalment, l'anell forma un pont completament, atura el flux i crea un diferencial de pressió entre el pou i la sarta de producció, tal com es mostra a la Figura 3. En aquest punt, el fluid ja no pot fluir cap a l'ESP i s'ha de treure la sarta de finalització. Depenent d'una sèrie de variables relacionades amb la producció de sòlids, la durada necessària per aturar el flux a través del pont de sòlids a la criba pot ser inferior a la durada que permetria a l'ESP bombar el fluid carregat de sòlids durant el temps mitjà entre fallades a terra, per la qual cosa es va desenvolupar la segona generació de components.
El conjunt de protecció de la bomba de segona generació. El sistema de muntatge de vàlvules i pantalla de control de sorra d'entrada PumpGuard* està suspès sota la bomba REDA* a la Figura 4, un exemple d'una terminació ESP no convencional. Un cop el pou està produint, la pantalla filtra els sòlids en producció, però començarà a formar un pont lentament amb la sorra i crearà un diferencial de pressió. Quan aquesta pressió diferencial arriba a la pressió d'esquerdament establerta per la vàlvula, la vàlvula s'obre, permetent que el fluid flueixi directament a la cadena de tubs fins a l'ESP. Aquest flux iguala el diferencial de pressió a través de la pantalla, afluixant l'adherència dels sacs de sorra a l'exterior de la pantalla. La sorra és lliure de sortir de l'anell, cosa que redueix la resistència al flux a través de la pantalla i permet que el flux es reprengui. A mesura que la pressió diferencial baixa, la vàlvula torna a la seva posició tancada i es reprenen les condicions de flux normals. Repetiu aquest cicle fins que calgui treure l'ESP del forat per al manteniment. Els estudis de casos destacats en aquest article demostren que el sistema és capaç d'allargar significativament la vida útil de la bomba en comparació amb la terminació de cribratge només.
Per a la instal·lació recent, es va introduir una solució basada en costos per a l'aïllament de la zona entre la malla de filferro d'acer inoxidable i l'ESP. Un obturador de copa orientat cap avall està muntat sobre la secció de la criba. Per sobre de l'obturador de copa, perforacions addicionals del tub central proporcionen una via de flux perquè el fluid produït migri des de l'interior de la criba fins a l'espai anular per sobre de l'obturador, on el fluid pot entrar a l'entrada de l'ESP.
El filtre de malla de filferro d'acer inoxidable escollit per a aquesta solució ofereix diversos avantatges respecte als tipus de malla 2D basats en buits. Els filtres 2D es basen principalment en partícules que abasten els buits o ranures del filtre per construir bosses de sorra i proporcionar control de la sorra. Tanmateix, com que només es pot seleccionar un únic valor de buit per a la pantalla, la pantalla esdevé molt sensible a la distribució de la mida de les partícules del fluid produït.
En contrast, el llit de malla gruixuda dels filtres de malla de filferro d'acer inoxidable proporciona una alta porositat (92%) i una gran àrea de flux obert (40%) per al fluid del pou produït. El filtre es construeix comprimint una malla de velló d'acer inoxidable i embolicant-la directament al voltant d'un tub central perforat, i després l'encapsula dins d'una coberta protectora perforada que està soldada al tub central a cada extrem. La distribució dels porus al llit de malla, l'orientació angular no uniforme (que oscil·la entre 15 µm i 600 µm) permet que les fines inofensives flueixin al llarg d'una trajectòria de flux 3D cap al tub central després que les partícules més grans i nocives quedin atrapades dins de la malla. Les proves de retenció de sorra en mostres d'aquest sedàs van demostrar que el filtre manté una alta permeabilitat perquè el fluid es genera a través del sedàs. Efectivament, aquest filtre de "mida" única pot gestionar totes les distribucions de mida de partícula dels fluids produïts que es troben. Aquesta malla de llana d'acer inoxidable va ser desenvolupada per un operador important a la dècada de 1980 específicament per a completacions de malles autònomes en reservoris estimulats per vapor i té un ampli historial d'instal·lacions reeixides.
El conjunt de vàlvules consisteix en una vàlvula accionada per molla que permet el flux unidireccional a la cadena de tubs des de la zona de producció. Ajustant la precàrrega de la molla helicoïdal abans de la instal·lació, la vàlvula es pot personalitzar per aconseguir la pressió d'obertura desitjada per a l'aplicació. Normalment, es col·loca una vàlvula sota la malla de filferro d'acer inoxidable per proporcionar una via de flux secundària entre el dipòsit i l'ESP. En alguns casos, diverses vàlvules i malles d'acer inoxidable funcionen en sèrie, i la vàlvula del mig té una pressió d'obertura més baixa que la vàlvula més baixa.
Amb el temps, les partícules de formació omplen la zona anular entre la superfície exterior de la malla del conjunt protector de la bomba i la paret de la carcassa de producció. A mesura que la cavitat s'omple de sorra i les partícules es consoliden, la caiguda de pressió a través del sac de sorra augmenta. Quan aquesta caiguda de pressió arriba a un valor preestablert, la vàlvula cònica s'obre i permet el flux directament a través de l'entrada de la bomba. En aquesta etapa, el flux a través de la canonada és capaç de trencar la sorra prèviament consolidada al llarg de l'exterior del filtre de malla. A causa del diferencial de pressió reduït, el flux es reprendrà a través de la malla i la vàlvula d'entrada es tancarà. Per tant, la bomba només pot veure el flux directament de la vàlvula durant un curt període de temps. Això allarga la vida útil de la bomba, ja que la major part del flux és el fluid filtrat a través de la malla de sorra.
El sistema de protecció de la bomba es va operar amb obturadors en tres pous diferents a la conca de Delaware, als Estats Units. L'objectiu principal és reduir el nombre d'arrencades i aturades de l'ESP a causa de sobrecàrregues relacionades amb la sorra i augmentar la disponibilitat de l'ESP per millorar la producció. El sistema de protecció de la bomba està suspès de l'extrem inferior de la cadena ESP. Els resultats del pou de petroli mostren un rendiment estable de la bomba, una reducció de les vibracions i la intensitat del corrent, i tecnologia de protecció de la bomba. Després d'instal·lar el nou sistema, el temps d'inactivitat relacionat amb la sorra i els sòlids es va reduir en un 75% i la vida útil de la bomba va augmentar en més d'un 22%.
Un pou. Es va instal·lar un sistema ESP en un nou pou de perforació i fracturació al comtat de Martin, Texas. La part vertical del pou és d'aproximadament 9.000 peus i la part horitzontal s'estén fins a 12.000 peus de profunditat mesurada (MD). Per a les dues primeres completacions, es va instal·lar un sistema separador de sorra de vòrtex de fons de pou amb sis connexions de revestiment com a part integral de la completació de l'ESP. Per a dues instal·lacions consecutives utilitzant el mateix tipus de separador de sorra, es va observar un comportament inestable dels paràmetres de funcionament de l'ESP (intensitat de corrent i vibració). L'anàlisi de desmuntatge de la unitat ESP extreta va revelar que el conjunt separador de gasos de vòrtex estava obstruït amb matèria estranya, que es va determinar que era sorra perquè no és magnètica i no reacciona químicament amb l'àcid.
En la tercera instal·lació de l'ESP, la malla de filferro d'acer inoxidable va substituir el separador de sorra com a mitjà de control de sorra de l'ESP. Després d'instal·lar el nou sistema de protecció de la bomba, l'ESP va mostrar un comportament més estable, reduint el rang de fluctuacions del corrent del motor de ~19 A per a la instal·lació núm. 2 a ~6,3 A per a la instal·lació núm. 3. La vibració és més estable i la tendència es redueix en un 75%. La caiguda de pressió també va ser estable, fluctuant molt poc en comparació amb la instal·lació anterior i va obtenir una caiguda de pressió addicional de 100 psi. Les aturades per sobrecàrrega de l'ESP es redueixen en un 100% i l'ESP funciona amb baixa vibració.
Pou B. En un pou prop d'Eunice, Nou Mèxic, un altre pou no convencional tenia instal·lat un ESP però sense protecció de bomba. Després de la caiguda inicial, l'ESP va començar a mostrar un comportament erràtic. Les fluctuacions de corrent i pressió s'associen amb pics de vibració. Després de mantenir aquestes condicions durant 137 dies, l'ESP va fallar i se'n va instal·lar un de recanvi. La segona instal·lació inclou un nou sistema de protecció de bomba amb la mateixa configuració d'ESP. Després que el pou reprengués la producció, l'ESP funcionava normalment, amb un amperatge estable i menys vibracions. En el moment de la publicació, la segona execució d'ESP havia superat els 300 dies de funcionament, una millora significativa respecte a la instal·lació anterior.
Pou C. La tercera instal·lació in situ del sistema va ser a Mentone, Texas, per una empresa especialitzada en petroli i gas que va experimentar interrupcions i fallades de l'ESP a causa de la producció de sorra i volia millorar el temps de funcionament de la bomba. Els operadors solen utilitzar separadors de sorra de fons de pou amb revestiment a cada pou ESP. Tanmateix, un cop el revestiment s'omple de sorra, el separador permetrà que la sorra flueixi a través de la secció de la bomba, corroint l'etapa de la bomba, els coixinets i l'eix, cosa que provocarà una pèrdua d'elevació. Després de fer funcionar el nou sistema amb el protector de la bomba, l'ESP té una vida útil un 22% més llarga amb una caiguda de pressió més estable i un millor temps de funcionament relacionat amb l'ESP.
El nombre d'aturades relacionades amb sorra i sòlids durant el funcionament va disminuir un 75%, de 8 esdeveniments de sobrecàrrega a la primera instal·lació a dos a la segona instal·lació, i el nombre de reinicis reeixits després d'una aturada per sobrecàrrega va augmentar un 30%, de 8 a la primera instal·lació. Es van realitzar un total de 12 esdeveniments, per a un total de 8 esdeveniments, a la instal·lació secundària, reduint la tensió elèctrica a l'equip i augmentant la vida útil de l'ESP.
La figura 5 mostra l'augment sobtat de la signatura de pressió d'entrada (blau) quan la malla d'acer inoxidable es bloqueja i s'obre el conjunt de vàlvules. Aquesta signatura de pressió pot millorar encara més l'eficiència de la producció predient fallades ESP relacionades amb la sorra, de manera que es poden planificar operacions de substitució amb plataformes de reparació.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Anàlisi experimental del tub de remolí com a dispositiu desarenador de fons de pou”, SPE Paper 94673-MS, presentat a la Conferència d'Enginyeria Petrolífera de l'Amèrica Llatina i el Carib de la SPE, Rio de Janeiro, Brasil, del 20 de juny al 23 de febrer de 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Aquest article conté elements de l'article SPE 207926-MS, presentat a l'Exposició i Conferència Internacional del Petroli d'Abu Dhabi, a Abu Dhabi, Emirats Àrabs Units, del 15 al 18 de novembre de 2021.
Tots els materials estan subjectes a les lleis de drets d'autor estrictament aplicades. Si us plau, llegiu els nostres Termes i condicions, la Política de cookies i la Política de privadesa abans d'utilitzar aquest lloc.