Pumpebeskyttelseskomponenter har vist sig at beskytte pumper mod sand og forlænge levetiden for ESP'er i ukonventionelle brønde. Denne løsning styrer tilbagestrømningen af ​​frakeringssand og andre faste stoffer, der kan forårsage overbelastning og nedetid. Den muliggørende teknologi eliminerer problemerne forbundet med usikkerhed i partikelstørrelsesfordelingen.
Efterhånden som flere og flere oliebrønde er afhængige af ESP'er, bliver det stadig vigtigere at forlænge levetiden for elektriske dykpumpesystemer (ESP). Levetiden og ydeevnen af ​​kunstige løftepumper er følsom over for faste stoffer i producerede væsker. ESP'ens levetid og ydeevne faldt betydeligt med stigningen i faste partikler. Derudover øger faste stoffer den nedetid for brønde og hyppigheden af ​​eftersyn, der kræves for at udskifte ESP'en.
Faste partikler, der ofte strømmer gennem kunstige løftepumper, omfatter formationssand, hydrauliske fraktureringsproppanter, cement og eroderede eller korroderede metalpartikler. Nedboringsteknologier designet til at adskille faste stoffer spænder fra laveffektive cykloner til højeffektive 3D rustfrit ståltrådsnet. Nedboringsvortex-afsandere er blevet brugt i konventionelle brønde i årtier, og de bruges primært til at beskytte pumper mod store partikler under produktion. Ukonventionelle brønde er dog udsat for intermitterende slugflow, hvilket resulterer i, at eksisterende nedboringsvortex-separatorteknologi kun fungerer intermitterende.
Flere forskellige varianter af kombinerede sandkontrolskærme og vortex-afsandere i borehullet er blevet foreslået for at beskytte ESP'er. Der er dog huller i beskyttelsen og produktionsydelsen for alle pumper på grund af usikkerheden i størrelsesfordelingen og volumenet af faste stoffer produceret af hver brønd. Usikkerhed øger længden af ​​sandkontrolkomponenter, hvorved den dybde, hvor ESP'en kan indstilles, reduceres, hvilket begrænser ESP'ens potentiale for reservoirnedgang og påvirker brøndøkonomien negativt. Dybere indstillingsdybder foretrækkes i ukonventionelle brønde. Brugen af ​​afsandere og han-plug-mudankre til at ophænge lange, stive sandkontrolenheder i foringsrørssektioner med høj dogleg-sværhedsgrad begrænsede dog forbedringerne af ESP MTBF. Korrosion af det indre rør er et andet aspekt af dette design, der ikke er blevet tilstrækkeligt evalueret.
Forfatterne af en artikel fra 2005 præsenterede eksperimentelle resultater af en sandseparator i borehullet baseret på et cyklonrør (figur 1), som afhang af cyklonens handling og tyngdekraft, for at vise, at separationseffektiviteten afhænger af oliens viskositet, strømningshastighed og partikelstørrelse. De viser, at separatorens effektivitet i høj grad afhænger af partiklernes terminalhastighed. Separationseffektiviteten falder med faldende strømningshastighed, faldende faststofpartikelstørrelse og stigende olieviskositet, figur 2. For en typisk cyklonrørsseparator i borehullet falder separationseffektiviteten til ~10%, når partikelstørrelsen falder til ~100 µm. Derudover er vortexseparatoren, når strømningshastigheden stiger, udsat for erosionsslid, hvilket påvirker levetiden for strukturelle komponenter.
Det næste logiske alternativ er at bruge en 2D-sandkontrolsigte med en defineret spaltebredde. Partikelstørrelse og -fordeling er vigtige overvejelser, når man vælger sigter til at filtrere faste stoffer i konventionel eller ukonventionel brøndproduktion, men de kan være ukendte. De faste stoffer kan komme fra reservoiret, men de kan variere fra kræng til kræng; alternativt kan sigten være nødt til at filtrere sand fra hydraulisk frakturering. I begge tilfælde kan omkostningerne ved opsamling, analyse og testning af faste stoffer være uoverkommelige.
Hvis 2D-rørsigten ikke er korrekt konfigureret, kan resultaterne kompromittere brøndens økonomi. Sandsigteåbninger, der er for små, kan resultere i for tidlig tilstopning, nedlukninger og behovet for afhjælpende efterarbejde. Hvis de er for store, tillader de faste stoffer frit at trænge ind i produktionsprocessen, hvilket kan korrodere olierør, beskadige kunstige løftepumper, skylle overfladedrosler ud og fylde overfladeseparatorer, hvilket kræver sandblæsning og bortskaffelse. Denne situation kræver en simpel, omkostningseffektiv løsning, der kan forlænge pumpens levetid og dække en bred fordeling af sandstørrelser.
For at imødekomme dette behov blev der udført en undersøgelse af brugen af ​​ventilsamlinger i kombination med rustfrit ståltrådsnet, som er ufølsomt over for den resulterende fordeling af faste stoffer. Undersøgelser har vist, at rustfrit ståltrådsnet med variabel porestørrelse og 3D-struktur effektivt kan kontrollere faste stoffer i forskellige størrelser uden at kende partikelstørrelsesfordelingen af ​​de resulterende faste stoffer. 3D-rustfrit ståltrådsnet kan effektivt kontrollere sandkorn i alle størrelser uden behov for ekstra sekundær filtrering.
En ventilenhed monteret i bunden af ​​sigten gør det muligt at fortsætte produktionen, indtil ESP'en trækkes ud. Den forhindrer, at ESP'en hentes ud umiddelbart efter, at sigten er brokoblet. Den resulterende indløbssandskontrolsigte og ventilenhed beskytter ESP'er, stangløftepumper og gasløftkompletteringer mod faste stoffer under produktionen ved at rense væskestrømmen og giver en omkostningseffektiv løsning til at forlænge pumpens levetid uden at skulle skræddersy reservoirets egenskaber til forskellige situationer.
Første generations pumpebeskyttelsesdesign. En pumpebeskyttelsesenhed med rustfrit ståluldsnet blev installeret i en dampassisteret tyngdekraftsdræningsbrønd i det vestlige Canada for at beskytte ESP'en mod faste stoffer under produktionen. Netværk filtrerer skadelige faste stoffer fra produktionsvæsken, når den kommer ind i produktionsstrengen. Inde i produktionsstrengen strømmer væsker til ESP-indløbet, hvor de pumpes op til overfladen. Pakkere kan køres mellem nettet og ESP'en for at give zonal isolering mellem produktionszonen og den øvre brøndboring.
Over produktionstiden har det ringformede mellemrum mellem sigten og foringsrøret en tendens til at danne en bro med sand, hvilket øger strømningsmodstanden. Til sidst danner ringen en fuldstændig bro, stopper strømmen og skaber en trykforskel mellem brøndboringen og produktionsstrengen, som vist i figur 3. På dette tidspunkt kan væsken ikke længere strømme til ESP'en, og færdiggørelsesstrengen skal trækkes ud. Afhængigt af en række variabler relateret til produktionen af ​​faste stoffer, kan den varighed, der kræves for at stoppe strømmen gennem faststofbroen på sigten, være kortere end den varighed, der ville give ESP'en mulighed for at pumpe den faststofholdige væske - gennemsnitstiden mellem fejl - ned i jorden, så anden generation af komponenter blev udviklet.
Anden generation af pumpebeskyttelsesenheden. PumpGuard* indløbssandkontrolskærmen og ventilenheden er ophængt under REDA*-pumpen i figur 4, et eksempel på en ukonventionel ESP-komplettering. Når brønden er i produktion, filtrerer skærmen de faste stoffer i produktionen, men vil langsomt begynde at danne bro med sandet og skabe en trykforskel. Når dette differenstryk når ventilens indstillede revnetryk, åbner ventilen, så væsken kan strømme direkte ind i rørstrengen til ESP'en. Denne strømning udligner trykforskellen over skærmen og løsner grebet af sandsækkene på ydersiden af ​​skærmen. Sand kan frit bryde ud af ringen, hvilket reducerer strømningsmodstanden gennem skærmen og tillader strømmen at genoptages. Når differenstrykket falder, vender ventilen tilbage til sin lukkede position, og normale strømningsforhold genoptages. Gentag denne cyklus, indtil det er nødvendigt at trække ESP'en ud af hullet for service. Casestudierne, der er fremhævet i denne artikel, viser, at systemet er i stand til at forlænge pumpens levetid betydeligt sammenlignet med at køre screening alene.
Til den nylige installation blev der introduceret en omkostningsdrevet løsning til områdeisolering mellem trådnettet i rustfrit stål og ESP'en. En nedadvendt koppakker er monteret over sigtesektionen. Over koppakkeren giver yderligere perforeringer i det centrale rør en strømningsbane for den producerede væske, så den kan migrere fra sigtens indre til det ringformede rum over pakningen, hvor væsken kan komme ind i ESP-indløbet.
Det valgte rustfrit ståltrådsnetfilter til denne løsning tilbyder adskillige fordele i forhold til spaltebaserede 2D-nettyper. 2D-filtre er primært afhængige af partikler, der spænder over filterspalter eller -spalter for at bygge sandsække og give sandkontrol. Da der dog kun kan vælges en enkelt spalteværdi til filteret, bliver filteret meget følsomt over for partikelstørrelsesfordelingen af ​​den producerede væske.
I modsætning hertil giver den tykke maske i rustfrit ståltrådsfiltre høj porøsitet (92%) og et stort åbent strømningsareal (40%) for den producerede borehulsvæske. Filteret er konstrueret ved at komprimere et rustfrit stålfleece-net og vikle det direkte omkring et perforeret centerrør, hvorefter det indkapsles i et perforeret beskyttelsesdæksel, der er svejset til centerrøret i hver ende. Fordelingen af ​​porer i maskelejet, den ikke-ensartede vinkelorientering (fra 15 µm til 600 µm) tillader harmløse fine partikler at strømme langs en 3D-strømningsbane mod det centrale rør, efter at større og skadelige partikler er fanget i nettet. Sandretentionstest på prøver af denne sigte viste, at filteret opretholder høj permeabilitet, fordi væske genereres gennem sigten. Dette enkelt "størrelse" filter kan effektivt håndtere alle partikelstørrelsesfordelinger af producerede væsker, der opstår. Denne rustfri ståluldsigte blev udviklet af en stor operatør i 1980'erne specifikt til selvstændige sigtekompletteringer i dampstimulerede reservoirer og har en omfattende historik med succesfulde installationer.
Ventilenheden består af en fjederbelastet ventil, der tillader envejsstrømning ind i rørstrengen fra produktionsområdet. Ved at justere spiralfjederens forspænding før installation kan ventilen tilpasses for at opnå det ønskede revnetryk til applikationen. Typisk køres en ventil under trådnettet af rustfrit stål for at skabe en sekundær strømningsvej mellem reservoiret og ESP'en. I nogle tilfælde fungerer flere ventiler og net af rustfrit stål i serie, hvor den midterste ventil har et lavere revnetryk end den nederste ventil.
Med tiden fylder formationspartikler det ringformede område mellem den ydre overflade af pumpebeskyttelsesenhedens sigte og produktionshusets væg. Efterhånden som hulrummet fyldes med sand, og partiklerne konsolideres, øges trykfaldet over sandsækken. Når dette trykfald når en forudindstillet værdi, åbner kegleventilen og tillader strømning direkte gennem pumpeindløbet. På dette tidspunkt er strømningen gennem røret i stand til at nedbryde det tidligere konsoliderede sand langs ydersiden af ​​sigtefilteret. På grund af den reducerede trykforskel vil strømningen genoptages gennem sigten, og indsugningsventilen vil lukke. Derfor kan pumpen kun se strømningen direkte fra ventilen i en kort periode. Dette forlænger pumpens levetid, da det meste af strømningen er den væske, der filtreres gennem sandsigten.
Pumpebeskyttelsessystemet blev drevet med pakninger i tre forskellige brønde i Delaware-bassinet i USA. Hovedmålet er at reducere antallet af ESP-starter og -stop på grund af sandrelaterede overbelastninger og at øge ESP-tilgængeligheden for at forbedre produktionen. Pumpebeskyttelsessystemet er ophængt i den nedre ende af ESP-strengen. Resultaterne fra oliebrønden viser stabil pumpeydelse, reduceret vibration og strømstyrke samt pumpebeskyttelsesteknologi. Efter installation af det nye system blev nedetiden relateret til sand og faste stoffer reduceret med 75 %, og pumpens levetid blev øget med mere end 22 %.
En brønd. Et ESP-system blev installeret i en ny bore- og fraktureringsbrønd i Martin County, Texas. Den lodrette del af brønden er cirka 9.000 fod, og den vandrette del strækker sig til 12.000 fod, målt dybde (MD). For de første to kompletteringer blev et borehulsvortex-sandseparatorsystem med seks foringsforbindelser installeret som en integreret del af ESP-kompletteringen. For to på hinanden følgende installationer med samme type sandseparator blev der observeret ustabil opførsel af ESP-driftsparametrene (strømstyrke og vibration). Adskillelsesanalyse af den aftrukne ESP-enhed afslørede, at vortex-gasseparatorenheden var tilstoppet med fremmedlegemer, som blev bestemt til at være sand, fordi det er ikke-magnetisk og ikke reagerer kemisk med syre.
I den tredje ESP-installation erstattede trådnet i rustfrit stål sandseparatoren som et middel til ESP-sandkontrol. Efter installation af det nye pumpebeskyttelsessystem udviste ESP'en en mere stabil opførsel og reducerede motorstrømsudsving fra ~19 A for installation #2 til ~6,3 A for installation #3. Vibrationen er mere stabil, og tendensen er reduceret med 75 %. Trykfaldet var også stabilt og fluktuerede meget lidt sammenlignet med den tidligere installation og opnåede et yderligere trykfald på 100 psi. Overbelastningsnedlukninger i ESP'en er reduceret med 100 %, og ESP'en fungerer med lav vibration.
Brønd B. I en brønd nær Eunice, New Mexico, havde en anden ukonventionel brønd en ESP installeret, men ingen pumpebeskyttelse. Efter det første boot drop begyndte ESP'en at udvise uregelmæssig adfærd. Udsving i strøm og tryk er forbundet med vibrationsstigninger. Efter at have opretholdt disse forhold i 137 dage, svigtede ESP'en, og en erstatning blev installeret. Den anden installation inkluderer et nyt pumpebeskyttelsessystem med samme ESP-konfiguration. Efter at brønden genoptog produktionen, fungerede ESP'en normalt med stabil strømstyrke og mindre vibration. På tidspunktet for offentliggørelsen havde den anden kørsel af ESP nået over 300 dages drift, en betydelig forbedring i forhold til den tidligere installation.
Brønd C. Systemets tredje installation på stedet blev udført i Mentone, Texas, af et specialiseret olie- og gasfirma, der oplevede afbrydelser og ESP-fejl på grund af sandproduktion og ønskede at forbedre pumpernes oppetid. Operatører kører typisk sandseparatorer nede i hullet med en foring i hver ESP-brønd. Men når foringen er fyldt med sand, vil separatoren tillade sandet at strømme gennem pumpesektionen, hvilket korroderer pumpetrinnet, lejerne og akslen, hvilket resulterer i et tab af løfteevne. Efter at have kørt det nye system med pumpebeskytteren har ESP'en en 22 % længere driftslevetid med et mere stabilt trykfald og bedre ESP-relateret oppetid.
Antallet af nedlukninger relateret til sand og faste stoffer under drift faldt med 75 %, fra 8 overbelastningshændelser i den første installation til to i den anden installation, og antallet af vellykkede genstarter efter overbelastningsnedlukning steg med 30 %, fra 8 i den første installation. I alt 12 hændelser, i alt 8 hændelser, blev udført i den sekundære installation, hvilket reducerede den elektriske belastning af udstyret og øgede ESP'ens levetid.
Figur 5 viser den pludselige stigning i indsugningstryksignaturen (blå), når rustfrit stålnet blokeres, og ventilenheden åbnes. Denne tryksignatur kan yderligere forbedre produktionseffektiviteten ved at forudsige sandrelaterede ESP-fejl, så udskiftningsoperationer med workover-platforme kan planlægges.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Eksperimentel analyse af hvirvelrør som downhole-desanderenhed,” SPE Paper 94673-MS, præsenteret på SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brasilien, 20. juni – 23. februar 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Denne artikel indeholder elementer fra SPE-artikel 207926-MS, præsenteret på Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference i Abu Dhabi, UAE, den 15.-18. november 2021.
Alt materiale er underlagt strengt håndhævede ophavsretslove. Læs venligst vores vilkår og betingelser, cookiepolitik og privatlivspolitik, før du bruger dette websted.