Pumpenschutzkomponenten schützen Pumpen nachweislich vor Sand und verlängern die Betriebslebensdauer von ESPs in unkonventionellen Bohrlöchern. Diese Lösung kontrolliert den Rückfluss von Frac-Sand und anderen Feststoffen, die zu Überlastungen und Ausfallzeiten führen können. Die unterstützende Technologie beseitigt die Probleme, die mit der Unsicherheit der Partikelgrößenverteilung verbunden sind.
Da immer mehr Ölquellen auf ESPs angewiesen sind, wird es immer wichtiger, die Lebensdauer elektrischer Tauchpumpensysteme (ESP) zu verlängern. Die Betriebsdauer und die Leistung von künstlichen Förderpumpen reagieren empfindlich auf Feststoffe in geförderten Flüssigkeiten. Die Betriebsdauer und Leistung des ESPs verringerten sich mit der Zunahme der Feststoffpartikel erheblich. Darüber hinaus erhöhen Feststoffe die Ausfallzeiten des Bohrlochs und die Häufigkeit von Aufarbeitungen, die für den Austausch des ESP erforderlich sind.
Zu den Feststoffpartikeln, die oft durch künstliche Hebepumpen fließen, gehören Formationssand, hydraulische Frakturierungsstützen, Zement und erodierte oder korrodierte Metallpartikel. Bohrlochtechnologien zur Trennung von Feststoffen reichen von Zyklonen mit niedrigem Wirkungsgrad bis hin zu hocheffizienten 3D-Drahtgeflechten aus rostfreiem Stahl. Bohrloch-Wirbeldesander werden seit Jahrzehnten in konventionellen Bohrlöchern eingesetzt und dienen in erster Linie dazu, Pumpen während der Produktion vor großen Partikeln zu schützen. Unkonventionelle Bohrlöcher unterliegen jedoch einem intermittierenden Schwallfluss, der zu vorhandenen Bohrlöchern führt Die tex-Separator-Technologie funktioniert nur zeitweise.
Zum Schutz von ESPs wurden mehrere unterschiedliche Varianten von kombinierten Sandkontrollsieben und Bohrloch-Wirbeldesandern vorgeschlagen. Allerdings gibt es Lücken im Schutz und in der Produktionsleistung aller Pumpen aufgrund der Unsicherheit in der Größenverteilung und dem Volumen der von jedem Bohrloch produzierten Feststoffe. Die Unsicherheit erhöht die Länge der Sandkontrollkomponenten, wodurch die Tiefe, in der das ESP eingestellt werden kann, verringert wird, was das Reservoirrückgangspotenzial des ESPs begrenzt und sich negativ auf die Bohrlochökonomie auswirkt. Bei unkonventionellen Bohrlöchern werden tiefere Einstelltiefen bevorzugt Der Einsatz von Entsandern und Schlammankern mit männlichem Stopfen zum Aufhängen langer, starrer Sandkontrollbaugruppen in Gehäuseabschnitten mit hohem Dogleg-Schweregrad begrenzte ESP MTBF-Verbesserungen. Korrosion des Innenrohrs ist ein weiterer Aspekt dieser Konstruktion, der nicht ausreichend bewertet wurde.
Die Autoren einer Arbeit aus dem Jahr 2005 präsentierten experimentelle Ergebnisse eines Bohrloch-Sandabscheiders auf Basis eines Zyklonrohrs (Abbildung 1), die von der Zyklonwirkung und der Schwerkraft abhingen, um zu zeigen, dass die Abscheideeffizienz von der Ölviskosität, der Durchflussrate und der Partikelgröße abhängt. Sie zeigen, dass die Effizienz des Abscheiders weitgehend von der Endgeschwindigkeit der Partikel abhängt. Die Abscheideeffizienz nimmt mit abnehmender Durchflussrate, abnehmender Feststoffpartikelgröße und zunehmender Ölviskosität ab, Abbildung 2. Bei einem typischen Zyklonrohr-Abscheider im Bohrloch sinkt die Abscheideeffizienz auf ~10 %, wenn die Partikelgröße auf ~100 µm sinkt.Darüber hinaus unterliegt der Wirbelabscheider mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit einem Erosionsverschleiß, der sich auf die Lebensdauer der Bauteile auswirkt.
Die nächste logische Alternative ist die Verwendung eines 2D-Sandkontrollsiebs mit einer definierten Schlitzbreite. Partikelgröße und -verteilung sind wichtige Faktoren bei der Auswahl von Sieben zum Filtern von Feststoffen bei der konventionellen oder unkonventionellen Bohrlochförderung, sie sind jedoch möglicherweise unbekannt. Die Feststoffe können aus dem Reservoir stammen, können jedoch von Ferse zu Ferse variieren.Alternativ muss das Sieb möglicherweise Sand aus der hydraulischen Frakturierung filtern. In beiden Fällen können die Kosten für die Sammlung, Analyse und Prüfung von Feststoffen unerschwinglich sein.
Wenn das 2D-Rohrsieb nicht richtig konfiguriert ist, können die Ergebnisse die Wirtschaftlichkeit des Bohrlochs beeinträchtigen. Zu kleine Sandsieböffnungen können zu vorzeitiger Verstopfung, Abschaltungen und der Notwendigkeit von Sanierungsarbeiten führen. Wenn sie zu groß sind, können Feststoffe ungehindert in den Produktionsprozess gelangen, was Ölleitungen korrodieren, künstliche Förderpumpen beschädigen, Oberflächendrosseln ausspülen und Oberflächenabscheider füllen kann, was Sandstrahlen und Entsorgung erfordert. Diese Situation erfordert eine einfache, kostengünstige Lösung, die die Lebensdauer der Pumpe verlängern und a abdecken kann breite Verteilung der Sandgrößen.
Um diesen Bedarf zu decken, wurde eine Studie zum Einsatz von Ventilbaugruppen in Kombination mit einem Edelstahldrahtgeflecht durchgeführt, das unempfindlich gegenüber der resultierenden Feststoffverteilung ist. Studien haben gezeigt, dass Edelstahldrahtgeflechte mit variabler Porengröße und 3D-Struktur Feststoffe unterschiedlicher Größe effektiv kontrollieren können, ohne die Partikelgrößenverteilung der resultierenden Feststoffe zu kennen. Das 3D-Edelstahldrahtgeflecht kann Sandkörner aller Größen effektiv kontrollieren, ohne dass eine zusätzliche Sekundärfiltration erforderlich ist.
Eine an der Unterseite des Siebes montierte Ventilbaugruppe ermöglicht die Fortsetzung der Produktion, bis das ESP herausgezogen wird. Sie verhindert, dass das ESP unmittelbar nach der Überbrückung des Siebs zurückgeholt wird. Die daraus resultierende Einlasssandkontrollsieb- und Ventilbaugruppe schützt ESPs, Stangenhubpumpen und Gasliftkomplettierungen während der Produktion vor Feststoffen, indem sie den Flüssigkeitsfluss reinigt, und bietet eine kostengünstige Lösung zur Verlängerung der Pumpenlebensdauer, ohne dass die Eigenschaften des Behälters an unterschiedliche Situationen angepasst werden müssen.
Pumpenschutzdesign der ersten Generation. In einem dampfunterstützten Schwerkraftentwässerungsbohrloch im Westen Kanadas wurde eine Pumpenschutzbaugruppe mit Wollsieben aus Edelstahl eingesetzt, um das ESP während der Produktion vor Feststoffen zu schützen. Siebe filtern schädliche Feststoffe aus der Produktionsflüssigkeit, wenn diese in den Produktionsstrang eintritt. Innerhalb des Produktionsstrangs fließen Flüssigkeiten zum ESP-Einlass, wo sie an die Oberfläche gepumpt werden. Zwischen dem Sieb und dem ESP können Packer eingesetzt werden, um eine zonale Isolierung zwischen der Produktionszone und dem oberen Bohrloch zu gewährleisten.
Im Laufe der Produktionszeit neigt der Ringraum zwischen Sieb und Gehäuse dazu, sich mit Sand zu überbrücken, was den Strömungswiderstand erhöht. Schließlich überbrückt der Ringraum vollständig, stoppt den Fluss und erzeugt einen Druckunterschied zwischen dem Bohrloch und dem Produktionsstrang, wie in Abbildung 3 dargestellt. An diesem Punkt kann keine Flüssigkeit mehr zum ESP fließen und der Komplettierungsstrang muss gezogen werden.Abhängig von einer Reihe von Variablen im Zusammenhang mit der Feststoffproduktion kann die Dauer, die erforderlich ist, um den Fluss durch die Feststoffbrücke auf dem Sieb zu stoppen, kürzer sein als die Dauer, die es dem ESP ermöglichen würde, die mit Feststoffen beladene Flüssigkeit in der mittleren Zeit zwischen Ausfällen zum Boden zu pumpen. Daher wurde die zweite Generation von Komponenten entwickelt.
Die Pumpenschutzbaugruppe der zweiten Generation. Das PumpGuard*-Einlass-Sandkontrollsieb- und Ventilbaugruppensystem ist in Abbildung 4 unter der REDA*-Pumpe aufgehängt, ein Beispiel für eine unkonventionelle ESP-Vervollständigung. Sobald das Bohrloch fördert, filtert das Sieb die Feststoffe in der Produktion, beginnt jedoch langsam mit dem Sand zu überbrücken und erzeugt einen Druckunterschied. Wenn dieser Differenzdruck den eingestellten Öffnungsdruck des Ventils erreicht, öffnet sich das Ventil, sodass Flüssigkeit direkt in den Rohrstrang zum ESP fließen kann. Dieser Fluss gleicht den Druckunterschied über das Sieb aus und lockert das Die Sandsäcke greifen an der Außenseite des Siebs. Der Sand kann ungehindert aus dem Ring ausbrechen, wodurch der Strömungswiderstand durch das Sieb verringert wird und die Strömung wieder aufgenommen werden kann. Wenn der Differenzdruck abfällt, kehrt das Ventil in seine geschlossene Position zurück und die normalen Strömungsbedingungen werden wiederhergestellt. Wiederholen Sie diesen Zyklus, bis es erforderlich ist, das ESP für Wartungsarbeiten aus dem Loch zu ziehen. Die in diesem Artikel hervorgehobenen Fallstudien zeigen, dass das System die Lebensdauer der Pumpe im Vergleich zum alleinigen Betrieb der Siebvervollständigung deutlich verlängern kann.
Für die jüngste Installation wurde eine kostenorientierte Lösung zur Bereichsisolierung zwischen dem Edelstahldrahtgeflecht und dem ESP eingeführt. Über dem Siebabschnitt ist ein nach unten gerichteter Becherpacker montiert. Oberhalb des Becherpackers bieten zusätzliche Perforationen in der Mitte des Rohrs einen Strömungsweg für die Wanderung der produzierten Flüssigkeit aus dem Inneren des Siebs in den ringförmigen Raum über dem Packer, wo die Flüssigkeit in den ESP-Einlass gelangen kann.
Der für diese Lösung gewählte Edelstahl-Drahtgeflechtfilter bietet mehrere Vorteile gegenüber spaltbasierten 2D-Maschentypen. 2D-Filter basieren hauptsächlich auf Partikeln, die Filterlücken oder -schlitze überspannen, um Sandsäcke zu bilden und eine Sandkontrolle zu gewährleisten. Da jedoch nur ein einziger Spaltwert für das Sieb ausgewählt werden kann, reagiert das Sieb sehr empfindlich auf die Partikelgrößenverteilung der produzierten Flüssigkeit.
Im Gegensatz dazu bietet das dicke Maschenbett von Edelstahl-Drahtgeflechtfiltern eine hohe Porosität (92 %) und einen großen offenen Strömungsbereich (40 %) für die geförderte Bohrlochflüssigkeit. Der Filter wird hergestellt, indem ein Vliesnetz aus rostfreiem Stahl komprimiert und direkt um ein perforiertes Mittelrohr gewickelt und dann in einer perforierten Schutzhülle eingekapselt wird, die an jedem Ende mit dem Mittelrohr verschweißt ist. Die Verteilung der Poren im Maschenbett, die ungleichmäßige Winkelausrichtung (im Bereich von 15 µm bis 600 µ). m) ermöglicht, dass harmlose Feinstoffe entlang eines 3D-Strömungspfads in Richtung des zentralen Rohrs fließen, nachdem größere und schädliche Partikel im Netz gefangen wurden. Sandretentionstests an Proben dieses Siebs zeigten, dass der Filter eine hohe Durchlässigkeit beibehält, da Flüssigkeit durch das Sieb erzeugt wird. Tatsächlich kann dieser Filter mit einer einzigen „Größe“ alle Partikelgrößenverteilungen der angetroffenen produzierten Flüssigkeiten verarbeiten. Dieses Wollsieb aus rostfreiem Stahl wurde in den 1980er Jahren von einem großen Betreiber speziell für in sich geschlossene Siebkomplettierungen in dampfstimulierten Lagerstätten entwickelt verfügt über eine umfangreiche Erfolgsbilanz erfolgreicher Installationen.
Die Ventilbaugruppe besteht aus einem federbelasteten Ventil, das einen Einwegfluss vom Produktionsbereich in den Rohrstrang ermöglicht. Durch Einstellen der Schraubenfedervorspannung vor der Installation kann das Ventil individuell angepasst werden, um den gewünschten Öffnungsdruck für die Anwendung zu erreichen. Typischerweise wird ein Ventil unter dem Edelstahldrahtgeflecht verlegt, um einen sekundären Strömungsweg zwischen dem Reservoir und dem ESP bereitzustellen. In einigen Fällen arbeiten mehrere Ventile und Edelstahlgeflechte in Reihe, wobei das mittlere Ventil einen niedrigeren Öffnungsdruck aufweist als das unterste Ventil.
Im Laufe der Zeit füllen Formationspartikel den ringförmigen Bereich zwischen der Außenfläche des Siebs der Pumpenschutzbaugruppe und der Wand des Produktionsgehäuses. Wenn sich der Hohlraum mit Sand füllt und die Partikel sich verfestigen, erhöht sich der Druckabfall über den Sandsack. Wenn dieser Druckabfall einen voreingestellten Wert erreicht, öffnet sich das Kegelventil und ermöglicht den Durchfluss direkt durch den Pumpeneinlass. In diesem Stadium kann der Fluss durch das Rohr den zuvor verfestigten Sand entlang der Außenseite des Siebfilters aufbrechen. Aufgrund der verringerten Druckdifferenz wird der Durchfluss durch das Sieb wieder aufgenommen und das Einlassventil schließt. Daher kann die Pumpe den Durchfluss direkt vom Ventil nur für kurze Zeit sehen. Dies verlängert die Lebensdauer der Pumpe, da der Großteil des Durchflusses aus der durch das Sandsieb gefilterten Flüssigkeit besteht.
Das Pumpenschutzsystem wurde mit Packern in drei verschiedenen Bohrlöchern im Delaware-Becken in den Vereinigten Staaten betrieben. Das Hauptziel besteht darin, die Anzahl der ESP-Starts und -Stopps aufgrund sandbedingter Überlastungen zu reduzieren und die ESP-Verfügbarkeit zu erhöhen, um die Produktion zu verbessern %.
Ein Bohrloch. Ein ESP-System wurde in einem neuen Bohr- und Frakturierungsbohrloch in Martin County, Texas, installiert. Der vertikale Teil des Bohrlochs beträgt etwa 9.000 Fuß und der horizontale Teil erstreckt sich bis zu 12.000 Fuß, gemessene Tiefe (MD). Bei den ersten beiden Fertigstellungen wurde ein Wirbelsandabscheidersystem im Bohrloch mit sechs Lineranschlüssen als integraler Bestandteil der ESP-Fertigstellung installiert. Bei zwei aufeinanderfolgenden Installationen mit demselben Sandabscheidertyp wurde ein instabiles Verhalten der ESP-Betriebsparameter (Stromstärke und Vibration) beobachtet. Demontage Die Analyse der herausgezogenen ESP-Einheit ergab, dass die Vortex-Gasabscheiderbaugruppe mit Fremdkörpern verstopft war, bei denen es sich vermutlich um Sand handelte, da dieser nicht magnetisch ist und nicht chemisch mit Säure reagiert.
Bei der dritten ESP-Installation ersetzte ein Edelstahldrahtgeflecht den Sandabscheider als Mittel zur ESP-Sandkontrolle. Nach der Installation des neuen Pumpenschutzsystems zeigte das ESP ein stabileres Verhalten und verringerte den Bereich der Motorstromschwankungen von ~19 A für Installation Nr. 2 auf ~6,3 A für Installation Nr. 3. Die Vibration ist stabiler und der Trend wird um 75 % reduziert. Der Druckabfall war ebenfalls stabil, schwankte im Vergleich zur vorherigen Installation nur sehr wenig und erhöhte den Druckabfall um zusätzliche 100 psi 100 % und ESP arbeitet vibrationsarm.
Bohrloch B. In einem Bohrloch in der Nähe von Eunice, New Mexico, war in einem anderen unkonventionellen Bohrloch ein ESP installiert, jedoch ohne Pumpenschutz. Nach dem ersten Absturz der Pumpe zeigte das ESP ein unregelmäßiges Verhalten Der zweite Durchgang von ESP hatte eine Betriebszeit von über 300 Tagen erreicht, was eine deutliche Verbesserung gegenüber der vorherigen Installation darstellt.
Bohrloch C. Die dritte Vor-Ort-Installation des Systems erfolgte in Mentone, Texas, bei einem auf Öl und Gas spezialisierten Unternehmen, bei dem es aufgrund der Sandproduktion zu Ausfällen und ESP-Ausfällen kam und die Pumpenverfügbarkeit verbessert werden wollte. Normalerweise betreiben Betreiber in jedem ESP-Bohrloch Sandabscheider mit Liner im Bohrloch. Sobald sich der Liner jedoch mit Sand füllt, lässt der Separator den Sand durch den Pumpenabschnitt fließen, wodurch die Pumpenstufe, die Lager und die Welle korrodieren, was zu einem Auftriebsverlust führt. Nach dem Betrieb des neuen Systems mit dem Pumpenschutz, dem ESP hat eine um 22 % längere Lebensdauer mit einem stabileren Druckabfall und einer besseren ESP-bezogenen Betriebszeit.
Die Anzahl sand- und feststoffbedingter Abschaltungen während des Betriebs verringerte sich um 75 %, von 8 Überlastereignissen bei der ersten Installation auf zwei bei der zweiten Installation, und die Anzahl erfolgreicher Neustarts nach Überlastabschaltung stieg um 30 %, von 8 bei der ersten Installation.In der sekundären Installation wurden insgesamt 12 Ereignisse, also insgesamt 8 Ereignisse, durchgeführt, wodurch die elektrische Belastung der Ausrüstung verringert und die Betriebslebensdauer des ESP erhöht wurde.
Abbildung 5 zeigt den plötzlichen Anstieg der Ansaugdrucksignatur (blau), wenn das Edelstahlgewebe blockiert und die Ventilbaugruppe geöffnet wird. Diese Drucksignatur kann die Produktionseffizienz weiter verbessern, indem sandbedingte ESP-Ausfälle vorhergesagt werden, sodass Ersatzarbeiten mit Workover-Rigs geplant werden können.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Experimental Analysis of Swirl Tube as Downhole Desander Device“, SPE Paper 94673-MS, präsentiert auf der SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brasilien, 20. Juni – 23. Februar 2005.https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Dieser Artikel enthält Elemente aus dem SPE-Papier 207926-MS, das auf der Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference vom 15. bis 18. November 2021 in Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate, vorgestellt wurde.
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