Se ha comprobado que los componentes de protección de bombas protegen las bombas de la arena y extienden la vida operativa de los ESP en pozos no convencionales. Esta solución controla el reflujo de arena de fracturación y otros sólidos que pueden causar sobrecargas y tiempo de inactividad. La tecnología habilitadora elimina los problemas asociados con la incertidumbre en la distribución del tamaño de las partículas.
A medida que más y más pozos de petróleo dependen de los ESP, la extensión de la vida útil de los sistemas de bombeo eléctrico sumergible (ESP) se vuelve cada vez más importante. La vida útil y el rendimiento de las bombas de extracción artificial son sensibles a los sólidos en los fluidos producidos. La vida útil y el rendimiento del ESP disminuyeron significativamente con el aumento de partículas sólidas. Además, los sólidos aumentan el tiempo de inactividad del pozo y la frecuencia de reacondicionamiento necesarios para reemplazar el ESP.
Las partículas sólidas que a menudo fluyen a través de las bombas de extracción artificial incluyen arena de formación, apuntalantes de fracturación hidráulica, cemento y partículas de metal erosionadas o corroídas. Las tecnologías de fondo de pozo diseñadas para separar sólidos van desde ciclones de baja eficiencia hasta mallas de alambre de acero inoxidable 3D de alta eficiencia. Los desarenadores de vórtice de fondo de pozo se han utilizado en pozos convencionales durante décadas y se usan principalmente para proteger las bombas de partículas grandes durante la producción. flujo, lo que da como resultado que la tecnología de separador de vórtice de fondo de pozo existente solo funcione de manera intermitente.
Se han propuesto varias variantes diferentes de rejillas de control de arena combinadas y desarenadores de vórtice de fondo de pozo para proteger los ESP. Sin embargo, existen lagunas en el rendimiento de protección y producción de todas las bombas debido a la incertidumbre en la distribución del tamaño y el volumen de sólidos producidos por cada pozo. La incertidumbre aumenta la longitud de los componentes de control de arena, lo que reduce la profundidad a la que se puede establecer el ESP, lo que limita el potencial de declive del yacimiento del ESP y tiene un impacto negativo en la economía del pozo. Se prefieren profundidades de asentamiento más profundas en pozos no convencionales. Sin embargo, el uso de desarenadores y anclajes de lodo de tapón macho para suspender conjuntos de control de arena largos y rígidos en secciones de revestimiento con alta severidad de dogleg limitó las mejoras ESP MTBF. La corrosión de la cámara de aire es otro aspecto de este diseño que no se ha evaluado adecuadamente.
Los autores de un artículo de 2005 presentaron los resultados experimentales de un separador de arena de fondo de pozo basado en un tubo ciclónico (Figura 1), que dependía de la acción y la gravedad del ciclón, para mostrar que la eficiencia de la separación depende de la viscosidad del petróleo, el caudal y el tamaño de las partículas. Muestran que la eficiencia del separador depende en gran medida de la velocidad terminal de las partículas. a ~10% a medida que el tamaño de partícula cae a ~100 µm.Además, a medida que aumenta el caudal, el separador de vórtice está sujeto al desgaste por erosión, lo que afecta la vida útil de los componentes estructurales.
La siguiente alternativa lógica es utilizar una malla de control de arena 2D con un ancho de ranura definido. El tamaño y la distribución de las partículas son consideraciones importantes cuando se seleccionan mallas para filtrar sólidos en la producción de pozos convencionales o no convencionales, pero pueden ser desconocidos. Los sólidos pueden provenir del yacimiento, pero pueden variar de talón a talón;alternativamente, la pantalla puede necesitar filtrar arena de la fracturación hidráulica. En cualquier caso, el costo de la recolección, el análisis y las pruebas de sólidos puede ser prohibitivo.
Si la pantalla de tubería 2D no está configurada correctamente, los resultados pueden comprometer la economía del pozo. Las aberturas de la pantalla de arena que son demasiado pequeñas pueden provocar taponamientos prematuros, paradas y la necesidad de reparaciones correctivas. Si son demasiado grandes, permiten que los sólidos entren libremente en el proceso de producción, lo que puede corroer las tuberías de aceite, dañar las bombas de extracción artificial, purgar los estranguladores de la superficie y llenar los separadores de la superficie, lo que requiere limpieza con chorro de arena y eliminación. bombear y cubrir una amplia distribución de tamaños de arena.
Para satisfacer esta necesidad, se realizó un estudio sobre el uso de conjuntos de válvulas en combinación con malla de alambre de acero inoxidable, que es insensible a la distribución de sólidos resultante. Los estudios han demostrado que la malla de alambre de acero inoxidable con tamaño de poro variable y estructura 3D puede controlar de manera efectiva sólidos de varios tamaños sin conocer la distribución del tamaño de las partículas de los sólidos resultantes. La malla de alambre de acero inoxidable 3D puede controlar de manera efectiva los granos de arena de todos los tamaños, sin necesidad de una filtración secundaria adicional.
Un conjunto de válvula montado en la parte inferior de la malla permite que la producción continúe hasta que se extrae el ESP. Evita que se recupere el ESP inmediatamente después de que se puentea la malla. El conjunto de válvula y malla de control de entrada de arena resultante protege los ESP, las bombas de elevación de varillas y las terminaciones de levantamiento artificial por gas de los sólidos durante la producción mediante la limpieza del flujo de fluido y proporciona una solución rentable para prolongar la vida útil de la bomba sin tener que adaptar las características del yacimiento para diferentes situaciones.
Diseño de protección de bomba de primera generación. Se implementó un conjunto de protección de bomba que utiliza mallas de lana de acero inoxidable en un pozo de drenaje por gravedad asistido por vapor en el oeste de Canadá para proteger el ESP de los sólidos durante la producción. Las mallas filtran los sólidos nocivos del fluido de producción a medida que ingresa a la sarta de producción. Dentro de la sarta de producción, los fluidos fluyen hacia la entrada del ESP, donde se bombean a la superficie.
Durante el tiempo de producción, el espacio anular entre la pantalla y la tubería de revestimiento tiende a formar un puente con arena, lo que aumenta la resistencia al flujo. Eventualmente, el espacio anular se une por completo, detiene el flujo y crea un diferencial de presión entre el pozo y la sarta de producción, como se muestra en la Figura 3. En este punto, el fluido ya no puede fluir hacia el ESP y se debe jalar la sarta de terminación.Dependiendo de una serie de variables relacionadas con la producción de sólidos, la duración requerida para detener el flujo a través del puente de sólidos en la pantalla puede ser menor que la duración que permitiría al ESP bombear el fluido cargado de sólidos en el tiempo medio entre fallas al suelo, por lo que se desarrolló la segunda generación de componentes.
El conjunto de protección de la bomba de segunda generación. El sistema de conjunto de válvula y pantalla de control de entrada de arena PumpGuard* está suspendido debajo de la bomba REDA* en la Figura 4, un ejemplo de una terminación de ESP no convencional. Una vez que el pozo está produciendo, la pantalla filtra los sólidos en producción, pero comenzará a formar un puente lentamente con la arena y crear un diferencial de presión. agarre de los sacos de arena en el exterior de la malla. La arena puede salir libremente del espacio anular, lo que reduce la resistencia al flujo a través de la malla y permite que se reanude el flujo. A medida que cae la presión diferencial, la válvula vuelve a su posición cerrada y se reanudan las condiciones normales de flujo. Repita este ciclo hasta que sea necesario sacar el ESP del orificio para darle servicio.
Para la instalación reciente, se introdujo una solución basada en costos para el aislamiento del área entre la malla de alambre de acero inoxidable y el ESP. Se monta un empacador de vasos orientado hacia abajo sobre la sección de la pantalla. Sobre el empacador de vasos, las perforaciones adicionales del tubo central proporcionan una ruta de flujo para que el fluido producido migre desde el interior de la pantalla al espacio anular sobre el obturador, donde el fluido puede ingresar a la entrada del ESP.
El filtro de malla de alambre de acero inoxidable elegido para esta solución ofrece varias ventajas sobre los tipos de malla 2D basados ​​en huecos. Los filtros 2D se basan principalmente en partículas que atraviesan los huecos o ranuras del filtro para construir sacos de arena y proporcionar control de la arena. Sin embargo, dado que solo se puede seleccionar un único valor de hueco para la malla, la malla se vuelve muy sensible a la distribución del tamaño de las partículas del fluido producido.
Por el contrario, el lecho de malla gruesa de los filtros de malla de alambre de acero inoxidable proporciona una alta porosidad (92 %) y una gran área de flujo abierta (40 %) para el fluido de pozo producido. El filtro se construye comprimiendo una malla de acero inoxidable y envolviéndola directamente alrededor de un tubo central perforado, luego lo encapsula dentro de una cubierta protectora perforada que está soldada al tubo central en cada extremo. los finos inofensivos fluyan a lo largo de una ruta de flujo 3D hacia el tubo central después de que las partículas más grandes y dañinas queden atrapadas dentro de la malla. Las pruebas de retención de arena en muestras de este tamiz demostraron que el filtro mantiene una alta permeabilidad porque el fluido se genera a través del tamiz. Efectivamente, este filtro de "tamaño único" puede manejar todas las distribuciones de tamaños de partículas de los fluidos producidos que se encuentren. s.
El conjunto de la válvula consta de una válvula accionada por resorte que permite el flujo unidireccional hacia la sarta de tubería desde el área de producción. Al ajustar la precarga del resorte helicoidal antes de la instalación, la válvula se puede personalizar para lograr la presión de apertura deseada para la aplicación. Por lo general, una válvula se ejecuta debajo de la malla de alambre de acero inoxidable para proporcionar una ruta de flujo secundaria entre el depósito y el ESP.
Con el tiempo, las partículas de la formación llenan el área anular entre la superficie exterior de la pantalla del conjunto protector de la bomba y la pared de la carcasa de producción. A medida que la cavidad se llena de arena y las partículas se consolidan, la caída de presión a través de la bolsa de arena aumenta. Cuando esta caída de presión alcanza un valor predeterminado, la válvula de cono se abre y permite el flujo directamente a través de la entrada de la bomba. cerrar. Por lo tanto, la bomba solo puede ver el flujo directamente desde la válvula durante un período corto de tiempo. Esto prolonga la vida útil de la bomba, ya que la mayor parte del flujo es el fluido filtrado a través de la pantalla de arena.
El sistema de protección de la bomba se operó con empacadores en tres pozos diferentes en la cuenca de Delaware en los Estados Unidos. El objetivo principal es reducir la cantidad de arranques y paradas del ESP debido a sobrecargas relacionadas con la arena y aumentar la disponibilidad del ESP para mejorar la producción. El sistema de protección de la bomba está suspendido del extremo inferior de la sarta del ESP. %
Un pozo. Se instaló un sistema ESP en un nuevo pozo de perforación y fracturamiento en el condado de Martin, Texas. La porción vertical del pozo es de aproximadamente 9,000 pies y la porción horizontal se extiende a 12,000 pies, profundidad medida (MD). Para las dos primeras terminaciones, se instaló un sistema separador de arena de vórtice de fondo de pozo con seis conexiones de revestimiento como parte integral de la terminación del ESP. El análisis de desmontaje de la unidad ESP extraída reveló que el conjunto del separador de gas de vórtice estaba obstruido con materia extraña, que se determinó que era arena porque no es magnética y no reacciona químicamente con el ácido.
En la tercera instalación del ESP, la malla de alambre de acero inoxidable reemplazó al separador de arena como medio de control de la arena del ESP. Después de instalar el nuevo sistema de protección de la bomba, el ESP exhibió un comportamiento más estable, reduciendo el rango de fluctuaciones de corriente del motor de ~19 A para la instalación n.° 2 a ~6.3 A para la instalación n.° 3. La vibración es más estable y la tendencia se redujo en un 75%. 100% y ESP opera con baja vibración.
Pozo B. En un pozo cerca de Eunice, Nuevo México, otro pozo no convencional tenía un ESP instalado pero sin protección de la bomba. Después de la caída inicial, el ESP comenzó a mostrar un comportamiento errático. Las fluctuaciones en la corriente y la presión están asociadas con picos de vibración. Después de mantener estas condiciones durante 137 días, el ESP falló y se instaló un reemplazo. La segunda instalación incluye un nuevo sistema de protección de la bomba con la misma configuración del ESP. , la segunda ejecución de ESP había alcanzado más de 300 días de operación, una mejora significativa con respecto a la instalación anterior.
Pozo C. La tercera instalación in situ del sistema fue en Mentone, Texas, por una compañía especializada en petróleo y gas que experimentó apagones y fallas del ESP debido a la producción de arena y deseaba mejorar el tiempo de actividad de la bomba. Los operadores generalmente utilizan separadores de arena de fondo de pozo con revestimiento en cada pozo del ESP. El ESP tiene una vida útil un 22 % más larga con una caída de presión más estable y un mejor tiempo de actividad relacionado con el ESP.
La cantidad de paradas relacionadas con arena y sólidos durante la operación disminuyó en un 75 %, de 8 eventos de sobrecarga en la primera instalación a dos en la segunda instalación, y la cantidad de reinicios exitosos después de una parada por sobrecarga aumentó en un 30 %, de 8 en la primera instalación.En la instalación secundaria se realizaron un total de 12 eventos, para un total de 8 eventos, reduciendo el estrés eléctrico del equipo y aumentando la vida operativa del ESP.
La Figura 5 muestra el aumento repentino en la firma de la presión de entrada (azul) cuando se bloquea la malla de acero inoxidable y se abre el conjunto de la válvula. Esta firma de presión puede mejorar aún más la eficiencia de la producción al predecir fallas ESP relacionadas con la arena, por lo que se pueden planificar operaciones de reemplazo con equipos de reacondicionamiento.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Experimental analysis of swirl tube as downhole desander device”, SPE Paper 94673-MS, presentado en la Conferencia de Ingeniería Petrolera de América Latina y el Caribe de la SPE, Río de Janeiro, Brasil, 20 de junio al 23 de febrero de 2005.https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Este artículo contiene elementos del documento SPE 207926-MS, presentado en la Exposición y Conferencia Internacional del Petróleo de Abu Dhabi en Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos, del 15 al 18 de noviembre de 2021.
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