ثابت شده است که اجزای محافظ پمپ، پمپ‌ها را از شن و ماسه محافظت می‌کنند و عمر عملیاتی ESPها را در چاه‌های غیرمتعارف افزایش می‌دهند. این راه‌حل، جریان برگشتی شن و ماسه شکسته و سایر جامداتی را که می‌توانند باعث اضافه بار و از کارافتادگی شوند، کنترل می‌کند. این فناوریِ توانمندساز، مشکلات مرتبط با عدم قطعیت توزیع اندازه ذرات را از بین می‌برد.
با افزایش وابستگی چاه‌های نفت به پمپ‌های شناور الکتریکی (ESP)، افزایش طول عمر سیستم‌های پمپاژ شناور الکتریکی (ESP) اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. عمر عملیاتی و عملکرد پمپ‌های بالابر مصنوعی به جامدات موجود در سیالات تولیدی حساس است. عمر عملیاتی و عملکرد ESP با افزایش ذرات جامد به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. علاوه بر این، جامدات، زمان از کار افتادگی چاه و تعداد دفعات تعمیر مورد نیاز برای جایگزینی ESP را افزایش می‌دهند.
ذرات جامدی که اغلب از طریق پمپ‌های فرازآوری مصنوعی جریان می‌یابند شامل شن سازند، پروپانت‌های شکست هیدرولیکی، سیمان و ذرات فلزی فرسوده یا خورده شده هستند. فناوری‌های درون‌چاهی که برای جداسازی جامدات طراحی شده‌اند، از سیکلون‌های کم‌بازده تا توری‌های سیمی فولادی ضد زنگ سه‌بعدی با راندمان بالا متغیر هستند. جداکننده‌های گردابی درون‌چاهی دهه‌هاست که در چاه‌های معمولی استفاده می‌شوند و عمدتاً برای محافظت از پمپ‌ها در برابر ذرات بزرگ در طول تولید استفاده می‌شوند. با این حال، چاه‌های غیرمتعارف در معرض جریان متناوب حلزون قرار دارند که منجر به عملکرد متناوب فناوری جداکننده گردابی درون‌چاهی موجود می‌شود.
چندین نوع مختلف از صفحات کنترل شن ترکیبی و جداکننده‌های گرداب درون‌چاهی برای محافظت از ESPها پیشنهاد شده است. با این حال، به دلیل عدم قطعیت در توزیع اندازه و حجم جامدات تولید شده توسط هر چاه، شکاف‌هایی در عملکرد حفاظتی و تولیدی همه پمپ‌ها وجود دارد. عدم قطعیت، طول اجزای کنترل شن را افزایش می‌دهد و در نتیجه عمقی را که ESP می‌تواند در آن تنظیم شود، کاهش می‌دهد، پتانسیل افت مخزن ESP را محدود می‌کند و بر اقتصاد چاه تأثیر منفی می‌گذارد. عمق‌های تنظیم عمیق‌تر در چاه‌های غیرمتعارف ترجیح داده می‌شوند. با این حال، استفاده از جداکننده‌های شن و لنگرهای گلی با پلاگ نری برای تعلیق مجموعه‌های کنترل شن بلند و سفت در بخش‌های پوششی با شدت بالای پیچ و مهره، بهبودهای ESP MTBF را محدود کرد. خوردگی لوله داخلی جنبه دیگری از این طرح است که به طور کافی ارزیابی نشده است.
نویسندگان مقاله‌ای در سال ۲۰۰۵ نتایج تجربی یک جداکننده ماسه‌ای درون‌چاهی مبتنی بر یک لوله سیکلون (شکل ۱) را ارائه کردند که به عملکرد سیکلون و گرانش وابسته بود تا نشان دهند که راندمان جداسازی به ویسکوزیته نفت، سرعت جریان و اندازه ذرات بستگی دارد. آن‌ها نشان می‌دهند که راندمان جداکننده تا حد زیادی به سرعت حد ذرات وابسته است. راندمان جداسازی با کاهش سرعت جریان، کاهش اندازه ذرات جامد و افزایش ویسکوزیته نفت کاهش می‌یابد، شکل ۲. برای یک جداکننده درون‌چاهی لوله سیکلون معمولی، راندمان جداسازی با کاهش اندازه ذرات به حدود ۱۰۰ میکرومتر، به حدود ۱۰٪ کاهش می‌یابد. علاوه بر این، با افزایش سرعت جریان، جداکننده گردابی در معرض فرسایش و سایش قرار می‌گیرد که بر استفاده از اجزای سازه تأثیر می‌گذارد.
جایگزین منطقی بعدی، استفاده از یک صفحه کنترل شن دوبعدی با عرض شیار مشخص است. اندازه و توزیع ذرات از ملاحظات مهم هنگام انتخاب صفحه‌ها برای فیلتر کردن جامدات در تولید چاه‌های متعارف یا غیرمتعارف هستند، اما ممکن است ناشناخته باشند. جامدات ممکن است از مخزن بیایند، اما ممکن است از یک چاه تا چاه دیگر متفاوت باشند. از طرف دیگر، صفحه ممکن است نیاز به فیلتر کردن شن حاصل از شکست هیدرولیکی داشته باشد. در هر دو حالت، هزینه جمع‌آوری، تجزیه و تحلیل و آزمایش جامدات می‌تواند گزاف باشد.
اگر صفحه لوله دوبعدی به درستی پیکربندی نشده باشد، نتایج می‌تواند اقتصاد چاه را به خطر بیندازد. دهانه‌های صفحه ماسه‌ای که خیلی کوچک باشند می‌توانند منجر به گرفتگی زودرس، خاموشی و نیاز به تعمیرات اصلاحی شوند. اگر خیلی بزرگ باشند، به مواد جامد اجازه می‌دهند آزادانه وارد فرآیند تولید شوند که می‌تواند باعث خوردگی لوله‌های نفت، آسیب به پمپ‌های بالابر مصنوعی، تخلیه چوک‌های سطحی و پر شدن جداکننده‌های سطحی شود که نیاز به سندبلاست و دفع دارد. این وضعیت نیاز به یک راه حل ساده و مقرون به صرفه دارد که بتواند عمر پمپ را افزایش دهد و توزیع گسترده‌ای از اندازه‌های ماسه را پوشش دهد.
برای برآوردن این نیاز، مطالعه‌ای در مورد استفاده از مجموعه‌های شیرآلات در ترکیب با توری سیمی از جنس استیل ضد زنگ انجام شد که نسبت به توزیع جامدات حاصل حساس نیست. مطالعات نشان داده‌اند که توری سیمی از جنس استیل ضد زنگ با اندازه منافذ متغیر و ساختار سه‌بعدی می‌تواند جامدات با اندازه‌های مختلف را بدون دانستن توزیع اندازه ذرات جامدات حاصل، به طور مؤثر کنترل کند. توری سیمی از جنس استیل ضد زنگ سه‌بعدی می‌تواند دانه‌های شن را در هر اندازه‌ای، بدون نیاز به فیلتراسیون ثانویه اضافی، به طور مؤثر کنترل کند.
یک مجموعه شیر که در پایین صفحه نمایش نصب شده است، امکان ادامه تولید تا زمان بیرون کشیدن ESP را فراهم می‌کند. این مجموعه از بازیابی ESP بلافاصله پس از پل زدن صفحه نمایش جلوگیری می‌کند. مجموعه شیر و صفحه نمایش کنترل شن ورودی حاصل، با تمیز کردن جریان سیال، از ESPها، پمپ‌های بالابر میله‌ای و تکمیل‌های بالابر گازی در برابر مواد جامد در حین تولید محافظت می‌کند و یک راه حل مقرون به صرفه برای افزایش عمر پمپ بدون نیاز به تنظیم ویژگی‌های مخزن برای موقعیت‌های مختلف ارائه می‌دهد.
طراحی محافظت از پمپ نسل اول. یک مجموعه محافظت از پمپ با استفاده از توری‌های پشمی از جنس استیل ضد زنگ در یک چاه زهکشی ثقلی با کمک بخار در غرب کانادا مستقر شد تا ESP را در طول تولید از مواد جامد محافظت کند. توری‌ها مواد جامد مضر را از سیال تولیدی هنگام ورود به رشته تولید فیلتر می‌کنند. در داخل رشته تولید، سیالات به ورودی ESP جریان می‌یابند، جایی که به سطح پمپ می‌شوند. می‌توان بین توری و ESP، عایق‌بندی منطقه‌ای بین منطقه تولید و چاه بالایی را ایجاد کرد.
با گذشت زمان تولید، فضای حلقوی بین غربال و پوشش تمایل به پل زدن با شن و ماسه دارد که مقاومت جریان را افزایش می‌دهد. در نهایت، حلقه به طور کامل پل می‌زند، جریان را متوقف می‌کند و اختلاف فشاری بین چاه و رشته تولید ایجاد می‌کند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. در این مرحله، سیال دیگر نمی‌تواند به ESP جریان یابد و رشته تکمیل باید کشیده شود. بسته به تعدادی از متغیرهای مربوط به تولید جامدات، مدت زمان لازم برای توقف جریان از طریق پل جامدات روی غربال ممکن است کمتر از مدت زمانی باشد که به ESP اجازه می‌دهد تا سیال مملو از مواد جامد را به طور متوسط ​​​​زمان بین خرابی‌ها به زمین پمپ کند، بنابراین نسل دوم قطعات توسعه داده شد.
مجموعه حفاظت پمپ نسل دوم. سیستم مجموعه صفحه کنترل شن ورودی PumpGuard* و شیر در زیر پمپ REDA* در شکل 4 معلق است، نمونه‌ای از تکمیل ESP غیرمتعارف. هنگامی که چاه در حال تولید است، صفحه جامدات در حال تولید را فیلتر می‌کند، اما به آرامی با شن شروع به پل زدن می‌کند و اختلاف فشار ایجاد می‌کند. هنگامی که این اختلاف فشار به فشار ترک خوردگی تنظیم شده شیر می‌رسد، شیر باز می‌شود و به سیال اجازه می‌دهد مستقیماً به رشته لوله به ESP جریان یابد. این جریان اختلاف فشار را در سراسر صفحه برابر می‌کند و چسبندگی کیسه‌های شن در قسمت بیرونی صفحه را شل می‌کند. شن می‌تواند آزادانه از حلقه خارج شود، که مقاومت جریان را از طریق صفحه کاهش می‌دهد و اجازه می‌دهد جریان از سر گرفته شود. با افت اختلاف فشار، شیر به حالت بسته خود باز می‌گردد و شرایط جریان عادی از سر گرفته می‌شود. این چرخه را تا زمانی که لازم باشد ESP را برای سرویس از سوراخ بیرون بکشید، تکرار کنید. مطالعات موردی برجسته شده در این مقاله نشان می‌دهد که این سیستم قادر است عمر پمپ را در مقایسه با تکمیل غربالگری به تنهایی، به طور قابل توجهی افزایش دهد.
برای نصب اخیر، یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه برای جداسازی ناحیه بین توری سیمی فولادی ضد زنگ و ESP معرفی شد. یک پکر فنجانی رو به پایین در بالای بخش توری نصب شده است. بالای پکر فنجانی، سوراخ‌های لوله مرکزی اضافی، مسیر جریانی را برای سیال تولید شده فراهم می‌کنند تا از داخل توری به فضای حلقوی بالای پکر مهاجرت کند، جایی که سیال می‌تواند وارد ورودی ESP شود.
فیلتر توری سیمی از جنس استیل ضد زنگ که برای این محلول انتخاب شده است، مزایای متعددی نسبت به انواع توری دوبعدی مبتنی بر شکاف دارد. فیلترهای دوبعدی در درجه اول به ذراتی که شکاف‌ها یا شیارهای فیلتر را می‌پوشانند، برای ساخت کیسه‌های شن و کنترل شن متکی هستند. با این حال، از آنجایی که فقط یک مقدار شکاف برای صفحه نمایش قابل انتخاب است، صفحه نمایش به توزیع اندازه ذرات سیال تولید شده بسیار حساس می‌شود.
در مقابل، بستر توری ضخیم فیلترهای توری سیمی از جنس فولاد ضد زنگ، تخلخل بالا (92٪) و سطح جریان باز بزرگ (40٪) را برای سیال تولیدی چاه فراهم می‌کند. این فیلتر با فشرده‌سازی یک توری پشمی از جنس فولاد ضد زنگ و پیچیدن مستقیم آن به دور یک لوله مرکزی سوراخ‌دار ساخته می‌شود، سپس آن را درون یک پوشش محافظ سوراخ‌دار که در هر انتها به لوله مرکزی جوش داده شده است، محصور می‌کند. توزیع منافذ در بستر توری، جهت‌گیری زاویه‌ای غیر یکنواخت (از 15 میکرومتر تا 600 میکرومتر) به ذرات ریز بی‌ضرر اجازه می‌دهد تا پس از به دام افتادن ذرات بزرگتر و مضر در داخل توری، در امتداد یک مسیر جریان سه‌بعدی به سمت لوله مرکزی جریان یابند. آزمایش نگهداری شن روی نمونه‌هایی از این غربال نشان داد که فیلتر نفوذپذیری بالایی را حفظ می‌کند زیرا سیال از طریق غربال تولید می‌شود. در واقع، این فیلتر تک "اندازه" می‌تواند تمام توزیع‌های اندازه ذرات سیالات تولیدی مواجه شده را مدیریت کند. این توری پشمی از جنس فولاد ضد زنگ توسط یک اپراتور بزرگ در دهه 1980 به طور خاص برای تکمیل توری‌های خودکفا در تحریک بخار توسعه داده شد. مخازن و سابقه طولانی در نصب‌های موفق دارد.
مجموعه شیر شامل یک شیر فنری است که جریان یک طرفه را از ناحیه تولید به داخل رشته لوله امکان پذیر می کند. با تنظیم پیش بار فنر کویل قبل از نصب، شیر را می توان برای دستیابی به فشار ترک خوردگی مورد نظر برای کاربرد، سفارشی کرد. به طور معمول، یک شیر زیر توری سیمی از جنس استنلس استیل قرار می گیرد تا یک مسیر جریان ثانویه بین مخزن و ESP فراهم کند. در برخی موارد، چندین شیر و توری از جنس استنلس استیل به صورت سری کار می کنند، به طوری که شیر میانی فشار ترک خوردگی کمتری نسبت به شیر پایینی دارد.
با گذشت زمان، ذرات تشکیل شده، ناحیه حلقوی بین سطح بیرونی صفحه محافظ پمپ و دیواره محفظه تولید را پر می‌کنند. با پر شدن حفره با شن و ماسه و تجمع ذرات، افت فشار در کیسه شن افزایش می‌یابد. هنگامی که این افت فشار به مقدار از پیش تعیین شده‌ای می‌رسد، شیر مخروطی باز می‌شود و اجازه می‌دهد جریان مستقیماً از طریق ورودی پمپ جریان یابد. در این مرحله، جریان از طریق لوله قادر به شکستن شن و ماسه قبلاً متراکم شده در امتداد قسمت بیرونی فیلتر صفحه است. به دلیل کاهش اختلاف فشار، جریان از طریق صفحه از سر گرفته می‌شود و شیر ورودی بسته می‌شود. بنابراین، پمپ فقط می‌تواند جریان را مستقیماً از شیر برای مدت کوتاهی ببیند. این امر عمر پمپ را افزایش می‌دهد، زیرا بیشتر جریان، سیالی است که از طریق صفحه شن فیلتر می‌شود.
سیستم حفاظت پمپ با استفاده از دستگاه‌های بسته‌بندی در سه چاه مختلف در حوضه دلاور در ایالات متحده مورد بهره‌برداری قرار گرفت. هدف اصلی کاهش تعداد روشن و خاموش شدن ESP به دلیل اضافه بارهای مرتبط با شن و ماسه و افزایش در دسترس بودن ESP برای بهبود تولید است. سیستم حفاظت پمپ از انتهای پایینی رشته ESP آویزان است. نتایج چاه نفت، عملکرد پایدار پمپ، کاهش لرزش و شدت جریان و فناوری حفاظت پمپ را نشان می‌دهد. پس از نصب سیستم جدید، زمان از کار افتادگی مربوط به شن و ماسه و مواد جامد 75 درصد کاهش و عمر پمپ بیش از 22 درصد افزایش یافت.
یک چاه. یک سیستم ESP در یک چاه حفاری و شکافت جدید در شهرستان مارتین، تگزاس نصب شد. بخش عمودی چاه تقریباً ۹۰۰۰ فوت و بخش افقی آن تا ۱۲۰۰۰ فوت (با عمق اندازه‌گیری شده (MD)) امتداد دارد. برای دو تکمیل اول، یک سیستم جداکننده شن و ماسه گردابی درون چاهی با شش اتصال آستری به عنوان بخش جدایی‌ناپذیر تکمیل ESP نصب شد. برای دو نصب متوالی با استفاده از یک نوع جداکننده شن و ماسه، رفتار ناپایدار پارامترهای عملیاتی ESP (شدت جریان و ارتعاش) مشاهده شد. تجزیه و تحلیل جداسازی واحد ESP کشیده شده نشان داد که مجموعه جداکننده گاز گردابی با ماده خارجی مسدود شده است که به دلیل غیر مغناطیسی بودن و عدم واکنش شیمیایی با اسید، به عنوان شن تشخیص داده شد.
در سومین نصب ESP، توری سیمی از جنس فولاد ضد زنگ جایگزین جداکننده شن و ماسه به عنوان وسیله‌ای برای کنترل شن و ماسه ESP شد. پس از نصب سیستم حفاظت پمپ جدید، ESP رفتار پایدارتری از خود نشان داد و دامنه نوسانات جریان موتور را از حدود ۱۹ آمپر برای نصب شماره ۲ به حدود ۶.۳ آمپر برای نصب شماره ۳ کاهش داد. لرزش پایدارتر شده و روند آن ۷۵٪ کاهش یافته است. افت فشار نیز پایدار بود و در مقایسه با نصب قبلی نوسان بسیار کمی داشت و ۱۰۰ psi افت فشار اضافی به دست آورد. خاموش شدن‌های ناشی از اضافه بار ESP ۱۰۰٪ کاهش یافت و ESP با لرزش کم کار کرد.
چاه B. در یک چاه نزدیک یونیس، نیومکزیکو، یک چاه غیرمتعارف دیگر دارای ESP بود اما هیچ محافظ پمپی نداشت. پس از افت اولیه بوت، ESP شروع به نشان دادن رفتار نامنظم کرد. نوسانات جریان و فشار با افزایش ناگهانی ارتعاش همراه است. پس از حفظ این شرایط به مدت ۱۳۷ روز، ESP از کار افتاد و یک جایگزین نصب شد. نصب دوم شامل یک سیستم محافظت پمپ جدید با همان پیکربندی ESP است. پس از از سرگیری تولید چاه، ESP به طور عادی کار می‌کرد، با آمپراژ پایدار و ارتعاش کمتر. در زمان انتشار، اجرای دوم ESP به بیش از ۳۰۰ روز کارکرد رسیده بود که پیشرفت قابل توجهی نسبت به نصب قبلی است.
چاه C. سومین نصب این سیستم در محل در منتون، تگزاس، توسط یک شرکت تخصصی نفت و گاز انجام شد که به دلیل تولید شن و ماسه، دچار قطعی و خرابی ESP شده بود و می‌خواست زمان کارکرد پمپ را بهبود بخشد. اپراتورها معمولاً جداکننده‌های شن و ماسه درون چاهی را با آستر در هر چاه ESP اجرا می‌کنند. با این حال، هنگامی که آستر با شن پر می‌شود، جداکننده به شن و ماسه اجازه می‌دهد تا از طریق بخش پمپ جریان یابد و باعث خوردگی مرحله پمپ، یاتاقان‌ها و شفت شود و در نتیجه باعث از دست رفتن نیروی بالابری شود. پس از اجرای سیستم جدید با محافظ پمپ، ESP 22٪ عمر عملیاتی طولانی‌تر با افت فشار پایدارتر و زمان کارکرد بهتر مرتبط با ESP دارد.
تعداد خاموشی‌های مربوط به شن و ماسه و جامدات در حین کار، ۷۵٪ کاهش یافت، از ۸ مورد اضافه بار در نصب اول به دو مورد در نصب دوم، و تعداد راه‌اندازی‌های مجدد موفق پس از خاموشی اضافه بار، ۳۰٪ افزایش یافت، از ۸ مورد در نصب اول. در مجموع ۱۲ رویداد، برای مجموع ۸ رویداد، در نصب ثانویه انجام شد که باعث کاهش فشار الکتریکی روی تجهیزات و افزایش عمر عملیاتی ESP شد.
شکل ۵ افزایش ناگهانی در امضای فشار ورودی (آبی) را هنگامی که توری فولادی ضد زنگ مسدود شده و مجموعه شیر باز می‌شود، نشان می‌دهد. این امضای فشار می‌تواند با پیش‌بینی خرابی‌های ESP مرتبط با شن، راندمان تولید را بیشتر بهبود بخشد، بنابراین می‌توان عملیات جایگزینی با دکل‌های تعمیر را برنامه‌ریزی کرد.
۱ مارتینز، جی.ای، ای.اس. روزا، اس. رابسون، «تحلیل تجربی لوله چرخشی به عنوان دستگاه جداکننده چاه»، مقاله SPE 94673-MS، ارائه شده در کنفرانس مهندسی نفت آمریکای لاتین و کارائیب SPE، ریودوژانیرو، برزیل، ۲۰ ژوئن - ۲۳ فوریه ۲۰۰۵. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
این مقاله شامل عناصری از مقاله SPE شماره 207926-MS است که در نمایشگاه و کنفرانس بین‌المللی نفت ابوظبی، 15 تا 18 نوامبر 2021 در ابوظبی، امارات متحده عربی ارائه شد.
تمام مطالب مشمول قوانین کپی‌رایت هستند که به شدت اجرا می‌شوند، لطفاً قبل از استفاده از این سایت، شرایط و ضوابط، سیاست کوکی‌ها و سیاست حفظ حریم خصوصی ما را مطالعه کنید.