Il a été prouvé que les composants de protection des pompes protègent les pompes du sable et prolongent la durée de vie opérationnelle des ESP dans les puits non conventionnels. Cette solution contrôle le reflux du sable de fracturation et d'autres solides qui peuvent provoquer des surcharges et des temps d'arrêt. La technologie habilitante élimine les problèmes associés à l'incertitude de la distribution granulométrique.
Alors que de plus en plus de puits de pétrole dépendent des ESP, prolonger la durée de vie des systèmes de pompage submersible électrique (ESP) devient de plus en plus important. La durée de vie et les performances des pompes de relevage artificielles sont sensibles aux solides dans les fluides produits. La durée de vie et les performances de l'ESP ont diminué de manière significative avec l'augmentation des particules solides. De plus, les solides augmentent les temps d'arrêt du puits et la fréquence de reconditionnement nécessaires pour remplacer l'ESP.
Les particules solides qui s'écoulent souvent à travers les pompes de relevage artificielles comprennent le sable de formation, les agents de soutènement de fracturation hydraulique, le ciment et les particules métalliques érodées ou corrodées. Les technologies de fond de trou conçues pour séparer les solides vont des cyclones à faible efficacité aux treillis métalliques en acier inoxydable 3D à haute efficacité. Les dessableurs à vortex de fond de trou sont utilisés dans les puits conventionnels depuis des décennies et servent principalement à protéger les pompes des grosses particules pendant la production. Cependant, les puits non conventionnels sont soumis à un écoulement intermittent, ce qui fait que la technologie existante de séparateur à vortex de fond de trou ne fonctionne que par intermittence.
Français Plusieurs variantes différentes de tamis de contrôle de sable combinés et de dessableurs à vortex de fond de trou ont été proposées pour protéger les ESP. Cependant, il existe des lacunes dans la protection et les performances de production de toutes les pompes en raison de l'incertitude dans la distribution de la taille et le volume des solides produits par chaque puits. L'incertitude augmente la longueur des composants de contrôle de sable, réduisant ainsi la profondeur à laquelle l'ESP peut être réglé, limitant le potentiel de déclin du réservoir de l'ESP et impactant négativement l'économie du puits. Des profondeurs de réglage plus profondes sont préférées dans les puits non conventionnels. Cependant, l'utilisation de dessableurs et d'ancrages de boue à bouchon mâle pour suspendre de longs ensembles de contrôle de sable rigides dans des sections de tubage avec une gravité de dogleg élevée a limité les améliorations du MTBF de l'ESP. La corrosion du tube intérieur est un autre aspect de cette conception qui n'a pas été évalué de manière adéquate.
Français Les auteurs d'un article de 2005 ont présenté les résultats expérimentaux d'un séparateur de sable de fond de trou basé sur un tube cyclone (Figure 1), qui dépendait de l'action du cyclone et de la gravité, pour montrer que l'efficacité de la séparation dépend de la viscosité de l'huile, du débit et de la taille des particules. Ils montrent que l'efficacité du séparateur dépend en grande partie de la vitesse terminale des particules. L'efficacité de la séparation diminue avec la diminution du débit, la diminution de la taille des particules solides et l'augmentation de la viscosité de l'huile, Figure 2. Pour un séparateur de fond de trou à tube cyclone typique, l'efficacité de séparation chute à ~10% lorsque la taille des particules tombe à ~100 µm. De plus, à mesure que le débit augmente, le séparateur vortex est soumis à l'usure par érosion, ce qui affecte l'utilisation des composants structurels.
L'alternative logique suivante consiste à utiliser un écran de contrôle de sable 2D avec une largeur de fente définie. La taille et la distribution des particules sont des considérations importantes lors de la sélection des écrans pour filtrer les solides dans la production de puits conventionnels ou non conventionnels, mais elles peuvent être inconnues. Les solides peuvent provenir du réservoir, mais ils peuvent varier d'un talon à l'autre ; alternativement, l'écran peut avoir besoin de filtrer le sable de la fracturation hydraulique. Dans les deux cas, le coût de la collecte, de l'analyse et des tests des solides peut être prohibitif.
Si le filtre à tube 2D n'est pas correctement configuré, les résultats peuvent compromettre l'économie du puits. Des ouvertures de filtre à sable trop petites peuvent entraîner un colmatage prématuré, des arrêts et la nécessité de reconditionnements correctifs. Si elles sont trop grandes, elles permettent aux solides de pénétrer librement dans le processus de production, ce qui peut corroder les conduites de pétrole, endommager les pompes de relevage artificielles, rincer les étranglements de surface et remplir les séparateurs de surface, nécessitant un sablage et une élimination. Cette situation nécessite une solution simple et rentable qui peut prolonger la durée de vie de la pompe et couvrir une large distribution de tailles de sable.
Pour répondre à ce besoin, une étude a été menée sur l'utilisation d'ensembles de vannes en combinaison avec un treillis métallique en acier inoxydable, qui est insensible à la distribution des solides résultants. Des études ont montré que le treillis métallique en acier inoxydable avec une taille de pores variable et une structure 3D peut contrôler efficacement les solides de différentes tailles sans connaître la distribution granulométrique des solides résultants. Le treillis métallique en acier inoxydable 3D peut contrôler efficacement les grains de sable de toutes tailles, sans nécessiter de filtration secondaire supplémentaire.
Un ensemble de vannes monté sur le bas de l'écran permet à la production de continuer jusqu'à ce que l'ESP soit retiré. Il empêche la récupération de l'ESP immédiatement après le pontage de l'écran. L'ensemble de vannes et d'écran de contrôle du sable d'entrée qui en résulte protège les ESP, les pompes à tige élévatrice et les complétions à gaz des solides pendant la production en nettoyant le flux de fluide et fournit une solution rentable pour prolonger la durée de vie de la pompe sans avoir à adapter les caractéristiques du réservoir à différentes situations.
Conception de protection de pompe de première génération. Un ensemble de protection de pompe utilisant des écrans en laine d'acier inoxydable a été déployé dans un puits de drainage par gravité assisté par vapeur dans l'Ouest canadien pour protéger l'ESP des solides pendant la production. Les écrans filtrent les solides nocifs du fluide de production lorsqu'il pénètre dans la chaîne de production. Dans la chaîne de production, les fluides s'écoulent vers l'entrée de l'ESP, où ils sont pompés vers la surface. Des packers peuvent être installés entre l'écran et l'ESP pour assurer une isolation zonale entre la zone de production et le puits de forage supérieur.
Au fil du temps, l'espace annulaire entre le filtre et le tubage a tendance à se combler de sable, ce qui augmente la résistance à l'écoulement. Finalement, l'espace annulaire se comble complètement, interrompant l'écoulement et créant une différence de pression entre le puits de forage et la colonne de production, comme illustré à la figure 3. À ce stade, le fluide ne peut plus s'écouler vers l'ESP et la colonne de complétion doit être tirée. En fonction de plusieurs variables liées à la production de solides, la durée nécessaire pour arrêter l'écoulement à travers le pont de solides sur le filtre peut être inférieure à celle permettant à l'ESP de pomper le fluide chargé de solides vers le sol (temps moyen entre ruptures). C'est pourquoi la deuxième génération de composants a été développée.
L'ensemble de protection de pompe de deuxième génération. Le système d'assemblage de vanne et de tamis de contrôle du sable d'entrée PumpGuard* est suspendu sous la pompe REDA* dans la figure 4, un exemple de complétion ESP non conventionnelle. Une fois que le puits est en production, le tamis filtre les solides en production, mais commencera lentement à se lier au sable et à créer un différentiel de pression. Lorsque cette pression différentielle atteint la pression de craquage définie de la vanne, la vanne s'ouvre, permettant au fluide de s'écouler directement dans la colonne de tubes jusqu'à l'ESP. Ce flux égalise le différentiel de pression à travers le tamis, desserrant l'adhérence des sacs de sable à l'extérieur du tamis. Le sable est libre de sortir de l'espace annulaire, ce qui réduit la résistance à l'écoulement à travers le tamis et permet à l'écoulement de reprendre. Lorsque la pression différentielle diminue, la vanne revient à sa position fermée et les conditions d'écoulement normales reprennent. Répétez ce cycle jusqu'à ce qu'il soit nécessaire de retirer l'ESP du trou pour l'entretien. Les études de cas mises en évidence dans cet article démontrent que le système est capable de prolonger considérablement la durée de vie de la pompe par rapport à la complétion par tamisage seule.
Pour l'installation récente, une solution économique a été introduite pour l'isolation de la zone entre le treillis métallique en acier inoxydable et l'ESP. Un packer à coupelle orienté vers le bas est monté au-dessus de la section de l'écran. Au-dessus du packer à coupelle, des perforations supplémentaires du tube central fournissent un chemin d'écoulement pour que le fluide produit migre de l'intérieur de l'écran vers l'espace annulaire au-dessus du packer, où le fluide peut entrer dans l'entrée de l'ESP.
Le filtre en treillis métallique en acier inoxydable choisi pour cette solution offre plusieurs avantages par rapport aux types de treillis 2D basés sur des espaces. Les filtres 2D s'appuient principalement sur des particules traversant les espaces ou les fentes du filtre pour construire des sacs de sable et assurer le contrôle du sable. Cependant, comme une seule valeur d'espace peut être sélectionnée pour le tamis, le tamis devient très sensible à la distribution granulométrique du fluide produit.
En revanche, le lit de mailles épaisses des filtres en treillis métallique en acier inoxydable offre une porosité élevée (92 %) et une grande surface d'écoulement ouverte (40 %) pour le fluide de forage produit. Le filtre est construit en comprimant un treillis en laine d'acier inoxydable et en l'enroulant directement autour d'un tube central perforé, puis en l'encapsulant dans une enveloppe de protection perforée soudée au tube central à chaque extrémité. La distribution des pores dans le lit de mailles et l'orientation angulaire non uniforme (allant de 15 µm à 600 µm) permettent aux fines inoffensives de s'écouler le long d'un trajet d'écoulement 3D vers le tube central après que les particules plus grosses et nocives ont été piégées dans le treillis. Des tests de rétention de sable sur des échantillons de ce tamis ont démontré que le filtre maintient une perméabilité élevée car le fluide est généré à travers le tamis. En effet, ce filtre à « taille unique » peut traiter toutes les distributions granulométriques des fluides produits rencontrés. Ce tamis en laine d'acier inoxydable a été développé par un opérateur majeur dans les années 1980 spécifiquement pour les complétions de tamis autonomes dans les réservoirs stimulés par vapeur. et possède un vaste historique d’installations réussies.
L'ensemble de vannes se compose d'une vanne à ressort qui permet un écoulement unidirectionnel dans la colonne de tubes depuis la zone de production. En ajustant la précharge du ressort hélicoïdal avant l'installation, la vanne peut être personnalisée pour atteindre la pression de fissuration souhaitée pour l'application. En règle générale, une vanne est installée sous le treillis métallique en acier inoxydable pour fournir un chemin d'écoulement secondaire entre le réservoir et l'ESP. Dans certains cas, plusieurs vannes et treillis en acier inoxydable fonctionnent en série, la vanne du milieu ayant une pression de fissuration inférieure à celle de la vanne la plus basse.
Au fil du temps, les particules de formation remplissent la zone annulaire entre la surface extérieure de l'écran de l'ensemble de protection de la pompe et la paroi du carter de production. À mesure que la cavité se remplit de sable et que les particules se consolident, la chute de pression à travers le sac de sable augmente. Lorsque cette chute de pression atteint une valeur prédéfinie, la vanne conique s'ouvre et permet l'écoulement directement à travers l'entrée de la pompe. À ce stade, l'écoulement à travers le tuyau est capable de briser le sable précédemment consolidé le long de l'extérieur du filtre à tamis. En raison de la différence de pression réduite, l'écoulement reprendra à travers l'écran et la soupape d'admission se fermera. Par conséquent, la pompe ne peut voir le débit directement depuis la vanne que pendant une courte période de temps. Cela prolonge la durée de vie de la pompe, car la majeure partie du débit est le fluide filtré à travers l'écran de sable.
Le système de protection de la pompe a été exploité avec des packers dans trois puits différents dans le bassin du Delaware aux États-Unis. L'objectif principal est de réduire le nombre de démarrages et d'arrêts de l'ESP dus aux surcharges liées au sable et d'augmenter la disponibilité de l'ESP pour améliorer la production. Le système de protection de la pompe est suspendu à l'extrémité inférieure de la chaîne ESP. Les résultats du puits de pétrole montrent des performances de pompe stables, une réduction des vibrations et de l'intensité du courant, et une technologie de protection de la pompe. Après l'installation du nouveau système, les temps d'arrêt liés au sable et aux solides ont été réduits de 75 % et la durée de vie de la pompe a augmenté de plus de 22 %.
Un puits. Un système ESP a été installé dans un nouveau puits de forage et de fracturation dans le comté de Martin, au Texas. La partie verticale du puits mesure environ 9 000 pieds et la partie horizontale s'étend jusqu'à 12 000 pieds, profondeur mesurée (MD). Pour les deux premières complétions, un système de séparateur de sable à vortex de fond de trou avec six connexions de chemise a été installé comme partie intégrante de la complétion ESP. Pour deux installations consécutives utilisant le même type de séparateur de sable, un comportement instable des paramètres de fonctionnement de l'ESP (intensité du courant et vibration) a été observé. L'analyse du démontage de l'unité ESP retirée a révélé que l'ensemble séparateur de gaz à vortex était obstrué par des matières étrangères, qui ont été déterminées comme étant du sable car il est non magnétique et ne réagit pas chimiquement avec l'acide.
Français Dans la troisième installation ESP, un treillis métallique en acier inoxydable a remplacé le séparateur de sable comme moyen de contrôle du sable ESP. Après l'installation du nouveau système de protection de la pompe, l'ESP a montré un comportement plus stable, réduisant la plage de fluctuations du courant du moteur d'environ 19 A pour l'installation n° 2 à environ 6,3 A pour l'installation n° 3. Les vibrations sont plus stables et la tendance est réduite de 75 %. La chute de pression était également stable, fluctuant très peu par rapport à l'installation précédente et a gagné 100 psi supplémentaires de chute de pression. Les arrêts de surcharge de l'ESP sont réduits de 100 % et l'ESP fonctionne avec de faibles vibrations.
Puits B. Dans un puits près d'Eunice, au Nouveau-Mexique, un autre puits non conventionnel avait un ESP installé mais aucune protection de pompe. Après la chute initiale du démarrage, l'ESP a commencé à présenter un comportement erratique. Les fluctuations de courant et de pression sont associées à des pics de vibration. Après avoir maintenu ces conditions pendant 137 jours, l'ESP est tombé en panne et un remplacement a été installé. La deuxième installation comprend un nouveau système de protection de pompe avec la même configuration ESP. Après la reprise de la production du puits, l'ESP fonctionnait normalement, avec un ampérage stable et moins de vibrations. Au moment de la publication, la deuxième série d'ESP avait atteint plus de 300 jours de fonctionnement, une amélioration significative par rapport à l'installation précédente.
Puits C. La troisième installation sur site du système a eu lieu à Mentone, au Texas, par une société spécialisée dans le pétrole et le gaz qui a connu des pannes et des défaillances de l'ESP en raison de la production de sable et qui souhaitait améliorer le temps de fonctionnement de la pompe. Les opérateurs utilisent généralement des séparateurs de sable de fond avec revêtement dans chaque puits ESP. Cependant, une fois que le revêtement se remplit de sable, le séparateur permettra au sable de s'écouler à travers la section de la pompe, corrodant l'étage de la pompe, les roulements et l'arbre, entraînant une perte de portance. Après avoir fait fonctionner le nouveau système avec le protecteur de pompe, l'ESP a une durée de vie de fonctionnement 22 % plus longue avec une chute de pression plus stable et un meilleur temps de fonctionnement lié à l'ESP.
Le nombre d'arrêts liés au sable et aux solides pendant l'exploitation a diminué de 75 %, passant de 8 surcharges dans la première installation à deux dans la seconde. Le nombre de redémarrages réussis après un arrêt pour surcharge a augmenté de 30 %, passant de 8 dans la première installation. Au total, 12 événements, portant le total à 8, ont été enregistrés dans l'installation secondaire, réduisant ainsi les contraintes électriques sur l'équipement et augmentant la durée de vie de l'ESP.
La figure 5 montre l'augmentation soudaine de la signature de pression d'admission (bleu) lorsque la maille en acier inoxydable est bloquée et que l'ensemble de soupapes est ouvert. Cette signature de pression peut encore améliorer l'efficacité de la production en prédisant les défaillances ESP liées au sable, de sorte que les opérations de remplacement avec des plates-formes de reconditionnement peuvent être planifiées.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, « Analyse expérimentale d'un tube tourbillonnant comme dispositif de dessablage de fond de trou », article SPE 94673-MS, présenté à la conférence SPE sur l'ingénierie pétrolière en Amérique latine et dans les Caraïbes, Rio de Janeiro, Brésil, du 20 juin au 23 février 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Cet article contient des éléments de l'article SPE 207926-MS, présenté à l'exposition et conférence internationale sur le pétrole d'Abou Dhabi à Abou Dhabi, aux Émirats arabes unis, du 15 au 18 novembre 2021.
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