ポンプ保護コンポーネントは、ポンプを砂から保護し、非従来型油井の ESP の運用寿命を延ばすことが実証されています。このソリューションは、過負荷やダウンタイムの原因となるフラッキングサンドやその他の固形物の逆流を制御します。この実現技術により、粒度分布の不確実性に関連する問題が解消されます。
ESP を利用する油井が増えるにつれ、電動式水中ポンプ (ESP) システムの寿命を延ばすことがますます重要になっています。人工リフトポンプの動作寿命と性能は、生産された流体内の固形物に左右されます。固形粒子が増加すると、ESP の動作寿命と性能は大幅に低下します。さらに、固形物により、油井の停止時間と、ESP の交換に必要な作業頻度が増加します。
人工リフトポンプを通過する固体粒子には、地層砂、水圧破砕用プロパント、セメント、侵食または腐食した金属粒子などがあります。固体を分離するために設計されたダウンホール技術は、低効率のサイクロンから高効率の3Dステンレス鋼ワイヤメッシュまで多岐にわたります。ダウンホール渦流分離装置は従来の井戸で数十年にわたって使用されており、主に生産中にポンプを大きな粒子から保護するために使用されます。ただし、非従来型の井戸では断続的なスラグ流が発生するため、既存のダウンホール渦流分離装置技術は断続的にしか機能しません。
ESP を保護するために、サンド コントロール スクリーンとダウンホール ボルテックス デサンダーを組み合わせたさまざまなバリエーションが提案されています。ただし、各井戸で生産される固体のサイズ分布と量の不確実性により、すべてのポンプの保護と生産のパフォーマンスにギャップがあります。不確実性により砂制御コンポーネントが長くなり、ESP を設置できる深度が浅くなり、ESP の貯留層減少の可能性が制限され、井戸の経済性に悪影響を及ぼします。非在来型の井戸では、より深い設置深度が好まれます。ただし、ドッグレッグの厳しさが高いケーシング セクションで長くて硬い砂制御アセンブリを吊り下げるためにデサンダーと雄プラグ マッド アンカーを使用すると、ESP MTBF の改善が制限されます。内部チューブの腐食は、この設計のもう 1 つの側面であり、十分に評価されていません。
2005年の論文では、サイクロンチューブ（図1）をベースとしたダウンホール砂分離器の実験結果が発表されました。この分離器はサイクロンの作用と重力に依存し、分離効率は油の粘度、流量、粒子サイズに依存することが示されています。また、分離器の効率は粒子の終端速度に大きく依存していることも示されています。分離効率は、流量の低下、固体粒子サイズの縮小、油の粘度の上昇に伴って低下します（図2）。一般的なサイクロンチューブ式ダウンホール分離器では、粒子サイズが約100µmに低下すると、分離効率は約10%に低下します。さらに、流量が増加すると、渦流分離器は侵食摩耗の影響を受けやすくなり、構造部品の寿命に影響を与えます。
次の論理的な代替案は、スロット幅が定義された 2D 砂制御スクリーンを使用することです。従来型または非従来型の油井生産で固形物を濾過するためのスクリーンを選択する場合、粒子のサイズと分布は重要な考慮事項ですが、不明な場合があります。固形物は貯留層から来る場合もありますが、ヒールごとに異なる場合があります。あるいは、スクリーンで水圧破砕から生じる砂を濾過する必要がある場合もあります。いずれの場合も、固形物の収集、分析、およびテストのコストが法外に高くなる可能性があります。
2D チュービング スクリーンが適切に構成されていない場合、油井の経済性が損なわれる可能性があります。砂スクリーンの開口部が小さすぎると、早期の詰まり、操業停止、および修復のための作業が必要になる場合があります。開口部が大きすぎると、固形物が生産プロセスに自由に侵入し、石油パイプの腐食、人工リフト ポンプの損傷、表面チョークの洗浄、表面セパレーターの充填が発生する可能性があり、サンドブラストと廃棄が必要になります。このような状況では、ポンプの寿命を延ばし、幅広い砂のサイズに対応できる、シンプルでコスト効率の高いソリューションが必要です。
このニーズを満たすために、結果として生じる固形物の分布に影響されないステンレス鋼金網と組み合わせたバルブアセンブリの使用に関する研究が行われました。研究により、可変孔サイズと3D構造を備えたステンレス鋼金網は、結果として生じる固形物の粒度分布を知らなくても、さまざまなサイズの固形物を効果的に制御できることが示されました。3Dステンレス鋼金網は、追加の二次ろ過を必要とせずに、あらゆるサイズの砂粒を効果的に制御できます。
スクリーンの底部に取り付けられたバルブ アセンブリにより、ESP が引き抜かれるまで生産を継続できます。これにより、スクリーンがブリッジされた直後に ESP が回収されることを防止できます。結果として得られる入口砂制御スクリーンとバルブ アセンブリは、流体の流れを洗浄することで、生産中に ESP、ロッド リフト ポンプ、およびガス リフト完了部を固形物から保護し、さまざまな状況に合わせて貯留層特性を調整する必要がなく、ポンプの寿命を延ばすコスト効率の高いソリューションを提供します。
第 1 世代のポンプ保護設計。カナダ西部の蒸気補助重力排水井に、生産中に ESP を固形物から保護するために、ステンレス スチール ウール スクリーンを使用したポンプ保護アセンブリが導入されました。スクリーンは、生産流体が生産ストリングに入るときに、有害な固形物を濾過します。生産ストリング内では、流体は ESP 入口に流れ、そこから地表にポンプで送られます。スクリーンと ESP の間にパッカーを走らせることで、生産ゾーンと上部の坑井の間にゾーン分離を提供できます。
生産時間が長くなると、スクリーンとケーシングの間の環状空間に砂が橋渡しする傾向があり、流動抵抗が増加します。最終的には、図3に示すように、環状空間が完全に橋渡しされ、流動が停止します。この時点で、流体はESPに流れることができなくなり、完了ストリングを引き抜く必要があります。固形物生産に関連するいくつかの変数によっては、スクリーン上の固形物橋渡しによる流動停止に必要な時間が、ESPが固形物を含んだ流体を地上に送り出すのに必要な時間（平均故障間隔）よりも短くなる可能性があるため、第2世代のコンポーネントが開発されました。
第2世代のポンプ保護アセンブリ。図4では、PumpGuard*入口砂制御スクリーンおよびバルブアセンブリシステムがREDA*ポンプの下に吊り下げられています。これは、非従来型ESP仕上げの例です。坑井が生産を開始すると、スクリーンは生産中の固形物を濾過しますが、徐々に砂と橋渡しして圧力差を生み出します。この差圧がバルブの設定クラッキング圧力に達すると、バルブが開き、流体がESPへのチューブストリングに直接流れ込みます。この流れによってスクリーン全体の圧力差が均等化され、スクリーン外側の土嚢のグリップが緩みます。砂は環状部から自由に脱出できるため、スクリーンを通る流れの抵抗が減少し、流れが再開されます。差圧が低下すると、バルブは閉位置に戻り、通常の流れ状態が再開されます。このサイクルは、ESPを坑井から引き抜いてメンテナンスする必要があるまで繰り返されます。この記事で取り上げたケーススタディは、このシステムがスクリーニング仕上げのみを実行する場合と比較して、ポンプの寿命を大幅に延ばすことができることを示しています。
最近の設備では、ステンレス鋼の金網と ESP 間の領域を分離するためのコスト重視のソリューションが導入されました。下向きのカップ パッカーがスクリーン セクションの上に取り付けられています。カップ パッカーの上には、追加のセンター チューブ穿孔により、生成された流体がスクリーンの内部からパッカーの上の環状空間に移動し、そこから流体が ESP 入口に入ることができる流路が提供されます。
このソリューションに選ばれたステンレス鋼の金網フィルターは、ギャップベースの 2D メッシュ タイプに比べていくつかの利点があります。2D フィルターは主にフィルターのギャップまたはスロットに広がる粒子を利用して土嚢を構築し、砂を制御します。ただし、スクリーンには 1 つのギャップ値しか選択できないため、スクリーンは生成された流体の粒子サイズ分布に対して非常に敏感になります。
一方、ステンレス鋼金網フィルターの厚いメッシュベッドは、生産された坑井流体に対して高い多孔度（92%）と広い開口面積（40%）を提供します。このフィルターは、ステンレス鋼フリースメッシュを圧縮し、それを穿孔されたセンターチューブに直接巻き付け、両端をセンターチューブに溶接された穿孔保護カバーで覆う構造です。メッシュベッド内の細孔分布と不均一な角度配向（15µm～600µm）により、より大きく有害な粒子がメッシュ内に捕捉された後、無害な微粒子が3D流路に沿ってセンターチューブに向かって流れます。このふるいのサンプルを用いた砂保持試験では、流体がふるいを通して生成されるため、フィルターは高い透過性を維持することが実証されました。実質的に、この単一の「サイズ」フィルターは、遭遇する生産流体のあらゆる粒子サイズ分布に対応できます。このステンレス鋼ウールスクリーンは、1980年代に大手オペレーターによって、特に自己完結型スクリーン向けに開発されました。蒸気刺激貯留層での完了および設置成功の豊富な実績を有しています。
バルブ アセンブリは、生産エリアからチューブ ストリングへの一方向の流れを可能にするスプリング ローデッド バルブで構成されています。取り付け前にコイル スプリングのプリロードを調整することにより、バルブをカスタマイズして、アプリケーションに必要なクラッキング圧力を実現できます。通常、バルブはステンレス鋼の金網の下に設置され、リザーバーと ESP の間に二次流路を提供します。場合によっては、複数のバルブとステンレス鋼の金網が直列に動作し、中央のバルブのクラッキング圧力が最も低いバルブよりも低くなります。
時間が経つにつれて、地層の粒子がポンプ保護アセンブリスクリーンの外面と生産ケーシングの壁の間の環状領域を満たします。キャビティが砂で満たされ、粒子が固まるにつれて、土嚢全体の圧力降下が増加します。この圧力降下が事前設定値に達すると、コーンバルブが開き、ポンプ入口から直接流れることができます。この段階で、パイプを通る流れによって、スクリーンフィルターの外側に沿って以前に固められた砂が分解されます。圧力差が減少するため、スクリーンを通る流れが再開され、吸気バルブが閉じます。したがって、ポンプは、短時間だけバルブから直接流れを見ることができます。ほとんどの流れは砂スクリーンで濾過された流体であるため、これによりポンプの寿命が延びます。
ポンプ保護システムは、米国のデラウェア盆地の3つの異なる油井でパッカーを使用して運用されました。主な目標は、砂に関連する過負荷によるESPの起動と停止の回数を減らし、ESPの可用性を高めて生産性を向上させることです。ポンプ保護システムは、ESPストリングの下端から吊り下げられています。油井の結果は、安定したポンプ性能、振動と電流強度の低減、およびポンプ保護技術を示しています。新しいシステムをインストールした後、砂と固形物に関連するダウンタイムは75％削減され、ポンプの寿命は22％以上増加しました。
井戸。テキサス州マーティン郡の新しい掘削および破砕井戸に ESP システムが設置されました。井戸の垂直部分は約 9,000 フィート、水平部分は測定深度 (MD) 12,000 フィートまで伸びています。最初の 2 つの完了では、6 つのライナー接続を備えたダウンホール ボルテックス サンド セパレーター システムが、ESP 完了の不可欠な部分として設置されました。同じタイプのサンド セパレーターを使用した 2 つの連続した設置では、ESP 動作パラメーター (電流強度および振動) の不安定な動作が観察されました。引き抜かれた ESP ユニットの分解分析により、ボルテックス ガス セパレーター アセンブリが異物で詰まっていることが明らかになりました。これは、非磁性であり酸と化学反応しないため、砂であると判断されました。
3 回目の ESP 設置では、砂制御手段として、砂分離器の代わりにステンレス鋼の金網を使用しました。新しいポンプ保護システムを設置した後、ESP の動作がより安定し、モーター電流の変動範囲が設置 #2 の約 19 A から設置 #3 の約 6.3 A に減少しました。振動はより安定し、傾向は 75% 減少しました。圧力降下も安定しており、以前の設置と比較して変動が非常に少なく、圧力降下がさらに 100 psi 増加しました。ESP の過負荷シャットダウンは 100% 減少し、ESP は低振動で動作します。
井戸 B。ニューメキシコ州ユーニス近郊の 1 つの井戸では、別の非従来型井戸に ESP が設置されていましたが、ポンプ保護は施されていませんでした。最初のブート ドロップ後、ESP の動作が不安定になり始めました。電流と圧力の変動は、振動の急上昇と関連しています。これらの状態を 137 日間維持した後、ESP が故障したため、交換品が設置されました。2 回目の設置には、同じ ESP 構成の新しいポンプ保護システムが含まれています。井戸の生産が再開された後、ESP は正常に動作し、アンペア数が安定し、振動も減少しました。本稿の出版時点で、2 回目の ESP の稼働日数は 300 日を超えており、前回の設置に比べて大幅に改善されています。
システムの3番目の現場設置は、テキサス州メントーンの石油・ガス専門会社によって行われました。この会社は砂の生産により停止やESPの故障を経験し、ポンプの稼働時間を改善したいと考えていました。通常、オペレータは各ESP井戸でライナー付きのダウンホール砂分離器を稼働させます。しかし、ライナーが砂で満たされると、分離器によって砂がポンプセクションを流れ、ポンプステージ、ベアリング、シャフトが腐食して揚力が低下します。ポンププロテクター付きの新しいシステムを稼働させた後、ESPの動作寿命は22％長くなり、圧力降下がより安定し、ESP関連の稼働時間が向上しました。
運転中の砂および固形物関連の停止回数は、最初の設備での過負荷による停止回数が8回であったのに対し、2番目の設備では2回となり、75%減少しました。また、過負荷停止後の再起動成功回数は、最初の設備での8回から30%増加しました。2番目の設備では合計12回のイベント（合計8回）が実施され、機器への電気的ストレスが軽減され、ESPの運転寿命が延びました。
図 5 は、ステンレス鋼のメッシュが詰まってバルブ アセンブリが開いたときに、吸入圧力シグネチャ (青) が急激に増加する様子を示しています。この圧力シグネチャにより、砂に関連する ESP の故障を予測して生産効率をさらに向上させることができ、改修リグによる交換作業を計画することができます。
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson、「ダウンホールデサンダー装置としてのスワールチューブの実験的分析」、SPE 論文 94673-MS、SPE ラテンアメリカおよびカリブ海石油工学会議、ブラジルのリオデジャネイロ、2005 年 6 月 20 日～2 月 23 日発表。https://doi.org/10.2118/94673-MS。
この記事には、2021 年 11 月 15 日から 18 日までアラブ首長国連邦のアブダビで開催されたアブダビ国際石油展示会および会議で発表された SPE 論文 207926-MS の要素が含まれています。
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