ポンプ保護コンポーネントは、ポンプを砂から保護し、従来とは異なる坑井における ESP の動作寿命を延長する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クサンドやその他の固体の逆流を制御します。これを可能にする技術により、粒度分布の不確実性に関連する問題が排除されます。
ESPに依存する油井が増えるにつれ、電気水中ポンプ（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。人工揚水ポンプの動作寿命と性能は、生産される流体中の固体に敏感です。ESPの動作寿命と性能は、固体粒子の増加とともに大幅に減少しました。さらに、固体により、油井のダウンタイムとES​​Pの交換に必要な作業頻度が増加します。
人工揚水ポンプを通って流れる固体粒子には、地層砂、水圧破砕用プロパント、セメント、浸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。ダウンホールのボルテックス デサンダーは従来の坑井で数十年にわたって使用されており、主に生産中に大きな粒子からポンプを保護するために使用されています。ただし、非在来型坑井では、相互作用の影響を受ける可能性があります。断続的なスラグの流れにより、既存のダウンホール渦分離器技術は断続的にしか機能しません。
ESP を保護するために、砂防スクリーンとダウンホール渦デサンダーを組み合わせたいくつかの異なるバリエーションが提案されています。しかし、各坑井で生成される固形物のサイズ分布と体積が不確実であるため、すべてのポンプの保護と生産性能にはギャップがあります。不確実性により砂防コンポーネントの長さが増加し、それによって ESP を設置できる深さが短くなり、ESP の貯留層減少の可能性が制限され、坑井の経済性に悪影響を及ぼします。非修道院では、より深い設置深さが好まれます。しかし、ドッグレッグ強度の高いケーシングセクションに長くて硬い砂防アセンブリを吊り下げるためのデサンダーとオスプラグマッドアンカーの使用は、ESP MTBF の改善を制限しました。内管の腐食は、この設計のもう 1 つの側面であり、適切に評価されていません。
2005 年の論文の著者らは、サイクロンの作用と重力に依存するサイクロン チューブ (図 1) に基づくダウンホール砂分離器の実験結果を提示し、分離効率が油の粘度、流量、粒子サイズに依存することを示しました。彼らは、分離器の効率が粒子の終端速度に大きく依存することを示しました。分離効率は、流量の減少、固体粒子サイズの減少、および油の粘度の増加に伴って低下します。図 2.サイクロンチューブダウンホールセパレーターでは、粒子サイズが約 100 μm に低下するにつれて、分離効率は約 10% に低下します。さらに、流量が増加すると、渦分離器は浸食摩耗を受けやすくなり、構造部品の使用寿命に影響を及ぼします。
次の論理的な代替案は、定義されたスロット幅を持つ 2D 砂制御スクリーンを使用することです。粒子サイズと分布は、従来型または非従来型の坑井生産で固体を濾過するスクリーンを選択する際の重要な考慮事項ですが、不明な場合があります。固体は貯留層から来る可能性がありますが、ヒールごとに異なる場合があります。あるいは、水圧破砕からの砂をスクリーンでろ過する必要がある場合もあります。いずれの場合も、固体の収集、分析、テストのコストが法外に高くなる可能性があります。
2D チューブ スクリーンが適切に構成されていない場合、その結果は坑井の経済性を損なう可能性があります。サンド スクリーンの開口部が小さすぎると、時期尚早な目詰まりや停止が発生し、修復作業が必要になる可能性があります。サンド スクリーンの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、石油パイプを腐食し、人工リフト ポンプを損傷し、表面チョークや表面分離器を洗い流し、サンドブラストと廃棄が必要になる可能性があります。この状況では、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。ポンプの寿命を延ばし、広範囲の砂サイズに対応できます。
このニーズを満たすために、生成される固体分布の影響を受けにくいステンレス鋼ワイヤ メッシュとバルブ アセンブリを組み合わせて使用​​する研究が行われました。研究では、可変細孔サイズと 3D 構造を備えたステンレス鋼ワイヤ メッシュにより、得られる固体の粒径分布を知らなくても、さまざまなサイズの固体を効果的に制御できることが示されました。3D ステンレス鋼ワイヤ メッシュは、追加の二次濾過を必要とせず、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 が回収されるのを防ぎます。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により、生産中に ESP、ロッド リフト ポンプ、およびガス リフト完了品を固形物から保護し、さまざまな状況に合わせてリザーバ特性を調整する必要なく、ポンプの寿命を延ばすための費用対効果の高いソリューションを提供します。
第一世代のポンプ保護設計。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カナダ西部の蒸気補助重力排水井に配備されました。スクリーンは、生産流体が生産ストリングに入るときに、生産流体から有害な固形物を濾過します。生産ストリング内で、流体はESP入口に流れ、そこで地表にポンプで送られます。パッカーをスクリーンとESPの間で走らせて、生産ゾーンと上部坑井の間のゾーン隔離を提供できます。
生産時間の経過とともに、スクリーンとケーシングの間の環状空間は砂で橋が架かる傾向があり、これにより流れ抵抗が増加します。図 3 に示すように、最終的には環が完全に橋を架け、流れが止まり、坑井と生産ス​​トリングの間に圧力差が生じます。この時点で、流体はもはや ESP に流れることができなくなり、完成ストリングを引っ張る必要があります。固体生成に関連する多くの変数に応じて、スクリーン上の固体ブリッジを通過する流れを停止するのに必要な期間は、ESP が固体を含む流体を故障から地上までの平均時間でポンピングできる期間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とバルブ アセンブリ システムが REDA* ポンプの下に吊り下げられており、これは型破りな ESP の完成例です。井戸が生産されると、スクリーンは生産中の固形物を濾過しますが、砂とゆっくりと架橋し始め、圧力差が生じます。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、流体がチューブ ストリングに直接流れ込んで ESP に到達します。この流れにより圧力が均一になります。スクリーン全体に差動が発生し、スクリーンの外側の土嚢のグリップが緩みます。砂が環状部から自由に飛び出すため、スクリーンを通る流れ抵抗が減少し、流れが再開されます。差圧が低下すると、バルブが閉位置に戻り、通常の流れ状態が再開されます。保守のために ESP を穴から引き抜く必要が生じるまで、このサイクルを繰り返します。この記事で取り上げたケーススタディは、システムがスクリーニング完了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長できることを示しています。
最近の設置では、ステンレス鋼のワイヤー メッシュと ESP の間の領域を隔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、追加の中央チューブの穴が、生成された流体がスクリーンの内部からパッカー上の環状スペースに移動する流路を提供し、そこで流体が ESP 入口に入ることができます。
このソリューションに選択されたステンレス鋼ワイヤー メッシュ フィルターには、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またがる粒子に依存して土嚢を構築し、砂を制御します。ただし、スクリーンに対して選択できるギャップ値は 1 つだけであるため、スクリーンは生成される流体の粒子サイズ分布に非常に敏感になります。
対照的に、ステンレス鋼ワイヤーメッシュフィルターの厚いメッシュベッドは、生成された坑井孔流体に高い気孔率 (92%) と大きな開流面積 (40%) を提供します。フィルターは、ステンレス鋼フリースメッシュを圧縮し、穴の開いたセンターチューブの周りに直接巻き付け、両端でセンターチューブに溶接された穴あき保護カバー内にカプセル化することによって構築されます。メッシュベッド内の細孔の分布、不均一な角度配向 (15 μからの範囲) m ～ 600 µm) 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、無害な微粉が 3D 流路に沿って中央管に向かって流れることができます。このふるいの試験片の砂保持試験により、流体がふるいを通して生成されるため、フィルタが高い透過性を維持することが実証されました。効果的に、この単一の「サイズ」フィルタは、遭遇する生成流体のすべての粒子サイズ分布に対応できます。このステンレススチールウール スクリーンは、1980 年代に大手オペレーターによって特に内蔵型スクリーン用に開発されました。蒸気刺激貯留槽での施工も完了しており、設置成功の広範な実績があります。
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式バルブで構成されています。設置前にコイル スプリングのプリロードを調整することで、用途に応じたクラッキング圧力を達成するようにバルブをカスタマイズできます。通常、バルブはステンレス鋼のワイヤー メッシュの下で動作し、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メッシュが直列に動作し、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。
時間の経過とともに、地層粒子がポンプ プロテクター アセンブリの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。空洞が砂で満たされ、粒子が固化すると、土嚢全体の圧力降下が増加します。この圧力降下が設定値に達すると、コーン バルブが開き、ポンプ入口から直接流れが可能になります。この段階で、パイプを通る流れは、以前に固められた砂をスクリーン フィルターの外側に沿って粉砕することができます。圧力差が減少するため、流れが再開されます。スクリーンと吸気バルブが閉じます。そのため、ポンプはバルブからの流れを短時間しか直接見ることができません。流れの大部分はサンド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長くなります。
ポンプ保護システムは、米国のデラウェア盆地にある 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。主な目的は、砂関連の過負荷による 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、振動と電流の強さの低減、およびポンプ保護技術を示しています。新しいシステムの設置後、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 40% 延長されました。 22％以上。
坑井。ESP システムは、テキサス州マーティン郡の新しい掘削および破砕井に設置されました。坑井の垂直部分は約 9,000 フィート、水平部分は測定深さ (MD) で 12,000 フィートまで伸びています。最初の 2 つの完成では、6 つのライナー接続を備えたダウンホール渦砂分離システムが ESP 完成の不可欠な部分として設置されました。同じタイプの砂分離装置を使用した 2 つの連続した設置では、ESP 動作パラメータの不安定な動作が発生しました。引き抜かれたESPユニットを分解分析した結果、ボルテックスガスセパレータアセンブリに異物が詰まっていることが判明しました。異物は非磁性で酸と化学反応しないため、砂であると判明しました。
3 回目の ESP 設置では、ESP の砂制御手段として砂分離器の代わりにステンレス鋼のワイヤー メッシュが使用されました。新しいポンプ保護システムの設置後、ESP はより安定した動作を示し、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、さらに 100 psi の圧力降下が得られました。ESP 以上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。
坑井 B. ニューメキシコ州ユーニス近くの坑井では、別の型破りな坑井に ESP が設置されていましたが、ポンプ保護はありませんでした。最初のブート低下の後、ESP は不安定な動作を示し始めました。電流と圧力の変動は振動スパイクに関連しています。これらの条件を 137 日間維持した後、ESP が故障し、交換品が設置されました。2 番目の設置には、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。坑井が生産を再開した後、ESP は安定したアンペア数と少ない振動で正常に動作していました。この記事の発行時点で、ESP の 2 回目の実行は 300 日以上の稼働に達しており、前回のインストールに比べて大幅に改善されました。
井戸 C。システムの 3 番目のオンサイト設置は、砂の生産による停止と ESP の故障が発生し、ポンプの稼働時間を改善したいと考えていた石油・ガス専門会社によって、テキサス州メントンにありました。オペレーターは通常、各 ESP 坑井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。ただし、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 セクションに流れ込み、ポンプ ステージ、ベアリング、シャフトが腐食し、揚力の損失が発生します。ポンプで新しいシステムを運転した後プロテクターを追加すると、ESP の動作寿命が 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す。
動作中の砂と固形物に関連したシャットダウンの数は、最初の設置では 8 件の過負荷イベントが発生したが、2 番目の設置では 2 件に 75% 減少し、過負荷シャットダウン後の正常な再起動の数は、最初の設置では 8 件から 30% 増加しました。合計 12 のイベント (合計 8​​ つのイベント) が二次設備で実行され、機器への電気的ストレスが軽減され、ESP の動作寿命が延長されました。
図 5 は、ステンレス鋼のメッシュがブロックされ、バルブ アセンブリが開いたときの吸気圧力の兆候 (青色) の突然の増加を示しています。この圧力の兆候は、砂に関連した ESP の故障を予測することで生産効率をさらに向上させることができるため、ワークオーバー リグによる交換作業を計画できます。
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 チューブの実験分析」、SPE 論文 94673-MS、2005 年 6 月 20 日から 2 月 23 日、ブラジル、リオデジャネイロの SPE ラテンアメリカおよびカリブ海石油工学会議で発表。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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