펌프 보호 구성 요소는 펌프를 모래로부터 보호하고 비전통적 굴착공에서 ESP의 작동 수명을 연장하는 데 효과가 있는 것으로 입증되었습니다. 이 솔루션은 과부하와 가동 중단을 일으킬 수 있는 파쇄 모래 및 기타 고체의 역류를 제어합니다. 이 기술은 입자 크기 분포 불확실성과 관련된 문제를 제거합니다.
점점 더 많은 유정이 ESP에 의존함에 따라 전기 잠수 펌핑(ESP) 시스템의 수명을 연장하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 인공 리프트 펌프의 작동 수명과 성능은 생산된 유체의 고체에 민감합니다. ESP의 작동 수명과 성능은 고체 입자가 증가함에 따라 크게 감소했습니다. 또한 고체로 인해 ESP를 교체하는 데 필요한 유정 가동 중지 시간과 작업 빈도가 늘어납니다.
인공 리프트 펌프를 통과하는 고체 입자에는 형성 모래, 수압 파쇄 지지체, 시멘트, 침식되거나 부식된 금속 입자가 포함됩니다. 고체를 분리하도록 설계된 시추 기술은 저효율 사이클론에서 고효율 3D 스테인리스 스틸 와이어 메시까지 다양합니다. 시추 와류 분리기는 수십 년 동안 기존 시추공에서 사용되어 왔으며 주로 생산 중에 펌프를 큰 입자로부터 보호하는 데 사용됩니다. 그러나 비재래형 시추공은 간헐적인 슬러그 흐름의 영향을 받기 때문에 기존의 시추 와류 분리기 기술은 간헐적으로만 작동합니다.
ESP를 보호하기 위해 모래 제어 스크린과 시추공 소용돌이 탈수기를 결합한 여러 가지 변형이 제안되었습니다. 그러나 각 우물에서 생산되는 고체의 크기 분포와 부피의 불확실성으로 인해 모든 펌프의 보호 및 생산 성능에 차이가 있습니다. 불확실성으로 인해 모래 제어 구성 요소의 길이가 늘어나 ESP를 설정할 수 있는 깊이가 줄어들고 ESP의 저류층 감소 가능성이 제한되며 우물 경제성에 부정적인 영향을 미칩니다. 비전통적인 우물에서는 더 깊은 설정 깊이가 선호됩니다. 그러나 도글렉 심각도가 높은 케이싱 섹션에 길고 단단한 모래 제어 어셈블리를 매달기 위해 탈수기와 수컷 플러그 머드 앵커를 사용하면 ESP MTBF 개선이 제한됩니다. 내부 튜브의 부식은 이 설계의 또 다른 측면으로, 아직 적절하게 평가되지 않았습니다.
2005년 논문의 저자는 사이클론 작용과 중력에 의존하는 사이클론 튜브(그림 1) 기반 다운홀 모래 분리기의 실험 결과를 제시하여 분리 효율이 오일 점도, 유량 및 입자 크기에 따라 달라진다는 것을 보여주었습니다. 그들은 분리기의 효율이 입자의 최종 속도에 크게 의존한다는 것을 보여줍니다. 분리 효율은 유량이 감소하고, 고체 입자 크기가 감소하고, 오일 점도가 증가함에 따라 감소합니다(그림 2). 일반적인 사이클론 튜브 다운홀 분리기의 경우 입자 크기가 ~100µm로 떨어지면 분리 효율이 ~10%로 떨어집니다. 또한 유량이 증가함에 따라 와류 분리기는 침식 마모의 영향을 받으며, 이는 구조적 구성 요소의 사용 수명에 영향을 미칩니다.
다음의 논리적인 대안은 정의된 슬롯 너비가 있는 2D 모래 제어 스크린을 사용하는 것입니다. 입자 크기와 분포는 기존 또는 비기존 우물 생산에서 고형물을 걸러내기 위한 스크린을 선택할 때 중요한 고려 사항이지만, 알려지지 않았을 수도 있습니다. 고형물은 저류층에서 나올 수 있지만 힐마다 다를 수 있습니다. 또는 스크린이 수압 파쇄에서 모래를 걸러내야 할 수도 있습니다. 어느 경우든 고형물 수집, 분석 및 테스트 비용이 엄청날 수 있습니다.
2D 튜빙 스크린이 제대로 구성되지 않으면 결과적으로 유정의 경제성이 손상될 수 있습니다. 너무 작은 모래 스크린 개구부는 조기 막힘, 가동 중단 및 시정 작업의 필요성을 초래할 수 있습니다. 너무 큰 경우 고형물이 생산 공정에 자유롭게 유입되어 석유 파이프가 부식되고 인공 리프트 펌프가 손상되고 표면 초크가 플러싱되고 표면 분리기가 채워져 사포 분사 및 폐기가 필요할 수 있습니다. 이러한 상황에서는 펌프의 수명을 연장하고 다양한 크기의 모래를 처리할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 솔루션이 필요합니다.
이러한 필요성을 충족하기 위해, 고형물 분포에 민감하지 않은 스테인리스 스틸 와이어 메시와 함께 밸브 조립체를 사용하는 연구가 수행되었습니다. 연구에 따르면 다양한 기공 크기와 3D 구조를 가진 스테인리스 스틸 와이어 메시는 결과적으로 생성되는 고형물의 입자 크기 분포를 알지 못해도 다양한 크기의 고형물을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 3D 스테인리스 스틸 와이어 메시는 추가적인 2차 여과가 필요 없이 모든 크기의 모래 입자를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
스크린 하단에 장착된 밸브 어셈블리를 통해 ESP가 뽑힐 때까지 생산을 계속할 수 있습니다. 스크린이 연결된 직후 ESP가 즉시 회수되는 것을 방지합니다. 결과적으로 유입 모래 제어 스크린과 밸브 어셈블리는 유체 흐름을 청소하여 생산 중에 ESP, 로드 리프트 펌프 및 가스 리프트 완료를 고형물로부터 보호하고 다양한 상황에 맞게 저수조 특성을 조정하지 않고도 펌프 수명을 연장할 수 있는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.
1세대 펌프 보호 설계. 스테인리스 스틸 울 스크린을 사용하는 펌프 보호 어셈블리가 서부 캐나다의 증기 지원 중력 배수 우물에 배치되어 생산 중에 ESP를 고형물로부터 보호합니다. 스크린은 생산 유체가 생산 스트링으로 들어갈 때 유해한 고형물을 걸러냅니다. 생산 스트링 내에서 유체는 ESP 입구로 흘러 표면으로 펌핑됩니다. 패커는 스크린과 ESP 사이에 설치하여 생산 구역과 상부 시추공 사이에 구역적 격리를 제공할 수 있습니다.
생산 시간이 지남에 따라 스크린과 케이싱 사이의 환형 공간은 모래와 연결되어 유동 저항을 증가시킵니다. 결국 환형 공간이 완전히 연결되어 유동을 멈추고, 그림 3과 같이 시추공과 생산 스트링 사이에 압력 차이를 발생시킵니다. 이 시점에서 유체는 더 이상 ESP로 흐를 수 없으므로 완료 스트링을 당겨야 합니다. 고형물 생산과 관련된 여러 변수에 따라, 스크린의 고형물 연결을 통한 유동을 멈추는 데 필요한 시간은 ESP가 고형물을 포함한 유체를 지반으로 펌핑하는 데 필요한 평균 고장 간격(MTB)보다 짧을 수 있습니다. 따라서 2세대 구성 요소가 개발되었습니다.
2세대 펌프 보호 어셈블리.그림 4에서 PumpGuard* 입구 모래 제어 스크린 및 밸브 어셈블리 시스템은 REDA* 펌프 아래에 매달려 있으며, 비전통적인 ESP 완료의 예입니다.우물에서 생산이 시작되면 스크린은 생산 중인 고형물을 걸러내지만 모래와 천천히 연결되어 압력 차이를 발생시킵니다.이 압력 차이가 밸브의 설정 크래킹 압력에 도달하면 밸브가 열리고 유체가 ESP로 가는 튜빙 스트링으로 직접 흐릅니다.이 흐름은 스크린 전체의 압력 차이를 균일하게 하여 스크린 외부의 모래주머니 그립을 느슨하게 합니다.모래는 고리에서 자유롭게 빠져나와 스크린을 통과하는 흐름 저항을 줄이고 흐름이 다시 시작될 수 있도록 합니다.차압이 떨어지면 밸브는 닫힌 위치로 돌아가고 정상적인 흐름 조건이 다시 시작됩니다.서비스를 위해 ESP를 구멍에서 빼내야 할 때까지 이 사이클을 반복합니다.이 기사에서 강조된 사례 연구는 이 시스템이 스크리닝 완료만 실행하는 것에 비해 펌프의 수명을 크게 연장할 수 있음을 보여줍니다.
최근 설치에서는 스테인리스 스틸 와이어 메시와 ESP 사이의 공간을 분리하기 위한 비용 중심의 솔루션이 도입되었습니다. 스크린 섹션 위에 아래쪽을 향한 컵 패커가 장착되었습니다. 컵 패커 위에는 추가 중앙 튜브 천공이 있어 생성된 유체가 스크린 내부에서 패커 위의 환형 공간으로 이동할 수 있는 흐름 경로를 제공하며, 이곳에서 유체가 ESP 입구로 들어갈 수 있습니다.
이 솔루션에 선택된 스테인리스 스틸 와이어 메시 필터는 갭 기반 2D 메시 유형보다 여러 가지 장점을 제공합니다. 2D 필터는 주로 필터 갭이나 슬롯에 걸쳐 있는 입자에 의존하여 모래주머니를 만들고 모래를 제어합니다. 그러나 스크린에 대해 단일 갭 값만 선택할 수 있으므로 스크린은 생성된 유체의 입자 크기 분포에 매우 민감해집니다.
이와 대조적으로, 스테인리스 스틸 와이어 메쉬 필터의 두꺼운 메쉬 베드는 생성된 시추공 유체에 대해 높은 기공률(92%)과 넓은 개방 유동 영역(40%)을 제공합니다. 필터는 스테인리스 스틸 플리스 메쉬를 압축하여 천공된 중앙 튜브에 직접 감싼 다음, 양쪽 끝에서 중앙 튜브에 용접된 천공된 보호 커버 안에 캡슐화하여 제작됩니다. 메쉬 베드의 기공 분포, 불균일한 각도 방향(15µm~600µm) 덕분에 더 크고 유해한 입자가 메쉬 내에 갇힌 후 무해한 미립자가 3차원 유동 경로를 따라 중앙 튜브 쪽으로 흐를 수 있습니다. 이 체 시편에 대한 모래 보유 시험은 유체가 체를 통해 생성되기 때문에 필터가 높은 투과성을 유지함을 보여주었습니다. 실제로 이 단일 "크기" 필터는 발생하는 모든 생성 유체의 입자 크기 분포를 처리할 수 있습니다. 이 스테인리스 스틸 울 스크린은 1980년대에 주요 운영자가 자체 포함형 스크린 완성을 위해 특별히 개발했습니다. 증기는 저수지를 자극하고 성공적인 설치에 대한 광범위한 실적을 가지고 있습니다.
밸브 어셈블리는 생산 영역에서 튜빙 스트링으로 일방적인 흐름을 허용하는 스프링 장착 밸브로 구성됩니다. 설치 전에 코일 스프링 예압을 조정함으로써 밸브를 사용자 정의하여 응용 분야에 필요한 크래킹 압력을 달성할 수 있습니다. 일반적으로 밸브는 스테인리스 스틸 와이어 메시 아래에 설치되어 저장소와 ESP 사이에 보조 흐름 경로를 제공합니다. 경우에 따라 여러 개의 밸브와 스테인리스 스틸 메시가 직렬로 작동하며 중간 밸브의 크래킹 압력이 가장 낮은 밸브보다 낮습니다.
시간이 지남에 따라 형성 입자는 펌프 보호기 어셈블리 스크린의 외부 표면과 생산 케이싱의 벽 사이의 환형 영역을 채웁니다. 캐비티가 모래로 채워지고 입자가 응고되면 모래주머니 전체의 압력 강하가 증가합니다. 이 압력 강하가 사전 설정된 값에 도달하면 원뿔형 밸브가 열리고 펌프 입구를 통해 직접 흐름이 허용됩니다. 이 단계에서 파이프를 통한 흐름은 스크린 필터 외부를 따라 이전에 응고된 모래를 분해할 수 있습니다. 압력 차이가 감소함에 따라 흐름이 스크린을 통해 다시 시작되고 흡입 밸브가 닫힙니다. 따라서 펌프는 짧은 시간 동안만 밸브에서 직접 흐름을 볼 수 있습니다. 이는 대부분의 흐름이 모래 스크린을 통해 걸러진 유체이므로 펌프의 수명을 연장합니다.
펌프 보호 시스템은 미국 델라웨어 분지의 세 개의 서로 다른 유정에서 패커를 사용하여 작동되었습니다. 주요 목표는 모래 관련 과부하로 인한 ESP 시작 및 중지 횟수를 줄이고 ESP 가용성을 높여 생산을 개선하는 것입니다. 펌프 보호 시스템은 ESP 스트링의 하단에서 매달려 있습니다. 유정의 결과는 안정적인 펌프 성능, 감소된 진동 및 전류 강도, 펌프 보호 기술을 보여줍니다. 새로운 시스템을 설치한 후 모래 및 고형물 관련 가동 중지 시간이 75% 감소했고 펌프 수명이 22% 이상 증가했습니다.
우물. ESP 시스템은 텍사스 마틴 카운티의 새로운 시추 및 파쇄 우물에 설치되었습니다. 우물의 수직 부분은 약 9,000피트이고 수평 부분은 측정된 깊이(MD)로 12,000피트까지 확장됩니다. 처음 두 번의 완료를 위해 6개의 라이너 연결이 있는 시추 소용돌이 모래 분리기 시스템이 ESP 완료의 필수 부분으로 설치되었습니다. 동일한 유형의 모래 분리기를 사용하여 두 번 연속 설치한 경우 ESP 작동 매개변수(전류 강도 및 진동)의 불안정한 동작이 관찰되었습니다. 당겨진 ESP 장치의 분해 분석 결과 소용돌이 가스 분리기 어셈블리가 이물질로 막혀 있는 것으로 나타났으며, 이는 비자성이고 산과 화학적으로 반응하지 않기 때문에 모래인 것으로 확인되었습니다.
세 번째 ESP 설치에서는 ESP 모래 제어 수단으로 모래 분리기를 스테인리스 스틸 와이어 메시로 교체했습니다. 새로운 펌프 보호 시스템을 설치한 후 ESP가 더 안정적인 동작을 보였으며, 모터 전류 변동 범위가 설치 #2의 경우 약 19A에서 설치 #3의 경우 약 6.3A로 줄었습니다. 진동이 더 안정적이 되었고 추세가 75% 감소했습니다. 압력 강하도 안정적이었으며, 이전 설치에 비해 변동이 거의 없었고, 압력 강하가 추가로 100psi 증가했습니다. ESP 과부하 차단이 100% 감소했고 ESP가 낮은 진동으로 작동합니다.
B 우물. 뉴멕시코 주 유니스 근처의 한 우물에서 또 다른 비전통적인 우물에는 ESP가 설치되었지만 펌프 보호 장치는 없었습니다. 초기 부트 드롭 이후 ESP가 불규칙적인 동작을 보이기 시작했습니다. 전류와 압력의 변동은 진동 스파이크와 관련이 있습니다. 137일 동안 이러한 조건을 유지한 후 ESP가 고장나서 교체품을 설치했습니다. 두 번째 설치에는 동일한 ESP 구성의 새로운 펌프 보호 시스템이 포함되었습니다. 우물이 생산을 재개한 후 ESP는 안정적인 전류와 적은 진동으로 정상적으로 작동했습니다. 출판 당시 ESP의 두 번째 가동은 300일이 넘게 운영되었으며 이는 이전 설치에 비해 상당한 개선이었습니다.
C 우물. 이 시스템의 세 번째 현장 설치는 텍사스주 멘톤에 있는 석유 및 가스 전문 회사에서 이루어졌습니다. 이 회사는 모래 생산으로 인해 정전과 ESP 고장을 겪었고 펌프 가동 시간을 개선하고자 했습니다. 운영자는 일반적으로 각 ESP 우물에 라이너가 있는 다운홀 모래 분리기를 운영합니다. 그러나 라이너가 모래로 채워지면 분리기가 모래가 펌프 섹션을 통해 흐르도록 하여 펌프 단계, 베어링 및 샤프트를 부식시키고 결과적으로 리프트가 손실됩니다. 펌프 보호 장치가 있는 새 시스템을 운영한 후 ESP의 작동 수명이 22% 더 길어졌고 압력 강하가 더 안정적이며 ESP 관련 가동 시간이 향상되었습니다.
운전 중 모래 및 고형물 관련 정지 횟수는 첫 번째 설비의 8회에서 두 번째 설비의 2회로 75% 감소했으며, 과부하 정지 후 성공적인 재시동 횟수는 첫 번째 설비의 8회에서 30% 증가했습니다. 두 번째 설비에서는 총 12회, 총 8회의 정지가 수행되어 장비의 전기적 스트레스를 줄이고 ESP의 작동 수명을 연장했습니다.
그림 5는 스테인리스 스틸 메시가 막히고 밸브 어셈블리가 열렸을 때 흡입 압력 특성(파란색)이 갑자기 증가하는 것을 보여줍니다. 이 압력 특성은 모래 관련 ESP 고장을 예측하여 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 재작업 장비를 이용한 교체 작업을 계획할 수 있습니다.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, "시추공 탈산더 장치로서의 소용돌이관의 실험 분석", SPE 논문 94673-MS, 2005년 6월 20일~2월 23일, 브라질 리우데자네이루에서 개최된 SPE 라틴 아메리카 및 카리브해 석유 공학 컨퍼런스에서 발표됨.https://doi.org/10.2118/94673-MS.
본 논문은 2021년 11월 15~18일, 아랍에미리트 아부다비에서 개최된 아부다비 국제 석유 전시회 및 컨퍼런스에서 발표된 SPE 논문 207926-MS의 내용을 담고 있습니다.
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