펌프 보호 구성요소는 모래로부터 펌프를 보호하고 비재래식 유정에서 ESP의 작동 수명을 연장하는 것으로 입증되었습니다. 이 솔루션은 과부하 및 가동 중지를 유발할 수 있는 프랙 모래 및 기타 고체의 역류를 제어합니다. 활성화 기술은 입자 크기 분포 불확실성과 관련된 문제를 제거합니다.
점점 더 많은 유정이 ESP에 의존함에 따라 전기 수중 펌핑(ESP) 시스템의 수명을 연장하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 인공 리프트 펌프의 작동 수명과 성능은 생성된 유체의 고형물에 민감합니다. ESP의 작동 수명과 성능은 고형 입자가 증가함에 따라 크게 감소했습니다. 또한 고형물은 ESP를 교체하는 데 필요한 유정 가동 중지 시간과 복구 빈도를 증가시킵니다.
인공 리프트 펌프를 통해 자주 흐르는 고체 입자에는 지층 모래, 수압 파쇄 프로판트, 시멘트 및 침식되거나 부식된 금속 입자가 포함됩니다. 저효율 사이클론에서 고효율 3D 스테인리스 스틸 와이어 메쉬에 이르기까지 고형물을 분리하도록 설계된 다운홀 기술은 수십 년 동안 기존 우물에서 사용되어 왔으며 주로 생산 중에 큰 입자로부터 펌프를 보호하는 데 사용됩니다. 기존 다운홀 와류 분리기 기술은 간헐적으로만 작동합니다.
ESP를 보호하기 위해 결합된 모래 제어 스크린과 다운홀 와류 디샌더의 여러 변형이 제안되었습니다. 그러나 크기 분포의 불확실성과 각 우물에서 생성된 고체의 부피로 인해 모든 펌프의 보호 및 생산 성능에는 차이가 있습니다. 불확실성은 모래 제어 구성 요소의 길이를 증가시켜 ESP가 설정될 수 있는 깊이를 줄이고 ESP의 저장소 감소 가능성을 제한하며 우물 경제성에 부정적인 영향을 미칩니다.비재래식 우물에서는 더 깊은 설정 깊이가 선호됩니다.방법 도그레그 심각도가 높은 케이싱 섹션에서 길고 단단한 모래 컨트롤 어셈블리를 매달기 위해 디샌더 및 수플러그 머드 앵커를 사용하면 ESP MTBF 개선이 제한됩니다. 내부 튜브의 부식은 적절하게 평가되지 않은 이 디자인의 또 다른 측면입니다.
2005년 논문의 저자는 사이클론 작용과 중력에 의존하는 사이클론 튜브(그림 1)를 기반으로 한 다운홀 모래 분리기의 실험 결과를 제시하여 분리 효율이 오일 점도, 유속 및 입자 크기에 따라 달라진다는 것을 보여주었습니다. 그들은 분리기의 효율이 입자의 종단 속도에 크게 의존한다는 것을 보여줍니다. 분리 효율은 유속이 감소하고 고체 입자 크기가 감소하며 오일 점도가 증가함에 따라 감소합니다. 입자 크기가 ~100 µm로 떨어지면서 10%.또한 유속이 증가함에 따라 와류 분리기는 침식 마모에 노출되어 구조 부품 수명에 영향을 미칩니다.
다음 논리적 대안은 슬롯 너비가 정의된 2D 모래 제어 화면을 사용하는 것입니다. 입자 크기와 분포는 기존 또는 비전통적인 유정 생산에서 고형물을 필터링하기 위해 스크린을 선택할 때 중요한 고려 사항이지만 알 수 없을 수도 있습니다. 고형물은 저장소에서 나올 수 있지만 힐마다 다를 수 있습니다.또는 스크린이 수압 파쇄에서 모래를 여과해야 할 수도 있습니다. 두 경우 모두 고형물 수집, 분석 및 테스트 비용이 엄청날 수 있습니다.
2D 튜빙 스크린이 적절하게 구성되지 않은 경우 결과는 우물의 경제성을 손상시킬 수 있습니다. 너무 작은 샌드 스크린 개구부는 조기 막힘, 종료 및 개선 작업의 필요성을 초래할 수 있습니다. 너무 크면 고형물이 생산 공정에 자유롭게 유입되어 송유관을 부식시키고 인공 리프트 펌프를 손상시키고 표면 초크를 플러시하고 표면 분리기를 채워 샌드블라스팅 및 폐기가 필요할 수 있습니다. 이러한 상황에는 펌프의 수명을 연장할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 솔루션이 필요합니다. 모래 크기의 넓은 분포를 다룹니다.
이러한 요구를 충족시키기 위해 결과적인 고형물 분포에 둔감한 스테인리스 스틸 와이어 메쉬와 함께 밸브 어셈블리를 사용하는 것에 대한 연구가 수행되었습니다. 연구에 따르면 가변 기공 크기와 3D 구조를 가진 스테인리스 스틸 와이어 메쉬는 생성된 고형물의 입자 크기 분포를 알지 않고도 다양한 크기의 고형물을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 3D 스테인리스 스틸 와이어 메쉬는 추가 2차 여과 없이 모든 크기의 모래 알갱이를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
스크린 하단에 장착된 밸브 어셈블리를 사용하면 ESP를 꺼낼 때까지 생산을 계속할 수 있습니다. 스크린이 연결된 직후 ESP가 회수되는 것을 방지합니다. 그 결과 흡입구 모래 제어 스크린 및 밸브 어셈블리는 유체 흐름을 청소하여 ESP, 로드 리프트 펌프 및 가스 리프트 완료를 생산 중에 고형물로부터 보호하고 다양한 상황에 맞게 저장소 특성을 조정하지 않고도 펌프 수명을 연장할 수 있는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.
1세대 펌프 보호 설계. 스테인레스 스틸 울 스크린을 사용하는 펌프 보호 어셈블리는 생산 중 고형물로부터 ESP를 보호하기 위해 캐나다 서부의 증기 보조 중력 배수 우물에 배치되었습니다. 스크린은 생산 스트링에 들어갈 때 생산 유체에서 유해한 고형물을 걸러냅니다. 생산 스트링 내에서 유체는 ESP 입구로 흐르고 여기에서 유체는 표면으로 펌핑됩니다. 패커는 스크린과 ESP 사이에서 실행되어 생산 영역과 상부 유정 사이의 구역 격리를 제공할 수 있습니다.
생산 시간이 지남에 따라 스크린과 케이싱 사이의 환형 공간은 모래로 연결되는 경향이 있어 유동 저항이 증가합니다. 결국 환형은 완전히 연결되고 흐름을 멈추고 그림 3과 같이 유정과 생산 스트링 사이에 압력 차이를 생성합니다. 이 시점에서 유체는 더 이상 ESP로 흐를 수 없으며 완료 스트링을 당겨야 합니다.고형물 생산과 관련된 여러 변수에 따라 스크린의 고형물 브리지를 통한 흐름을 중지하는 데 필요한 기간은 ESP가 고형물이 포함된 유체를 평균 고장 사이의 지면으로 펌핑할 수 있도록 허용하는 기간보다 짧을 수 있으므로 2세대 구성 요소가 개발되었습니다.
2세대 펌프 보호 어셈블리.PumpGuard* 흡입구 모래 제어 스크린 및 밸브 어셈블리 시스템은 그림 4의 REDA* 펌프 아래에 매달려 있으며, 이는 비전통적인 ESP 완성의 예입니다.유정이 생성되면 스크린은 생산 중인 고형물을 필터링하지만 천천히 모래와 연결되어 압력 차이를 생성하기 시작합니다.이 차압이 밸브의 설정 크래킹 압력에 도달하면 밸브가 열려 유체가 튜브 스트링을 통해 ESP로 직접 흐를 수 있습니다.이 흐름은 스크린 전체의 압력 차이를 균일화하여 풀립니다 스크린 외부에 있는 모래 주머니의 그립.모래는 고리에서 자유롭게 빠져나와 스크린을 통한 흐름 저항을 줄이고 흐름을 재개할 수 있습니다.차압이 떨어지면 밸브가 닫힌 위치로 돌아가고 정상적인 흐름 상태가 재개됩니다.서비스를 위해 구멍에서 ESP를 빼내야 할 때까지 이 주기를 반복합니다.이 기사에서 강조된 사례 연구는 시스템이 스크리닝 완료만 실행하는 것과 비교하여 펌프의 수명을 크게 연장할 수 있음을 보여줍니다.
최근 설치를 위해 스테인리스 스틸 와이어 메쉬와 ESP 사이의 영역 격리를 위해 비용 기반 솔루션이 도입되었습니다. 아래쪽을 향하는 컵 패커가 스크린 섹션 위에 장착됩니다. 컵 패커 위에 추가 중앙 튜브 천공은 생성된 유체가 스크린 내부에서 패커 위의 환형 공간으로 이동하여 유체가 ESP 입구로 들어갈 수 있는 흐름 경로를 제공합니다.
이 솔루션을 위해 선택한 스테인리스 스틸 와이어 메쉬 필터는 갭 기반 2D 메쉬 유형에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 2D 필터는 주로 필터 갭 또는 슬롯에 걸쳐 있는 입자에 의존하여 모래 주머니를 만들고 모래 제어를 제공합니다. 그러나 스크린에 대해 단일 갭 값만 선택할 수 있기 때문에 스크린은 생성된 유체의 입자 크기 분포에 매우 민감해집니다.
대조적으로, 스테인리스 스틸 와이어 메쉬 필터의 두꺼운 메쉬 베드는 생성된 유정 유체에 대해 높은 다공성(92%)과 큰 개방 유동 영역(40%)을 제공합니다. 필터는 스테인리스 스틸 플리스 메쉬를 압축하고 천공된 중앙 튜브 주위에 직접 감싸서 구성한 다음 각 끝에서 중앙 튜브에 용접되는 천공된 보호 커버 내에 캡슐화합니다. 0 µm)는 더 크고 유해한 입자가 메쉬 내에 갇힌 후 무해한 미세 입자가 3D 흐름 경로를 따라 중앙 튜브를 따라 흐를 수 있도록 합니다. 이 체의 표본에 대한 모래 보유 테스트는 유체가 체를 통해 생성되기 때문에 필터가 높은 투과성을 유지한다는 것을 입증했습니다. 효과적으로 이 단일 "크기" 필터는 발생하는 생성된 유체의 모든 입자 크기 분포를 처리할 수 있습니다. 이 스테인리스 스틸 울 스크린은 특히 증기 자극 저장소에서 자급식 스크린 완성을 위해 1980년대에 주요 작업자에 의해 개발되었습니다. s 및 성공적인 설치에 대한 광범위한 실적을 보유하고 있습니다.
밸브 어셈블리는 생산 영역에서 튜빙 스트링으로의 단방향 흐름을 허용하는 스프링 장착 밸브로 구성됩니다. 설치 전에 코일 스프링 예압을 조정하여 응용 분야에 원하는 크래킹 압력을 달성하도록 밸브를 사용자 정의할 수 있습니다. 일반적으로 밸브는 저장소와 ESP 사이에 보조 흐름 경로를 제공하기 위해 스테인리스 스틸 와이어 메쉬 아래에서 실행됩니다. 경우에 따라 여러 밸브와 스테인리스 스틸 메쉬가 직렬로 작동하며 중간 밸브는 가장 낮은 밸브보다 크래킹 압력이 낮습니다.
시간이 지남에 따라 형성 입자는 펌프 프로텍터 어셈블리 스크린의 외부 표면과 생산 케이싱의 벽 사이의 환형 영역을 채웁니다. 캐비티가 모래로 채워지고 입자가 통합됨에 따라 샌드백 전체의 압력 강하가 증가합니다. 이 압력 강하가 사전 설정 값에 도달하면 콘 밸브가 열리고 펌프 흡입구를 통해 직접 흐름이 허용됩니다. 이 단계에서 파이프를 통과하는 흐름은 스크린 필터의 외부를 따라 이전에 고화된 모래를 분해할 수 있습니다. 감소된 압력 차이로 인해 흐름이 스크린을 통해 재개되고 흡기 밸브가 닫힙니다. 따라서 펌프는 짧은 시간 동안만 밸브에서 직접 흐름을 볼 수 있습니다. 대부분의 흐름이 샌드 스크린을 통해 여과된 유체이므로 펌프의 수명이 연장됩니다.
펌프 보호 시스템은 미국 델라웨어 분지(Delaware Basin)의 서로 다른 3개 유정에서 패커와 함께 운영되었습니다. 주요 목표는 모래 관련 과부하로 인한 ESP 시작 및 중지 횟수를 줄이고 ESP 가용성을 높여 생산을 개선하는 것입니다. 펌프 보호 시스템은 ESP 스트링의 하단부에서 중단됩니다. 유정의 결과 안정적인 펌프 성능, 진동 및 전류 강도 감소, 펌프 보호 기술을 보여줍니다. 새로운 시스템을 설치한 후 모래 및 고체 관련 가동 중지 시간이 75% 감소했으며 펌프 수명이 22 이상 증가했습니다 %.
유정. ESP 시스템은 텍사스 주 마틴 카운티에 있는 새로운 시추 및 파쇄 유정에 설치되었습니다. 유정의 수직 부분은 약 9,000피트이고 수평 부분은 12,000피트까지 확장되며 깊이(MD)를 측정했습니다. 처음 두 완료의 경우 6개의 라이너 연결이 있는 다운홀 와류 모래 분리기 시스템이 ESP 완료의 필수 부분으로 설치되었습니다. 동일한 유형의 모래 분리기를 사용하는 두 번의 연속 설치에서 ESP 작동 매개변수(전류 강도 및 진동)의 불안정한 동작이 관찰되었습니다. 당겨진 ESP 장치의 분해 분석 결과 와류 가스 분리기 어셈블리가 이물질로 막힌 것으로 나타났습니다. 이물질은 비자성이고 산과 화학적으로 반응하지 않기 때문에 모래로 판명되었습니다.
세 번째 ESP 설치에서는 스테인리스 스틸 와이어 메쉬가 ESP 모래 제어 수단으로 모래 분리기를 대체했습니다. 새로운 펌프 보호 시스템을 설치한 후 ESP는 모터 전류 변동 범위를 설치 #2의 경우 ~19A에서 설치 #3의 경우 ~6.3A로 줄여 더 안정적인 동작을 보였습니다. 진동이 더 안정적이고 추세가 75% 감소했습니다. 압력 강하도 안정적이었으며 이전 설치에 비해 변동이 거의 없었고 추가로 100psi의 압력 강하를 얻었습니다.ESP 과부하 차단이 감소했습니다. 100% 감소하고 ESP는 낮은 진동으로 작동합니다.
우물 B. 뉴멕시코 주 유니스 근처의 한 우물에는 ESP가 설치되었지만 펌프 보호 장치가 없는 또 다른 특이한 우물이 있습니다.초기 부팅 후 ESP가 비정상적인 동작을 보이기 시작했습니다.전류 및 압력의 변동은 진동 스파이크와 관련이 있습니다.이러한 조건을 137일 동안 유지한 후 ESP가 실패하고 교체품이 설치되었습니다.두 번째 설치에는 ESP 구성이 동일한 새 펌프 보호 시스템이 포함됩니다. 간행물에서 ESP의 두 번째 실행은 300일 이상의 작동에 도달하여 이전 설치에 비해 크게 개선되었습니다.
Well C. 시스템의 세 번째 현장 설치는 모래 생산으로 인한 정전 및 ESP 고장을 경험하고 펌프 가동 시간을 개선하기를 원하는 석유 및 가스 전문 회사가 텍사스 주 멘톤에 설치했습니다. 운영자는 일반적으로 각 ESP 우물에 라이너가 있는 다운홀 모래 분리기를 실행합니다. 더 안정적인 압력 강하와 향상된 ESP 관련 가동 시간으로 작동 수명이 22% 더 길어졌습니다.
작동 중 모래 및 고형물 관련 종료 횟수는 첫 번째 설치의 8개 과부하 이벤트에서 두 번째 설치의 2개로 75% 감소했으며 과부하 종료 후 성공적인 재시작 횟수는 첫 번째 설치의 8개에서 30% 증가했습니다.총 8개의 이벤트에 대해 총 12개의 이벤트가 2차 설비에서 수행되어 장비의 전기적 스트레스를 줄이고 ESP의 작동 수명을 늘렸습니다.
그림 5는 스테인리스 스틸 메시가 막히고 밸브 어셈블리가 열렸을 때 흡기 압력 신호(파란색)의 급격한 증가를 보여줍니다. 이 압력 신호는 모래 관련 ESP 고장을 예측하여 생산 효율성을 더욱 향상시킬 수 있으므로 개보수 장비를 사용한 교체 작업을 계획할 수 있습니다.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, "Experimental analysis of swirl tube as downhole desander device," SPE Paper 94673-MS, 2005년 6월 20일부터 2월 23일까지 브라질 리우데자네이루에서 개최된 SPE 라틴 아메리카 및 카리브해 석유 공학 회의에서 발표됨.https://doi.org/10.2118/94673-MS.
이 문서에는 2021년 11월 15~18일 UAE 아부다비에서 열린 아부다비 국제 석유 전시회 및 컨퍼런스에서 발표된 SPE 논문 207926-MS의 요소가 포함되어 있습니다.
모든 자료는 엄격하게 시행되는 저작권법의 적용을 받습니다. 이 사이트를 사용하기 전에 이용 약관, 쿠키 정책 및 개인 정보 보호 정책을 읽어 보십시오.