Udowodniono, że elementy zabezpieczające pompy chronią pompy przed piaskiem i wydłużają żywotność ESP w niekonwencjonalnych odwiertach. To rozwiązanie kontroluje cofanie się piasku szczelinującego i innych ciał stałych, które mogą powodować przeciążenia i przestoje. Ta technologia eliminuje problemy związane z niepewnością dotyczącą rozkładu wielkości cząstek.
Ponieważ coraz więcej odwiertów naftowych korzysta z elektrofiltrów, coraz ważniejsze staje się wydłużenie żywotności elektrycznych systemów pomp zatapialnych (ESP). Żywotność i wydajność pomp podnoszących są wrażliwe na obecność cząstek stałych w wydobywanych płynach. Żywotność i wydajność ESP znacznie się zmniejszyły wraz ze wzrostem zawartości cząstek stałych. Ponadto cząstki stałe wydłużają czas przestoju odwiertu i częstotliwość remontów wymaganych do wymiany ESP.
Stałe cząstki, które często przepływają przez sztuczne pompy podnoszące, obejmują piasek formacyjny, materiały podsadzkowe do szczelinowania hydraulicznego, cement oraz zerodowane lub skorodowane cząstki metalu. Technologie otworowe przeznaczone do oddzielania ciał stałych obejmują zarówno mało wydajne cyklony, jak i wysokowydajne siatki 3D ze stali nierdzewnej. Odpylacze wirowe otworowe są stosowane w konwencjonalnych odwiertach od dziesięcioleci i służą głównie do ochrony pomp przed dużymi cząstkami w trakcie produkcji. Jednak niekonwencjonalne odwierty są narażone na okresowy przepływ ślimakowy, co powoduje, że istniejąca technologia separatorów wirowych otworowych działa tylko okresowo.
W celu ochrony ESP zaproponowano kilka różnych wariantów połączonych sit kontroli piasku i odpiaszczaczy wirowych w otworach wiertniczych. Istnieją jednak luki w ochronie i wydajności produkcyjnej wszystkich pomp ze względu na niepewność dotyczącą rozkładu wielkości i objętości ciał stałych wydobywanych przez poszczególne odwierty. Niepewność zwiększa długość elementów kontroli piasku, co zmniejsza głębokość, na której można ustawić ESP, ograniczając potencjał spadku złoża ESP i negatywnie wpływając na ekonomikę odwiertu. W przypadku odwiertów niekonwencjonalnych preferowane są większe głębokości osadzania. Jednak stosowanie odpiaszczaczy i męskich kotew płuczkowych do zawieszania długich, sztywnych zespołów kontroli piasku w sekcjach obudowy o dużym natężeniu zakrętu ograniczyło poprawę MTBF ESP. Korozja rury wewnętrznej to kolejny aspekt tej konstrukcji, który nie został odpowiednio oceniony.
Autorzy artykułu z 2005 r. przedstawili wyniki eksperymentów separatora piasku w otworze wiertniczym opartego na rurze cyklonowej (rysunek 1), który zależał od działania cyklonu i grawitacji, aby pokazać, że wydajność separacji zależy od lepkości oleju, szybkości przepływu i wielkości cząstek. Wykazują, że wydajność separatora w dużym stopniu zależy od prędkości końcowej cząstek. Wydajność separacji maleje wraz ze zmniejszaniem się szybkości przepływu, zmniejszaniem się wielkości cząstek stałych i zwiększaniem lepkości oleju, rysunek 2. W przypadku typowego separatora w otworze wiertniczym z rurą cyklonową wydajność separacji spada do ~10%, gdy wielkość cząstek spada do ~100 µm. Ponadto, wraz ze wzrostem szybkości przepływu, separator wirowy jest podatny na zużycie erozyjne, co wpływa na trwałość elementów konstrukcyjnych.
Kolejną logiczną alternatywą jest zastosowanie dwuwymiarowego sita do kontroli piasku z określoną szerokością szczeliny. Wielkość i rozkład cząstek to ważne czynniki, które należy brać pod uwagę przy wyborze sit do filtrowania ciał stałych w konwencjonalnych lub niekonwencjonalnych metodach wydobycia, ale mogą być nieznane. Ciała stałe mogą pochodzić ze złoża, ale mogą się różnić w zależności od jego części; alternatywnie sito może filtrować piasek pochodzący ze szczelinowania hydraulicznego. W obu przypadkach koszty gromadzenia, analizy i testowania ciał stałych mogą być zaporowe.
Jeśli sito 2D nie jest prawidłowo skonfigurowane, wyniki mogą mieć negatywny wpływ na ekonomikę odwiertu. Zbyt małe otwory sita piaskowego mogą powodować przedwczesne zatykanie, wyłączenia i konieczność przeprowadzania remontów naprawczych. Jeśli są zbyt duże, pozwalają na swobodne przedostawanie się ciał stałych do procesu produkcyjnego, co może powodować korozję rur naftowych, uszkadzać pompy podnoszące, wypłukiwać zatory powierzchniowe i wypełniać separatory powierzchniowe, co wymaga piaskowania i utylizacji. Taka sytuacja wymaga prostego, ekonomicznego rozwiązania, które może wydłużyć żywotność pompy i pokryć szeroki zakres rozmiarów piasku.
Aby sprostać tym potrzebom, przeprowadzono badanie nad zastosowaniem zespołów zaworów w połączeniu z siatką ze stali nierdzewnej, która jest niewrażliwa na rozkład powstających cząstek stałych. Badania wykazały, że siatka ze stali nierdzewnej o zmiennej wielkości porów i strukturze 3D może skutecznie kontrolować cząstki stałe o różnych rozmiarach, bez konieczności znajomości rozkładu wielkości cząstek powstających cząstek stałych. Siatka 3D ze stali nierdzewnej może skutecznie kontrolować ziarna piasku o wszystkich rozmiarach, bez potrzeby dodatkowej filtracji wtórnej.
Zespół zaworów zamontowany na dole sita umożliwia kontynuowanie produkcji do momentu wyjęcia ESP. Zapobiega to natychmiastowemu wyciągnięciu ESP po zamknięciu sita. Powstały w ten sposób zespół sita kontrolującego piasek wlotowy i zaworu chroni ESP, pompy podnoszące pręty i zestawy podnoszące gaz przed ciałami stałymi w trakcie produkcji, oczyszczając przepływ cieczy, a także zapewnia ekonomiczne rozwiązanie wydłużające żywotność pompy bez konieczności dostosowywania charakterystyki zbiornika do różnych sytuacji.
Konstrukcja ochrony pompy pierwszej generacji. Zespół ochrony pompy wykorzystujący sita z wełny ze stali nierdzewnej został zainstalowany w odwiercie grawitacyjnym z odwodnieniem parowym w zachodniej Kanadzie w celu ochrony ESP przed ciałami stałymi w trakcie produkcji. Sita filtrują szkodliwe ciała stałe z płynu produkcyjnego, gdy wpływa on do ciągu produkcyjnego. W ciągu produkcyjnym płyny przepływają do wlotu ESP, skąd są pompowane na powierzchnię. Między sitem a ESP można zainstalować uszczelniacze, aby zapewnić izolację strefową między strefą produkcji a górnym otworem odwiertu.
W czasie produkcji przestrzeń pierścieniowa między ekranem a obudową ma tendencję do tworzenia mostków z piaskiem, co zwiększa opór przepływu. Ostatecznie pierścień całkowicie się tworzy, zatrzymuje przepływ i tworzy różnicę ciśnień między otworem wiertniczym a ciągiem produkcyjnym, jak pokazano na rysunku 3. W tym momencie płyn nie może już przepływać do ESP i należy wyciągnąć ciąg końcowy. W zależności od szeregu zmiennych związanych z produkcją ciał stałych, czas potrzebny do zatrzymania przepływu przez mostek ciał stałych na ekranie może być krótszy niż czas, który pozwoliłby ESP na pompowanie płynu zawierającego ciała stałe, średni czas między awariami do ziemi, dlatego opracowano drugą generację komponentów.
Zespół ochrony pompy drugiej generacji. System sita kontroli piasku na wlocie PumpGuard* i zespołu zaworu jest zawieszony pod pompą REDA* na rysunku 4, przykładzie niekonwencjonalnego zakończenia ESP. Gdy odwiert jest wydobyty, sito filtruje ciała stałe w produkcji, ale zaczyna powoli łączyć się z piaskiem i tworzyć różnicę ciśnień. Gdy ta różnica ciśnień osiągnie ustawione ciśnienie pęknięcia zaworu, zawór otwiera się, umożliwiając przepływ płynu bezpośrednio do ciągu rur do ESP. Ten przepływ wyrównuje różnicę ciśnień na sicie, poluzowując uchwyt worków z piaskiem na zewnątrz sita. Piasek może swobodnie wydostawać się z pierścienia, co zmniejsza opór przepływu przez sito i umożliwia wznowienie przepływu. Gdy różnica ciśnień spada, zawór powraca do pozycji zamkniętej i powracają normalne warunki przepływu. Powtarzaj ten cykl, aż zajdzie konieczność wyciągnięcia ESP z otworu w celu serwisowania. Studia przypadków opisane w tym artykule pokazują, że system jest w stanie znacznie wydłużyć żywotność pompy w porównaniu z samym zakończeniem filtrowania.
W przypadku ostatniej instalacji zastosowano rozwiązanie oparte na kosztach, mające na celu izolację obszaru pomiędzy siatką ze stali nierdzewnej a elektrofiltrem. Nad sekcją sita zamontowano skierowany w dół paker kubkowy. Nad pakerem kubkowym dodatkowe perforacje w rurze centralnej zapewniają ścieżkę przepływu, dzięki której wytworzona ciecz może migrować z wnętrza sita do przestrzeni pierścieniowej nad pakerem, skąd może dostać się do wlotu elektrofiltru.
Wybrany w tym rozwiązaniu filtr z siatki drucianej ze stali nierdzewnej oferuje szereg zalet w porównaniu z siatkami 2D ze szczelinami. Filtry 2D opierają się głównie na cząstkach wypełniających szczeliny lub gniazda filtra, co pozwala na tworzenie worków z piaskiem i kontrolę zawartości piasku. Ponieważ jednak dla sita można wybrać tylko jedną wartość szczeliny, sito staje się bardzo wrażliwe na rozkład wielkości cząstek w wytwarzanym płynie.
W przeciwieństwie do tego, grube oczka filtrów z siatki drucianej ze stali nierdzewnej zapewniają wysoką porowatość (92%) i dużą otwartą powierzchnię przepływu (40%) dla wytworzonego płynu z odwiertu. Filtr jest skonstruowany poprzez ściśnięcie siatki z polaru ze stali nierdzewnej i owinięcie jej bezpośrednio wokół perforowanej rury centralnej, a następnie zamknięcie jej w perforowanej osłonie ochronnej, która jest przyspawana do rury centralnej na każdym końcu. Rozkład porów w siatce, nierównomierna orientacja kątowa (w zakresie od 15 µm do 600 µm) umożliwia przepływ nieszkodliwych drobnych cząstek wzdłuż ścieżki przepływu 3D w kierunku rury centralnej po tym, jak większe i szkodliwe cząstki zostaną uwięzione w siatce. Testy retencji piasku na próbkach tego sita wykazały, że filtr utrzymuje wysoką przepuszczalność, ponieważ płyn jest generowany przez sito. W efekcie ten pojedynczy filtr „rozmiaru” może obsługiwać wszystkie rozkłady wielkości cząstek napotkanych wytworzonych płynów. Ten ekran z wełny stalowej został opracowany przez głównego operatora w latach 80. XX wieku specjalnie do samodzielnych uzupełnień sitowych w zbiornikach stymulowanych parą i ma na swoim koncie liczne udane instalacje.
Zespół zaworów składa się z zaworu sprężynowego, który umożliwia jednokierunkowy przepływ do rurociągu z obszaru produkcyjnego. Poprzez regulację wstępnego naprężenia sprężyny śrubowej przed instalacją, zawór można dostosować do uzyskania pożądanego ciśnienia pękania w danym zastosowaniu. Zazwyczaj zawór jest umieszczony pod siatką ze stali nierdzewnej, aby zapewnić dodatkową ścieżkę przepływu między zbiornikiem a ESP. W niektórych przypadkach wiele zaworów i siatek ze stali nierdzewnej działa szeregowo, przy czym środkowy zawór ma niższe ciśnienie pękania niż zawór najniższy.
Z czasem cząstki formacji wypełniają obszar pierścieniowy pomiędzy zewnętrzną powierzchnią sita zespołu osłony pompy a ścianą obudowy produkcyjnej. W miarę jak komora wypełnia się piaskiem, a cząstki się konsolidują, spadek ciśnienia na worku z piaskiem wzrasta. Gdy spadek ciśnienia osiągnie ustaloną wartość, zawór stożkowy otwiera się i umożliwia przepływ bezpośrednio przez wlot pompy. Na tym etapie przepływ przez rurę jest w stanie rozbić wcześniej skonsolidowany piasek wzdłuż zewnętrznej części filtra sitowego. Ze względu na zmniejszoną różnicę ciśnień przepływ zostanie wznowiony przez sito, a zawór wlotowy zostanie zamknięty. Dlatego pompa może widzieć przepływ bezpośrednio z zaworu tylko przez krótki okres czasu. Wydłuża to żywotność pompy, ponieważ większość przepływu stanowi płyn filtrowany przez sito piaskowe.
System ochrony pomp był eksploatowany z uszczelniaczami w trzech różnych odwiertach w basenie Delaware w Stanach Zjednoczonych. Głównym celem jest zmniejszenie liczby uruchomień i zatrzymań ESP spowodowanych przeciążeniami spowodowanymi piaskiem oraz zwiększenie dostępności ESP w celu poprawy produkcji. System ochrony pomp jest zawieszony na dolnym końcu przewodu ESP. Wyniki uzyskane dla odwiertu naftowego wskazują na stabilną pracę pompy, zmniejszone wibracje i natężenie prądu oraz technologię ochrony pomp. Po zainstalowaniu nowego systemu przestoje spowodowane piaskiem i ciałami stałymi zostały skrócone o 75%, a żywotność pompy wydłużyła się o ponad 22%.
Odwiert. System ESP został zainstalowany w nowym odwiercie wiertniczym i szczelinującym w hrabstwie Martin w Teksasie. Pionowa część odwiertu ma około 9000 stóp, a pozioma sięga do 12 000 stóp, mierzona głębokość (MD). W przypadku pierwszych dwóch zakończeń odwiertu, jako integralną część odwiertu ESP zainstalowano wirowy system separatora piasku z sześcioma przyłączami rurowymi. W przypadku dwóch kolejnych instalacji wykorzystujących ten sam typ separatora piasku zaobserwowano niestabilne zachowanie parametrów roboczych ESP (natężenie prądu i wibracje). Analiza demontażu wyciągniętej jednostki ESP wykazała, że ​​zespół wirowego separatora gazu był zatkany obcą materią, którą określono jako piasek, ponieważ jest niemagnetyczny i nie reaguje chemicznie z kwasem.
W trzeciej instalacji ESP, siatka ze stali nierdzewnej zastąpiła separator piasku jako środek kontroli piasku w ESP. Po zainstalowaniu nowego systemu ochrony pompy, ESP wykazało stabilniejszą pracę, zmniejszając zakres wahań prądu silnika z ~19 A dla instalacji nr 2 do ~6,3 A dla instalacji nr 3. Wibracje są bardziej stabilne, a tendencja została zmniejszona o 75%. Spadek ciśnienia był również stabilny, wahając się bardzo nieznacznie w porównaniu z poprzednią instalacją i zyskał dodatkowe 100 psi spadku ciśnienia. Wyłączenia przeciążeniowe ESP zostały zmniejszone o 100%, a ESP pracuje z niskimi wibracjami.
Studnia B. W jednej ze studni w pobliżu Eunice w Nowym Meksyku, w innej niekonwencjonalnej studni zainstalowano ESP, ale nie było zabezpieczenia pompy. Po początkowym odłączeniu rozruchu, ESP zaczęło wykazywać nieprzewidywalne zachowanie. Wahania prądu i ciśnienia są związane ze skokami wibracji. Po utrzymaniu tych warunków przez 137 dni, ESP uległo awarii i zainstalowano zamiennik. Druga instalacja obejmuje nowy system ochrony pompy z tą samą konfiguracją ESP. Po wznowieniu produkcji z odwiertu, ESP działało normalnie, ze stabilnym natężeniem prądu i mniejszymi wibracjami. W momencie publikacji, druga seria ESP osiągnęła ponad 300 dni działania, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z poprzednią instalacją.
Odwiert C. Trzecia instalacja systemu na miejscu miała miejsce w Mentone w Teksasie i została przeprowadzona przez specjalistyczną firmę zajmującą się ropą i gazem, która doświadczyła przerw w dostawie prądu i awarii elektrofiltrów z powodu produkcji piasku i chciała wydłużyć czas sprawności pompy. Operatorzy zazwyczaj używają w każdym odwiercie elektrofiltra separatorów piasku z wykładziną. Jednak gdy wykładzina wypełni się piaskiem, separator pozwoli na przepływ piasku przez sekcję pompy, powodując korozję stopnia pompy, łożysk i wału, co spowoduje utratę siły nośnej. Po uruchomieniu nowego systemu z zabezpieczeniem pompy, elektrofiltr ma o 22% dłuższą żywotność, bardziej stabilny spadek ciśnienia i lepszy czas sprawności związany z elektrofiltrem.
Liczba wyłączeń spowodowanych piaskiem i ciałami stałymi podczas pracy zmniejszyła się o 75%, z 8 zdarzeń przeciążeniowych w pierwszej instalacji do dwóch w drugiej instalacji, a liczba udanych ponownych uruchomień po wyłączeniu z powodu przeciążenia wzrosła o 30%, z 8 w pierwszej instalacji. Łącznie 12 zdarzeń, co daje łącznie 8 zdarzeń, zostało przeprowadzonych w instalacji wtórnej, zmniejszając obciążenie elektryczne sprzętu i wydłużając żywotność ESP.
Rysunek 5 przedstawia nagły wzrost ciśnienia wlotowego (kolor niebieski), gdy siatka ze stali nierdzewnej jest zablokowana, a zespół zaworów jest otwarty. Ciśnienie to może dodatkowo zwiększyć wydajność produkcji poprzez przewidywanie awarii ESP związanych z piaskiem, dzięki czemu możliwe jest zaplanowanie operacji wymiany przy użyciu urządzeń remontowych.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Analiza eksperymentalna rury wirowej jako urządzenia do odpiaszczania otworów wiertniczych”, artykuł SPE 94673-MS, przedstawiony na konferencji SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brazylia, 20 czerwca – 23 lutego 2005 r. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Niniejszy artykuł zawiera elementy z publikacji SPE nr 207926-MS, przedstawionej na Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference w Abu Zabi w Zjednoczonych Emiratach Arabskich w dniach 15–18 listopada 2021 r.
Wszystkie materiały podlegają ściśle egzekwowanym prawom autorskim. Przed skorzystaniem z tej witryny prosimy o zapoznanie się z naszym Regulaminem, Polityką dotyczącą plików cookie i Polityką prywatności.