Foi comprovado que os componentes de proteção da bomba protegem as bombas da areia e prolongam a vida operacional dos ESPs em poços não convencionais. Esta solução controla o refluxo de areia de fraturamento e outros sólidos que podem causar sobrecargas e paradas.
À medida que mais e mais poços de petróleo dependem de ESPs, prolongar a vida útil dos sistemas de bombeamento elétrico submersível (ESP) torna-se cada vez mais importante. A vida operacional e o desempenho das bombas de elevação artificial são sensíveis a sólidos nos fluidos produzidos. A vida operacional e o desempenho do ESP diminuíram significativamente com o aumento de partículas sólidas.
Partículas sólidas que geralmente fluem através de bombas de elevação artificial incluem areia de formação, propantes de fraturamento hidráulico, cimento e partículas de metal erodidas ou corroídas. As tecnologias de fundo de poço projetadas para separar sólidos variam de ciclones de baixa eficiência a malha de arame de aço inoxidável 3D de alta eficiência. Os desarenadores de vórtice de fundo de poço têm sido usados ​​em poços convencionais há décadas e são usados ​​principalmente para proteger bombas de partículas grandes durante a produção. na tecnologia existente de separador de vórtice de fundo de poço funcionando apenas de forma intermitente.
Várias variantes diferentes de telas de controle de areia combinadas e desarenadores de vórtice de fundo de poço foram propostas para proteger ESPs. No entanto, existem lacunas na proteção e desempenho de produção de todas as bombas devido à incerteza na distribuição de tamanho e volume de sólidos produzidos por cada poço. A incerteza aumenta o comprimento dos componentes de controle de areia, reduzindo assim a profundidade na qual o ESP pode ser ajustado, limitando o potencial de declínio do reservatório do ESP e impactando negativamente a economia do poço. Profundidades de assentamento mais profundas são preferidas em poços não convencionais. No entanto, , o uso de removedores de areia e âncoras de lama macho para suspender conjuntos de controle de areia longos e rígidos em seções de revestimento com alta severidade de dogleg limitou as melhorias do ESP MTBF. A corrosão do tubo interno é outro aspecto desse projeto que não foi avaliado adequadamente.
Os autores de um artigo de 2005 apresentaram resultados experimentais de um separador de areia de fundo de poço baseado em um tubo de ciclone (Figura 1), que dependia da ação do ciclone e da gravidade, para mostrar que a eficiência da separação depende da viscosidade do óleo, taxa de fluxo e tamanho da partícula. Eles mostram que a eficiência do separador depende em grande parte da velocidade terminal das partículas. para ~10% conforme o tamanho da partícula cai para ~100 µm.Além disso, à medida que a vazão aumenta, o separador vórtice fica sujeito ao desgaste por erosão, o que afeta a vida útil dos componentes estruturais.
A próxima alternativa lógica é usar uma tela de controle de areia 2D com uma largura de slot definida. O tamanho e a distribuição das partículas são considerações importantes ao selecionar telas para filtrar sólidos na produção de poço convencional ou não convencional, mas podem ser desconhecidos. Os sólidos podem vir do reservatório, mas podem variar de calcanhar para calcanhar;alternativamente, a tela pode precisar filtrar areia de fraturamento hidráulico. Em ambos os casos, o custo da coleta, análise e teste de sólidos pode ser proibitivo.
Se a tela de tubulação 2D não estiver configurada corretamente, os resultados podem comprometer a economia do poço. Aberturas de tela de areia muito pequenas podem resultar em entupimentos prematuros, paralisações e na necessidade de recondicionamentos corretivos. Se forem muito grandes, elas permitem que sólidos entrem livremente no processo de produção, o que pode corroer tubulações de petróleo, danificar bombas de elevação artificial, liberar estrangulamentos de superfície e preencher separadores de superfície, exigindo jateamento e descarte. Essa situação requer uma solução simples e econômica que pode prolongar a vida útil da bomba e da tampa uma ampla distribuição de tamanhos de areia.
Para atender a essa necessidade, foi realizado um estudo sobre o uso de conjuntos de válvulas em combinação com malha de arame de aço inoxidável, que é insensível à distribuição de sólidos resultante.Estudos mostraram que malha de arame de aço inoxidável com tamanho de poro variável e estrutura 3D pode efetivamente controlar sólidos de vários tamanhos sem conhecer a distribuição de tamanho de partícula dos sólidos resultantes.A malha de arame de aço inoxidável 3D pode efetivamente controlar os grãos de areia de todos os tamanhos, sem a necessidade de filtração secundária extra.
Um conjunto de válvula montado na parte inferior da tela permite que a produção continue até que o ESP seja retirado. Ele evita que o ESP seja recuperado imediatamente após a ponte da tela. A tela de controle de areia de entrada resultante e o conjunto de válvula protegem ESPs, bombas de elevação de haste e conclusões de elevação de gás de sólidos durante a produção, limpando o fluxo de fluido e fornece uma solução econômica para prolongar a vida útil da bomba sem ter que adaptar as características do reservatório para diferentes situações.
Projeto de proteção de bomba de primeira geração. Um conjunto de proteção de bomba usando telas de lã de aço inoxidável foi implantado em um poço de drenagem por gravidade assistida por vapor no oeste do Canadá para proteger o ESP de sólidos durante a produção. As telas filtram sólidos nocivos do fluido de produção conforme ele entra na coluna de produção. Dentro da coluna de produção, os fluidos fluem para a entrada do ESP, onde são bombeados para a superfície. Os packers podem ser executados entre a tela e o ESP para fornecer isolamento zonal entre a zona de produção e o furo de poço superior.
Ao longo do tempo de produção, o espaço anular entre a tela e o revestimento tende a formar uma ponte com areia, o que aumenta a resistência ao fluxo. Eventualmente, o anular preenche completamente, interrompe o fluxo e cria um diferencial de pressão entre o poço e a coluna de produção, conforme mostrado na Figura 3. Nesse ponto, o fluido não pode mais fluir para o ESP e a coluna de completação deve ser puxada.Dependendo de uma série de variáveis ​​relacionadas à produção de sólidos, a duração necessária para parar o fluxo através da ponte de sólidos na tela pode ser menor do que a duração que permitiria ao ESP bombear o fluido carregado de sólidos no tempo médio entre falhas no solo, então a segunda geração de componentes foi desenvolvida.
O conjunto de proteção da bomba de segunda geração. A tela de controle de areia de entrada PumpGuard* e o sistema de montagem da válvula estão suspensos abaixo da bomba REDA* na Figura 4, um exemplo de uma conclusão ESP não convencional. Uma vez que o poço está produzindo, a tela filtra os sólidos na produção, mas começará a formar uma ponte lentamente com a areia e criar um diferencial de pressão. Quando essa pressão diferencial atinge a pressão de abertura definida para a válvula, a válvula se abre, permitindo que o fluido flua diretamente na coluna de tubulação para o ESP. Esse fluxo equaliza o diferencial de pressão na tela, afrouxando a aderência dos sacos de areia do lado de fora da tela.A areia é livre para sair do anel, o que reduz a resistência ao fluxo através da tela e permite que o fluxo seja retomado.À medida que a pressão diferencial cai, a válvula retorna à sua posição fechada e as condições normais de fluxo são retomadas.Repita este ciclo até que seja necessário puxar o ESP para fora do orifício para manutenção.Os estudos de caso destacados neste artigo demonstram que o sistema é capaz de prolongar significativamente a vida útil da bomba em comparação com a conclusão da triagem em execução sozinha.
Para a instalação recente, uma solução econômica foi introduzida para isolamento de área entre a malha de arame de aço inoxidável e o ESP. Um packer de copo voltado para baixo é montado acima da seção da tela. Acima do packer de copo, as perfurações do tubo central adicionais fornecem um caminho de fluxo para o fluido produzido migrar do interior da tela para o espaço anular acima do packer, onde o fluido pode entrar na entrada do ESP.
O filtro de malha de arame de aço inoxidável escolhido para esta solução oferece várias vantagens em relação aos tipos de malha 2D baseados em lacunas. Os filtros 2D dependem principalmente de partículas que abrangem lacunas ou slots de filtro para construir sacos de areia e fornecer controle de areia. No entanto, como apenas um único valor de lacuna pode ser selecionado para a tela, a tela torna-se altamente sensível à distribuição de tamanho de partícula do fluido produzido.
Em contraste, o leito de malha espessa de filtros de malha de arame de aço inoxidável fornece alta porosidade (92%) e grande área de fluxo aberto (40%) para o fluido de furo de poço produzido. O filtro é construído comprimindo uma malha de lã de aço inoxidável e envolvendo-a diretamente em torno de um tubo central perfurado e, em seguida, encapsulando-a dentro de uma tampa protetora perfurada que é soldada ao tubo central em cada extremidade. A distribuição de poros no leito de malha, a orientação angular não uniforme (variando de 15 µm a 600 µ m) permite que finos inofensivos fluam ao longo de um caminho de fluxo 3D em direção ao tubo central após partículas maiores e nocivas ficarem presas dentro da malha. Testes de retenção de areia em amostras desta peneira demonstraram que o filtro mantém alta permeabilidade porque o fluido é gerado através da peneira. Efetivamente, este filtro de "tamanho" único pode lidar com todas as distribuições de tamanho de partícula de fluidos produzidos encontrados. extenso histórico de instalações bem-sucedidas.
O conjunto da válvula consiste em uma válvula com mola que permite fluxo unidirecional para a coluna de tubulação a partir da área de produção.Ao ajustar a pré-carga da mola helicoidal antes da instalação, a válvula pode ser personalizada para atingir a pressão de abertura desejada para a aplicação.Normalmente, uma válvula é executada sob a malha de arame de aço inoxidável para fornecer um caminho de fluxo secundário entre o reservatório e o ESP.Em alguns casos, várias válvulas e malhas de aço inoxidável operam em série, com a válvula do meio tendo uma pressão de abertura mais baixa do que a válvula mais baixa.
Com o tempo, as partículas de formação preenchem a área anular entre a superfície externa da tela do conjunto do protetor da bomba e a parede da carcaça de produção. À medida que a cavidade se enche de areia e as partículas se consolidam, a queda de pressão no saco de areia aumenta. Quando essa queda de pressão atinge um valor predefinido, a válvula cônica se abre e permite o fluxo diretamente pela entrada da bomba. Nesta fase, o fluxo através do tubo é capaz de quebrar a areia previamente consolidada ao longo do exterior do filtro de tela. Devido ao diferencial de pressão reduzido, o fluxo será retomado pela tela e a válvula de admissão será fechada. Portanto, a bomba só pode ver o fluxo diretamente da válvula por um curto período de tempo. Isso prolonga a vida útil da bomba, pois a maior parte do fluxo é o fluido filtrado pela tela de areia.
O sistema de proteção da bomba foi operado com packers em três poços diferentes na Bacia de Delaware, nos Estados Unidos. O objetivo principal é reduzir o número de partidas e paradas do ESP devido a sobrecargas relacionadas à areia e aumentar a disponibilidade do ESP para melhorar a produção. %.
Um poço. Um sistema ESP foi instalado em um novo poço de perfuração e fraturamento em Martin County, Texas. A porção vertical do poço é de aproximadamente 9.000 pés e a porção horizontal se estende a 12.000 pés, profundidade medida (MD). Para as duas primeiras completações, um sistema separador de areia de vórtice de fundo de poço com seis conexões de revestimento foi instalado como parte integrante da conclusão ESP. Para duas instalações consecutivas usando o mesmo tipo de separador de areia, foi observado comportamento instável dos parâmetros operacionais ESP (intensidade de corrente e vibração). A análise da desmontagem da unidade ESP puxada revelou que o conjunto do separador de gás de vórtice estava entupido com matéria estranha, que foi determinada como sendo areia porque não é magnética e não reage quimicamente com ácido.
Na terceira instalação do ESP, a malha de arame de aço inoxidável substituiu o separador de areia como um meio de controle de areia do ESP. Depois de instalar o novo sistema de proteção da bomba, o ESP exibiu um comportamento mais estável, reduzindo a faixa de flutuações de corrente do motor de ~19 A para a instalação nº 2 para ~6,3 A para a instalação nº 3. A vibração é mais estável e a tendência é reduzida em 75%. 100% e o ESP opera com baixa vibração.
Poço B. Em um poço perto de Eunice, Novo México, outro poço não convencional tinha um ESP instalado, mas sem proteção da bomba. Após a queda inicial da inicialização, o ESP começou a exibir um comportamento errático. As flutuações na corrente e na pressão estão associadas a picos de vibração. Após manter essas condições por 137 dias, o ESP falhou e um substituto foi instalado. A segunda instalação inclui um novo sistema de proteção da bomba com a mesma configuração do ESP. Após a retomada da produção do poço, o ESP estava operando normalmente, com amperagem estável e menos vibração. No momento da publicação, a segunda execução do ESP atingiu mais de 300 dias de operação, uma melhoria significativa em relação à instalação anterior.
Poço C. A terceira instalação no local do sistema foi em Mentone, Texas, por uma empresa especializada em petróleo e gás que passou por interrupções e falhas de ESP devido à produção de areia e queria melhorar o tempo de atividade da bomba. Os operadores normalmente operam separadores de areia no fundo do poço com revestimento em cada poço ESP. No entanto, uma vez que o revestimento se enche de areia, o separador permitirá que a areia flua através da seção da bomba, corroendo o estágio da bomba, os rolamentos e o eixo, resultando em perda de sustentação. Após executar o novo sistema com o protetor da bomba, o ESP tem uma vida operacional 22% mais longa com uma queda de pressão mais estável e melhor tempo de atividade relacionado ao ESP.
O número de desligamentos relacionados a areia e sólidos durante a operação diminuiu em 75%, de 8 eventos de sobrecarga na primeira instalação para dois na segunda instalação, e o número de reinicializações bem-sucedidas após o desligamento por sobrecarga aumentou em 30%, de 8 na primeira instalação.Foram realizados 12 eventos, totalizando 8 eventos na instalação secundária, reduzindo o estresse elétrico nos equipamentos e aumentando a vida operacional do ESP.
A Figura 5 mostra o aumento súbito na assinatura de pressão de admissão (azul) quando a malha de aço inoxidável é bloqueada e o conjunto da válvula é aberto. Essa assinatura de pressão pode melhorar ainda mais a eficiência da produção ao prever falhas de ESP relacionadas à areia, para que as operações de substituição com equipamentos de recondicionamento possam ser planejadas.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Análise experimental do tubo espiralado como dispositivo desarenador de fundo de poço,” SPE Paper 94673-MS, apresentado na SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brasil, 20 de junho a 23 de fevereiro de 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Este artigo contém elementos do documento SPE 207926-MS, apresentado na Exposição e Conferência Internacional de Petróleo de Abu Dhabi em Abu Dhabi, Emirados Árabes Unidos, de 15 a 18 de novembro de 2021.
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