Foi comprovado que os componentes de proteção de bombas protegem as bombas contra areia e prolongam a vida útil dos ESPs em poços não convencionais. Essa solução controla o refluxo de areia de fraturamento e outros sólidos que podem causar sobrecargas e tempo de inatividade. A tecnologia facilitadora elimina os problemas associados à incerteza da distribuição do tamanho das partículas.
À medida que mais e mais poços de petróleo dependem de ESPs, estender a vida útil dos sistemas de bombeamento submersível elétrico (ESP) se torna cada vez mais importante. A vida útil e o desempenho das bombas de elevação artificial são sensíveis a sólidos nos fluidos produzidos. A vida útil e o desempenho do ESP diminuem significativamente com o aumento de partículas sólidas. Além disso, os sólidos aumentam o tempo de inatividade do poço e a frequência de manutenção necessária para substituir o ESP.
Partículas sólidas que frequentemente fluem através de bombas de elevação artificial incluem areia de formação, agentes de sustentação de fraturamento hidráulico, cimento e partículas metálicas erodidas ou corroídas. As tecnologias de fundo de poço projetadas para separar sólidos variam de ciclones de baixa eficiência a telas de arame de aço inoxidável 3D de alta eficiência. Os separadores 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. No entanto, poços não convencionais estão sujeitos a fluxo de slug intermitente, o que faz com que a tecnologia existente de separador de vórtice de fundo de poço funcione apenas intermitentemente.
Várias variantes diferentes de telas de controle de areia combinadas e desareadores de vórtice de fundo de poço foram propostas para proteger ESPs. No entanto, há lacunas na proteção e no desempenho de produção de todas as bombas devido à incerteza na distribuição de tamanho e no 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 ajuste mais profundas são preferidas em poços não convencionais. No entanto, o uso de desareadores 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 no MTBF do ESP. A corrosão do tubo interno é outro aspecto deste 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 ciclônico (Figura 1), que dependia da ação do ciclone e da gravidade, para mostrar que a eficiência da separação depende da viscosidade do óleo, vazão e tamanho das partículas. Eles mostram que a eficiência do separador é amplamente dependente da velocidade terminal das partículas. A eficiência da separação diminui com a diminuição da vazão, a diminuição do tamanho das partículas sólidas e o aumento da viscosidade do óleo, Figura 2. Para um separador de fundo de poço de tubo ciclônico típico, a eficiência da separação cai para ~10% à medida que o tamanho das partículas cai para ~100 µm. Além disso, à medida que a vazão aumenta, o separador de vórtice está 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 ranhura definida. O tamanho e a distribuição das partículas são considerações importantes ao selecionar telas para filtrar sólidos na produção de poços convencionais ou não convencionais, mas podem ser desconhecidos. Os sólidos podem vir do reservatório, mas podem variar de um calcanhar para outro; alternativamente, a tela pode precisar filtrar areia do fraturamento hidráulico. Em ambos os casos, o custo da coleta, análise e teste de sólidos pode ser proibitivo.
Se a tela da tubulação 2D não for configurada corretamente, os resultados podem comprometer a economia do poço. Aberturas de tela de areia muito pequenas podem resultar em obstruções prematuras, paradas e necessidade de revisões corretivas. Se forem muito grandes, permitem que sólidos entrem livremente no processo de produção, o que pode corroer tubulações de óleo, danificar bombas de elevação artificial, limpar estrangulamentos de superfície e preencher separadores de superfície, exigindo jateamento de areia e descarte. Essa situação requer uma solução simples e econômica que possa estender a vida útil da bomba e cobrir uma ampla distribuição de tamanhos de areia.
Para atender a essa necessidade, foi conduzido um estudo sobre o uso de conjuntos de válvulas em combinação com tela de arame de aço inoxidável, que é insensível à distribuição de sólidos resultante. Estudos mostraram que a tela de arame de aço inoxidável com tamanho de poro variável e estrutura 3D pode controlar efetivamente sólidos de vários tamanhos sem conhecer a distribuição do tamanho de partícula dos sólidos resultantes. A tela de arame de aço inoxidável 3D pode controlar efetivamente os grãos de areia de todos os tamanhos, sem a necessidade de filtragem secundária extra.
Um conjunto de válvulas montado na parte inferior da tela permite que a produção continue até que o ESP seja retirado. Ele impede que o ESP seja recuperado imediatamente após a tela ser fechada. A tela de controle de areia de entrada e o conjunto de válvulas resultantes protegem os ESPs, bombas de elevação de haste e completações de elevação de gás de sólidos durante a produção, limpando o fluxo de fluido e fornecendo uma solução econômica para estender a vida útil da bomba sem precisar 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 compactadores podem ser instalados entre a tela e o ESP para fornecer isolamento zonal entre a zona de produção e o 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 forma uma ponte completa, interrompendo o fluxo e criando um diferencial de pressão entre o poço e a coluna de produção, como mostrado na Figura 3. Nesse ponto, o fluido não consegue mais fluir para o ESP e a coluna de completação precisa ser puxada. Dependendo de uma série de variáveis ​​relacionadas à produção de sólidos, o tempo necessário para interromper o fluxo através da ponte de sólidos na tela pode ser menor do que o tempo que permitiria ao ESP bombear o fluido carregado de sólidos para o solo (tempo médio entre falhas). Por isso, foi desenvolvida a segunda geração de componentes.
O conjunto de proteção da bomba de segunda geração. O sistema de válvula e tela de controle de areia de entrada PumpGuard* é suspenso abaixo da bomba REDA* na Figura 4, um exemplo de uma completação ESP não convencional. Assim que o poço estiver produzindo, a tela filtra os sólidos em 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 da válvula, a válvula abre, permitindo que o fluido flua diretamente para a coluna de tubulação para a ESP. Esse fluxo equaliza o diferencial de pressão na tela, afrouxando a aderência dos sacos de areia na parte externa da tela. A areia fica livre para sair do anel, o que reduz a resistência do fluxo através da tela e permite que o fluxo seja retomado. Conforme a pressão diferencial cai, a válvula retorna à sua posição fechada e as condições normais de fluxo são retomadas. Repita esse ciclo até que seja necessário puxar a ESP para fora do poço para manutenção. Os estudos de caso destacados neste artigo demonstram que o sistema é capaz de estender significativamente a vida útil da bomba em comparação à execução apenas da completação de triagem.
Para a instalação recente, uma solução econômica foi introduzida para isolamento de área entre a malha de aço inoxidável e o ESP. Um obturador de copo voltado para baixo é montado acima da seção da tela. Acima do obturador de copo, perfurações adicionais do tubo central fornecem um caminho de fluxo para o fluido produzido migrar do interior da tela para o espaço anular acima do obturador, onde o fluido pode entrar na entrada do ESP.
O filtro de malha de aço inoxidável escolhido para esta solução oferece diversas vantagens em relação aos tipos de malha 2D baseados em folgas. Os filtros 2D dependem principalmente de partículas que atravessam folgas ou ranhuras do filtro para construir sacos de areia e fornecer controle de areia. No entanto, como apenas um único valor de folga pode ser selecionado para a tela, ela se torna altamente sensível à distribuição do tamanho das partículas 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 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, encapsulando-a em uma capa protetora perfurada soldada ao tubo central em cada extremidade. A distribuição de poros no leito de malha e a orientação angular não uniforme (variando de 15 µm a 600 µm) permitem que partículas finas inofensivas fluam ao longo de um caminho de fluxo 3D em direção ao tubo central após partículas maiores e prejudiciais ficarem presas na 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 partículas dos fluidos produzidos encontrados. Esta tela de lã de aço inoxidável foi desenvolvida por um grande operador na década de 1980 especificamente para completações de tela autocontidas em vapor reservatórios estimulados e tem um amplo histórico de instalações bem-sucedidas.
O conjunto da válvula consiste em uma válvula com mola que permite o 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 craqueamento desejada para a aplicação. Normalmente, uma válvula é instalada sob a malha 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 craqueamento menor 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 protetor da bomba e a parede do revestimento de produção. À medida que a cavidade se enche com 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 abre e permite o fluxo diretamente pela entrada da bomba. Nesse estágio, 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 através da 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 através da 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. O sistema de proteção da bomba é suspenso na extremidade inferior da coluna do ESP. Os resultados do poço de petróleo mostram desempenho estável da bomba, vibração e intensidade de corrente reduzidas e tecnologia de proteção da bomba. Após a instalação do novo sistema, o tempo de inatividade relacionado à areia e aos sólidos foi reduzido em 75% e a vida útil da bomba aumentou em mais de 22%.
Um poço. Um sistema ESP foi instalado em um novo poço de perfuração e fraturamento no Condado de Martin, Texas. A porção vertical do poço tem aproximadamente 9.000 pés e a porção horizontal se estende até 12.000 pés, profundidade medida (MD). Para as duas primeiras conclusões, um sistema separador de areia de vórtice de fundo de poço com seis conexões de revestimento foi instalado como parte integrante da conclusão do ESP. Para duas instalações consecutivas usando o mesmo tipo de separador de areia, foi observado comportamento instável dos parâmetros operacionais do ESP (intensidade de corrente e vibração). A análise de desmontagem da unidade ESP extraída revelou que o conjunto do separador de gás de vórtice estava obstruído 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 tela de arame de aço inoxidável substituiu o separador de areia como meio de controle de areia do ESP. Após a instalação do novo sistema de proteção da bomba, o ESP apresentou um comportamento mais estável, reduzindo a faixa de flutuações da corrente do motor de ~19 A na instalação nº 2 para ~6,3 A na instalação nº 3. A vibração é mais estável e a tendência é reduzida em 75%. A queda de pressão também foi estável, flutuando muito pouco em comparação à instalação anterior e ganhou 100 psi adicionais de queda de pressão. Os desligamentos por sobrecarga do ESP são reduzidos em 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 de bomba. Após a queda inicial da bota, o ESP começou a apresentar comportamento errático. 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 de bomba com a mesma configuração do ESP. Após o poço retomar a produção, o ESP estava operando normalmente, com amperagem estável e menos vibração. No momento da publicação, a segunda execução do ESP havia atingido mais de 300 dias de operação, uma melhoria significativa em relação à instalação anterior.
Poço C. A terceira instalação do sistema no local foi em Mentone, Texas, por uma empresa especializada em petróleo e gás que sofreu interrupções e falhas no ESP devido à produção de areia e queria melhorar o tempo de atividade da bomba. Os operadores normalmente operam separadores de areia de fundo de poço com revestimento em cada poço ESP. No entanto, quando o revestimento se enche com areia, o separador permite que a areia flua pela seção da bomba, corroendo o estágio da bomba, os mancais e o eixo, resultando em perda de sustentação. Após operar o novo sistema com o protetor de bomba, o ESP tem uma vida útil 22% maior, com uma queda de pressão mais estável e melhor tempo de atividade relacionado ao ESP.
O número de paradas por sobrecarga de areia e sólidos durante a operação diminuiu 75%, de 8 eventos de sobrecarga na primeira instalação para dois na segunda, e o número de reinicializações bem-sucedidas após paradas por sobrecarga aumentou 30%, de 8 na primeira instalação. Um total de 12 eventos, totalizando 8 eventos, foram realizados na instalação secundária, reduzindo o estresse elétrico do equipamento e aumentando a vida útil do ESP.
A Figura 5 mostra o aumento repentino na assinatura de pressão de admissão (azul) quando a malha de aço inoxidável é bloqueada e o conjunto de válvulas é aberto. Essa assinatura de pressão pode melhorar ainda mais a eficiência da produção ao prever falhas de ESP relacionadas à areia, para que operações de substituição com equipamentos de manutenção possam ser planejadas.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Análise experimental de tubo de turbulência como dispositivo de desareamento de poços”, SPE Paper 94673-MS, apresentado na Conferência de Engenharia de Petróleo da SPE América Latina e Caribe, 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 artigo 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.
Todos os materiais estão sujeitos às leis de direitos autorais rigorosamente aplicadas. Leia nossos Termos e Condições, Política de Cookies e Política de Privacidade antes de usar este site.