Các thành phần bảo vệ máy bơm đã được chứng minh là có khả năng bảo vệ máy bơm khỏi cát và kéo dài tuổi thọ hoạt động của ESP trong các giếng khoan phi truyền thống. Giải pháp này kiểm soát dòng chảy ngược của cát frac và các chất rắn khác có thể gây quá tải và thời gian chết. Công nghệ hỗ trợ này loại bỏ các vấn đề liên quan đến sự không chắc chắn về phân bố kích thước hạt.
Khi ngày càng nhiều giếng dầu phụ thuộc vào ESP, việc kéo dài tuổi thọ của hệ thống bơm chìm điện (ESP) trở nên ngày càng quan trọng. Tuổi thọ hoạt động và hiệu suất của bơm nâng nhân tạo rất nhạy cảm với chất rắn trong chất lỏng được sản xuất. Tuổi thọ hoạt động và hiệu suất của ESP giảm đáng kể khi các hạt rắn gia tăng. Ngoài ra, chất rắn làm tăng thời gian ngừng hoạt động của giếng và tần suất sửa chữa cần thiết để thay thế ESP.
Các hạt rắn thường chảy qua các máy bơm nâng nhân tạo bao gồm cát thành tạo, vật liệu chống nứt thủy lực, xi măng và các hạt kim loại bị xói mòn hoặc ăn mòn. Các công nghệ giếng khoan được thiết kế để tách các chất rắn có phạm vi từ các máy ly tâm hiệu suất thấp đến lưới thép không gỉ 3D hiệu suất cao. Máy tách cát xoáy giếng khoan đã được sử dụng trong các giếng thông thường trong nhiều thập kỷ và chúng chủ yếu được sử dụng để bảo vệ máy bơm khỏi các hạt lớn trong quá trình khai thác. Tuy nhiên, các giếng không thông thường phải chịu dòng chảy cục bộ không liên tục, dẫn đến công nghệ tách xoáy giếng khoan hiện tại chỉ hoạt động không liên tục.
Một số biến thể khác nhau của màn chắn kiểm soát cát kết hợp và máy tách cát xoáy dưới giếng đã được đề xuất để bảo vệ ESP. Tuy nhiên, có những khoảng trống trong hiệu suất bảo vệ và sản xuất của tất cả các máy bơm do sự không chắc chắn về phân bố kích thước và thể tích chất rắn được tạo ra bởi mỗi giếng. Sự không chắc chắn làm tăng chiều dài của các thành phần kiểm soát cát, do đó làm giảm độ sâu mà ESP có thể được thiết lập, hạn chế khả năng suy giảm trữ lượng của ESP và tác động tiêu cực đến kinh tế của giếng. Độ sâu thiết lập sâu hơn được ưu tiên trong các giếng không thông thường. Tuy nhiên, việc sử dụng máy tách cát và neo bùn phích cắm đực để treo các cụm kiểm soát cát dài, cứng trong các phần ống có độ cong gấp khúc cao đã hạn chế các cải tiến MTBF của ESP. Ăn mòn ống bên trong là một khía cạnh khác của thiết kế này vẫn chưa được đánh giá đầy đủ.
Các tác giả của một bài báo năm 2005 đã trình bày kết quả thử nghiệm của một bộ tách cát giếng khoan dựa trên ống xoáy (Hình 1), phụ thuộc vào tác động của xoáy và trọng lực, để chỉ ra rằng hiệu quả tách phụ thuộc vào độ nhớt của dầu, lưu lượng và kích thước hạt. Họ chỉ ra rằng hiệu quả của bộ tách phụ thuộc phần lớn vào vận tốc đầu cuối của các hạt. Hiệu quả tách giảm khi lưu lượng giảm, kích thước hạt rắn giảm và độ nhớt của dầu tăng, Hình 2. Đối với bộ tách giếng khoan ống xoáy thông thường, hiệu quả tách giảm xuống ~10% khi kích thước hạt giảm xuống ~100 µm. Ngoài ra, khi lưu lượng tăng, bộ tách xoáy sẽ bị mài mòn, ảnh hưởng đến việc sử dụng các thành phần cấu trúc.
Giải pháp thay thế hợp lý tiếp theo là sử dụng màn hình kiểm soát cát 2D có chiều rộng khe xác định. Kích thước hạt và phân bố là những cân nhắc quan trọng khi lựa chọn màn hình để lọc chất rắn trong quá trình khai thác giếng thông thường hoặc không thông thường, nhưng chúng có thể không được biết đến. Chất rắn có thể đến từ bể chứa, nhưng chúng có thể thay đổi tùy theo gót; ngoài ra, màn hình có thể cần lọc cát từ quá trình nứt vỡ thủy lực. Trong cả hai trường hợp, chi phí thu thập, phân tích và thử nghiệm chất rắn có thể rất cao.
Nếu màn hình ống 2D không được cấu hình đúng cách, kết quả có thể ảnh hưởng đến tính kinh tế của giếng. Các lỗ sàng cát quá nhỏ có thể dẫn đến tắc nghẽn sớm, ngừng hoạt động và cần phải sửa chữa. Nếu chúng quá lớn, chúng sẽ cho phép các chất rắn tự do xâm nhập vào quy trình sản xuất, có thể ăn mòn đường ống dẫn dầu, làm hỏng bơm nâng nhân tạo, xả sạch các van tiết lưu bề mặt và bộ tách bề mặt, đòi hỏi phải phun cát và xử lý. Tình huống này đòi hỏi một giải pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí có thể kéo dài tuổi thọ của máy bơm và bao phủ một phạm vi phân phối rộng các kích thước cát.
Để đáp ứng nhu cầu này, một nghiên cứu đã được tiến hành về việc sử dụng cụm van kết hợp với lưới thép không gỉ, không bị ảnh hưởng bởi sự phân bố chất rắn thu được. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưới thép không gỉ có kích thước lỗ thay đổi và cấu trúc 3D có thể kiểm soát hiệu quả các chất rắn có nhiều kích thước khác nhau mà không cần biết sự phân bố kích thước hạt của các chất rắn thu được. Lưới thép không gỉ 3D có thể kiểm soát hiệu quả các hạt cát có mọi kích thước mà không cần phải lọc thứ cấp thêm.
Một cụm van được lắp ở phía dưới lưới lọc cho phép quá trình sản xuất tiếp tục cho đến khi ESP được kéo ra. Nó ngăn không cho ESP được lấy ra ngay sau khi lưới lọc được bắc cầu. Lưới lọc điều khiển cát đầu vào và cụm van kết quả bảo vệ ESP, bơm nâng thanh và các bộ phận hoàn thiện của hệ thống nâng khí khỏi chất rắn trong quá trình sản xuất bằng cách làm sạch dòng chất lỏng và cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí để kéo dài tuổi thọ của bơm mà không cần phải điều chỉnh các đặc tính của bể chứa cho các tình huống khác nhau.
Thiết kế bảo vệ bơm thế hệ đầu tiên. Một cụm bảo vệ bơm sử dụng lưới thép không gỉ đã được triển khai trong giếng thoát nước trọng lực hỗ trợ hơi nước ở Tây Canada để bảo vệ ESP khỏi chất rắn trong quá trình sản xuất. Lưới lọc lọc chất rắn có hại khỏi chất lỏng sản xuất khi nó đi vào chuỗi sản xuất. Trong chuỗi sản xuất, chất lỏng chảy đến đầu vào ESP, tại đó chúng được bơm lên bề mặt. Có thể chạy máy đóng gói giữa lưới lọc và ESP để cung cấp sự cô lập theo vùng giữa vùng sản xuất và giếng khoan phía trên.
Theo thời gian sản xuất, không gian hình khuyên giữa màn hình và vỏ có xu hướng bắc cầu bằng cát, làm tăng sức cản dòng chảy. Cuối cùng, hình khuyên bắc cầu hoàn toàn, ngăn dòng chảy và tạo ra chênh lệch áp suất giữa giếng khoan và chuỗi sản xuất, như thể hiện trong Hình 3. Tại thời điểm này, chất lỏng không còn có thể chảy đến ESP và chuỗi hoàn thiện phải được kéo. Tùy thuộc vào một số biến liên quan đến sản xuất chất rắn, thời gian cần thiết để dừng dòng chảy qua cầu chất rắn trên màn hình có thể ngắn hơn thời gian cho phép ESP bơm chất lỏng chứa chất rắn có thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc xuống đất, do đó thế hệ thành phần thứ hai đã được phát triển.
Bộ phận bảo vệ bơm thế hệ thứ hai. Hệ thống van và màn chắn cát đầu vào PumpGuard* được treo bên dưới bơm REDA* trong Hình 4, một ví dụ về hoàn thiện ESP không thông thường. Khi giếng khai thác, màn chắn sẽ lọc các chất rắn trong quá trình khai thác, nhưng sẽ bắt đầu từ từ bắc cầu với cát và tạo ra chênh lệch áp suất. Khi chênh lệch áp suất này đạt đến áp suất nứt do van đặt, van sẽ mở ra, cho phép chất lỏng chảy trực tiếp vào chuỗi ống đến ESP. Dòng chảy này cân bằng chênh lệch áp suất trên màn chắn, nới lỏng độ bám của các bao cát ở bên ngoài màn chắn. Cát có thể thoát ra khỏi vòng đệm, giúp giảm sức cản dòng chảy qua màn chắn và cho phép dòng chảy tiếp tục. Khi chênh lệch áp suất giảm, van sẽ trở về vị trí đóng và các điều kiện dòng chảy bình thường sẽ tiếp tục. Lặp lại chu trình này cho đến khi cần kéo ESP ra khỏi lỗ để bảo dưỡng. Các nghiên cứu điển hình được nêu bật trong bài viết này chứng minh rằng hệ thống có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của máy bơm so với việc chỉ hoàn thiện sàng lọc.
Đối với quá trình lắp đặt gần đây, một giải pháp tiết kiệm chi phí đã được đưa ra để cô lập khu vực giữa lưới thép không gỉ và ESP. Một bộ đóng cốc hướng xuống được lắp phía trên phần lưới lọc. Phía trên bộ đóng cốc, các lỗ đục ống trung tâm bổ sung tạo ra đường dẫn cho chất lỏng được tạo ra di chuyển từ bên trong lưới lọc đến không gian hình khuyên phía trên bộ đóng, tại đó chất lỏng có thể đi vào đầu vào ESP.
Bộ lọc lưới thép không gỉ được chọn cho giải pháp này có một số ưu điểm so với các loại lưới 2D có khe hở. Bộ lọc 2D chủ yếu dựa vào các hạt trải dài qua các khe hở hoặc khe hở của bộ lọc để tạo thành bao cát và kiểm soát cát. Tuy nhiên, vì chỉ có thể chọn một giá trị khe hở duy nhất cho màn hình nên màn hình trở nên rất nhạy cảm với sự phân bố kích thước hạt của chất lỏng được tạo ra.
Ngược lại, lớp lưới dày của bộ lọc lưới thép không gỉ cung cấp độ xốp cao (92%) và diện tích dòng chảy mở lớn (40%) cho chất lỏng giếng khoan được sản xuất. Bộ lọc được chế tạo bằng cách nén lưới thép không gỉ và quấn trực tiếp xung quanh ống trung tâm đục lỗ, sau đó bao bọc nó trong một lớp phủ bảo vệ đục lỗ được hàn vào ống trung tâm ở mỗi đầu. Sự phân bố các lỗ chân lông trong lớp lưới, hướng góc không đồng đều (dao động từ 15 µm đến 600 µm) cho phép các hạt mịn vô hại chảy dọc theo đường dẫn dòng chảy 3D về phía ống trung tâm sau khi các hạt lớn hơn và có hại bị giữ lại bên trong lưới. Thử nghiệm giữ cát trên các mẫu sàng này chứng minh rằng bộ lọc duy trì độ thấm cao vì chất lỏng được tạo ra qua sàng. Trên thực tế, bộ lọc "kích thước" đơn này có thể xử lý tất cả các phân phối kích thước hạt của chất lỏng sản xuất gặp phải. Màn hình len thép không gỉ này được một nhà điều hành lớn phát triển vào những năm 1980 dành riêng cho việc hoàn thiện màn hình độc lập trong các bể chứa kích thích bằng hơi nước và có thành tích thành công to lớn cài đặt.
Cụm van bao gồm một van lò xo cho phép dòng chảy một chiều vào chuỗi ống từ khu vực sản xuất. Bằng cách điều chỉnh tải trước lò xo cuộn trước khi lắp đặt, van có thể được tùy chỉnh để đạt được áp suất nứt mong muốn cho ứng dụng. Thông thường, một van được chạy dưới lưới thép không gỉ để cung cấp đường dẫn dòng chảy thứ cấp giữa bể chứa và ESP. Trong một số trường hợp, nhiều van và lưới thép không gỉ hoạt động nối tiếp, trong đó van ở giữa có áp suất nứt thấp hơn van thấp nhất.
Theo thời gian, các hạt hình thành lấp đầy vùng hình khuyên giữa bề mặt ngoài của lưới cụm bảo vệ bơm và thành vỏ sản xuất. Khi khoang chứa đầy cát và các hạt kết dính, độ giảm áp suất qua bao cát tăng lên. Khi độ giảm áp suất này đạt đến giá trị cài đặt trước, van hình nón mở ra và cho phép dòng chảy trực tiếp qua cửa vào của bơm. Ở giai đoạn này, dòng chảy qua đường ống có thể phá vỡ cát đã kết dính trước đó dọc theo bên ngoài của bộ lọc lưới. Do chênh lệch áp suất giảm, dòng chảy sẽ tiếp tục qua lưới và van nạp sẽ đóng lại. Do đó, bơm chỉ có thể nhìn thấy dòng chảy trực tiếp từ van trong một thời gian ngắn. Điều này kéo dài tuổi thọ của bơm, vì phần lớn dòng chảy là chất lỏng được lọc qua lưới cát.
Hệ thống bảo vệ bơm được vận hành bằng máy đóng gói tại ba giếng khác nhau ở lưu vực Delaware tại Hoa Kỳ. Mục tiêu chính là giảm số lần khởi động và dừng ESP do quá tải liên quan đến cát và tăng khả năng sử dụng ESP để cải thiện sản lượng. Hệ thống bảo vệ bơm được treo ở đầu dưới của chuỗi ESP. Kết quả của giếng dầu cho thấy hiệu suất bơm ổn định, độ rung và cường độ dòng điện giảm và công nghệ bảo vệ bơm. Sau khi lắp đặt hệ thống mới, thời gian chết liên quan đến cát và chất rắn đã giảm 75% và tuổi thọ của bơm tăng hơn 22%.
Một cái giếng. Một hệ thống ESP đã được lắp đặt trong một giếng khoan và nứt vỡ mới ở Quận Martin, Texas. Phần thẳng đứng của giếng dài khoảng 9.000 feet và phần nằm ngang kéo dài tới 12.000 feet, độ sâu đã đo (MD). Đối với hai lần hoàn thiện đầu tiên, một hệ thống tách cát xoáy dưới lòng đất với sáu kết nối ống lót đã được lắp đặt như một phần không thể thiếu của quá trình hoàn thiện ESP. Đối với hai lần lắp đặt liên tiếp sử dụng cùng một loại máy tách cát, người ta đã quan sát thấy hành vi không ổn định của các thông số vận hành ESP (cường độ dòng điện và độ rung). Phân tích tháo rời bộ phận ESP bị kéo cho thấy cụm tách khí xoáy bị tắc nghẽn bởi vật lạ, được xác định là cát vì nó không có từ tính và không phản ứng hóa học với axit.
Trong lần lắp đặt ESP thứ ba, lưới thép không gỉ đã thay thế bộ tách cát để kiểm soát cát ESP. Sau khi lắp đặt hệ thống bảo vệ bơm mới, ESP hoạt động ổn định hơn, giảm phạm vi dao động dòng điện của động cơ từ ~19 A cho lần lắp đặt số 2 xuống ~6,3 A cho lần lắp đặt số 3. Độ rung ổn định hơn và xu hướng giảm 75%. Độ giảm áp suất cũng ổn định, dao động rất ít so với lần lắp đặt trước và tăng thêm 100 psi độ giảm áp suất. Số lần tắt máy quá tải của ESP giảm 100% và ESP hoạt động với độ rung thấp.
Giếng B. Trong một giếng gần Eunice, New Mexico, một giếng không thông thường khác đã lắp đặt ESP nhưng không có bảo vệ máy bơm. Sau khi khởi động ban đầu, ESP bắt đầu biểu hiện hành vi thất thường. Biến động về dòng điện và áp suất có liên quan đến các đợt rung đột biến. Sau khi duy trì các điều kiện này trong 137 ngày, ESP bị hỏng và phải lắp đặt hệ thống thay thế. Lần lắp đặt thứ hai bao gồm một hệ thống bảo vệ máy bơm mới có cùng cấu hình ESP. Sau khi giếng tiếp tục sản xuất, ESP hoạt động bình thường, với cường độ dòng điện ổn định và độ rung ít hơn. Vào thời điểm xuất bản, lần chạy ESP thứ hai đã đạt hơn 300 ngày hoạt động, cải thiện đáng kể so với lần lắp đặt trước đó.
Giếng C. Hệ thống được lắp đặt tại chỗ lần thứ ba tại Mentone, Texas, bởi một công ty chuyên về dầu khí đã gặp sự cố mất điện và hỏng ESP do sản xuất cát và muốn cải thiện thời gian hoạt động của máy bơm. Người vận hành thường chạy bộ tách cát dưới giếng với lớp lót trong mỗi giếng ESP. Tuy nhiên, sau khi lớp lót chứa đầy cát, bộ tách sẽ cho phép cát chảy qua phần bơm, ăn mòn tầng bơm, ổ trục và trục, dẫn đến mất lực nâng. Sau khi vận hành hệ thống mới với bộ bảo vệ bơm, ESP có tuổi thọ hoạt động dài hơn 22% với độ giảm áp ổn định hơn và thời gian hoạt động liên quan đến ESP tốt hơn.
Số lần tắt máy liên quan đến cát và chất rắn trong quá trình vận hành đã giảm 75%, từ 8 sự kiện quá tải trong lần lắp đặt đầu tiên xuống còn 2 trong lần lắp đặt thứ hai và số lần khởi động lại thành công sau khi tắt máy quá tải đã tăng 30%, từ 8 trong lần lắp đặt đầu tiên. Tổng cộng có 12 sự kiện, trong tổng số 8 sự kiện, được thực hiện trong lần lắp đặt thứ cấp, giúp giảm ứng suất điện trên thiết bị và tăng tuổi thọ hoạt động của ESP.
Hình 5 cho thấy sự gia tăng đột ngột trong tín hiệu áp suất nạp (màu xanh) khi lưới thép không gỉ bị chặn và cụm van được mở. Tín hiệu áp suất này có thể cải thiện hiệu quả sản xuất hơn nữa bằng cách dự đoán các lỗi ESP liên quan đến cát, do đó có thể lên kế hoạch cho các hoạt động thay thế bằng giàn sửa chữa.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Phân tích thực nghiệm ống xoáy như thiết bị tách cát dưới đáy giếng”, Bài báo SPE 94673-MS, trình bày tại Hội nghị Kỹ thuật Dầu khí Mỹ Latinh và Caribe của SPE, Rio de Janeiro, Brazil, ngày 20 tháng 6 – 23 tháng 2 năm 2005.https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Bài viết này có chứa các thành phần từ bài báo SPE 207926-MS, được trình bày tại Triển lãm và Hội nghị Dầu khí Quốc tế Abu Dhabi ở Abu Dhabi, UAE, từ ngày 15 đến ngày 18 tháng 11 năm 2021.
Mọi tài liệu đều phải tuân theo luật bản quyền được thực thi nghiêm ngặt, vui lòng đọc Điều khoản và Điều kiện, Chính sách Cookie và Chính sách Bảo mật của chúng tôi trước khi sử dụng trang web này.