Các bộ phận bảo vệ máy bơm đã được chứng minh là có thể bảo vệ máy bơm khỏi cát và kéo dài tuổi thọ hoạt động của ESP trong các giếng độc đáo. Giải pháp này kiểm soát dòng chảy ngược của cát frac và các chất rắn khác có thể gây ra quá tải và thời gian ngừng hoạt động. Công nghệ cho phép loại bỏ các vấn đề liên quan đến sự không chắc chắn về phân bố kích thước hạt.
Khi ngày càng có nhiều giếng dầu phụ thuộc vào ESP, việc kéo dài tuổi thọ của hệ thống bơm điện chìm (ESP) ngày càng trở nên quan trọng. Tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của bơm nâng nhân tạo rất nhạy cảm với chất rắn trong chất lỏng được sản xuất. Tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của ESP giảm đáng kể cùng với sự gia tăng các hạt rắn. Ngoài ra, chất rắn làm tăng thời gian ngừng hoạt động của giếng và tần suất thay thế cần thiết để thay thế ESP.
Các hạt rắn thường chảy qua máy bơm nâng nhân tạo bao gồm cát hình thành, chất 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 chất rắn từ lốc xoáy hiệu suất thấp đến lưới thép không gỉ 3D hiệu quả cao. Máy hút dòng xoáy lỗ 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 sản xuất. Tuy nhiên, các giếng độc đáo phải chịu dòng chảy sên không liên tục, dẫn đến lỗ khoan hiện có công nghệ tách xoáy chỉ hoạt động không liên tục.
Một số biến thể khác nhau của màn hình kiểm soát cát kết hợp và máy hút dòng xoáy hạ cấp đã được đề xuất để bảo vệ ESP. Tuy nhiên, có những lỗ hổng 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 khối lượng chất rắn được tạo ra bởi mỗi giếng. Sự không chắc chắn làm tăng chiều dài của các bộ phận kiểm soát cát, do đó làm giảm độ sâu mà ESP có thể được đặt, hạn chế khả năng suy giảm bể chứa của ESP và tác động tiêu cực đến tính kinh tế của giếng. Độ sâu cài đặt sâu hơn được ưu tiên trong các giếng độc đáo. Tuy nhiên, việc sử dụng máy khử cát s và neo bùn cắm đực để treo các cụm kiểm soát cát dài, cứng trong các phần vỏ có mức độ nghiêm trọng cao hạn chế các cải tiến ESP MTBF. Ăn mòn ống bên trong là một khía cạnh khác của thiết kế này chưa được đánh giá đầy đủ.
Các tác giả của một bài báo năm 2005 đã trình bày kết quả thử nghiệm của thiết bị tách cát hạ cấp dựa trên ống lốc xoáy (Hình 1), phụ thuộc vào hoạt động của lốc xoáy và trọng lực, để chỉ ra rằng hiệu quả tách phụ thuộc vào độ nhớt của dầu, tốc độ dòng chảy và kích thước hạt. Họ chỉ ra rằng hiệu quả của thiết bị tách chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc cuối của các hạt. Hiệu quả tách giảm khi giảm tốc độ dòng chảy, giảm kích thước hạt rắn và tăng độ nhớt của dầu, % khi kích thước hạt giảm xuống ~100 µm.Ngoài ra, khi tốc độ dòng chảy tăng lên, bộ tách xoáy có thể bị mài mòn, ảnh hưởng đến việc sử dụng tuổi thọ của các bộ phận kết cấu.
Giải pháp thay thế hợp lý tiếp theo là sử dụng màn hình kiểm soát cát 2D với chiều rộng khe xác định. Kích thước và phân bố hạt là những cân nhắc quan trọng khi chọn màn hình để lọc chất rắn trong quá trình sản xuất giếng thông thường hoặc độc đáo, nhưng chúng có thể không xác định được. Chất rắn có thể đến từ hồ chứa, nhưng chúng có thể thay đổi từ gót này sang gót khác;cách khác, màn hình có thể cần lọc cát từ quá trình bẻ gãy 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 phù hợp, kết quả có thể ảnh hưởng đến tính kinh tế của giếng. Các lỗ mở của màn hình cát quá nhỏ có thể dẫn đến tắc nghẽn sớm, tắt máy và cần phải sửa chữa. Nếu chúng quá lớn, chúng cho phép chất rắn tự do xâm nhập vào quy trình sản xuất, có thể ăn mòn đường ống dẫn dầu, làm hỏng máy bơm nâng nhân tạo, tuôn ra cuộn cảm bề mặt và lấp đầy 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 rộng phân bố kích thước cát.
Để đáp ứng nhu cầu này, một nghiên cứu đã được thực hiện về việc sử dụng các cụm van kết hợp với lưới thép không gỉ, loại lưới không nhạy cảm với sự phân bố chất rắn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưới thép không gỉ với kích thước lỗ thay đổi và cấu trúc 3D có thể kiểm soát hiệu quả các chất rắn có kích thước khác nhau mà không cần biết sự phân bố kích thước hạt của chất rắn thu được. Lưới thép không gỉ 3D có thể kiểm soát hiệu quả các hạt cát ở mọi kích cỡ mà không cần lọc thứ cấp bổ sung.
Một cụm van được gắn ở dưới cùng của màn hình 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 màn hình được bắc cầu. Kết quả là màn hình kiểm soát cát đầu vào và cụm van bảo vệ ESP, bơm nâng thanh và hoàn thành 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 bình chứa cho các tình huống khác nhau.
Thiết kế bảo vệ máy bơm thế hệ đầu tiên. Một cụm bảo vệ máy bơm sử dụng màn chắn len bằng thép không gỉ đã được triển khai trong giếng thoát nước trọng lực có hỗ trợ hơi nước ở Tây Canada để bảo vệ ESP khỏi chất rắn trong quá trình sản xuất. Các tấm chắn lọc chất rắn có hại khỏi chất lỏng sản xuất khi nó đi vào dây chuyền sản xuất. Trong chuỗi sản xuất, chất lỏng chảy đến đầu vào của ESP, nơi chúng được bơm lên bề mặt. Máy đóng gói có thể chạy giữa màn hình và ESP để cung cấp sự cách ly khu vực giữa khu vực sản xuất và miệng giếng phía trên.
Theo thời gian sản xuất, không gian hình khuyên giữa màn hình và vỏ có xu hướng kết cầu với cát, làm tăng lực cản dòng chảy. Cuối cùng, các hình khuyên bắc cầu hoàn toàn, ngừng dòng chảy và tạo ra chênh lệch áp suất giữa giếng khoan và dây chuyền sản xuất, như thể hiện trong Hình 3. Tại thời điểm này, chất lỏng không thể chảy vào ESP nữa và dây chuyền hoàn thành phải được kéo.Tùy thuộc vào một số biến số liên quan đến quá trình tạo ra chất rắn, khoảng thời gian cần thiết để ngừng dòng chảy qua cầu chất rắn trên màn hình có thể ít hơn khoảng thời gian cho phép ESP bơm chất lỏng chứa đầy chất rắn, thời gian trung bình giữa các lần hỏng xuống đất, vì vậy thế hệ thứ hai của các bộ phận đã được phát triển.
Cụm bảo vệ máy bơm thế hệ thứ hai. Hệ thống cụm van và màn chắn điều khiển cát đầu vào PumpGuard* được treo bên dưới máy bơm REDA* trong Hình 4, một ví dụ về quá trình hoàn thiện ESP độc đáo. Sau khi giếng được sản xuất, màn lọc sẽ lọc chất rắn trong quá trình sản xuất, nhưng sẽ bắt đầu kết dính dần dần với cát và tạo ra chênh lệch áp suất. Khi áp suất chênh lệch này đạt đến áp suất nứt đã đặt của van, van sẽ mở ra, cho phép chất lỏng chảy trực tiếp vào chuỗi ống dẫn đến ESP. Dòng chảy này cân bằng chênh lệch áp suất trên màn hình, nới lỏng tay cầm của các bao cát ở bên ngoài màn hình. Cát có thể tự do thoát ra khỏi vòng ngăn, điều này làm giảm sức cản của dòng chảy qua màn hình và cho phép dòng chảy tiếp tục. Khi chênh lệch áp suất giảm xuống, van trở về vị trí đóng và điều kiện dòng chảy bình thường tiếp tục. Lặp lại chu trình này cho đến khi cần phải kéo ESP ra khỏi lỗ để bảo dưỡng. Các nghiên cứu điển hình được nhấn mạnh 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 thành màn hình đang chạy.
Đối với quá trình lắp đặt gần đây, một giải pháp tiết kiệm chi phí đã được giới thiệu để cách ly khu vực giữa lưới thép không gỉ và ESP. Bộ đóng gói dạng cốc hướng xuống dưới được gắn phía trên phần màn hình. Phía trên bộ đóng gói dạng cốc, các lỗ đục lỗ bổ sung ở giữa ống cung cấp một đường dẫn cho chất lỏng được sản xuất di chuyển từ bên trong màn hình đến không gian hình khuyên phía trên bộ đóng gói, nơi chất lỏng có thể đi vào đầu vào ESP.
Bộ lọc lưới thép không gỉ được chọn cho giải pháp này mang lại một số lợi thế so với các loại lưới 2D dựa trên khoảng cách. Bộ lọc 2D chủ yếu dựa vào các khoảng trống hoặc khe của bộ lọc kéo dài để xây dựng bao cát và cung cấp khả năng kiểm soát cát. Tuy nhiên, vì chỉ có thể chọn một giá trị khoảng cách 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 lớn (40%) cho chất lỏng giếng khoan được tạo ra. Bộ lọc được cấu tạo bằng cách nén lưới lông cừu bằng thép không gỉ và bọc trực tiếp xung quanh một ống trung tâm có đục lỗ, sau đó bọc nó trong một vỏ bảo vệ có lỗ được hàn vào ống trung tâm ở mỗi đầu. cho phép các hạt mịn vô hại chảy dọc theo đường dòng chảy 3D về phía ống trung tâm sau khi các hạt lớn hơn và có hại bị giữ lại trong lưới. Thử nghiệm giữ cát trên các mẫu của sàng này đã chứng minh rằng bộ lọc duy trì tính thấm cao do chất lỏng được tạo ra qua sàng. Hiệu quả là, bộ lọc "kích thước" duy nhất này có thể xử lý tất cả các phân bố kích thước hạt của chất lỏng được tạo ra gặp phải. Màn hình len bằng thép không gỉ này được một nhà điều hành lớn phát triển vào những năm 1980 dành riêng cho việc hoàn thiện màn hình khép kín trong các bể chứa kích thích bằng hơi nước và có nhiều thành tích lắp đặt thành công.
Cụm van bao gồm một van tải lò xo cho phép dòng chảy một chiều vào chuỗi ống từ khu vực sản xuất. Bằng cách điều chỉnh tải trước của 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 tạo đường dẫn dòng chảy thứ cấp giữa bình chứa và ESP. Trong một số trường hợp, nhiều van và lưới thép không gỉ hoạt động nối tiếp, với van giữa có áp suất nứt thấp hơn van thấp nhất.
Theo thời gian, các hạt hình thành sẽ lấp đầy khu vực hình khuyên giữa bề mặt ngoài của màn hình cụm bảo vệ máy bơm và thành của vỏ sản xuất. Khi khoang chứa đầy cát và các hạt kết lại, áp suất giảm qua bao cát tăng lên. Khi mức giảm áp suất này đạt đến một giá trị đặt trước, van hình nón sẽ mở ra và cho phép dòng chảy trực tiếp qua đầu vào của bơm. trước hết, máy bơm chỉ có thể nhìn thấy dòng chảy trực tiếp từ van trong một khoảng thời gian ngắn. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của máy bơm, vì phần lớn dòng chảy là chất lỏng được lọc qua màn chắn cát.
Hệ thống bảo vệ máy bơm được vận hành với các máy đóng gói ở ba giếng khác nhau trong lưu vực Delaware ở Hoa Kỳ. Mục tiêu chính là giảm số lần khởi động và dừng ESP do quá tải liên quan đến cát và tăng tính khả dụng của ESP để cải thiện sản xuất. Hệ thống bảo vệ máy bơm bị treo ở đầu dưới của chuỗi ESP. Kết quả giếng dầu cho thấy hiệu suất bơm ổn định, giảm độ rung và cường độ dòng điện cũng như công nghệ bảo vệ máy bơm. Sau khi lắp đặt hệ thống mới, thời gian ngừng hoạt động liên quan đến cát và chất rắn đã giảm 75% và tuổi thọ máy bơm tăng hơn 22 %.
Một cái giếng. Hệ thống ESP đã được lắp đặt trong một giếng khoan và nứt mới ở Hạt Martin, Texas. Phần thẳng đứng của giếng dài khoảng 9.000 feet và phần nằm ngang kéo dài đến 12.000 feet, độ sâu được đo (MD). Đối với hai lần hoàn thiện đầu tiên, một hệ thống tách cát xoáy lỗ đáy với sáu kết nối lót đã được lắp đặt như một phần không thể thiếu trong quá trình hoàn thiện ESP. Đối với hai lần lắp đặt liên tiếp sử dụng cùng một loại thiết bị tách cát, 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 của thiết bị ESP được kéo cho thấy rằng cụm tách khí xoáy bị tắc bởi vật chất lạ, được xác định là cát vì nó không có từ tính và không phản ứng hóa học với axit.
Trong quá trình cài đặt ESP thứ ba, lưới thép không gỉ đã thay thế bộ tách cát như một phương tiện kiểm soát cát ESP. Sau khi cài đặt hệ thống bảo vệ máy bơm mới, ESP thể hiện hoạt động ổn định hơn, giảm phạm vi dao động dòng điện động cơ từ ~19 A cho cài đặt #2 xuống ~6,3 A cho cài đặt #3. Độ rung ổn định hơn và xu hướng giảm 75%. Độ sụt áp cũng ổn định, dao động rất ít so với cài đặt trước đó và giảm thêm 100 psi áp suất. Ngừng quá tải ESP giảm 1 00% và ESP hoạt động với độ rung thấp.
Giếng B. Trong một cái giếng gần Eunice, New Mexico, một giếng khác thường đã được lắp đặt một ESP nhưng không có hệ thống bảo vệ máy bơm. Sau lần khởi động đầu tiên, ESP bắt đầu có hành vi thất thường. Sự dao động về dòng điện và áp suất có liên quan đến các xung rung. Sau khi duy trì các điều kiện này trong 137 ngày, ESP đã bị lỗi và một thiết bị thay thế đã được lắp đặt. Lần lắp đặt thứ hai bao gồm một hệ thống bảo vệ máy bơm mới với cùng cấu hình ESP. Sau khi giếng được tiếp tục sản xuất, ESP đã hoạt động bình thường, với cường độ dòng điện ổn định và ít rung hơn. Vào thời điểm xuất bản, giếng thứ hai lần chạy ESP đã đạt hơn 300 ngày hoạt động, một cải tiến đáng kể so với lần cài đặt trước.
Giếng C. Hệ thống được lắp đặt tại chỗ lần thứ ba ở Mentone, Texas, bởi một công ty chuyên về dầu khí. Công ty này đã gặp sự cố ngừng hoạt động và lỗi ESP do sản xuất cát và muốn cải thiện thời gian hoạt động của máy bơm. Người vận hành thường chạy bộ tách cát hố đào với lớp lót trong mỗi giếng ESP. Tuy nhiên, một khi lớp lót chứa đầy cát, bộ tách sẽ cho phép cát chảy qua phần máy bơm, ăn mòn tầng bơm, vòng bi và trục, dẫn đến mất lực nâng. Sau khi chạy hệ thống mới với bộ bảo vệ máy bơm, bộ tách sẽ cho phép cát chảy qua phần máy bơm, ăn mòn tầng bơm, vòng bi và trục, dẫn đến mất lực nâng. Tuổi thọ hoạt động dài hơn 22% với mức giảm áp suất ổn định hơn và thời gian hoạt động liên quan đến ESP tốt hơn.
Số lần tắt liên quan đến cát và chất rắn trong quá trình vận hành đã giảm 75%, từ 8 lần quá tải trong lần cài đặt đầu tiên xuống còn 2 lần trong lần cài đặt thứ hai và số lần khởi động lại thành công sau khi tắt quá tải tăng 30%, từ 8 lần trong lần cài đặt đầu tiên.Tổng cộng có 12 sự kiện, trong tổng số 8 sự kiện, đã được thực hiện trong quá trình lắp đặt thứ cấp, giúp giảm căng thẳng về điện cho thiết bị và tăng tuổi thọ hoạt động của ESP.
Hình 5 cho thấy dấu hiệu áp suất nạp (màu xanh) tăng đột ngột khi lưới thép không gỉ bị chặn và cụm van được mở. Dấu hiệu áp suất này có thể cải thiện hơn nữa hiệu quả sản xuất bằng cách dự đoán lỗi ESP liên quan đến cát, do đó có thể lên kế hoạch cho các hoạt động thay thế bằng giàn khoan workover.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Phân tích thử nghiệm ống xoáy như thiết bị hút lỗ xuống,” Bài báo SPE 94673-MS, được trình bày tại Hội nghị Kỹ thuật Dầu khí SPE Châu Mỹ Latinh và Ca-ri-bê, Rio de Janeiro, Brazil, 20 tháng 6 – 23 tháng 2 năm 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Bài viết này chứa các yếu tố từ bài báo SPE 207926-MS, được trình bày tại Hội nghị và Triển lãm Dầu khí Quốc tế Abu Dhabi ở Abu Dhabi, UAE, từ ngày 15 đến ngày 18 tháng 11 năm 2021.
Tất cả các tài liệu 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 quyền riêng tư của chúng tôi trước khi sử dụng trang web này.