أثبتت مكونات حماية المضخات فعاليتها في حماية المضخات من الرمال وإطالة عمرها التشغيلي في الآبار غير التقليدية. يتحكم هذا الحل في التدفق العكسي لرمال التكسير وغيرها من المواد الصلبة التي قد تسبب زيادة الأحمال وتوقف العمل. كما تقضي التقنية المستخدمة على المشاكل المرتبطة بعدم دقة توزيع حجم الجسيمات.
مع تزايد اعتماد آبار النفط على المضخات الغاطسة الكهربائية، تزداد أهمية إطالة عمر هذه الأنظمة. يتأثر عمر تشغيل مضخات الرفع الاصطناعي وأداؤها بشكل كبير بوجود المواد الصلبة في السوائل المنتجة. وقد انخفض عمر تشغيل المضخات الغاطسة الكهربائية وأداؤها بشكل ملحوظ مع ازدياد نسبة الجسيمات الصلبة. إضافةً إلى ذلك، تزيد المواد الصلبة من وقت توقف البئر وتكرار عمليات الصيانة اللازمة لاستبدال المضخات الغاطسة الكهربائية.
تشمل الجسيمات الصلبة التي تتدفق عادةً عبر مضخات الرفع الاصطناعي رمال التكوين، ومواد التكسير الهيدروليكي، والأسمنت، وجزيئات المعادن المتآكلة أو المتآكلة. تتراوح تقنيات فصل المواد الصلبة في قاع البئر من الفواصل الإعصارية منخفضة الكفاءة إلى شبكات الأسلاك الفولاذية المقاومة للصدأ ثلاثية الأبعاد عالية الكفاءة. تُستخدم فواصل الدوامات الرملية في قاع البئر في الآبار التقليدية منذ عقود، وتُستخدم بشكل أساسي لحماية المضخات من الجسيمات الكبيرة أثناء الإنتاج. ومع ذلك، فإن الآبار غير التقليدية عرضة لتدفق متقطع، مما يؤدي إلى أن تقنية فواصل الدوامات الحالية في قاع البئر تعمل بشكل متقطع فقط.
تم اقتراح العديد من النماذج المختلفة لأنظمة التحكم بالرمال المدمجة مع أجهزة إزالة الرمال الدوامية في قاع البئر لحماية المضخات الغاطسة الكهربائية. ومع ذلك، توجد ثغرات في أداء الحماية والإنتاج لجميع المضخات نتيجةً لعدم اليقين في توزيع حجم وكمية المواد الصلبة التي تنتجها كل بئر. يؤدي عدم اليقين إلى زيادة طول مكونات التحكم بالرمال، مما يقلل من العمق الذي يمكن عنده تركيب المضخة الغاطسة الكهربائية، ويحد من إمكانية انخفاض إنتاجية المكمن، ويؤثر سلبًا على اقتصاديات البئر. يُفضل تركيب المضخات على أعماق أكبر في الآبار غير التقليدية. ومع ذلك، فإن استخدام أجهزة إزالة الرمال ومثبتات الطين ذات السدادات الذكرية لتعليق مجموعات التحكم بالرمال الطويلة والصلبة في أقسام التغليف ذات الانحناءات الحادة قد حدّ من تحسينات متوسط ​​الوقت بين الأعطال للمضخات الغاطسة الكهربائية. يُعد تآكل الأنبوب الداخلي جانبًا آخر من هذا التصميم لم يتم تقييمه بشكل كافٍ.
قدم مؤلفو ورقة بحثية نُشرت عام 2005 نتائج تجريبية لفصل رمال في قاع البئر باستخدام أنبوب إعصاري (الشكل 1)، يعتمد على حركة الإعصار والجاذبية، لتوضيح أن كفاءة الفصل تعتمد على لزوجة الزيت ومعدل التدفق وحجم الجسيمات. وأظهرت النتائج أن كفاءة الفصل تعتمد بشكل كبير على السرعة النهائية للجسيمات. تنخفض كفاءة الفصل مع انخفاض معدل التدفق، وانخفاض حجم الجسيمات الصلبة، وزيادة لزوجة الزيت (الشكل 2). بالنسبة لفاصل نموذجي من نوع الأنبوب الإعصاري في قاع البئر، تنخفض كفاءة الفصل إلى حوالي 10% عندما ينخفض ​​حجم الجسيمات إلى حوالي 100 ميكرومتر. بالإضافة إلى ذلك، مع زيادة معدل التدفق، يتعرض الفاصل الدوامي للتآكل، مما يؤثر على عمر مكوناته الهيكلية.
البديل المنطقي التالي هو استخدام غربال ثنائي الأبعاد للتحكم في الرمال بفتحات محددة العرض. يُعدّ حجم الجسيمات وتوزيعها من الاعتبارات المهمة عند اختيار الغرابيل لترشيح المواد الصلبة في إنتاج الآبار التقليدية أو غير التقليدية، ولكن قد تكون هذه العوامل غير معروفة. قد تأتي المواد الصلبة من المكمن، ولكنها قد تختلف من منطقة إلى أخرى؛ أو قد يحتاج الغربال إلى ترشيح الرمال الناتجة عن التكسير الهيدروليكي. في كلتا الحالتين، قد تكون تكلفة جمع المواد الصلبة وتحليلها واختبارها باهظة.
إذا لم يتم ضبط شاشة أنابيب ثنائية الأبعاد بشكل صحيح، فقد يؤثر ذلك سلبًا على جدوى البئر الاقتصادية. ففتحات شاشة الرمل الصغيرة جدًا قد تؤدي إلى انسداد مبكر، وتوقف الإنتاج، والحاجة إلى عمليات إصلاح. أما إذا كانت الفتحات كبيرة جدًا، فإنها تسمح بدخول المواد الصلبة بحرية إلى عملية الإنتاج، مما قد يؤدي إلى تآكل أنابيب النفط، وإتلاف مضخات الرفع الاصطناعي، وتفريغ صمامات الخنق السطحية، وملء فواصل السطح، الأمر الذي يستدعي تنظيفها بالرمل والتخلص منها. يتطلب هذا الوضع حلاً بسيطًا وفعالاً من حيث التكلفة، قادرًا على إطالة عمر المضخة، وتغطية نطاق واسع من أحجام الرمل.
لتلبية هذه الحاجة، أُجريت دراسة حول استخدام مجموعات الصمامات مع شبكة سلكية من الفولاذ المقاوم للصدأ، وهي غير حساسة لتوزيع المواد الصلبة الناتجة. وقد أظهرت الدراسات أن الشبكة السلكية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات حجم المسام المتغير والبنية ثلاثية الأبعاد يمكنها التحكم بفعالية في المواد الصلبة بمختلف أحجامها دون معرفة توزيع حجم الجسيمات. كما يمكن للشبكة السلكية ثلاثية الأبعاد المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ التحكم بفعالية في حبيبات الرمل بجميع أحجامها، دون الحاجة إلى ترشيح ثانوي إضافي.
تسمح مجموعة صمامات مثبتة أسفل الشاشة باستمرار الإنتاج حتى يتم سحب المضخة الغاطسة الكهربائية. وتمنع هذه المجموعة سحب المضخة الغاطسة الكهربائية فورًا بعد إغلاق الشاشة. تحمي شاشة التحكم في رمال المدخل ومجموعة الصمامات الناتجة المضخات الغاطسة الكهربائية ومضخات الرفع بالقضيب ووحدات إكمال الرفع بالغاز من المواد الصلبة أثناء الإنتاج عن طريق تنظيف تدفق السوائل، كما توفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة لإطالة عمر المضخة دون الحاجة إلى تعديل خصائص الخزان لتناسب مختلف الظروف.
تصميم الجيل الأول لحماية المضخات. تم تركيب نظام حماية للمضخات باستخدام شاشات من الصوف الفولاذي المقاوم للصدأ في بئر تصريف بالجاذبية مدعومة بالبخار في غرب كندا لحماية المضخة الغاطسة الكهربائية من المواد الصلبة أثناء الإنتاج. تعمل الشاشات على ترشيح المواد الصلبة الضارة من سائل الإنتاج عند دخوله إلى سلسلة الإنتاج. داخل سلسلة الإنتاج، تتدفق السوائل إلى مدخل المضخة الغاطسة الكهربائية، حيث يتم ضخها إلى السطح. يمكن وضع حشوات بين الشاشة والمضخة الغاطسة الكهربائية لتوفير عزل بين منطقة الإنتاج والجزء العلوي من البئر.
مع مرور الوقت أثناء الإنتاج، تميل المساحة الحلقية بين المصفاة والغلاف إلى التكتل بالرمل، مما يزيد من مقاومة التدفق. وفي النهاية، تتكتل هذه المساحة تمامًا، مما يوقف التدفق ويخلق فرقًا في الضغط بين جدار البئر وسلسلة الإنتاج، كما هو موضح في الشكل 3. عند هذه النقطة، لا يمكن للسائل أن يتدفق إلى الغاطسة الكهربائية، ويجب سحب سلسلة الإكمال. ونظرًا لعدد من المتغيرات المتعلقة بإنتاج المواد الصلبة، قد تكون المدة اللازمة لإيقاف التدفق عبر تكتل المواد الصلبة على المصفاة أقل من المدة التي تسمح للغاطسة الكهربائية بضخ السائل المحمل بالمواد الصلبة إلى الأرض، وذلك في المتوسط ​​بين حالات الفشل، لذا تم تطوير الجيل الثاني من المكونات.
مجموعة حماية المضخة من الجيل الثاني. نظام شاشة التحكم في رمل المدخل وصمام PumpGuard* معلق أسفل مضخة REDA* في الشكل 4، وهو مثال على إكمال غير تقليدي لمضخة الغاطسة الكهربائية. بمجرد بدء إنتاج البئر، تقوم الشاشة بتصفية المواد الصلبة، ولكنها تبدأ بالتراكم تدريجيًا مع الرمل، مما يُحدث فرقًا في الضغط. عندما يصل فرق الضغط هذا إلى ضغط فتح الصمام المحدد، يُفتح الصمام، مما يسمح بتدفق السائل مباشرةً إلى سلسلة الأنابيب المؤدية إلى مضخة الغاطسة الكهربائية. يُعادل هذا التدفق فرق الضغط عبر الشاشة، مما يُخفف من ضغط أكياس الرمل على السطح الخارجي للشاشة. يصبح الرمل حرًا في الخروج من الفراغ الحلقي، مما يُقلل من مقاومة التدفق عبر الشاشة ويسمح باستئناف التدفق. مع انخفاض فرق الضغط، يعود الصمام إلى وضعه المغلق وتعود ظروف التدفق إلى طبيعتها. تُكرر هذه الدورة حتى يصبح من الضروري سحب مضخة الغاطسة الكهربائية من البئر للصيانة. تُظهر دراسات الحالة الموضحة في هذه المقالة أن النظام قادر على إطالة عمر المضخة بشكل كبير مقارنةً بتشغيل نظام التصفية وحده.
في عملية التركيب الأخيرة، تم اعتماد حل اقتصادي لعزل المنطقة بين شبكة الأسلاك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وجهاز الضخ الكهروستاتيكي. تم تركيب حشوة أكواب موجهة للأسفل فوق قسم الشاشة. وفوق حشوة الأكواب، توفر ثقوب إضافية في الأنبوب المركزي مسارًا لتدفق السائل المنتج من داخل الشاشة إلى الفراغ الحلقي فوق الحشوة، حيث يمكن للسائل أن يدخل مدخل جهاز الضخ الكهروستاتيكي.
يُوفر مرشح الشبكة السلكية المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، والمختار لهذا الحل، العديد من المزايا مقارنةً بأنواع الشبكات ثنائية الأبعاد القائمة على الفجوات. تعتمد المرشحات ثنائية الأبعاد بشكل أساسي على الجسيمات التي تملأ فجوات أو فتحات المرشح لتكوين ما يشبه أكياس الرمل والتحكم في الرمال. ومع ذلك، نظرًا لأنه لا يمكن اختيار سوى قيمة فجوة واحدة للشاشة، تصبح الشاشة حساسة للغاية لتوزيع حجم الجسيمات في السائل الناتج.
على النقيض من ذلك، توفر طبقة الشبكة السميكة لمرشحات شبكة الأسلاك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ مسامية عالية (92%) ومساحة تدفق مفتوحة كبيرة (40%) لسائل البئر المُنتَج. يُصنع المرشح عن طريق ضغط شبكة من الصوف الفولاذي المقاوم للصدأ ولفها مباشرة حول أنبوب مركزي مثقب، ثم تغليفها بغطاء واقٍ مثقب ملحوم بالأنبوب المركزي من كلا الطرفين. يسمح توزيع المسام في طبقة الشبكة، والاتجاه الزاوي غير المنتظم (الذي يتراوح من 15 ميكرومتر إلى 600 ميكرومتر)، للجسيمات الدقيقة غير الضارة بالتدفق على طول مسار تدفق ثلاثي الأبعاد نحو الأنبوب المركزي بعد احتجاز الجسيمات الأكبر والأكثر ضررًا داخل الشبكة. أظهر اختبار احتجاز الرمل على عينات من هذا المنخل أن المرشح يحافظ على نفاذية عالية لأن السائل يتولد من خلاله. في الواقع، يمكن لهذا المرشح ذي "الحجم" الواحد التعامل مع جميع توزيعات أحجام الجسيمات في السوائل المُنتَجة. طُوِّرت هذه الشاشة المصنوعة من الصوف الفولاذي المقاوم للصدأ من قِبَل شركة تشغيل رئيسية في ثمانينيات القرن الماضي خصيصًا لعمليات إكمال الشاشات ذاتية الاحتواء في الخزانات المحفزة بالبخار، ولديها سجل حافل بالتركيبات الناجحة.
تتكون مجموعة الصمام من صمام زنبركي يسمح بتدفق أحادي الاتجاه إلى سلسلة الأنابيب من منطقة الإنتاج. ومن خلال ضبط التحميل المسبق للزنبرك الحلزوني قبل التركيب، يمكن تخصيص الصمام لتحقيق ضغط الفتح المطلوب للتطبيق. عادةً، يتم تركيب صمام أسفل شبكة سلكية من الفولاذ المقاوم للصدأ لتوفير مسار تدفق ثانوي بين الخزان ومضخة الغاطسة الكهربائية. في بعض الحالات، تعمل صمامات متعددة وشبكات من الفولاذ المقاوم للصدأ على التوالي، حيث يكون ضغط الفتح للصمام الأوسط أقل من ضغط الفتح للصمام السفلي.
بمرور الوقت، تتراكم جزيئات التكوين في الفراغ الحلقي بين السطح الخارجي لشبكة حماية المضخة وجدار غلاف الإنتاج. ومع امتلاء هذا الفراغ بالرمل وتماسك الجزيئات، يزداد انخفاض الضغط عبر كيس الرمل. وعندما يصل هذا الانخفاض إلى قيمة محددة مسبقًا، يُفتح صمام المخروط، مما يسمح بتدفق السائل مباشرةً عبر مدخل المضخة. في هذه المرحلة، يكون التدفق عبر الأنبوب قادرًا على تفتيت الرمل المتماسك سابقًا على طول السطح الخارجي لمرشح الشبكة. وبسبب انخفاض فرق الضغط، يستأنف التدفق عبر الشبكة ويُغلق صمام المدخل. وبالتالي، لا تتلقى المضخة التدفق مباشرةً من الصمام إلا لفترة وجيزة. وهذا يُطيل عمر المضخة، حيث أن معظم التدفق هو السائل الذي تم ترشيحه عبر شبكة الرمل.
تم تشغيل نظام حماية المضخات باستخدام حشوات مانعة للتسرب في ثلاث آبار مختلفة في حوض ديلاوير بالولايات المتحدة. الهدف الرئيسي هو تقليل عدد مرات تشغيل وإيقاف المضخات الغاطسة الكهربائية (ESP) نتيجةً للأحمال الزائدة المرتبطة بالرمال، وزيادة جاهزية المضخات لتحسين الإنتاج. يُعلق نظام حماية المضخات من الطرف السفلي لسلسلة المضخات الغاطسة الكهربائية. أظهرت نتائج البئر النفطية أداءً مستقرًا للمضخات، وانخفاضًا في الاهتزازات وشدة التيار، وفعالية تقنية حماية المضخات. بعد تركيب النظام الجديد، انخفض وقت التوقف الناتج عن الرمال والمواد الصلبة بنسبة 75%، وزاد عمر المضخات بأكثر من 22%.
تم تركيب نظام مضخة غاطسة كهربائية (ESP) في بئر حفر وتكسير جديدة في مقاطعة مارتن، تكساس. يبلغ عمق الجزء الرأسي من البئر حوالي 9000 قدم، بينما يمتد الجزء الأفقي إلى 12000 قدم، وهو العمق المقاس. في أول عمليتي إكمال، تم تركيب نظام فاصل رمل دوامي سفلي بستة وصلات بطانة كجزء لا يتجزأ من نظام المضخة الغاطسة الكهربائية. في عمليتي تركيب متتاليتين باستخدام نفس نوع فاصل الرمل، لوحظ عدم استقرار في معايير تشغيل المضخة الغاطسة الكهربائية (شدة التيار والاهتزاز). كشف تحليل تفكيك وحدة المضخة الغاطسة الكهربائية المسحوبة أن مجموعة فاصل الغاز الدوامي كانت مسدودة بمواد غريبة، والتي تبين أنها رمل لأنها غير مغناطيسية ولا تتفاعل كيميائيًا مع الأحماض.
في عملية تركيب المضخة الغاطسة الكهربائية الثالثة، استُبدل فاصل الرمل بشبكة سلكية من الفولاذ المقاوم للصدأ كوسيلة للتحكم في الرمل. بعد تركيب نظام حماية المضخة الجديد، أظهرت المضخة الغاطسة أداءً أكثر استقرارًا، حيث انخفض نطاق تقلبات تيار المحرك من حوالي 19 أمبير في التركيب الثاني إلى حوالي 6.3 أمبير في التركيب الثالث. كما أصبح الاهتزاز أكثر استقرارًا، وانخفض بنسبة 75%. وكان انخفاض الضغط مستقرًا أيضًا، حيث تذبذب بشكل طفيف جدًا مقارنةً بالتركيب السابق، وحقق انخفاضًا إضافيًا في الضغط بمقدار 100 رطل لكل بوصة مربعة. وانخفضت حالات إيقاف التشغيل بسبب الحمل الزائد للمضخة الغاطسة بنسبة 100%، وتعمل المضخة الغاطسة باهتزاز منخفض.
في البئر "ب"، بالقرب من يونيس، نيو مكسيكو، تم تركيب مضخة غاطسة كهربائية (ESP) في بئر غير تقليدية أخرى، ولكن دون نظام حماية للمضخة. بعد انخفاض ضغط التشغيل الأولي، بدأت المضخة الغاطسة الكهربائية تُظهر سلوكًا غير منتظم. ارتبطت تقلبات التيار والضغط بارتفاعات مفاجئة في الاهتزاز. بعد استمرار هذه الظروف لمدة 137 يومًا، تعطلت المضخة الغاطسة الكهربائية، وتم استبدالها. يتضمن التركيب الثاني نظام حماية جديدًا للمضخة بنفس تكوين المضخة الغاطسة الكهربائية. بعد استئناف إنتاج البئر، عادت المضخة الغاطسة الكهربائية للعمل بشكل طبيعي، مع استقرار التيار الكهربائي وانخفاض الاهتزاز. عند وقت النشر، تجاوزت مدة تشغيل المضخة الغاطسة الكهربائية في الدورة الثانية 300 يوم، وهو تحسن ملحوظ مقارنةً بالتركيب السابق.
البئر ج. تم تركيب النظام للمرة الثالثة في الموقع في مينتون، تكساس، من قبل شركة متخصصة في النفط والغاز عانت من انقطاعات وأعطال في المضخات الغاطسة الكهربائية بسبب إنتاج الرمال، وكانت ترغب في تحسين وقت تشغيل المضخة. عادةً ما يستخدم المشغلون فواصل رمال في قاع البئر مع بطانة في كل بئر مضخة غاطسة كهربائية. ومع ذلك، بمجرد امتلاء البطانة بالرمال، يسمح الفاصل للرمال بالتدفق عبر قسم المضخة، مما يؤدي إلى تآكل مرحلة المضخة والمحامل والعمود، وبالتالي فقدان الرفع. بعد تشغيل النظام الجديد مع واقي المضخة، أصبح عمر تشغيل المضخة الغاطسة الكهربائية أطول بنسبة 22% مع انخفاض ضغط أكثر استقرارًا ووقت تشغيل أفضل للمضخة الغاطسة الكهربائية.
انخفض عدد حالات التوقف المرتبطة بالرمل والمواد الصلبة أثناء التشغيل بنسبة 75%، من 8 حالات زيادة في الحمل في المنشأة الأولى إلى حالتين في المنشأة الثانية، بينما ارتفع عدد عمليات إعادة التشغيل الناجحة بعد التوقف بسبب زيادة الحمل بنسبة 30%، من 8 عمليات في المنشأة الأولى. وقد تم تنفيذ 12 عملية، بإجمالي 8 عمليات، في المنشأة الثانية، مما قلل من الضغط الكهربائي على المعدات وزاد من العمر التشغيلي للمضخة الكهروستاتيكية.
يوضح الشكل 5 الزيادة المفاجئة في إشارة ضغط المدخل (باللون الأزرق) عند انسداد الشبكة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وفتح مجموعة الصمامات. يمكن لهذه الإشارة أن تُحسّن كفاءة الإنتاج بشكل أكبر من خلال التنبؤ بأعطال المضخات الغاطسة الكهربائية المرتبطة بالرمل، وبالتالي يمكن التخطيط لعمليات الاستبدال باستخدام منصات الصيانة.
1 مارتينز، جيه إيه، إي إس روزا، إس روبسون، "التحليل التجريبي لأنبوب الدوران كجهاز لإزالة الرمل في البئر"، ورقة SPE 94673-MS، تم تقديمها في مؤتمر هندسة البترول لأمريكا اللاتينية ومنطقة البحر الكاريبي التابع لجمعية مهندسي البترول، ريو دي جانيرو، البرازيل، 20 يونيو - 23 فبراير 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
تحتوي هذه المقالة على عناصر من ورقة SPE رقم 207926-MS، التي تم تقديمها في معرض ومؤتمر أبوظبي الدولي للبترول في أبوظبي، الإمارات العربية المتحدة، في الفترة من 15 إلى 18 نوفمبر 2021.
جميع المواد تخضع لقوانين حقوق النشر التي يتم تطبيقها بصرامة، يرجى قراءة الشروط والأحكام وسياسة ملفات تعريف الارتباط وسياسة الخصوصية قبل استخدام هذا الموقع.