لقد ثبت أن مكونات حماية المضخات تحمي المضخات من الرمال وتطيل العمر التشغيلي للمضخات الكهروستاتيكية في الآبار غير التقليدية. يتحكم هذا الحل في التدفق العكسي لرمل التكسير والمواد الصلبة الأخرى التي يمكن أن تسبب الأحمال الزائدة والتوقف عن العمل. تعمل التكنولوجيا التمكينية على القضاء على المشاكل المرتبطة بعدم اليقين في توزيع حجم الجسيمات.
مع اعتماد المزيد والمزيد من آبار النفط على المضخات الغاطسة الكهربائية (ESP)، أصبح تمديد عمر أنظمة الضخ الغاطسة الكهربائية (ESP) أمرًا مهمًا بشكل متزايد. إن عمر التشغيل وأداء مضخات الرفع الاصطناعي حساسان للمواد الصلبة في السوائل المنتجة. انخفض عمر التشغيل وأداء المضخات الغاطسة الكهربائية بشكل كبير مع زيادة الجسيمات الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، تزيد المواد الصلبة من وقت تعطل البئر وتكرار العمل المطلوب لاستبدال المضخات الغاطسة الكهربائية.
تشتمل الجسيمات الصلبة التي تتدفق غالبًا عبر مضخات الرفع الاصطناعية على رمل التكوين، ودعامات التكسير الهيدروليكي، والأسمنت، والجسيمات المعدنية المتآكلة أو المتآكلة. تتراوح تقنيات قاع البئر المصممة لفصل المواد الصلبة من الأعاصير منخفضة الكفاءة إلى شبكة الأسلاك الفولاذية المقاومة للصدأ ثلاثية الأبعاد عالية الكفاءة. تم استخدام أجهزة إزالة الرمال الدوامية في الآبار التقليدية لعقود من الزمن، وهي تستخدم في المقام الأول لحماية المضخات من الجسيمات الكبيرة أثناء الإنتاج. ومع ذلك، تخضع الآبار غير التقليدية لتدفق متقطع من السوائل، مما يؤدي إلى أن تعمل تقنية فصل الدوامات الموجودة في قاع البئر بشكل متقطع فقط.
تم اقتراح العديد من المتغيرات المختلفة لشاشات التحكم في الرمال المدمجة وأجهزة إزالة الرمال الدوامية أسفل البئر لحماية ESPs. ومع ذلك، هناك فجوات في أداء الحماية والإنتاج لجميع المضخات بسبب عدم اليقين في توزيع الحجم وحجم المواد الصلبة التي ينتجها كل بئر. يؤدي عدم اليقين إلى زيادة طول مكونات التحكم في الرمال، مما يقلل من العمق الذي يمكن ضبط ESP عنده، ويحد من إمكانية انحدار خزان ESP، ويؤثر سلبًا على اقتصاديات البئر. تُفضل أعماق الضبط الأعمق في الآبار غير التقليدية. ومع ذلك، فإن استخدام أجهزة إزالة الرمال ومثبتات الطين ذات السدادة الذكورية لتعليق مجموعات التحكم في الرمال الطويلة والصلبة في أقسام التغليف ذات شدة الانحراف العالية يحد من تحسينات متوسط ​​الوقت بين الأعطال في ESP. يعد تآكل الأنبوب الداخلي جانبًا آخر من هذا التصميم لم يتم تقييمه بشكل كافٍ.
قدّم مؤلفو ورقة بحثية نُشرت عام 2005 نتائج تجريبية لفاصل رمل قاعي قائم على أنبوب إعصاري (الشكل 1)، والذي يعتمد على حركة الإعصار والجاذبية، لإثبات أن كفاءة الفصل تعتمد على لزوجة الزيت ومعدل التدفق وحجم الجسيمات. وأظهروا أن كفاءة الفاصل 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 قاعي نموذجي بأنبوب إعصاري، تنخفض كفاءة الفصل إلى حوالي 10% مع انخفاض حجم الجسيمات إلى حوالي 100 ميكرومتر. بالإضافة إلى ذلك، مع زيادة معدل التدفق، يتعرض الفاصل الدوامي للتآكل، مما يؤثر على عمر استخدام المكونات الهيكلية.
البديل المنطقي التالي هو استخدام شاشة تحكم بالرمل ثنائية الأبعاد بعرض فتحة محدد. يعد حجم الجسيمات وتوزيعها من الاعتبارات المهمة عند اختيار الشاشات لتصفية المواد الصلبة في إنتاج الآبار التقليدية أو غير التقليدية، ولكنها قد تكون غير معروفة. قد تأتي المواد الصلبة من الخزان، ولكنها قد تختلف من كعب إلى كعب؛ بدلاً من ذلك، قد تحتاج الشاشة إلى تصفية الرمال من التكسير الهيدروليكي. في كلتا الحالتين، يمكن أن تكون تكلفة جمع المواد الصلبة وتحليلها واختبارها باهظة.
إذا لم يتم تكوين شاشة الأنابيب ثنائية الأبعاد بشكل صحيح، فقد تؤدي النتائج إلى المساس باقتصاديات البئر. يمكن أن تؤدي فتحات شاشة الرمل الصغيرة جدًا إلى الانسداد المبكر والإغلاق والحاجة إلى أعمال إصلاح علاجية. إذا كانت كبيرة جدًا، فإنها تسمح للمواد الصلبة بالدخول بحرية إلى عملية الإنتاج، مما قد يؤدي إلى تآكل أنابيب النفط وإتلاف مضخات الرفع الاصطناعية وتنظيف الاختناقات السطحية وملء فواصل السطح، مما يتطلب السفع الرملي والتخلص منه. يتطلب هذا الوضع حلاً بسيطًا وفعالًا من حيث التكلفة يمكن أن يطيل عمر المضخة ويغطي توزيعًا واسعًا لأحجام الرمل.
لتلبية هذه الحاجة، أجريت دراسة حول استخدام مجموعات الصمامات مع شبكة أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي لا تتأثر بتوزيع المواد الصلبة الناتجة. وقد أظهرت الدراسات أن شبكة أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ ذات حجم المسام المتغير والبنية ثلاثية الأبعاد يمكنها التحكم بشكل فعال في المواد الصلبة ذات الأحجام المختلفة دون معرفة توزيع حجم الجسيمات للمواد الصلبة الناتجة. يمكن لشبكة أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ ثلاثية الأبعاد التحكم بشكل فعال في حبيبات الرمل بجميع الأحجام، دون الحاجة إلى ترشيح ثانوي إضافي.
تسمح مجموعة الصمام المثبتة في أسفل الشاشة باستمرار الإنتاج حتى يتم سحب ESP. وتمنع استرجاع ESP فورًا بعد ربط الشاشة. تحمي شاشة التحكم في رمل المدخل الناتجة ومجموعة الصمامات ESPs ومضخات رفع القضيب وإكمالات رفع الغاز من المواد الصلبة أثناء الإنتاج عن طريق تنظيف تدفق السوائل وتوفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة لتمديد عمر المضخة دون الحاجة إلى تخصيص خصائص الخزان لمواقف مختلفة.
تصميم حماية المضخة من الجيل الأول. تم نشر مجموعة حماية المضخة باستخدام شاشات صوف من الفولاذ المقاوم للصدأ في بئر تصريف الجاذبية بمساعدة البخار في غرب كندا لحماية ESP من المواد الصلبة أثناء الإنتاج. تقوم الشاشات بتصفية المواد الصلبة الضارة من سائل الإنتاج أثناء دخوله إلى سلسلة الإنتاج. داخل سلسلة الإنتاج، تتدفق السوائل إلى مدخل ESP، حيث يتم ضخها إلى السطح. يمكن تشغيل العبوات بين الشاشة و ESP لتوفير عزل منطقى بين منطقة الإنتاج والبئر العلوي.
مع مرور الوقت، تميل المساحة الحلقية بين الشاشة والغلاف إلى الالتصاق بالرمل، مما يزيد من مقاومة التدفق. في النهاية، تلتحم الحلقة تمامًا، فتتوقف التدفق، وتُحدث فرق ضغط بين حفرة البئر وسلسلة الإنتاج، كما هو موضح في الشكل 3. عند هذه النقطة، لا يعود السائل قادرًا على التدفق إلى المضخة الكهروستاتيكية، ويجب سحب سلسلة الإكمال. بناءً على عدد من المتغيرات المتعلقة بإنتاج المواد الصلبة، قد تكون المدة اللازمة لإيقاف التدفق عبر جسر المواد الصلبة على الشاشة أقل من المدة التي تسمح للمضخة الكهروستاتيكية بضخ السائل المحمّل بالمواد الصلبة بين الأعطال إلى الأرض، ولذلك طُوّر الجيل الثاني من المكونات.
مجموعة حماية المضخة من الجيل الثاني. يتم تعليق نظام شاشة التحكم في رمل المدخل ونظام تجميع الصمام PumpGuard* أسفل مضخة REDA* في الشكل 4، وهو مثال على إكمال ESP غير التقليدي. بمجرد أن تبدأ البئر في الإنتاج، تقوم الشاشة بتصفية المواد الصلبة في الإنتاج، ولكنها ستبدأ في الجسر ببطء مع الرمل وإنشاء فرق ضغط. عندما يصل هذا الضغط التفاضلي إلى ضغط التكسير المحدد للصمام، يفتح الصمام، مما يسمح للسائل بالتدفق مباشرة إلى سلسلة الأنابيب إلى ESP. يعمل هذا التدفق على معادلة فرق الضغط عبر الشاشة، مما يؤدي إلى إرخاء قبضة أكياس الرمل على الجانب الخارجي من الشاشة. تكون الرمال حرة في الخروج من الحلقة، مما يقلل من مقاومة التدفق عبر الشاشة ويسمح باستئناف التدفق. عندما ينخفض ​​​​الضغط التفاضلي، يعود الصمام إلى موضعه المغلق وتستأنف ظروف التدفق الطبيعية. كرر هذه الدورة حتى يصبح من الضروري سحب ESP من الحفرة للصيانة. توضح دراسات الحالة الموضحة في هذه المقالة أن النظام قادر على إطالة عمر المضخة بشكل كبير مقارنةً بتشغيل إكمال الفحص وحده.
بالنسبة للتركيب الأخير، تم تقديم حل منخفض التكلفة لعزل المنطقة بين شبكة الأسلاك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وESP. يتم تثبيت حاويات أكواب متجهة لأسفل فوق قسم الشاشة. فوق حاويات الأكواب، توفر ثقوب الأنابيب المركزية الإضافية مسار تدفق للسائل المنتج للانتقال من داخل الشاشة إلى المساحة الحلقية فوق الحاويات، حيث يمكن للسائل الدخول إلى مدخل ESP.
يوفر مرشح شبكة الأسلاك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المختار لهذا الحل العديد من المزايا مقارنة بأنواع الشبكة ثنائية الأبعاد القائمة على الفجوة. تعتمد المرشحات ثنائية الأبعاد بشكل أساسي على الجسيمات التي تمتد عبر فجوات أو فتحات المرشح لبناء أكياس الرمل وتوفير التحكم في الرمل. ومع ذلك، نظرًا لأنه لا يمكن تحديد سوى قيمة فجوة واحدة للشاشة، تصبح الشاشة حساسة للغاية لتوزيع حجم الجسيمات للسائل المنتج.
على النقيض من ذلك، يوفر السرير الشبكي السميك لمرشحات شبكة أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ مسامية عالية (92٪) ومساحة تدفق مفتوحة كبيرة (40٪) لسائل البئر المنتج. يتم إنشاء المرشح عن طريق ضغط شبكة صوف من الفولاذ المقاوم للصدأ ولفها مباشرة حول أنبوب مركزي مثقب، ثم تغليفها داخل غطاء واقٍ مثقب ملحوم بالأنبوب المركزي في كل طرف. يسمح توزيع المسام في سرير الشبكة والتوجه الزاوي غير المنتظم (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 حجمًا والضارة داخل الشبكة. أظهر اختبار الاحتفاظ بالرمل على عينات من هذا المنخل أن المرشح يحافظ على نفاذية عالية لأن السائل يتم توليده من خلال المنخل. بشكل فعال، يمكن لهذا المرشح "الحجم" الفردي التعامل مع جميع توزيعات حجم الجسيمات للسوائل المنتجة التي واجهتها. تم تطوير شاشة الصوف الفولاذي المقاوم للصدأ هذه بواسطة مشغل رئيسي في الثمانينيات خصيصًا للاحتواء الذاتي إكمال عمليات الشاشة في الخزانات المحفزة بالبخار ولديها سجل حافل من التركيبات الناجحة.
تتكون مجموعة الصمام من صمام محمل بنابض يسمح بالتدفق في اتجاه واحد إلى سلسلة الأنابيب من منطقة الإنتاج. من خلال ضبط الحمل المسبق لنابض الملف قبل التثبيت، يمكن تخصيص الصمام لتحقيق ضغط التكسير المطلوب للتطبيق. عادةً، يتم تشغيل الصمام تحت شبكة الأسلاك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لتوفير مسار تدفق ثانوي بين الخزان وESP. في بعض الحالات، تعمل صمامات متعددة وشبكات من الفولاذ المقاوم للصدأ على التوالي، حيث يكون للصمام الأوسط ضغط تكسير أقل من الصمام الأدنى.
بمرور الوقت، تملأ جزيئات التكوين المنطقة الحلقية بين السطح الخارجي لشاشة مجموعة واقي المضخة وجدار غلاف الإنتاج. عندما يمتلئ التجويف بالرمل وتتماسك الجزيئات، يزداد انخفاض الضغط عبر كيس الرمل. عندما يصل انخفاض الضغط هذا إلى قيمة محددة مسبقًا، يفتح صمام المخروط ويسمح بالتدفق مباشرة عبر مدخل المضخة. في هذه المرحلة، يكون التدفق عبر الأنبوب قادرًا على تفتيت الرمال المتماسكة مسبقًا على طول الجزء الخارجي من مرشح الشاشة. بسبب انخفاض فرق الضغط، سيستأنف التدفق عبر الشاشة وسيغلق صمام السحب. لذلك، لا يمكن للمضخة رؤية التدفق مباشرة من الصمام إلا لفترة قصيرة من الزمن. هذا يطيل عمر المضخة، حيث أن معظم التدفق هو السائل الذي يتم تصفيته من خلال شاشة الرمل.
تم تشغيل نظام حماية المضخة باستخدام حزم في ثلاث آبار مختلفة في حوض ديلاوير في الولايات المتحدة. الهدف الرئيسي هو تقليل عدد عمليات بدء وتوقف ESP بسبب الأحمال الزائدة المرتبطة بالرمل وزيادة توفر ESP لتحسين الإنتاج. يتم تعليق نظام حماية المضخة من الطرف السفلي لسلسلة ESP. تظهر نتائج بئر النفط أداءً مستقرًا للمضخة وانخفاضًا في الاهتزاز وشدة التيار وتكنولوجيا حماية المضخة. بعد تثبيت النظام الجديد، تم تقليل وقت التوقف المرتبط بالرمل والمواد الصلبة بنسبة 75٪ وزاد عمر المضخة بأكثر من 22٪.
تم تركيب نظام ESP في بئر حفر وتكسير جديد في مقاطعة مارتن بولاية تكساس. يبلغ الجزء الرأسي من البئر حوالي 9000 قدم ويمتد الجزء الأفقي إلى 12000 قدم، العمق المقاس (MD). بالنسبة للإكمالين الأولين، تم تركيب نظام فصل رمل دوامي أسفل البئر بستة توصيلات بطانة كجزء لا يتجزأ من إكمال ESP. بالنسبة للتركيبين المتتاليين باستخدام نفس نوع فاصل الرمل، لوحظ سلوك غير مستقر لمعلمات تشغيل ESP (شدة التيار والاهتزاز). كشف تحليل تفكيك وحدة ESP المسحوبة أن مجموعة فاصل غاز الدوامة كانت مسدودة بمادة غريبة، والتي تم تحديدها على أنها رمل لأنها غير مغناطيسية ولا تتفاعل كيميائيًا مع الحمض.
في التركيب الثالث لـ ESP، تم استبدال فاصل الرمل بشبكة سلكية من الفولاذ المقاوم للصدأ كوسيلة للتحكم في رمل ESP. بعد تركيب نظام حماية المضخة الجديد، أظهر ESP سلوكًا أكثر استقرارًا، مما قلل من نطاق تقلبات تيار المحرك من ~19 أمبير للتركيب رقم 2 إلى ~6.3 أمبير للتركيب رقم 3. الاهتزاز أكثر استقرارًا ويتم تقليل الاتجاه بنسبة 75٪. كان انخفاض الضغط مستقرًا أيضًا، ويتقلب قليلاً مقارنة بالتركيب السابق واكتسب 100 رطل لكل بوصة مربعة إضافية من انخفاض الضغط. يتم تقليل عمليات إيقاف تشغيل الحمل الزائد لـ ESP بنسبة 100٪ ويعمل ESP باهتزاز منخفض.
البئر ب. في بئر واحد بالقرب من يونيس، نيو مكسيكو، تم تركيب ESP في بئر غير تقليدي آخر ولكن بدون حماية للمضخة. بعد انخفاض التمهيد الأولي، بدأ ESP في إظهار سلوك غير منتظم. ترتبط التقلبات في التيار والضغط بارتفاعات الاهتزاز. بعد الحفاظ على هذه الظروف لمدة 137 يومًا، فشل ESP وتم تركيب بديل. يتضمن التثبيت الثاني نظام حماية مضخة جديد بنفس تكوين ESP. بعد استئناف البئر للإنتاج، كان ESP يعمل بشكل طبيعي، مع أمبير ثابت واهتزاز أقل. في وقت النشر، وصل التشغيل الثاني لـ ESP إلى أكثر من 300 يوم من التشغيل، وهو تحسن كبير مقارنة بالتثبيت السابق.
تم تركيب النظام الثالث في الموقع في مينتون، تكساس، بواسطة شركة متخصصة في النفط والغاز والتي عانت من انقطاعات وفشل ESP بسبب إنتاج الرمل وأرادت تحسين وقت تشغيل المضخة. يقوم المشغلون عادةً بتشغيل فواصل الرمل أسفل البئر مع بطانة في كل بئر ESP. ومع ذلك، بمجرد ملء البطانة بالرمل، سيسمح الفاصل للرمل بالتدفق عبر قسم المضخة، مما يؤدي إلى تآكل مرحلة المضخة والمحامل والعمود، مما يؤدي إلى فقدان الرفع. بعد تشغيل النظام الجديد مع واقي المضخة، يتمتع ESP بعمر تشغيل أطول بنسبة 22٪ مع انخفاض ضغط أكثر استقرارًا ووقت تشغيل أفضل مرتبط بـ ESP.
انخفض عدد حالات الإغلاق الناتجة عن الرمال والمواد الصلبة أثناء التشغيل بنسبة 75%، من 8 حالات حمل زائد في التركيبة الأولى إلى حالتين في التركيبة الثانية، كما زاد عدد عمليات إعادة التشغيل الناجحة بعد الإغلاق الناتج عن الحمل الزائد بنسبة 30%، من 8 حالات في التركيبة الأولى. وتم تنفيذ 12 حالة إغلاق، بمجموع 8 حالات، في التركيبة الثانوية، مما قلل الضغط الكهربائي على المعدات وزاد من عمر تشغيل وحدة التزويد بالكهرباء.
يوضح الشكل 5 الزيادة المفاجئة في توقيع ضغط السحب (الأزرق) عندما يتم حظر شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ ويتم فتح مجموعة الصمام. يمكن أن يعمل توقيع الضغط هذا على تحسين كفاءة الإنتاج بشكل أكبر من خلال التنبؤ بفشل ESP المرتبط بالرمل، وبالتالي يمكن التخطيط لعمليات الاستبدال باستخدام منصات العمل.
1 مارتينز، جيه إيه، إي إس روزا، إس روبسون، "التحليل التجريبي لأنبوب الدوامة كجهاز لإزالة الرمال من أسفل البئر"، ورقة جمعية مهندسي البترول رقم 94673-MS، المقدمة في مؤتمر هندسة البترول لجمعية مهندسي البترول في أمريكا اللاتينية ومنطقة البحر الكاريبي، 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، المقدمة في معرض ومؤتمر أبو ظبي الدولي للبترول في أبو ظبي، الإمارات العربية المتحدة، في الفترة من 15 إلى 18 نوفمبر 2021.
تخضع جميع المواد لقوانين حقوق النشر الصارمة، يرجى قراءة الشروط والأحكام وسياسة ملفات تعريف الارتباط وسياسة الخصوصية قبل استخدام هذا الموقع.