Ochranné komponenty čerpadel prokazatelně chrání čerpadla před pískem a prodlužují provozní životnost elektrostatických odlučovačů (ESP) v nekonvenčních vrtech. Toto řešení řídí zpětný tok frakovacího písku a dalších pevných látek, které mohou způsobit přetížení a prostoje. Tato technologie eliminuje problémy spojené s nejistotou distribuce velikosti částic.
Vzhledem k tomu, že stále více ropných vrtů se spoléhá na elektrostaticky odlučovače (ESP), je prodloužení životnosti systémů elektrických ponorných čerpadel (ESP) stále důležitější. Provozní životnost a výkon čerpadel umělého zdvihu jsou citlivé na pevné látky v produkovaných kapalinách. Provozní životnost a výkon ESP se s nárůstem pevných částic výrazně snižují. Pevné látky navíc zvyšují prostoje vrtu a četnost oprav potřebných k výměně ESP.
Mezi pevné částice, které často proudí čerpadly na umělé těžby, patří formační písek, propanty z hydraulického štěpení, cement a erodované nebo zkorodované kovové částice. Technologie vrtů určené k oddělování pevných látek sahají od nízkoúčinných cyklonů až po vysoce účinné 3D drátěné pletivo z nerezové oceli. Vířivé odpískávače písku v hlubinách se v konvenčních vrtech používají po celá desetiletí a slouží především k ochraně čerpadel před velkými částicemi během těžby. Nekonvenční vrty jsou však vystaveny přerušovanému proudění, což má za následek, že stávající technologie vírového odlučovače v hlubinách pracuje pouze přerušovaně.
Pro ochranu elektrostatických odlučovačů (ESP) bylo navrženo několik různých variant kombinovaných filtrů pro regulaci písku a vírových odlučovačů písku v hlubinných vrtech. V ochraně a produkčním výkonu všech čerpadel však existují mezery kvůli nejistotě v distribuci velikosti a objemu pevných látek produkovaných každým vrtem. Nejistota prodlužuje délku komponent pro regulaci písku, čímž se snižuje hloubka, ve které lze ESP nastavit, což omezuje potenciál poklesu ložiska ESP a negativně ovlivňuje ekonomiku vrtu. U nekonvenčních vrtů se preferují hlubší hloubky nastavení. Použití odlučovačů písku a zástrčkových kotev pro kal k zavěšení dlouhých, tuhých sestav pro regulaci písku v pažnicových úsecích s vysokou závažností dogleg však omezuje zlepšení MTBF ESP. Koroze vnitřní trubky je dalším aspektem této konstrukce, který nebyl dostatečně vyhodnocen.
Autoři článku z roku 2005 prezentovali experimentální výsledky vrtného odlučovače písku založeného na cyklonové trubici (obrázek 1), který závisel na působení cyklonu a gravitaci, aby ukázali, že účinnost separace závisí na viskozitě oleje, průtoku a velikosti částic. Ukazují, že účinnost separátoru do značné míry závisí na koncové rychlosti částic. Účinnost separace klesá se snižujícím se průtokem, snižující se velikostí pevných částic a rostoucí viskozitou oleje, obrázek 2. U typického vrtného odlučovače s cyklonovou trubicí klesá účinnost separace na ~10 %, když velikost částic klesá na ~100 µm. Kromě toho je s rostoucím průtokem vírový odlučovač náchylný k erozi, což ovlivňuje životnost konstrukčních prvků.
Další logickou alternativou je použití 2D síta pro kontrolu písku s definovanou šířkou štěrbin. Velikost a distribuce částic jsou důležitými faktory při výběru sít pro filtraci pevných látek v konvenční nebo nekonvenční produkci z vrtů, ale nemusí být známé. Pevné látky mohou pocházet z ložiska, ale mohou se lišit od paty k patě; alternativně může síto vyžadovat filtraci písku z hydraulického štěpení. V obou případech mohou být náklady na sběr, analýzu a testování pevných látek neúnosné.
Pokud není 2D filtrační síto správně konfigurováno, mohou výsledky ohrozit ekonomiku vrtu. Příliš malé otvory filtru na písek mohou vést k předčasnému ucpání, odstavení a nutnosti sanačních prací. Pokud jsou příliš velké, umožňují pevným látkám volný vstup do výrobního procesu, což může způsobit korozi ropovodů, poškození čerpadel umělého zdvihu, propláchnutí povrchových škrticích ventilů a zaplnění povrchových separátorů, což vyžaduje pískování a likvidaci. Tato situace vyžaduje jednoduché a cenově efektivní řešení, které může prodloužit životnost čerpadla a pokrýt širokou škálu velikostí písku.
Pro splnění této potřeby byla provedena studie o použití ventilových sestav v kombinaci s drátěným pletivem z nerezové oceli, které je necitlivé na výsledné rozložení pevných látek. Studie ukázaly, že drátěné pletivo z nerezové oceli s proměnnou velikostí pórů a 3D strukturou dokáže účinně regulovat pevné látky různých velikostí bez znalosti rozložení velikosti částic výsledných pevných látek. 3D drátěné pletivo z nerezové oceli dokáže účinně regulovat zrna písku všech velikostí bez nutnosti dodatečné sekundární filtrace.
Sestava ventilu namontovaná na spodní straně síta umožňuje pokračování výroby, dokud není elektrostatický odlučovač (ESP). Zabraňuje okamžitému vytažení ESP po přemostění síta. Výsledná sestava vstupní clony pro regulaci písku a ventilu chrání ESP, čerpadla pro zvedání tyčí a dokončovací zařízení plynovým výtahem před pevnými látkami během výroby čištěním toku kapaliny a poskytuje cenově efektivní řešení pro prodloužení životnosti čerpadla, aniž by bylo nutné přizpůsobovat charakteristiky nádrže různým situacím.
Návrh ochrany čerpadla první generace. Ochranná sestava čerpadla s použitím sít z nerezové vlny byla nasazena v parním gravitačním drenážním vrtu v západní Kanadě, aby chránila elektrostatický odlučovač (ESP) před pevnými látkami během těžby. Síta filtrují škodlivé pevné látky z produkční kapaliny, když vstupuje do produkčního řetězce. V produkčním řetězci kapaliny proudí do vstupu ESP, odkud jsou čerpány na povrch. Mezi sítkem a ESP lze umístit těsnicí vložky, které zajišťují zónovou izolaci mezi produkční zónou a horním vrtem.
Během doby produkce má prstencový prostor mezi sítem a pažnicí tendenci se přemosťovat pískem, což zvyšuje odpor proudění. Nakonec se prstenec zcela přemostí, zastaví proudění a vytvoří tlakový rozdíl mezi vrtem a produkční kolonou, jak je znázorněno na obrázku 3. V tomto bodě již kapalina nemůže proudit do elektrostatického odlučovače (ESP) a dokončovací kolona musí být vytažena. V závislosti na řadě proměnných souvisejících s produkcí pevných látek může být doba potřebná k zastavení proudění přes můstek pevných látek na sítu kratší než doba, která by umožnila ESP čerpat kapalinu nasycenou pevnými látkami (průměrnou dobu mezi poruchami) do země, proto byla vyvinuta druhá generace komponent.
Ochranná sestava čerpadla druhé generace. Systém vstupní clony pro regulaci písku PumpGuard* a sestavy ventilu je zavěšen pod čerpadlem REDA* na obrázku 4, což je příklad nekonvenčního dokončování elektrostatického odlučovače (ESP). Jakmile vrt začne produkovat, clona filtruje pevné látky z produkce, ale začne se pomalu překrývat s pískem a vytvářet tlakový rozdíl. Když tento tlakový rozdíl dosáhne nastaveného otevíracího tlaku ventilu, ventil se otevře a umožní kapalině proudit přímo do potrubí k ESP. Tento tok vyrovná tlakový rozdíl na cloně a uvolní sevření pytlů s pískem na vnější straně clony. Písek se může volně uvolňovat z prstence, což snižuje odpor proudění clonou a umožňuje obnovení proudění. Jakmile tlakový rozdíl klesne, ventil se vrátí do uzavřené polohy a obnoví se normální podmínky proudění. Tento cyklus opakujte, dokud není nutné vytáhnout ESP z vrtu pro servis. Případové studie zdůrazněné v tomto článku ukazují, že systém je schopen výrazně prodloužit životnost čerpadla ve srovnání s pouhým prováděním dokončování screeningem.
U nedávné instalace bylo zavedeno cenově výhodné řešení pro izolaci oblasti mezi drátěným pletivem z nerezové oceli a elektrostatickým odlučovačem (ESP). Nad sítovou částí je namontován miskový pakr směřující dolů. Nad miskovým pakrem jsou další perforace středové trubky, které poskytují cestu proudění produkované kapaliny z vnitřku síta do prstencového prostoru nad pakrem, kde může kapalina vstoupit do vstupu ESP.
Filtr z nerezového drátěného pletiva zvolený pro toto řešení nabízí oproti 2D typům síta s mezerami několik výhod. 2D filtry se primárně spoléhají na částice překračující mezery nebo štěrbiny filtru, aby vytvořily pytle s pískem a zajistily kontrolu písku. Protože však pro síto lze zvolit pouze jednu hodnotu mezery, stává se síto velmi citlivým na distribuci velikosti částic produkované kapaliny.
Naproti tomu tlusté lože z drátěného pletiva z nerezové oceli poskytuje vysokou poréznost (92 %) a velkou průtokovou plochu (40 %) pro produkovanou kapalinu z vrtu. Filtr je vyroben stlačením nerezové rounové síťoviny a jejím omotáním přímo kolem perforované středové trubky, poté je zapouzdřen v perforovaném ochranném krytu, který je na obou koncích přivařen ke středové trubce. Rozložení pórů v rouně a nerovnoměrná úhlová orientace (v rozmezí od 15 µm do 600 µm) umožňuje neškodným jemným částicím proudit po 3D dráze proudění směrem k středové trubce poté, co jsou větší a škodlivé částice zachyceny uvnitř sítě. Testování zadržování písku na vzorcích tohoto síta prokázalo, že filtr si udržuje vysokou propustnost, protože kapalina je generována skrz síto. Tento filtr jediné „velikosti“ dokáže efektivně zpracovat všechna distribuce velikosti částic produkovaných kapalin. Toto síto z nerezové vlny bylo vyvinuto významným provozovatelem v 80. letech 20. století speciálně pro kompletaci samostatných sít v parních stimulovaných rezervoárech a má rozsáhlou historii úspěšných instalací.
Sestava ventilu se skládá z pružinového ventilu, který umožňuje jednosměrný tok do potrubí z produkční oblasti. Nastavením předpětí vinuté pružiny před instalací lze ventil přizpůsobit tak, aby se dosáhlo požadovaného otevíracího tlaku pro danou aplikaci. Ventil je obvykle umístěn pod drátěnou sítí z nerezové oceli, aby se zajistila sekundární cesta proudění mezi zásobníkem a elektrostatickým odlučovačem (ESP). V některých případech pracuje více ventilů a sítí z nerezové oceli v sérii, přičemž prostřední ventil má nižší otevírací tlak než nejnižší ventil.
V průběhu času částice z formace zaplňují prstencovou oblast mezi vnějším povrchem síta ochranné sestavy čerpadla a stěnou produkční skříně. Jak se dutina plní pískem a částice se zpevňují, zvyšuje se tlakový pokles na pískovém pytli. Když tento tlakový pokles dosáhne předem nastavené hodnoty, otevře se kuželový ventil a umožní průtok přímo skrz vstup čerpadla. V této fázi je průtok potrubím schopen rozbít dříve zpevněný písek podél vnější strany sítového filtru. Díky sníženému tlakovému rozdílu se průtok sítem obnoví a sací ventil se uzavře. Čerpadlo proto může vidět průtok přímo z ventilu pouze po krátkou dobu. To prodlužuje životnost čerpadla, protože většina průtoku je kapalina filtrovaná přes pískové síto.
Systém ochrany čerpadla byl provozován s pakry ve třech různých vrtech v Delaware Basin ve Spojených státech. Hlavním cílem je snížit počet spouštění a zastavování elektrostatického odlučovače (ESP) v důsledku přetížení souvisejícího s pískem a zvýšit dostupnost ESP pro zlepšení produkce. Systém ochrany čerpadla je zavěšen na spodním konci kolony ESP. Výsledky ropného vrtu ukazují stabilní výkon čerpadla, snížené vibrace a intenzitu proudu a technologii ochrany čerpadla. Po instalaci nového systému se prostoje související s pískem a pevnými látkami zkrátily o 75 % a životnost čerpadla se prodloužila o více než 22 %.
Vrtna. V novém vrtném a frakovacím vrtu v okrese Martin v Texasu byl instalován systém elektrostatického odlučovače (ESP). Vertikální část vrtu je přibližně 2 700 metrů hluboká a horizontální část sahá do 3 600 metrů měřené hloubky (MD). U prvních dvou dokončených vrtů byl jako nedílná součást dokončeného ESP instalován systém vírového odlučovače písku se šesti přípojkami liniového potrubí. U dvou po sobě jdoucích instalací s použitím stejného typu odlučovače písku byl pozorován nestabilní provozní parametry ESP (intenzita proudu a vibrace). Analýza demontáže vytažené jednotky ESP odhalila, že sestava vírového odlučovače plynu byla zanesena cizími látkami, které byly určeny jako písek, protože jsou nemagnetické a chemicky nereagují s kyselinami.
Ve třetí instalaci elektrostatického odlučovače (ESP) nahradilo odlučovač písku drátěné pletivo z nerezové oceli jako prostředek regulace písku v ESP. Po instalaci nového systému ochrany čerpadla vykazoval ESP stabilnější chování, čímž se snížil rozsah kolísání proudu motoru z ~19 A u instalace č. 2 na ~6,3 A u instalace č. 3. Vibrace jsou stabilnější a trend se snížil o 75 %. Pokles tlaku byl také stabilní, ve srovnání s předchozí instalací kolísal jen velmi málo a zaznamenal další pokles tlaku o 100 psi. Vypnutí ESP v důsledku přetížení se snížilo o 100 % a ESP pracuje s nízkými vibracemi.
Vrta B. V jednom vrtu poblíž Eunice v Novém Mexiku byl v jiném nekonvenčním vrtu nainstalován elektrostatický odlučovač (ESP), ale bez ochrany čerpadla. Po počátečním poklesu tlaku začal ESP vykazovat nepravidelné chování. Kolísání proudu a tlaku je spojeno s vibračními špičkami. Po udržení těchto podmínek po dobu 137 dnů ESP selhal a byl instalován nový. Druhá instalace zahrnuje nový systém ochrany čerpadla se stejnou konfigurací ESP. Po obnovení produkce vrtu ESP fungoval normálně, se stabilním proudem a menšími vibracemi. V době publikace dosáhl druhý provoz ESP více než 300 dnů provozu, což je významné zlepšení oproti předchozí instalaci.
Vrt C. Třetí instalace systému na místě proběhla v Mentone v Texasu společností specializující se na ropu a plyn, která se potýkala s výpadky a poruchami elektrostatického odlučovače (ESP) v důsledku produkce písku a chtěla zlepšit provozuschopnost čerpadla. Provozovatelé obvykle používají odlučovače písku v hlubinných vrtech s vložkou v každém vrtu ESP. Jakmile se však vložka naplní pískem, odlučovač umožní písku protékat sekcí čerpadla, což způsobí korozi stupně čerpadla, ložisek a hřídele, což má za následek ztrátu vztlaku. Po spuštění nového systému s ochranou čerpadla má ESP o 22 % delší provozní životnost se stabilnějším poklesem tlaku a lepší provozuschopností související s ESP.
Počet vypnutí souvisejících s pískem a pevnými látkami během provozu se snížil o 75 %, z 8 případů přetížení v první instalaci na dva ve druhé instalaci, a počet úspěšných restartů po vypnutí z důvodu přetížení se zvýšil o 30 % z 8 v první instalaci. V sekundární instalaci bylo provedeno celkem 12 událostí, tedy celkem 8 událostí, což snížilo elektrické namáhání zařízení a prodloužilo provozní životnost elektrostatického odlučovače (ESP).
Obrázek 5 ukazuje náhlý nárůst tlaku na sání (modře), když je nerezová síť zablokována a sestava ventilu je otevřena. Tento tlakový signál může dále zlepšit efektivitu výroby predikcí poruch elektrostatického odlučovače (ESP) souvisejících s pískem, takže lze plánovat náhradní operace s opravnými soupravami.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Experimentální analýza vířivé trubice jako odpíňovače písku z vrtu“, SPE Paper 94673-MS, prezentovaný na konferenci SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brazílie, 20. června – 23. února 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Tento článek obsahuje prvky z článku SPE 207926-MS, prezentovaného na Mezinárodní ropné výstavě a konferenci v Abú Zabí, která se konala ve Spojených arabských emirátech ve dnech 15.–18. listopadu 2021.
Veškeré materiály podléhají přísně vymáhaným autorským zákonům, před použitím těchto stránek si prosím přečtěte naše Obchodní podmínky, Zásady používání souborů cookie a Zásady ochrany osobních údajů.