Pumpenschutzkomponenten schützen Pumpen nachweislich vor Sand und verlängern die Lebensdauer von ESPs in unkonventionellen Bohrungen. Diese Lösung verhindert den Rückfluss von Frac-Sand und anderen Feststoffen, die zu Überlastungen und Ausfallzeiten führen können. Die zugrundeliegende Technologie beseitigt Probleme, die mit Unsicherheiten in der Partikelgrößenverteilung verbunden sind.
Da immer mehr Ölquellen auf elektrische Tauchpumpen (ESP) angewiesen sind, gewinnt deren Lebensdauer zunehmend an Bedeutung. Die Betriebsdauer und Leistung künstlicher Förderpumpen reagieren empfindlich auf Feststoffe in den geförderten Flüssigkeiten. Mit zunehmendem Feststoffanteil verringern sich Betriebsdauer und Leistung der ESP deutlich. Zudem verlängern Feststoffe die Bohrlochstillstandszeiten und erhöhen die Häufigkeit von Wartungsarbeiten, die zum Austausch der ESP erforderlich sind.
Feststoffe, die häufig durch künstliche Förderpumpen fließen, umfassen Formationssand, Stützmittel für die hydraulische Frakturierung, Zement und erodierte oder korrodierte Metallpartikel. Die Bohrlochtechnologien zur Feststoffabscheidung reichen von ineffizienten Zyklonen bis hin zu hocheffizienten 3D-Edelstahl-Drahtgeweben. Bohrloch-Wirbelabscheider werden seit Jahrzehnten in konventionellen Bohrungen eingesetzt und dienen primär dem Schutz der Pumpen vor großen Partikeln während der Förderung. Unkonventionelle Bohrungen sind jedoch intermittierenden Pfropfenströmungen ausgesetzt, wodurch die bestehende Bohrloch-Wirbelabscheidertechnologie nur zeitweise funktioniert.
Zur Absicherung von ESPs wurden verschiedene Varianten kombinierter Sandfilter und Bohrlochwirbelentferner vorgeschlagen. Aufgrund der Unsicherheit hinsichtlich Korngrößenverteilung und Fördermenge der von jedem Bohrloch geförderten Feststoffe bestehen jedoch Lücken im Schutz und der Förderleistung aller Pumpen. Diese Unsicherheit verlängert die Sandfilterkomponenten, wodurch die mögliche Einbautiefe der ESPs sinkt, ihr Förderpotenzial im Reservoir eingeschränkt und die Wirtschaftlichkeit des Bohrlochs negativ beeinflusst wird. Bei unkonventionellen Bohrlöchern sind größere Einbautiefen wünschenswert. Der Einsatz von Entfernern und Bohrlochverschraubungen zur Aufhängung langer, starrer Sandfilteranordnungen in stark gekrümmten Verrohrungsabschnitten beschränkte jedoch die Verbesserung der mittleren Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) der ESPs. Auch die Korrosion des Innenrohrs wurde in dieser Konstruktion noch nicht ausreichend untersucht.
Die Autoren einer Veröffentlichung aus dem Jahr 2005 präsentierten experimentelle Ergebnisse eines Bohrlochsandabscheiders auf Basis eines Zyklonrohrs (Abbildung 1), der auf Zyklonwirkung und Schwerkraft basiert. Sie zeigten, dass die Abscheideeffizienz von der Ölviskosität, der Durchflussrate und der Partikelgröße abhängt. Die Effizienz des Abscheiders wird maßgeblich von der Sinkgeschwindigkeit der Partikel bestimmt. Mit abnehmender Durchflussrate, abnehmender Feststoffpartikelgröße und zunehmender Ölviskosität sinkt die Abscheideeffizienz (Abbildung 2). Bei einem typischen Zyklonrohr-Bohrlochsandabscheider fällt die Abscheideeffizienz auf ca. 10 %, wenn die Partikelgröße auf ca. 100 µm sinkt. Zudem unterliegt der Wirbelabscheider mit steigender Durchflussrate einem erosiven Verschleiß, der die Lebensdauer der Bauteile beeinträchtigt.
Die nächste logische Alternative ist der Einsatz eines 2D-Sandfilters mit definierter Schlitzbreite. Partikelgröße und -verteilung sind wichtige Kriterien bei der Auswahl von Filtern zur Feststofffiltration in der konventionellen und unkonventionellen Öl- und Gasförderung, können aber unbekannt sein. Die Feststoffe können aus dem Reservoir stammen, ihre Zusammensetzung kann jedoch von Bohrlochsohle zu Bohrlochsohle variieren; alternativ muss der Filter möglicherweise Sand aus dem hydraulischen Fracking herausfiltern. In beiden Fällen können die Kosten für die Feststoffsammlung, -analyse und -prüfung sehr hoch sein.
Ist das 2D-Rohrfilter nicht korrekt konfiguriert, kann dies die Wirtschaftlichkeit der Bohrung beeinträchtigen. Zu kleine Filteröffnungen können zu vorzeitigem Verstopfen, Produktionsausfällen und erforderlichen Nacharbeiten führen. Sind sie hingegen zu groß, gelangen Feststoffe ungehindert in den Produktionsprozess, was Ölleitungen korrodieren, künstliche Förderpumpen beschädigen, Oberflächenabscheider verstopfen und Oberflächenabscheider verstopfen kann, was Sandstrahlen und Entsorgung erforderlich macht. Diese Situation erfordert eine einfache und kostengünstige Lösung, die die Lebensdauer der Pumpe verlängert und ein breites Spektrum an Sandkorngrößen abdeckt.
Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurde eine Studie zur Verwendung von Ventilbaugruppen in Kombination mit Edelstahl-Drahtgewebe durchgeführt, das unempfindlich gegenüber der resultierenden Feststoffverteilung ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass Edelstahl-Drahtgewebe mit variabler Porengröße und 3D-Struktur Feststoffe verschiedener Größen effektiv zurückhalten kann, ohne dass die Partikelgrößenverteilung der resultierenden Feststoffe bekannt sein muss. Das 3D-Edelstahl-Drahtgewebe kann Sandkörner aller Größen effektiv zurückhalten, ohne dass eine zusätzliche Sekundärfiltration erforderlich ist.
Eine am Boden des Siebs montierte Ventilbaugruppe ermöglicht die Fortsetzung der Produktion, bis die ESP (Elektrofilterpumpe) herausgezogen wird. Sie verhindert, dass die ESP unmittelbar nach dem Überbrücken des Siebs geborgen wird. Das so entstandene Einlass-Sandkontrollsieb mit Ventilbaugruppe schützt ESPs, Gestängeförderpumpen und Gaslift-Komplettierungen während der Produktion vor Feststoffen, indem es den Fluidstrom reinigt. Es bietet eine kostengünstige Lösung zur Verlängerung der Pumpenlebensdauer, ohne dass die Reservoircharakteristika für unterschiedliche Situationen angepasst werden müssen.
Pumpenschutzkonstruktion der ersten Generation. In einem dampfunterstützten Schwerkraftdrainagebrunnen in Westkanada wurde eine Pumpenschutzvorrichtung mit Edelstahlwollsieben eingesetzt, um die Elektropumpe während der Förderung vor Feststoffen zu schützen. Die Siebe filtern schädliche Feststoffe aus dem Fördermedium beim Eintritt in den Förderstrang. Innerhalb des Förderstrangs fließen die Flüssigkeiten zum Einlass der Elektropumpe, von wo aus sie an die Oberfläche gepumpt werden. Zwischen Sieb und Elektropumpe können Packer eingesetzt werden, um eine Zonentrennung zwischen der Förderzone und dem oberen Bohrlochbereich zu gewährleisten.
Im Laufe der Produktion neigt der Ringspalt zwischen Filterrohr und Verrohrung dazu, sich mit Sand zu überbrücken, was den Strömungswiderstand erhöht. Schließlich ist der Ringspalt vollständig überbrückt, der Durchfluss stoppt und es entsteht ein Druckunterschied zwischen Bohrloch und Förderstrang (siehe Abbildung 3). Ab diesem Zeitpunkt kann kein Fluid mehr zur ESP fließen, und der Förderstrang muss entfernt werden. Abhängig von verschiedenen Variablen im Zusammenhang mit der Feststoffförderung kann die Zeit, die zum Stoppen des Durchflusses durch die Feststoffbrücke im Filterrohr benötigt wird, kürzer sein als die Zeit, die die ESP benötigen würde, um das feststoffhaltige Fluid mit mittlerer Zeit zwischen Ausfällen ins Erdreich zu fördern. Daher wurde die zweite Komponentengeneration entwickelt.
Die Pumpenschutzvorrichtung der zweiten Generation. Das PumpGuard*-Einlass-Sandkontrollsieb- und Ventilsystem ist in Abbildung 4, einem Beispiel für eine unkonventionelle ESP-Komplettierung, unterhalb der REDA*-Pumpe angebracht. Sobald die Bohrung fördert, filtert das Sieb die Feststoffe im Fördergut, bildet jedoch langsam Brücken mit dem Sand und erzeugt so einen Druckunterschied. Erreicht dieser Druckunterschied den eingestellten Öffnungsdruck des Ventils, öffnet sich dieses und lässt Fluid direkt in das Steigrohr zur ESP fließen. Dieser Fluss gleicht den Druckunterschied über das Sieb aus und lockert den Halt der Sandsäcke an der Außenseite des Siebs. Sand kann nun aus dem Ringraum austreten, was den Strömungswiderstand durch das Sieb verringert und die Förderung wiederaufnimmt. Sinkt der Druckunterschied, schließt das Ventil wieder und die normalen Förderbedingungen werden wiederhergestellt. Dieser Zyklus wiederholt sich, bis die ESP zur Wartung aus dem Bohrloch gezogen werden muss. Die in diesem Artikel vorgestellten Fallstudien zeigen, dass das System die Lebensdauer der Pumpe im Vergleich zum alleinigen Betrieb einer Siebkomplettierung deutlich verlängern kann.
Für die kürzlich erfolgte Installation wurde eine kostenorientierte Lösung zur Bereichsabgrenzung zwischen dem Edelstahl-Drahtgewebe und dem Elektrofilter (ESP) eingeführt. Ein nach unten gerichteter Becherpacker ist oberhalb des Siebabschnitts montiert. Oberhalb des Becherpackers ermöglichen zusätzliche Perforationen im Mittelrohr einen Strömungsweg für das geförderte Fluid, sodass es vom Inneren des Siebs in den Ringspalt oberhalb des Packers gelangen und dort in den ESP-Einlass eintreten kann.
Das für diese Lösung gewählte Edelstahl-Drahtgewebefilter bietet gegenüber spaltbasierten 2D-Siebfiltern mehrere Vorteile. 2D-Filter basieren hauptsächlich darauf, dass Partikel die Filterspalten oder -schlitze überspannen, um Sandsäcke zu bilden und die Sandkontrolle zu gewährleisten. Da jedoch nur ein einziger Spaltwert für das Sieb gewählt werden kann, reagiert das Sieb sehr empfindlich auf die Partikelgrößenverteilung des geförderten Fluids.
Im Gegensatz dazu bietet das dicke Drahtgewebebett aus Edelstahl-Drahtgewebefiltern eine hohe Porosität (92 %) und eine große Durchflussfläche (40 %) für das geförderte Bohrlochfluid. Der Filter wird hergestellt, indem ein Edelstahlvliesgewebe komprimiert und direkt um ein perforiertes Zentralrohr gewickelt wird. Anschließend wird es von einer perforierten Schutzhülle umschlossen, die an beiden Enden mit dem Zentralrohr verschweißt ist. Die Porenverteilung im Gewebebett und die ungleichmäßige Winkelorientierung (von 15 µm bis 600 µm) ermöglichen es unschädlichen Feinstpartikeln, entlang eines dreidimensionalen Strömungspfads zum Zentralrohr zu fließen, nachdem größere und schädliche Partikel im Gewebe zurückgehalten wurden. Sandrückhaltetests an Proben dieses Siebs zeigten, dass der Filter eine hohe Permeabilität beibehält, da Fluid durch das Sieb hindurchströmt. Dieser Filter mit einheitlicher Korngröße kann somit alle im geförderten Fluid vorkommenden Partikelgrößenverteilungen bewältigen. Dieses Edelstahlwollsieb wurde in den 1980er Jahren von einem großen Betreiber speziell für in sich geschlossene Siebanlagen in dampfstimulierten Lagerstätten entwickelt. und kann auf eine umfangreiche Erfolgsbilanz bei Installationen zurückblicken.
Die Ventilbaugruppe besteht aus einem federbelasteten Ventil, das einen unidirektionalen Durchfluss aus dem Produktionsbereich in das Steigrohr ermöglicht. Durch Anpassen der Federvorspannung vor der Installation kann das Ventil individuell auf den gewünschten Öffnungsdruck der Anwendung abgestimmt werden. Typischerweise wird ein Ventil unter dem Edelstahlgewebe angeordnet, um einen sekundären Durchflusspfad zwischen dem Reservoir und der ESP (Elektrofilteranlage) zu schaffen. In manchen Fällen sind mehrere Ventile und Edelstahlgewebe in Reihe geschaltet, wobei das mittlere Ventil einen niedrigeren Öffnungsdruck aufweist als das unterste.
Mit der Zeit füllen sich die ringförmigen Bereiche zwischen der Außenfläche des Pumpenschutzsiebs und der Wand des Förderrohrs mit Formationspartikeln. Durch die zunehmende Sandfüllung und die Verfestigung der Partikel steigt der Druckabfall über dem Sandsack. Sobald dieser Druckabfall einen voreingestellten Wert erreicht, öffnet sich das Kegelventil und lässt den Durchfluss direkt durch den Pumpeneinlass fließen. In diesem Stadium kann der durch das Rohr strömende Stoff den zuvor verfestigten Sand an der Außenseite des Siebfilters aufbrechen. Aufgrund des reduzierten Druckunterschieds fließt der Stoff wieder durch das Sieb, und das Einlassventil schließt. Daher erhält die Pumpe den Durchfluss nur für kurze Zeit direkt vom Ventil. Dies verlängert die Lebensdauer der Pumpe, da der größte Teil des Durchflusses aus dem durch das Sandsieb gefilterten Fluid besteht.
Das Pumpenschutzsystem wurde mit Packern in drei verschiedenen Bohrungen im Delaware-Becken in den USA betrieben. Hauptziel ist die Reduzierung der Anzahl von ESP-Starts und -Stopps aufgrund von sandbedingten Überlastungen sowie die Erhöhung der ESP-Verfügbarkeit zur Produktionssteigerung. Das Pumpenschutzsystem ist am unteren Ende des ESP-Strangs befestigt. Die Ergebnisse der Ölbohrung zeigen einen stabilen Pumpenbetrieb, reduzierte Vibrationen und Stromstärken sowie eine verbesserte Pumpenschutztechnologie. Nach der Installation des neuen Systems reduzierten sich die durch Sand und Feststoffe bedingten Ausfallzeiten um 75 % und die Pumpenlebensdauer erhöhte sich um mehr als 22 %.
In einem neuen Bohr- und Fracking-Bohrloch in Martin County, Texas, wurde ein ESP-System installiert. Der vertikale Teil des Bohrlochs beträgt ca. 9.000 Fuß, der horizontale Teil erstreckt sich bis zu einer gemessenen Tiefe von 12.000 Fuß. Bei den ersten beiden Fertigstellungen wurde ein Bohrloch-Wirbelsandabscheider mit sechs Liner-Anschlüssen als integraler Bestandteil der ESP-Komplettierung installiert. Bei zwei aufeinanderfolgenden Installationen mit demselben Sandabscheidertyp wurde ein instabiles Verhalten der ESP-Betriebsparameter (Stromstärke und Vibration) beobachtet. Die Analyse der ausgebauten ESP-Einheit ergab, dass die Wirbelgasabscheiderbaugruppe mit Fremdkörpern verstopft war. Diese wurden als Sand identifiziert, da dieser nicht magnetisch ist und nicht chemisch mit Säure reagiert.
Bei der dritten ESP-Anlage wurde der Sandabscheider durch ein Edelstahl-Drahtgewebe ersetzt. Nach der Installation des neuen Pumpenschutzsystems zeigte die ESP ein stabileres Verhalten. Die Schwankungen des Motorstroms reduzierten sich von ca. 19 A (Anlage 2) auf ca. 6,3 A (Anlage 3). Die Vibrationen sind stabiler und ihre Tendenz wurde um 75 % verringert. Auch der Druckabfall ist stabiler und schwankt im Vergleich zur vorherigen Anlage nur noch geringfügig. Zusätzlich wurde ein Druckabfall von 100 psi erzielt. Überlastabschaltungen der ESP wurden vollständig vermieden, und die ESP arbeitet vibrationsarm.
Bohrung B. In einer weiteren unkonventionellen Bohrung nahe Eunice, New Mexico, war eine elektrostatische Kühlpumpe (ESP) installiert, jedoch ohne Pumpenschutz. Nach dem ersten Förderanstieg zeigte die ESP unregelmäßiges Verhalten. Schwankungen in Stromstärke und Druck gingen mit Vibrationsspitzen einher. Nach 137 Tagen unter diesen Bedingungen fiel die ESP aus und wurde ersetzt. Die zweite Installation umfasst ein neues Pumpenschutzsystem mit derselben ESP-Konfiguration. Nach Wiederaufnahme der Förderung arbeitete die ESP normal mit stabiler Stromstärke und geringeren Vibrationen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung hatte die zweite ESP bereits über 300 Betriebstage erreicht – eine deutliche Verbesserung gegenüber der vorherigen Installation.
Die dritte Installation des Systems vor Ort erfolgte in Mentone, Texas, durch ein auf Öl und Gas spezialisiertes Unternehmen, das aufgrund von Sandförderung Ausfälle und ESP-Ausfälle verzeichnete und die Pumpenverfügbarkeit verbessern wollte. Üblicherweise werden in jedem ESP-Bohrloch Bohrlochsandabscheider mit Liner eingesetzt. Sobald sich der Liner jedoch mit Sand füllt, lässt der Abscheider den Sand durch die Pumpensektion fließen, was zu Korrosion an Pumpenstufe, Lagern und Welle und damit zu Förderhöhenverlust führt. Nach dem Betrieb des neuen Systems mit dem Pumpenschutz weist die ESP eine um 22 % längere Betriebsdauer mit einem stabileren Druckabfall und einer verbesserten ESP-bezogenen Verfügbarkeit auf.
Die Anzahl der durch Sand und Feststoffe bedingten Betriebsstörungen sank um 75 % – von acht Überlastereignissen in der ersten Anlage auf zwei in der zweiten. Gleichzeitig erhöhte sich die Anzahl erfolgreicher Neustarts nach Überlastabschaltungen um 30 % – von acht in der ersten Anlage. Insgesamt wurden in der zweiten Anlage zwölf Neustarts durchgeführt, im Vergleich zu acht in der ersten Anlage. Dies reduzierte die elektrische Belastung der Anlage und verlängerte die Betriebsdauer des Elektrofilters.
Abbildung 5 zeigt den plötzlichen Anstieg des Ansaugdrucks (blau), wenn das Edelstahlgewebe blockiert und die Ventilbaugruppe geöffnet wird. Dieses Druckprofil kann die Produktionseffizienz weiter verbessern, indem es sandbedingte Ausfälle der Elektrofilteranlage vorhersagt, sodass Austauschmaßnahmen mit Workover-Rigs geplant werden können.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Experimentelle Analyse eines Drallrohrs als Bohrlochdesandergerät“, SPE Paper 94673-MS, präsentiert auf der SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brasilien, 20. Juni – 23. Februar 2005.https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Dieser Artikel enthält Elemente aus dem SPE-Papier 207926-MS, das auf der Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference in Abu Dhabi, VAE, vom 15. bis 18. November 2021 vorgestellt wurde.
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