Pumpenschutzkomponenten schützen Pumpen nachweislich vor Sand und verlängern die Betriebslebensdauer von ESPs in unkonventionellen Bohrlöchern. Diese Lösung kontrolliert den Rückfluss von Frac-Sand und anderen Feststoffen, die zu Überlastungen und Ausfallzeiten führen können. Die Technologie beseitigt die Probleme, die mit der Unsicherheit der Partikelgrößenverteilung verbunden sind.
Da immer mehr Ölquellen auf ESPs angewiesen sind, wird es immer wichtiger, die Lebensdauer elektrischer Tauchpumpensysteme (ESP) zu verlängern. Die Betriebslebensdauer und Leistung künstlicher Hebepumpen reagieren empfindlich auf Feststoffe in den geförderten Flüssigkeiten. Mit zunehmender Feststoffpartikelmenge nehmen die Betriebslebensdauer und die Leistung des ESPs deutlich ab. Darüber hinaus erhöhen Feststoffe die Ausfallzeiten der Quelle und die Häufigkeit der erforderlichen Überholungsmaßnahmen zum Ersetzen des ESPs.
Zu den festen Partikeln, die häufig durch künstliche Hebepumpen fließen, zählen Formationssand, Stützmittel für das hydraulische Aufbrechen, Zement und erodierte oder korrodierte Metallpartikel. Die zum Abscheiden von Feststoffen entwickelten Bohrlochtechnologien reichen von Zyklonen mit geringem Wirkungsgrad bis hin zu hocheffizienten 3D-Drahtgeflechten aus Edelstahl. In konventionellen Bohrlöchern werden seit Jahrzehnten Bohrloch-Wirbelsander verwendet, und sie dienen in erster Linie dazu, Pumpen während der Produktion vor großen Partikeln zu schützen. In unkonventionellen Bohrlöchern kommt es jedoch zu zeitweiligen Schwallströmungen, was dazu führt, dass die vorhandene Bohrloch-Wirbelseparatortechnologie nur zeitweise funktioniert.
Zum Schutz von ESPs wurden verschiedene Varianten kombinierter Sandkontrollsiebe und Bohrloch-Wirbelentsalzer vorgeschlagen. Allerdings bestehen bei allen Pumpen Lücken hinsichtlich des Schutzes und der Produktionsleistung aufgrund von Unsicherheiten hinsichtlich der Größenverteilung und des Volumens der von jeder Bohrung produzierten Feststoffe. Durch die Unsicherheit werden die Sandkontrollkomponenten länger und damit die Tiefe reduziert, in der der ESP gesetzt werden kann. Dies begrenzt das Reservoir-Abnahmepotenzial des ESP und wirkt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Bohrung aus. In unkonventionellen Bohrungen werden größere Setztiefen bevorzugt. Allerdings schränkt die Verwendung von Entsandern und Bohrlochankern mit Stecker zum Aufhängen langer, starrer Sandkontrollbaugruppen in Futterrohrabschnitten mit stark ausgeprägten Knickstellen die Verbesserung der MTBF des ESP ein. Die Korrosion des Innenrohrs ist ein weiterer Aspekt dieser Konstruktion, der nicht ausreichend bewertet wurde.
Die Autoren einer Arbeit aus dem Jahr 2005 präsentierten experimentelle Ergebnisse eines Bohrloch-Sandabscheiders auf Basis eines Zyklonrohrs (Abbildung 1), der von Zyklonwirkung und Schwerkraft abhängig war. Sie zeigten, dass die Abscheideleistung von Ölviskosität, Durchflussrate und Partikelgröße abhängt. Sie zeigten, dass die Effizienz des Abscheiders maßgeblich von der Endgeschwindigkeit der Partikel abhängt. Die Abscheideleistung sinkt mit abnehmender Durchflussrate, abnehmender Feststoffpartikelgröße und zunehmender Ölviskosität (Abbildung 2). Bei einem typischen Bohrlochabscheider mit Zyklonrohr sinkt die Abscheideleistung auf ca. 10 %, wenn die Partikelgröße auf ca. 100 µm sinkt. Zudem unterliegt der Wirbelabscheider mit zunehmender Durchflussrate Erosionsverschleiß, der die Lebensdauer der Bauteile beeinträchtigt.
Die nächste logische Alternative ist die Verwendung eines 2D-Sandkontrollsiebs mit einer definierten Schlitzbreite. Partikelgröße und -verteilung sind wichtige Überlegungen bei der Auswahl von Sieben zum Filtern von Feststoffen bei der konventionellen oder unkonventionellen Bohrlochproduktion, sie sind jedoch möglicherweise nicht bekannt. Die Feststoffe können aus dem Reservoir stammen, jedoch von Absatz zu Absatz variieren; alternativ muss das Sieb möglicherweise Sand aus der hydraulischen Frakturierung filtern. In beiden Fällen können die Kosten für die Sammlung, Analyse und Prüfung der Feststoffe unerschwinglich sein.
Wenn das 2D-Rohrsieb nicht richtig konfiguriert ist, kann dies die Wirtschaftlichkeit der Bohrung beeinträchtigen. Zu kleine Öffnungen im Sandsieb können zu vorzeitiger Verstopfung, Stillstand und der Notwendigkeit von Sanierungsmaßnahmen führen. Sind sie zu groß, können Feststoffe ungehindert in den Produktionsprozess gelangen und so Ölleitungen korrodieren, künstliche Hebepumpen beschädigen, Oberflächenverstopfungen ausspülen und Oberflächenabscheider verstopfen, was Sandstrahlen und eine Entsorgung erforderlich macht. Diese Situation erfordert eine einfache, kostengünstige Lösung, die die Lebensdauer der Pumpe verlängern und ein breites Spektrum an Sandgrößen abdecken kann.
Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurde eine Studie zur Verwendung von Ventilanordnungen in Kombination mit Edelstahldrahtgeflecht durchgeführt, das unempfindlich gegenüber der resultierenden Feststoffverteilung ist. Studien haben gezeigt, dass Edelstahldrahtgeflecht mit variabler Porengröße und 3D-Struktur Feststoffe unterschiedlicher Größe wirksam kontrollieren kann, ohne die Partikelgrößenverteilung der resultierenden Feststoffe zu kennen. Das 3D-Edelstahldrahtgeflecht kann Sandkörner aller Größen wirksam kontrollieren, ohne dass eine zusätzliche Sekundärfiltration erforderlich ist.
Eine an der Unterseite des Siebes montierte Ventilbaugruppe ermöglicht die Fortsetzung der Produktion, bis der ESP herausgezogen wird. Sie verhindert, dass der ESP unmittelbar nach der Überbrückung des Siebes wiedergewonnen wird. Die daraus resultierende Sieb- und Ventilbaugruppe zur Sandkontrolle am Einlass schützt ESPs, Stangenhubpumpen und Gasliftkomplettierungen während der Produktion vor Feststoffen, indem sie den Flüssigkeitsfluss reinigt, und bietet eine kostengünstige Lösung zur Verlängerung der Pumpenlebensdauer, ohne dass die Reservoireigenschaften an unterschiedliche Situationen angepasst werden müssen.
Pumpenschutzdesign der ersten Generation. Eine Pumpenschutzanordnung mit Edelstahlwollesieben wurde in einer dampfunterstützten Schwerkraftentwässerungsbohrung in Westkanada eingesetzt, um den ESP während der Produktion vor Feststoffen zu schützen. Siebe filtern schädliche Feststoffe aus der Produktionsflüssigkeit, wenn diese in die Produktionskette gelangt. Innerhalb der Produktionskette fließen die Flüssigkeiten zum ESP-Einlass, wo sie an die Oberfläche gepumpt werden. Zwischen dem Sieb und dem ESP können Packer eingesetzt werden, um eine Zonentrennung zwischen der Produktionszone und dem oberen Bohrloch zu erreichen.
Im Laufe der Förderzeit neigt der Ringraum zwischen Sieb und Verrohrung dazu, sich mit Sand zu überbrücken, was den Strömungswiderstand erhöht. Schließlich verschließt sich der Ringraum vollständig, stoppt den Durchfluss und erzeugt einen Druckunterschied zwischen Bohrloch und Förderstrang, wie in Abbildung 3 dargestellt. An diesem Punkt kann kein Fluid mehr zum ESP fließen, und der Förderstrang muss gezogen werden. Abhängig von verschiedenen Variablen im Zusammenhang mit der Feststoffproduktion kann die zum Stoppen des Durchflusses durch die Feststoffbrücke auf dem Sieb erforderliche Dauer kürzer sein als die mittlere Zeit zwischen Ausfällen, die es dem ESP ermöglicht, die mit Feststoffen beladene Flüssigkeit in den Boden zu pumpen. Daher wurde die zweite Komponentengeneration entwickelt.
Die Pumpenschutzvorrichtung der zweiten Generation. Das PumpGuard*-System zur Sandkontrolle am Einlass und das dazugehörige Ventilsystem sind in Abbildung 4 unterhalb der REDA*-Pumpe aufgehängt. Dies ist ein Beispiel für eine unkonventionelle ESP-Komplettierung. Sobald die Bohrung produziert, filtert das Sieb die Feststoffe, bildet jedoch langsam eine Brücke mit dem Sand und erzeugt einen Druckunterschied. Erreicht dieser den eingestellten Öffnungsdruck des Ventils, öffnet sich das Ventil und die Flüssigkeit kann direkt in die Rohrleitung zum ESP fließen. Dieser Durchfluss gleicht den Druckunterschied über das Sieb aus und lockert den Griff der Sandsäcke an der Außenseite des Siebs. Der Sand kann ungehindert aus dem Ringraum ausbrechen, wodurch der Strömungswiderstand durch das Sieb verringert wird und der Durchfluss wieder aufgenommen werden kann. Sinkt der Differenzdruck, schließt das Ventil wieder und es stellen sich wieder normale Strömungsbedingungen ein. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis der ESP zu Wartungszwecken aus dem Bohrloch gezogen werden muss. Die in diesem Artikel vorgestellten Fallstudien zeigen, dass das System die Lebensdauer der Pumpe im Vergleich zu einer reinen Siebkomplettierung deutlich verlängern kann.
Bei der jüngsten Installation wurde eine kostenorientierte Lösung zur Bereichsisolierung zwischen dem Edelstahldrahtgeflecht und dem ESP eingeführt. Über dem Siebabschnitt ist ein nach unten gerichteter Becherpacker montiert. Über dem Becherpacker bieten zusätzliche Mittelrohrperforationen einen Fließweg für die produzierte Flüssigkeit, um vom Inneren des Siebs in den ringförmigen Raum über dem Packer zu gelangen, wo die Flüssigkeit in den ESP-Einlass gelangen kann.
Der für diese Lösung gewählte Edelstahldrahtgewebefilter bietet mehrere Vorteile gegenüber spaltbasierten 2D-Maschentypen. 2D-Filter basieren in erster Linie auf Partikeln, die Filterspalten oder -schlitze überbrücken, um Sandsäcke zu bilden und die Sandkontrolle zu gewährleisten. Da jedoch nur ein einziger Spaltwert für das Sieb ausgewählt werden kann, reagiert das Sieb sehr empfindlich auf die Partikelgrößenverteilung der produzierten Flüssigkeit.
Im Gegensatz dazu bietet das dichte Maschenbett von Edelstahldrahtgewebefiltern eine hohe Porosität (92 %) und einen großen offenen Strömungsbereich (40 %) für die geförderte Bohrlochflüssigkeit. Der Filter wird hergestellt, indem ein Edelstahlvliesgewebe komprimiert und direkt um ein perforiertes Mittelrohr gewickelt wird. Anschließend wird es in eine perforierte Schutzhülle eingekapselt, die an beiden Enden mit dem Mittelrohr verschweißt ist. Die Verteilung der Poren im Maschenbett und die ungleichmäßige Winkelausrichtung (von 15 µm bis 600 µm) ermöglichen es, dass harmlose Feinpartikel entlang eines dreidimensionalen Fließwegs zum Mittelrohr fließen, nachdem größere und schädliche Partikel im Gewebe zurückgehalten wurden. Sandrückhaltetests an Proben dieses Siebes zeigten, dass der Filter eine hohe Durchlässigkeit beibehält, da Flüssigkeit durch das Sieb erzeugt wird. Tatsächlich kann dieser Filter mit einer einzigen Größe alle Partikelgrößenverteilungen der anfallenden geförderten Flüssigkeiten verarbeiten. Dieses Edelstahlwollesieb wurde in den 1980er Jahren von einem großen Betreiber speziell für geschlossene Siebkomplettierungen in dampfstimulierten Lagerstätten entwickelt. und verfügt über eine umfangreiche Erfolgsbilanz erfolgreicher Installationen.
Die Ventilbaugruppe besteht aus einem federbelasteten Ventil, das einen Einwegfluss vom Produktionsbereich in die Rohrleitung ermöglicht. Durch Einstellen der Vorspannung der Schraubenfeder vor der Installation kann das Ventil individuell angepasst werden, um den gewünschten Öffnungsdruck für die Anwendung zu erreichen. Normalerweise wird ein Ventil unter dem Edelstahldrahtgeflecht angebracht, um einen sekundären Strömungsweg zwischen dem Reservoir und dem ESP bereitzustellen. In einigen Fällen werden mehrere Ventile und Edelstahlgitter in Reihe geschaltet, wobei das mittlere Ventil einen niedrigeren Öffnungsdruck aufweist als das unterste Ventil.
Mit der Zeit füllen Formationspartikel den ringförmigen Bereich zwischen der Außenfläche des Siebs der Pumpenschutzbaugruppe und der Wand des Produktionsgehäuses. Wenn sich der Hohlraum mit Sand füllt und die Partikel sich verfestigen, steigt der Druckabfall über dem Sandsack. Wenn dieser Druckabfall einen voreingestellten Wert erreicht, öffnet sich das Kegelventil und ermöglicht den Durchfluss direkt durch den Pumpeneinlass. In diesem Stadium kann der Durchfluss durch das Rohr den zuvor verfestigten Sand entlang der Außenseite des Siebfilters aufbrechen. Aufgrund des verringerten Druckunterschieds wird der Durchfluss durch das Sieb wieder aufgenommen und das Einlassventil schließt. Daher kann die Pumpe den Durchfluss nur für kurze Zeit direkt vom Ventil sehen. Dies verlängert die Lebensdauer der Pumpe, da der größte Teil des Durchflusses aus Flüssigkeit besteht, die durch das Sandsieb gefiltert wird.
Das Pumpenschutzsystem wurde mit Packern in drei verschiedenen Bohrlöchern im Delaware-Becken in den USA betrieben. Das Hauptziel besteht darin, die Anzahl der ESP-Starts und -Stopps aufgrund von sandbedingten Überlastungen zu reduzieren und die ESP-Verfügbarkeit zu erhöhen, um die Produktion zu verbessern. Das Pumpenschutzsystem ist am unteren Ende der ESP-Strangleitung aufgehängt. Die Ergebnisse der Ölbohrung zeigen eine stabile Pumpenleistung, reduzierte Vibrationen und Stromstärke sowie Pumpenschutztechnologie. Nach der Installation des neuen Systems konnten die sand- und feststoffbedingten Ausfallzeiten um 75 % reduziert und die Pumpenlebensdauer um mehr als 22 % erhöht werden.
Ein Brunnen. In einem neuen Bohr- und Frakturierungsbrunnen in Martin County, Texas, wurde ein ESP-System installiert. Der vertikale Teil des Brunnens ist ungefähr 9.000 Fuß tief und der horizontale Teil erstreckt sich bis zu einer gemessenen Tiefe (MD). Bei den ersten beiden Fertigstellungen wurde als integraler Bestandteil der ESP-Fertigstellung ein Bohrloch-Wirbelsandabscheidersystem mit sechs Liner-Anschlüssen installiert. Bei zwei aufeinanderfolgenden Installationen mit dem gleichen Sandabscheidertyp wurde ein instabiles Verhalten der ESP-Betriebsparameter (Stromstärke und Vibration) beobachtet. Die Demontageanalyse der herausgezogenen ESP-Einheit ergab, dass die Wirbelgasabscheiderbaugruppe mit Fremdkörpern verstopft war. Dabei handelte es sich um Sand, da dieser nicht magnetisch ist und nicht chemisch mit Säure reagiert.
Bei der dritten ESP-Installation wurde der Sandabscheider durch ein Edelstahldrahtgeflecht ersetzt, um den ESP-Sand zu kontrollieren. Nach der Installation des neuen Pumpenschutzsystems zeigte der ESP ein stabileres Verhalten und reduzierte die Schwankungsbreite des Motorstroms von ca. 19 A bei Installation Nr. 2 auf ca. 6,3 A bei Installation Nr. 3. Die Vibration ist stabiler und die Tendenz hat sich um 75 % verringert. Der Druckabfall war ebenfalls stabil und schwankte im Vergleich zur vorherigen Installation nur sehr wenig, und der Druckabfall betrug zusätzlich 100 psi. Überlastungsabschaltungen des ESP werden um 100 % reduziert und der ESP arbeitet mit geringer Vibration.
Bohrloch B. In einem Bohrloch in der Nähe von Eunice, New Mexico, war in einem anderen unkonventionellen Bohrloch ein ESP, jedoch kein Pumpenschutz installiert. Nach dem ersten Boot-Drop zeigte das ESP unregelmäßiges Verhalten. Schwankungen bei Stromstärke und Druck sind mit Vibrationsspitzen verbunden. Nachdem diese Bedingungen 137 Tage lang aufrechterhalten worden waren, fiel das ESP aus und wurde durch ein Ersatzsystem ersetzt. Die zweite Installation umfasst ein neues Pumpenschutzsystem mit derselben ESP-Konfiguration. Nachdem das Bohrloch die Produktion wieder aufgenommen hatte, arbeitete das ESP normal, mit stabiler Stromstärke und weniger Vibrationen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war der zweite ESP-Lauf über 300 Tage in Betrieb, eine deutliche Verbesserung gegenüber der vorherigen Installation.
Bohrloch C. Die dritte Vor-Ort-Installation des Systems erfolgte in Mentone (Texas) durch ein auf die Öl- und Gasindustrie spezialisiertes Unternehmen, das aufgrund der Sandproduktion Ausfälle und ESP-Fehler hatte und die Pumpenverfügbarkeit verbessern wollte. Normalerweise betreiben die Betreiber in jedem ESP-Bohrloch Bohrlochsandabscheider mit Auskleidung. Sobald sich die Auskleidung jedoch mit Sand füllt, lässt der Abscheider den Sand durch den Pumpenabschnitt fließen, wodurch die Pumpenstufe, die Lager und die Welle korrodieren und die Förderleistung sinkt. Nach dem Betrieb des neuen Systems mit dem Pumpenschutz hat der ESP eine um 22 % längere Betriebslebensdauer bei stabilerem Druckabfall und besserer ESP-bezogener Verfügbarkeit.
Die Anzahl der sand- und feststoffbedingten Abschaltungen während des Betriebs sank um 75 % (von acht Überlastereignissen in der ersten Anlage auf zwei in der zweiten Anlage). Die Anzahl der erfolgreichen Neustarts nach Überlastabschaltungen stieg um 30 % (von acht in der ersten Anlage). In der zweiten Anlage wurden insgesamt zwölf Ereignisse (insgesamt acht) durchgeführt. Dies reduzierte die elektrische Belastung der Anlage und verlängerte die Lebensdauer des Elektrofilters.
Abbildung 5 zeigt den plötzlichen Anstieg der Ansaugdrucksignatur (blau), wenn das Edelstahlnetz blockiert und die Ventilbaugruppe geöffnet wird. Diese Drucksignatur kann die Produktionseffizienz weiter verbessern, indem sandbedingte ESP-Ausfälle vorhergesagt werden, sodass Austauschvorgänge mit Workover-Rigs geplant werden können.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Experimentelle Analyse eines Wirbelrohrs als Bohrloch-Entsandergerät“, SPE-Artikel 94673-MS, vorgestellt 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 vom 15. bis 18. November 2021 in Abu Dhabi, VAE, vorgestellt wurde.
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