Demostrouse que os compoñentes de protección das bombas protexen as bombas da area e prolongan a vida útil dos ESP en pozos non convencionais. Esta solución controla o refluxo de area de fracturación e outros sólidos que poden causar sobrecargas e tempo de inactividade. A tecnoloxía habilitadora elimina os problemas asociados coa incerteza da distribución do tamaño das partículas.
A medida que cada vez máis pozos de petróleo dependen dos ESP, a prolongación da vida útil dos sistemas de bombeo submerxible eléctrico (ESP) adquire unha importancia crecente. A vida útil e o rendemento das bombas de elevación artificial son sensibles aos sólidos nos fluídos producidos. A vida útil e o rendemento do ESP diminuíron significativamente co aumento das partículas sólidas. Ademais, os sólidos aumentan o tempo de inactividade do pozo e a frecuencia de reparación necesaria para substituír o ESP.
As partículas sólidas que adoitan flúer a través das bombas de elevación artificiais inclúen area de formación, apuntalantes de fracturación hidráulica, cemento e partículas metálicas erosionadas ou corroídas. As tecnoloxías de fondo de pozo deseñadas para separar sólidos van desde ciclóns de baixa eficiencia ata mallas de arame de aceiro inoxidable 3D de alta eficiencia. Os desarenadores de vórtice de fondo de pozo levan décadas utilizándose en pozos convencionais e utilízanse principalmente para protexer as bombas de partículas grandes durante a produción. Non obstante, os pozos non convencionais están suxeitos a un fluxo de lodos intermitente, o que fai que a tecnoloxía existente de separación de vórtice de fondo de pozo só funcione de forma intermitente.
Propuxéronse varias variantes diferentes de pantallas combinadas de control de area e desarenadores de vórtice de fondo de pozo para protexer os ESP. Non obstante, existen lagoas na protección e no rendemento da produción de todas as bombas debido á incerteza na distribución de tamaño e no volume de sólidos producidos por cada pozo. A incerteza aumenta a lonxitude dos compoñentes de control de area, o que reduce a profundidade á que se pode colocar o ESP, limitando o potencial de declive do depósito do ESP e impactando negativamente na economía do pozo. Prefírense profundidades de colocación máis profundas en pozos non convencionais. Non obstante, o uso de desarenadores e áncoras de lama de tapón macho para suspender conxuntos de control de area longos e ríxidos en seccións de revestimento con alta gravidade de dogleg limitou as melloras do MTBF do ESP. A corrosión do tubo interior é outro aspecto deste deseño que non se avaliou adecuadamente.
Os autores dun artigo de 2005 presentaron resultados experimentais dun separador de area de fondo de pozo baseado nun tubo ciclónico (Figura 1), que dependía da acción do ciclón e da gravidade, para demostrar que a eficiencia da separación depende da viscosidade do aceite, do caudal e do tamaño das partículas. Demostran que a eficiencia do separador depende en gran medida da velocidade terminal das partículas. A eficiencia da separación diminúe ao diminuír o caudal, diminuír o tamaño das partículas sólidas e aumentar a viscosidade do aceite, Figura 2. Para un separador de fondo de pozo de tubo ciclónico típico, a eficiencia da separación cae a ~10 % a medida que o tamaño das partículas cae a ~100 µm. Ademais, a medida que aumenta o caudal, o separador de vórtices está suxeito a desgaste por erosión, o que afecta á vida útil dos compoñentes estruturais.
A seguinte alternativa lóxica é usar unha criba de control de area 2D cunha anchura de ranura definida. O tamaño e a distribución das partículas son consideracións importantes ao seleccionar cribas para filtrar sólidos na produción de pozos convencionais ou non convencionais, pero poden ser descoñecidas. Os sólidos poden proceder do xacemento, pero poden variar dun talón a outro; alternativamente, a criba pode ter que filtrar area da fracturación hidráulica. En calquera caso, o custo da recollida, análise e probas de sólidos pode ser prohibitivo.
Se a criba de tubaxe 2D non se configura correctamente, os resultados poden comprometer a economía do pozo. As aberturas da criba de area que son demasiado pequenas poden provocar obstrucións prematuras, paradas e a necesidade de reparacións. Se son demasiado grandes, permiten que os sólidos entren libremente no proceso de produción, o que pode corroer as tubaxes de petróleo, danar as bombas de elevación artificiais, lavar as obstrucións superficiais e encher os separadores superficiais, o que require chorro de area e eliminación. Esta situación require unha solución sinxela e rendible que poida prolongar a vida útil da bomba e cubrir unha ampla distribución de tamaños de area.
Para satisfacer esta necesidade, realizouse un estudo sobre o uso de conxuntos de válvulas en combinación con malla de arame de aceiro inoxidable, que é insensible á distribución de sólidos resultante. Os estudos demostraron que a malla de arame de aceiro inoxidable con tamaño de poro variable e estrutura 3D pode controlar eficazmente sólidos de varios tamaños sen coñecer a distribución do tamaño das partículas dos sólidos resultantes. A malla de arame de aceiro inoxidable 3D pode controlar eficazmente os grans de area de todos os tamaños, sen necesidade de filtración secundaria adicional.
Un conxunto de válvulas montado na parte inferior da criba permite que a produción continúe ata que se retire o ESP. Isto impide que o ESP se recupere inmediatamente despois de que se peche a criba. O conxunto de válvulas e criba de control de area de entrada resultante protexe os ESP, as bombas de elevación de varas e as terminacións de elevación de gas dos sólidos durante a produción mediante a limpeza do fluxo de fluído e proporciona unha solución rendible para prolongar a vida útil da bomba sen ter que adaptar as características do depósito a diferentes situacións.
Deseño de protección de bombas de primeira xeración. Implementouse un conxunto de protección de bombas con mallas de la de aceiro inoxidable nun pozo de drenaxe por gravidade asistida por vapor no oeste do Canadá para protexer o ESP dos sólidos durante a produción. As mallas filtran os sólidos nocivos do fluído de produción a medida que entra na sarta de produción. Dentro da sarta de produción, os fluídos flúen cara á entrada do ESP, onde se bombean á superficie. Os obturadores poden instalarse entre a malla e o ESP para proporcionar illamento zonal entre a zona de produción e a parte superior do pozo.
Co tempo de produción, o espazo anular entre a criba e o revestimento tende a formar unha ponte coa area, o que aumenta a resistencia ao fluxo. Finalmente, o anel forma unha ponte completamente, detén o fluxo e crea unha diferenza de presión entre o pozo e a sarta de produción, como se mostra na Figura 3. Neste punto, o fluído xa non pode fluír cara ao ESP e débese tirar da sarta de finalización. Dependendo dunha serie de variables relacionadas coa produción de sólidos, a duración necesaria para deter o fluxo a través da ponte de sólidos na criba pode ser menor que a duración que permitiría ao ESP bombear o fluído cargado de sólidos no tempo medio entre fallos ao chan, polo que se desenvolveu a segunda xeración de compoñentes.
O conxunto de protección da bomba de segunda xeración. O sistema de conxunto de válvulas e reixas de control de area de entrada PumpGuard* está suspendido debaixo da bomba REDA* na Figura 4, un exemplo dunha terminación ESP pouco convencional. Unha vez que o pozo está a producir, a reixa filtra os sólidos en produción, pero comezará a formar unha ponte lentamente coa area e a crear un diferencial de presión. Cando esta presión diferencial alcanza a presión de apertura establecida pola válvula, a válvula ábrese, permitindo que o fluído flúa directamente cara á sarta de tubaxes ata o ESP. Este fluxo iguala o diferencial de presión a través da reixa, afrouxando o agarre dos sacos de area no exterior da reixa. A area é libre de saír do anel, o que reduce a resistencia ao fluxo a través da reixa e permite que o fluxo se retome. A medida que a presión diferencial diminúe, a válvula volve á súa posición pechada e as condicións de fluxo normais volven. Repita este ciclo ata que sexa necesario sacar o ESP do burato para o seu mantemento. Os estudos de caso destacados neste artigo demostran que o sistema é capaz de prolongar significativamente a vida útil da bomba en comparación coa terminación da cribaxe só.
Para a instalación recente, introduciuse unha solución baseada en custos para o illamento de área entre a malla de arame de aceiro inoxidable e o ESP. Un obturador de copas orientado cara abaixo está montado sobre a sección da criba. Por riba do obturador de copas, unhas perforacións adicionais do tubo central proporcionan unha vía de fluxo para que o fluído producido migre desde o interior da criba ata o espazo anular por riba do obturador, onde o fluído pode entrar na entrada do ESP.
O filtro de malla de arame de aceiro inoxidable escollido para esta solución ofrece varias vantaxes sobre os tipos de malla 2D baseados en fendas. Os filtros 2D baséanse principalmente en partículas que atravesan as fendas ou ranuras do filtro para construír sacos de area e proporcionar control da area. Non obstante, dado que só se pode seleccionar un único valor de fenda para a criba, esta vólvese moi sensible á distribución do tamaño das partículas do fluído producido.
En contraste, o leito de malla grosa dos filtros de malla de arame de aceiro inoxidable proporciona unha alta porosidade (92 %) e unha gran área de fluxo aberto (40 %) para o fluído do pozo producido. O filtro constrúese comprimindo unha malla de la de aceiro inoxidable e envolvéndoa directamente arredor dun tubo central perforado, e logo encapsúlala dentro dunha cuberta protectora perforada que está soldada ao tubo central en cada extremo. A distribución dos poros no leito de malla, a orientación angular non uniforme (que oscila entre 15 µm e 600 µm) permite que as partículas finas inofensivas flúan ao longo dunha traxectoria de fluxo 3D cara ao tubo central despois de que as partículas máis grandes e nocivas queden atrapadas dentro da malla. As probas de retención de area en mostras desta peneira demostraron que o filtro mantén unha alta permeabilidade porque o fluído se xera a través da peneira. Efectivamente, este filtro de "tamaño" único pode manexar todas as distribucións de tamaño de partícula dos fluídos producidos atopados. Esta peneira de la de aceiro inoxidable foi desenvolvida por un importante operador na década de 1980 especificamente para completamentos de peneiras autónomos en depósitos estimulados por vapor e ten un amplo historial de instalacións exitosas.
O conxunto da válvula consiste nunha válvula accionada por resorte que permite o fluxo unidireccional cara á sarta de tubaxes desde a área de produción. Axustando a precarga do resorte helicoidal antes da instalación, a válvula pódese personalizar para alcanzar a presión de apertura desexada para a aplicación. Normalmente, unha válvula execútase baixo a malla de arame de aceiro inoxidable para proporcionar unha vía de fluxo secundaria entre o depósito e o ESP. Nalgúns casos, varias válvulas e mallas de aceiro inoxidable funcionan en serie, e a válvula do medio ten unha presión de apertura menor que a válvula de menor intensidade.
Co tempo, as partículas de formación enchen a área anular entre a superficie exterior da malla do conxunto do protector da bomba e a parede da carcasa de produción. A medida que a cavidade se enche de area e as partículas se consolidan, a caída de presión a través do saco de area aumenta. Cando esta caída de presión alcanza un valor preestablecido, a válvula cónica ábrese e permite o fluxo directamente a través da entrada da bomba. Nesta fase, o fluxo a través do tubo é capaz de romper a area previamente consolidada ao longo do exterior do filtro de malla. Debido á redución da presión diferencial, o fluxo continuará a través da malla e a válvula de admisión pecharase. Polo tanto, a bomba só pode ver o fluxo directamente da válvula durante un curto período de tempo. Isto prolonga a vida útil da bomba, xa que a maior parte do fluxo é o fluído filtrado a través da malla de area.
O sistema de protección da bomba operou con obturadores en tres pozos diferentes na conca de Delaware, nos Estados Unidos. O obxectivo principal é reducir o número de arranques e paradas dos ESP debido a sobrecargas relacionadas coa area e aumentar a dispoñibilidade dos ESP para mellorar a produción. O sistema de protección da bomba está suspendido do extremo inferior da sarta de ESP. Os resultados do pozo de petróleo mostran un rendemento estable da bomba, vibracións e intensidade de corrente reducidas e tecnoloxía de protección da bomba. Despois de instalar o novo sistema, o tempo de inactividade relacionado coa area e os sólidos reduciuse nun 75 % e a vida útil da bomba aumentou en máis dun 22 %.
Un pozo. Instalouse un sistema ESP nun novo pozo de perforación e fracturación no condado de Martin, Texas. A porción vertical do pozo ten aproximadamente 9.000 pés e a porción horizontal esténdese ata 12.000 pés de profundidade medida (MD). Para as dúas primeiras terminacións, instalouse un sistema separador de area vortex de fondo de pozo con seis conexións de revestimento como parte integral da terminación do ESP. Durante dúas instalacións consecutivas que empregaron o mesmo tipo de separador de area, observouse un comportamento inestable dos parámetros de funcionamento do ESP (intensidade da corrente e vibración). A análise de desmontaxe da unidade ESP extraída revelou que o conxunto separador de gas vortex estaba obstruído con materia estraña, que se determinou que era area porque non é magnética e non reacciona quimicamente co ácido.
Na terceira instalación do ESP, unha malla de arame de aceiro inoxidable substituíu o separador de area como medio de control da area do ESP. Despois de instalar o novo sistema de protección da bomba, o ESP mostrou un comportamento máis estable, reducindo o rango de flutuacións da corrente do motor de ~19 A para a instalación n.º 2 a ~6,3 A para a instalación n.º 3. A vibración é máis estable e a tendencia redúcese nun 75 %. A caída de presión tamén foi estable, fluctuando moi pouco en comparación coa instalación anterior e gañou 100 psi adicionais de caída de presión. As paradas por sobrecarga do ESP redúcense nun 100 % e o ESP funciona con baixas vibracións.
Pozo B. Nun pozo preto de Eunice, Novo México, outro pozo non convencional tiña instalado un ESP pero sen protección de bomba. Despois da caída inicial do arranque, o ESP comezou a mostrar un comportamento errático. As flutuacións na corrente e na presión están asociadas a picos de vibración. Despois de manter estas condicións durante 137 días, o ESP fallou e instalouse un substituto. A segunda instalación inclúe un novo sistema de protección de bomba coa mesma configuración de ESP. Despois de que o pozo retomara a produción, o ESP funcionaba normalmente, con amperaxe estable e menos vibracións. No momento da publicación, a segunda execución do ESP alcanzara máis de 300 días de funcionamento, unha mellora significativa con respecto á instalación anterior.
Pozo C. A terceira instalación in situ do sistema foi en Mentone, Texas, por unha empresa especializada en petróleo e gas que experimentou interrupcións e fallos do ESP debido á produción de area e quería mellorar o tempo de funcionamento da bomba. Os operadores adoitan usar separadores de area de fondo de pozo con revestimento en cada pozo ESP. Non obstante, unha vez que o revestimento se enche de area, o separador permitirá que a area flúa a través da sección da bomba, corroendo a etapa da bomba, os rolamentos e o eixe, o que resulta nunha perda de elevación. Despois de executar o novo sistema co protector da bomba, o ESP ten unha vida útil un 22 % máis longa cunha caída de presión máis estable e un mellor tempo de funcionamento relacionado co ESP.
O número de paradas relacionadas con area e sólidos durante o funcionamento diminuíu nun 75 %, de 8 eventos de sobrecarga na primeira instalación a dous na segunda instalación, e o número de reinicios exitosos despois dunha parada por sobrecarga aumentou nun 30 %, de 8 na primeira instalación. Realizáronse un total de 12 eventos, para un total de 8 eventos, na instalación secundaria, o que reduciu a tensión eléctrica no equipo e aumentou a vida útil do ESP.
A figura 5 mostra o aumento repentino da sinatura de presión de admisión (azul) cando a malla de aceiro inoxidable está bloqueada e o conxunto da válvula se abre. Esta sinatura de presión pode mellorar aínda máis a eficiencia da produción ao predicir fallos ESP relacionados coa area, polo que se poden planificar operacións de substitución con plataformas de reparación.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Análise experimental do tubo de remuíño como dispositivo desalinizador de fondo de pozo”, artigo da SPE 94673-MS, presentado na Conferencia de Enxeñaría Petrolífera de América Latina e o Caribe da SPE, Río de Xaneiro, Brasil, do 20 de xuño ao 23 de febreiro de 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Este artigo contén elementos do documento SPE 207926-MS, presentado na Exposición e Conferencia Internacional do Petróleo de Abu Dabi, Emiratos Árabes Unidos, do 15 ao 18 de novembro de 2021.
Todos os materiais están suxeitos ás leis de dereitos de autor estritamente aplicadas. Lea os nosos Termos e condicións, Política de cookies e Política de privacidade antes de usar este sitio.