רכיבי הגנה על משאבות הוכחו כמגנים על משאבות מפני חול ומאריכים את חיי הפעילות של מערכות הגנה מפני זיהום אוויר (ESP) בבארות לא קונבנציונליות. פתרון זה שולט בזרימה החוזרת של חול שבר ומוצקים אחרים שעלולים לגרום לעומסי יתר ולזמן השבתה. הטכנולוגיה המאפשרת מבטלת את הבעיות הקשורות לחוסר ודאות בהתפלגות גודל החלקיקים.
ככל שיותר ויותר בארות נפט מסתמכות על משאבות ESP, הארכת חייהן של מערכות שאיבה טבולות חשמליות (ESP) הופכת חשובה יותר ויותר. אורך החיים והביצועים של משאבות הרמה מלאכותיות רגישים למוצקים בנוזלים המופקים. אורך החיים והביצועים של משאבת ה-ESP ירדו משמעותית עם העלייה בחלקיקים המוצקים. בנוסף, מוצקים מגדילים את זמן ההשבתה של הבאר ואת תדירות ההחלפה הנדרשת להחלפת משאבת ה-ESP.
חלקיקים מוצקים הזורמים לעתים קרובות דרך משאבות הרמה מלאכותיות כוללים חול יצירה, חומרי דחיפה לשבירה הידראולית, מלט וחלקיקי מתכת שנשחקו או חלודים. טכנולוגיות מפרידי מערבולת במורד הקורה שנועדו להפריד מוצקים נעות בין ציקלונים בעלי יעילות נמוכה ועד רשת תיל נירוסטה תלת-ממדית בעלת יעילות גבוהה. מכונות מפרידי מערבולת במורד הקורה משמשות בבארות קונבנציונליות מזה עשרות שנים, והן משמשות בעיקר להגנה על משאבות מחלקיקים גדולים במהלך הייצור. עם זאת, בארות לא קונבנציונליות כפופות לזרימה לסירוגין של שפם, מה שמביא לטכנולוגיית הפרדת מערבולת במורד הקורה הקיימת פועלת רק לסירוגין.
מספר גרסאות שונות של מסנני בקרת חול משולבים ומכונות מסיר-מלטש מערבולת במורד הקידוח הוצעו כדי להגן על משאבות בקרת חול (ESP). עם זאת, ישנם פערים בביצועי ההגנה והייצור של כל המשאבות עקב חוסר הוודאות בהתפלגות הגודל ובנפח המוצקים המיוצרים על ידי כל באר. חוסר הוודאות מגדיל את אורך רכיבי בקרת החול, ובכך מפחית את העומק שבו ניתן לכוונן את ה-ESP, מגביל את פוטנציאל הירידה במאגר של ה-ESP ומשפיע לרעה על כלכלת הבאר. עומקי שכיבה עמוקים יותר עדיפים בבארות לא קונבנציונליות. עם זאת, השימוש במסיר-מלטשים ועוגני בוץ בעלי תקע זכר לתליית מכלולי בקרת חול ארוכים ונוקשים במקטעי מעטפת בעלי חומרת דוגלג גבוהה הגביל את שיפורי ה-MTBF של ה-ESP. קורוזיה של הצינור הפנימי היא היבט נוסף של תכנון זה שלא הוערך כראוי.
מחברי מאמר משנת 2005 הציגו תוצאות ניסוייות של מפריד חול במורד קידוח המבוסס על צינור ציקלון (איור 1), אשר היה תלוי בפעולת הציקלון ובכוח המשיכה, כדי להראות כי יעילות ההפרדה תלויה בצמיגות השמן, קצב הזרימה וגודל החלקיקים. הם מראים כי יעילות המפריד תלויה במידה רבה במהירות הסופית של החלקיקים. יעילות ההפרדה יורדת עם ירידה בקצב הזרימה, ירידה בגודל החלקיקים המוצקים ועלייה בצמיגות השמן, איור 2. עבור מפריד חול במורד קידוח המבוסס על צינור ציקלון טיפוסי, יעילות ההפרדה יורדת לכ-10% כאשר גודל החלקיקים יורד לכ-100 מיקרומטר. בנוסף, ככל שקצב הזרימה עולה, מפריד המערבולת נתון לבלאי שחיקה, המשפיע על אורך החיים של רכיבים מבניים.
החלופה ההגיונית הבאה היא להשתמש במסך בקרת חול דו-ממדי עם רוחב חריץ מוגדר. גודל החלקיקים ופיזורם הם שיקולים חשובים בבחירת מסננים לסינון מוצקים בייצור בארות קונבנציונליות או לא קונבנציונליות, אך ייתכן שהם אינם ידועים. המוצקים עשויים להגיע מהמאגר, אך הם עשויים להשתנות מעקב מעקב; לחלופין, ייתכן שהמסך יצטרך לסנן חול משבירה הידראולית. בכל מקרה, עלות איסוף, ניתוח ובדיקה של מוצקים יכולה להיות גבוהה מדי.
אם מסך הצינורות הדו-ממדי אינו מוגדר כראוי, התוצאות עלולות לפגוע בכלכלת הבאר. פתחי מסך חול קטנים מדי עלולים לגרום לסתימה מוקדמת, כיבויים וצורך בעבודות תיקון. אם הם גדולים מדי, הם מאפשרים למוצקים להיכנס בחופשיות לתהליך הייצור, מה שעלול לגרום לאיכול צינורות נפט, לפגוע במשאבות הרמה מלאכותיות, לשטוף חסימות שטח ולמלא מפרידי שטח, מה שמצריך התזת חול וסילוק. מצב זה דורש פתרון פשוט וחסכוני שיכול להאריך את חיי המשאבה ולכסות תפוצה רחבה של גדלי חול.
כדי לענות על צורך זה, נערך מחקר על השימוש במכלולי שסתומים בשילוב עם רשת תיל מפלדת אל-חלד, שאינה רגישה לפיזור המוצקים המתקבל. מחקרים הראו שרשת תיל מפלדת אל-חלד עם גודל נקבוביות משתנה ומבנה תלת-ממדי יכולה לשלוט ביעילות במוצקים בגדלים שונים מבלי לדעת את פיזור גודל החלקיקים של המוצקים המתקבלים. רשת התיל התלת-ממדית מפלדת אל-חלד יכולה לשלוט ביעילות בגרגירי חול בכל הגדלים, ללא צורך בסינון משני נוסף.
מכלול שסתום המותקן בתחתית המסננת מאפשר את המשך הייצור עד לשליפה של ה-ESP. הוא מונע שאיבת ESP מיד לאחר גישור המסננת. מסך בקרת חול הכניסה ומכלול השסתום שנוצרו מגנים על משאבות ESP, משאבות הרמת מוטות והשלמות הרמת גז מפני מוצקים במהלך הייצור על ידי ניקוי זרימת הנוזל ומספק פתרון חסכוני להארכת חיי המשאבה מבלי להתאים אישית את מאפייני המאגר למצבים שונים.
עיצוב הגנה על משאבות מהדור הראשון. מכלול הגנה על משאבות המשתמש במסכי צמר נירוסטה נפרס בבאר ניקוז כבידה בסיוע קיטור במערב קנדה כדי להגן על ה-ESP מפני מוצקים במהלך הייצור. מסננים מוצקים מזיקים מנוזל הייצור כשהוא נכנס למחרוזת הייצור. בתוך מחרוזת הייצור, נוזלים זורמים לכניסת ה-ESP, שם הם נשאבים אל פני השטח. ניתן להפעיל חבילות אריזה בין המסך ל-ESP כדי לספק בידוד אזורי בין אזור הייצור לקידוח הבאר העליון.
לאורך זמן הייצור, החלל הטבעתי בין המסך למעטפת נוטה להתגשר עם חול, מה שמגביר את התנגדות הזרימה. בסופו של דבר, הטבעת מגשרת לחלוטין, עוצרת את הזרימה ויוצרת הפרש לחצים בין קידוח הבאר למחרוזת הייצור, כפי שמוצג באיור 3. בנקודה זו, הנוזל כבר לא יכול לזרום אל מערכת ההספקה האלקטרונית (ESP) ויש למשוך את מחרוזת ההשלמה. בהתאם למספר משתנים הקשורים לייצור מוצקים, משך הזמן הנדרש לעצירת הזרימה דרך גשר המוצקים על המסך עשוי להיות קצר ממשך הזמן שיאפשר למערכת ההספקה האלקטרונית לשאוב את הנוזל העמוס במוצקים - הזמן הממוצע בין כשלים - לקרקע, ולכן פותח הדור השני של רכיבים.
מכלול הגנה על המשאבה מהדור השני. מערכת מסך בקרת חול הכניסה PumpGuard* ומכלול השסתומים תלויה מתחת למשאבת REDA* באיור 4, דוגמה להשלמת סינון נוזלי (ESP) לא שגרתית. לאחר שהבאר מתחילה להפיק, המסנן מסנן את המוצקים הנמצאים בתהליך הייצור, אך יתחיל לגשר באיטיות עם החול וליצור הפרש לחצים. כאשר לחץ הפרש זה מגיע ללחץ הסדקים שנקבע על ידי השסתום, השסתום נפתח, ומאפשר לנוזל לזרום ישירות לתוך מחרוזת הצינורות אל ה-ESP. זרימה זו משווה את הפרש הלחצים על פני המסנן, ומשחררת את אחיזת שקי החול בצד החיצוני של המסנן. חול חופשי לפרוץ החוצה מהטבעת, מה שמפחית את התנגדות הזרימה דרך המסנן ומאפשר לזרימה להתחדש. כאשר לחץ הפרש יורד, השסתום חוזר למצבו הסגור ותנאי הזרימה הרגילים מתחדשים. חזור על מחזור זה עד שיהיה צורך לשלוף את ה-ESP מהבור לצורך שירות. מחקרי המקרה המודגשים במאמר זה מדגימים שהמערכת מסוגלת להאריך משמעותית את חיי המשאבה בהשוואה להפעלת השלמת סינון בלבד.
עבור ההתקנה האחרונה, הוצג פתרון מונע עלות לבידוד אזורי בין רשת התיל מפלדת אל-חלד לבין ה-ESP. מיכל אריזה (docker) הפונה כלפי מטה מותקן מעל מקטע המסננת. מעל מיכל האריזה, נקבים נוספים בצינור המרכזי מספקים נתיב זרימה לנוזל המיוצר כדי לנדוד מחלקו הפנימי של המסננת לחלל הטבעתי שמעל המיכל, שם הנוזל יכול להיכנס לכניסת ה-ESP.
מסנן רשת התיל מפלדת אל-חלד שנבחר לפתרון זה מציע מספר יתרונות על פני סוגי רשת דו-ממדית מבוססת פערים. מסנני דו-ממדיים מסתמכים בעיקר על חלקיקים המשתרעים על פני פערים או חריצים במסנן כדי לבנות שקי חול ולספק בקרת חול. עם זאת, מכיוון שניתן לבחור רק ערך פער יחיד עבור המסנן, המסנן הופך רגיש מאוד לפיזור גודל החלקיקים של הנוזל המיוצר.
לעומת זאת, מצע הרשת העבה של מסנני רשת תיל מפלדת אל-חלד מספק נקבוביות גבוהה (92%) ושטח זרימה פתוח גדול (40%) לנוזל קידוח הבאר המופק. המסנן בנוי על ידי דחיסת רשת פליז מפלדת אל-חלד ועטיפתה ישירות סביב צינור מרכזי מחורר, ולאחר מכן עוטף אותו בתוך כיסוי מגן מחורר המולחם לצינור המרכזי בכל קצה. פיזור הנקבוביות במצע הרשת, הכיוון הזוויתי הלא אחיד (נע בין 15 מיקרומטר ל-600 מיקרומטר) מאפשר לחלקיקים עדינים ולא מזיקים לזרום לאורך נתיב זרימה תלת-ממדי לכיוון הצינור המרכזי לאחר שחלקיקים גדולים ומזיקים נלכדים בתוך הרשת. בדיקות אצירת חול על דגימות של מסננת זו הראו כי המסנן שומר על חדירות גבוהה מכיוון שנוזל נוצר דרך המסננת. למעשה, מסנן "בגודל" יחיד זה יכול להתמודד עם כל התפלגות גודל החלקיקים של נוזלים המופקים. מסננת צמר נירוסטה זו פותחה על ידי מפעיל גדול בשנות ה-80 במיוחד עבור השלמות מסננים עצמאיות במאגרים המונעים בקיטור ויש לה רקורד נרחב של התקנות מוצלחות.
מכלול השסתום מורכב משסתום קפיץ המאפשר זרימה חד-כיוונית לתוך שרשרת הצינורות מאזור הייצור. על ידי כוונון עומס הקפיץ המקדים לפני ההתקנה, ניתן להתאים אישית את השסתום כדי להשיג את לחץ הסדיקה הרצוי עבור היישום. בדרך כלל, שסתום מופעל מתחת לרשת התיל מפלדת אל-חלד כדי לספק נתיב זרימה משני בין המאגר למערכת ה-ESP. במקרים מסוימים, מספר שסתומים ורשתות מפלדת אל-חלד פועלות בטור, כאשר לשסתום האמצעי לחץ הסדיקה נמוך יותר מהשסתום התחתון.
עם הזמן, חלקיקי היווצרות ממלאים את האזור הטבעתי שבין המשטח החיצוני של מסך מכלול מגן המשאבה לבין דופן מעטפת הייצור. ככל שהחלל מתמלא בחול והחלקיקים מתגבשים, ירידת הלחץ על פני שק החול עולה. כאשר ירידת לחץ זו מגיעה לערך מוגדר מראש, שסתום החרוט נפתח ומאפשר זרימה ישירות דרך כניסת המשאבה. בשלב זה, הזרימה דרך הצינור מסוגלת לפרק את החול שהתגבש בעבר לאורך החלק החיצוני של מסנן המסך. עקב הפרש הלחצים המופחת, הזרימה תחודש דרך המסך ושסתום היניקה ייסגר. לכן, המשאבה יכולה לראות את הזרימה ישירות מהשסתום רק לפרק זמן קצר. זה מאריך את חיי המשאבה, מכיוון שרוב הזרימה היא הנוזל המסונן דרך מסך החול.
מערכת הגנת המשאבה הופעלה באמצעות אטמים בשלוש בארות שונות באגן דלאוור בארצות הברית. המטרה העיקרית היא להפחית את מספר ההתחלות והעצירות של מערכת ה-ESP עקב עומסי יתר הקשורים לחול ולהגדיל את זמינות מערכת ה-ESP כדי לשפר את הייצור. מערכת הגנת המשאבה תלויה בקצה התחתון של מחרוזת ה-ESP. תוצאות באר הנפט מראות ביצועי משאבה יציבים, רטט ועוצמת זרם מופחתים וטכנולוגיית הגנה על המשאבה. לאחר התקנת המערכת החדשה, זמן ההשבתה הקשור לחול ולמוצקים הופחת ב-75% וחיי המשאבה גדלו ביותר מ-22%.
באר. מערכת ESP הותקנה בבאר קידוח וסדיקה חדשה במחוז מרטין, טקסס. החלק האנכי של הבאר הוא כ-9,000 רגל והחלק האופקי משתרע עד 12,000 רגל, עומק נמדד (MD). עבור שתי ההשלמות הראשונות, הותקנה מערכת הפרדת חול מערבולת במורד הקידוח עם שישה חיבורי בטנה כחלק בלתי נפרד מהשלמת ה-ESP. עבור שתי התקנות רצופות המשתמשות באותו סוג של מפריד חול, נצפתה התנהגות לא יציבה של פרמטרי ההפעלה של ה-ESP (עוצמת זרם ורעידות). ניתוח פירוק של יחידת ה-ESP המשוכה גילה כי מכלול מפריד הגז המערבולת היה סתום בחומר זר, אשר נקבע כחול מכיוון שהוא אינו מגנטי ואינו מגיב כימית עם חומצה.
בהתקנת ה-ESP השלישית, רשת תיל נירוסטה החליפה את מפריד החול כאמצעי לבקרת חול של ה-ESP. לאחר התקנת מערכת ההגנה החדשה של המשאבה, ה-ESP הפגין התנהגות יציבה יותר, והפחית את טווח תנודות זרם המנוע מ-~19 אמפר עבור התקנה מס' 2 ל-~6.3 אמפר עבור התקנה מס' 3. הרטט יציב יותר והמגמה מופחתת ב-75%. גם ירידת הלחץ הייתה יציבה, עם תנודות קלות מאוד בהשוואה להתקנה הקודמת וזכתה לירידה נוספת של 100 psi בלחץ. כיבוי עומס יתר של ה-ESP מופחת ב-100% וה-ESP פועל עם רעידות נמוכות.
באר B. בבאר אחת ליד יוניס, ניו מקסיקו, בבאר לא קונבנציונלית אחרת הותקן מערכת הגנה מפני משאבות (ESP) אך לא היה לה הגנה מפני משאבות. לאחר ירידת האתחול הראשונית, מערכת ההגנה מפני משאבות החלה להפגין התנהגות לא יציבה. תנודות בזרם ובלחץ קשורות לקפיצות רטט. לאחר שמירה על תנאים אלה במשך 137 ימים, מערכת ההגנה מפני משאבות נכשלה והותקנה מערכת חלופית. ההתקנה השנייה כוללת מערכת הגנה חדשה למשאבות עם אותה תצורת ESP. לאחר שהבאר חידשה את הייצור, מערכת ההגנה מפני משאבות פעלה כרגיל, עם זרם יציב ופחות רעידות. בזמן הפרסום, ההפעלה השנייה של מערכת ההגנה מפני משאבות הגיעה ליותר מ-300 ימי פעולה, שיפור משמעותי לעומת ההתקנה הקודמת.
באר C. ההתקנה השלישית של המערכת באתר הייתה במנטון, טקסס, על ידי חברה המתמחה בנפט וגז שחוותה הפסקות חשמל וכשלים במערכת ה-ESP עקב ייצור חול ורצתה לשפר את זמן הפעילות של המשאבה. מפעילים בדרך כלל מפעילים מפרידי חול במורד הקידוח עם בטנה בכל באר של מערכת ה-ESP. עם זאת, ברגע שהבטנה מתמלאת בחול, המפריד יאפשר לחול לזרום דרך חלק המשאבה, ולגרום לשחיקה של שלב המשאבה, המיסבים והציר, וכתוצאה מכך לאובדן עילוי. לאחר הפעלת המערכת החדשה עם מגן המשאבה, למערכת ה-ESP חיי פעולה ארוכים יותר ב-22% עם ירידת לחץ יציבה יותר וזמן פעילות טוב יותר הקשור למערכת ה-ESP.
מספר הכיבויים הקשורים לחול ולמוצקים במהלך הפעולה ירד ב-75%, מ-8 אירועי עומס יתר במתקן הראשון לשניים במתקן השני, ומספר ההפעלות מחדש המוצלחות לאחר כיבוי עקב עומס יתר גדל ב-30%, מ-8 במתקן הראשון. בסך הכל בוצעו 12 אירועים, 8 אירועים בסך הכל, במתקן המשני, מה שהפחית את העומס החשמלי על הציוד והגדיל את חיי הפעולה של מערכת ה-ESP.
איור 5 מציג את העלייה הפתאומית בחתימת לחץ היניקה (כחול) כאשר רשת הנירוסטה חסומה ומכלול השסתום נפתח. חתימת לחץ זו יכולה לשפר עוד יותר את יעילות הייצור על ידי חיזוי כשלים במערכת ESP הקשורים לחול, כך שניתן לתכנן פעולות החלפה עם אסדות תיקון.
1. מרטינס, ג'.א., אס. רוזה, ס. רובסון, "ניתוח ניסיוני של צינור מערבולת כמכשיר להסרת מלטש בקיר," מאמר SPE 94673-MS, שהוצג בכנס הנדסת נפט של SPE לאמריקה הלטינית והקריביים, ריו דה ז'ניירו, ברזיל, 20 ביוני - 23 בפברואר, 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
מאמר זה מכיל אלמנטים ממאמר SPE 207926-MS, שהוצג בתערוכת וכנס הנפט הבינלאומי של אבו דאבי באבו דאבי, איחוד האמירויות הערביות, 15-18 בנובמבר 2021.
כל החומרים כפופים לחוקי זכויות יוצרים שנאכפים בקפדנות, אנא קראו את התנאים וההגבלות שלנו, מדיניות קובצי Cookie ומדיניות הפרטיות לפני השימוש באתר זה.