펌프 보호 부품은 모래로부터 펌프를 보호하고 비전통 유정에서 전기집진펌프(ESP)의 작동 수명을 연장하는 것으로 입증되었습니다. 이 솔루션은 과부하 및 가동 중단을 유발할 수 있는 파쇄 모래 및 기타 고형물의 역류를 제어합니다. 이 핵심 기술은 입자 크기 분포 불확실성과 관련된 문제를 해결합니다.
점점 더 많은 유정이 ESP(전기 수중 펌프)에 의존함에 따라 ESP 시스템의 수명 연장이 점점 더 중요해지고 있습니다. 인공 양수 펌프의 작동 수명과 성능은 생산 유체 내 고형물에 민감합니다. 고형 입자가 증가할수록 ESP의 작동 수명과 성능은 크게 저하됩니다. 또한 고형물은 유정 가동 중단 시간과 ESP 교체에 필요한 작업 빈도를 증가시킵니다.
인공 양수 펌프를 통해 흐르는 고체 입자에는 지층 모래, 수압 파쇄용 프로판트, 시멘트, 침식되거나 부식된 금속 입자 등이 있습니다. 이러한 고체를 분리하기 위해 설계된 시추공 내 기술은 저효율 사이클론부터 고효율 3D 스테인리스강 와이어 메쉬까지 다양합니다. 시추공 내 와류 탈사기는 수십 년 동안 기존 유정에서 사용되어 왔으며, 주로 생산 중 펌프를 큰 입자로부터 보호하는 데 사용됩니다. 그러나 비전통 유정은 간헐적인 슬러그 흐름에 노출되어 있어 기존의 시추공 내 와류 분리 기술이 간헐적으로만 작동하는 문제가 있습니다.
ESP(전기집진펌프) 보호를 위해 모래 제어 스크린과 다운홀 와류식 탈사기를 결합한 여러 가지 변형 설계가 제안되었습니다. 그러나 각 유정에서 생산되는 고형물의 크기 분포와 부피가 불확실하기 때문에 모든 펌프의 보호 및 생산 성능에는 한계가 있습니다. 이러한 불확실성으로 인해 모래 제어 부품의 길이가 길어지고, ESP 설치 가능 깊이가 줄어들어 ESP의 저류층 생산량 감소 잠재력이 제한되며, 유정 경제성에 부정적인 영향을 미칩니다. 비전통 유정에서는 더 깊은 설치 깊이가 선호됩니다. 하지만 심한 굴곡이 있는 케이싱 구간에 길고 견고한 모래 제어 장치를 매달기 위해 탈사기와 수형 플러그 머드 앵커를 사용하는 방식은 ESP 평균 고장 간격(MTBF) 개선에 한계를 보였습니다. 또한, 이 설계에서 내부 튜브의 부식은 아직 충분히 평가되지 않은 문제입니다.
2005년 논문의 저자들은 사이클론 작용과 중력에 의존하는 사이클론 튜브 기반의 시추공 내 모래 분리기의 실험 결과를 제시하며, 분리 효율이 오일 점도, 유량 및 입자 크기에 따라 달라진다는 것을 보여주었습니다. 그들은 분리기의 효율이 입자의 종단 속도에 크게 의존한다는 것을 보여주었습니다. 분리 효율은 유량이 감소하고, 고체 입자 크기가 감소하고, 오일 점도가 증가함에 따라 감소합니다(그림 2). 일반적인 사이클론 튜브 시추공 내 모래 분리기의 경우, 입자 크기가 약 100µm까지 감소하면 분리 효율은 약 10%까지 떨어집니다. 또한, 유량이 증가함에 따라 와류 분리기는 침식 마모에 취약해져 구조 부품의 수명에 영향을 미칩니다.
다음으로 논리적인 대안은 슬롯 폭이 정해진 2D 모래 제어 스크린을 사용하는 것입니다. 입자 크기와 분포는 기존 또는 비기존 유정 생산에서 고형물을 여과하기 위한 스크린을 선택할 때 중요한 고려 사항이지만, 이러한 정보가 알려지지 않은 경우가 많습니다. 고형물은 저류층에서 유래할 수 있지만, 지층마다 입자 크기가 다를 수 있습니다. 또는 수압 파쇄로 생성된 모래를 여과해야 할 수도 있습니다. 어느 경우든 고형물 수집, 분석 및 시험 비용은 매우 높을 수 있습니다.
2D 튜빙 스크린이 제대로 구성되지 않으면 유정의 경제성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 모래 스크린 개구부가 너무 작으면 조기 막힘, 가동 중단 및 보수 작업이 발생할 수 있습니다. 반대로 너무 크면 고형물이 생산 공정에 자유롭게 유입되어 송유관을 부식시키고, 인공 양수 펌프를 손상시키며, 표면 초크를 세척하고 표면 분리기를 막아 모래 분사 및 폐기 작업을 필요로 할 수 있습니다. 이러한 상황에는 펌프의 수명을 연장하고 다양한 모래 입자 크기를 처리할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 솔루션이 필요합니다.
이러한 요구를 충족하기 위해, 생성되는 고형물 분포에 영향을 받지 않는 스테인리스 스틸 와이어 메쉬와 밸브 어셈블리를 결합하여 사용하는 연구가 수행되었습니다. 연구 결과, 가변 기공 크기와 3D 구조를 가진 스테인리스 스틸 와이어 메쉬는 생성되는 고형물의 입자 크기 분포를 알지 못해도 다양한 크기의 고형물을 효과적으로 제어할 수 있는 것으로 나타났습니다. 3D 스테인리스 스틸 와이어 메쉬는 추가적인 2차 여과 없이도 모든 크기의 모래 알갱이를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
스크린 하단에 장착된 밸브 어셈블리는 ESP가 인출될 때까지 생산을 지속할 수 있도록 합니다. 이는 스크린이 막힌 직후 ESP가 즉시 회수되는 것을 방지합니다. 결과적으로, 이 입구 모래 제어 스크린 및 밸브 어셈블리는 유체 흐름을 깨끗하게 유지하여 생산 중 ESP, 로드 리프트 펌프 및 가스 리프트 설비를 고형물로부터 보호하고, 다양한 상황에 맞게 저수지 특성을 조정할 필요 없이 펌프 수명을 연장하는 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.
1세대 펌프 보호 설계. 스테인리스 스틸 울 스크린을 사용하는 펌프 보호 장치가 캐나다 서부의 증기 보조 중력 배수 유정에 설치되어 생산 중 고형물로부터 전기집진장치(ESP)를 보호합니다. 스크린은 생산 스트링으로 유입되는 생산 유체에서 유해한 고형물을 걸러냅니다. 생산 스트링 내에서 유체는 ESP 입구로 흐르고, 거기서 지표면으로 펌핑됩니다. 스크린과 ESP 사이에 패커를 설치하여 생산 영역과 상부 유정 사이의 구역 격리를 제공할 수 있습니다.
생산 시간이 지남에 따라 스크린과 케이싱 사이의 환형 공간에 모래가 쌓여 유동 저항이 증가합니다. 결국 이 환형 공간이 완전히 막히면서 유체 흐름이 차단되고 그림 3에서와 같이 유정 내부와 생산 스트링 사이에 압력 차이가 발생합니다. 이 시점에서 유체는 더 이상 ESP로 흐를 수 없으므로 완결 스트링을 인출해야 합니다. 고형물 생산과 관련된 여러 변수에 따라 스크린에 고형물 막힘으로 인해 유체 흐름이 차단되는 데 필요한 시간이 ESP가 고형물이 섞인 유체를 지면으로 배출하는 데 필요한 평균 시간(MTBF)보다 짧을 수 있으므로 2세대 구성 요소가 개발되었습니다.
2세대 펌프 보호 어셈블리인 PumpGuard* 흡입구 모래 제어 스크린 및 밸브 어셈블리 시스템은 그림 4에서 볼 수 있듯이 비전통적인 ESP 완결의 예에서 REDA* 펌프 아래에 매달려 있습니다. 유정에서 생산이 시작되면 스크린이 생산 과정에서 고형물을 걸러내지만, 모래와 서서히 막히면서 압력 차이가 발생합니다. 이 압력 차이가 밸브의 설정된 개방 압력에 도달하면 밸브가 열려 유체가 튜빙 스트링을 통해 ESP로 직접 흐르게 됩니다. 이 흐름은 스크린 양단의 압력 차이를 균등화하여 스크린 외부의 모래주머니의 압력을 약화시킵니다. 모래가 환형 공간에서 빠져나가면서 스크린을 통과하는 유동 저항이 감소하고 유동이 재개됩니다. 압력 차이가 떨어지면 밸브는 닫힌 위치로 돌아가 정상적인 유동 상태가 유지됩니다. ESP를 정비하기 위해 시추공에서 인출해야 할 때까지 이 과정이 반복됩니다. 이 기사에서 소개된 사례 연구는 이 시스템이 스크리닝 완결만 사용하는 경우에 비해 펌프 수명을 크게 연장할 수 있음을 보여줍니다.
최근 설치에서는 스테인리스 스틸 와이어 메쉬와 ESP 사이의 영역 격리를 위해 비용 효율적인 솔루션이 도입되었습니다. 스크린 부분 위에는 아래쪽을 향하는 컵 패커가 장착됩니다. 컵 패커 위쪽에는 추가적인 중앙 튜브 천공을 통해 생산 유체가 스크린 내부에서 패커 위의 환형 공간으로 이동할 수 있는 유로를 제공하며, 이 공간에서 유체는 ESP 입구로 유입될 수 있습니다.
본 솔루션에 사용된 스테인리스 스틸 와이어 메쉬 필터는 간극 기반 2D 메쉬 필터에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 2D 필터는 주로 필터 간극 또는 슬롯을 가로지르는 입자를 이용하여 모래주머니를 형성하고 모래를 제어합니다. 그러나 스크린의 간극 값을 하나만 선택할 수 있기 때문에 생산 유체의 입자 크기 분포에 매우 민감해집니다.
반면, 두꺼운 스테인리스 스틸 와이어 메쉬 필터는 높은 다공성(92%)과 넓은 개방 유동 면적(40%)을 제공하여 생산된 유정 유체를 효과적으로 걸러냅니다. 이 필터는 스테인리스 스틸 플리스 메쉬를 압축하여 천공된 중앙 튜브에 직접 감싼 후, 양쪽 끝이 중앙 튜브에 용접된 천공된 보호 커버로 감싸서 제작됩니다. 메쉬 층의 기공 분포와 불균일한 각도 방향(15µm~600µm) 덕분에 크고 유해한 입자는 메쉬에 걸러진 후, 무해한 미세 입자는 3차원 유동 경로를 따라 중앙 튜브로 흐릅니다. 이 필터 시편에 대한 모래 포집 시험 결과, 유체가 필터를 통과하여 생성되기 때문에 높은 투과성을 유지하는 것으로 나타났습니다. 따라서 이 단일 "크기" 필터는 생산 유체의 모든 입자 크기 분포를 처리할 수 있습니다. 이 스테인리스 스틸 울 스크린은 1980년대에 한 주요 석유 회사에서 증기 자극 유정의 자립형 스크린 완결을 위해 특별히 개발되었습니다. 저수지 분야에 특화되어 있으며, 성공적인 설치 사례를 다수 보유하고 있습니다.
밸브 어셈블리는 생산 영역에서 튜빙 스트링으로 단방향 흐름을 허용하는 스프링 장착 밸브로 구성됩니다. 설치 전에 코일 스프링의 예압을 조정하여 적용 분야에 필요한 개방 압력을 얻을 수 있도록 밸브를 맞춤 설정할 수 있습니다. 일반적으로 밸브는 스테인리스 스틸 와이어 메쉬 아래에 설치되어 저수조와 ESP 사이에 2차 유로를 제공합니다. 경우에 따라 여러 개의 밸브와 스테인리스 스틸 메쉬가 직렬로 연결되며, 중간 밸브는 가장 아래쪽 밸브보다 낮은 개방 압력을 갖습니다.
시간이 지남에 따라 펌프 보호 어셈블리 스크린의 외면과 생산 케이싱 벽 사이의 환형 공간에 지층 입자가 채워집니다. 이 공간이 모래로 채워지고 입자가 굳어짐에 따라 샌드백을 통과하는 압력 강하가 증가합니다. 이 압력 강하가 미리 설정된 값에 도달하면 콘 밸브가 열리고 펌프 흡입구를 통해 직접 유체가 흐르게 됩니다. 이 단계에서 파이프를 통과하는 유체는 스크린 필터 외부를 따라 이전에 굳어진 모래를 부술 수 있습니다. 압력 차이가 감소함에 따라 유체는 스크린을 통해 다시 흐르기 시작하고 흡입 밸브가 닫힙니다. 따라서 펌프는 짧은 시간 동안만 밸브에서 직접 유체를 흡입할 수 있습니다. 이는 유체의 대부분이 샌드 스크린을 통해 여과된 유체이기 때문에 펌프의 수명을 연장합니다.
미국 델라웨어 분지의 서로 다른 세 개 유정에서 패커를 사용하여 펌프 보호 시스템을 운영했습니다. 주요 목표는 모래 유입으로 인한 과부하 때문에 발생하는 ESP(전기 수중 펌프)의 시동 및 정지 횟수를 줄이고 ESP 가용성을 높여 생산량을 향상시키는 것입니다. 펌프 보호 시스템은 ESP 스트링 하단에 매달아 설치했습니다. 해당 유정의 운영 결과는 안정적인 펌프 성능, 진동 및 전류 강도 감소, 그리고 펌프 보호 기술의 효과를 보여줍니다. 새로운 시스템 설치 후 모래 및 고형물 관련 가동 중지 시간이 75% 감소했고, 펌프 수명은 22% 이상 증가했습니다.
텍사스주 마틴 카운티의 새로운 시추 및 파쇄 유정에 ESP 시스템이 설치되었습니다. 유정의 수직 부분은 약 9,000피트이고 수평 부분은 측정 깊이(MD) 기준으로 12,000피트까지 뻗어 있습니다. 처음 두 번의 완공 작업에서는 6개의 라이너 연결부가 있는 시추공 내 와류형 모래 분리 시스템이 ESP 완공의 일부로 설치되었습니다. 동일한 유형의 모래 분리기를 사용한 두 번의 연속적인 설치에서 ESP 작동 매개변수(전류 강도 및 진동)의 불안정한 동작이 관찰되었습니다. 인양된 ESP 장치의 분해 분석 결과, 와류형 가스 분리기 어셈블리가 이물질로 막혀 있는 것으로 나타났으며, 이 이물질은 비자성이고 산과 화학적으로 반응하지 않는 모래로 판명되었습니다.
세 번째 ESP 설치에서는 기존의 모래 분리기를 스테인리스 스틸 와이어 메쉬로 교체하여 ESP 모래 제어 방식을 개선했습니다. 새로운 펌프 보호 시스템 설치 후 ESP는 더욱 안정적인 작동을 보였으며, 모터 전류 변동폭이 두 번째 설치의 약 19A에서 세 번째 설치의 약 6.3A로 감소했습니다. 진동 또한 안정화되었고, 발생 빈도가 75% 감소했습니다. 압력 강하 역시 안정적이었으며, 이전 설치에 비해 변동폭이 매우 작았고, 100psi의 압력 강하 용량이 추가로 확보되었습니다. ESP 과부하 차단 횟수는 100% 감소했으며, ESP는 저진동 상태로 작동합니다.
뉴멕시코주 유니스 인근의 한 유정(B번 유정)에는 ESP(전기집진장치)가 설치되었지만 펌프 보호 장치는 없었습니다. 초기 부트 드롭 이후 ESP는 불규칙적인 작동을 보이기 시작했습니다. 전류 및 압력 변동은 진동 급증과 관련이 있었습니다. 이러한 상태가 137일 동안 지속된 후 ESP가 고장 나서 교체되었습니다. 두 번째 설치에는 이전과 동일한 ESP 구성의 새로운 펌프 보호 시스템이 포함되었습니다. 유정 생산이 재개된 후 ESP는 안정적인 전류와 감소된 진동으로 정상적으로 작동했습니다. 이 보고서가 발행될 당시 두 번째 ESP는 300일 이상 가동되어 이전 설치에 비해 상당한 개선을 보였습니다.
C 유정. 이 시스템의 세 번째 현장 설치 사례는 텍사스주 멘토네에 있는 석유 및 가스 전문 회사에서 진행되었습니다. 이 회사는 모래 생산으로 인한 가동 중단 및 ESP 고장을 경험했고 펌프 가동 시간을 개선하고자 했습니다. 일반적으로 운영업체는 각 ESP 유정에 라이너가 있는 다운홀 모래 분리기를 설치합니다. 그러나 라이너에 모래가 차면 분리기를 통해 모래가 펌프 섹션으로 흘러 들어가 펌프 스테이지, 베어링 및 샤프트를 부식시켜 양정 손실을 초래합니다. 펌프 보호 장치가 포함된 새로운 시스템을 가동한 결과, ESP의 작동 수명이 22% 연장되었고 압력 강하가 더욱 안정되었으며 ESP 관련 가동 시간도 향상되었습니다.
운전 중 모래 및 고형물 관련 가동 중단 횟수는 첫 번째 설치의 8회 과부하 사고에서 두 번째 설치의 2회로 75% 감소했으며, 과부하로 인한 가동 중단 후 재시동 성공 횟수는 첫 번째 설치의 8회에서 30% 증가했습니다. 두 번째 설치에서는 총 12건의 사고가 발생했지만, 두 번째 설치에서는 총 8건의 사고가 발생하여 장비에 가해지는 전기적 스트레스를 줄이고 전기집진기의 수명을 연장했습니다.
그림 5는 스테인리스 스틸 메쉬가 막히고 밸브 어셈블리가 열릴 때 흡입 압력 신호(파란색)가 급격히 증가하는 것을 보여줍니다. 이 압력 신호는 모래 관련 ESP 고장을 예측하여 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 작업용 리그를 사용한 교체 작업을 계획할 수 있습니다.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “시추공 내 탈사 장치로서의 스월 튜브의 실험적 분석,” SPE 논문 94673-MS, 2005년 6월 20일 – 2월 23일 브라질 리우데자네이루에서 개최된 SPE 라틴 아메리카 및 카리브해 석유 공학 컨퍼런스에서 발표됨. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
이 글은 2021년 11월 15일부터 18일까지 아랍에미리트 아부다비에서 개최된 아부다비 국제 석유 전시회 및 컨퍼런스에서 발표된 SPE 논문 207926-MS의 일부 내용을 포함하고 있습니다.
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