Het is bewezen dat pompbeschermingscomponenten pompen beschermen tegen zand en de levensduur van ESP's in onconventionele putten verlengen. Deze oplossing controleert de terugstroom van fraczand en andere vaste stoffen die overbelasting en uitval kunnen veroorzaken. Deze technologie elimineert de problemen die samenhangen met onzekerheid in de deeltjesgrootteverdeling.
Omdat steeds meer oliebronnen afhankelijk zijn van ESP's, wordt het steeds belangrijker om de levensduur van elektrische dompelpompsystemen (ESP's) te verlengen. De levensduur en prestaties van kunstmatige opvoerpompen zijn gevoelig voor vaste deeltjes in de geproduceerde vloeistoffen. De levensduur en prestaties van de ESP's namen aanzienlijk af naarmate het aantal vaste deeltjes toenam. Bovendien zorgen vaste deeltjes voor meer stilstand van de put en een hogere frequentie van onderhoud om de ESP te vervangen.
Vaste deeltjes die vaak door kunstmatige opvoerpompen stromen, zijn onder meer formatiezand, hydraulische breukpropanten, cement en geërodeerde of gecorrodeerde metaaldeeltjes. Downhole-technologieën die zijn ontworpen om vaste stoffen te scheiden, variëren van cyclonen met een lage efficiëntie tot zeer efficiënte 3D roestvrijstalen gaas. Downhole-vortex-desanders worden al tientallen jaren gebruikt in conventionele putten en worden voornamelijk gebruikt om pompen tijdens de productie te beschermen tegen grote deeltjes. Onconventionele putten zijn echter onderhevig aan intermitterende slug-stroming, wat tot gevolg heeft dat bestaande downhole-vortex-separatortechnologie slechts intermitterend werkt.
Er zijn verschillende varianten van gecombineerde zandcontroleschermen en downhole vortex desanders voorgesteld om ESP's te beschermen. Er zijn echter hiaten in de bescherming en productieprestaties van alle pompen vanwege de onzekerheid in de grootteverdeling en het volume van de vaste stoffen die door elke put worden geproduceerd. Onzekerheid vergroot de lengte van de zandcontrolecomponenten, waardoor de diepte waarop de ESP kan worden ingesteld, wordt beperkt. Dit beperkt de kans op reservoirverval van de ESP en heeft een negatieve invloed op de economie van de put. Grotere insteldieptes hebben de voorkeur in onconventionele putten. Het gebruik van desanders en mannelijke plug-modderankers om lange, stijve zandcontrole-eenheden op te hangen in boorbuizen met een hoge knikhoek, beperkte echter de verbetering van de ESP MTBF. Corrosie van de binnenbuis is een ander aspect van dit ontwerp dat nog niet adequaat is geëvalueerd.
De auteurs van een artikel uit 2005 presenteerden experimentele resultaten van een downhole zandscheider op basis van een cycloonbuis (figuur 1), die afhankelijk was van cycloonwerking en zwaartekracht. Ze lieten zien dat de scheidingsefficiëntie afhangt van de viscositeit, de stroomsnelheid en de deeltjesgrootte van de olie. Ze tonen aan dat de efficiëntie van de scheider grotendeels afhankelijk is van de eindsnelheid van de deeltjes. De scheidingsefficiëntie neemt af met een afnemende stroomsnelheid, een afnemende grootte van de vaste deeltjes en een toenemende viscositeit van de olie (figuur 2). Voor een typische downhole scheider met cycloonbuis daalt de scheidingsefficiëntie tot ~10% naarmate de deeltjesgrootte afneemt tot ~100 µm. Bovendien is de vortexscheider bij toenemende stroomsnelheid onderhevig aan erosieslijtage, wat de levensduur van de structurele componenten beïnvloedt.
Het volgende logische alternatief is het gebruik van een 2D-zandcontrolescherm met een gedefinieerde sleufbreedte. De deeltjesgrootte en -verdeling zijn belangrijke overwegingen bij het selecteren van schermen om vaste stoffen te filteren bij conventionele of onconventionele putproductie, maar deze zijn mogelijk niet bekend. De vaste stoffen kunnen afkomstig zijn uit het reservoir, maar de hoeveelheid kan per kant verschillen. Als alternatief kan het scherm zand afkomstig van hydraulisch fractureren moeten filteren. In beide gevallen kunnen de kosten van het verzamelen, analyseren en testen van vaste stoffen hoog oplopen.
Als het 2D-buisscherm niet goed is geconfigureerd, kunnen de resultaten de economie van de put in gevaar brengen. Te kleine zandschermopeningen kunnen leiden tot voortijdige verstopping, stilstand en de noodzaak van herstelwerkzaamheden. Als ze te groot zijn, kunnen vaste stoffen vrijelijk in het productieproces terechtkomen, waardoor olieleidingen kunnen corroderen, kunstmatige opvoerpompen kunnen beschadigen, oppervlaktesmoorspoelen kunnen worden doorgespoeld en oppervlaktescheiders kunnen worden gevuld, waardoor zandstralen en verwijdering nodig zijn. Deze situatie vereist een eenvoudige, kosteneffectieve oplossing die de levensduur van de pomp kan verlengen en een groot aantal zandgroottes kan bestrijken.
Om aan deze behoefte te voldoen, is er een onderzoek uitgevoerd naar het gebruik van klepconstructies in combinatie met roestvrijstalen gaas, dat ongevoelig is voor de resulterende verdeling van vaste stoffen. Uit onderzoek is gebleken dat roestvrijstalen gaas met variabele poriegrootte en 3D-structuur vaste stoffen van verschillende grootten effectief kan bestrijden zonder dat de deeltjesgrootteverdeling van de resulterende vaste stoffen bekend is. Het 3D roestvrijstalen gaas kan zandkorrels van alle grootten effectief bestrijden, zonder dat er extra secundaire filtratie nodig is.
Een klepconstructie aan de onderkant van het scherm zorgt ervoor dat de productie doorgaat totdat de ESP wordt verwijderd. Deze constructie voorkomt dat ESP direct wordt verwijderd nadat het scherm is overbrugd. Het resulterende inlaatzandregelscherm en de klepconstructie beschermen ESP's, stangliftpompen en gasliftvoltooiingen tegen vaste stoffen tijdens de productie door de vloeistofstroom te reinigen. Dit biedt een kosteneffectieve oplossing om de levensduur van de pomp te verlengen zonder dat de reservoireigenschappen hoeven te worden aangepast aan verschillende situaties.
Eerste generatie pompbeschermingsontwerp. Een pompbeschermingsconstructie met roestvrijstalen wolschermen werd ingezet in een met stoom ondersteunde zwaartekrachtdrainageput in West-Canada om de ESP te beschermen tegen vaste stoffen tijdens de productie. Schermen filteren schadelijke vaste stoffen uit de productievloeistof wanneer deze de productielijn binnenkomt. In de productielijn stromen de vloeistoffen naar de ESP-inlaat, waar ze naar de oppervlakte worden gepompt. Tussen het scherm en de ESP kunnen packers worden geplaatst om zone-isolatie te bieden tussen de productiezone en de bovenste boorgat.
Tijdens de productietijd heeft de ringvormige ruimte tussen het scherm en de behuizing de neiging om te overbruggen met zand, wat de stromingsweerstand verhoogt. Uiteindelijk overbrugt de ringvormige ruimte volledig, stopt de stroming en ontstaat er een drukverschil tussen de boorput en de productiebuis, zoals weergegeven in Figuur 3. Op dit punt kan de vloeistof niet meer naar de ESP stromen en moet de voltooiingsbuis worden verwijderd. Afhankelijk van een aantal variabelen met betrekking tot de productie van vaste stoffen, kan de tijd die nodig is om de stroming door de vaste-stofbrug op het scherm te stoppen korter zijn dan de tijd die de ESP nodig heeft om de met vaste stoffen beladen vloeistof naar de grond te pompen (gemiddelde tijd tussen storingen). Daarom werd de tweede generatie componenten ontwikkeld.
De tweede generatie pompbeschermingsconstructie. Het PumpGuard*-inlaatzandregelscherm en klepsysteem hangen onder de REDA*-pomp in Afbeelding 4, een voorbeeld van een onconventionele ESP-voltooiing. Zodra de put produceert, filtert het scherm de vaste stoffen tijdens de productie, maar begint het langzaam een ​​brug te slaan met het zand en een drukverschil te creëren. Wanneer dit drukverschil de ingestelde kraakdruk van de klep bereikt, gaat de klep open en kan vloeistof rechtstreeks in de buizenstreng naar de ESP stromen. Deze stroming egaliseert het drukverschil over het scherm, waardoor de grip van de zandzakken aan de buitenkant van het scherm verslapt. Zand kan uit de ring breken, waardoor de stromingsweerstand door het scherm afneemt en de stroming kan worden hervat. Naarmate het drukverschil daalt, keert de klep terug naar de gesloten stand en worden de normale stromingsomstandigheden hervat. Herhaal deze cyclus totdat het nodig is om de ESP uit het gat te halen voor onderhoud. De casestudies die in dit artikel worden belicht, tonen aan dat het systeem de levensduur van de pomp aanzienlijk kan verlengen in vergelijking met het alleen uitvoeren van de screening-voltooiing.
Voor de recente installatie werd een kostengedreven oplossing geïntroduceerd voor gebiedsisolatie tussen het roestvrijstalen gaas en de ESP. Een naar beneden gerichte cuppacker is boven het zeefgedeelte gemonteerd. Boven de cuppacker zorgen extra perforaties in de middenbuis voor een stromingspad waarlangs geproduceerde vloeistof van het binnenste van het zeef naar de ringvormige ruimte boven de packer kan migreren, waar de vloeistof de ESP-inlaat kan binnendringen.
Het voor deze oplossing gekozen roestvrijstalen gaasfilter biedt verschillende voordelen ten opzichte van 2D-gaasfilters met een opening als basis. 2D-filters vertrouwen hoofdzakelijk op deeltjes die de openingen of sleuven van het filter overspannen om zandzakken te bouwen en voor zandbeheersing te zorgen. Omdat er echter maar één openingwaarde voor het scherm kan worden geselecteerd, is het scherm zeer gevoelig voor de verdeling van de deeltjesgrootte van de geproduceerde vloeistof.
Daarentegen biedt het dikke maasbed van roestvrijstalen gaasfilters een hoge porositeit (92%) en een groot open stroomgebied (40%) voor de geproduceerde boorgatvloeistof. Het filter wordt geconstrueerd door een roestvrijstalen vliesgaas samen te persen en dit direct om een ​​geperforeerde middenbuis te wikkelen, waarna het wordt ingekapseld in een geperforeerde beschermende afdekking die aan elk uiteinde aan de middenbuis is gelast. De verdeling van poriën in het gaasbed, de niet-uniforme hoekoriëntatie (variërend van 15 µm tot 600 µm), maakt het mogelijk dat onschadelijke fijne deeltjes langs een 3D-stroompad naar de centrale buis stromen nadat grotere en schadelijke deeltjes in het gaas zijn opgevangen. Zandretentietests op monsters van deze zeef hebben aangetoond dat het filter een hoge permeabiliteit behoudt omdat vloeistof door de zeef wordt gegenereerd. In feite kan dit filter met één "maat" alle deeltjesgrootteverdelingen van geproduceerde vloeistoffen aan die worden aangetroffen. Dit roestvrijstalen wollen scherm werd in de jaren 80 speciaal ontwikkeld door een grote operator voor zelfstandige schermafwerkingen in stoomgestimuleerde reservoirs en heeft een uitgebreide staat van dienst met succesvolle installaties.
De klepconstructie bestaat uit een veerbelaste klep die eenrichtingsstroom in de buizenstreng vanuit het productiegebied toelaat. Door de voorspanning van de schroefveer vóór de installatie aan te passen, kan de klep worden aangepast om de gewenste kraakdruk voor de toepassing te bereiken. Normaal gesproken wordt een klep onder het roestvrijstalen gaas geplaatst om een ​​secundair stromingspad te creëren tussen het reservoir en de ESP. In sommige gevallen werken meerdere kleppen en roestvrijstalen gaas in serie, waarbij de middelste klep een lagere kraakdruk heeft dan de laagste klep.
Na verloop van tijd vullen formatiedeeltjes het ringvormige gebied tussen het buitenoppervlak van het pompbeschermingsscherm en de wand van de productiebehuizing. Naarmate de holte zich met zand vult en de deeltjes zich consolideren, neemt de drukval over de zandzak toe. Wanneer deze drukval een vooraf ingestelde waarde bereikt, gaat de kegelklep open en kan deze direct door de inlaat van de pomp stromen. In dit stadium kan de stroming door de buis het eerder geconsolideerde zand aan de buitenkant van het schermfilter opbreken. Door het verminderde drukverschil zal de stroming door het scherm hervatten en zal de inlaatklep sluiten. De pomp kan de stroming daarom slechts gedurende een korte periode rechtstreeks van de klep zien. Dit verlengt de levensduur van de pomp, omdat het grootste deel van de stroming bestaat uit de vloeistof die door het zandscherm wordt gefilterd.
Het pompbeschermingssysteem werd bediend met packers in drie verschillende putten in het Delaware Basin in de Verenigde Staten. Het hoofddoel is om het aantal ESP-starts en -stops als gevolg van zandgerelateerde overbelasting te verminderen en de ESP-beschikbaarheid te vergroten om de productie te verbeteren. Het pompbeschermingssysteem is opgehangen aan het onderste uiteinde van de ESP-streng. De resultaten van de olieput laten stabiele pompprestaties zien, verminderde trillingen en stroomsterkte, en pompbeschermingstechnologie. Na installatie van het nieuwe systeem werd de uitvaltijd vanwege zand en vaste stoffen met 75% verminderd en nam de levensduur van de pomp met meer dan 22% toe.
Een put. Er werd een ESP-systeem geïnstalleerd in een nieuwe boor- en breekput in Martin County, Texas. Het verticale gedeelte van de put is ongeveer 9.000 voet (ongeveer 2.750 meter) lang en het horizontale gedeelte reikt tot 12.000 voet (ongeveer 3.650 meter), gemeten diepte (MD). Voor de eerste twee voltooiingen werd een downhole vortex-zandscheidersysteem met zes lineraansluitingen geïnstalleerd als integraal onderdeel van de ESP-voltooiing. Bij twee opeenvolgende installaties met hetzelfde type zandscheider werd onstabiel gedrag van de ESP-bedrijfsparameters (stroomsterkte en trillingen) waargenomen. Uit demontageanalyse van de verwijderde ESP-eenheid bleek dat de vortex-gasscheiderconstructie verstopt was met vreemd materiaal, dat werd vastgesteld als zand omdat het niet-magnetisch is en niet chemisch reageert met zuur.
Bij de derde ESP-installatie werd de zandscheider vervangen door een roestvrijstalen gaas als middel voor ESP-zandbeheersing. Nadat het nieuwe pompbeschermingssysteem was geïnstalleerd, gedroeg de ESP zich stabieler en werd het bereik van de motorstroomschommelingen teruggebracht van ~19 A voor installatie #2 tot ~6,3 A voor installatie #3. De trillingen zijn stabieler en de trend is met 75% verminderd. De drukval was ook stabiel en schommelde nauwelijks vergeleken met de vorige installatie en er viel 100 psi extra druk af. Het aantal overbelastingsuitschakelingen van de ESP is met 100% verminderd en de ESP werkt met weinig trillingen.
Put B. In een put bij Eunice (New Mexico) was bij een andere onconventionele put wel een ESP geïnstalleerd, maar geen pompbeveiliging. Na de eerste opstart begon de ESP onregelmatig gedrag te vertonen. Schommelingen in stroomsterkte en druk gaan gepaard met trillingspieken. Nadat deze omstandigheden 137 dagen aanhielden, begaf de ESP het en werd er een vervangend systeem geïnstalleerd. De tweede installatie omvat een nieuw pompbeveiligingssysteem met dezelfde ESP-configuratie. Nadat de put de productie had hervat, functioneerde de ESP normaal, met een stabiele stroomsterkte en minder trillingen. Op het moment van publicatie had de tweede ESP-run meer dan 300 dagen in bedrijf bereikt, een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de vorige installatie.
Put C. De derde installatie van het systeem op locatie vond plaats in Mentone (Texas) door een gespecialiseerd olie- en gasbedrijf dat te maken had met uitval en ESP-storingen als gevolg van zandproductie en de uptime van de pompen wilde verbeteren. Operators gebruiken normaal gesproken zandscheiders met voering in elke ESP-put. Zodra de voering echter met zand is gevuld, laat de scheider het zand door het pompgedeelte stromen, waardoor de pomptrap, lagers en as corroderen, wat leidt tot verlies van opvoerhoogte. Nadat het nieuwe systeem met de pompbeschermer is gebruikt, heeft de ESP een 22% langere levensduur met een stabielere drukval en een betere ESP-gerelateerde uptime.
Het aantal zand- en vastestofgerelateerde stilstanden tijdens bedrijf daalde met 75%, van 8 overbelastingsgebeurtenissen in de eerste installatie naar 2 in de tweede installatie. Het aantal succesvolle herstarts na een overbelastingsstop steeg met 30%, van 8 in de eerste installatie. In de secundaire installatie werden in totaal 12 gebeurtenissen uitgevoerd, wat neerkomt op 8 gebeurtenissen. Dit verminderde de elektrische belasting van de apparatuur en verlengde de levensduur van de ESP.
Figuur 5 toont de plotselinge toename van de inlaatdruksignatuur (blauw) wanneer het roestvrijstalen gaas wordt geblokkeerd en de klepconstructie wordt geopend. Deze druksignatuur kan de productie-efficiëntie verder verbeteren door zandgerelateerde ESP-storingen te voorspellen, zodat vervangingsoperaties met workover-installaties kunnen worden gepland.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Experimentele analyse van wervelbuis als downhole desander-apparaat,” SPE Paper 94673-MS, gepresenteerd op de SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brazilië, 20 juni – 23 februari 2005.https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Dit artikel bevat elementen uit SPE-paper 207926-MS, gepresenteerd op de Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference in Abu Dhabi, VAE, 15-18 november 2021.
Alle materialen zijn onderworpen aan strikt gehandhaafde auteursrechtwetten. Lees onze Algemene voorwaarden, Cookiebeleid en Privacybeleid voordat u deze site gebruikt.