Het is bewezen dat pompbeveiligingscomponenten pompen beschermen tegen zand en de levensduur van ESP's in onconventionele putten verlengen. Deze oplossing voorkomt terugstroming van fractiezand en andere vaste stoffen die overbelasting en stilstand kunnen veroorzaken. De technologie elimineert de problemen die samenhangen met onzekerheid over de deeltjesgrootteverdeling.
Naarmate steeds meer oliebronnen afhankelijk worden van ESP's (elektrische onderwaterpompen), wordt het verlengen van de levensduur van deze systemen steeds belangrijker. De levensduur en prestaties van ESP's zijn gevoelig voor de aanwezigheid van vaste stoffen in de geproduceerde vloeistoffen. De levensduur en prestaties van de ESP nemen aanzienlijk af naarmate de hoeveelheid vaste deeltjes toeneemt. Bovendien verhogen vaste stoffen de stilstandtijd van de put en de frequentie van onderhoudswerkzaamheden die nodig zijn om de ESP te vervangen.
Vaste deeltjes die vaak door kunstmatige opvoerpompen stromen, zijn onder andere formatiezand, proppanten voor hydraulische fracturing, cement en geërodeerde of gecorrodeerde metaaldeeltjes. Ondergrondse technologieën voor het scheiden van vaste stoffen variëren van cyclonen met een lage efficiëntie tot zeer efficiënte 3D-draadnetten van roestvrij staal. Ondergrondse vortex-zandafscheiders worden al tientallen jaren in conventionele putten gebruikt, voornamelijk om pompen te beschermen tegen grote deeltjes tijdens de productie. Onconventionele putten zijn echter onderhevig aan intermitterende slugflow, waardoor de bestaande ondergrondse vortex-scheidertechnologie slechts met tussenpozen werkt.
Er zijn verschillende varianten van gecombineerde zandfilters en wervelstroomontzanders voorgesteld om ESP's te beschermen. Er zijn echter lacunes 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. Deze onzekerheid vergroot de lengte van de zandfiltercomponenten, waardoor de diepte waarop de ESP kan worden geplaatst, wordt beperkt, het potentieel voor reservoirafname van de ESP wordt ingeperkt en de economische haalbaarheid van de put negatief wordt beïnvloed. Grotere plaatsingsdiepten hebben de voorkeur in onconventionele putten. Het gebruik van ontzanders en modderankers met mannelijke pluggen om lange, stijve zandfilterconstructies op te hangen in casingsecties met een grote bochtgraad heeft echter de verbetering van de MTBF (Mean Time Between Failures) van ESP's beperkt. Corrosie van de binnenbuis is een ander aspect van dit ontwerp dat nog niet voldoende is geëvalueerd.
De auteurs van een artikel uit 2005 presenteerden experimentele resultaten van een ondergrondse zandafscheider op basis van een cycloonbuis (Figuur 1), die afhankelijk was van de cycloonwerking en de zwaartekracht, om aan te tonen dat de scheidingsefficiëntie afhangt van de olieviscositeit, het debiet en de deeltjesgrootte. Ze lieten zien dat de efficiëntie van de afscheider grotendeels afhankelijk is van de eindsnelheid van de deeltjes. De scheidingsefficiëntie neemt af met een afnemend debiet, een afnemende deeltjesgrootte en een toenemende olieviscositeit (Figuur 2). Voor een typische ondergrondse cycloonbuisafscheider daalt de scheidingsefficiëntie tot ongeveer 10% wanneer de deeltjesgrootte afneemt tot ongeveer 100 µm. Bovendien is de wervelafscheider bij een toenemend debiet onderhevig aan erosieslijtage, wat de levensduur van de structurele componenten beïnvloedt.
Het volgende logische alternatief is het gebruik van een 2D-zandfilter met een gedefinieerde sleufbreedte. Deeltjesgrootte en -verdeling zijn belangrijke overwegingen bij de selectie van filters voor vaste stoffen in conventionele of niet-conventionele putproductie, maar deze zijn mogelijk onbekend. De vaste stoffen kunnen afkomstig zijn uit het reservoir, maar kunnen van laag tot laag variëren; het filter moet mogelijk ook zand filteren dat is ontstaan ​​door hydraulische fracturing. In beide gevallen kunnen de kosten voor het verzamelen, analyseren en testen van de vaste stoffen zeer hoog oplopen.
Als het 2D-buisfilter niet correct is geconfigureerd, kan dit de economische haalbaarheid van de put in gevaar brengen. Te kleine openingen in het zandfilter kunnen leiden tot voortijdige verstopping, stilstand en de noodzaak van herstelwerkzaamheden. Te grote openingen laten vaste stoffen vrij in het productieproces terechtkomen, wat kan leiden tot corrosie van olieleidingen, schade aan kunstmatige opvoerpompen, het wegspoelen van oppervlakteafsluiters en het verstoppen van oppervlaktescheiders, waardoor zandstralen en afvoer nodig zijn. Deze situatie vereist een eenvoudige, kosteneffectieve oplossing die de levensduur van de pomp verlengt en een breed scala aan zandkorrelgroottes kan verwerken.
Om aan deze behoefte te voldoen, werd een onderzoek uitgevoerd naar het gebruik van klepconstructies in combinatie met roestvrijstalen gaas, dat ongevoelig is voor de resulterende deeltjesverdeling. Studies hebben aangetoond dat roestvrijstalen gaas met variabele poriegrootte en een 3D-structuur effectief vaste stoffen van verschillende groottes kan beheersen, zonder dat de deeltjesgrootteverdeling van de resulterende vaste stoffen bekend hoeft te zijn. Het 3D roestvrijstalen gaas kan zandkorrels van alle groottes effectief beheersen, zonder dat extra secundaire filtratie nodig is.
Een klepconstructie aan de onderkant van het filter maakt het mogelijk de productie voort te zetten totdat de ESP wordt verwijderd. Het voorkomt dat de ESP direct na het dichten van het filter wordt teruggehaald. De resulterende inlaatfilterconstructie met zandfilter en klep beschermt ESP's, stangliftpompen en gasliftinstallaties tegen vaste deeltjes tijdens de productie door de vloeistofstroom te zuiveren en biedt een kosteneffectieve oplossing om de levensduur van de pomp te verlengen zonder de reservoirkarakteristieken aan te passen aan verschillende situaties.
Eerste generatie pompbeveiligingsontwerp. Een pompbeveiligingsconstructie met roestvrijstalen wolfilters werd ingezet in een stoomondersteunde zwaartekrachtafvoerput in West-Canada om de ESP te beschermen tegen vaste stoffen tijdens de productie. De filters verwijderen schadelijke vaste stoffen uit de productievloeistof voordat deze de productieleiding binnenkomt. Binnen de productieleiding stroomt de vloeistof naar de inlaat van de ESP, waar deze naar de oppervlakte wordt gepompt. Tussen de filters en de ESP kunnen packers worden geplaatst om zone-isolatie te creëren tussen de productiezone en het bovenste deel van de putboring.
Tijdens de productietijd heeft de ringvormige ruimte tussen het filter en de casing de neiging zich te vullen met zand, waardoor de stromingsweerstand toeneemt. Uiteindelijk vult de ringvormige ruimte zich volledig, waardoor de stroming stopt en er een drukverschil ontstaat tussen het boorgat en de productiebuis, zoals weergegeven in Figuur 3. Op dit punt kan er geen vloeistof meer naar de ESP stromen en moet de completion string worden teruggetrokken. Afhankelijk van een aantal variabelen met betrekking tot de productie van vaste stoffen, kan de tijd die nodig is om de stroming door de zandophoping op het filter 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 is de tweede generatie componenten ontwikkeld.
De tweede generatie pompbeveiligingseenheid. Het PumpGuard* inlaatzandfilter- en klepsysteem is onder de REDA*-pomp in figuur 4 opgehangen, een voorbeeld van een onconventionele ESP-afwerking. Zodra de put in productie is, filtert het filter de vaste stoffen in de productie, maar zal langzaam een ​​brug vormen met het zand, waardoor een drukverschil ontstaat. Wanneer dit drukverschil de ingestelde openingsdruk van de klep bereikt, opent de klep, waardoor vloeistof rechtstreeks in de buizenstreng naar de ESP kan stromen. Deze stroming egaliseert het drukverschil over het filter, waardoor de zandzakken aan de buitenkant van het filter losser komen te zitten. Zand kan uit de annulus breken, wat de stromingsweerstand door het filter vermindert en de stroming kan hervatten. Naarmate het drukverschil daalt, keert de klep terug naar de gesloten positie en hervatten de normale stromingsomstandigheden. Herhaal deze cyclus totdat het nodig is om de ESP voor onderhoud uit de put te halen. De in dit artikel beschreven casestudies tonen aan dat het systeem de levensduur van de pomp aanzienlijk kan verlengen in vergelijking met een afwerking met alleen een filter.
Voor de recent geïnstalleerde installatie is een kostenefficiënte oplossing gekozen voor de isolatie van het roestvrijstalen gaas tussen de elektrostatische precipitator (ESP). Boven het zeefgedeelte is een naar beneden gerichte cup-packer gemonteerd. Boven de cup-packer zorgen extra perforaties in de centrale buis voor een doorstroompad waardoor de geproduceerde vloeistof vanuit het binnenste van het zeefgedeelte naar de ringvormige ruimte boven de packer kan migreren, waar de vloeistof de ESP-inlaat kan bereiken.
Het voor deze oplossing gekozen roestvrijstalen draadgaasfilter biedt verschillende voordelen ten opzichte van 2D-filters met openingen. 2D-filters zijn voornamelijk gebaseerd op deeltjes die de openingen of sleuven van het filter overbruggen om zandzakken te vormen en zandcontrole te bieden. Omdat er echter slechts één opening voor het filter kan worden gekozen, is het filter zeer gevoelig voor de deeltjesgrootteverdeling van de geproduceerde vloeistof.
Daarentegen biedt het dikke gaasbed van roestvrijstalen draadgaasfilters een hoge porositeit (92%) en een groot open doorstroomoppervlak (40%) voor de geproduceerde boorgatvloeistof. Het filter is geconstrueerd door een roestvrijstalen vliesgaas samen te persen en direct rond een geperforeerde centrale buis te wikkelen. Vervolgens wordt het ingekapseld in een geperforeerde beschermkap die aan beide uiteinden aan de centrale buis is gelast. De verdeling van de poriën in het gaasbed, de niet-uniforme hoekoriëntatie (variërend van 15 µm tot 600 µm), zorgt ervoor dat onschadelijke fijne deeltjes langs een 3D-stroompad naar de centrale buis kunnen stromen nadat grotere en schadelijke deeltjes in het gaas zijn opgevangen. Zandretentietests op monsters van dit filter toonden aan dat het filter een hoge permeabiliteit behoudt omdat er vloeistof door het filter wordt gegenereerd. Dit filter met één enkele "grootte" kan in feite alle deeltjesgrootteverdelingen van geproduceerde vloeistoffen verwerken. Dit roestvrijstalen wolgaas werd in de jaren 80 ontwikkeld door een grote operator, specifiek voor zelfstandige filterafwerkingen in stoomgestimuleerde putten. reservoirs en heeft een uitgebreide staat van dienst met succesvolle installaties.
De klepconstructie bestaat uit een veerbelaste klep die eenrichtingsverkeer mogelijk maakt tussen het productiegebied en de buizenreeks. Door de voorspanning van de spiraalveer vóór installatie aan te passen, kan de klep worden afgestemd op de gewenste openingsdruk voor de toepassing. Doorgaans 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 gaasnetten in serie, waarbij de middelste klep een lagere openingsdruk heeft dan de onderste klep.
Na verloop van tijd vullen formatiedeeltjes de ringvormige ruimte tussen het buitenoppervlak van het filter van de pompbeschermingseenheid en de wand van de productiebehuizing. Naarmate de holte zich vult met zand en de deeltjes samenklonteren, neemt het drukverschil over de zandzak toe. Wanneer dit drukverschil een vooraf ingestelde waarde bereikt, opent de conische klep en laat de vloeistof rechtstreeks door de pompinlaat stromen. In dit stadium kan de vloeistofstroom door de pijp het eerder samengeklonterde zand aan de buitenkant van het filter losmaken. Door het verlaagde drukverschil zal de vloeistofstroom door het filter hervatten en sluit de inlaatklep. De pomp ziet daardoor slechts gedurende een korte periode vloeistof rechtstreeks uit de klep. Dit verlengt de levensduur van de pomp, aangezien het grootste deel van de vloeistofstroom bestaat uit vloeistof die door het zandfilter is gefilterd.
Het pompbeveiligingssysteem werd toegepast in combinatie met packers in drie verschillende putten in het Delaware Basin in de Verenigde Staten. Het hoofddoel is het aantal keren dat de ESP (Electric Submersible Pump) start en stopt als gevolg van zandgerelateerde overbelasting te verminderen en de beschikbaarheid van de ESP te verhogen om de productie te verbeteren. Het pompbeveiligingssysteem is opgehangen aan het onderste uiteinde van de ESP-streng. De resultaten in de olieput tonen stabiele pompwerking, verminderde trillingen en stroomsterkte, en de effectiviteit van de pompbeveiligingstechnologie. Na installatie van het nieuwe systeem werd de stilstandtijd als gevolg van zand en vaste stoffen met 75% verminderd en de levensduur van de pomp met meer dan 22% verlengd.
Een ESP-systeem werd geïnstalleerd in een nieuwe boor- en frackingput in Martin County, Texas. Het verticale gedeelte van de put is ongeveer 9.000 voet diep en het horizontale gedeelte reikt tot 12.000 voet, gemeten diepte (MD). Bij de eerste twee putafwerkingen werd een ondergrondse vortex-zandafscheider met zes liner-aansluitingen geïnstalleerd als integraal onderdeel van de ESP-afwerking. Bij twee opeenvolgende installaties met hetzelfde type zandafscheider werd instabiel gedrag van de ESP-bedrijfsparameters (stroomsterkte en trillingen) waargenomen. Analyse van de gedemonteerde ESP-unit bracht aan het licht dat de vortex-gasafscheider verstopt was met vreemd materiaal, dat zand bleek te zijn omdat het niet-magnetisch is en niet chemisch reageert met zuur.
Bij de derde ESP-installatie werd de zandafscheider vervangen door een roestvrijstalen draadgaas als middel voor zandbeheersing in de ESP. Na de installatie van het nieuwe pompbeveiligingssysteem vertoonde de ESP een stabieler gedrag, waardoor de fluctuaties in de motorstroom afnamen van ~19 A bij installatie nr. 2 tot ~6,3 A bij installatie nr. 3. De trillingen zijn stabieler en de trend is met 75% afgenomen. Ook de drukval was stabiel, met zeer weinig fluctuaties in vergelijking met de vorige installatie, en er werd een extra drukval van 100 psi bereikt. Het aantal uitschakelingen door overbelasting van de ESP is met 100% verminderd en de ESP werkt met weinig trillingen.
In een put nabij Eunice, New Mexico, was bij een andere onconventionele put een ESP (Electric Submersible Pump) geïnstalleerd, maar zonder pompbeveiliging. Na de eerste opstart begon de ESP onregelmatig gedrag te vertonen. Schommelingen in stroom en druk gingen gepaard met trillingspieken. Na 137 dagen deze omstandigheden te hebben aangehouden, begaf de ESP het en werd een vervangend exemplaar 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-installatie al meer dan 300 dagen in bedrijf, 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 kampen had met storingen en defecten aan de ESP (elektrische onderwaterpomp) als gevolg van zandproductie en de bedrijfszekerheid van de pomp wilde verbeteren. Operators gebruiken doorgaans zandafscheiders met een voering in elke ESP-put. Zodra de voering echter vol zand zit, laat de afscheider het zand door het pompgedeelte stromen, waardoor de pomptrap, lagers en as corroderen en de pompdruk afneemt. Na het in gebruik nemen van het nieuwe systeem met de pompbeveiliging heeft de ESP een 22% langere levensduur met een stabielere drukval en een betere bedrijfszekerheid.
Het aantal storingen als gevolg van zand en vaste stoffen tijdens bedrijf daalde met 75%, van 8 overbelastingsincidenten in de eerste installatie naar 2 in de tweede installatie. Het aantal succesvolle herstarts na een overbelastingsstoring steeg met 30%, van 8 in de eerste installatie. In totaal werden 12 tests uitgevoerd in de tweede installatie, waardoor de elektrische belasting van de apparatuur werd verminderd en de levensduur van de elektrostatische precipitator (ESP) werd verlengd.
Figuur 5 toont de plotselinge toename van de inlaatdruk (blauw) wanneer het roestvrijstalen gaas verstopt raakt en de klepconstructie wordt geopend. Deze drukmeting kan de productie-efficiëntie verder verbeteren door zandgerelateerde ESP-storingen te voorspellen, zodat vervangingswerkzaamheden met workover-installaties kunnen worden gepland.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Experimentele analyse van een wervelbuis als zandafscheider in het boorgat,” 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-publicatie 207926-MS, gepresenteerd op de Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference in Abu Dhabi, VAE, van 15 tot 18 november 2021.
Alle materialen zijn onderworpen aan strikt gehandhaafde auteursrechtwetten. Lees onze algemene voorwaarden, ons cookiebeleid en ons privacybeleid voordat u deze site gebruikt.