Det er bevist at pumpebeskyttelseskomponenter beskytter pumper mot sand og forlenger levetiden til ESP-er i ukonvensjonelle brønner. Denne løsningen kontrollerer tilbakestrømningen av frakksand og andre faste stoffer som kan forårsake overbelastning og nedetid. Den muliggjørende teknologien eliminerer problemene knyttet til usikkerhet i partikkelstørrelsesfordelingen.
Etter hvert som flere og flere oljebrønner er avhengige av ESP-er, blir det stadig viktigere å forlenge levetiden til elektriske nedsenkbare pumpesystemer (ESP). Levetiden og ytelsen til kunstige løftepumper er følsom for faste stoffer i produserte væsker. Levetiden og ytelsen til ESP-en ble betydelig redusert med økningen i faste partikler. I tillegg øker faste stoffer brønnens nedetid og hyppigheten av overhalinger som kreves for å erstatte ESP-en.
Faste partikler som ofte strømmer gjennom kunstige løftepumper inkluderer formasjonssand, hydrauliske fraktureringsproppanter, sement og eroderte eller korroderte metallpartikler. Nedihullsteknologier designet for å separere faste stoffer spenner fra laveffektive sykloner til høyeffektiv 3D rustfritt ståltrådnett. Nedihulls virvelavsandere har blitt brukt i konvensjonelle brønner i flere tiår, og de brukes primært for å beskytte pumper mot store partikler under produksjon. Ukonvensjonelle brønner er imidlertid utsatt for intermitterende slug flow, noe som resulterer i at eksisterende nedihulls virvelavskillerteknologi bare fungerer intermittent.
Flere forskjellige varianter av kombinerte sandkontrollskjermer og vortex-avsandere nedihulls har blitt foreslått for å beskytte ESP-er. Det er imidlertid hull i beskyttelsen og produksjonsytelsen til alle pumper på grunn av usikkerheten i størrelsesfordelingen og volumet av faste stoffer produsert av hver brønn. Usikkerhet øker lengden på sandkontrollkomponentene, og reduserer dermed dybden som ESP-en kan settes på, noe som begrenser ESP-ens potensial for reservoarnedgang og påvirker brønnøkonomien negativt. Dypere settedybder er å foretrekke i ukonvensjonelle brønner. Bruken av avsandere og hannplugg-slamankre for å henge opp lange, stive sandkontrollenheter i foringsrørseksjoner med høy dogleg-alvorlighetsgrad begrenset imidlertid forbedringene av ESP MTBF. Korrosjon av det indre røret er et annet aspekt ved denne designen som ikke har blitt tilstrekkelig evaluert.
Forfatterne av en artikkel fra 2005 presenterte eksperimentelle resultater av en sandseparator nedihulls basert på et syklonrør (figur 1), som var avhengig av syklonvirkning og tyngdekraft, for å vise at separasjonseffektiviteten avhenger av oljeviskositet, strømningshastighet og partikkelstørrelse. De viser at separatorens effektivitet i stor grad er avhengig av partiklenes terminalhastighet. Separasjonseffektiviteten avtar med synkende strømningshastighet, synkende faststoffpartikkelstørrelse og økende oljeviskositet, figur 2. For en typisk syklonrørseparator nedihulls synker separasjonseffektiviteten til ~10 % når partikkelstørrelsen synker til ~100 µm. I tillegg, når strømningshastigheten øker, er virvelseparatoren utsatt for erosjonsslitasje, noe som påvirker levetiden til strukturelle komponenter.
Det neste logiske alternativet er å bruke en 2D-sandkontrollskjerm med en definert spaltebredde. Partikkelstørrelse og -fordeling er viktige hensyn når man velger skjermer for å filtrere faste stoffer i konvensjonell eller ukonvensjonell brønnproduksjon, men de kan være ukjente. De faste stoffene kan komme fra reservoaret, men de kan variere fra kreng til kreng; alternativt kan skjermen måtte filtrere sand fra hydraulisk trykking. I begge tilfeller kan kostnadene for innsamling, analyse og testing av faste stoffer være uoverkommelige.
Hvis 2D-rørsikten ikke er riktig konfigurert, kan resultatene kompromittere brønnens økonomi. Sandsiktåpninger som er for små kan føre til for tidlig plugging, nedstengninger og behov for utbedrende etterarbeid. Hvis de er for store, lar de faste stoffer komme fritt inn i produksjonsprosessen, noe som kan korrodere oljerør, skade kunstige løftepumper, spyle ut overflatestruper og fylle overflateseparatorer, noe som krever sandblåsing og avhending. Denne situasjonen krever en enkel, kostnadseffektiv løsning som kan forlenge pumpens levetid og dekke en bred fordeling av sandstørrelser.
For å møte dette behovet ble det utført en studie om bruk av ventilenheter i kombinasjon med rustfritt stålnett, som er ufølsomt for den resulterende faststofffordelingen. Studier har vist at rustfritt stålnett med variabel porestørrelse og 3D-struktur effektivt kan kontrollere faste stoffer i forskjellige størrelser uten å kjenne partikkelstørrelsesfordelingen til de resulterende faste stoffene. 3D-rustfritt stålnett kan effektivt kontrollere sandkorn i alle størrelser, uten behov for ekstra sekundærfiltrering.
En ventilenhet montert på bunnen av skjermen lar produksjonen fortsette inntil ESP-en trekkes ut. Den forhindrer at ESP hentes opp umiddelbart etter at skjermen er koblet til en bro. Den resulterende innløpssandkontrollskjermen og ventilenheten beskytter ESP-er, stangløftepumper og gassløftkompletteringer mot faste stoffer under produksjonen ved å rense væskestrømmen og gir en kostnadseffektiv løsning for å forlenge pumpens levetid uten å måtte skreddersy reservoaregenskapene for forskjellige situasjoner.
Første generasjons pumpebeskyttelsesdesign. En pumpebeskyttelsesenhet med skjermer av rustfritt stål ble distribuert i en dampassistert gravitasjonsdreneringsbrønn i Vest-Canada for å beskytte ESP-en mot faste stoffer under produksjon. Skjermer filtrerer skadelige faste stoffer fra produksjonsvæsken når den kommer inn i produksjonsstrengen. Inne i produksjonsstrengen strømmer væsker til ESP-innløpet, hvor de pumpes til overflaten. Pakkere kan kjøres mellom skjermen og ESP-en for å gi soneisolering mellom produksjonssonen og det øvre brønnhullet.
Over produksjonstid har det ringformede rommet mellom skjermen og foringsrøret en tendens til å danne en bro med sand, noe som øker strømningsmotstanden. Til slutt danner ringen en fullstendig bro, stopper strømningen og skaper en trykkforskjell mellom brønnhullet og produksjonsstrengen, som vist i figur 3. På dette tidspunktet kan ikke lenger væske strømme til ESP-en, og kompletteringsstrengen må trekkes ut. Avhengig av en rekke variabler knyttet til produksjon av faste stoffer, kan varigheten som kreves for å stoppe strømningen gjennom faststoffbroen på skjermen være kortere enn varigheten som ville tillate ESP-en å pumpe den faststoffbelastede væsken (gjennomsnittlig tid mellom feil) ned i bakken, så den andre generasjonen komponenter ble utviklet.
Andre generasjons pumpebeskyttelsesenhet. PumpGuard* innløpssandkontrollskjerm og ventilenhetssystem er hengt opp under REDA*-pumpen i figur 4, et eksempel på en ukonvensjonell ESP-komplettering. Når brønnen er i produksjon, filtrerer skjermen de faste stoffene i produksjon, men vil sakte begynne å bygge bro med sanden og skape en trykkforskjell. Når dette differensialtrykket når ventilens innstilte sprekktrykk, åpnes ventilen, slik at væske kan strømme direkte inn i rørstrengen til ESP-en. Denne strømmen utjevner trykkforskjellen over skjermen, og løsner grepet til sandsekkene på utsiden av skjermen. Sand kan bryte ut av ringrommet, noe som reduserer strømningsmotstanden gjennom skjermen og lar strømmen gjenopptas. Når differensialtrykket synker, går ventilen tilbake til sin lukkede posisjon, og normale strømningsforhold gjenopptas. Gjenta denne syklusen til det er nødvendig å trekke ESP-en ut av hullet for service. Casestudiene som er fremhevet i denne artikkelen viser at systemet er i stand til å forlenge pumpens levetid betydelig sammenlignet med å kjøre screening-komplettering alene.
For den nylige installasjonen ble det introdusert en kostnadsdrevet løsning for områdeisolering mellom netting av rustfritt stål og ESP-en. En nedovervendt kopppakker er montert over siktseksjonen. Over kopppakkeren gir ekstra perforeringer i midten en strømningsbane for produsert væske slik at den kan migrere fra det indre av sikten til det ringformede rommet over pakningen, hvor væsken kan komme inn i ESP-innløpet.
Nettfilteret i rustfritt stål som er valgt for denne løsningen, tilbyr flere fordeler i forhold til gapbaserte 2D-netttyper. 2D-filtre er hovedsakelig avhengige av partikler som spenner over filtergap eller -spor for å bygge sandsekker og gi sandkontroll. Men siden bare én gapverdi kan velges for skjermen, blir skjermen svært følsom for partikkelstørrelsesfordelingen til den produserte væsken.
I motsetning til dette gir det tykke nettinglaget i rustfritt ståltrådnettfiltre høy porøsitet (92 %) og et stort åpent strømningsareal (40 %) for den produserte borehullsvæsken. Filteret er konstruert ved å komprimere et rustfritt stålfleecenett og pakke det direkte rundt et perforert senterrør, og deretter innkapsle det i et perforert beskyttelsesdeksel som er sveiset til senterrøret i hver ende. Fordelingen av porer i nettinglaget, den ikke-ensartede vinkelorienteringen (fra 15 µm til 600 µm) lar ufarlige finstoffer strømme langs en 3D-strømningsbane mot det sentrale røret etter at større og skadelige partikler er fanget i nettet. Sandretensjonstesting på prøver av denne silen viste at filteret opprettholder høy permeabilitet fordi væske genereres gjennom silen. Dette enkeltstørrelsesfilteret kan effektivt håndtere alle partikkelstørrelsesfordelinger av produserte væsker som oppstår. Denne rustfrie stålullsikten ble utviklet av en stor operatør på 1980-tallet spesielt for selvstendige siktkompletteringer i dampstimulerte reservoarer og har en omfattende merittliste med vellykkede installasjoner.
Ventilenheten består av en fjærbelastet ventil som tillater enveisstrømning inn i rørstrengen fra produksjonsområdet. Ved å justere spiralfjærens forspenning før installasjon, kan ventilen tilpasses for å oppnå ønsket sprekktrykk for applikasjonen. Vanligvis kjøres en ventil under netting av rustfritt stål for å gi en sekundær strømningsbane mellom reservoaret og ESP-en. I noen tilfeller opererer flere ventiler og netting av rustfritt stål i serie, hvor den midterste ventilen har et lavere sprekktrykk enn den nederste ventilen.
Over tid fyller formasjonspartikler det ringformede området mellom den ytre overflaten av pumpebeskyttelsesenhetens skjerm og veggen i produksjonshuset. Etter hvert som hulrommet fylles med sand og partiklene konsoliderer, øker trykkfallet over sandsekken. Når dette trykkfallet når en forhåndsinnstilt verdi, åpnes konventilen og tillater strømning direkte gjennom pumpeinnløpet. På dette stadiet er strømningen gjennom røret i stand til å bryte opp den tidligere konsoliderte sanden langs utsiden av skjermfilteret. På grunn av den reduserte trykkforskjellen vil strømningen gjenopptas gjennom skjermen, og inntaksventilen vil lukkes. Derfor kan pumpen bare se strømningen direkte fra ventilen i en kort periode. Dette forlenger pumpens levetid, ettersom mesteparten av strømningen er væsken som filtreres gjennom sandskjermen.
Pumpebeskyttelsessystemet ble operert med pakninger i tre forskjellige brønner i Delaware-bassenget i USA. Hovedmålet er å redusere antall ESP-starter og -stopp på grunn av sandrelaterte overbelastninger og å øke ESP-tilgjengeligheten for å forbedre produksjonen. Pumpebeskyttelsessystemet er opphengt fra den nedre enden av ESP-strengen. Resultatene fra oljebrønnen viser stabil pumpeytelse, redusert vibrasjon og strømintensitet, og pumpebeskyttelsesteknologi. Etter installasjon av det nye systemet ble nedetiden relatert til sand og faste stoffer redusert med 75 %, og pumpens levetid økte med mer enn 22 %.
En brønn. Et ESP-system ble installert i en ny bore- og fraktureringsbrønn i Martin County, Texas. Den vertikale delen av brønnen er omtrent 2700 meter, og den horisontale delen strekker seg til 3600 meter, målt dybde (MD). For de to første kompletteringene ble et virvelsandseparatorsystem nedihulls med seks foringsrørstilkoblinger installert som en integrert del av ESP-kompletteringen. For to påfølgende installasjoner som brukte samme type sandseparator, ble det observert ustabil oppførsel av ESP-driftsparametrene (strømstyrke og vibrasjon). Demonteringsanalyse av den uttrukne ESP-enheten viste at virvelgasseparatorenheten var tett med fremmedlegemer, som ble bestemt til å være sand fordi den er ikke-magnetisk og ikke reagerer kjemisk med syre.
I den tredje ESP-installasjonen erstattet netting i rustfritt stål sandseparatoren som et middel for ESP-sandkontroll. Etter installasjon av det nye pumpebeskyttelsessystemet viste ESP-en mer stabil oppførsel, og reduserte området for motorstrømsvingninger fra ~19 A for installasjon nr. 2 til ~6,3 A for installasjon nr. 3. Vibrasjonen er mer stabil, og trenden er redusert med 75 %. Trykkfallet var også stabilt, og svingte svært lite sammenlignet med forrige installasjon, og økte med et ekstra trykkfall på 100 psi. Overbelastningsavstengninger i ESP er redusert med 100 %, og ESP fungerer med lav vibrasjon.
Brønn B. I en brønn nær Eunice, New Mexico, hadde en annen ukonvensjonell brønn en ESP installert, men ingen pumpebeskyttelse. Etter det første oppstartsfallet begynte ESP-en å oppføre seg uberegnelig. Svingninger i strøm og trykk er forbundet med vibrasjonstopper. Etter å ha opprettholdt disse forholdene i 137 dager, sviktet ESP-en, og en erstatning ble installert. Den andre installasjonen inkluderer et nytt pumpebeskyttelsessystem med samme ESP-konfigurasjon. Etter at brønnen gjenopptok produksjonen, fungerte ESP-en normalt, med stabil strømstyrke og mindre vibrasjon. På publiseringstidspunktet hadde den andre kjøringen av ESP nådd over 300 dagers drift, en betydelig forbedring i forhold til den forrige installasjonen.
Brønn C. Systemets tredje installasjon på stedet var i Mentone, Texas, av et spesialisert olje- og gassselskap som opplevde driftsstans og ESP-feil på grunn av sandproduksjon og ønsket å forbedre pumpens oppetid. Operatører kjører vanligvis sandseparatorer nedihulls med foring i hver ESP-brønn. Når foringen fylles med sand, vil imidlertid separatoren la sanden strømme gjennom pumpeseksjonen, noe som korroderer pumpetrinnet, lagrene og akselen, noe som resulterer i tap av løfteevne. Etter å ha kjørt det nye systemet med pumpebeskytteren, har ESP-en 22 % lengre levetid med et mer stabilt trykkfall og bedre ESP-relatert oppetid.
Antall avstengninger relatert til sand og faste stoffer under drift gikk ned med 75 %, fra 8 overbelastningshendelser i den første installasjonen til to i den andre installasjonen, og antall vellykkede omstarter etter overbelastningsavstengning økte med 30 %, fra 8 i den første installasjonen. Totalt 12 hendelser, totalt 8 hendelser, ble utført i den sekundære installasjonen, noe som reduserte den elektriske belastningen på utstyret og økte levetiden til ESP-en.
Figur 5 viser den plutselige økningen i inntakstrykksignaturen (blå) når det rustfrie stålnettet blokkeres og ventilenheten åpnes. Denne trykksignaturen kan forbedre produksjonseffektiviteten ytterligere ved å forutsi sandrelaterte ESP-feil, slik at erstatningsoperasjoner med overhalingsrigger kan planlegges.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, «Eksperimentell analyse av virvelrør som nedihulls-avsanderanordning», SPE Paper 94673-MS, presentert på SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brasil, 20. juni – 23. februar 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Denne artikkelen inneholder elementer fra SPE-artikkel 207926-MS, presentert på Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference i Abu Dhabi, UAE, 15.–18. november 2021.
Alt materiale er underlagt strengt håndhevede lover om opphavsrett. Vennligst les våre vilkår og betingelser, retningslinjer for informasjonskapsler og retningslinjer for personvern før du bruker dette nettstedet.