Udowodniono, że elementy zabezpieczające pompy chronią je przed piaskiem i wydłużają żywotność elektrofiltrów w niekonwencjonalnych odwiertach. To rozwiązanie kontroluje cofanie się piasku szczelinującego i innych ciał stałych, które może powodować przeciążenia i przestoje. Technologia ta eliminuje problemy związane z niepewnością dotyczącą rozkładu wielkości cząstek.
Ponieważ coraz więcej odwiertów naftowych korzysta z elektrofiltrów (ESP), coraz ważniejsze staje się wydłużenie żywotności elektrycznych systemów pomp zatapialnych (ESP). Żywotność i wydajność pomp podnoszących są wrażliwe na obecność cząstek stałych w wydobywanych płynach. Żywotność i wydajność ESP znacznie spadają wraz ze wzrostem zawartości cząstek stałych. Ponadto cząstki stałe wydłużają przestoje odwiertu i częstotliwość remontów wymaganych do wymiany ESP.
Stałe cząstki, które często przepływają przez pompy podnoszące, to między innymi piasek formacyjny, materiały podsadzkowe stosowane przy szczelinowaniu hydraulicznym, cement oraz zerodowane lub skorodowane cząstki metalu. Technologie otworowe przeznaczone do oddzielania ciał stałych obejmują zarówno mało wydajne cyklony, jak i wysokowydajne siatki 3D ze stali nierdzewnej. Odwierty odwadniające z wirami są stosowane w konwencjonalnych odwiertach od dziesięcioleci, a ich głównym zastosowaniem jest ochrona pomp przed dużymi cząstkami podczas produkcji. Jednak w niekonwencjonalnych odwiertach występuje okresowy przepływ ślimakowy, w związku z czym obecna technologia otworowych separatorów wirowych działa jedynie okresowo.
W celu ochrony elektrofiltrów (ESP) zaproponowano kilka różnych wariantów połączonych sit kontroli piasku i odpiaszczaczy wirowych w otworach wiertniczych. Jednakże istnieją luki w ochronie i wydajności produkcyjnej wszystkich pomp ze względu na niepewność dotyczącą rozkładu wielkości i objętości ciał stałych wydobywanych przez każdy odwiert. Niepewność zwiększa długość elementów kontroli piasku, zmniejszając tym samym głębokość, na której można ustawić elektrofiltr, ograniczając potencjał spadku złoża ESP i negatywnie wpływając na ekonomikę odwiertu. W przypadku odwiertów niekonwencjonalnych preferowane są większe głębokości ustawienia. Jednak stosowanie odpiaszczaczy i kotwic płuczkowych z czopem męskim do zawieszania długich, sztywnych zespołów kontroli piasku w sekcjach obudowy o dużej intensywności zakrętu ograniczyło poprawę MTBF elektrofiltru (ESP). Korozja rury wewnętrznej to kolejny aspekt tej konstrukcji, który nie został odpowiednio oceniony.
Autorzy artykułu z 2005 roku przedstawili wyniki eksperymentów z otworowym separatorem piasku opartym na rurze cyklonowej (rysunek 1), który zależał od działania cyklonu i grawitacji, aby wykazać, że wydajność separacji zależy od lepkości oleju, natężenia przepływu i wielkości cząstek. Wykazują, że wydajność separatora w dużym stopniu zależy od prędkości końcowej cząstek. Wydajność separacji spada wraz ze spadkiem natężenia przepływu, zmniejszeniem wielkości cząstek stałych i wzrostem lepkości oleju (rysunek 2). W przypadku typowego otworowego separatora z rurą cyklonową wydajność separacji spada do ~10% wraz ze spadkiem wielkości cząstek do ~100 µm. Ponadto, wraz ze wzrostem natężenia przepływu, separator wirowy ulega zużyciu erozyjnemu, co wpływa na żywotność elementów konstrukcyjnych.
Kolejną logiczną alternatywą jest zastosowanie dwuwymiarowego sita kontrolnego piasku z określoną szerokością szczeliny. Wielkość i rozkład cząstek to ważne czynniki, które należy brać pod uwagę przy wyborze sit do filtrowania ciał stałych w konwencjonalnych lub niekonwencjonalnych odwiertach, ale mogą one być nieznane. Ciała stałe mogą pochodzić ze złoża, ale ich ilość może się różnić w zależności od części chwytnej; alternatywnie sito może filtrować piasek pochodzący ze szczelinowania hydraulicznego. W obu przypadkach koszty gromadzenia, analizy i testowania ciał stałych mogą być zaporowe.
Jeśli sito 2D nie zostanie prawidłowo skonfigurowane, wyniki mogą zagrozić ekonomice odwiertu. Zbyt małe otwory sita piaskowego mogą skutkować przedwczesnym zatykaniem, wyłączeniami i koniecznością przeprowadzania remontów naprawczych. Jeśli są zbyt duże, pozwalają na swobodne przedostawanie się ciał stałych do procesu produkcyjnego, co może powodować korozję rur naftowych, uszkadzać pompy podnoszące, wypłukiwać zatory powierzchniowe i zatykać separatory powierzchniowe, co wymaga piaskowania i utylizacji. W takiej sytuacji konieczne jest proste i ekonomiczne rozwiązanie, które wydłuży żywotność pompy i obejmie szeroki zakres rozmiarów piasku.
Aby sprostać tej potrzebie, przeprowadzono badanie dotyczące zastosowania zespołów zaworów w połączeniu z siatką drucianą ze stali nierdzewnej, która jest niewrażliwa na rozkład powstających cząstek stałych. Badania wykazały, że siatka druciana ze stali nierdzewnej o zmiennej wielkości porów i strukturze 3D może skutecznie kontrolować cząstki stałe o różnych rozmiarach, bez konieczności znajomości rozkładu wielkości cząstek powstających cząstek stałych. Siatka druciana 3D ze stali nierdzewnej może skutecznie kontrolować ziarna piasku o wszystkich rozmiarach, bez potrzeby dodatkowej filtracji wtórnej.
Zespół zaworów zamontowany na dole sita umożliwia kontynuowanie produkcji do momentu wyjęcia elektrofiltra. Zapobiega to natychmiastowemu wyciągnięciu elektrofiltra po zamknięciu sita. Zespół zaworów i sita kontrolującego piasek wlotowy chroni elektrofiltry, pompy podnoszące pręty i zestawy gazowego podnoszenia przed ciałami stałymi w trakcie produkcji, oczyszczając przepływ cieczy, a także stanowi ekonomiczne rozwiązanie wydłużające żywotność pompy bez konieczności dostosowywania charakterystyki zbiornika do różnych sytuacji.
Konstrukcja ochrony pompy pierwszej generacji. Zespół ochrony pompy wykorzystujący siatki z wełny stalowej ze stali nierdzewnej został zainstalowany w odwiercie grawitacyjnym z odwodnieniem parowym w zachodniej Kanadzie w celu ochrony elektrofiltra (ESP) przed ciałami stałymi w trakcie produkcji. Siatki filtrują szkodliwe ciała stałe z płynu produkcyjnego w momencie jego wejścia do ciągu produkcyjnego. Wewnątrz ciągu produkcyjnego płyny przepływają do wlotu ESP, skąd są pompowane na powierzchnię. Między sitem a elektrofiltrem (ESP) można zainstalować pakery, aby zapewnić izolację strefową między strefą produkcji a górnym otworem odwiertu.
W miarę upływu czasu produkcji, przestrzeń pierścieniowa między sitem a obudową ma tendencję do tworzenia mostków z piaskiem, co zwiększa opory przepływu. Ostatecznie pierścień całkowicie się zamyka, zatrzymując przepływ i tworząc różnicę ciśnień między otworem wiertniczym a rurociągiem produkcyjnym, jak pokazano na rysunku 3. W tym momencie płyn nie może już przepływać do elektrofiltra i konieczne jest pociągnięcie za przewód uzupełniający. W zależności od szeregu zmiennych związanych z produkcją ciał stałych, czas potrzebny do zatrzymania przepływu przez mostek z ciał stałych na sicie może być krótszy niż czas, który pozwoliłby elektrofiltrowi na przepompowanie płynu zawierającego ciała stałe do gruntu – średni czas między awariami. Dlatego opracowano drugą generację komponentów.
Zespół zabezpieczenia pompy drugiej generacji. System sita kontroli piasku na wlocie PumpGuard* i zespołu zaworów jest zawieszony pod pompą REDA* na rysunku 4, przykładzie niekonwencjonalnego zakończenia ESP. Gdy odwiert zaczyna produkować, sito filtruje ciała stałe w produkcji, ale zaczyna powoli tworzyć mostek z piaskiem i wytwarzać różnicę ciśnień. Gdy ta różnica ciśnień osiągnie ustawione ciśnienie otwarcia zaworu, zawór otwiera się, umożliwiając przepływ cieczy bezpośrednio do ciągu rur do ESP. Ten przepływ wyrównuje różnicę ciśnień na sicie, poluzowując uchwyt worków z piaskiem na zewnątrz sita. Piasek może swobodnie wydostawać się z pierścienia, co zmniejsza opór przepływu przez sito i umożliwia wznowienie przepływu. Gdy różnica ciśnień spada, zawór wraca do pozycji zamkniętej i powracają normalne warunki przepływu. Powtarzaj ten cykl, aż zajdzie konieczność wyciągnięcia ESP z otworu w celu serwisowania. Studia przypadków opisane w tym artykule pokazują, że system jest w stanie znacznie wydłużyć żywotność pompy w porównaniu z samym zakończeniem z sitem.
W przypadku ostatniej instalacji zastosowano ekonomiczne rozwiązanie izolacji obszaru między siatką ze stali nierdzewnej a elektrofiltrem. Nad sekcją sita zamontowany jest skierowany w dół paker kubkowy. Nad pakerem kubkowym dodatkowe perforacje w rurze centralnej zapewniają ścieżkę przepływu, dzięki której wytworzony płyn może migrować z wnętrza sita do przestrzeni pierścieniowej nad pakerem, skąd płyn może wpłynąć do wlotu elektrofiltra.
Wybrany w tym rozwiązaniu filtr z siatki drucianej ze stali nierdzewnej oferuje szereg zalet w porównaniu z siatkami 2D ze szczelinami. Filtry 2D opierają się przede wszystkim na cząsteczkach wypełniających szczeliny lub gniazda filtra, co pozwala na tworzenie worków z piaskiem i kontrolę jego zawartości. Ponieważ jednak dla sita można wybrać tylko jedną wartość szczeliny, staje się ono bardzo wrażliwe na rozkład wielkości cząstek w wytwarzanym płynie.
W przeciwieństwie do tego, grube oczka filtrów z siatki drucianej ze stali nierdzewnej zapewniają wysoką porowatość (92%) i dużą powierzchnię przepływu otwartego (40%) dla wydobywanego płynu z odwiertu. Filtr jest skonstruowany poprzez ściśnięcie siatki z włókniny ze stali nierdzewnej i owinięcie jej bezpośrednio wokół perforowanej rury centralnej, a następnie zamknięcie jej w perforowanej osłonie ochronnej, która jest przyspawana do rury centralnej na każdym końcu. Rozkład porów w siatce, nierównomierna orientacja kątowa (w zakresie od 15 µm do 600 µm) pozwala nieszkodliwym drobnym cząsteczkom na przepływ wzdłuż ścieżki przepływu 3D w kierunku rury centralnej po tym, jak większe i szkodliwe cząstki zostaną uwięzione w siatce. Testy retencji piasku na próbkach tego sita wykazały, że filtr utrzymuje wysoką przepuszczalność, ponieważ płyn jest generowany przez sito. W efekcie ten filtr o jednym „rozmiarze” może poradzić sobie ze wszystkimi rozkładami wielkości cząstek wydobywanych płynów. To sito z wełny stalowej zostało opracowane przez głównego operatora w latach 80. XX wieku specjalnie do samodzielnych uzupełnień sitowych w zbiornikach stymulowanych parą wodną i może pochwalić się wieloma udanymi instalacjami.
Zespół zaworów składa się z zaworu sprężynowego, który umożliwia jednokierunkowy przepływ do rurociągu z obszaru produkcyjnego. Regulując napięcie wstępne sprężyny śrubowej przed instalacją, można dostosować zawór do uzyskania pożądanego ciśnienia otwarcia dla danego zastosowania. Zwykle zawór jest umieszczony pod siatką ze stali nierdzewnej, aby zapewnić wtórną ścieżkę przepływu między zbiornikiem a elektrofiltrem. W niektórych przypadkach wiele zaworów i siatek ze stali nierdzewnej działa szeregowo, przy czym środkowy zawór ma niższe ciśnienie otwarcia niż zawór najniższy.
Z czasem cząstki formacji wypełniają obszar pierścieniowy pomiędzy zewnętrzną powierzchnią sita zespołu osłony pompy a ścianą obudowy produkcyjnej. W miarę jak wnęka wypełnia się piaskiem, a cząstki się konsolidują, spadek ciśnienia na worku z piaskiem wzrasta. Gdy spadek ciśnienia osiągnie ustaloną wartość, zawór stożkowy otwiera się i umożliwia przepływ bezpośrednio przez wlot pompy. Na tym etapie przepływ przez rurę jest w stanie rozbić wcześniej skonsolidowany piasek wzdłuż zewnętrznej strony filtra sitowego. Ze względu na zmniejszoną różnicę ciśnień przepływ zostanie wznowiony przez sito, a zawór wlotowy zostanie zamknięty. Dlatego pompa może widzieć przepływ bezpośrednio z zaworu tylko przez krótki okres czasu. Wydłuża to żywotność pompy, ponieważ większość przepływu to płyn filtrowany przez sito piaskowe.
System ochrony pomp działał z pakerami w trzech różnych odwiertach w basenie Delaware w Stanach Zjednoczonych. Głównym celem jest ograniczenie liczby uruchomień i zatrzymań ESP spowodowanych przeciążeniami spowodowanymi piaskiem oraz zwiększenie dostępności ESP w celu poprawy produkcji. System ochrony pomp jest podwieszony do dolnego końca przewodu ESP. Wyniki uzyskane dla odwiertu naftowego wskazują na stabilną pracę pompy, zmniejszone drgania i natężenie prądu oraz zaawansowaną technologię ochrony pomp. Po zainstalowaniu nowego systemu przestoje spowodowane piaskiem i ciałami stałymi zostały skrócone o 75%, a żywotność pompy wydłużyła się o ponad 22%.
Odwiert. System ESP został zainstalowany w nowym odwiercie wiertniczym i szczelinującym w hrabstwie Martin w Teksasie. Pionowa część odwiertu ma około 9000 stóp, a pozioma sięga do 12 000 stóp według zmierzonej głębokości (MD). W przypadku pierwszych dwóch zakończeń, system separatora piasku wirowego w otworze z sześcioma przyłączami rurowymi został zainstalowany jako integralna część odwiertu ESP. W przypadku dwóch kolejnych instalacji z wykorzystaniem tego samego typu separatora piasku zaobserwowano niestabilne zachowanie parametrów roboczych ESP (natężenie prądu i wibracje). Analiza demontażu wyciągniętego urządzenia ESP wykazała, że ​​zespół separatora gazu wirowego był zatkany obcymi substancjami, które okazały się piaskiem, ponieważ nie jest magnetyczny i nie reaguje chemicznie z kwasem.
W trzeciej instalacji ESP separator piasku zastąpiono siatką ze stali nierdzewnej, aby kontrolować ilość piasku w ESP. Po zainstalowaniu nowego systemu zabezpieczającego pompę, ESP wykazał się stabilniejszą pracą, zmniejszając zakres wahań prądu silnika z ~19 A w instalacji nr 2 do ~6,3 A w instalacji nr 3. Wibracje są stabilniejsze, a ich tendencja została zmniejszona o 75%. Spadek ciśnienia był również stabilny, wahając się nieznacznie w porównaniu z poprzednią instalacją, i zwiększył się o dodatkowe 100 psi. Wyłączenia przeciążeniowe ESP zostały zredukowane o 100%, a ESP pracuje z niskim poziomem wibracji.
Studnia B. W jednej ze studni w pobliżu Eunice w stanie Nowy Meksyk, w innej niekonwencjonalnej studni zainstalowano elektrofiltr, ale nie zastosowano zabezpieczenia pompy. Po początkowym odłączeniu zasilania, elektrofiltr zaczął działać nieregularnie. Wahania prądu i ciśnienia są związane z nagłymi skokami wibracji. Po 137 dniach utrzymywania tych warunków, elektrofiltr uległ awarii i zainstalowano nowy. Druga instalacja obejmuje nowy system zabezpieczenia pompy z tą samą konfiguracją elektrofiltra. Po wznowieniu produkcji z odwiertu, elektrofiltr działał normalnie, ze stabilnym natężeniem prądu i mniejszymi wibracjami. W momencie publikacji druga seria elektrofiltrów osiągnęła ponad 300 dni działania, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z poprzednią instalacją.
Odwiert C. Trzecia instalacja systemu na miejscu miała miejsce w Mentone w Teksasie i została przeprowadzona przez firmę specjalizującą się w wydobyciu ropy i gazu, która doświadczyła przerw w dostawie prądu i awarii elektrofiltrów (ESP) z powodu produkcji piasku i chciała poprawić czas sprawności pompy. Operatorzy zazwyczaj stosują w każdym odwiercie ESP separatory piasku wgłębnego z wykładziną. Jednak gdy wykładzina wypełni się piaskiem, separator pozwoli piaskowi przedostać się przez sekcję pompy, powodując korozję stopnia pompy, łożysk i wału, co skutkuje utratą siły nośnej. Po uruchomieniu nowego systemu z zabezpieczeniem pompy, ESP ma o 22% dłuższą żywotność, bardziej stabilny spadek ciśnienia i lepszy czas sprawności związany z ESP.
Liczba wyłączeń spowodowanych piaskiem i ciałami stałymi podczas pracy zmniejszyła się o 75%, z 8 przeciążeń w pierwszej instalacji do dwóch w drugiej, a liczba udanych ponownych uruchomień po wyłączeniu z powodu przeciążenia wzrosła o 30%, z 8 w pierwszej instalacji. W instalacji wtórnej odnotowano łącznie 12 zdarzeń, co daje łącznie 8 zdarzeń, co zmniejszyło obciążenie elektryczne urządzeń i wydłużyło żywotność elektrofiltra.
Na rysunku 5 pokazano nagły wzrost ciśnienia wlotowego (na niebiesko), gdy siatka ze stali nierdzewnej jest zablokowana, a zespół zaworów jest otwarty. Ten wskaźnik ciśnienia może dodatkowo poprawić wydajność produkcji poprzez przewidywanie awarii elektrofiltru związanych z piaskiem, dzięki czemu możliwe jest zaplanowanie operacji wymiany przy użyciu urządzeń do renowacji.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Analiza eksperymentalna rury wirowej jako urządzenia do odpiaszczania w otworze wiertniczym”, artykuł SPE nr 94673-MS, przedstawiony na konferencji SPE poświęconej inżynierii naftowej w Ameryce Łacińskiej i na Karaibach, Rio de Janeiro, Brazylia, 20 czerwca – 23 lutego 2005 r. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Niniejszy artykuł zawiera elementy z publikacji SPE nr 207926-MS, zaprezentowanej na Międzynarodowych Targach Naftowych i Konferencji w Abu Zabi w Zjednoczonych Emiratach Arabskich, które odbyły się w dniach 15–18 listopada 2021 r.
Wszystkie materiały podlegają ścisłemu przestrzeganiu praw autorskich. Przed rozpoczęciem korzystania z tej witryny należy zapoznać się z naszym Regulaminem, Polityką dotyczącą plików cookie i Polityką prywatności.