Componentes de proteção de bombas comprovadamente protegem as bombas contra areia e prolongam a vida útil das bombas submersíveis elétricas (ESPs) em poços não convencionais. Essa solução controla o refluxo de areia de fraturamento e outros sólidos que podem causar sobrecargas e paralisações. A tecnologia inovadora elimina os problemas associados à incerteza na distribuição do tamanho das partículas.
Com o crescente número de poços de petróleo que dependem de bombas submersíveis elétricas (ESP), prolongar a vida útil desses sistemas torna-se cada vez mais importante. A vida útil e o desempenho das bombas de elevação artificial são sensíveis à presença de sólidos nos fluidos produzidos. O aumento da concentração de partículas sólidas reduz significativamente a vida útil e o desempenho das ESP. Além disso, a presença de sólidos aumenta o tempo de inatividade do poço e a frequência de intervenções necessárias para a substituição da ESP.
Partículas sólidas que frequentemente fluem através de bombas de elevação artificial incluem areia de formação, agentes de sustentação para fraturamento hidráulico, cimento e partículas metálicas erodidas ou corroídas. As tecnologias de fundo de poço projetadas para separar sólidos variam de ciclones de baixa eficiência a malhas de arame de aço inoxidável 3D de alta eficiência. Os desarenadores de vórtice de fundo de poço têm sido usados ​​em poços convencionais há décadas e são utilizados principalmente para proteger as bombas de partículas grandes durante a produção. No entanto, poços não convencionais estão sujeitos a fluxo intermitente em regime de slug, o que faz com que a tecnologia de separação por vórtice de fundo de poço existente funcione apenas de forma intermitente.
Diversas variantes de telas combinadas de controle de areia e desarenadores de fundo de poço foram propostas para proteger bombas submersíveis elétricas (ESPs). No entanto, existem lacunas na proteção e no desempenho de produção de todas as bombas devido à incerteza na distribuição granulométrica e no volume de sólidos produzidos por cada poço. A incerteza aumenta o comprimento dos componentes de controle de areia, reduzindo assim a profundidade em que a ESP pode ser instalada, limitando o potencial de declínio do reservatório da ESP e impactando negativamente a economia do poço. Profundidades de instalação maiores são preferíveis em poços não convencionais. Contudo, o uso de desarenadores e âncoras de lama com plugue macho para suspender conjuntos longos e rígidos de controle de areia em seções de revestimento com alta severidade de curvatura limitou as melhorias no tempo médio entre falhas (MTBF) da ESP. A corrosão do tubo interno é outro aspecto desse projeto que não foi adequadamente avaliado.
Os autores de um artigo de 2005 apresentaram resultados experimentais de um separador de areia de fundo de poço baseado em um tubo ciclônico (Figura 1), que dependia da ação do ciclone e da gravidade, para mostrar que a eficiência da separação depende da viscosidade do óleo, da vazão e do tamanho das partículas. Eles mostram que a eficiência do separador depende em grande parte da velocidade terminal das partículas. A eficiência da separação diminui com a redução da vazão, a diminuição do tamanho das partículas sólidas e o aumento da viscosidade do óleo (Figura 2). Para um separador de fundo de poço típico baseado em tubo ciclônico, a eficiência da separação cai para cerca de 10% quando o tamanho das partículas diminui para cerca de 100 µm. Além disso, com o aumento da vazão, o separador de vórtice está sujeito a desgaste por erosão, o que afeta a vida útil dos componentes estruturais.
A próxima alternativa lógica é usar uma tela de controle de areia 2D com largura de fenda definida. O tamanho e a distribuição das partículas são considerações importantes na seleção de telas para filtrar sólidos na produção de poços convencionais ou não convencionais, mas podem ser desconhecidos. Os sólidos podem vir do reservatório, mas podem variar de um ponto a outro; alternativamente, a tela pode precisar filtrar areia proveniente da fraturação hidráulica. Em ambos os casos, o custo da coleta, análise e teste de sólidos pode ser proibitivo.
Se a tela de filtragem 2D não estiver configurada corretamente, os resultados podem comprometer a viabilidade econômica do poço. Aberturas muito pequenas na tela podem causar entupimento prematuro, paralisações e a necessidade de intervenções corretivas. Se forem muito grandes, permitem a entrada livre de sólidos no processo de produção, o que pode corroer os oleodutos, danificar bombas de elevação artificial, obstruir válvulas de controle de fluxo na superfície e preencher separadores de superfície, exigindo jateamento de areia e descarte. Essa situação exige uma solução simples e econômica que possa prolongar a vida útil da bomba e abranger uma ampla gama de tamanhos de areia.
Para atender a essa necessidade, foi realizado um estudo sobre o uso de conjuntos de válvulas em combinação com telas de arame de aço inoxidável, que são insensíveis à distribuição de sólidos resultante. Estudos demonstraram que a tela de arame de aço inoxidável com tamanho de poro variável e estrutura 3D pode controlar eficazmente sólidos de diversos tamanhos, sem a necessidade de conhecer a distribuição granulométrica dos sólidos resultantes. A tela de arame de aço inoxidável 3D pode controlar eficazmente os grãos de areia de todos os tamanhos, sem a necessidade de filtração secundária adicional.
Um conjunto de válvulas montado na parte inferior da tela permite que a produção continue até que a bomba submersível elétrica (ESP) seja retirada. Ele impede que a ESP seja retirada imediatamente após a tela ser obstruída. O conjunto de tela e válvula de controle de areia na entrada resultante protege as ESPs, bombas de haste e completações de injeção de gás contra sólidos durante a produção, limpando o fluxo de fluido e fornecendo uma solução econômica para prolongar a vida útil da bomba sem a necessidade de adaptar as características do reservatório para diferentes situações.
Projeto de proteção de bomba de primeira geração. Um conjunto de proteção de bomba utilizando telas de lã de aço inoxidável foi implantado em um poço de drenagem gravitacional assistida por vapor no oeste do Canadá para proteger a bomba submersível elétrica (ESP) de sólidos durante a produção. As telas filtram sólidos nocivos do fluido de produção à medida que este entra na coluna de produção. Dentro da coluna de produção, os fluidos fluem para a entrada da ESP, onde são bombeados para a superfície. Empacotadores podem ser instalados entre a tela e a ESP para fornecer isolamento zonal entre a zona de produção e a parte superior do poço.
Ao longo do tempo de produção, o espaço anular entre a tela e o revestimento tende a se obstruir com areia, o que aumenta a resistência ao fluxo. Eventualmente, a obstrução se completa, interrompendo o fluxo e criando um diferencial de pressão entre o poço e a coluna de produção, conforme mostrado na Figura 3. Nesse ponto, o fluido não consegue mais fluir para a bomba submersível elétrica (BSE) e a coluna de completação precisa ser removida. Dependendo de diversas variáveis ​​relacionadas à produção de sólidos, o tempo necessário para interromper o fluxo através da obstrução de sólidos na tela pode ser menor do que o tempo que permitiria à BSE bombear o fluido carregado de sólidos até o solo (tempo médio entre falhas). Por isso, foi desenvolvida a segunda geração de componentes.
Conjunto de proteção da bomba de segunda geração. O sistema de tela de controle de areia e válvula de entrada PumpGuard* está suspenso abaixo da bomba REDA* na Figura 4, um exemplo de completação de bomba submersível elétrica (ESP) não convencional. Assim que o poço entra em produção, a tela filtra os sólidos em produção, mas começará a formar pontes com a areia, criando um diferencial de pressão. Quando esse diferencial de pressão atinge a pressão de abertura definida na válvula, esta se abre, permitindo que o fluido flua diretamente para a coluna de tubos até a ESP. Esse fluxo equaliza o diferencial de pressão através da tela, afrouxando a aderência dos sacos de areia na parte externa da tela. A areia fica livre para se desprender do espaço anular, o que reduz a resistência ao fluxo através da tela e permite que o fluxo seja retomado. À medida que o diferencial de pressão cai, a válvula retorna à sua posição fechada e as condições normais de fluxo são retomadas. Repita esse ciclo até que seja necessário retirar a ESP do poço para manutenção. Os estudos de caso destacados neste artigo demonstram que o sistema é capaz de estender significativamente a vida útil da bomba em comparação com a utilização apenas de telas de filtragem para completação.
Para a instalação recente, foi introduzida uma solução com foco na redução de custos para o isolamento da área entre a tela de arame de aço inoxidável e o precipitador eletrostático. Um obturador de copo voltado para baixo é montado acima da seção da tela. Acima do obturador de copo, perfurações adicionais no tubo central fornecem um caminho de fluxo para o fluido produzido migrar do interior da tela para o espaço anular acima do obturador, onde o fluido pode entrar na entrada do precipitador eletrostático.
O filtro de malha de aço inoxidável escolhido para esta solução oferece diversas vantagens em relação aos filtros de malha 2D com espaçamento entre as partículas. Os filtros 2D dependem principalmente das partículas que preenchem os espaços ou ranhuras do filtro para formar bolsas de areia e controlar a entrada de areia. No entanto, como apenas um valor de espaçamento pode ser selecionado para a tela, ela se torna altamente sensível à distribuição do tamanho das partículas do fluido produzido.
Em contraste, a espessa camada de malha de aço inoxidável dos filtros proporciona alta porosidade (92%) e grande área de fluxo aberto (40%) para o fluido produzido no poço. O filtro é construído comprimindo-se uma malha de lã de aço inoxidável e envolvendo-a diretamente em torno de um tubo central perfurado, que é então encapsulado dentro de uma cobertura protetora perfurada, soldada ao tubo central em cada extremidade. A distribuição dos poros na camada de malha, com sua orientação angular não uniforme (variando de 15 µm a 600 µm), permite que partículas finas inofensivas fluam ao longo de um caminho tridimensional em direção ao tubo central, após as partículas maiores e nocivas serem retidas na malha. Testes de retenção de areia em amostras dessa peneira demonstraram que o filtro mantém alta permeabilidade, pois o fluido é gerado através da peneira. Efetivamente, esse filtro de "tamanho" único pode lidar com todas as distribuições de tamanho de partículas dos fluidos produzidos. Essa tela de lã de aço inoxidável foi desenvolvida por uma grande operadora na década de 1980, especificamente para completações com tela autossuficientes em sistemas de produção estimulados por vapor. reservatórios e possui um extenso histórico de instalações bem-sucedidas.
O conjunto da válvula consiste em uma válvula com mola que permite o fluxo unidirecional da área de produção para a coluna de tubos. Ajustando a pré-carga da mola antes da instalação, a válvula pode ser personalizada para atingir a pressão de abertura desejada para a aplicação. Normalmente, uma válvula é instalada sob a tela de aço inoxidável para fornecer um caminho de fluxo secundário entre o reservatório e a bomba submersível elétrica (BSE). Em alguns casos, várias válvulas e telas de aço inoxidável operam em série, com a válvula do meio tendo uma pressão de abertura menor do que a válvula inferior.
Com o tempo, partículas da formação preenchem a área anular entre a superfície externa da tela do conjunto protetor da bomba e a parede da carcaça de produção. À medida que a cavidade se enche de areia e as partículas se consolidam, a queda de pressão através do saco de areia aumenta. Quando essa queda de pressão atinge um valor predefinido, a válvula cônica se abre e permite o fluxo diretamente pela entrada da bomba. Nessa etapa, o fluxo através do tubo consegue quebrar a areia previamente consolidada ao longo da parte externa do filtro de tela. Devido à redução do diferencial de pressão, o fluxo é retomado através da tela e a válvula de entrada se fecha. Portanto, a bomba só recebe o fluxo diretamente da válvula por um curto período de tempo. Isso prolonga a vida útil da bomba, pois a maior parte do fluxo é o fluido filtrado pela tela de areia.
O sistema de proteção da bomba foi operado com packers em três poços diferentes na Bacia de Delaware, nos Estados Unidos. O principal objetivo é reduzir o número de partidas e paradas da bomba submersível elétrica (ESP) devido a sobrecargas relacionadas à presença de areia e outros sólidos, além de aumentar a disponibilidade da ESP para melhorar a produção. O sistema de proteção da bomba é suspenso na extremidade inferior da coluna de bombas submersíveis elétricas. Os resultados obtidos no poço de petróleo demonstram desempenho estável da bomba, redução da vibração e da intensidade da corrente, além da eficácia da tecnologia de proteção da bomba. Após a instalação do novo sistema, o tempo de inatividade relacionado à presença de areia e outros sólidos foi reduzido em 75% e a vida útil da bomba aumentou em mais de 22%.
Um sistema ESP foi instalado em um novo poço de perfuração e fraturamento no Condado de Martin, Texas. A porção vertical do poço tem aproximadamente 9.000 pés e a porção horizontal se estende até 12.000 pés, profundidade medida (MD). Nas duas primeiras completações, um sistema separador de areia por vórtice de fundo de poço com seis conexões de revestimento foi instalado como parte integrante da completação do ESP. Em duas instalações consecutivas utilizando o mesmo tipo de separador de areia, observou-se comportamento instável dos parâmetros operacionais do ESP (intensidade da corrente e vibração). A análise de desmontagem da unidade ESP removida revelou que o conjunto do separador de gás por vórtice estava obstruído com matéria estranha, que foi identificada como areia por ser não magnética e não reagir quimicamente com ácido.
Na terceira instalação de ESP, a tela de arame de aço inoxidável substituiu o separador de areia como meio de controle de areia da ESP. Após a instalação do novo sistema de proteção da bomba, a ESP apresentou um comportamento mais estável, reduzindo a faixa de flutuações da corrente do motor de ~19 A na instalação nº 2 para ~6,3 A na instalação nº 3. A vibração está mais estável e a tendência foi reduzida em 75%. A queda de pressão também se estabilizou, flutuando muito pouco em comparação com a instalação anterior e apresentando um ganho adicional de 100 psi na queda de pressão. Os desligamentos por sobrecarga da ESP foram reduzidos em 100% e a ESP opera com baixa vibração.
Poço B. Em um poço próximo a Eunice, Novo México, outro poço não convencional tinha uma bomba submersível elétrica (ESP) instalada, mas sem proteção para a bomba. Após a descida inicial da bomba, a ESP começou a apresentar comportamento errático. Flutuações na corrente e na pressão estão associadas a picos de vibração. Após manter essas condições por 137 dias, a ESP falhou e uma substituta foi instalada. A segunda instalação inclui um novo sistema de proteção para a bomba com a mesma configuração de ESP. Após o poço retomar a produção, a ESP estava operando normalmente, com amperagem estável e menos vibração. No momento da publicação, a segunda instalação da ESP havia atingido mais de 300 dias de operação, uma melhoria significativa em relação à instalação anterior.
O terceiro poço com o sistema instalado foi em Mentone, Texas, por uma empresa especializada em petróleo e gás que enfrentava interrupções e falhas em bombas submersíveis elétricas (ESP) devido à produção de areia e buscava melhorar o tempo de atividade das bombas. Normalmente, as operadoras utilizam separadores de areia de fundo de poço com revestimento em cada poço com ESP. No entanto, quando o revestimento se enche de areia, o separador permite que a areia flua pela seção da bomba, corroendo o estágio, os rolamentos e o eixo, resultando em perda de capacidade de bombeio. Após a implementação do novo sistema com o protetor de bomba, a ESP apresentou uma vida útil 22% maior, com uma queda de pressão mais estável e maior tempo de atividade relacionado à ESP.
O número de paradas programadas relacionadas a areia e sólidos durante a operação diminuiu 75%, de 8 eventos de sobrecarga na primeira instalação para dois na segunda, e o número de reinicializações bem-sucedidas após a parada por sobrecarga aumentou 30%, de 8 na primeira instalação. Um total de 12 eventos, em comparação com um total de 8 eventos na primeira instalação, foram realizados na segunda, reduzindo o estresse elétrico no equipamento e aumentando a vida útil operacional do ESP.
A Figura 5 mostra o aumento repentino na assinatura de pressão de entrada (azul) quando a malha de aço inoxidável é bloqueada e o conjunto da válvula é aberto. Essa assinatura de pressão pode melhorar ainda mais a eficiência da produção, prevendo falhas do subesterificador rápido (ESP) relacionadas à areia, permitindo o planejamento de operações de substituição com sondas de intervenção.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Análise experimental de tubo de vórtice como dispositivo de desarenador de fundo de poço”, SPE Paper 94673-MS, apresentado na Conferência de Engenharia de Petróleo da SPE América Latina e Caribe, Rio de Janeiro, Brasil, 20 de junho a 23 de fevereiro de 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Este artigo contém elementos do artigo SPE 207926-MS, apresentado na Exposição e Conferência Internacional de Petróleo de Abu Dhabi, em Abu Dhabi, Emirados Árabes Unidos, de 15 a 18 de novembro de 2021.
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