Componentele de protecție a pompelor s-au dovedit a proteja pompele de nisip și a prelungi durata de viață operațională a electroforetelor electrostatice (ESP) în puțuri neconvenționale. Această soluție controlează refluxul nisipului de fracturare și al altor solide care pot provoca supraîncărcări și timpi de nefuncționare. Tehnologia care permite acest lucru elimină problemele asociate cu incertitudinea distribuției dimensiunii particulelor.
Pe măsură ce tot mai multe puțuri de petrol se bazează pe ESP-uri, extinderea duratei de viață a sistemelor de pompare electrică submersibilă (ESP) devine din ce în ce mai importantă. Durata de viață a pompelor de ridicare artificială și performanța acestora sunt sensibile la solidele din fluidele produse. Durata de viață a pompelor și performanța ESP-ului au scăzut semnificativ odată cu creșterea particulelor solide. În plus, solidele cresc timpul de nefuncționare a sondei și frecvența lucrărilor reparatorii necesare pentru înlocuirea ESP-ului.
Particulele solide care curg adesea prin pompele artificiale de ridicare includ nisipul de formațiune, agenții de susținere pentru fracturare hidraulică, cimentul și particulele metalice erodate sau corodate. Tehnologiile de fond concepute pentru separarea solidelor variază de la cicloane cu eficiență redusă până la plasă de sârmă din oțel inoxidabil 3D de înaltă eficiență. Desansatoarele vortex de fond au fost utilizate în puțurile convenționale timp de decenii și sunt utilizate în principal pentru a proteja pompele de particule mari în timpul producției. Cu toate acestea, puțurile neconvenționale sunt supuse unui flux intermitent de slug, ceea ce duce la faptul că tehnologia existentă de separare vortex de fond funcționează doar intermitent.
Au fost propuse mai multe variante diferite de ecrane combinate de control al nisipului și dezabisatoare vortex în fundul puțului pentru a proteja ESP-urile. Cu toate acestea, există lacune în ceea ce privește protecția și performanța de producție a tuturor pompelor din cauza incertitudinii privind distribuția dimensiunilor și volumul solidelor produse de fiecare puț. Incertitudinea crește lungimea componentelor de control al nisipului, reducând astfel adâncimea la care poate fi amplasat ESP-ul, limitând potențialul de declin al rezervorului ESP-ului și având un impact negativ asupra economiei puțului. Adâncimile de amplasare mai adânci sunt preferate în puțurile neconvenționale. Cu toate acestea, utilizarea dezabisatoarelor și a ancorelor de noroi cu dop mascul pentru a suspenda ansambluri lungi și rigide de control al nisipului în secțiuni de carcasă cu severitate ridicată a dogleg-urilor a limitat îmbunătățirile MTBF al ESP-ului. Coroziunea tubului interior este un alt aspect al acestui design care nu a fost evaluat în mod adecvat.
Autorii unei lucrări din 2005 au prezentat rezultatele experimentale ale unui separator de nisip în gaură bazat pe un tub ciclon (Figura 1), care depindea de acțiunea ciclonului și de gravitație, pentru a demonstra că eficiența separării depinde de vâscozitatea uleiului, debitul și dimensiunea particulelor. Aceștia arată că eficiența separatorului depinde în mare măsură de viteza terminală a particulelor. Eficiența separării scade odată cu scăderea debitului, scăderea dimensiunii particulelor solide și creșterea vâscozității uleiului, Figura 2. Pentru un separator tipic în gaură cu tub ciclon, eficiența separării scade la ~10% pe măsură ce dimensiunea particulelor scade la ~100 µm. În plus, pe măsură ce debitul crește, separatorul vortex este supus uzurii prin eroziune, ceea ce afectează durata de viață a componentelor structurale.
Următoarea alternativă logică este utilizarea unei site de control 2D a nisipului cu o lățime definită a fantei. Dimensiunea și distribuția particulelor sunt aspecte importante la selectarea sitelor pentru filtrarea solidelor în producția convențională sau neconvențională a sondelor, dar acestea pot fi necunoscute. Solidele pot proveni din rezervor, dar pot varia de la o zonă la alta; alternativ, este posibil ca sita să fie nevoită să filtreze nisipul provenit din fracturarea hidraulică. În ambele cazuri, costul colectării, analizei și testării solidelor poate fi prohibitiv.
Dacă sita 2D a tuburilor nu este configurată corect, rezultatele pot compromite economia sondei. Deschiderile prea mici ale sitei de nisip pot duce la blocarea prematură, opriri și la necesitatea unor lucrări de remediere. Dacă sunt prea mari, permit solidelor să intre liber în procesul de producție, ceea ce poate coroda conductele de petrol, deteriora pompele de pompare artificială, spăla obturatoarele de suprafață și umple separatoarele de suprafață, necesitând sablare și eliminare. Această situație necesită o soluție simplă și rentabilă, care poate prelungi durata de viață a pompei și poate acoperi o gamă largă de dimensiuni ale nisipului.
Pentru a satisface această nevoie, a fost realizat un studiu privind utilizarea ansamblurilor de valve în combinație cu plasă de sârmă din oțel inoxidabil, care este insensibilă la distribuția solidelor rezultate. Studiile au arătat că plasa de sârmă din oțel inoxidabil cu dimensiune variabilă a porilor și structură 3D poate controla eficient solidele de diferite dimensiuni fără a cunoaște distribuția dimensiunii particulelor solidelor rezultate. Plasa de sârmă 3D din oțel inoxidabil poate controla eficient granulele de nisip de toate dimensiunile, fără a fi nevoie de filtrare secundară suplimentară.
Un ansamblu de supape montat pe partea inferioară a sitei permite continuarea producției până când ESP-ul este scos. Acesta previne recuperarea ESP-ului imediat după ce sita este acoperită. Sita de control al nisipului de admisie și ansamblul de supape rezultat protejează ESP-urile, pompele de ridicare a tijei și completarile de ridicare a gazului de solide în timpul producției prin curățarea fluxului de fluid și oferă o soluție rentabilă pentru a prelungi durata de viață a pompei fără a fi nevoie să adaptați caracteristicile rezervorului pentru diferite situații.
Design de protecție a pompelor de primă generație. Un ansamblu de protecție a pompelor care utilizează site din lână de oțel inoxidabil a fost implementat într-un puț de drenaj gravitațional asistat cu abur în vestul Canadei pentru a proteja ESP-ul de solide în timpul producției. Sitele filtrează solidele dăunătoare din fluidul de producție pe măsură ce acesta intră în garnitura de producție. În cadrul garniturii de producție, fluidele curg către orificiul de admisie ESP, unde sunt pompate la suprafață. Pacherele pot fi amplasate între sită și ESP pentru a asigura izolarea zonală între zona de producție și gaura superioară a sondei.
În timpul producției, spațiul inelar dintre sită și tubaj tinde să se acopere cu nisip, ceea ce crește rezistența la curgere. În cele din urmă, spațiul inelar se acoperă complet, oprește curgerea și creează o diferență de presiune între gaura de sondă și garnitura de producție, așa cum se arată în Figura 3. În acest moment, fluidul nu mai poate curge către ESP și garnitura de completare trebuie trasă. În funcție de o serie de variabile legate de producția de solide, durata necesară pentru oprirea curgerii prin puntea de solide de pe sită poate fi mai mică decât durata care ar permite ESP să pompeze fluidul încărcat cu solide în timpul mediu dintre defecțiuni la sol, astfel încât a fost dezvoltată a doua generație de componente.
Ansamblul de protecție a pompei de a doua generație. Sistemul de ecran de control al nisipului la intrarea PumpGuard* și ansamblul supapei este suspendat sub pompa REDA* din Figura 4, un exemplu de finalizare ESP neconvențională. Odată ce sonda produce, ecranul filtrează solidele aflate în producție, dar va începe să se unească lent cu nisipul și să creeze un diferențial de presiune. Când această presiune diferențială atinge presiunea de rupere setată a supapei, supapa se deschide, permițând fluidului să curgă direct în garnitura de tubulatură către ESP. Acest flux egalizează diferențialul de presiune pe ecran, slăbind strânsoarea sacilor de nisip de pe exteriorul sitei. Nisipul este liber să iasă din inel, ceea ce reduce rezistența la curgere prin ecran și permite reluarea curgerii. Pe măsură ce presiunea diferențială scade, supapa revine la poziția închisă și se reiau condițiile normale de curgere. Repetați acest ciclu până când este necesar să scoateți ESP-ul din gaură pentru service. Studiile de caz evidențiate în acest articol demonstrează că sistemul este capabil să prelungească semnificativ durata de viață a pompei în comparație cu funcționarea exclusivă a finalizării prin screening.
Pentru instalarea recentă, a fost introdusă o soluție bazată pe costuri pentru izolarea zonei dintre plasa de sârmă din oțel inoxidabil și ESP. Deasupra secțiunii sitei este montat un packer cu cupe orientat în jos. Deasupra packerului cu cupe, perforațiile suplimentare ale tubului central asigură o cale de curgere pentru ca fluidul produs să migreze din interiorul sitei către spațiul inelar de deasupra packerului, unde fluidul poate intra în orificiul de admisie ESP.
Filtrul din plasă de sârmă din oțel inoxidabil ales pentru această soluție oferă mai multe avantaje față de tipurile de plasă 2D bazate pe goluri. Filtrele 2D se bazează în principal pe particule care se întind peste golurile sau fantele filtrului pentru a construi saci de nisip și a oferi controlul nisipului. Cu toate acestea, deoarece se poate selecta o singură valoare a golului pentru sită, aceasta devine foarte sensibilă la distribuția dimensiunii particulelor din fluidul produs.
În schimb, patul gros de plasă al filtrelor din plasă de sârmă din oțel inoxidabil oferă o porozitate ridicată (92%) și o suprafață mare de curgere deschisă (40%) pentru fluidul din puț produs. Filtrul este construit prin comprimarea unei plase din lână de oțel inoxidabil și înfășurarea acesteia direct în jurul unui tub central perforat, apoi încapsularea acesteia într-un capac protector perforat care este sudat la tubul central la fiecare capăt. Distribuția porilor în patul de plasă, orientarea unghiulară neuniformă (variind de la 15 µm la 600 µm) permite particulelor fine inofensive să curgă de-a lungul unei căi de curgere 3D către tubul central după ce particulele mai mari și dăunătoare sunt prinse în plasă. Testele de retenție a nisipului pe eșantioane din această sită au demonstrat că filtrul menține o permeabilitate ridicată deoarece fluidul este generat prin sită. Practic, acest filtru de „dimensiune” unică poate gestiona toate distribuțiile de dimensiuni ale particulelor fluidelor produse întâlnite. Această sită din lână de oțel inoxidabil a fost dezvoltată de un operator important în anii 1980 special pentru completări de site autonome în rezervoare stimulate cu abur și are un istoric extins de instalări de succes.
Ansamblul de supape constă dintr-o supapă acționată de un arc care permite curgerea într-un singur sens în garnitura de tubulatură din zona de producție. Prin ajustarea preîncărcării arcului elicoidal înainte de instalare, supapa poate fi personalizată pentru a atinge presiunea de rupere dorită pentru aplicație. De obicei, o supapă este amplasată sub plasa de sârmă din oțel inoxidabil pentru a asigura o cale de curgere secundară între rezervor și ESP. În unele cazuri, mai multe supape și plase din oțel inoxidabil funcționează în serie, supapa din mijloc având o presiune de rupere mai mică decât supapa de jos.
În timp, particulele de formare umplu zona inelară dintre suprafața exterioară a ansamblului ecranului protector al pompei și peretele carcasei de producție. Pe măsură ce cavitatea se umple cu nisip și particulele se consolidează, scăderea de presiune pe sacul de nisip crește. Când această scădere de presiune atinge o valoare prestabilită, supapa conică se deschide și permite curgerea directă prin orificiul de admisie al pompei. În această etapă, curgerea prin conductă este capabilă să spargă nisipul consolidat anterior de-a lungul exteriorului filtrului cu sită. Datorită diferenței de presiune reduse, curgerea se va relua prin sită, iar supapa de admisie se va închide. Prin urmare, pompa poate vedea curgerea directă de la supapă doar pentru o perioadă scurtă de timp. Acest lucru prelungește durata de viață a pompei, deoarece cea mai mare parte a debitului este fluidul filtrat prin sita de nisip.
Sistemul de protecție a pompei a fost operat cu packere în trei puțuri diferite din bazinul Delaware din Statele Unite. Scopul principal este de a reduce numărul de porniri și opriri ale ESP-urilor din cauza supraîncărcărilor legate de nisip și de a crește disponibilitatea ESP-urilor pentru a îmbunătăți producția. Sistemul de protecție a pompei este suspendat de capătul inferior al garniturii ESP. Rezultatele sondei de petrol arată o performanță stabilă a pompei, vibrații și intensitate a curentului reduse, precum și tehnologie de protecție a pompei. După instalarea noului sistem, timpul de nefuncționare legat de nisip și solide a fost redus cu 75%, iar durata de viață a pompei a crescut cu peste 22%.
Un puț. Un sistem ESP a fost instalat într-un nou puț de foraj și fracturare din comitatul Martin, Texas. Porțiunea verticală a puțului are aproximativ 9.000 de picioare, iar porțiunea orizontală se extinde până la 12.000 de picioare, adâncime măsurată (MD). Pentru primele două completări, a fost instalat un sistem separator de nisip vortex în fundul puțului cu șase conexiuni de căptușeală, ca parte integrantă a completării ESP. Pentru două instalări consecutive care au utilizat același tip de separator de nisip, s-a observat un comportament instabil al parametrilor de funcționare ai ESP (intensitatea curentului și vibrațiile). Analiza de demontare a unității ESP scoase a relevat că ansamblul separatorului de gaz vortex era înfundat cu corpuri străine, despre care s-a determinat că este nisip, deoarece este nemagnetic și nu reacționează chimic cu acidul.
În cea de-a treia instalație ESP, plasa de sârmă din oțel inoxidabil a înlocuit separatorul de nisip ca mijloc de control al nisipului ESP. După instalarea noului sistem de protecție a pompei, ESP-ul a prezentat un comportament mai stabil, reducând intervalul fluctuațiilor de curent ale motorului de la ~19 A pentru instalația nr. 2 la ~6,3 A pentru instalația nr. 3. Vibrațiile sunt mai stabile, iar tendința este redusă cu 75%. Căderea de presiune a fost, de asemenea, stabilă, fluctuând foarte puțin în comparație cu instalația anterioară și a câștigat o cădere de presiune suplimentară de 100 psi. Opririle la suprasarcină ale ESP-ului sunt reduse cu 100%, iar ESP-ul funcționează cu vibrații reduse.
Sonda B. Într-o sondă de lângă Eunice, New Mexico, o altă sondă neconvențională avea instalat un ESP, dar fără protecție la pompă. După demarajul inițial, ESP-ul a început să prezinte un comportament neregulat. Fluctuațiile curentului și presiunii sunt asociate cu vârfuri de vibrații. După menținerea acestor condiții timp de 137 de zile, ESP-ul s-a defectat și a fost instalat un înlocuitor. A doua instalare include un nou sistem de protecție a pompei cu aceeași configurație ESP. După ce sonda a reluat producția, ESP-ul funcționa normal, cu amperaj stabil și mai puține vibrații. La momentul publicării, a doua rundă de ESP a atins peste 300 de zile de funcționare, o îmbunătățire semnificativă față de instalarea anterioară.
Sonda C. A treia instalare la fața locului a sistemului a fost în Mentone, Texas, de către o companie specializată în petrol și gaze care a întâmpinat întreruperi și defecțiuni ale ESP-urilor din cauza producției de nisip și a dorit să îmbunătățească timpul de funcționare al pompei. Operatorii utilizează de obicei separatoare de nisip în fundul puțului cu căptușeală în fiecare sondă ESP. Cu toate acestea, odată ce căptușeala se umple cu nisip, separatorul va permite nisipului să curgă prin secțiunea pompei, corodând treapta pompei, rulmenții și arborele, rezultând o pierdere a portanței. După funcționarea noului sistem cu protectorul pompei, ESP-ul are o durată de viață cu 22% mai lungă, cu o cădere de presiune mai stabilă și un timp de funcționare mai bun legat de ESP.
Numărul de opriri din funcționare legate de nisip și solide a scăzut cu 75%, de la 8 evenimente de suprasarcină în prima instalație la două în a doua instalație, iar numărul de reporniri reușite după oprirea din suprasarcină a crescut cu 30%, de la 8 în prima instalație. Un total de 12 evenimente, pentru un total de 8 evenimente, au fost efectuate în instalația secundară, reducând solicitarea electrică asupra echipamentului și crescând durata de viață operațională a ESP-ului.
Figura 5 prezintă creșterea bruscă a presiunii de admisie (albastră) atunci când plasa din oțel inoxidabil este blocată și ansamblul supapei este deschis. Această presiune poate îmbunătăți și mai mult eficiența producției prin prezicerea defecțiunilor ESP legate de nisip, astfel încât operațiunile de înlocuire cu instalații de reparații.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Analiza experimentală a tubului turbionar ca dispozitiv de desanșare în gaură”, SPE Paper 94673-MS, prezentată la Conferința SPE de Inginerie Petrolieră din America Latină și Caraibe, Rio de Janeiro, Brazilia, 20 iunie – 23 februarie 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Acest articol conține elemente din lucrarea SPE 207926-MS, prezentată la Expoziția și Conferința Internațională de Petrol din Abu Dhabi, Emiratele Arabe Unite, 15-18 noiembrie 2021.
Toate materialele sunt supuse legilor stricte privind drepturile de autor, vă rugăm să citiți Termenii și condițiile noastre, Politica privind modulele cookie și Politica de confidențialitate înainte de a utiliza acest site.