Компоненты защиты насосов доказали свою эффективность в защите насосов от песка и продлении срока службы электростатических погружных насосов в нетрадиционных скважинах. Это решение контролирует обратный поток фракционного песка и других твердых частиц, которые могут вызывать перегрузки и простои. Предлагаемая технология устраняет проблемы, связанные с неопределенностью распределения частиц по размерам.
Поскольку все больше нефтяных скважин используют электропогружные насосы (ЭПН), продление срока службы этих систем становится все более важным. Срок службы и производительность насосов искусственного подъема чувствительны к содержанию твердых частиц в добываемой жидкости. Срок службы и производительность ЭПН значительно снижаются с увеличением количества твердых частиц. Кроме того, твердые частицы увеличивают время простоя скважины и частоту капитального ремонта, необходимого для замены ЭПН.
К твердым частицам, часто проходящим через насосы искусственного подъема, относятся пластовый песок, расклинивающие материалы для гидроразрыва пласта, цемент и частицы эрозии или коррозии металла. Технологии, предназначенные для отделения твердых частиц в скважинах, варьируются от малоэффективных циклонов до высокоэффективной трехмерной сетки из нержавеющей стали. Вихревые пескоотделители в скважинах используются в обычных скважинах уже несколько десятилетий и в основном предназначены для защиты насосов от крупных частиц во время добычи. Однако в нетрадиционных скважинах наблюдается прерывистый импульсный поток, в результате чего существующие технологии вихревых сепараторов в скважинах работают только с перебоями.
Для защиты электронасосов было предложено несколько различных вариантов комбинированных пескоотводящих сеток и вихревых пескоотделителей, устанавливаемых в скважине. Однако существуют пробелы в защите и производительности всех насосов из-за неопределенности в распределении размеров и объеме твердых частиц, добываемых каждой скважиной. Неопределенность увеличивает длину пескоотводящих компонентов, тем самым уменьшая глубину установки электронасоса, ограничивая потенциал снижения производительности электронасоса в пласте и негативно влияя на экономику скважины. В нетрадиционных скважинах предпочтительнее более глубокие глубины установки. Однако использование пескоотделителей и анкеров с заглушками для подвешивания длинных жестких пескоотводящих узлов в обсадных трубах с высокой степенью изгиба ограничивает улучшение показателя MTBF (среднее время безотказной работы) электронасосов. Коррозия внутренней трубы — еще один аспект этой конструкции, который не был должным образом оценен.
Авторы статьи 2005 года представили экспериментальные результаты работы скважинного пескоотделителя на основе циклонной трубки (рис. 1), работа которого зависела от действия циклона и силы тяжести, чтобы показать, что эффективность разделения зависит от вязкости нефти, расхода и размера частиц. Они показали, что эффективность сепаратора в значительной степени зависит от конечной скорости частиц. Эффективность разделения снижается с уменьшением расхода, уменьшением размера твердых частиц и увеличением вязкости нефти (рис. 2). Для типичного скважинного сепаратора с циклонной трубкой эффективность разделения падает до ~10% при уменьшении размера частиц до ~100 мкм. Кроме того, с увеличением расхода вихревой сепаратор подвергается эрозионному износу, что влияет на срок службы конструктивных элементов.
Следующая логическая альтернатива — использование двухмерного фильтра для контроля песка с заданной шириной щелей. Размер и распределение частиц являются важными факторами при выборе фильтров для твердых частиц в традиционных или нетрадиционных скважинах, но они могут быть неизвестны. Твердые частицы могут поступать из пласта, но их состав может варьироваться от одной части скважины к другой; в качестве альтернативы, фильтр может потребоваться для фильтрации песка, образующегося при гидроразрыве пласта. В любом случае, стоимость сбора, анализа и тестирования твердых частиц может быть непомерно высокой.
Если двухмерный фильтр для труб настроен неправильно, это может негативно сказаться на экономической эффективности скважины. Слишком маленькие отверстия фильтра могут привести к преждевременному засорению, остановкам добычи и необходимости проведения ремонтных работ. Если же отверстия слишком большие, они позволяют твердым частицам свободно попадать в технологический процесс добычи, что может вызвать коррозию нефтепроводов, повредить насосы искусственного подъема, вымыть поверхностные засоры и заполнить поверхностные сепараторы, требуя пескоструйной обработки и утилизации. В этой ситуации необходимо простое и экономически эффективное решение, которое позволит продлить срок службы насоса и работать с широким диапазоном размеров частиц песка.
Для удовлетворения этой потребности было проведено исследование использования клапанных узлов в сочетании с сеткой из нержавеющей стали, нечувствительной к распределению образующихся твердых частиц. Исследования показали, что сетка из нержавеющей стали с переменным размером пор и трехмерной структурой может эффективно контролировать твердые частицы различных размеров, не зная распределения частиц по размерам. Трехмерная сетка из нержавеющей стали может эффективно контролировать песчинки всех размеров без необходимости дополнительной вторичной фильтрации.
Клапанный узел, установленный в нижней части фильтра, позволяет продолжать добычу до тех пор, пока электростатический погружной насос (ЭПН) не будет извлечен. Он предотвращает извлечение ЭПН сразу после засорения фильтра. Полученный в результате фильтр для контроля песка на входе и клапанный узел защищают ЭПН, штанговые насосы и газоподъемные системы от твердых частиц во время добычи, очищая поток жидкости, и обеспечивают экономически эффективное решение для продления срока службы насоса без необходимости адаптации характеристик пласта к различным условиям.
Конструкция защиты насоса первого поколения. В скважине с паровым гравитационным дренажем в Западной Канаде была установлена ​​система защиты насоса с использованием сеток из нержавеющей стали для защиты электронасоса от твердых частиц во время добычи. Сетки фильтруют вредные твердые частицы из добываемой жидкости при ее поступлении в добывающую колонну. Внутри добывающей колонны жидкости поступают на вход электронасоса, откуда они перекачиваются на поверхность. Между сеткой и электронасосом могут быть установлены пакеры для обеспечения зональной изоляции между зоной добычи и верхней частью скважины.
В процессе эксплуатации кольцевое пространство между сеткой и обсадной трубой имеет тенденцию забиваться песком, что увеличивает сопротивление потоку. В конечном итоге кольцевое пространство полностью забивается песком, поток прекращается, и возникает перепад давления между стволом скважины и эксплуатационной колонной, как показано на рисунке 3. В этот момент жидкость больше не может поступать к электронасосу, и обсадную колонну необходимо извлечь. В зависимости от ряда переменных, связанных с добычей твердых частиц, время, необходимое для прекращения потока через забитый твердыми частицами мостик на сетке, может быть меньше, чем время, которое позволило бы электронасосу перекачивать жидкость, содержащую твердые частицы, в среднем за время между отказами на грунт, поэтому было разработано второе поколение компонентов.
Система защиты насоса второго поколения. Система фильтрации песка и клапанов PumpGuard* на входе подвешена под насосом REDA* на рисунке 4, что является примером нетрадиционной конструкции погружного электронасоса (ЭНСО). После начала добычи сетка фильтрует твердые частицы, но постепенно начинает образовывать перемычки с песком, создавая перепад давления. Когда этот перепад давления достигает заданного давления открытия клапана, клапан открывается, позволяя жидкости поступать непосредственно в трубную колонну к ЭНСО. Этот поток выравнивает перепад давления на сетке, ослабляя сцепление мешков с песком на внешней стороне сетки. Песок может свободно выходить из затрубного пространства, что снижает сопротивление потоку через сетку и позволяет возобновить поток. По мере падения перепада давления клапан возвращается в закрытое положение, и возобновляются нормальные условия потока. Повторяйте этот цикл до тех пор, пока не потребуется извлечь ЭНСО из скважины для обслуживания. Примеры, описанные в этой статье, демонстрируют, что система способна значительно продлить срок службы насоса по сравнению с использованием только фильтрующей конструкции.
Для недавно установленного оборудования было предложено экономичное решение для изоляции зоны между сеткой из нержавеющей стали и электростатическим фильтром. Над секцией сетки установлен направленный вниз чашечный пакер. Над чашечным пакером дополнительные перфорации в центральной трубке обеспечивают путь для миграции добываемой жидкости из внутренней части сетки в кольцевое пространство над пакером, где жидкость может поступать на вход электростатического фильтра.
Выбранный для этого решения фильтр из нержавеющей стальной проволоки обладает рядом преимуществ по сравнению с двухмерными сетками с зазорами. Двухмерные фильтры в основном полагаются на частицы, заполняющие зазоры или щели фильтра, для создания мешков с песком и обеспечения контроля за песком. Однако, поскольку для сетки можно выбрать только одно значение зазора, сетка становится очень чувствительной к распределению частиц по размерам добываемой жидкости.
В отличие от этого, толстый слой сетки фильтров из нержавеющей стали обеспечивает высокую пористость (92%) и большую площадь открытого потока (40%) для добываемой жидкости из скважины. Фильтр изготавливается путем сжатия сетки из нержавеющей стали и ее обертывания непосредственно вокруг перфорированной центральной трубки, а затем заключения в перфорированную защитную крышку, приваренную к центральной трубке с каждого конца. Распределение пор в слое сетки, неравномерная угловая ориентация (от 15 мкм до 600 мкм) позволяет безвредным мелким частицам течь по трехмерному пути потока к центральной трубке после того, как более крупные и вредные частицы задерживаются внутри сетки. Испытания на удержание песка на образцах этого сита показали, что фильтр сохраняет высокую проницаемость, поскольку жидкость поступает через сито. Фактически, этот фильтр одного «размера» может обрабатывать все распределения размеров частиц добываемой жидкости. Это сито из нержавеющей стали было разработано крупным оператором в 1980-х годах специально для автономных сит. Компания имеет опыт работ по завершению скважин в пластах, стимулируемых паром, и обладает обширным опытом успешных установок.
Клапанный узел состоит из подпружиненного клапана, обеспечивающего односторонний поток в трубную колонну из зоны добычи. Путем регулировки предварительной нагрузки пружины перед установкой клапан можно настроить для достижения желаемого давления открытия в зависимости от области применения. Как правило, клапан устанавливается под сеткой из нержавеющей стали для обеспечения вторичного пути потока между резервуаром и электростатическим фильтром. В некоторых случаях несколько клапанов и сеток из нержавеющей стали работают последовательно, при этом средний клапан имеет более низкое давление открытия, чем нижний клапан.
Со временем частицы пласта заполняют кольцевое пространство между внешней поверхностью сетки защитного узла насоса и стенкой эксплуатационной обсадной трубы. По мере заполнения полости песком и уплотнения частиц, перепад давления на мешке с песком увеличивается. Когда этот перепад давления достигает заданного значения, конусный клапан открывается и пропускает поток непосредственно через входное отверстие насоса. На этом этапе поток через трубу способен разрушить ранее уплотненный песок вдоль внешней поверхности сетчатого фильтра. Из-за уменьшения перепада давления поток возобновится через сетку, и впускной клапан закроется. Поэтому насос может видеть поток непосредственно от клапана только в течение короткого периода времени. Это продлевает срок службы насоса, поскольку большая часть потока представляет собой жидкость, отфильтрованную через песчаную сетку.
Система защиты насоса эксплуатировалась с использованием пакеров на трех разных скважинах в Делавэрском бассейне в США. Главная цель — сократить количество запусков и остановок электронасосов из-за перегрузок, связанных с песком, и повысить доступность электронасосов для улучшения добычи. Система защиты насоса подвешена к нижнему концу колонны электронасосов. Результаты работы на нефтяной скважине показывают стабильную работу насоса, снижение вибрации и интенсивности тока, а также эффективность технологии защиты насоса. После установки новой системы время простоя, связанное с песком и твердыми частицами, сократилось на 75%, а срок службы насоса увеличился более чем на 22%.
В новой буровой скважине в округе Мартин, штат Техас, была установлена ​​система электростатического осадителя (ЭСО). Вертикальная часть скважины составляет приблизительно 9000 футов, а горизонтальная — 12000 футов (измеренная глубина). Для первых двух работ по заканчиванию скважины в качестве неотъемлемой части системы ЭСО была установлена ​​внутрискважинная вихревая система пескоотделения с шестью соединениями обсадной трубы. При двух последовательных установках с использованием одного и того же типа пескоотделителя наблюдалось нестабильное поведение рабочих параметров ЭСО (сила тока и вибрация). Анализ демонтажа извлеченного блока ЭСО показал, что вихревой газоотделитель был забит посторонними частицами, которые были идентифицированы как песок, поскольку он немагнитен и не вступает в химическую реакцию с кислотой.
В третьей установке электростатического фильтра (ЭСФ) пескоотделитель был заменен сеткой из нержавеющей стали. После установки новой системы защиты насоса ЭСФ продемонстрировал более стабильную работу, снизив диапазон колебаний тока двигателя с ~19 А для установки №2 до ~6,3 А для установки №3. Вибрация стала более стабильной, и тенденция к снижению снизилась на 75%. Падение давления также стало стабильным, колеблясь очень мало по сравнению с предыдущей установкой, и увеличилось на 100 psi. Количество отключений из-за перегрузки ЭСФ сократилось на 100%, и ЭСФ работает с низкой вибрацией.
Скважина B. В одной из скважин недалеко от Юнис, штат Нью-Мексико, на другой нетрадиционной скважине был установлен электростатический погружной насос (ЭНН), но отсутствовала защита насоса. После первоначального падения уровня воды ЭНН начал демонстрировать нестабильное поведение. Колебания тока и давления связаны с пиками вибрации. После поддержания этих условий в течение 137 дней ЭНН вышел из строя, и была установлена ​​замена. Вторая установка включает в себя новую систему защиты насоса с той же конфигурацией ЭНН. После возобновления добычи из скважины ЭНН работал нормально, со стабильным током и меньшей вибрацией. На момент публикации второй цикл работы ЭНН достиг более 300 дней, что является значительным улучшением по сравнению с предыдущей установкой.
Скважина C. Третья установка системы на объекте была произведена в Ментоне, штат Техас, специализированной нефтегазовой компанией, которая столкнулась с перебоями в работе и отказами погружных электронасосов из-за выноса песка и хотела повысить время безотказной работы насоса. Обычно операторы устанавливают в каждой скважине с погружным пескоотделителем с футеровкой. Однако, как только футеровка заполнится песком, сепаратор позволит песку протекать через секцию насоса, вызывая коррозию ступени насоса, подшипников и вала, что приведет к снижению напора. После эксплуатации новой системы с защитой насоса срок службы погружного электронасоса увеличился на 22%, а перепад давления стал более стабильным, что повысило время безотказной работы погружного электронасоса.
Количество остановок, связанных с песком и твердыми частицами, во время работы сократилось на 75% (с 8 случаев перегрузки на первой установке до двух на второй), а количество успешных перезапусков после остановки из-за перегрузки увеличилось на 30% (с 8 на первой установке). На вторичной установке было выполнено в общей сложности 12 таких остановок, что снизило электрическую нагрузку на оборудование и увеличило срок службы электростатического фильтра.
На рисунке 5 показано резкое увеличение давления на входе (синяя линия), возникающее при блокировке сетки из нержавеющей стали и открытии клапанного узла. Эта характеристика давления может дополнительно повысить эффективность добычи за счет прогнозирования отказов электростатических фильтров, связанных с песком, что позволит планировать операции по замене с использованием ремонтных установок.
1. Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, «Экспериментальный анализ вихревой трубки как устройства для удаления песка из скважины», доклад SPE 94673-MS, представленный на конференции SPE по нефтеинженерному делу в Латинской Америке и Карибском бассейне, Рио-де-Жанейро, Бразилия, 20 июня – 23 февраля 2005 г. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Данная статья содержит фрагменты доклада SPE 207926-MS, представленного на Международной нефтегазовой выставке и конференции в Абу-Даби, ОАЭ, 15-18 ноября 2021 года.
Все материалы защищены строгим законодательством об авторском праве. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими Условиями использования, Политикой использования файлов cookie и Политикой конфиденциальности перед использованием данного сайта.