Osvedčené je, že komponenty na ochranu čerpadiel chránia čerpadlá pred pieskom a predlžujú životnosť elektrostatických odlučovačov (ESP) v nekonvenčných vrtoch. Toto riešenie riadi spätný tok frakovaného piesku a iných pevných látok, ktoré môžu spôsobiť preťaženie a prestoje. Táto technológia eliminuje problémy spojené s neistotou v distribúcii veľkosti častíc.
Keďže sa čoraz viac ropných vrtov spolieha na elektrostatické odlučovače (ESP), predĺženie životnosti elektrických ponorných čerpacích systémov (ESP) sa stáva čoraz dôležitejším. Prevádzková životnosť a výkon čerpadiel na umelý výtlak sú citlivé na pevné látky v produkovaných kvapalinách. Prevádzková životnosť a výkon ESP sa s nárastom pevných častíc výrazne znížili. Okrem toho pevné látky zvyšujú prestoje vrtu a frekvenciu opravných prác potrebných na výmenu ESP.
Medzi pevné častice, ktoré často pretekajú cez umelé čerpadlá na ťažbu, patrí formačný piesok, propanty z hydraulického štiepenia, cement a erodované alebo skorodované kovové častice. Technológie vrtov určené na oddeľovanie pevných látok siahajú od nízkoúčinných cyklónov až po vysokoúčinné 3D drôtené pletivo z nehrdzavejúcej ocele. Vírové odpieskovače v vrtoch sa v konvenčných vrtoch používajú už desaťročia a slúžia predovšetkým na ochranu čerpadiel pred veľkými časticami počas ťažby. Nekonvenčné vrty sú však vystavené prerušovanému prúdeniu, čo má za následok, že existujúca technológia vírového odlučovača v vrtoch funguje iba prerušovane.
Na ochranu elektrostatických odlučovačov (ESP) bolo navrhnutých niekoľko rôznych variantov kombinovaných filtrov na kontrolu piesku a vírových odpieskovačov v zdolných vrtoch. V ochrane a výrobnom výkone všetkých čerpadiel však existujú medzery v dôsledku neistoty v rozložení veľkosti a objeme pevných látok produkovaných každým vrtom. Neistota zvyšuje dĺžku komponentov na kontrolu piesku, čím sa znižuje hĺbka, v ktorej je možné ESP nastaviť, čo obmedzuje potenciál poklesu ložiska ESP a negatívne ovplyvňuje ekonomiku vrtu. V nekonvenčných vrtoch sa uprednostňujú hlbšie hĺbky nastavenia. Použitie odpieskovačov a zástrčkových kotiev na kalové systémy na zavesenie dlhých, pevných zostáv na kontrolu piesku v častiach pažnice s vysokou závažnosťou doglegu však obmedzuje zlepšenie MTBF ESP. Korózia vnútornej rúry je ďalším aspektom tejto konštrukcie, ktorý nebol dostatočne vyhodnotený.
Autori článku z roku 2005 prezentovali experimentálne výsledky vrtného separátora piesku založeného na cyklónovej trubici (obrázok 1), ktorý závisel od pôsobenia cyklónu a gravitácie, aby ukázali, že účinnosť separácie závisí od viskozity oleja, prietoku a veľkosti častíc. Ukazujú, že účinnosť separátora do značnej miery závisí od koncovej rýchlosti častíc. Účinnosť separácie klesá so znižujúcim sa prietokom, znižujúcou sa veľkosťou pevných častíc a zvyšujúcou sa viskozitou oleja, obrázok 2. Pre typický vrtný separátor s cyklónovou trubicou klesá účinnosť separácie na ~10 %, keď veľkosť častíc klesne na ~100 µm. Okrem toho, so zvyšujúcim sa prietokom je vírový separátor náchylný na erózne opotrebovanie, ktoré ovplyvňuje životnosť konštrukčných komponentov.
Ďalšou logickou alternatívou je použitie 2D filtra na kontrolu piesku s definovanou šírkou štrbín. Veľkosť a distribúcia častíc sú dôležitými faktormi pri výbere filtrov na filtrovanie pevných látok pri konvenčnej alebo nekonvenčnej ťažbe z vrtov, ale nemusia byť známe. Pevné látky môžu pochádzať z ložiska, ale môžu sa líšiť od päty k päte; alternatívne môže filtrovať piesok z hydraulického štiepenia. V oboch prípadoch môžu byť náklady na zber, analýzu a testovanie pevných látok neúnosné.
Ak nie je 2D filtračná clona správne nakonfigurovaná, výsledky môžu ohroziť ekonomiku vrtu. Príliš malé otvory filtračnej clony môžu viesť k predčasnému upchatiu, odstávkam a potrebe sanačných prác. Ak sú príliš veľké, umožňujú pevným látkam voľne vstupovať do výrobného procesu, čo môže korodovať ropné potrubia, poškodiť čerpadlá umelého zdvihu, prepláchnuť povrchové tlmivky a zaplniť povrchové separátory, čo si vyžaduje pieskovanie a likvidáciu. Táto situácia si vyžaduje jednoduché a nákladovo efektívne riešenie, ktoré dokáže predĺžiť životnosť čerpadla a pokryť širokú škálu veľkostí piesku.
Na splnenie tejto potreby sa uskutočnila štúdia o použití ventilových zostáv v kombinácii s drôtenou sieťovinou z nehrdzavejúcej ocele, ktorá je necitlivá na výsledné rozloženie pevných látok. Štúdie ukázali, že drôtená sieťovina z nehrdzavejúcej ocele s premenlivou veľkosťou pórov a 3D štruktúrou dokáže účinne kontrolovať pevné látky rôznych veľkostí bez toho, aby bolo potrebné poznať rozloženie veľkosti častíc výsledných pevných látok. 3D drôtená sieťovina z nehrdzavejúcej ocele dokáže účinne kontrolovať zrná piesku všetkých veľkostí bez potreby dodatočnej sekundárnej filtrácie.
Zostava ventilu namontovaná na spodnej strane sita umožňuje pokračovanie výroby, kým sa elektrostatický odlučovač (ESP) nevytiahne. Zabraňuje okamžitému vytiahnutiu ESP po premostení sita. Výsledná zostava sita na reguláciu piesku na vstupe a ventilu chráni ESP, čerpadlá na zdvih tyčí a dokončovacie plynové zdviháky pred pevnými látkami počas výroby čistením toku kvapaliny a poskytuje nákladovo efektívne riešenie na predĺženie životnosti čerpadla bez nutnosti prispôsobovať charakteristiky zásobníka rôznym situáciám.
Prvá generácia návrhu ochrany čerpadla. Zostava ochrany čerpadla s použitím sietí z nehrdzavejúcej ocele bola nasadená v parnom gravitačnom drenážnom vrte v západnej Kanade na ochranu elektrostatického odlučovača (ESP) pred pevnými látkami počas ťažby. Sitá filtrujú škodlivé pevné látky z ťažobnej kvapaliny pri jej vstupe do ťažobného reťazca. V ťažobnom reťazci kvapaliny prúdia do vstupu ESP, odkiaľ sú čerpané na povrch. Medzi sitom a ESP je možné umiestniť tesniace vložky, ktoré zabezpečujú zónovú izoláciu medzi ťažobnou zónou a horným vrtom.
Počas doby ťažby má prstencový priestor medzi sitom a pažnicou tendenciu premosťovať sa pieskom, čo zvyšuje odpor prúdenia. Nakoniec sa prstenec úplne premostí, zastaví prúdenie a vytvorí tlakový rozdiel medzi vrtom a produkčnou kolónou, ako je znázornené na obrázku 3. V tomto bode už kvapalina nemôže prúdiť do elektrostatického odlučovača (ESP) a dokončovacia kolóna sa musí ťahať. V závislosti od množstva premenných súvisiacich s produkciou pevných látok môže byť doba potrebná na zastavenie prúdenia cez mostík pevných látok na site kratšia ako doba, ktorá by umožnila ESP prečerpať kvapalinu naloženú pevnými látkami do zeme, a preto bola vyvinutá druhá generácia komponentov.
Zostava ochrany čerpadla druhej generácie. Systém vstupnej clony na kontrolu piesku PumpGuard* a zostavy ventilu je zavesený pod čerpadlom REDA* na obrázku 4, čo je príklad nekonvenčného dokončovania elektrostatického odsávača (ESP). Keď vrt začne produkovať, clona filtruje pevné látky v produkcii, ale začne sa pomaly prekrývať s pieskom a vytvárať tlakový rozdiel. Keď tento tlakový rozdiel dosiahne nastavený otvárací tlak ventilu, ventil sa otvorí a umožní kvapaline prúdiť priamo do potrubia k ESP. Tento tok vyrovnáva tlakový rozdiel na clone, čím uvoľňuje priľnavosť vriec s pieskom na vonkajšej strane clony. Piesok sa môže voľne prelomiť z prstenca, čo znižuje odpor prúdenia cez clonu a umožňuje obnovenie prúdenia. Keď tlakový rozdiel klesne, ventil sa vráti do zatvorenej polohy a obnovia sa normálne podmienky prúdenia. Tento cyklus opakujte, kým nie je potrebné vytiahnuť ESP z vrtu kvôli servisu. Prípadové štúdie uvedené v tomto článku ukazujú, že systém je schopný výrazne predĺžiť životnosť čerpadla v porovnaní s prevádzkou samotnej clony.
Pri nedávnej inštalácii bolo zavedené nákladovo efektívne riešenie pre izoláciu oblasti medzi drôtenou sieťou z nehrdzavejúcej ocele a elektrostatickým odlučovačom (ESP). Nad sitovou časťou je namontovaný hrnčekový baliaci materiál smerujúci nadol. Nad hrnčekovým baliacim materiálom poskytujú ďalšie perforácie v stredovej rúrke dráhu prúdenia pre produkovanú kvapalinu, ktorá migruje z vnútra sita do prstencového priestoru nad baliacim materiálom, kde kvapalina môže vstúpiť do vstupu ESP.
Filter z drôteného pletiva z nehrdzavejúcej ocele zvolený pre toto riešenie ponúka oproti 2D sieťovým typom s medzerami niekoľko výhod. 2D filtre sa spoliehajú predovšetkým na častice prechádzajúce cez medzery alebo štrbiny filtra, aby vytvorili pieskové vrecia a zabezpečili kontrolu piesku. Keďže však pre sito je možné zvoliť iba jednu hodnotu medzery, sito sa stáva veľmi citlivým na rozloženie veľkosti častíc produkovanej kvapaliny.
Naproti tomu hrubé lôžko z drôtených filtrov z nehrdzavejúcej ocele poskytuje vysokú pórovitosť (92 %) a veľkú otvorenú prietočnú plochu (40 %) pre produkovanú kvapalinu z vrtu. Filter je vyrobený stlačením sieťoviny z nehrdzavejúcej ocele a jej priamym ovinutím okolo perforovanej stredovej trubice, potom je zapuzdrený v perforovanom ochrannom kryte, ktorý je na oboch koncoch privarený k stredovej trubici. Rozloženie pórov v sieťovine a nerovnomerná uhlová orientácia (v rozmedzí od 15 µm do 600 µm) umožňuje neškodným jemným časticiam prúdiť pozdĺž 3D dráhy prúdenia smerom k stredovej trubici po tom, čo sú väčšie a škodlivé častice zachytené v site. Testovanie zadržiavania piesku na vzorkách tohto sita preukázalo, že filter si zachováva vysokú priepustnosť, pretože kvapalina sa generuje cez sito. Tento filter s jednou „veľkosťou“ dokáže spracovať všetky rozdelenia veľkosti častíc produkovaných kvapalín, s ktorými sa stretávame. Toto sito z nehrdzavejúcej ocele bolo vyvinuté významným prevádzkovateľom v 80. rokoch 20. storočia špeciálne pre samostatné dokončovanie sít v parných stimulovaných rezervoároch a má rozsiahle skúsenosti s úspešnými inštaláciami.
Zostava ventilu pozostáva z pružinového ventilu, ktorý umožňuje jednosmerný tok do potrubia z výrobnej oblasti. Nastavením predpätia vinutej pružiny pred inštaláciou je možné ventil prispôsobiť tak, aby sa dosiahol požadovaný otvárací tlak pre danú aplikáciu. Ventil je typicky umiestnený pod drôtenou sieťou z nehrdzavejúcej ocele, aby sa zabezpečila sekundárna cesta prúdenia medzi zásobníkom a elektrostatickým odlučovačom (ESP). V niektorých prípadoch pracuje viacero ventilov a sieťov z nehrdzavejúcej ocele sériovo, pričom stredný ventil má nižší otvárací tlak ako najnižší ventil.
Postupom času častice formácie zapĺňajú prstencovú oblasť medzi vonkajším povrchom sita ochranného zariadenia čerpadla a stenou ťažobného puzdra. Ako sa dutina napĺňa pieskom a častice sa zhusťujú, zvyšuje sa pokles tlaku na pieskovom vrecu. Keď tento pokles tlaku dosiahne prednastavenú hodnotu, otvorí sa kužeľový ventil a umožní prietok priamo cez vstup čerpadla. V tejto fáze je prietok cez potrubie schopný rozbiť predtým zhutnený piesok pozdĺž vonkajšej strany sita. Vďaka zníženému tlakovému rozdielu sa prietok cez sito obnoví a sací ventil sa zatvorí. Čerpadlo preto môže vidieť prietok priamo z ventilu iba krátky čas. To predlžuje životnosť čerpadla, pretože väčšina prietoku je kvapalina filtrovaná cez pieskové sito.
Systém ochrany čerpadla bol prevádzkovaný s pakermi v troch rôznych vrtoch v Delaware Basin v Spojených štátoch. Hlavným cieľom je znížiť počet spustení a zastavení elektrostatického odsávača (ESP) v dôsledku preťaženia súvisiaceho s pieskom a zvýšiť dostupnosť ESP s cieľom zlepšiť produkciu. Systém ochrany čerpadla je zavesený na spodnom konci kolóny ESP. Výsledky ropného vrtu ukazujú stabilný výkon čerpadla, znížené vibrácie a intenzitu prúdu a technológiu ochrany čerpadla. Po inštalácii nového systému sa prestoje súvisiace s pieskom a pevnými látkami skrátili o 75 % a životnosť čerpadla sa zvýšila o viac ako 22 %.
Vrt. Systém elektrostatického odlučovača (ESP) bol nainštalovaný v novom vrtnom a frakčnom vrte v okrese Martin v Texase. Vertikálna časť vrtu má približne 2 700 metrov a horizontálna časť siaha do 3 600 metrov meranej hĺbky (MD). Pri prvých dvoch dokončeniach bol ako neoddeliteľná súčasť dokončenia ESP nainštalovaný systém vírového odlučovača piesku so šiestimi pripojeniami vložky. Pri dvoch po sebe nasledujúcich inštaláciách s použitím rovnakého typu odlučovača piesku sa pozorovalo nestabilné správanie prevádzkových parametrov ESP (intenzita prúdu a vibrácie). Analýza demontáže vytiahnutej jednotky ESP odhalila, že zostava vírového odlučovača plynu bola upchatá cudzími látkami, ktoré boli identifikované ako piesok, pretože sú nemagnetické a chemicky nereagujú s kyselinami.
V tretej inštalácii elektrostatického odlučovača (ESP) bola nahradená drôtená sieť z nehrdzavejúcej ocele ako prostriedok na kontrolu piesku v ESP. Po inštalácii nového systému ochrany čerpadla vykazoval ESP stabilnejšie správanie, čím sa znížil rozsah kolísania prúdu motora z ~19 A pre inštaláciu č. 2 na ~6,3 A pre inštaláciu č. 3. Vibrácie sú stabilnejšie a trend sa znížil o 75 %. Pokles tlaku bol tiež stabilný, kolísal len veľmi málo v porovnaní s predchádzajúcou inštaláciou a dosiahol ďalší pokles tlaku o 100 psi. Vypnutia ESP z dôvodu preťaženia sa znížili o 100 % a ESP pracuje s nízkymi vibráciami.
Vrt B. V jednom vrte blízko Eunice v Novom Mexiku mal ďalší nekonvenčný vrt nainštalovaný elektrostatický odlučovač (ESP), ale bez ochrany čerpadla. Po počiatočnom poklese tlaku začal ESP vykazovať nepravidelné správanie. Kolísanie prúdu a tlaku je spojené s vibračnými špičkami. Po udržiavaní týchto podmienok počas 137 dní ESP zlyhal a bol nainštalovaný nový. Druhá inštalácia zahŕňa nový systém ochrany čerpadla s rovnakou konfiguráciou ESP. Po obnovení produkcie vrtu ESP fungoval normálne, so stabilným prúdom a menšími vibráciami. V čase publikácie dosiahol druhý chod ESP viac ako 300 dní prevádzky, čo je výrazné zlepšenie oproti predchádzajúcej inštalácii.
Vrt C. Tretia inštalácia systému na mieste bola v Mentone v Texase spoločnosťou špecializujúcou sa na ropu a plyn, ktorá zaznamenala výpadky a poruchy elektrostatického odsávača (ESP) v dôsledku produkcie piesku a chcela zlepšiť prevádzkyschopnosť čerpadla. Prevádzkovatelia zvyčajne používajú odlučovače piesku v vrtoch s vložkou v každom vrte ESP. Keď sa však vložka naplní pieskom, odlučovač umožní piesku pretekať cez časť čerpadla, čo spôsobí koróziu stupňa čerpadla, ložísk a hriadeľa, čo vedie k strate vztlaku. Po spustení nového systému s ochranou čerpadla má ESP o 22 % dlhšiu prevádzkovú životnosť so stabilnejším poklesom tlaku a lepšou prevádzkyschopnosťou súvisiacou s ESP.
Počet vypnutí súvisiacich s pieskom a pevnými látkami počas prevádzky sa znížil o 75 % z 8 udalostí preťaženia v prvej inštalácii na dve v druhej inštalácii a počet úspešných reštartov po vypnutí z dôvodu preťaženia sa zvýšil o 30 % z 8 v prvej inštalácii. V sekundárnej inštalácii sa vykonalo celkovo 12 udalostí, teda spolu 8 udalostí, čím sa znížilo elektrické zaťaženie zariadenia a predĺžila sa prevádzková životnosť elektrostatického odlučovača (ESP).
Obrázok 5 znázorňuje náhle zvýšenie tlaku na vstupe (modrý), keď je sieťka z nehrdzavejúcej ocele zablokovaná a zostava ventilu je otvorená. Tento tlakový signál môže ďalej zlepšiť efektivitu výroby predpovedaním porúch elektrostatického odlučovača (ESP) súvisiacich s pieskom, takže je možné naplánovať výmenné operácie s opravnými súpravami.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, „Experimentálna analýza vírivej trubice ako zariadenia na odpieskovanie z vrtu“, SPE Paper 94673-MS, prezentovaný na konferencii SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brazília, 20. júna – 23. februára 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Tento článok obsahuje prvky z článku SPE 207926-MS, prezentovaného na Medzinárodnej výstave a konferencii o rope v Abú Zabí v Abú Zabí v Spojených arabských emirátoch od 15. do 18. novembra 2021.
Všetky materiály podliehajú prísne dodržiavaným autorským zákonom, pred použitím tejto stránky si prečítajte naše zmluvné podmienky, zásady používania súborov cookie a zásady ochrany osobných údajov.