Pumpskyddskomponenter har visat sig skydda pumpar från sand och förlänga livslängden för emissionsfiltren i okonventionella brunnar. Denna lösning kontrollerar återflödet av frack-sand och andra fasta ämnen som kan orsaka överbelastning och driftstopp. Den möjliggörande tekniken eliminerar problemen som är förknippade med osäkerhet i partikelstorleksfördelningen.
I takt med att fler och fler oljekällor förlitar sig på dränkbara pumpar (ESP) blir det allt viktigare att förlänga livslängden för elektriska dränkbara pumpsystem (ESP). Livslängden och prestandan hos artificiella lyftpumpar är känsliga för fasta ämnen i producerade vätskor. ESP:ns livslängd och prestanda minskade avsevärt med ökningen av fasta partiklar. Dessutom ökar fasta ämnen driftstoppstiden för brunnar och frekvensen av översyner som krävs för att byta ut ESP:n.
Fasta partiklar som ofta flödar genom artificiella lyftpumpar inkluderar formationssand, hydrauliska spräckningsproppmedel, cement och eroderade eller korroderade metallpartiklar. Borrhålstekniker utformade för att separera fasta ämnen sträcker sig från lågeffektiva cykloner till högeffektiva 3D-trådnät av rostfritt stål. Borrhålsvirvelavskiljare har använts i konventionella brunnar i årtionden, och de används främst för att skydda pumpar från stora partiklar under produktion. Okonventionella brunnar utsätts dock för intermittent slugflöde, vilket resulterar i att befintlig borrhålsvirvelavskiljarteknik endast fungerar intermittent.
Flera olika varianter av kombinerade sandkontrollskärmar och virvelavsandningsanordningar i borrhålet har föreslagits för att skydda sandfiltren. Det finns dock luckor i skyddet och produktionsprestanda för alla pumpar på grund av osäkerheten i storleksfördelningen och volymen av fasta ämnen som produceras av varje brunn. Osäkerhet ökar längden på sandkontrollkomponenterna, vilket minskar djupet på vilket sandfiltret kan ställas in, vilket begränsar sandfiltrets potential för reservoarnedgång och påverkar brunnens ekonomi negativt. Djupare inställningsdjup föredras i okonventionella brunnar. Användningen av avsandningsanordningar och hanpluggslamankare för att upphänga långa, styva sandkontrollenheter i foderrör med hög dogleg-svårighetsgrad begränsade dock förbättringarna av sandfiltrets MTBF. Korrosion av innerröret är en annan aspekt av denna design som inte har utvärderats tillräckligt.
Författarna till en artikel från 2005 presenterade experimentella resultat av en sandseparator för borrhål baserad på ett cyklonrör (Figur 1), som var beroende av cyklonens verkan och gravitation, för att visa att separationseffektiviteten beror på oljeviskositet, flödeshastighet och partikelstorlek. De visar att separatorns effektivitet till stor del är beroende av partiklarnas terminalhastighet. Separationseffektiviteten minskar med minskande flödeshastighet, minskande fast partikelstorlek och ökande oljeviskositet, Figur 2. För en typisk cyklonrörsseparator för borrhål sjunker separationseffektiviteten till ~10% när partikelstorleken sjunker till ~100 µm. Dessutom, när flödeshastigheten ökar, utsätts virvelseparatorn för erosion, vilket påverkar livslängden för strukturkomponenterna.
Nästa logiska alternativ är att använda en 2D-sandkontrollsikt med en definierad spaltbredd. Partikelstorlek och fördelning är viktiga överväganden vid val av siktar för att filtrera fasta ämnen i konventionell eller okonventionell brunnsproduktion, men de kan vara okända. De fasta ämnena kan komma från reservoaren, men de kan variera från krok till krok; alternativt kan sikten behöva filtrera sand från hydraulisk spräckning. I båda fallen kan kostnaden för insamling, analys och testning av fasta ämnen vara oöverkomlig.
Om 2D-rörsikten inte är korrekt konfigurerad kan resultaten äventyra brunnens ekonomi. För små sandsiktsöppningar kan leda till för tidig igensättning, avstängningar och behov av reparationer. Om de är för stora tillåter de fasta ämnen att fritt komma in i produktionsprocessen, vilket kan korrodera oljerör, skada artificiella lyftpumpar, spola ut ytkontraster och fylla ytseparatorer, vilket kräver sandblästring och bortskaffande. Denna situation kräver en enkel, kostnadseffektiv lösning som kan förlänga pumpens livslängd och täcka en bred spridning av sandstorlekar.
För att möta detta behov genomfördes en studie om användningen av ventilaggregat i kombination med rostfritt ståltrådsnät, vilket är okänsligt för den resulterande fördelningen av fasta ämnen. Studier har visat att rostfritt ståltrådsnät med variabel porstorlek och 3D-struktur effektivt kan kontrollera fasta ämnen av olika storlekar utan att känna till partikelstorleksfördelningen för de resulterande fasta ämnena. 3D-trådsnätet av rostfritt stål kan effektivt kontrollera sandkorn av alla storlekar, utan behov av extra sekundär filtrering.
En ventilenhet monterad på undersidan av silen gör att produktionen kan fortsätta tills ESP:n dras ut. Den förhindrar att ESP hämtas omedelbart efter att silen är överbryggad. Den resulterande inloppssandkontrollsilen och ventilenheten skyddar ESP:er, stånglyftpumpar och gaslyftkompletteringar från fasta ämnen under produktionen genom att rengöra vätskeflödet och ger en kostnadseffektiv lösning för att förlänga pumpens livslängd utan att behöva skräddarsy reservoaregenskaper för olika situationer.
Första generationens pumpskyddsdesign. En pumpskyddsenhet med nät av rostfritt stålull användes i en ångassisterad gravitationsdräneringsbrunn i västra Kanada för att skydda den elektriska pumpen (ESP) från fasta ämnen under produktion. Nätverk filtrerar skadliga fasta ämnen från produktionsvätskan när den kommer in i produktionssträngen. Inuti produktionssträngen flödar vätskor till ESP-inloppet, där de pumpas upp till ytan. Packare kan köras mellan nätet och ESP:n för att ge zonisolering mellan produktionszonen och det övre borrhålet.
Under produktionstiden tenderar det ringformade utrymmet mellan silen och höljet att överbryggas med sand, vilket ökar flödesmotståndet. Så småningom överbryggar ringen helt, stoppar flödet och skapar en tryckskillnad mellan borrhålet och produktionssträngen, som visas i figur 3. Vid denna tidpunkt kan vätska inte längre flöda till elektrostatiska filtret (ESP) och kompletteringssträngen måste dras ut. Beroende på ett antal variabler relaterade till produktionen av fasta ämnen kan den tid som krävs för att stoppa flödet genom bryggan mellan fasta ämnen på silen vara kortare än den tid som skulle tillåta ESP:en att pumpa den fasta ämnesfyllda vätskan - medeltiden mellan fel - till marken, så den andra generationen av komponenter utvecklades.
Andra generationens pumpskyddsenhet. PumpGuard* inloppssandkontrollskärm och ventilenhetssystem är upphängt under REDA*-pumpen i figur 4, ett exempel på en okonventionell ESP-komplettering. När brunnen är i produktion filtrerar skärmen de fasta ämnena i produktion, men börjar långsamt överbrygga med sanden och skapa en tryckskillnad. När denna differentialtryck når ventilens inställda spricktryck öppnas ventilen, vilket gör att vätska kan flöda direkt in i rörsträngen till ESP:n. Detta flöde utjämnar tryckskillnaden över skärmen, vilket lossar greppet av sandsäckarna på utsidan av skärmen. Sand kan brytas ut ur ringen, vilket minskar flödesmotståndet genom skärmen och gör att flödet kan återupptas. När differentialtrycket sjunker återgår ventilen till sitt stängda läge och normala flödesförhållanden återupptas. Upprepa denna cykel tills det är nödvändigt att dra ut ESP:n ur hålet för service. Fallstudierna som lyfts fram i den här artikeln visar att systemet kan förlänga pumpens livslängd avsevärt jämfört med att enbart köra screeningkomplettering.
För den senaste installationen introducerades en kostnadsdriven lösning för områdesisolering mellan trådnätet i rostfritt stål och ESP-systemet. En nedåtriktad kopppackare är monterad ovanför silsektionen. Ovanför kopppackaren ger ytterligare perforeringar i mittenröret en flödesväg för producerad vätska att migrera från silens insida till det ringformade utrymmet ovanför packaren, där vätskan kan komma in i ESP-inloppet.
Det rostfria ståltrådsnätfiltret som valts för denna lösning erbjuder flera fördelar jämfört med spaltbaserade 2D-nättyper. 2D-filter förlitar sig främst på partiklar som spänner över filterspalt eller springor för att bygga sandsäckar och ge sandkontroll. Eftersom endast ett enda spaltvärde kan väljas för silen blir silen dock mycket känslig för partikelstorleksfördelningen hos den producerade vätskan.
Däremot ger den tjocka nätbädden i rostfria trådnätsfilter hög porositet (92 %) och en stor öppen flödesarea (40 %) för den producerade borrhålsvätskan. Filtret är konstruerat genom att komprimera ett fleecenät av rostfritt stål och linda det direkt runt ett perforerat mittrör, sedan inkapsla det i ett perforerat skyddshölje som är svetsat till mittröret i varje ände. Fördelningen av porer i nätbädden, den ojämna vinkelorienteringen (från 15 µm till 600 µm) gör att ofarliga fina partiklar kan flöda längs en 3D-flödesväg mot det centrala röret efter att större och skadliga partiklar har fångats in i nätet. Sandretentionstestning på prover av denna sikt visade att filtret bibehåller hög permeabilitet eftersom vätska genereras genom sikten. Detta enda "storleks"-filter kan effektivt hantera alla partikelstorleksfördelningar av producerade vätskor som påträffas. Denna sikt av rostfritt stålull utvecklades av en stor operatör på 1980-talet specifikt för slutna siktkompletteringar i ångstimulerade reservoarer och har en omfattande meritlista av framgångsrika installationer.
Ventilaggregatet består av en fjäderbelastad ventil som tillåter envägsflöde in i rörsträngen från produktionsområdet. Genom att justera spiralfjäderns förspänning före installation kan ventilen anpassas för att uppnå önskat spricktryck för applikationen. Vanligtvis körs en ventil under trådnätet av rostfritt stål för att skapa en sekundär flödesväg mellan reservoaren och ESP:n. I vissa fall arbetar flera ventiler och rostfria stålnät i serie, där den mittersta ventilen har ett lägre spricktryck än den nedersta ventilen.
Med tiden fyller formationspartiklar det ringformiga området mellan den yttre ytan av pumpskyddsaggregatets skärm och produktionshöljets vägg. När hålrummet fylls med sand och partiklarna konsolideras ökar tryckfallet över sandsäcken. När detta tryckfall når ett förinställt värde öppnas konventilen och tillåter flöde direkt genom pumpinloppet. I detta skede kan flödet genom röret bryta upp den tidigare konsoliderade sanden längs utsidan av skärmfiltret. På grund av den minskade tryckskillnaden återupptas flödet genom skärmen och insugningsventilen stängs. Därför kan pumpen bara se flödet direkt från ventilen under en kort tidsperiod. Detta förlänger pumpens livslängd, eftersom det mesta av flödet är den vätska som filtreras genom sandskärmen.
Pumpskyddssystemet användes med packare i tre olika brunnar i Delaware-bassängen i USA. Huvudmålet är att minska antalet ESP-starter och -stopp på grund av sandrelaterade överbelastningar och att öka ESP-tillgängligheten för att förbättra produktionen. Pumpskyddssystemet är upphängt i den nedre änden av ESP-strängen. Resultaten från oljebrunnen visar stabil pumpprestanda, minskad vibration och strömstyrka samt pumpskyddsteknik. Efter installationen av det nya systemet minskade stilleståndstiden relaterad till sand och fasta ämnen med 75 % och pumpens livslängd ökade med mer än 22 %.
En brunn. Ett ESP-system installerades i en ny borr- och spräckningsbrunn i Martin County, Texas. Den vertikala delen av brunnen är cirka 2700 meter lång och den horisontella delen sträcker sig till 3 600 meter, uppmätt djup (MD). För de två första kompletteringarna installerades ett virvelsandseparatorsystem nere i borrhålet med sex foderanslutningar som en integrerad del av ESP-kompletteringen. För två på varandra följande installationer med samma typ av sandseparator observerades instabilt beteende hos ESP:ens driftsparametrar (strömstyrka och vibration). Demonteringsanalys av den avdragna ESP-enheten visade att virvelgasseparatoraggregatet var igensatt med främmande material, vilket bedömdes vara sand eftersom det är icke-magnetiskt och inte reagerar kemiskt med syra.
I den tredje ESP-installationen ersatte rostfritt stålnät sandseparatorn som ett sätt att kontrollera sandflödet från ESP. Efter installationen av det nya pumpskyddssystemet uppvisade ESP ett stabilare beteende, vilket minskade intervallet för motorströmsfluktuationer från ~19 A för installation #2 till ~6,3 A för installation #3. Vibrationen är mer stabil och trenden minskar med 75 %. Tryckfallet var också stabilt och fluktuerade mycket lite jämfört med den tidigare installationen och fick ytterligare 100 psi tryckfall. Överbelastningsavstängningar av ESP minskar med 100 % och ESP arbetar med låg vibration.
Brunn B. I en brunn nära Eunice, New Mexico, hade en annan okonventionell brunn en ESP installerad men inget pumpskydd. Efter det initiala startfallet började ESP:n uppvisa oregelbundet beteende. Fluktuationer i ström och tryck är förknippade med vibrationsspikar. Efter att dessa förhållanden upprätthållits i 137 dagar slutade ESP:n att fungera och en ersättning installerades. Den andra installationen inkluderar ett nytt pumpskyddssystem med samma ESP-konfiguration. Efter att brunnen återupptagit produktionen fungerade ESP:n normalt, med stabil strömstyrka och mindre vibrationer. Vid tidpunkten för publiceringen hade den andra omgången av ESP nått över 300 dagars drift, en betydande förbättring jämfört med den föregående installationen.
Brunn C. Systemets tredje installation på plats gjordes i Mentone, Texas, av ett specialiserat olje- och gasföretag som upplevde avbrott och ESP-fel på grund av sandproduktion och ville förbättra pumparnas drifttid. Operatörer kör vanligtvis sandseparatorer nere i borrhålet med foder i varje ESP-brunn. Men när fodret fylls med sand tillåter separatorn sanden att flöda genom pumpsektionen, vilket korroderar pumpsteget, lagren och axeln, vilket resulterar i en förlust av lyftkraft. Efter att ha kört det nya systemet med pumpskyddet har ESP:n en 22 % längre livslängd med ett mer stabilt tryckfall och bättre ESP-relaterad drifttid.
Antalet avstängningar relaterade till sand och fasta ämnen under drift minskade med 75 %, från 8 överbelastningshändelser i den första installationen till två i den andra installationen, och antalet lyckade omstarter efter överbelastningsavstängning ökade med 30 %, från 8 i den första installationen. Totalt 12 händelser, totalt 8 händelser, utfördes i den sekundära installationen, vilket minskade den elektriska belastningen på utrustningen och ökade ESP:ens livslängd.
Figur 5 visar den plötsliga ökningen av insugningstrycksignaturen (blå) när det rostfria stålnätet blockeras och ventilaggregatet öppnas. Denna trycksignatur kan ytterligare förbättra produktionseffektiviteten genom att förutsäga sandrelaterade ESP-fel, så att ersättningsoperationer med workover-riggar kan planeras.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Experimentell analys av virvelrör som avsandningsanordning för borrhål,” SPE Paper 94673-MS, presenterat vid SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Rio de Janeiro, Brasilien, 20 juni – 23 februari 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Denna artikel innehåller element från SPE-artikel 207926-MS, presenterad vid Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference i Abu Dhabi, Förenade Arabemiraten, 15-18 november 2021.
Allt material omfattas av strikt upphovsrättslagar, vänligen läs våra villkor, cookiepolicy och integritetspolicy innan du använder denna webbplats.