Доведено, що компоненти захисту насосів захищають насоси від піску та подовжують термін служби електрофільтрів-відстійників (ЕОТ) у нетрадиційних свердловинах. Це рішення контролює зворотний потік піску, отриманого під час гідророзриву пласта, та інших твердих речовин, які можуть спричинити перевантаження та простої. Ця технологія усуває проблеми, пов'язані з невизначеністю розподілу розмірів частинок.
Оскільки все більше нафтових свердловин покладаються на електрофільтри для відкачування нафти (ЕФН), продовження терміну служби систем електричного занурювального насосного обладнання (ЕФН) стає все більш важливим. Термін служби та продуктивність насосів штучного підйому чутливі до твердих частинок у видобутих рідинах. Термін служби та продуктивність ЕФН значно зменшилися зі збільшенням вмісту твердих частинок. Крім того, тверді частинки збільшують час простою свердловини та частоту капітального ремонту, необхідного для заміни ЕФН.
Тверді частинки, які часто протікають через насоси штучного підйому, включають пластовий пісок, проппанти гідророзриву пласта, цемент та еродовані або кородовані металеві частинки. Технології свердловинного типу, призначені для розділення твердих речовин, варіюються від низькоефективних циклонів до високоефективної 3D-сітки з нержавіючої сталі. Вихрові пісковідсмоктувачі свердловин використовуються у звичайних свердловинах протягом десятиліть, і вони в основному використовуються для захисту насосів від великих частинок під час видобутку. Однак нетрадиційні свердловини схильні до періодичного потоку в трубах, що призводить до того, що існуюча технологія вихрового сепаратора свердловин працює лише з перервами.
Для захисту електровідвідних насосів (ЕВН) було запропоновано кілька різних варіантів комбінованих екранів для контролю піску та вихрових пісковідсмоктувачів у свердловинах. Однак існують прогалини в захисті та виробничих характеристиках усіх насосів через невизначеність розподілу розмірів та об'єму твердих речовин, що видобуваються кожною свердловиною. Невизначеність збільшує довжину компонентів контролю піску, тим самим зменшуючи глибину, на якій може бути встановлений ЕВН, обмежуючи потенціал зниження пласта ЕВН та негативно впливаючи на економічність свердловин. У нетрадиційних свердловинах перевага надається більшій глибині встановлення. Однак використання пісковідсмоктувачів та анкерів бурового розчину з різьбою для підвішування довгих, жорстких вузлів контролю піску в обсадних трубах з високим вигином обмежує покращення напрацювання на відмову ЕВН. Корозія внутрішньої труби є ще одним аспектом цієї конструкції, який не був належним чином оцінений.
Автори статті 2005 року представили експериментальні результати свердловинного піскоуловлювача на основі циклонної труби (Рисунок 1), який залежав від дії циклону та сили тяжіння, щоб показати, що ефективність розділення залежить від в'язкості нафти, швидкості потоку та розміру частинок. Вони показують, що ефективність сепаратора значною мірою залежить від кінцевої швидкості частинок. Ефективність розділення знижується зі зменшенням швидкості потоку, зменшенням розміру твердих частинок та збільшенням в'язкості нафти, Рисунок 2. Для типового свердловинного сепаратора на циклонній трубі ефективність розділення падає до ~10%, коли розмір частинок падає до ~100 мкм. Крім того, зі збільшенням швидкості потоку вихровий сепаратор піддається ерозійному зносу, що впливає на термін служби конструкційних компонентів.
Наступною логічною альтернативою є використання 2D-фільтру для контролю піску з визначеною шириною щілин. Розмір та розподіл частинок є важливими факторами при виборі фільтрів для фільтрації твердих речовин у традиційному або нетрадиційному видобутку зі свердловин, але вони можуть бути невідомими. Тверді речовини можуть надходити з пласта, але вони можуть відрізнятися від п'яти до п'яти; як варіант, фільтр може потребувати фільтрації піску від гідравлічного розриву пласта. У будь-якому випадку вартість збору, аналізу та тестування твердих речовин може бути непомірно високою.
Якщо двовимірний фільтр для труб налаштовано неправильно, результати можуть поставити під загрозу економічність свердловини. Занадто малі отвори фільтра для піску можуть призвести до передчасного закупорювання, зупинок та необхідності проведення капітальних ремонтів. Якщо вони занадто великі, вони дозволяють твердим речовинам вільно потрапляти у виробничий процес, що може спричинити корозію нафтових труб, пошкодити насоси штучного підйому, промити поверхневі дроселі та заповнити поверхневі сепаратори, що вимагатиме піскоструминної обробки та утилізації. Ця ситуація вимагає простого, економічно ефективного рішення, яке може продовжити термін служби насоса та охопити широкий спектр розмірів піску.
Щоб задовольнити цю потребу, було проведено дослідження використання клапанних вузлів у поєднанні з дротяною сіткою з нержавіючої сталі, яка нечутлива до розподілу твердих речовин у результаті. Дослідження показали, що дротяна сітка з нержавіючої сталі зі змінним розміром пор та 3D-структурою може ефективно контролювати тверді речовини різних розмірів, не знаючи розподілу частинок за розміром у результаті. 3D-дротяна сітка з нержавіючої сталі може ефективно контролювати піщинки всіх розмірів без необхідності додаткової вторинної фільтрації.
Клапанний вузол, встановлений на нижній частині решітки, дозволяє продовжувати виробництво, доки електровідвідний фільтр (ЕСФ) не буде витягнуто. Він запобігає вилученню ЕСФ одразу після перекриття решітки. Отриманий в результаті впускний фільтрувальний фільтр та клапанний вузол захищають ЕСФ, насоси для підйому штанги та газліфтні скважини від твердих частинок під час виробництва, очищуючи потік рідини, та забезпечують економічно ефективне рішення для продовження терміну служби насоса без необхідності адаптувати характеристики пласта до різних ситуацій.
Конструкція захисту насоса першого покоління. Захисний вузол насоса з використанням екранів з нержавіючої сталевої вовни був встановлений у парогенераторній свердловині під дією пари у Західній Канаді для захисту електрофільтраційного насоса (ЕФК) від твердих речовин під час видобутку. Екрани фільтрують шкідливі тверді речовини з виробничої рідини, коли вона потрапляє у виробничу колону. У виробничій колоні рідини надходять до входу ЕФК, звідки вони перекачуються на поверхню. Пакери можуть бути встановлені між екраном та ЕФК, щоб забезпечити зональну ізоляцію між виробничою зоною та верхнім стовбуром свердловини.
Протягом часу видобутку кільцевий простір між екраном та обсадною колоною має тенденцію до перекриття піском, що збільшує опір потоку. Зрештою, кільцевий простір повністю перекривається, зупиняючи потік та створюючи перепад тиску між стовбуром свердловини та експлуатаційною колоною, як показано на рисунку 3. У цей момент рідина більше не може надходити до електрофільтраційного насоса (ЕФК), і колону для закінчення необхідно витягувати. Залежно від низки змінних, пов'язаних з видобутком твердих речовин, тривалість, необхідна для зупинки потоку через місток твердих речовин на екрані, може бути меншою, ніж тривалість, яка дозволила б ЕФК перекачувати рідину, насичену твердими речовинами, на землю (середній час між відмовами), тому було розроблено компоненти другого покоління.
Вузол захисту насоса другого покоління. Система фільтра контролю піску на впускному отворі PumpGuard* та клапанного блоку підвішені під насосом REDA* на рисунку 4, що є прикладом нетрадиційного завершення електрофільтраційного насоса (ЕФП). Після початку видобутку свердловина фільтрує тверді речовини, що проходять через видобуток, але починає повільно зв'язуватися з піском і створювати перепад тиску. Коли цей перепад тиску досягає встановленого тиску відкриття клапана, клапан відкривається, дозволяючи рідині надходити безпосередньо в колону труб до ЕФП. Цей потік вирівнює перепад тиску на сітці, послаблюючи зчеплення мішків з піском на зовнішній стороні сітчастого фільтра. Пісок може вільно вириватися з кільцевого простору, що зменшує опір потоку через сітчастий фільтр і дозволяє відновити потік. Коли перепад тиску падає, клапан повертається в закрите положення, і нормальні умови потоку відновлюються. Повторюйте цей цикл, доки не знадобиться витягнути ЕФП зі свердловини для обслуговування. Тематичні дослідження, висвітлені в цій статті, демонструють, що система здатна значно подовжити термін служби насоса порівняно з виконанням лише скринінгового завершення.
Для нещодавньої установки було впроваджено економічно обґрунтоване рішення для ізоляції зони між дротяною сіткою з нержавіючої сталі та електрофільтром (ЕСФ). Над секцією екрану встановлено спрямований вниз чашечний пакер. Над чашковим пакером додаткові перфорації у центральній трубці забезпечують шлях потоку для міграції видобутої рідини з внутрішньої частини екрану до кільцевого простору над пакером, звідки рідина може потрапляти у вхід ЕСФ.
Дротяний фільтр з нержавіючої сталі, обраний для цього рішення, пропонує кілька переваг порівняно з двовимірними сітками на основі щілин. Двовимірні фільтри в основному покладаються на частинки, що перетинають щілини або прорізи фільтра, для створення мішків з піском та забезпечення контролю піску. Однак, оскільки для сітки можна вибрати лише одне значення щілини, сітка стає дуже чутливою до розподілу розмірів частинок видобутої рідини.
На відміну від цього, товстий сітчастий шар фільтрів з нержавіючої сталі забезпечує високу пористість (92%) та велику площу відкритого потоку (40%) для видобутої рідини зі свердловини. Фільтр виготовляється шляхом стиснення сітки з нержавіючої сталі та обмотування її безпосередньо навколо перфорованої центральної трубки, а потім інкапсульується в перфоровану захисну кришку, яка приварена до центральної трубки на кожному кінці. Розподіл пор у сітчастому шарі, неоднорідна кутова орієнтація (від 15 мкм до 600 мкм) дозволяє нешкідливим дрібним частинкам текти вздовж тривимірного шляху потоку до центральної трубки після того, як більші та шкідливі частинки потрапляють у сітку. Випробування на утримання піску на зразках цього сита показали, що фільтр підтримує високу проникність, оскільки рідина генерується через сито. Фактично, цей фільтр одного «розміру» може обробляти всі розподіли розмірів частинок видобутих рідин. Цей екран з нержавіючої сталі був розроблений великим оператором у 1980-х роках спеціально для автономного завершення екранів у паростимульованих резервуарах і має великий досвід успішних установок.
Клапанний вузол складається з пружинного клапана, який забезпечує односторонній потік у колону труб з виробничої зони. Регулюючи попереднє натягування пружини перед встановленням, клапан можна налаштувати для досягнення бажаного тиску відкриття для конкретного застосування. Зазвичай клапан встановлюється під сіткою з нержавіючої сталі, щоб забезпечити вторинний шлях потоку між резервуаром та електрофільтром. У деяких випадках кілька клапанів та сіток з нержавіючої сталі працюють послідовно, причому середній клапан має нижчий тиск відкриття, ніж нижчий клапан.
З часом частинки пласта заповнюють кільцеву область між зовнішньою поверхнею екрану захисного вузла насоса та стінкою виробничої колони. Коли порожнина заповнюється піском, а частинки консолідуються, перепад тиску на піщаному мішку збільшується. Коли цей перепад тиску досягає заданого значення, конусний клапан відкривається та пропускає потік безпосередньо через вхід насоса. На цьому етапі потік через трубу здатний розбити раніше консолідований пісок вздовж зовнішньої сторони сітчастого фільтра. Завдяки зниженому перепаду тиску потік через екран відновиться, а впускний клапан закриється. Таким чином, насос може бачити потік безпосередньо з клапана лише протягом короткого періоду часу. Це продовжує термін служби насоса, оскільки більша частина потоку - це рідина, фільтрована через піщаний екран.
Система захисту насоса працювала з пакерами у трьох різних свердловинах у басейні Делавер у Сполучених Штатах. Головною метою є зменшення кількості запусків та зупинок електрофільтрувача відпрацьованих газів (ЕФЗ) через перевантаження, пов'язані з піском, та підвищення доступності ЕФЗ для покращення видобутку. Система захисту насоса підвішена до нижнього кінця колони ЕФЗ. Результати роботи нафтової свердловини демонструють стабільну роботу насоса, зниження вібрації та сили струму, а також технологію захисту насоса. Після встановлення нової системи час простоїв, пов'язаних з піском та твердими речовинами, скоротився на 75%, а термін служби насоса збільшився більш ніж на 22%.
Свердловина. Систему електрофільтраційного фільтра (ЕФФ) було встановлено в новій свердловині для буріння та гідророзриву пласта в окрузі Мартін, штат Техас. Вертикальна частина свердловини має приблизно 9000 футів, а горизонтальна частина простягається до 12 000 футів виміряної глибини (MD). Для перших двох завершених свердловин система вихрового піскоуловлювача з шістьма підключеннями хвостовика була встановлена ​​як невід'ємна частина завершеного ЕФФ. Під час двох послідовних установок з використанням одного й того ж типу піскоуловлювача спостерігалася нестабільна поведінка робочих параметрів ЕФФ (сила струму та вібрація). Аналіз розбирання витягнутого блоку ЕФФ показав, що вузол вихрового газоуловлювача був засмічений сторонніми речовинами, які, як було визначено, є піском, оскільки він немагнітний і хімічно не реагує з кислотою.
У третій установці електрофільтраційного насоса (ЕСП) піскоуловлювач замінено дротяною сіткою з нержавіючої сталі як засобом контролю піску в ЕСП. Після встановлення нової системи захисту насоса ЕСП продемонстрував стабільнішу роботу, зменшивши діапазон коливань струму двигуна з ~19 А для установки №2 до ~6,3 А для установки №3. Вібрація стала стабільнішою, а тенденція зменшилася на 75%. Падіння тиску також було стабільним, коливаючись дуже мало порівняно з попередньою установкою, і отримало додаткове падіння тиску на 100 фунтів на квадратний дюйм. Відключення ЕСП через перевантаження зменшено на 100%, і ЕСП працює з низькою вібрацією.
Свердловина B. В одній свердловині поблизу Юніс, штат Нью-Мексико, на іншій нетрадиційній свердловині було встановлено електровідвідний фільтр (ЕФФ), але без захисту насоса. Після початкового зниження навантаження ЕФФ почав демонструвати нестабільну поведінку. Коливання струму та тиску пов'язані з піками вібрації. Після підтримки цих умов протягом 137 днів ЕФФ вийшов з ладу, і було встановлено заміну. ​​Друга установка включає нову систему захисту насоса з такою ж конфігурацією ЕФФ. Після відновлення видобутку свердловиною ЕФФ працював нормально, зі стабільною силою струму та меншою вібрацією. На момент публікації другий запуск ЕФФ досяг понад 300 днів роботи, що є значним покращенням порівняно з попередньою установкою.
Свердловина C. Третя установка системи на місці відбулася в Ментоні, штат Техас, компанією, що спеціалізується на нафтогазовій галузі, яка зіткнулася з перебоями та відмовами електрофільтрів-споживачів (ЕСП) через видобуття піску та хотіла покращити час безвідмовної роботи насосів. Оператори зазвичай використовують свердловинні піскоуловлювачі з облицюванням у кожній свердловині ЕСП. Однак, як тільки облицювання заповнюється піском, сепаратор дозволяє піску проходити через секцію насоса, кородуючи ступень насоса, підшипники та вал, що призводить до втрати підйому. Після запуску нової системи із захистом насоса, ЕСП має на 22% довший термін експлуатації зі стабільнішим перепадом тиску та кращим часом безвідмовної роботи, пов'язаним з ЕСП.
Кількість зупинок, пов'язаних з піском та твердими речовинами, під час експлуатації зменшилася на 75%, з 8 випадків перевантаження на першій установці до двох на другій установці, а кількість успішних перезапусків після зупинки через перевантаження збільшилася на 30%, з 8 на першій установці. Загалом на вторинній установці було виконано 12 випадків, тобто 8 випадків, що зменшило електричне навантаження на обладнання та збільшило термін служби електрофільтраційного фільтра.
На рисунку 5 показано раптове збільшення тиску на впуску (синім кольором), коли сітка з нержавіючої сталі заблокована, а клапанний вузол відкрито. Цей тиск може додатково підвищити ефективність виробництва, прогнозуючи відмови електрофільтрів, пов'язані з піском, що дозволяє планувати операції з заміни за допомогою бурових установок для капітального ремонту.
1 Мартінс, Дж. А., Роза, С. Робсон, «Експериментальний аналіз вихрової трубки як пристрою для видалення піску з вибою свердловини», доповідь SPE 94673-MS, представлена ​​на конференції SPE з нафтогазової інженерії Латинської Америки та Карибського басейну, Ріо-де-Жанейро, Бразилія, 20 червня – 23 лютого 2005 р. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Ця стаття містить елементи з доповіді SPE 207926-MS, представленої на Міжнародній нафтовій виставці та конференції в Абу-Дабі, ОАЕ, 15-18 листопада 2021 року.
Усі матеріали суворо підпадають під дію законів про авторське право. Будь ласка, ознайомтеся з нашими Умовами та положеннями, Політикою щодо файлів cookie та Політикою конфіденційності, перш ніж використовувати цей сайт.