Các bộ phận bảo vệ bơm đã được chứng minh là có khả năng bảo vệ bơm khỏi cát và kéo dài tuổi thọ hoạt động của bơm chìm tĩnh điện (ESP) trong các giếng khai thác dầu khí phi truyền thống. Giải pháp này kiểm soát dòng chảy ngược của cát thủy lực và các chất rắn khác có thể gây quá tải và thời gian ngừng hoạt động. Công nghệ tiên tiến này loại bỏ các vấn đề liên quan đến sự không chắc chắn về phân bố kích thước hạt.
Khi ngày càng nhiều giếng dầu phụ thuộc vào máy bơm chìm điện (ESP), việc kéo dài tuổi thọ của hệ thống ESP ngày càng trở nên quan trọng. Tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của máy bơm nâng nhân tạo rất nhạy cảm với chất rắn trong chất lỏng được sản xuất. Tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của ESP giảm đáng kể khi lượng hạt rắn tăng lên. Ngoài ra, chất rắn làm tăng thời gian ngừng hoạt động của giếng và tần suất bảo trì cần thiết để thay thế ESP.
Các hạt rắn thường chảy qua máy bơm nâng nhân tạo bao gồm cát hình thành, chất độn dùng trong kỹ thuật nứt vỡ thủy lực, xi măng và các hạt kim loại bị ăn mòn hoặc mài mòn. Các công nghệ dưới lòng đất được thiết kế để tách chất rắn bao gồm từ các thiết bị tách ly tâm hiệu suất thấp đến lưới thép không gỉ 3D hiệu suất cao. Máy tách cát xoáy dưới lòng đất đã được sử dụng trong các giếng khoan truyền thống trong nhiều thập kỷ và chủ yếu được sử dụng để bảo vệ máy bơm khỏi các hạt lớn trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, các giếng khoan phi truyền thống thường có dòng chảy gián đoạn, dẫn đến công nghệ tách xoáy dưới lòng đất hiện có chỉ hoạt động không liên tục.
Một số biến thể khác nhau của sự kết hợp giữa lưới lọc kiểm soát cát và thiết bị tách cát xoáy dưới giếng đã được đề xuất để bảo vệ máy bơm chìm điện (ESP). Tuy nhiên, vẫn còn những lỗ hổng trong khả năng bảo vệ và hiệu suất sản xuất của tất cả các máy bơm do sự không chắc chắn về phân bố kích thước và khối lượng chất rắn được sản xuất bởi mỗi giếng. Sự không chắc chắn này làm tăng chiều dài của các bộ phận kiểm soát cát, do đó làm giảm độ sâu mà ESP có thể được đặt, hạn chế tiềm năng suy giảm sản lượng của ESP và ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả kinh tế của giếng. Độ sâu đặt sâu hơn được ưu tiên trong các giếng khai thác dầu khí phi truyền thống. Tuy nhiên, việc sử dụng thiết bị tách cát và neo bùn dạng nút đực để treo các cụm kiểm soát cát dài, cứng trong các đoạn ống chống có độ cong lớn đã hạn chế sự cải thiện MTBF của ESP. Sự ăn mòn của ống bên trong là một khía cạnh khác của thiết kế này chưa được đánh giá đầy đủ.
Các tác giả của một bài báo năm 2005 đã trình bày kết quả thực nghiệm về một thiết bị tách cát dưới giếng dựa trên ống lốc xoáy (Hình 1), hoạt động dựa trên tác động của lốc xoáy và trọng lực, để chứng minh rằng hiệu quả tách phụ thuộc vào độ nhớt của dầu, lưu lượng và kích thước hạt. Họ chỉ ra rằng hiệu quả của thiết bị tách phụ thuộc phần lớn vào vận tốc cuối cùng của các hạt. Hiệu quả tách giảm khi lưu lượng giảm, kích thước hạt rắn giảm và độ nhớt của dầu tăng (Hình 2). Đối với một thiết bị tách cát dưới giếng dạng ống lốc xoáy điển hình, hiệu quả tách giảm xuống khoảng 10% khi kích thước hạt giảm xuống khoảng 100 µm. Ngoài ra, khi lưu lượng tăng, thiết bị tách xoáy bị mài mòn, ảnh hưởng đến tuổi thọ của các bộ phận cấu trúc.
Giải pháp thay thế hợp lý tiếp theo là sử dụng lưới lọc cát 2D với chiều rộng khe xác định. Kích thước và sự phân bố hạt là những yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn lưới lọc để lọc chất rắn trong sản xuất giếng khoan thông thường hoặc phi truyền thống, nhưng chúng có thể không được biết đến. Chất rắn có thể đến từ tầng chứa, nhưng chúng có thể khác nhau giữa các giếng; hoặc lưới lọc có thể cần phải lọc cát từ quá trình nứt vỡ thủy lực. Trong cả hai trường hợp, chi phí thu gom, phân tích và kiểm tra chất rắn có thể rất cao.
Nếu lưới lọc ống 2D không được cấu hình đúng cách, kết quả có thể ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của giếng. Các lỗ lưới lọc cát quá nhỏ có thể dẫn đến tắc nghẽn sớm, ngừng hoạt động và cần phải sửa chữa. Nếu chúng quá lớn, chúng sẽ cho phép chất rắn tự do xâm nhập vào quá trình sản xuất, có thể ăn mòn đường ống dẫn dầu, làm hỏng bơm nâng nhân tạo, làm tắc nghẽn van tiết lưu bề mặt và lấp đầy các thiết bị tách bề mặt, đòi hỏi phải phun cát và xử lý. Tình huống này đòi hỏi một giải pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí, có thể kéo dài tuổi thọ của bơm và bao phủ được nhiều kích thước cát khác nhau.
Để đáp ứng nhu cầu này, một nghiên cứu đã được tiến hành về việc sử dụng các cụm van kết hợp với lưới thép không gỉ, vốn không nhạy cảm với sự phân bố chất rắn thu được. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưới thép không gỉ với kích thước lỗ rỗng thay đổi và cấu trúc 3D có thể kiểm soát hiệu quả các chất rắn có kích thước khác nhau mà không cần biết sự phân bố kích thước hạt của chất rắn thu được. Lưới thép không gỉ 3D có thể kiểm soát hiệu quả các hạt cát ở mọi kích thước, mà không cần thêm bộ lọc thứ cấp.
Một cụm van được gắn ở đáy lưới lọc cho phép tiếp tục sản xuất cho đến khi bơm chìm điện (ESP) được kéo ra. Nó ngăn không cho ESP được kéo ra ngay sau khi lưới lọc bị tắc. Lưới lọc kiểm soát cát đầu vào và cụm van này bảo vệ các bơm chìm điện (ESP), bơm nâng cần và hệ thống hoàn thiện giếng bằng khí khỏi chất rắn trong quá trình sản xuất bằng cách làm sạch dòng chảy chất lỏng và cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí để kéo dài tuổi thọ của bơm mà không cần phải điều chỉnh đặc tính mỏ dầu cho các tình huống khác nhau.
Thiết kế bảo vệ bơm thế hệ đầu tiên. Một cụm bảo vệ bơm sử dụng lưới lọc bằng len thép không gỉ đã được triển khai trong giếng thoát nước trọng lực hỗ trợ hơi nước ở miền Tây Canada để bảo vệ bơm chìm điện (ESP) khỏi chất rắn trong quá trình sản xuất. Lưới lọc sẽ lọc các chất rắn có hại khỏi chất lỏng sản xuất khi nó đi vào chuỗi sản xuất. Trong chuỗi sản xuất, chất lỏng chảy đến cửa hút của ESP, nơi chúng được bơm lên bề mặt. Có thể đặt các bộ phận bịt kín giữa lưới lọc và ESP để tạo sự cách ly theo vùng giữa vùng sản xuất và phần trên của giếng khoan.
Trong quá trình sản xuất, khoảng không hình vành khuyên giữa lưới lọc và ống casing có xu hướng bị tắc nghẽn bởi cát, làm tăng sức cản dòng chảy. Cuối cùng, khoảng không này bị tắc nghẽn hoàn toàn, làm ngừng dòng chảy và tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa giếng khoan và chuỗi sản xuất, như thể hiện trong Hình 3. Tại thời điểm này, chất lỏng không thể chảy đến bơm chìm điện (ESP) nữa và chuỗi hoàn thiện phải được kéo lên. Tùy thuộc vào một số biến số liên quan đến sản lượng chất rắn, thời gian cần thiết để ngăn dòng chảy qua lớp tắc nghẽn chất rắn trên lưới lọc có thể ngắn hơn thời gian cho phép ESP bơm chất lỏng chứa chất rắn (thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc) xuống đất, vì vậy thế hệ linh kiện thứ hai đã được phát triển.
Hệ thống bảo vệ bơm thế hệ thứ hai. Hệ thống lưới lọc cát và van đầu vào PumpGuard* được treo bên dưới bơm REDA* trong Hình 4, một ví dụ về hoàn thiện giếng ESP phi truyền thống. Khi giếng bắt đầu sản xuất, lưới lọc sẽ lọc các chất rắn trong quá trình sản xuất, nhưng sẽ bắt đầu bị tắc nghẽn dần do cát và tạo ra sự chênh lệch áp suất. Khi áp suất chênh lệch này đạt đến áp suất mở van đã được thiết lập, van sẽ mở ra, cho phép chất lỏng chảy trực tiếp vào chuỗi ống đến ESP. Dòng chảy này làm cân bằng sự chênh lệch áp suất qua lưới lọc, làm lỏng sự bám dính của các bao cát ở bên ngoài lưới lọc. Cát có thể tự do thoát ra khỏi vòng ngoài, làm giảm sức cản dòng chảy qua lưới lọc và cho phép dòng chảy tiếp tục. Khi áp suất chênh lệch giảm, van trở lại vị trí đóng và điều kiện dòng chảy bình thường được khôi phục. Lặp lại chu kỳ này cho đến khi cần phải kéo ESP ra khỏi giếng để bảo dưỡng. Các nghiên cứu trường hợp được nêu bật trong bài viết này chứng minh rằng hệ thống có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của bơm so với chỉ sử dụng hệ thống hoàn thiện bằng lưới lọc.
Đối với hệ thống lắp đặt gần đây, một giải pháp tiết kiệm chi phí đã được đưa ra để cách ly khu vực giữa lưới thép không gỉ và ESP. Một bộ phận bịt kín dạng cốc hướng xuống được gắn phía trên phần lưới lọc. Phía trên bộ phận bịt kín dạng cốc, các lỗ thủng bổ sung ở ống trung tâm tạo ra đường dẫn cho chất lỏng được sản xuất di chuyển từ bên trong lưới lọc đến không gian hình vòng phía trên bộ phận bịt kín, nơi chất lỏng có thể đi vào cửa hút của ESP.
Bộ lọc lưới thép không gỉ được lựa chọn cho giải pháp này mang lại một số ưu điểm so với các loại lưới 2D dựa trên khe hở. Bộ lọc 2D chủ yếu dựa vào các hạt lấp đầy các khe hở hoặc rãnh lọc để tạo thành các túi cát và kiểm soát cát. Tuy nhiên, vì chỉ có thể chọn một giá trị khe hở duy nhất cho lưới lọc, nên lưới lọc trở nên rất nhạy cảm với sự phân bố kích thước hạt của chất lỏng được tạo ra.
Ngược lại, lớp lưới lọc bằng dây thép không gỉ dày cung cấp độ xốp cao (92%) và diện tích dòng chảy mở lớn (40%) cho chất lỏng giếng khoan được sản xuất. Bộ lọc được cấu tạo bằng cách nén một lớp lưới thép không gỉ và quấn trực tiếp quanh một ống trung tâm có lỗ, sau đó bao bọc nó trong một lớp vỏ bảo vệ có lỗ được hàn vào ống trung tâm ở mỗi đầu. Sự phân bố các lỗ rỗng trong lớp lưới, hướng góc không đồng nhất (dao động từ 15 µm đến 600 µm) cho phép các hạt mịn vô hại chảy dọc theo đường dẫn dòng chảy 3D về phía ống trung tâm sau khi các hạt lớn hơn và có hại bị giữ lại trong lưới. Thử nghiệm khả năng giữ cát trên các mẫu sàng này đã chứng minh rằng bộ lọc duy trì độ thấm cao vì chất lỏng được tạo ra thông qua sàng. Trên thực tế, bộ lọc "kích thước" đơn này có thể xử lý tất cả các phân bố kích thước hạt của chất lỏng được sản xuất. Màn lọc len thép không gỉ này được phát triển bởi một nhà điều hành lớn vào những năm 1980, đặc biệt dành cho các hệ thống hoàn thiện sàng tự chứa trong các mỏ được kích thích bằng hơi nước và có lịch sử lắp đặt thành công rộng rãi.
Cụm van bao gồm một van lò xo cho phép dòng chảy một chiều vào chuỗi ống từ khu vực sản xuất. Bằng cách điều chỉnh tải trọng trước của lò xo cuộn trước khi lắp đặt, van có thể được tùy chỉnh để đạt được áp suất mở van mong muốn cho ứng dụng. Thông thường, một van được đặt bên dưới lưới thép không gỉ để tạo ra đường dẫn dòng chảy thứ cấp giữa bể chứa và ESP. Trong một số trường hợp, nhiều van và lưới thép không gỉ hoạt động nối tiếp, với van ở giữa có áp suất mở van thấp hơn van ở dưới cùng.
Theo thời gian, các hạt trầm tích lấp đầy khu vực hình vòng giữa bề mặt ngoài của lưới lọc cụm bảo vệ bơm và thành của vỏ giếng sản xuất. Khi khoang này đầy cát và các hạt kết tụ lại, độ giảm áp suất qua túi cát tăng lên. Khi độ giảm áp suất này đạt đến một giá trị định trước, van hình nón sẽ mở ra và cho phép dòng chảy trực tiếp qua cửa hút của bơm. Ở giai đoạn này, dòng chảy qua đường ống có thể phá vỡ lớp cát đã kết tụ trước đó dọc theo bên ngoài lưới lọc. Do chênh lệch áp suất giảm, dòng chảy sẽ tiếp tục qua lưới lọc và van hút sẽ đóng lại. Do đó, bơm chỉ có thể nhận được dòng chảy trực tiếp từ van trong một khoảng thời gian ngắn. Điều này kéo dài tuổi thọ của bơm, vì phần lớn dòng chảy là chất lỏng được lọc qua lưới lọc cát.
Hệ thống bảo vệ bơm được vận hành với các bộ phận bịt kín trong ba giếng khác nhau tại lưu vực Delaware ở Hoa Kỳ. Mục tiêu chính là giảm số lần khởi động và dừng bơm chìm điện (ESP) do quá tải liên quan đến cát và tăng khả năng hoạt động của ESP để cải thiện sản lượng. Hệ thống bảo vệ bơm được treo ở đầu dưới của chuỗi ESP. Kết quả thử nghiệm tại giếng dầu cho thấy hiệu suất bơm ổn định, giảm rung động và cường độ dòng điện, đồng thời công nghệ bảo vệ bơm cũng được cải thiện. Sau khi lắp đặt hệ thống mới, thời gian ngừng hoạt động liên quan đến cát và chất rắn đã giảm 75% và tuổi thọ bơm tăng hơn 22%.
Một giếng khoan. Hệ thống ESP đã được lắp đặt trong một giếng khoan và nứt vỡ thủy lực mới ở Quận Martin, Texas. Phần thẳng đứng của giếng dài khoảng 9.000 feet và phần nằm ngang kéo dài đến 12.000 feet, độ sâu đo được (MD). Đối với hai lần hoàn thiện đầu tiên, một hệ thống tách cát xoáy dưới giếng với sáu kết nối ống lót đã được lắp đặt như một phần không thể thiếu của quá trình hoàn thiện ESP. Đối với hai lần lắp đặt liên tiếp sử dụng cùng loại bộ tách cát, người ta quan sát thấy sự hoạt động không ổn định của các thông số vận hành ESP (cường độ dòng điện và độ rung). Phân tích tháo dỡ thiết bị ESP đã tháo ra cho thấy cụm bộ tách khí xoáy bị tắc nghẽn bởi vật lạ, được xác định là cát vì nó không từ tính và không phản ứng hóa học với axit.
Trong lần lắp đặt ESP thứ ba, lưới thép không gỉ đã thay thế bộ tách cát để kiểm soát cát trong ESP. Sau khi lắp đặt hệ thống bảo vệ bơm mới, ESP hoạt động ổn định hơn, giảm biên độ dao động dòng điện động cơ từ khoảng 19 A đối với lần lắp đặt số 2 xuống còn khoảng 6,3 A đối với lần lắp đặt số 3. Độ rung ổn định hơn và xu hướng giảm 75%. Độ sụt áp cũng ổn định, dao động rất ít so với lần lắp đặt trước và tăng thêm 100 psi độ sụt áp. Số lần tắt máy do quá tải của ESP giảm 100% và ESP hoạt động với độ rung thấp.
Giếng B. Tại một giếng gần Eunice, New Mexico, một giếng khai thác dầu khí phi truyền thống khác đã được lắp đặt máy bơm chìm điện (ESP) nhưng không có hệ thống bảo vệ bơm. Sau lần khởi động ban đầu, ESP bắt đầu hoạt động không ổn định. Sự dao động về dòng điện và áp suất đi kèm với các đỉnh rung. Sau khi duy trì các điều kiện này trong 137 ngày, ESP bị hỏng và một thiết bị thay thế đã được lắp đặt. Thiết bị lắp đặt thứ hai bao gồm một hệ thống bảo vệ bơm mới với cấu hình ESP tương tự. Sau khi giếng hoạt động trở lại, ESP hoạt động bình thường, với dòng điện ổn định và ít rung động hơn. Tại thời điểm công bố, hệ thống ESP thứ hai đã hoạt động được hơn 300 ngày, một sự cải thiện đáng kể so với thiết bị lắp đặt trước đó.
Giếng C. Hệ thống này được lắp đặt tại chỗ lần thứ ba ở Mentone, Texas, bởi một công ty chuyên về dầu khí, nơi đã gặp sự cố ngừng hoạt động và hỏng hóc bơm ESP do sản sinh cát và muốn cải thiện thời gian hoạt động của bơm. Thông thường, các nhà điều hành sử dụng bộ tách cát dưới giếng có lớp lót trong mỗi giếng ESP. Tuy nhiên, một khi lớp lót bị đầy cát, bộ tách sẽ cho phép cát chảy qua phần bơm, ăn mòn tầng bơm, ổ trục và trục, dẫn đến mất khả năng nâng. Sau khi vận hành hệ thống mới với bộ bảo vệ bơm, bơm ESP có tuổi thọ hoạt động dài hơn 22% với độ sụt áp ổn định hơn và thời gian hoạt động liên quan đến ESP tốt hơn.
Số lần dừng hoạt động do cát và chất rắn gây ra trong quá trình vận hành đã giảm 75%, từ 8 sự cố quá tải ở hệ thống lắp đặt đầu tiên xuống còn 2 sự cố ở hệ thống lắp đặt thứ hai, và số lần khởi động lại thành công sau khi dừng do quá tải đã tăng 30%, từ 8 lần ở hệ thống lắp đặt đầu tiên. Tổng cộng có 12 sự kiện, và tổng cộng 8 sự kiện, đã được thực hiện trong hệ thống lắp đặt thứ hai, giúp giảm tải điện cho thiết bị và tăng tuổi thọ hoạt động của ESP.
Hình 5 cho thấy sự gia tăng đột ngột của tín hiệu áp suất đầu vào (màu xanh) khi lưới thép không gỉ bị tắc và cụm van được mở. Tín hiệu áp suất này có thể giúp cải thiện hiệu quả sản xuất hơn nữa bằng cách dự đoán các sự cố ESP liên quan đến cát, từ đó có thể lên kế hoạch cho các hoạt động thay thế bằng giàn khoan sửa chữa.
1 Martins, JA, ES Rosa, S. Robson, “Phân tích thực nghiệm ống xoáy như một thiết bị tách cát dưới giếng,” Bài báo SPE 94673-MS, trình bày tại Hội nghị Kỹ thuật Dầu khí SPE khu vực Mỹ Latinh và Caribe, Rio de Janeiro, Brazil, ngày 20 tháng 6 – 23 tháng 2 năm 2005. https://doi.org/10.2118/94673-MS.
Bài viết này có chứa các nội dung từ bài báo SPE 207926-MS, được trình bày tại Triển lãm và Hội nghị Dầu khí Quốc tế Abu Dhabi ở Abu Dhabi, UAE, từ ngày 15-18 tháng 11 năm 2021.
Tất cả tài liệu đều tuân thủ nghiêm ngặt luật bản quyền, vui lòng đọc Điều khoản và Điều kiện, Chính sách Cookie và Chính sách Bảo mật của chúng tôi trước khi sử dụng trang web này.