事實(shí)證明，電潛泵保護(hù)裝置可以保護(hù)其免受沙子的侵蝕，延長(zhǎng)其在非傳統(tǒng)油井開(kāi)采作業(yè)中的使用壽命。這種方法可以控制壓裂沙及其它可能導(dǎo)致電潛泵（ESP）過(guò)載和停機(jī)的固體顆粒物的回流。這項(xiàng)技術(shù)能解決與固體顆粒大小分布不確定的相關(guān)問(wèn)題。隨著越來(lái)越多的油井依靠ESP進(jìn)行原油開(kāi)采，延長(zhǎng)ESP系統(tǒng)的使用壽命就變得越來(lái)越迫切。人工舉升泵的使用壽命與性能對(duì)開(kāi)采液中的固體顆粒物非常敏感。隨著固體顆粒物的增多，ESP的使用壽命和性能會(huì)顯著下降。此外，固體顆粒的增多會(huì)使采油過(guò)程中的停機(jī)時(shí)間增多，修井的頻率也會(huì)隨之增多，因?yàn)榭赡苄枰啻胃鼡QESP。
設(shè)計(jì)用于井下分離固體顆粒物的采油技術(shù)，類別從低效的旋流分離到高效的三維、不銹鋼制篩網(wǎng)分離。井下旋流誘沙式除沙器已在傳統(tǒng)油井的采油中使用了數(shù)十年，這種裝置在生產(chǎn)過(guò)程中的主要作用是保護(hù)ESP免受大顆粒物的侵蝕。不過(guò)，非傳統(tǒng)油井開(kāi)采存在間歇性鼻吸或活塞流現(xiàn)象，這導(dǎo)致了現(xiàn)有的井下旋流誘沙式分離器只能間歇性工作。
應(yīng)用挑戰(zhàn)
人們已經(jīng)提出了幾種不同組合的防沙篩和井下旋流誘沙式除沙器的變體來(lái)保護(hù)ESP設(shè)備。然而，由于每口井產(chǎn)出的固體顆粒大小分布和體積量的不確定性，所以這些改進(jìn)都在ESP的保護(hù)和生產(chǎn)績(jī)效方面存有缺陷或留有空白。這種不確定性增加了控沙裝置的長(zhǎng)度，從而減少了ESP下井的設(shè)定深度，限制了ESP的儲(chǔ)層開(kāi)采潛能，對(duì)油井生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益造成了負(fù)面影響。 一款基于渦流管（圖1：井下旋流誘沙式分離器）的井下沙分離器依靠旋流作用和重力，分離效率呈現(xiàn)出受原油粘度、流速和固體顆粒大小的影響。結(jié)果表明，分離器的效率很大程度上取決于固體顆粒的自由沉降速度。分離效率隨著流速的下降、固體顆粒尺寸的減小和原油粘度的增大而降低，對(duì)于一個(gè)典型的旋流管式井下沙分離器而言，當(dāng)粒徑降至~100µm時(shí)，分離效率降至~10%。此外，隨著流速的增大，旋流誘沙式分離器會(huì)受到侵蝕性磨損，這會(huì)影響結(jié)構(gòu)組件的使用壽命。
下一個(gè)合乎邏輯的替代方案是使用一個(gè)具有明確狹縫寬度的二維防沙網(wǎng)。當(dāng)選擇一種篩網(wǎng)過(guò)濾傳統(tǒng)或非傳統(tǒng)油井生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)出的固體顆粒時(shí)，顆粒尺寸和分布是重要的考慮因素，但它們可能是未知的。固體顆?？赡軄?lái)自儲(chǔ)層，但它們可能會(huì)因水平著陸點(diǎn)（足跟）到水平段總井深（足尖）的變化而有所不同；或者，篩網(wǎng)或許需要過(guò)濾水力壓裂中使用的部分沙子。無(wú)論是哪種情況，固體顆粒收集、分析和測(cè)試的成本都可能會(huì)很高。如果二維油管篩網(wǎng)配置不當(dāng)，結(jié)果可能會(huì)對(duì)油井的經(jīng)濟(jì)效率帶來(lái)不利影響。太小的沙子篩孔可能會(huì)導(dǎo)致篩孔過(guò)早堵塞、停產(chǎn)，需要進(jìn)行補(bǔ)救性的修井。如果篩網(wǎng)孔徑太大，會(huì)使固體顆粒自由或無(wú)阻擋地進(jìn)入生產(chǎn)油流，這樣一來(lái)就會(huì)侵蝕油管，毀壞人工舉升泵設(shè)備，沖掉表面填塞，填充表面分離器，需要進(jìn)行噴沙和清理。這種情況下迫切需要一種簡(jiǎn)單而成本有效的、能夠延長(zhǎng)泵壽命、而且可應(yīng)對(duì)寬泛沙子尺寸分布的有效解決方法。
為了滿足這一要求，對(duì)閥門組件與不銹鋼制篩網(wǎng)的協(xié)同使用進(jìn)行了研究，這種篩網(wǎng)不受產(chǎn)出的固體顆粒大小分布的影響。研究表明，采用可變孔徑和三維結(jié)構(gòu)的不銹鋼制篩網(wǎng)可以有效防控各種尺寸的固體顆粒，而無(wú)需知曉所產(chǎn)出的固體顆粒大小分布，通過(guò)對(duì)小沙粒和大沙粒的有效沙控，使用三維不銹鋼制篩網(wǎng)無(wú)需多余的二次過(guò)濾。 安裝在篩網(wǎng)底部的閥門組件能讓生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行，直到ESP被起出。這樣就可防止在篩網(wǎng)因沙子橋接堵塞而需立即起出ESP的情況發(fā)生。由此產(chǎn)生的進(jìn)液口控沙篩網(wǎng)和閥門組件通過(guò)清潔的流體流動(dòng)來(lái)保護(hù)ESP、抽油桿舉升泵，以及氣舉完井設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中免受固體顆粒造成的負(fù)面影響，提供一個(gè)高成本效益的解決方法，延長(zhǎng)泵的使用壽命。
第一代電潛泵保護(hù)設(shè)計(jì)
在加拿大西部的蒸汽輔助重力采油井的生產(chǎn)過(guò)程中，為了保護(hù)ESP免受固體顆粒侵蝕，泵保護(hù)組件使用了不銹鋼制篩網(wǎng)。這種篩網(wǎng)在生產(chǎn)油流進(jìn)入油管時(shí)過(guò)濾了有害的產(chǎn)出顆粒。在油管內(nèi)部，流體流進(jìn)ESP進(jìn)入口，在此流體被泵送至地面?？梢栽诤Y網(wǎng)與ESP之間用一個(gè)封隔器，在產(chǎn)油層與上部井眼之間建立一個(gè)層位封隔。隨著生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行，篩網(wǎng)與套管之間的環(huán)空往往會(huì)因沙子而產(chǎn)生橋接，從而增加了流動(dòng)阻力。最終，環(huán)空可能會(huì)出現(xiàn)完全橋接，進(jìn)而使流體流動(dòng)完全受阻，這會(huì)導(dǎo)致井筒與油管之間形成壓差，見(jiàn)圖2。出現(xiàn)這種情況時(shí)，流體無(wú)法再流進(jìn)ESP，必須起出完井管柱。根據(jù)與固體顆粒產(chǎn)出有關(guān)的多個(gè)變量，因固體顆粒在篩網(wǎng)上產(chǎn)生橋接，阻斷流體流動(dòng)所需的持續(xù)時(shí)間可能會(huì)小于允許ESP將載有固體顆粒的流體泵送至地面的平均失效時(shí)間，在此情況下，開(kāi)發(fā)了第二代保護(hù)裝置。
第二代ESP保護(hù)裝置
PumpGuard（一種用于分配器的內(nèi)置過(guò)流保護(hù)裝置）進(jìn)入口控沙篩網(wǎng)和閥組件系統(tǒng)懸掛在圖4（典型的非傳統(tǒng)油井帶有控沙裝置的ESP完井設(shè)備，該裝置懸掛在ESP儀表下方）中一個(gè)REDA（注：用于石油工業(yè)和非工業(yè)應(yīng)用的斯倫貝謝A-系列REDA電潛泵，一種高效、多級(jí)離心泵）泵的下方，這是一個(gè)非傳統(tǒng)油井ESP完井設(shè)備的示例。一旦油井開(kāi)始生產(chǎn)，篩網(wǎng)過(guò)濾生產(chǎn)油流中的固體顆粒，但也將緩慢地開(kāi)始沙粒橋接，并在篩網(wǎng)兩側(cè)形成壓差。當(dāng)這一壓差達(dá)到閥門的設(shè)定打開(kāi)壓力時(shí)，閥門打開(kāi)，使流體直接流入朝向ESP的管路。這種流動(dòng)使篩網(wǎng)兩側(cè)的壓差趨于平衡，進(jìn)而松開(kāi)篩網(wǎng)外側(cè)沙堵物的抓篩力。沙子即可自由地脫落到環(huán)空，進(jìn)而使通過(guò)篩網(wǎng)的流動(dòng)阻力得以減小，阻力減小能使流體恢復(fù)流動(dòng)。隨著壓差的下降，閥門返回其關(guān)閉的位置，正常的流動(dòng)場(chǎng)景得以恢復(fù)。這種循環(huán)能夠重復(fù)進(jìn)行，直到需要將ESP從井中起出進(jìn)行維修。本文重點(diǎn)介紹的案例研究已經(jīng)證明，與單獨(dú)采用篩網(wǎng)完井相比，該系統(tǒng)能顯著提高ESP的使用壽命。
最近安裝的一些設(shè)備，為了進(jìn)行層間隔離，在不銹鋼制篩網(wǎng)與ESP之間引入了一種成本驅(qū)動(dòng)的解決方案。在篩網(wǎng)段的上方安裝了一個(gè)面朝下的杯式封隔器。在杯式封隔器的上方，外加的基管射孔為生產(chǎn)油流提供了一個(gè)流路，使油流能從篩網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)流到封隔器上方的環(huán)空，在那里油流可以進(jìn)入ESP的入口。為該方案選擇的不銹鋼制篩網(wǎng)過(guò)濾器與孔隙型的二維篩網(wǎng)相比具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。二維過(guò)濾主要依靠在過(guò)濾網(wǎng)縫隙或狹縫之間的顆粒橋接來(lái)搭建沙包，實(shí)現(xiàn)沙控。然而，由于只能為篩網(wǎng)選擇一個(gè)單一的孔徑，因此，篩網(wǎng)對(duì)產(chǎn)出流體夾帶的顆粒大小分布則變得高度敏感。
相反，不銹鋼制篩網(wǎng)過(guò)濾器的厚網(wǎng)床為產(chǎn)出的井筒流體提供了高孔隙度（92%）和大開(kāi)口流量（40%）。過(guò)濾器是通過(guò)將不銹鋼制篩網(wǎng)壓縮，并直接包裹在射孔基管周圍，然后將其封裝在一個(gè)焊接于基管兩端的保護(hù)性射孔護(hù)罩中所制成的。網(wǎng)床內(nèi)孔隙的分布、不均勻的角度取向，允許無(wú)害的細(xì)粉粒在較大的顆粒和有害顆粒被困在網(wǎng)內(nèi)后沿三維流路流向基管。這種篩網(wǎng)試樣的沙滯留測(cè)試證明，由于流體是穿過(guò)篩網(wǎng)獲得的，因此，過(guò)濾器保持了高滲透特性。實(shí)際上，這種單一的過(guò)濾器“量規(guī)”可以處理所遇到的所有生產(chǎn)流體的固體顆粒分布。這種不銹鋼制的篩網(wǎng)是20世紀(jì)80年代由一家超大石油公司研發(fā)的，專門用于蒸汽驅(qū)油的篩網(wǎng)完井，該裝置擁有廣泛成功的應(yīng)用記錄。 隨著時(shí)間的推移，地層固體顆粒填充了泵保護(hù)裝置篩網(wǎng)外表面與油層套管壁之間的環(huán)空區(qū)域。隨著腔體充滿沙子和顆粒的固結(jié)，沙堵兩側(cè)的壓降會(huì)增大。當(dāng)這一壓降達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，錐形閥會(huì)打開(kāi)，允許油流直接通往泵的進(jìn)入口。在此階段，通過(guò)油管的液流能夠驅(qū)散篩網(wǎng)過(guò)濾器外側(cè)先前固結(jié)的沙粒，使篩網(wǎng)流道打開(kāi)。此后，由于篩網(wǎng)流道的打開(kāi)，篩網(wǎng)過(guò)濾器兩側(cè)的壓差就會(huì)隨之下降，跨越篩網(wǎng)的流動(dòng)將會(huì)恢復(fù)，進(jìn)液閥就會(huì)關(guān)閉。因此，泵可在短時(shí)間內(nèi)直接見(jiàn)到來(lái)自閥門的流量。這樣就會(huì)延長(zhǎng)泵的使用壽命，因?yàn)榇蟛糠至黧w都是通過(guò)篩網(wǎng)過(guò)濾獲得的。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
泵保護(hù)系統(tǒng)連同一個(gè)杯式封隔器，在美國(guó)特拉華盆地三口不同的油井一并運(yùn)用。主要目標(biāo)是減少因沙子過(guò)載所導(dǎo)致的ESP的啟停次數(shù)，提高ESP的持續(xù)應(yīng)用能力，意在增加原油產(chǎn)量。泵保護(hù)系統(tǒng)懸掛在ESP管柱的下端。這幾口油井的生產(chǎn)結(jié)果表面，通過(guò)采用泵保護(hù)系統(tǒng)，ESP展現(xiàn)出性能穩(wěn)定，泵振動(dòng)和電流強(qiáng)度明顯減小。新系統(tǒng)安裝后，與沙子和固體顆粒相關(guān)的停機(jī)次數(shù)減少了75%，泵的使用壽命延長(zhǎng)了22%以上。
A井。一個(gè)ESP系統(tǒng)安裝在德克薩斯州馬丁縣一口新鉆的井，這口井已實(shí)施了壓裂作業(yè)。該井垂深約9000ft，水平段鉆至測(cè)量深度12000ft的設(shè)計(jì)井深。最初的兩次完井，作為ESP完井的一部分，安裝了一個(gè)帶有六個(gè)排沙管接頭的井下旋流誘沙式分離器系統(tǒng)。采用相同類型的沙分離器，兩次不間斷的安裝都觀察到了ESP電流強(qiáng)度和振動(dòng)參數(shù)不規(guī)則的情形。起出ESP設(shè)備的拆解分析表明，渦流氣體分離器組件因其無(wú)磁性且不與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被異物堵塞，其異物被鑒定為沙子。第三次安裝ESP時(shí)，作為ESP的一種防沙手段，用了一個(gè)不銹鋼制篩網(wǎng)替換了沙分離器。在安裝了新的泵保護(hù)系統(tǒng)后，ESP呈現(xiàn)出了更加穩(wěn)定的工作狀態(tài)，電機(jī)電流的波動(dòng)范圍從二次安裝運(yùn)行時(shí)的19A降低到了三次安裝運(yùn)行的6.3A。振動(dòng)參數(shù)也更加穩(wěn)定，振動(dòng)趨勢(shì)減少了75%。泵油狀態(tài)也很穩(wěn)定，相比之前的安裝設(shè)備顯現(xiàn)出很小的波動(dòng)，并獲得了100psi額外的泵油壓力。ESP在低振動(dòng)下運(yùn)行，因此，過(guò)載停機(jī)率降低了100%。
B井。在新墨西哥州尤尼斯附近的一口井，另一口非傳統(tǒng)油井曾安裝了一部不帶泵保護(hù)系統(tǒng)的ESP。從最初啟動(dòng)ESP開(kāi)展生產(chǎn)后，ESP就開(kāi)始顯現(xiàn)不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。工作電流和壓力的搖擺不定與振動(dòng)的峰值相關(guān)聯(lián)。在維持這種狀態(tài)137天后，ESP出現(xiàn)了故障，然后，替換了一部ESP。第二次安裝的是一部相同配置的ESP，但配有新的泵保護(hù)系統(tǒng)。在這口井恢復(fù)生產(chǎn)后，ESP表現(xiàn)正常，電流穩(wěn)定，振動(dòng)更小。自此效果發(fā)布時(shí)起，ESP第二次運(yùn)行已達(dá)到了300多天的時(shí)長(zhǎng)，與之前安裝的ESP配置相比，性能有了顯著的改進(jìn)。
C井。該系統(tǒng)的第三次現(xiàn)場(chǎng)安裝是在德克薩斯州的門托尼，一家大的石油天然氣公司因生產(chǎn)中出沙嚴(yán)重，曾經(jīng)歷了多次生產(chǎn)中斷和ESP故障，希望延長(zhǎng)泵的正常運(yùn)行時(shí)間。該公司通常在每口ESP的井中下一個(gè)帶排沙管的井下沙子分離裝置。不過(guò)，一旦排沙管被沙子填滿，分離器就會(huì)使沙子流入泵的一端，侵蝕泵的各段、軸承和軸，因此則會(huì)導(dǎo)致泵的舉升力受到損失。在使用了新的泵保護(hù)系統(tǒng)后，ESP的運(yùn)行壽命延長(zhǎng)了22%，泵油能力更加穩(wěn)定，ESP的正常運(yùn)行時(shí)間明顯延長(zhǎng)。ESP運(yùn)行時(shí)與沙子和固體顆粒有關(guān)的停機(jī)次數(shù)減少了75%，從第一次原配置安裝ESP出現(xiàn)8次過(guò)載事件到第二次新系統(tǒng)安裝ESP出現(xiàn)2次過(guò)載事件，以及過(guò)載停機(jī)后成功重啟的次數(shù)提高了30%，從12次過(guò)載事件到第二次安裝后總計(jì)8次過(guò)載事件，降低了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的電應(yīng)力，提高了ESP的運(yùn)行壽命。
微信公眾號(hào)
微信視頻號(hào)
京公網(wǎng)安備11010502053156號(hào)