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)問題。隨著越來越多的油井依靠ESP進(jìn)行原油開采，延長(zhǎng)ESP系統(tǒng)的使用壽命就變得越來越迫切。人工舉升泵的使用壽命與性能對(duì)開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)過程中的主要作用是保護(hù)ESP免受大顆粒物的侵蝕。不過，非傳統(tǒng)油井開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)過濾傳統(tǒng)或非傳統(tǒng)油井生產(chǎn)過程中產(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。固體顆粒可能來自儲(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)或許需要過濾水力壓裂中使用的部分沙子。無論是哪種情況，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)效率帶來不利影響。太小的沙子篩孔可能會(huì)導(dǎo)致篩孔過早堵塞、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阻擋地進(jìn)入生產(chǎn)油流，這樣一來就會(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，而無需知曉所產(chǎn)出的固體顆粒大小分布，通過對(duì)小沙粒和大沙粒的有效沙控，使用三維不銹鋼制篩網(wǎng)無需多余的二次過濾。 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)和閥門組件通過清潔的流體流動(dòng)來保護(hù)ESP、抽油桿舉升泵，以及氣舉完井設(shè)備在生產(chǎn)過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，見圖2。出現(xiàn)這種情況時(shí)，流體無法再流進(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。一旦油井開始生產(chǎn)，篩網(wǎng)過濾生產(chǎn)油流中的固體顆粒，但也將緩慢地開始沙粒橋接，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)定打開壓力時(shí)，閥門打開，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)。二維過濾主要依靠在過濾網(wǎng)縫隙或狹縫之間的顆粒橋接來搭建沙包，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%）和大開口流量（40%）。過濾器是通過將不銹鋼制篩網(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，由于流體是穿過篩網(wǎng)獲得的，因此，過濾器保持了高滲透特性。實(shí)際上，這種單一的過濾器“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，允許油流直接通往泵的進(jìn)入口。在此階段，通過油管的液流能夠驅(qū)散篩網(wǎng)過濾器外側(cè)先前固結(jié)的沙粒，使篩網(wǎng)流道打開。此后，由于篩網(wǎng)流道的打開，篩網(wǎng)過濾器兩側(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)直接見到來自閥門的流量。這樣就會(huì)延長(zhǎng)泵的使用壽命，因?yàn)榇蟛糠至黧w都是通過篩網(wǎng)過濾獲得的。
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開展生產(chǎn)后，ESP就開始顯現(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，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次過載事件到第二次新系統(tǒng)安裝ESP出現(xiàn)2次過載事件，以及過載停機(jī)后成功重啟的次數(shù)提高了30%，從12次過載事件到第二次安裝后總計(jì)8次過載事件，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。
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