Анализ эффективности фильтров

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИЛЬТРОВ

ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ

(Информационный отчет ООО «ТатПром-Холдинг»)

Актуальность проблемы механических примесей в механизированной добыче нефти

Механические примеси являются одним из наиболее неблагоприятных факторов, осложняющих добычу нефти в современных условиях.

Применительно к установкам электроцентробежных насосов (УЭЦН) механические примеси служат главной причиной поломок и образования дефектов конструкции. Принято считать, что крупные механические частицы вызывают заклинивание насоса, а мелкие – вибрацию и повышенный абразивный износ. Согласно известным статистическим данным, собранным за последние годы для различных месторождений (см. таблицу 1), процентная доля поломок электроцентробежных насосов от механических примесей намного превосходит влияние других факторов, главными из которых являются коррозия и солеотложения.

Таблица 1. Основные причины отказов УЭЦН

Причина отказа	Доля в процентах от общего числа
механические примеси	35-50
коррозия	20-25
солеобразование	15-20

В таблице (2) приведены данные по осложненному фонду некоторых отечественных нефтедобывающих предприятий, в которых указана доля скважин с интенсивным выносом механических примесей (здесь следует учитывать, что на одной скважине может быть несколько видов осложнений).

Таблица 2. Статистика по осложненному фонду скважин

Предприятие	Газпромнефть-Ноябрьск нефтегаз	Роснефть-Ставрополь нефтегаз	Роснефть-Пурнефтегаз	Томск нефть	Белкам нефть
Неосложненный фонд, %
Мехпримеси, %
Соли, %
Коррозия, %
Парафины, %
Газ, %
Температура, %
Эмульсия, %

Механические примеси представляют собой твердые вещества, которые содержатся в пластовой жидкости и входят в состав отложений на поверхности нефтепромыслового оборудования. Происхождение механических примесей в основном обусловлено четырьмя причинами:

1) выносом твердых частиц из пласта при освоении и эксплуатации скважин,

2) выносом с поверхности в результате проведения геолого-технических мероприятий (ГТМ) и технологических операций на скважинах

3) частицы, вносимые в составе растворов глушения, проппант после проведения гидроразрыва пласта (ГРП) и др.

4) коррозией подземного оборудования,

5) взаимодействием химически несовместимых перекачиваемых жидкостей.

Основной измеряемой характеристикой механических примесей является количество взвешенных частиц (КВЧ) в мг/л. Среди основных факторов, определяющих величину концентрации примесей, традиционно выделяют следующие:

1) глубина залегания пласта и пластовое давление

2) проницаемость пласта

3) физико-химические свойства добываемой жидкости

4) обводненность

5) характеристики частиц песка

6) дебит скважины

7) плотность перфорации

8) депрессия

9) тип рабочей жидкости, используемой в процессе ремонтно-восстановительных работ

Следует отметить, что КВЧ является функцией, сильно зависящей от рассматриваемого временного интервала. В результате систематического анализа промыслового материала выявлено, что резкое увеличение содержания механических примесей (до двух порядков величины) в основном обусловлено следующими причинами:

1) запуск насосов и вывод скважин на режим после ремонта, капитального или текущего,

2) кратковременные остановки подачи, например, при отключении электроэнергии, и последующие запуски скважин,

3) нестабильный режим эксплуатации скважин, а именно, высокие значения динамического уровня, низкая обводненность: Обе причины приводят к увеличению вредного влияния газа и, как следствие, вызывают нестабильный вынос механических примесей.

При этом частота и амплитуда пиков выброса значений концентрации примеси зависят от таких параметров, как пластовое давление, динамический уровень, обводненность и др.

В последние годы в сообществе инженеров-нефтяников утвердилось мнение о том, что количество взвешенных частиц само по себе не является показателем эрозионной агрессивности среды. Помимо КВЧ на абразивные свойства механических примесей влияют также гранулометрический состав (распределение частиц по размеру), твердость (характеристика абразивных свойств частиц, влияющая на интенсивность износа), минеральный состав (содержание кварца, полевого шпата, обломков горных пород и др., которое

косвенным образом на основе табличных данных позволяет определить твердость, плотность и размер частиц), сферичность, острота граней. За рубежом в качестве абразивной характеристики частиц, попадающих в насос, используется так называемый индекс абразивности (AI, abrasive index), который рассчитывается по формуле:

AI = 0.3*(% частиц диаметром менее 0.25 мм) + 10*(1 – округлость) +

+ 10*(1 – сферичность) + 0.25*(% нерастворимого осадка).

Рис. 1. Диаграмма для визуального определения сферичности и округлости

Округлость и сферичность частиц определяются визуально с помощью микроскопа на основе диаграммы (см. рис. 1).

Прогнозирование влияния механических примесей на элементы насосного оборудования для добычи нефти является сложной задачей, требующей учета множества различных факторов. В настоящее время отсутствует единая теоретическая модель, позволяющая предсказывать интенсивность воздействия абразивных частиц на нефтедобывающее оборудование, и, как следствие, строго обоснованный алгоритм выбора технологий его защиты. На практике решение в пользу той или иной технологии выносится на основе результата промысловых испытаний.

Рис. 4 Скважинные фильтры.

Конструкция щелевых (безпроволочных) фильтров имеют много общего с конструкцией проволочных фильтров (см. рис. 5), поскольку и в том и в другом случае пластовая жидкость и механические примеси фильтруются через узкие щели (довольно часто используется название проволочно-щелевой фильтр). В отличие от проволочного фильтра ширина щели для щелевого фильтра всегда строго фиксирована. Основным недостатком классических щелевых фильтров является их низкая скважность – отношение суммарной площади фильтрующих отверстий к общей площади поверхности фильтра. Для увеличения скважности в современных щелевых фильтрах (например, ВМТФ) используется технология, аналогичная той, которая применяется для проволочных фильтров, когда профилированные элементы (кольца или стержни) привариваются к опорным конструкциям. Это препятствует смятию фильтра в процессе спуско-подъемных операций на скважине, делают его конструкцию устойчивой по отношению к внешним воздействиям.

Рис. 5. Щелевые фильтры. а) щели расположены симметрично, б) щели расположены в шахматном порядке, в) двойные щели, г) горизонтальные щели

К гравийным относятся фильтры, у которых поверхность, контактирующая с породой, состоит из искусственно вводимого гравия, расположенного вокруг опорных фильтровых каркасов. Гравийные фильтры собираются на устье скважины, либо намываются непосредственно на забое. Основным преимуществом гравийных фильтров по сравнению с фильтрами других конструкций является то, что они могут успешно применяться при большой неоднородности частиц коллектора.

Рис. 6. Гравийный фильтр

Фильтры устанавливаются в скважину с целью очистки добываемой из пласта жидкости от песка, проппанта и других механических примесей и должны выполнять две основные функции: 1) защита от проникновения твердой фазы, 2) создание минимального гидравлического сопротивления.

Расчет пропускной способности фильтра в зависимости от создаваемого на нем перепада давления в общем случае является сложной задачей, требующей знания геометрических характеристик фильтра, физико-химических свойств пластовой жидкости и гранулометрического состава твердой породы. Простейшая зависимость дебита от перепада давления основана на использовании формулы истечения из затопленного отверстия:

,

где – скорость истечения из отверстия, – коэффициент расхода, – скважность фильтра, – перепад давления в фильтре, – плотность жидкости. Как следует из формулы, скорость и соответственно дебит пропорционален квадратному корню из с коэффициентом , который называется гидравлическим параметром фильтра.

Как показывают многочисленные эксперименты, гидравлический параметр изменяется в широких пределах от 0.2 до 0.9, что объясняется разнообразием условий работы фильтров в реальных условиях и сложностью их классификации и типизации. В таблице 6 приведены данные измерения гидравлического параметра и скважности для фильтров различных конструкций при контакте с породой с разным гранулометрическим составом.

Таблица 6. Результаты промысловых испытаний

Выводы

На основе приведенного в отчете материала можно сделать следующие выводы:

1) Среди различных конструкций фильтров наилучшие фильтрационные свойства демонстрируют каркасно-проволочные фильтры. При их проектировании необходимо добиваться максимального значения скважности.

2) Срок службы значительно выше относительно сетчатых аналогов.

3) При подборе фильтров для скважины необходимо изучить гранулометрический состав механических примесей, который определяет не только параметры фильтра (проходной размер ячеек, межвитковый зазор), но и саму его конструкцию.

4) В ряде случаев необходимо учитывать экономическую составляющую при подборе фильтрационного оборудования, а именно, стоимость фильтра, затраты, связанные с его установкой, ремонтопригодность, возможные потери от его преждевременного выхода из строя. В современных условиях, когда рынок защитных фильтров представлен достаточно широко, а их конструкции отличаются незначительно, на первый план выходит стоимость.ю

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФИЛЬТРОВ