Chương 1: Tổng quan về bơm ly tâm điện chìm 1. Artificial Lift[1] Dầu được coi là nguồn năng lượng chính trên thế giới do mật độ năng lượng cao, khả năng vận chuyển dễ dàng và sự phong phú trong sản xuất các sản phẩm. Đó là một yếu tố quan trọng trong mọi nền kinh tế của mọi quốc gia trên thế giới. Hầu như tất cả các mặt hàng chúng ta mua, sử dụng và tiêu thụ là sản phẩm của dầu khí.
EIA (Cơ quan quản lý thông tin năng lượng) tuyên bố rằng tiêu thụ dầu thô hàng ngày là 85,64 triệu thùng, khoảng 2 lít dầu mỗi ngày trên đầu người. Về mặt lý thuyết, dầu được chiết xuất từ vỉa bằng năng lượng được tích tụ của dầu nén ép trong vỉa. Năng lượng này thu được bởi sự chênh lệch giữa áp suất vỉa và áp suất đáy giếng. Nếu sự chênh lệch này đủ cao, giếng sẽ có khả năng sản xuất dầu khí tự nhiên.
Hầu hết các giếng dầu trên toàn thế giới đang sản xuất dầu một cách tự nhiên trong giai đoạn ban đầu của vòng đời vỉa. Sau khi sản xuất trong một khoảng thời gian, áp suất vỉa sẽ giảm và kết quả là sự chênh lệch áp suất giữa vỉa và áp suất đáy giếng sẽ nhỏ. Vì vậy, giếng sẽ không thể nâng dầu lên bề mặt, hoặc nó có thể nâng dầu lên bề mặt nhưng trong khối lượng kinh tế sẽ ít hơn. Ở giai đoạn này, artificial lift có thể được sử dụng để khắc phục vấn đề này bằng cách giảm áp suất đáy giếng.
Việc giảm này sẽ mang lại sự khác biệt thiết yếu giữa vỉa và áp suất đáy để dầu có thể được chiết xuất và nâng lên bề mặt. Một trong những vai trò quan trọng nhất của Artificial lift là tối đa hóa tốc độ sản xuất từ các giếng đang hoạt động. Artificial lift có thể được chia thành hai loại, dựa trên cơ chế nâng: nâng khí và bơm. Phương pháp nâng khí sử dụng một khí nén được tiêm từ bề mặt đến một số điểm nhất định trong ống.
Khí này sẽ làm giảm mật độ của chất lưu trong ống gây giảm áp suất đáy giếng và do đó tăng khả năng sản xuất. Mặt khác, phương pháp bơm liên quan đến việc đặt thiết bị bơm ở một độ sâu nhất định bên trong ống sẽ khiến nó bị chìm dưới mực chất lỏng. Máy bơm này sẽ làm giảm áp suất đáy giếng và do đó làm tăng sự sụt áp, tăng khả năng sản xuất hơn. Các phương pháp nâng nhân tạo phổ biến nhất được sử dụng trên toàn thế giới là bơm li tâm chìm điện (ESP), sucker rod pump (SRP), nâng khí (GL), plunger lift pumps (PLNG), progessive cavity pumps (PCP) và bơm thủy lực hydraulic pumps (HP).
Lịch sử nghiên cứu ESP[1] Vào cuối những năm 1910, một nhà phát minh người Nga tên là Armais Arutunoff đã thiết kế và phát triển máy bơm li tâm chìm điện. Sau đó, anh bắt đầu công ty Russian Electrical Dynamo of Arutunoff (REDA). Kể từ đó, ông đã phát minh ra động cơ điện đầu tiên có thể hoạt động dưới mức chất lỏng trong giếng dầu. Ông đã nhận được bằng sáng chế 9 của Hoa Kỳ về phát minh của ESP vào năm 1926.
Ngày bắt đầu của việc cài đặt ESP trong ngành dầu khí là ẩn số vì các nguồn tin đều cho những ngày khác nhau. Theo Takacs, việc cài đặt ESP thành công đầu tiên là giàn khoan El Dorado ở Kansas vào năm 1926. Ông cũng ngụ ý rằng các đơn vị ESP được công nhận đầu tiên được vận hành bởi động cơ hai cực ba pha với OD 5 3/8 hoặc 7 1/4 inch. Phía trên động cơ, một bộ phận con dấu (seal) đã được lắp đặt, và sau đó một máy bơm được gắn trên đỉnh đó.
Động cơ là để vận hành máy bơm, seal là để bảo vệ động cơ và ngăn chặn bất kỳ rò rỉ nào khỏi giếng vào động cơ, và máy bơm sẽ nâng chất lỏng lên bề mặt. Đơn vị ESP này được gắn vào đáy chuỗi ống nơi điện được cung cấp bởi một dây cáp từ bề mặt đến động cơ. Ngày nay, ESP được thiết lập tương tự như trên với một số sửa đổi trong quá trình cài đặt. Các sửa đổi của các thành phần ESP để giải quyết các vấn đề có thể làm giảm tuổi thọ của ESP.
Một trong những sửa đổi này là việc lắp đặt các con dấu cơ học trên trục của con dấu (protector) để thêm sự bảo vệ hơn cho động cơ và ngăn chặn bất kỳ rò rỉ chất lỏng nào vào động cơ. Tuy nhiên, đó là một thời điểm đột phá khi variable speed drive đầu tiên (VSD) hoạt động vào năm 1977. VSD này thay đổi tần số của hiện tại cho động cơ và kết quả là có thể mở rộng khả năng nâng từ cả hai bên cao và thấp. Có thể nói thêm về thuận lợi và bất lợi của ESP.
Lý thuyết phân tích khai thác[1] Tầm quan trọng của phân tích hệ thống (system analysis) là nó sẽ xác định tốc độ dòng chảy cho bất kỳ hệ thống khai thác dầu khí nào. Các kết luận sau đây được đưa ra từ các nghiên cứu trước đây - Tốc độ dòng chảy khối lượng cho toàn bộ hệ thống không thay đổi. - Áp suất chất lỏng giảm theo hướng của dòng chảy do mất năng lượng. - Áp suất trước và sau node point phải bằng nhau.
- Áp suất vỉa và bình tách, dữ liệu hình học bề mặt và giếng khoan cũng như thành phần của chất lỏng là không đổi trong toàn hệ thống. Để mô tả rõ hơn về nodal analysis, năm node point được chỉ định trong hình dưới. Điểm 1 về cơ bản là chất lỏng chảy từ vỉa vào giếng. Điểm 2 cho biết chất lỏng đi vào giếng và bắt đầu chảy theo phương thẳng đứng ở đáy giếng.
Điểm 3 là chất lỏng chảy từ đáy giếng lên miệng giếng. Một cuộn cảm được cài đặt ở đó tại điểm 4, cũng đại diện cho điểm đầu vào của dòng chảy. Điểm 5 thể hiện dòng chảy vào dải phân cách nằm ngang hoặc nghiêng. 10 Những điểm được chỉ định bởi các con số trong hình bên tạo thành các nút của lý thuyết phân tích hệ thống.
Họ tách biệt các yếu tố khác nhau của hệ thống sản xuất. Khi chất lỏng đi qua các node point, áp suất dòng chảy giảm xuống; sự sụt giảm này có thể được tính toán tùy thuộc vào đặc điểm của từng thành phần. Kết quả là, dựa trên sự thay đổi của tốc độ dòng chảy so với độ giảm áp suất, hiệu suất của từng thành phần sẽ được đánh giá. Có nhiều mô hình khác nhau để tính toán sụt áp cho bất kỳ bộ phận thủy lực nào.
Node point 1 và 5 là điểm cuối của hệ thống nơi áp suất của chúng được coi là không đổi. Áp suất tại node point 1 là áp suất thành tạo. Tuy nhiên, sự sụt giảm áp suất này cùng với sự suy giảm của vỉa sẽ được bỏ qua vì các khoảng thời gian ngắn Hình 1. Node point trong 1 hệ thống khai thác.
và trung bình sẽ được xem xét để phân tích hệ thống. Mặt khác, node point 5, là áp suất của bình tách, thường được giữ cố định trong suốt thời gian hoạt động của giếng. Vì vậy, có thể thấy rằng việc phân tích hệ thống sản xuất có thể được thực hiện bằng cách thay đổi áp suất của các node point 2, 3 và 4 để có được một hệ thống khai thác tối ưu. Nói cách khác, có thể đạt được một quy trình để tính tốc độ dòng chảy mà tại đó hệ thống khai thác sẽ bắt đầu sản xuất.
Hình tiếp theo đây là một ví dụ về phân tích hệ thống đối với giếng sản xuất thấp không có bề mặt hoặc downhole choke. Biểu đồ áp suất so với tốc độ bao gồm hai đường cong; Inflow Performance Relationships (IPR) và Tubing Intake Curve (TIC). Giao điểm của IPR và TIC là dòng chảy tối ưu cuối cùng của hệ thống khai thác. Ví dụ về đường cong IPR và TIC của 1 giếng khai thác 11 1.
Các bộ phận của bơm ly tâm điện chìm[1] Một máy bơm li tâm chìm điện thường bao gồm một động cơ, một seal (protector), một thiết bị tách khí, bơm ly tâm nhiều tầng, cáp điện, bảng chuyển mạch và máy biến áp. Một thiết lập ESP hoàn chỉnh 1. Máy bơm chìm Máy bơm được sử dụng trong ESP thường là đa tầng và ly tâm. Mỗi stage bao gồm một impeller (quạt) và bộ khuếch tán.
Loại của stage sẽ xác định chất lỏng được sản xuất, trong khi số lượng stage sẽ xác định tổng đầu được tạo ra và mã lực cần thiết. Bơm được sản xuất với các công suất và loại khác nhau để phù hợp với các điều kiện giếng khác nhau. Sự thay đổi năng lượng áp suất thu được bằng chất lỏng được bơm vì nó ở xung quanh các cánh quạt. Chất lỏng được bơm đang bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: lực tiếp tuyến và xuyên tâm.
Khi cánh quạt quay, nó áp đặt một chuyển động quay cho chất lỏng được bơm. Nó cũng áp đặt một chuyển động tiếp tuyến với đường kính bên ngoài của cánh quạt. Kết quả của chuyển động này là một lực ly tâm sẽ buộc chất lỏng chảy theo Hình 1. Máy bơm ESP hướng xuyên tâm.
12 Phần thứ hai của máy bơm là bộ khuếch tán. Mục đích của bộ khuếch tán là giảm năng lượng vận tốc cao xuống vận tốc thấp. Ngoài ra, nó giúp định hướng chất lỏng được bơm vào cánh quạt tiếp theo. Khi thiết kế để cài đặt ESP, việc chọn bơm chìm phù hợp là rất quan trọng vì mỗi máy bơm có những hạn chế riêng và sẽ hoạt động cho các mục đích nhất định.
Thông thường, chiều dài bình thường của một máy bơm đơn là khoảng 20 - 25 ft, đó là để phù hợp với khả năng xử lý và lắp ráp máy bơm. Tùy thuộc vào điều kiện đầu nối cần thiết để sản xuất chất lỏng, máy bơm có thể được nối với nhau để tạo ra đầu nối cần thiết 1. Protector (seal selection) Protector hoặc seal được sử dụng để kết nối vỏ máy bơm với vỏ động cơ và ngăn chất lỏng đi vào động cơ. Nó cũng cung cấp một vỉa dầu sẽ được sử dụng để bù cho việc mất dầu động cơ do làm nóng hoặc làm mát khi ESP đang hoạt động hoặc tắt.
Protector thường có các kích cỡ khác nhau để phù hợp với kích thước khác nhau của động cơ và máy bơm. Khi thiết kế cho máy bơm và protector, nên xem xét không gian đầy đủ Hình 1. ESP seal protector giữa vỏ máy bơm, bao gồm cả máy bơm và protector và casing ID. Động cơ chìm Động cơ đóng vai trò là lực để điều khiển máy bơm.