事實證明，電潛泵保護裝置可以保護其免受沙子的侵蝕，延長其在非傳統油井開采作業中的使用壽命。這種方法可以控制壓裂沙及其它可能導致電潛泵（ESP）過載和停機的固體顆粒物的回流。這項技術能解決與固體顆粒大小分布不確定的相關問題。隨著越來越多的油井依靠ESP進行原油開采，延長ESP系統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顯著下降。此外，固體顆粒的增多會使采油過程中的停機時間增多，修井的頻率也會隨之增多，因為可能需要多次更換ESP。 設計用于井下分離固體顆粒物的采油技術，類別從低效的旋流分離到高效的三維、不銹鋼制篩網分離。井下旋流誘沙式除沙器已在傳統油井的采油中使用了數十年，這種裝置在生產過程中的主要作用是保護ESP免受大顆粒物的侵蝕。不過，非傳統油井開采存在間歇性鼻吸或活塞流現象，這導致了現有的井下旋流誘沙式分離器只能間歇性工作。

應用挑戰
人們已經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ESP設備。然而，由于每口井產出的固體顆粒大小分布和體積量的不確定性，所以這些改進都在ESP的保護和生產績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度，從而減少了ESP下井的設定深度，限制了ESP的儲層開采潛能，對油井生產的經濟效益造成了負面影響。 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，分離效率呈現出受原油粘度、流速和固體顆粒大小的影響。結果表明，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，對于一個典型的旋流管式井下沙分離器而言，當粒徑降至~100µm時，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受到侵蝕性磨損，這會影響結構組件的使用壽命。 下一個合乎邏輯的替代方案是使用一個具有明確狹縫寬度的二維防沙網。當選擇一種篩網過濾傳統或非傳統油井生產過程中產出的固體顆粒時，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層，但它們可能會因水平著陸點（足跟）到水平段總井深（足尖）的變化而有所不同；或者，篩網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、分析和測試的成本都可能會很高。如果二維油管篩網配置不當，結果可能會對油井的經濟效率帶來不利影響。太小的沙子篩孔可能會導致篩孔過早堵塞、停產，需要進行補救性的修井。如果篩網孔徑太大，會使固體顆粒自由或無阻擋地進入生產油流，這樣一來就會侵蝕油管，毀壞人工舉升泵設備，沖掉表面填塞，填充表面分離器，需要進行噴沙和清理。這種情況下迫切需要一種簡單而成本有效的、能夠延長泵壽命、而且可應對寬泛沙子尺寸分布的有效解決方法。

為了滿足這一要求，對閥門組件與不銹鋼制篩網的協同使用進行了研究，這種篩網不受產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構的不銹鋼制篩網可以有效防控各種尺寸的固體顆粒，而無需知曉所產出的固體顆粒大小分布，通過對小沙粒和大沙粒的有效沙控，使用三維不銹鋼制篩網無需多余的二次過濾。  安裝在篩網底部的閥門組件能讓生產繼續進行，直到ESP被起出。這樣就可防止在篩網因沙子橋接堵塞而需立即起出ESP的情況發生。由此產生的進液口控沙篩網和閥門組件通過清潔的流體流動來保護ESP、抽油桿舉升泵，以及氣舉完井設備在生產過程中免受固體顆粒造成的負面影響，提供一個高成本效益的解決方法，延長泵的使用壽命。

第一代電潛泵保護設計
在加拿大西部的蒸汽輔助重力采油井的生產過程中，為了保護ESP免受固體顆粒侵蝕，泵保護組件使用了不銹鋼制篩網。這種篩網在生產油流進入油管時過濾了有害的產出顆粒。在油管內部，流體流進ESP進入口，在此流體被泵送至地面。可以在篩網與ESP之間用一個封隔器，在產油層與上部井眼之間建立一個層位封隔。隨著生產繼續進行，篩網與套管之間的環空往往會因沙子而產生橋接，從而增加了流動阻力。最終，環空可能會出現完全橋接，進而使流體流動完全受阻，這會導致井筒與油管之間形成壓差，見圖2。出現這種情況時，流體無法再流進ESP，必須起出完井管柱。根據與固體顆粒產出有關的多個變量，因固體顆粒在篩網上產生橋接，阻斷流體流動所需的持續時間可能會小于允許ESP將載有固體顆粒的流體泵送至地面的平均失效時間，在此情況下，開發了第二代保護裝置。

第二代ESP保護裝置
PumpGuard（一種用于分配器的內置過流保護裝置）進入口控沙篩網和閥組件系統懸掛在圖4（典型的非傳統油井帶有控沙裝置的ESP完井設備，該裝置懸掛在ESP儀表下方）中一個REDA（注：用于石油工業和非工業應用的斯倫貝謝A-系列REDA電潛泵，一種高效、多級離心泵）泵的下方，這是一個非傳統油井ESP完井設備的示例。一旦油井開始生產，篩網過濾生產油流中的固體顆粒，但也將緩慢地開始沙粒橋接，并在篩網兩側形成壓差。當這一壓差達到閥門的設定打開壓力時，閥門打開，使流體直接流入朝向ESP的管路。這種流動使篩網兩側的壓差趨于平衡，進而松開篩網外側沙堵物的抓篩力。沙子即可自由地脫落到環空，進而使通過篩網的流動阻力得以減小，阻力減小能使流體恢復流動。隨著壓差的下降，閥門返回其關閉的位置，正常的流動場景得以恢復。這種循環能夠重復進行，直到需要將ESP從井中起出進行維修。本文重點介紹的案例研究已經證明，與單獨采用篩網完井相比，該系統能顯著提高ESP的使用壽命。

最近安裝的一些設備，為了進行層間隔離，在不銹鋼制篩網與ESP之間引入了一種成本驅動的解決方案。在篩網段的上方安裝了一個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油流提供了一個流路，使油流能從篩網內轉流到封隔器上方的環空，在那里油流可以進入ESP的入口。為該方案選擇的不銹鋼制篩網過濾器與孔隙型的二維篩網相比具有多個優勢。二維過濾主要依靠在過濾網縫隙或狹縫之間的顆粒橋接來搭建沙包，實現沙控。然而，由于只能為篩網選擇一個單一的孔徑，因此，篩網對產出流體夾帶的顆粒大小分布則變得高度敏感。

相反，不銹鋼制篩網過濾器的厚網床為產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壓縮，并直接包裹在射孔基管周圍，然后將其封裝在一個焊接于基管兩端的保護性射孔護罩中所制成的。網床內孔隙的分布、不均勻的角度取向，允許無害的細粉粒在較大的顆粒和有害顆粒被困在網內后沿三維流路流向基管。這種篩網試樣的沙滯留測試證明，由于流體是穿過篩網獲得的，因此，過濾器保持了高滲透特性。實際上，這種單一的過濾器“量規”可以處理所遇到的所有生產流體的固體顆粒分布。這種不銹鋼制的篩網是20世紀80年代由一家超大石油公司研發的，專門用于蒸汽驅油的篩網完井，該裝置擁有廣泛成功的應用記錄。 隨著時間的推移，地層固體顆粒填充了泵保護裝置篩網外表面與油層套管壁之間的環空區域。隨著腔體充滿沙子和顆粒的固結，沙堵兩側的壓降會增大。當這一壓降達到預設值時，錐形閥會打開，允許油流直接通往泵的進入口。在此階段，通過油管的液流能夠驅散篩網過濾器外側先前固結的沙粒，使篩網流道打開。此后，由于篩網流道的打開，篩網過濾器兩側的壓差就會隨之下降，跨越篩網的流動將會恢復，進液閥就會關閉。因此，泵可在短時間內直接見到來自閥門的流量。這樣就會延長泵的使用壽命，因為大部分流體都是通過篩網過濾獲得的。 現場試驗
泵保護系統連同一個杯式封隔器，在美國特拉華盆地三口不同的油井一并運用。主要目標是減少因沙子過載所導致的ESP的啟停次數，提高ESP的持續應用能力，意在增加原油產量。泵保護系統懸掛在ESP管柱的下端。這幾口油井的生產結果表面，通過采用泵保護系統，ESP展現出性能穩定，泵振動和電流強度明顯減小。新系統安裝后，與沙子和固體顆粒相關的停機次數減少了75%，泵的使用壽命延長了22%以上。

A井。一個ESP系統安裝在德克薩斯州馬丁縣一口新鉆的井，這口井已實施了壓裂作業。該井垂深約9000ft，水平段鉆至測量深度12000ft的設計井深。最初的兩次完井，作為ESP完井的一部分，安裝了一個帶有六個排沙管接頭的井下旋流誘沙式分離器系統。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電流強度和振動參數不規則的情形。起出ESP設備的拆解分析表明，渦流氣體分離器組件因其無磁性且不與酸發生化學反應而被異物堵塞，其異物被鑒定為沙子。第三次安裝ESP時，作為ESP的一種防沙手段，用了一個不銹鋼制篩網替換了沙分離器。在安裝了新的泵保護系統后，ESP呈現出了更加穩定的工作狀態，電機電流的波動范圍從二次安裝運行時的19A降低到了三次安裝運行的6.3A。振動參數也更加穩定，振動趨勢減少了75%。泵油狀態也很穩定，相比之前的安裝設備顯現出很小的波動，并獲得了100psi額外的泵油壓力。ESP在低振動下運行，因此，過載停機率降低了100%。

B井。在新墨西哥州尤尼斯附近的一口井，另一口非傳統油井曾安裝了一部不帶泵保護系統的ESP。從最初啟動ESP開展生產后，ESP就開始顯現不穩定的運行狀態。工作電流和壓力的搖擺不定與振動的峰值相關聯。在維持這種狀態137天后，ESP出現了故障，然后，替換了一部ESP。第二次安裝的是一部相同配置的ESP，但配有新的泵保護系統。在這口井恢復生產后，ESP表現正常，電流穩定，振動更小。自此效果發布時起，ESP第二次運行已達到了300多天的時長，與之前安裝的ESP配置相比，性能有了顯著的改進。

 C井。該系統的第三次現場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中出沙嚴重，曾經歷了多次生產中斷和ESP故障，希望延長泵的正常運行時間。該公司通常在每口ESP的井中下一個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，分離器就會使沙子流入泵的一端，侵蝕泵的各段、軸承和軸，因此則會導致泵的舉升力受到損失。在使用了新的泵保護系統后，ESP的運行壽命延長了22%，泵油能力更加穩定，ESP的正常運行時間明顯延長。ESP運行時與沙子和固體顆粒有關的停機次數減少了75%，從第一次原配置安裝ESP出現8次過載事件到第二次新系統安裝ESP出現2次過載事件，以及過載停機后成功重啟的次數提高了30%，從12次過載事件到第二次安裝后總計8次過載事件，降低了設備運轉的電應力，提高了ESP的運行壽命。