비전통 유·가스정에서 ESP 성능 평가를 위한 Flow Loop 시스템 개발

Development of Flow Loop System to Evaluate the Performance of ESP in Unconventional Oil and Gas Wells

전기식 액중형 펌프 (electrical submersible pump, ESP)는 인공채유 (artificial lift) 기법 중 적용성과 운영 효율이 높아 전 세계 생산정에서 운영되고 있다. 저류층에서 ESP 운영 시 온도·압력, 가스·오일비, 유량 등의 변수는 ESP 성능에 영향을 미치는 요소로서, 특히 생산유체 내 자유 가스 (free gas)는 ESP의 수명 및 운영 효율을 감소시키는 주요 요인에 해당한다. 이에 본 연구에서는 ESP 성능에 영향을 미치는 변수를 정량적으로 분석하고자 현장 운영조건에서 ESP 성능실험과 손상모사 실험이 가능한 환형 유동 시스템 (flow loop system) 을 개발하였다. 개발 장치는 ESP와 튜빙 (tubing)을 하나의 시스템으로 연동시켜 ESP의 고장 및 원인 진단, 튜빙의 누출 특성을 파악할 수 있는 일체형 시스템에 해당한다. 본 연구에서는 ESP 성능 평가와 관련된 단상 유체 (single phase)와 2상 유체 (two phase) 실험을 통해 ESP를 안정적으로 운영하기 위한 유동 조건을 규명하였다. 도출된 결과값은 ESP 고장 예측 및 진단 프로그램 개발을 위한 기본 자료를 제공하며, ESP 운영을 위한 최적 운영 조건 및 고장 진단을 위한 실시간 모니터링에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

The electric submersible pump (ESP) has been operating in production wells around the world because of its high applicability and operational efficiency among artificial lift techniques. When operating an ESP in a reservoir, variables such as temperature, pressure, gas/oil ratio, and flow rate are factors that affect ESP performance. In particular, free gas in the production fluid is a major factor that reduces the life and operational efficiency of ESP. This study presents the flow loop system which can implement the performance and damage tests of ESP considering field operating conditions to quantitatively analyze the variables that affect ESP performance. The developed apparatus in an integrated system that can diagnose the failure and causes of ESP, and detect leak of tubing by linking ESP and tubing as one system. In this study, the flow conditions for stable operation of ESP were identified through single phase and two phase flow experiments related to evaluation for the performance of ESP. The results provide the basic data to develop the failure prediction and diagnosis program of ESP, and are expected to be used for real-time monitoring for optimal operating conditions and failure diagnosis for ESP operation.