Hydraulisk frakturering: typer, beregning og teknologisk proces

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 13:52

Hydraulisk frakturering (HF) er en af de mest effektive geologiske og tekniske foranst altninger, hvis formål er at intensivere strømmen af formationsvæske til produktionsbrønde. Brugen af denne teknologi gør det ikke kun muligt at øge indvindingen af reserver inden for brøndens dræningsradius, men også at udvide dette område, hvilket øger den ultimative olieudvinding af reservoiret. På grund af denne faktor kan feltudviklingsdesign udføres med et mere sparsomt brøndmønster.

Kort beskrivelse

Essensen af hydraulisk frakturering er beskrevet ved følgende proces:

• reservoiret udsættes for for højt tryk (forbruget af procesvæske er meget større, end det kan absorberes af sten);
• trykket i borehullet stiger, indtil det overstiger de indre spændinger i manifolden;
• sten er revet i det plan med mindst mekanisk styrke (oftest i en skrå retning eller lodret);
• igendannes og gamle revner øges, deres forbindelse med det naturlige poresystem vises;
• en zone med øget permeabilitet nær brønden øges;
• specielle granulære proppemidler (proppants) pumpes ind i de udvidede frakturer for at fiksere dem i åben tilstand, efter at trykket på formationen er fjernet;
• modstanden mod formationsvæskebevægelse bliver næsten nul, som et resultat heraf stiger brøndstrømningshastigheden flere gange.

Længden af sprækker i klipper kan være flere hundrede meter, og bunden af brønden bliver forbundet med fjerntliggende områder af reservoiret. En af de vigtigste faktorer i effektiviteten af denne behandling er fikseringen af revnen, som gør det muligt at skabe en filtreringskanal. Imidlertid kan brøndproduktiviteten ikke stige i det uendelige, da brudstørrelsen øges. Der er en maksimal længde, over hvilken flowhastigheden ikke bliver mere intensiv.

Anvendelsesomfang

Denne teknologi bruges både til produktion (forbedret olieudvinding) og injektion (øget injektivitet), horisontale og vertikale brønde. Der skelnes mellem følgende anvendelsesområder for hydraulisk frakturering:

• intensivering af produktionshastigheden for brønde med en forurenet bundhulszone i reservoirer med forskellig permeabilitet;
• udvikling af heterogene aflejringer;
• forbedring af brøndens hydrodynamiske forbindelse med det naturlige sprækkesystem i reservoiret;
• udvidelse af reservoirvæskeindstrømningszone;
• udvikling af reservoirer med lav permeabilitet ogbrønde med lav margin;
• ændring i sivestrømme i injektionsbrønde;
• gendannelse af brøndparametre, der ikke er påvirket af andre metoder.

Grænserne for hydraulisk fraktureringsteknologi er gas-olie-zoner, som er karakteriseret ved følgende egenskaber:

• fast coning (trækker formationsvand til bunden af brønden);
• pludselige gennembrud af vand eller gas i brøndboringen;
• udtømte reservoirer med lave reserver, oliemættede linser med lille volumen (på grund af økonomisk urentabilitet).

Hydraulisk frakturering bruges oftest som en stimuleringsmetode til reservoirer med medium og høj permeabilitet. For dem er hovedfaktoren for at øge tilstrømningen af reservoirvæske længden af den dannede fraktur og i aflejringer med lav stenpermeabilitet dens bredde.

Hydraulisk frakturering: fordele og ulemper

Fordelene ved hydraulisk frakturering er:

• gælder for områder med forskellig geologisk struktur;
• påvirkning både på hele reservoiret og på dets sektion;
• effektiv reduktion af hydraulisk modstand i bundhulszonen;
• fællesskab af dårligt drænede tilstødende områder;
• billig arbejdsvæske (vand);
• høj rentabilitet.

Ulempe omfatter:

• behovet for store forsyninger af vand, sand, yderligere kemikalier;
• ukontrolleret proces med at skabe en revne i klippen, uforudsigelighed af mekanismenrevner;
• når brønde med høje flowhastigheder sættes i drift efter hydraulisk frakturering, kan proppant udføres af sprækker, hvilket resulterer i et fald i graden af deres åbning og et fald i flowhastigheden i de første måneder efter starten drift;
• risiko for ukontrolleret udsprøjtning og miljøforurening.

Procesvariationer

Fraktureringsmetoder adskiller sig i typen af bruddannelse, mængden af injiceret væske og proppanser og andre egenskaber. De vigtigste typer af hydraulisk frakturering omfatter følgende:

• I henhold til området for påvirkning af formationen: lokal (brudlængde op til 20 m) - den mest udbredte; dybt gennemtrængende (brudlængde 80-120 m); samlet (1000 m og mere).
• Ved sømdækning: enkelt (påvirkning af alle sømme og mellemlag); multiple (for brønde, der har åbnet 2 eller flere lag); interval (for et specifikt reservoir).
• Særlige metoder: syrefrakturering; TSO-teknologi - dannelse af korte brud for at forhindre deres udbredelse til vand-olie-kontakten og reducere mængden af proppantinjektion (denne metode viser høj effektivitet i sandede reservoirer); impuls (skabelse af adskillige radi alt divergerende brud i bjergarter med middel- og højpermeabilitet for at reducere hudeffekten - forringelsen af porernes permeabilitet på grund af deres forurening med partikler indeholdt i filtreringsformationsvæsken.

Fleregap

Multiple hydraulisk frakturering udføres på flere måder:

1. Først skabes en revne ved hjælp af konventionel teknologi. Så er det midlertidigt tilstoppet af indsprøjtning af stoffer (granulært naphthalen, plastikkugler og andre), der lukker perforeringerne. Derefter udføres hydraulisk frakturering andre steder.
2. Adskillelse af zoner udføres ved hjælp af pakkere eller hydrauliske porte. For hvert af intervallerne udføres hydraulisk frakturering efter det traditionelle skema.
3. Faseret hydraulisk frakturering med isolering af hver underliggende zone med en sandprop.

I lersektioner er det mest effektive at skabe lodrette brud, da de forbinder produktive olie- og gasmellemlag. Sådanne brud frembringes ved påvirkning af ikke-filtrerbare væsker eller ved en hurtig stigning i injektionshastigheden.

Forberedelse til hydraulisk frakturering

Hydraulisk reservoirteknologi består af flere trin. Det forberedende arbejde er som følger:

1. Undersøgelse af brønden for indstrømning af formationsvæske, evnen til at absorbere arbejdsvæsken og bestemme det nødvendige tryk til hydraulisk frakturering.
2. Rensning af bundhullet fra sand eller lerskorpe (vask med vand under tryk, behandling med s altsyre, hydrosandblæsning perforering og andre metoder).
3. Tjekker brønden med en speciel skabelon.
4. Nedstigning i brøndboringsrørene for at tilføre arbejdsvæsken.
5. Installation af trykpakker og hydrauliske ankre for at beskytte foringsrør.
6. Installation af brøndhovedudstyr (manifold, smøreapparat og andre enheder) til at forbinde pumpeenheder til injektionsrørledninger og tætning af brønden.

Hoveddiagram af procesudstyrsrør under hydraulisk frakturering er vist i figuren nedenfor.

Brækkende sekvens

Teknik og teknologi til hydraulisk frakturering består af følgende procedurer:

1. Injektionsrørene er forsynet med en arbejdsvæske (oftest olie til en produktionsbrønd eller vand til en injektionsbrønd).
2. Forøg fraktureringsvæsketrykket til maksimal designværdi.
3. Tjek tætheden af pakkeren (der bør ikke være væskeoverløb fra annulus).
4. Proppant tilsættes til arbejdsvæsken efter hydraulisk frakturering. Dette vurderes ud fra en kraftig stigning i brøndinjektiviteten (trykfald i pumperne).
5. Radioaktive isotoper er inkluderet i den sidste batch af proppant til efterfølgende verifikation af tabszonen ved hjælp af nuklear logning.
6. Lever det højeste tryk af pressevæske for pålidelig revnestøtte.
7. Fjernelse af fraktureringsvæsken fra bunden for at sikre indstrømning af formationsvæske ind i brøndboringen.
8. Afmonter procesudstyr.
9. Brønden er ved at blive sat i drift.

Hvis brønden er relativt lavvandet, tillades arbejdsvæsken at blive tilført gennem foringsrør. Det er også muligt at udføre hydraulisk frakturering udenpakker - gennem rørrør og ring. Dette reducerer hydrauliske tab for meget viskøse væsker.

Maskiner og mekanismer til hydraulisk frakturering

Hydraulisk fraktureringsudstyr omfatter følgende typer udstyr:

• Jordmaskiner og enheder: pumpeenheder (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 og andre); sandblandingsanlæg på bilchassis (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong og andre); tankbiler til transport af væsker (ATsN-8S og 14S, ATK-8, Sanji, Xishi og andre); brøndhovedrør (manifold, brøndhoved, afspærringsventiler, distributions- og trykmanifolder med kontraventiler, trykmålere og andet udstyr).
• Hjælpeudstyr: aggregater til udløsningsoperationer; spil; overvågnings- og kontrolstationer; rørvogne og andet udstyr.
• Underjordisk udstyr: pakkere til at isolere formationen, hvori der er planlagt hydraulisk frakturering, fra en anden del af produktionsstrengen; ankre for at forhindre løft af underjordisk udstyr på grund af højt tryk; rørstreng.

Typen af udstyr og antallet af udstyrsdele bestemmes ud fra designparametrene for den hydrauliske frakturering.

Designegenskaber

De følgende grundlæggende formler bruges til at beregne hydraulisk frakturering:

1. BHP (MPa) til hydraulisk frakturering ved hjælp af en filtreret væske: p=10^-2KL_c, hvor K er en koefficient valgt fra rækken af værdier 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – brøndlængde, m.}
2. Injektionstryk af væske med sand (til brudstøtte): p_p =p - ρgL_c + p_t, hvor ρ er densiteten af sandbærervæsken, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – tryktab på grund af friktion af den sandførende væske. Den sidste indikator bestemmes af formlen: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – rørets indvendige diameter.
3. Antal pumpeenheder: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, hvor p_p er pumpens driftstryk, Q_p er dens forsyning ved et givet tryk, K T- koefficient for maskinens tekniske tilstand (valgt inden for 0,5-0,8).
4. Mængde af fortrængningsvæske: V=0, 785d_B²L_c.

Hvis hydraulisk frakturering forekommer ved brug af sand som afstivningsmiddel, antages dens mængde pr. 1 operation at være 8-10 tons, og mængden af væske bestemmes af formlen:

V=Q_sC_s, hvor Q_s er mængden af sand, t, C_s – koncentration af sand i 1 m^{3 væske.}

Beregning af disse parametre er vigtig, da der ved en for høj trykværdi under hydraulisk frakturering presses væske ind i reservoiret, der sker ulykker iproduktionskolonne. Ellers, hvis værdien er for lav, skal den hydrauliske frakturering standses på grund af manglende evne til at nå det påkrævede tryk.

Frakturdesign udføres som følger:

1. Udvalg af brønde i henhold til det eksisterende eller planlagte feltudviklingssystem.
2. Bestemmelse af den bedste brudgeometri under hensyntagen til flere faktorer: stenpermeabilitet, brøndgitter, nærhed til olie-vand-kontakt.
3. Analyse af klippernes fysiske og mekaniske egenskaber og valget af en teoretisk model for dannelsen af en revne.
4. Bestemmelse af proppemiddeltype, mængde og koncentration.
5. Valg af en fraktureringsvæske med passende rheologiske egenskaber og beregning af dens volumen.
6. Beregning af andre teknologiske parametre.
7. Definition af økonomisk effektivitet.

Frac Fluids

Arbejdsvæsker (fortrængning, frakturering og sandbærer) er et af de vigtigste elementer i hydraulisk frakturering. Fordelene og ulemperne ved deres forskellige typer er primært relateret til rheologiske egenskaber. Hvis der tidligere kun blev brugt viskøse oliebaserede sammensætninger (for at reducere deres absorption af reservoiret), så har en stigning i pumpeenhedernes kraft nu gjort det muligt at skifte til vandbaserede væsker med lav viskositet. På grund af dette er brøndhovedtrykket og hydrauliske modstandstab i rørstrengen faldet.

I praksis i verden, følgendehovedtyper af hydrauliske fraktureringsvæsker:

• Vand med og uden proppants. Dens fordel er lave omkostninger. Ulempen er den lave indtrængningsdybde i reservoiret.
• Polymeropløsninger (guar og dets derivater PPG, CMHPG; cellulosehydroxyethylether, carboxymethylcellulose, xanthangummi). B, Cr, Ti, Zr og andre metaller bruges til tværbinding af molekyler. Med hensyn til omkostninger hører polymerer til mellemkategorien. Ulempen ved sådanne væsker er den høje risiko for negative ændringer i reservoiret. Fordelene omfatter større penetrationsdybde.
• Emulsioner bestående af en kulbrintefase (dieselbrændstof, olie, gaskondensat) og vand (mineraliseret eller frisk).
• Hydrocarbongeler.
• Methanol.
• Fortykket kuldioxid.
• skumsystemer.
• Skumgeler, bestående af tværbundne geler, nitrogen- eller kuldioxidskum. De har en høj pris, men påvirker ikke kvaliteten af samleren. Andre fordele er høj bæreevne og selvdestruktion med lidt resterende væske.

For at forbedre funktionerne af disse forbindelser anvendes forskellige teknologiske tilsætningsstoffer:

• overfladeaktive stoffer;
• emulgatorer;
• væskefriktionsreducerende samlinger;
• foamers;
• tilsætningsstoffer, der ændrer surhedsgraden;
• termiske stabilisatorer;
• bakteriedræbende og antikorrosive tilsætningsstoffer og andre.

De vigtigste egenskaber ved hydrauliske fraktureringsvæsker omfatter:

• dynamisk viskositet påkrævet for at åbne en revne;
• infiltrationsegenskaber, der bestemmer væsketab;
• evne til at bære proppant uden at det falder ud af opløsningen for tidligt;
• forskydnings- og temperaturstabilitet;
• kompatibilitet med andre reagenser;
• ætsende aktivitet;
• grønt og sikkert.

Væsker med lav viskositet kræver indsprøjtning af et større volumen for at opnå det nødvendige tryk i reservoiret, og væsker med høj viskositet kræver mere tryk udviklet af pumpeudstyr, da der opstår betydelige tab i hydraulisk modstand. Mere tyktflydende væsker er også kendetegnet ved lavere filtrerbarhed i sten.

støttematerialer

De mest almindeligt anvendte proppants, eller proppants, er:

• Kvartssand. Et af de mest almindelige naturlige materialer, og derfor er omkostningerne lave. Udbedrer revner i forskellige geologiske forhold (universelt). Størrelsen af sandkorn til hydraulisk frakturering er valgt 0,5-1 mm. Koncentrationen i sandbærervæsken varierer mellem 100-600 kg/m3. I bjergarter, der er karakteriseret ved kraftige sprækker, kan materialeforbruget nå op på flere titusinder af tons pr. 1 brønd.
• Bauxitter (aluminiumoxid Al₂O_{3). Fordelen ved denne type afstivningsmiddel er dens større styrke sammenlignet med sand. Fremstillet afknusning og ristning af bauxitmalm.}
• Zirconiumoxid. Det har egenskaber, der ligner den tidligere type afstivningsmiddel. Udbredt i Europa. En almindelig ulempe ved sådanne materialer er deres høje omkostninger.
• Keramiske granulat. Til hydraulisk frakturering anvendes granulat i størrelse fra 0,425 til 1,7 mm. De tilhører medium-styrke proppants. Vis høj økonomisk effektivitet.
• Glaskugler. Tidligere brugt til dybe brønde, nu næsten fuldstændig erstattet af billigere bauxitter.

Syrebrud

Essensen af syrehydraulisk frakturering er, at i det første trin skabes en fraktur kunstigt (ligesom i konventionel hydraulisk fraktureringsteknologi), og derefter pumpes syre ind i den. Sidstnævnte reagerer med klippen og skaber lange kanaler, der øger permeabiliteten af reservoiret i bundhulszonen. Som et resultat stiger olieindvindingsfaktoren fra brønden.

Denne type hydraulisk fraktureringsproces er især effektiv til karbonatformationer. Ifølge forskere er mere end 40 % af verdens oliereserver forbundet med denne type reservoir. Teknikken og teknologien til hydraulisk frakturering afviger i dette tilfælde lidt fra dem, der er beskrevet ovenfor. Udstyret er fremstillet i syrefast design. Inhibitorer (formalin, unikol, urotropin og andre) bruges også til at beskytte maskiner mod korrosion.

Typer af syrefrakturering er to-trinsbehandlinger ved hjælp af materialer som:

• polymerforbindelser (PAA, PVC, gipan ogandre);
• latexforbindelser (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• harpiks (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Som sure opløsningsmidler anvendes en 15% s altsyreopløsning samt specielle sammensætninger (SNPKh-9010, SNPKh-9633 m.fl.).

Typer af syrefrakturering er to-trinsbehandlinger ved hjælp af materialer som:

• polymerforbindelser (PAA, PVV, gipan og andre);
• latexforbindelser (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• harpiks (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Som sure opløsningsmidler anvendes en 15% s altsyreopløsning samt specielle sammensætninger (SNPKh-9010, SNPKh-9633 m.fl.).