Hidraulično lomljenje: vrste, proračun i tehnološki proces

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 13:51

Hidraulično frakturiranje (HF) je jedna od najefikasnijih geoloških i tehničkih mjera, čija je svrha intenziviranje protoka formacijskog fluida do proizvodnih bušotina. Upotreba ove tehnologije omogućava ne samo povećanje povrata rezervi unutar radijusa drenaže bušotine, već i proširenje ovog područja, povećavajući krajnji povrat nafte iz ležišta. S obzirom na ovaj faktor, projektovanje razvoja polja može se izvesti sa rasporedom rjeđe bušotine.

Kratak opis

Suštinu hidrauličkog frakturiranja opisuje sljedeći proces:

• rezervoar je podvrgnut prevelikom pritisku (potrošnja procesne tečnosti je mnogo veća nego što je može apsorbovati kamenje);
• pritisak ispod bušotine se povećava sve dok ne premaši unutrašnje naprezanje u razdjelniku;
• stijene se kidaju u ravni najmanje mehaničke čvrstoće (najčešće u kosom smjeru ili okomito);
• opetformirane i stare pukotine se povećavaju, javlja se njihova veza sa prirodnim sistemom pora;
• povećava se zona povećane propusnosti u blizini bunara;
• specijalni granulirani propanti (propanti) se pumpaju u proširene frakture kako bi se fiksirali u otvorenom stanju nakon što se ukloni pritisak na formaciju;
• otpor kretanju formacijskog fluida postaje skoro nula, kao rezultat toga, brzina protoka bušotine se povećava nekoliko puta.

Dužina pukotina u stijenama može biti nekoliko stotina metara, a dno bunara se povezuje sa udaljenim dijelovima rezervoara. Jedan od najvažnijih faktora u efikasnosti ovog tretmana je fiksacija pukotine, što omogućava stvaranje kanala za filtriranje. Međutim, produktivnost bušotine ne može se povećavati u nedogled kako se povećava veličina frakture. Postoji maksimalna dužina iznad koje protok ne postaje intenzivniji.

Oblast primjene

Ova tehnologija se koristi i za proizvodnju (povećan oporavak nafte) i za injektiranje (povećana injektivnost), horizontalne i vertikalne bušotine. Razlikuju se sljedeća područja primjene hidrauličkog frakturiranja:

• intenziviranje proizvodnje bušotina sa kontaminiranom zonom dna u rezervoarima različite propusnosti;
• razvoj heterogenih depozita;
• poboljšanje hidrodinamičke veze bušotine sa prirodnim sistemom pukotina u ležištu;
• proširenje zone dotoka tečnosti u rezervoar;
• razvoj rezervoara sa niskom propusnošću ibunari niske margine;
• promjena procjednih tokova u injekcionim bunarima;
• obnavljanje parametara bušotine na koje druge metode ne utiču.

Granice za tehnologiju hidrauličkog frakturiranja su plinsko-uljne zone, koje karakteriziraju sljedeće karakteristike:

• brzo konus (povlačenje vode iz formacije na dno bunara);
• iznenadni prodor vode ili gasa u bušotinu;
• istrošeni rezervoari sa malim rezervama, uljem zasićene leće male zapremine (zbog ekonomske neisplativosti).

Najčešće se hidraulično frakturiranje koristi kao metoda stimulacije za srednje i visokopropusne rezervoare. Za njih je glavni faktor u povećanju dotoka rezervoarskog fluida dužina formirane pukotine, a kod naslaga sa niskom propusnošću stijena, njegova širina.

Hidraulično frakturiranje: prednosti i nedostaci

Prednosti hidrauličkog frakturiranja su:

• primjenjivo na područja sa raznolikom geološkom strukturom;
• uticaj i na cijeli rezervoar i na njegov dio;
• efikasno smanjenje hidrauličkog otpora u zoni dna;
• zajedništvo slabo dreniranih susjednih područja;
• jeftini radni fluid (voda);
• visoka profitabilnost.

Nedostaci uključuju:

• potreba za velikim zalihama vode, pijeska, dodatnih hemikalija;
• nekontrolisani proces stvaranja pukotine u stijeni, nepredvidivost mehanizmapucanje;
• kada se bušotine sa visokim protokom puste u rad nakon hidrauličkog frakturiranja, propant se može izvoditi iz pukotina, što rezultira smanjenjem stepena njihovog otvaranja i smanjenjem protoka u prvim mjesecima nakon početka operacije;
• rizik od nekontrolisanog izlivanja i zagađenja životne sredine.

Varijacije procesa

Metode lomljenja razlikuju se po vrsti formiranja frakture, zapremini ubrizganog fluida i propanta i drugim karakteristikama. Glavne vrste hidrauličkog frakturiranja uključuju sljedeće:

• Prema području udara na formaciju: lokalno (dužina loma do 20 m) - najrasprostranjenije; duboko prodiranje (dužina loma 80-120 m); masovno (1000 m i više).
• Po pokrivenosti šavova: jednostruki (uticaj na sve šavove i međuslojeve); višestruki (za bunare koji su otvorili 2 ili više slojeva); interval (za određeni rezervoar).
• Posebne metode: kiselo frakturiranje; TSO tehnologija - formiranje kratkih pukotina kako bi se spriječilo njihovo širenje do kontakta voda-nafta i smanjio volumen ubrizgavanja propanta (ova metoda pokazuje visoku efikasnost u pješčanim ležištima); impuls (stvaranje nekoliko radijalno divergentnih pukotina u stijenama srednje i visoke propusnosti radi smanjenja skin efekta - pogoršanja propusnosti pora zbog njihove kontaminacije česticama sadržanim u fluidu za filtriranje formacije.

Višestrukopraznina

Višestruko hidraulično lomljenje se izvodi na nekoliko metoda:

1. Prvo, pukotina se stvara upotrebom konvencionalne tehnologije. Zatim se privremeno začepljuje ubrizgavanjem supstanci (granulirani naftalin, plastične kuglice i druge) koje zatvaraju perforacije. Nakon toga, hidrauličko frakturiranje se vrši na drugom mjestu.
2. Odvajanje zona se vrši pomoću pakera ili hidrauličnih kapija. Za svaki od intervala, hidrauličko frakturiranje se izvodi prema tradicionalnoj šemi.
3. Fazno hidrauličko frakturiranje sa izolacijom svake donje zone sa pješčanim čepom.

U slojevima gline najefikasnije je stvaranje vertikalnih pukotina, jer povezuju produktivne slojeve nafte i gasa. Takvi prijelomi nastaju djelovanjem tekućina koje se ne mogu filtrirati ili brzim povećanjem brzine ubrizgavanja.

Priprema za hidrauličko frakturiranje

Tehnologija hidrauličnog rezervoara sastoji se od nekoliko faza. Pripremni radovi su sljedeći:

1. Proučavanje bušotine za dotok formacijskog fluida, sposobnost apsorpcije radnog fluida i određivanje pritiska potrebnog za hidrauličko frakturiranje.
2. Čišćenje dna rupe od peska ili glinene kore (pranje vodom pod pritiskom, tretman hlorovodoničnom kiselinom, hidro-peskarenje i druge metode).
3. Provjera bunara sa posebnim šablonom.
4. Spuštanje u cijevi bušotine za dovod radne tekućine.
5. Instalacija tlačnog pakera i hidrauličnih ankera za zaštitu kućišta.
6. Instalacija glave bunaraoprema (razdjelnik, lubrikator i drugi uređaji) za povezivanje pumpnih jedinica na injekcione cjevovode i zaptivanje bunara.

Glavni dijagram cjevovoda procesne opreme tokom hidrauličkog lomljenja prikazan je na slici ispod.

Sekvenca frakturiranja

Tehnika i tehnologija hidrauličkog lomljenja sastoji se od sljedećih postupaka:

1. Cevi za ubrizgavanje se snabdevaju radnim fluidom (najčešće naftom za proizvodnu bušotinu ili vodom za injekcionu bušotinu).
2. Povećajte pritisak fluida za lomljenje do maksimalne projektovane vrijednosti.
3. Provjerite nepropusnost pakera (ne smije biti prelijevanja tekućine iz prstena).
4. Propant se dodaje radnom fluidu nakon što dođe do hidrauličkog lomljenja. Ovo se prosuđuje po oštrom povećanju injektivnosti bušotine (pad pritiska u pumpama).
5. Radioaktivni izotopi su uključeni u posljednju seriju propanta za naknadnu verifikaciju zone gubitka korištenjem nuklearnog snimanja.
6. Nabavite najvišu tečnost za stiskanje za pouzdano podupiranje pukotina.
7. Uklanjanje fluida za lomljenje sa dna kako bi se osigurao dotok formacijskog fluida u bušotinu.
8. Demontaža procesne opreme.
9. Bunar se pušta u rad.

Ako je bunar relativno plitak, tada je dozvoljeno da se radni fluid dovodi kroz obložne cijevi. Također je moguće izvesti hidrauličko frakturiranje bezpaker - kroz cijevne cijevi i annulus. Ovo smanjuje hidraulične gubitke za visoko viskozne fluide.

Mašine i mehanizmi za hidraulično frakturiranje

Oprema za hidrauličko frakturiranje uključuje sljedeće vrste opreme:

• Prizemne mašine i uređaji: pumpne jedinice (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 i druge); postrojenja za miješanje pijeska na šasijama automobila (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong i drugi); autocisterne za transport tečnosti (ATsN-8S i 14S, ATK-8, Sanji, Xishi i drugi); Cjevovodi na ušću bunara (razdjelnik, čelo bunara, zaporni ventili, distribucijski i tlačni razdjelnici sa nepovratnim ventilima, manometri i druga oprema).
• Pomoćna oprema: agregati za operacije okidanja; vitla; stanice za nadzor i kontrolu; kamioni za cijevi i druga oprema.
• Podzemna oprema: pakeri za izolaciju formacije u kojoj se planira hidrauličko frakturiranje od drugog dijela proizvodnog niza; sidra za sprečavanje podizanja podzemne opreme zbog visokog pritiska; cijev.

Vrsta opreme i broj komada opreme određuju se na osnovu projektnih parametara hidrauličkog lomljenja.

Dizajn karakteristike

Sljedeće osnovne formule se koriste za izračunavanje hidrauličkog lomljenja:

1. BHP (MPa) za hidraulično lomljenje pomoću filtrirane tekućine: p=10^-2KL_c, gdje je K koeficijent odabran iz raspona vrijednosti 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – dužina bunara, m.}
2. Pritisak injektiranja fluida sa peskom (za podupiranje loma): p_p =p - ρgL_c + p_t, gdje je ρ gustina tečnosti nosača pijeska, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – gubitak pritiska usled trenja fluida koji nosi pesak. Posljednji indikator je određen formulom: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – unutrašnji prečnik cijevi.
3. Broj pumpnih jedinica: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, gde je p_p radni pritisak pumpe, Q_p je njeno snabdevanje pri datom pritisku, K T- koeficijent tehničkog stanja mašine (odabrano unutar 0,5-0,8).
4. Količina tečnosti za istiskivanje: V=0, 785d_B²L_c.

Ako dođe do hidrauličkog lomljenja pomoću pijeska kao propanta, tada se pretpostavlja da je njegova količina po 1 operaciji 8-10 tona, a količina fluida se određuje po formuli:

V=Q_sC_s, gdje je Q_s količina pijeska, t, C_s – koncentracija pijeska u 1 m^{3 tečnosti.}

Proračun ovih parametara je važan, jer se pri previsokoj vrijednosti pritiska tokom hidrauličkog lomljenja, fluid istiskuje u rezervoar, dolazi do nezgoda uproizvodna kolona. U suprotnom, ako je vrijednost preniska, hidrauličko frakturiranje će se morati prekinuti zbog nemogućnosti postizanja potrebnog pritiska.

Dizajn frakturiranja se radi na sljedeći način:

1. Izbor bušotina prema postojećem ili planiranom sistemu razvoja polja.
2. Određivanje najbolje geometrije pukotine, uzimajući u obzir nekoliko faktora: propusnost stijene, mreža bunara, blizina kontakta ulje-voda.
3. Analiza fizičko-mehaničkih karakteristika stijena i izbor teorijskog modela za nastanak pukotine.
4. Određivanje vrste propanta, količine i koncentracije.
5. Odabir fluida za lomljenje sa odgovarajućim reološkim svojstvima i izračunavanje njegove zapremine.
6. Proračun ostalih tehnoloških parametara.
7. Definicija ekonomske efikasnosti.

Frac Fluids

Radni fluidi (pomak, lomljenje i nosač pijeska) su jedan od najvažnijih elemenata hidrauličkog lomljenja. Prednosti i nedostaci njihovih različitih tipova prvenstveno se odnose na reološka svojstva. Ako su se ranije koristile samo viskozne kompozicije na bazi ulja (kako bi se smanjila njihova apsorpcija u rezervoaru), tada je povećanje snage pumpnih jedinica sada omogućilo prelazak na tekućine na bazi vode niske viskoznosti. Zbog toga su se smanjili pritisak na glavi bušotine i gubici hidrauličkog otpora u cijevnom nizu.

U svjetskoj praksi slijedećeglavne vrste fluida za hidrauličko frakturiranje:

• Voda sa i bez propanta. Njegova prednost je niska cijena. Nedostatak je mala dubina prodiranja u rezervoar.
• Rastvori polimera (guar i njegovi derivati PPG, CMHPG; hidroksietil etar celuloze, karboksimetil celuloza, ksantan guma). B, Cr, Ti, Zr i drugi metali se koriste za umrežavanje molekula. Što se tiče cijene, polimeri spadaju u srednju kategoriju. Nedostatak takvih tekućina je visok rizik od negativnih promjena u rezervoaru. Prednosti uključuju veću dubinu prodiranja.
• Emulzije koje se sastoje od ugljikovodične faze (dizel gorivo, ulje, plinski kondenzat) i vode (mineralizirane ili svježe).
• Hidrokarbonski gelovi.
• Metanol.
• Zgusnuti ugljični dioksid.
• Sistemi pjene.
• Pjenasti gelovi, koji se sastoje od umreženih gelova, pjene dušika ili ugljičnog dioksida. Imaju visoku cijenu, ali ne utječu na kvalitetu kolektora. Ostale prednosti su visoka nosivost propanta i samouništenje s malo preostale tekućine.

Za poboljšanje funkcija ovih jedinjenja koriste se različiti tehnološki aditivi:

• surfaktanti;
• emulgatori;
• zglobovi za smanjenje trenja;
• foamers;
• aditivi koji mijenjaju kiselost;
• termički stabilizatori;
• baktericidni i antikorozivni aditivi i drugi.

Glavne karakteristike fluida za hidrauličko frakturiranje uključuju:

• potreban dinamički viskozitet za otvaranje pukotine;
• svojstva infiltracije koja određuju gubitak tekućine;
• mogućnost nošenja propanta bez da se prerano istaloži iz otopine;
• smična i temperaturna stabilnost;
• kompatibilnost sa drugim reagensima;
• korozivna aktivnost;
• zeleno i sigurno.

Niskoviskozni fluidi zahtevaju ubrizgavanje veće zapremine da bi se postigao potreban pritisak u rezervoaru, a fluidi visokog viskoznosti zahtevaju veći pritisak koji razvija oprema za pumpanje, jer dolazi do značajnih gubitaka u hidrauličnom otporu. Viskoznije tekućine također karakterizira niža filtrabilnost u stijenama.

Propping Materials

Najčešće korišteni propanti, ili propanti, su:

• Kvarcni pijesak. Jedan od najčešćih prirodnih materijala, stoga je njegova cijena niska. Popravlja pukotine u različitim geološkim uslovima (univerzalno). Veličina zrna pijeska za hidrauličko lomljenje je odabrana 0,5-1 mm. Koncentracija u tečnosti nosača peska varira između 100-600 kg/m3. U stijenama koje karakterizira jaka lomljenost, potrošnja materijala može doseći nekoliko desetina tona po 1 bušotini.
• Boksiti (aluminijum oksid Al₂O_{3). Prednost ovog tipa propanta je njegova veća čvrstoća u odnosu na pijesak. Proizvođačdrobljenje i pečenje rude boksita.}
• Cirkonijum oksid. Ima svojstva slična prethodnoj vrsti propanta. Široko se koristi u Evropi. Uobičajeni nedostatak takvih materijala je njihova visoka cijena.
• Keramičke granule. Za hidrauličko lomljenje koriste se granule veličine od 0,425 do 1,7 mm. Spadaju u propante srednje čvrstoće. Pokažite visoku ekonomsku efikasnost.
• Stakleni klikeri. Ranije se koristio za duboke bunare, a sada je skoro u potpunosti zamijenjen jeftinijim boksitima.

Fakturiranje kiseline

Suština kiselog hidrauličkog frakturiranja je da se u prvoj fazi umjetno stvara lom (baš kao u konvencionalnoj tehnologiji hidrauličkog frakturiranja), a zatim se u nju pumpa kiselina. Potonji reagira sa stijenom, stvarajući dugačke kanale koji povećavaju propusnost rezervoara u zoni dna rupe. Kao rezultat, faktor izvlačenja nafte iz bušotine se povećava.

Ova vrsta procesa hidrauličkog frakturiranja je posebno učinkovita za karbonatne formacije. Prema istraživačima, više od 40% svjetskih rezervi nafte povezano je s ovom vrstom rezervoara. Tehnika i tehnologija hidrauličkog lomljenja u ovom slučaju malo se razlikuju od gore opisanih. Oprema je proizvedena u dizajnu otpornom na kiseline. Inhibitori (formalin, unikol, urotropin i drugi) se takođe koriste za zaštitu mašina od korozije.

Vrste kiselog frakturiranja su dvostepeni tretmani koristeći materijale kao što su:

• polimerna jedinjenja (PAA, PVC, gipan iostali);
• lateks spojevi (SKMS-30, ARC);
• stiren;
• smole (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Kao kiseli rastvarači koristi se 15% rastvor hlorovodonične kiseline, kao i specijalne kompozicije (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i drugi).

Vrste kiselog frakturiranja su dvostepeni tretmani koristeći materijale kao što su:

• polimerna jedinjenja (PAA, PVV, gipan i drugi);
• lateks spojevi (SKMS-30, ARC);
• stiren;
• smole (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Kao kiseli rastvarači koristi se 15% rastvor hlorovodonične kiseline, kao i specijalne kompozicije (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i drugi).