Hidrauličko frakturiranje: vrste, proračun i tehnološki proces

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Hidrauličko frakturiranje (HF) jedna je od najučinkovitijih geoloških i tehničkih mjera, čija je svrha intenziviranje protoka formacijske tekućine u proizvodne bušotine. Korištenje ove tehnologije omogućuje ne samo povećanje povrata rezervi unutar radijusa drenaže bušotine, već i proširenje ovog područja, povećavajući konačnu iskorištenost nafte u ležištu. S obzirom na ovaj čimbenik, projektiranje razvoja polja može se izvesti s rasporedom rjeđeg uzorka bušotine.

Kratak opis

Suština hidrauličkog frakturiranja opisana je sljedećim postupkom:

• rezervoar je podvrgnut pretjeranom pritisku (potrošnja procesne tekućine je mnogo veća nego što je mogu apsorbirati stijene);
• iskopni tlak raste sve dok ne premaši unutarnje naprezanje u razdjelniku;
• stijene se kidaju u ravnini najmanje mehaničke čvrstoće (najčešće u kosom smjeru ili okomito);
• opetformirane i stare pukotine se povećavaju, pojavljuje se njihova povezanost s prirodnim sustavom pora;
• povećava se zona povećane propusnosti u blizini bunara;
• posebni granulirani propanti (propanti) se pumpaju u proširene frakture kako bi se učvrstili u otvorenom stanju nakon što se ukloni pritisak na formaciju;
• otpor kretanju formacijske tekućine postaje gotovo nula, kao rezultat toga, brzina protoka bušotine se povećava nekoliko puta.

Duljina pukotina u stijenama može biti nekoliko stotina metara, a dno bušotine se povezuje s udaljenim dijelovima ležišta. Jedan od najvažnijih čimbenika učinkovitosti ovog tretmana je fiksiranje pukotine, što omogućuje stvaranje kanala za filtriranje. Međutim, produktivnost bušotine ne može se povećavati u nedogled kako se veličina loma povećava. Postoji maksimalna duljina iznad koje brzina protoka ne postaje intenzivnija.

Opseg primjene

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

• intenziviranje brzine proizvodnje bušotina s kontaminiranom zonom dna u ležištima različite propusnosti;
• razvoj heterogenih depozita;
• poboljšanje hidrodinamičke veze bušotine s prirodnim sustavom pukotina u ležištu;
• proširenje zone dotoka tekućine u rezervoar;
• razvoj akumulacija niske propusnosti ibunari niske margine;
• promjena procjednih tokova u injekcionim bušotinama;
• obnavljanje parametara bušotine na koje druge metode ne utječu.

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

• brzi konus (povlačenje vode iz formacije na dno bunara);
• iznenadni prodor vode ili plina u bušotinu;
• ispunjeni rezervoari s niskim rezervama, uljem zasićene leće malog volumena (zbog ekonomske neisplativosti).

Najčešće se hidrauličko frakturiranje koristi kao stimulacijska metoda za srednje i visokopropusne ležišta. Za njih je glavni čimbenik povećanja dotoka ležišne tekućine duljina formirane pukotine, a u naslagama s niskom propusnošću stijena, njegova širina.

Hidrauličko frakturiranje: prednosti i nedostaci

Prednosti hidrauličkog frakturiranja su:

• primjenjivo na područja s raznolikom geološkom strukturom;
• utjecaj i na cijeli rezervoar i na njegov dio;
• učinkovito smanjenje hidrauličkog otpora u zoni dna;
• zajedništvo slabo dreniranih susjednih područja;
• jeftina radna tekućina (voda);
• visoka profitabilnost.

Nedostaci uključuju:

• potreba za velikim zalihama vode, pijeska, dodatnih kemikalija;
• nekontrolirani proces stvaranja pukotine u stijeni, nepredvidljivost mehanizmapucanje;
• kada se bušotine s visokim protokom puštaju u rad nakon hidrauličkog frakturiranja, propant se može izvesti iz pukotina, što rezultira smanjenjem stupnja njihova otvaranja i smanjenjem brzine protoka u prvim mjesecima nakon početka operacije;
• rizik od nekontroliranog curenja i onečišćenja okoliša.

Varijacije procesa

Metode frakturiranja razlikuju se po vrsti formiranja loma, volumenu ubrizgane tekućine i propanta i drugim karakteristikama. Glavne vrste hidrauličkog frakturiranja uključuju sljedeće:

• Prema području utjecaja na formaciju: lokalno (duljina prijeloma do 20 m) - najraširenija; duboko prodiranje (duljina prijeloma 80-120 m); masirani (1000 m i više).
• Po pokrivenosti šavova: jednostruko (utjecaj na sve šavove i međuslojeve); višestruki (za bušotine koje su otvorile 2 ili više slojeva); interval (za određeni rezervoar).
• Posebne metode: kiselo frakturiranje; TSO tehnologija - stvaranje kratkih pukotina kako bi se spriječilo njihovo širenje do kontakta voda-nafta i smanjio volumen ubrizgavanja propanta (ova metoda pokazuje visoku učinkovitost 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 tekućini za filtriranje formacije.

Višestrukopraznina

Višestruko hidrauličko frakturiranje izvodi se na nekoliko metoda:

1. Prvo, pukotina se stvara upotrebom konvencionalne tehnologije. Zatim se privremeno začepljuje ubrizgavanjem tvari (granulirani naftalen, plastične kuglice i druge) koje zatvaraju perforacije. Nakon toga, hidrauličko frakturiranje se obavlja na drugom mjestu.
2. Odvajanje zona vrši se pomoću pakera ili hidrauličkih vrata. Za svaki od intervala, hidrauličko frakturiranje se provodi prema tradicionalnoj shemi.
3. Postupno hidrauličko frakturiranje s izolacijom svake temeljne zone pješčanim čepom.

U glinenim dijelovima najučinkovitije je stvaranje vertikalnih lomova, jer oni povezuju produktivne međuslojeve nafte i plina. Takvi prijelomi nastaju djelovanjem tekućina koje se ne mogu filtrirati ili brzim povećanjem brzine ubrizgavanja.

Priprema za hidrauličko frakturiranje

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

1. Proučavanje bušotine za dotok formacijske tekućine, sposobnost apsorpcije radnog fluida i određivanje tlaka potrebnog za hidrauličko frakturiranje.
2. Čišćenje dna rupe od pijeska ili glinene kore (pranje vodom pod pritiskom, obrada klorovodičnom kiselinom, perforacija hidropjeskarenjem i druge metode).
3. Provjera bunara posebnim predloškom.
4. Spuštanje u cijevi bušotine radi opskrbe radnom tekućinom.
5. Ugradnja tlačnog pakera i hidrauličnih sidara za zaštitu kućišta.
6. Ugradnja glave bunaraoprema (razdjelnik, lubrikator i drugi uređaji) za spajanje crpnih jedinica na cjevovode za ubrizgavanje i brtvljenje bušotine.

Glavni dijagram cjevovoda procesne opreme tijekom hidrauličkog frakturiranja prikazan je na donjoj slici.

Slijed frakturiranja

Tehnika i tehnologija hidrauličkog frakturiranja sastoji se od sljedećih postupaka:

1. Cijevi za ubrizgavanje opskrbljuju se radnom tekućinom (najčešće uljem za proizvodnu bušotinu ili vodom za injekcionu bušotinu).
2. Povećajte tlak tekućine za lomljenje do maksimalne projektirane vrijednosti.
3. Provjerite nepropusnost pakera (ne smije biti prelijevanja tekućine iz prstenastog prostora).
4. Propant se dodaje radnoj tekućini nakon što dođe do hidrauličkog frakturiranja. To se prosuđuje naglim povećanjem injektivnosti bušotine (pad tlaka u crpkama).
5. Radioaktivni izotopi uključeni su u posljednju seriju propanta za naknadnu provjeru zone gubitka korištenjem nuklearnog snimanja.
6. Nabavite tekućinu za cijeđenje s najvećim pritiskom za pouzdano podupiranje pukotina.
7. Uklanjanje tekućine za frakturiranje s dna kako bi se osigurao dotok formacijske tekućine u bušotinu.
8. Rastavite procesnu opremu.
9. Bunar se pušta u rad.

Ako je bušotina relativno plitka, tada se radna tekućina smije dovoditi kroz obložne cijevi. Također je moguće izvesti hidrauličko frakturiranje bezpaker - kroz cijevne cijevi i prstenasti prostor. To smanjuje hidraulične gubitke za visoko viskozne tekućine.

Strojevi i mehanizmi za hidrauličko frakturiranje

Oprema za hidrauličko frakturiranje uključuje sljedeće vrste opreme:

• Prizemni strojevi i uređaji: crpne jedinice (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 i drugi); postrojenja za miješanje pijeska na šasijama automobila (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong i drugi); autocisterne za prijevoz tekućina (ATsN-8S i 14S, ATK-8, Sanji, Xishi i drugi); cjevovod na vrhu bušotine (razdjelnik, vrh bušotine, zaporni ventili, distribucijski i tlačni razdjelnici s nepovratnim ventilima, manometri i druga oprema).
• Pomoćna oprema: agregati za operacije okidanja; vitla; nadzorne i kontrolne stanice; 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 sprječavanje podizanja podzemne opreme zbog visokog tlaka; cijev.

Vrsta opreme i broj komada opreme određuju se na temelju projektnih parametara hidrauličkog frakturiranja.

Dizajn karakteristike

Sljedeće osnovne formule koriste se za izračunavanje hidrauličkog frakturiranja:

1. BHP (MPa) za hidrauličko frakturiranje 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. Tlak ubrizgavanja tekućine s pijeskom (za podupiranje loma): p_p =p - ρgL_c + p_t, gdje je ρ gustoća tekućine nosača pijeska, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – gubitak tlaka zbog trenja tekućine koja nosi pijesak. Posljednji pokazatelj određen je formulom: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – unutarnji promjer cijevi.
3. Broj pumpnih jedinica: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, gdje je p_p radni tlak pumpe, Q_p je njezina opskrba pri datom tlaku, K T- koeficijent tehničkog stanja stroja (odabira se unutar 0,5-0,8).
4. Količina tekućine za istiskivanje: V=0, 785d_B²L_c.

Ako se hidrauličko frakturiranje dogodi korištenjem pijeska kao propanta, tada se pretpostavlja da je njegova količina po 1 operaciji 8-10 tona, a količina tekućine određena je formulom:

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

Proračun ovih parametara je važan, budući da se pri pretjerano visokoj vrijednosti tlaka tijekom hidrauličkog frakturiranja tekućina istiskuje u ležište, dolazi do nesreća uproizvodna kolona. U suprotnom, ako je vrijednost preniska, hidrauličko frakturiranje će se morati zaustaviti zbog nemogućnosti postizanja potrebnog tlaka.

Dizajn frakturiranja radi se na sljedeći način:

1. Odabir bušotina prema postojećem ili planiranom sustavu razvoja polja.
2. Određivanje najbolje geometrije loma, uzimajući u obzir nekoliko čimbenika: propusnost stijene, rešetka bušotine, blizina kontakta ulje-voda.
3. Analiza fizičkih i mehaničkih karakteristika stijena i izbor teorijskog modela za nastanak pukotine.
4. Određivanje vrste propanta, količine i koncentracije.
5. Odabir tekućine za frakturiranje s prikladnim reološkim svojstvima i izračun njenog volumena.
6. Izračun ostalih tehnoloških parametara.
7. Definicija ekonomske učinkovitosti.

Frac Fluids

Radni fluidi (pomak, frakturiranje i nosač pijeska) jedan su od najvažnijih elemenata hidrauličkog frakturiranja. Prednosti i nedostaci njihovih različitih tipova prvenstveno se odnose na reološka svojstva. Ako su se prije koristile samo viskozne smjese na bazi ulja (kako bi se smanjila njihova apsorpcija u rezervoaru), tada je povećanje snage crpnih jedinica sada omogućilo prelazak na tekućine na bazi vode niske viskoznosti. Zbog toga su se smanjili tlak na glavi bušotine i gubici hidrauličkog otpora u cjevovodu.

U svjetskoj praksi slijedećeglavne vrste tekućina za hidrauličko frakturiranje:

• Voda sa i bez propanta. Njegova prednost je niska cijena. Nedostatak je mala dubina prodiranja u ležište.
• Otopine polimera (guar i njegovi derivati PPG, CMHPG; celulozni hidroksietil eter, karboksimetil celuloza, ksantan guma). B, Cr, Ti, Zr i drugi metali se koriste za umrežavanje molekula. Što se tiče cijene, polimeri pripadaju srednjoj kategoriji. 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).
• Gelovi ugljikovodika.
• Metanol.
• Zgusnuti ugljični dioksid.
• Sustavi pjene.
• Pjenasti gelovi, koji se sastoje od umreženih gelova, pjena s dušikom ili ugljičnim dioksidom. 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 spojeva 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 tekućina za hidrauličko frakturiranje uključuju:

• potrebna dinamička viskoznost za otvaranje pukotine;
• svojstva infiltracije koja određuju gubitak tekućine;
• sposobnost nošenja propanta bez da se prerano istaloži iz otopine;
• smična i temperaturna stabilnost;
• kompatibilnost s drugim reagensima;
• korozivna aktivnost;
• zeleno i sigurno.

Tekućine niske viskoznosti zahtijevaju ubrizgavanje većeg volumena kako bi se postigao potreban tlak u rezervoaru, a tekućine visokog viskoza zahtijevaju veći tlak koji razvija pumpna oprema, budući da dolazi do značajnih gubitaka u hidrauličkom otporu. Viskoznije tekućine također karakterizira niža filtrabilnost u stijenama.

Materijal za podupiranje

Najčešće korišteni propanti, ili propanti, su:

• Kvarcni pijesak. Jedan od najčešćih prirodnih materijala, stoga je njegova cijena niska. Popravlja pukotine u raznim geološkim uvjetima (univerzalno). Veličina zrna pijeska za hidrauličko frakturiranje odabire se 0,5-1 mm. Koncentracija u tekućini za prijenos pijeska varira između 100-600 kg/m3. U stijenama koje karakterizira jaka lomljenost, potrošnja materijala može doseći nekoliko desetaka tona po 1 bušotini.
• Boksiti (aluminijev oksid Al₂O_{3). Prednost ove vrste propanta je veća čvrstoća u odnosu na pijesak. Proizveodrobljenje i prženje rude boksita.}
• Cirkonijev oksid. Ima svojstva slična prethodnoj vrsti propanta. Široko se koristi u Europi. Uobičajeni nedostatak takvih materijala je njihova visoka cijena.
• Keramičke granule. Za hidrauličko frakturiranje koriste se granule veličine od 0,425 do 1,7 mm. Spadaju u propante srednje čvrstoće. Pokažite visoku ekonomsku učinkovitost.
• Stakleni klikeri. Prije korišten za duboke bušotine, sada gotovo u potpunosti zamijenjen jeftinijim boksitima.

Fakturiranje kiselinom

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 ležišta u zoni dna. Kao rezultat, povećava se faktor izvlačenja nafte iz bušotine.

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

Vrste kiselog frakturiranja su tretmani u dva stupnja korištenjem materijala kao što su:

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

Kao kisela otapala koristi se 15% otopina klorovodične kiseline, kao i posebni sastavi (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i drugi).

Vrste kiselog frakturiranja su tretmani u dva stupnja korištenjem materijala kao što su:

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

Kao kisela otapala koristi se 15% otopina klorovodične kiseline, kao i posebni sastavi (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i drugi).