Hydraulisk frakturering: typer, beregning og teknologisk prosess

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 14:00

Hydraulisk frakturering (HF) er et av de mest effektive geologiske og tekniske tiltakene, hvis formål er å intensivere strømmen av formasjonsvæske til produksjonsbrønner. Bruken av denne teknologien tillater ikke bare å øke utvinningen av reserver innenfor brønndreneringsradiusen, men også å utvide dette området, noe som øker den endelige oljeutvinningen av reservoaret. Gitt denne faktoren kan feltutviklingsdesign utføres med et sparsommere brønnmønster.

Kort beskrivelse

Essensen av hydraulisk frakturering er beskrevet ved følgende prosess:

• reservoaret er utsatt for for høyt trykk (prosessvæskeforbruket er mye større enn det kan absorberes av steiner);
• trykket nede i borehullet øker til det overstiger de indre spenningene i manifolden;
• steiner er revet i planet med minst mekanisk styrke (oftest i skrå retning eller vertik alt);
• igjendannes og gamle sprekker øker, deres forbindelse med det naturlige poresystemet vises;
• en sone med økt permeabilitet nær brønnen øker;
• spesielle granulære proppemidler (proppants) pumpes inn i de utvidede bruddene for å fiksere dem i åpen tilstand etter at trykket på formasjonen er fjernet;
• motstanden mot formasjonsvæskebevegelse blir nesten null, som et resultat av dette øker brønnstrømningshastigheten flere ganger.

Lengden på sprekker i bergarter kan være flere hundre meter, og bunnen av brønnen blir forbundet med fjerntliggende områder av reservoaret. En av de viktigste faktorene for effektiviteten av denne behandlingen er fikseringen av sprekken, som gjør det mulig å lage en filtreringskanal. Brønnproduktiviteten kan imidlertid ikke øke i det uendelige ettersom bruddstørrelsen øker. Det er en maksimal lengde, over hvilken strømningshastigheten ikke blir mer intensiv.

Anvendelsesomfang

Denne teknologien brukes både til produksjon (forbedret oljeutvinning) og injeksjon (økt injektivitet), horisontale og vertikale brønner. Følgende bruksområder for hydraulisk frakturering skilles ut:

• intensivering av produksjonshastigheten til brønner med en forurenset bunnhullssone i reservoarer med ulik permeabilitet;
• utvikling av heterogene forekomster;
• forbedring av den hydrodynamiske forbindelsen av brønnen med det naturlige sprekksystemet i reservoaret;
• utvidelse av innstrømningssone for reservoarvæske;
• utbygging av reservoarer med lav permeabilitet oglavmarginbrønner;
• endring i siverstrømmer i injeksjonsbrønner;
• gjenoppretting av brønnparametere som ikke påvirkes av andre metoder.

Grensene for hydraulisk fraktureringsteknologi er gass-olje-soner, som er preget av følgende egenskaper:

• rask koning (trekker formasjonsvann til bunnen av brønnen);
• plutselige gjennombrudd av vann eller gass inn i brønnhullet;
• tømte reservoarer med lave reserver, oljemettede linser med lite volum (på grunn av økonomisk ulønnsomhet).

Hydraulisk frakturering brukes oftest som en stimuleringsmetode for reservoarer med middels og høy permeabilitet. For dem er hovedfaktoren for å øke innstrømningen av reservoarvæske lengden på det dannede bruddet, og i forekomster med lav bergpermeabilitet, dens bredde.

Hydraulisk frakturering: fordeler og ulemper

Fordelene med hydraulisk frakturering er:

• gjelder områder med mangfoldig geologisk struktur;
• påvirkning både på hele reservoaret og på dets seksjon;
• effektiv reduksjon av hydraulisk motstand i bunnhullssonen;
• fellesskap av dårlig drenerte tilstøtende områder;
• billig arbeidsvæske (vann);
• høy lønnsomhet.

Ulempene inkluderer:

• behovet for store forsyninger av vann, sand, ekstra kjemikalier;
• ukontrollert prosess med å lage en sprekk i fjellet, uforutsigbarhet av mekanismensprekker;
• når brønner med høye strømningshastigheter settes i drift etter hydraulisk frakturering, kan proppemiddel føres ut av brudd, noe som resulterer i en reduksjon i åpningsgraden og en reduksjon i strømningshastigheten de første månedene etter oppstart drift;
• risiko for ukontrollert spruting og miljøforurensning.

Prosessvarianter

Fraktureringsmetodene er forskjellige i type brudddannelse, volumet av væske og proppemidler som injiseres og andre egenskaper. Hovedtypene for hydraulisk frakturering inkluderer følgende:

• I henhold til området for innvirkning på formasjonen: lokal (bruddlengde opptil 20 m) - den mest utbredte; dypt penetrerende (bruddlengde 80-120 m); masse (1000 m og mer).
• Ved sømdekning: enkelt (påvirkning på alle sømmer og mellomlag); multiple (for brønner som har åpnet 2 eller flere lag); intervall (for et spesifikt reservoar).
• Spesielle metoder: syrefrakturering; TSO-teknologi - dannelse av korte brudd for å forhindre deres forplantning til vann-olje-kontakten og redusere volumet av proppemiddelinjeksjon (denne metoden viser høy effektivitet i sandete reservoarer); impuls (oppretting av flere radi alt divergerende brudd i bergarter med middels og høy permeabilitet for å redusere hudeffekten - forringelse av porepermeabiliteten på grunn av deres forurensning med partikler inneholdt i filtreringsformasjonsvæsken.

Fleregap

Multippel hydraulisk frakturering utføres på flere måter:

1. Først lages en sprekk ved hjelp av konvensjonell teknologi. Deretter tilstoppes den midlertidig ved å injisere stoffer (granulært naftalen, plastkuler og andre) som lukker perforeringene. Deretter utføres hydraulisk frakturering andre steder.
2. Separasjon av soner utføres ved hjelp av pakkere eller hydrauliske porter. For hvert av intervallene utføres hydraulisk trykking etter tradisjonell ordning.
3. Fasert hydraulisk frakturering med isolering av hver underliggende sone med en sandplugg.

I leirseksjoner er det mest effektive opprettelsen av vertikale brudd, ettersom de forbinder produktive olje- og gassmellomlag. Slike brudd produseres ved påvirkning av ikke-filtrerbare væsker eller ved en rask økning i injeksjonshastigheten.

Forberedelse for hydraulisk frakturering

Hydraulisk reservoarteknologi består av flere trinn. Forarbeidene er som følger:

1. Undersøkelse av brønnen for innstrømning av formasjonsvæske, evnen til å absorbere arbeidsvæsken og bestemme trykket som kreves for hydraulisk frakturering.
2. Rengjøring av bunnhullet fra sand eller leirskorpe (vasking med vann under trykk, behandling med s altsyre, hydro-sandblåsing perforering og andre metoder).
3. Sjekker brønnen med en spesiell mal.
4. Senk ned i borehullsrørene for å tilføre arbeidsvæsken.
5. Installasjon av trykkpakker og hydrauliske ankere for å beskytte foringsrør.
6. Installasjon av brønnhodeutstyr (manifold, smøreapparat og andre enheter) for å koble pumpeenheter til injeksjonsrørledninger og tette brønnen.

Hoveddiagram over prosessutstyrsrør under hydraulisk frakturering er vist i figuren nedenfor.

bruddsekvens

Teknikk og teknologi for hydraulisk frakturering består av følgende prosedyrer:

1. Injeksjonsrørene leveres med arbeidsvæske (oftest olje til produksjonsbrønn eller vann til injeksjonsbrønn).
2. Øk fraktureringsvæsketrykket til maksimal designverdi.
3. Sjekk pakningens tetthet (det skal ikke være væskeoverløp fra ringrommet).
4. Proppant tilsettes arbeidsvæsken etter at hydraulisk brudd oppstår. Dette bedømmes av en kraftig økning i brønninjektiviteten (trykkfall i pumpene).
5. Radioaktive isotoper er inkludert i siste batch av proppant for etterfølgende verifisering av tapssonen ved bruk av kjernefysisk logging.
6. Lever til det høyeste trykkspressevæske for pålitelig sprekkstøtte.
7. Fjerning av fraktureringsvæsken fra bunnen for å sikre innstrømning av formasjonsvæske inn i brønnhullet.
8. Demonter prosessutstyr.
9. Bønnen er under oppstart.

Hvis brønnen er relativt grunn, kan arbeidsvæsken tilføres gjennom foringsrør. Det er også mulig å utføre hydraulisk trykking utenpakning - gjennom rørrør og ringrom. Dette reduserer hydrauliske tap for svært viskøse væsker.

Maskiner og mekanismer for hydraulisk frakturering

Hydraulisk fraktureringsutstyr inkluderer følgende typer utstyr:

• Jordmaskiner og enheter: pumpeenheter (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 og andre); sandblandingsanlegg på bilchassis (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong og andre); tankbiler for transport av væsker (ATsN-8S og 14S, ATK-8, Sanji, Xishi og andre); brønnhoderør (manifold, brønnhode, avstengningsventiler, distribusjons- og trykkmanifolder med tilbakeslagsventiler, trykkmålere og annet utstyr).
• Hjelpeutstyr: aggregater for utløsningsoperasjoner; vinsjer; overvåkings- og kontrollstasjoner; rørbiler og annet utstyr.
• Underjordisk utstyr: pakkere for å isolere formasjonen der hydraulisk frakturering er planlagt fra en annen del av produksjonsstrengen; ankere for å forhindre løfting av underjordisk utstyr på grunn av høyt trykk; rørstreng.

Typen utstyr og antall utstyrsdeler bestemmes basert på designparametrene for den hydrauliske fraktureringen.

Designegenskaper

Følgende grunnleggende formler brukes til å beregne hydraulisk frakturering:

1. BHP (MPa) for hydraulisk frakturering ved bruk av en filtrert væske: p=10^-2KL_c, der K er en koeffisient valgt fra verdiområdet 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – brønnlengde, m.}
2. Injeksjonstrykk av væske med sand (for bruddstøtte): p_p =p - ρgL_c + p_t, der ρ er tettheten til sandbærervæsken, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – trykktap på grunn av friksjon av den sandførende væsken. Den siste indikatoren bestemmes av formelen: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – rørets indre diameter.
3. Antall pumpeenheter: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, hvor p_p er driftstrykket til pumpen, Q_p er dens tilførsel ved et gitt trykk, K T- koeffisient for maskinens tekniske tilstand (valgt innen 0,5-0,8).
4. Mengde fortrengningsvæske: V=0, 785d_B²L_c.

Hvis hydraulisk frakturering oppstår ved bruk av sand som proppemiddel, antas mengden per 1 operasjon å være 8-10 tonn, og væskemengden bestemmes av formelen:

V=Q_sC_s, der Q_s er mengden sand, t, C_s – konsentrasjon av sand i 1 m^{3 væske.}

Beregning av disse parameterne er viktig, siden ved en for høy trykkverdi under hydraulisk frakturering presses væske inn i reservoaret, ulykker skjer iproduksjonskolonne. Ellers, hvis verdien er for lav, må den hydrauliske fraktureringen stoppes på grunn av manglende evne til å nå det nødvendige trykket.

Brukkingsdesign gjøres som følger:

1. Utvalg av brønner i henhold til eksisterende eller planlagt feltutbyggingssystem.
2. Bestemmelse av beste bruddgeometri, tar hensyn til flere faktorer: bergpermeabilitet, brønngitter, nærhet til olje-vann-kontakt.
3. Analyse av de fysiske og mekaniske egenskapene til bergarter og valg av en teoretisk modell for dannelsen av en sprekk.
4. Bestemmelse av proppemiddeltype, mengde og konsentrasjon.
5. Velge en fraktureringsvæske med passende reologiske egenskaper og beregne volumet.
6. Beregning av andre teknologiske parametere.
7. Definisjon av økonomisk effektivitet.

Frac Fluids

Arbeidsvæsker (fortrengning, frakturering og sandbærer) er et av de viktigste elementene ved hydraulisk frakturering. Fordelene og ulempene ved deres forskjellige typer er først og fremst knyttet til reologiske egenskaper. Hvis tidligere bare viskøse oljebaserte sammensetninger ble brukt (for å redusere deres absorpsjon av reservoaret), så har en økning i kraften til pumpeenheter nå gjort det mulig å bytte til vannbaserte væsker med lav viskositet. På grunn av dette har brønnhodetrykket og hydrauliske motstandstap i rørstrengen redusert.

I verdenspraksis, følgendehovedtyper av hydrauliske fraktureringsvæsker:

• Vann med og uten proppants. Dens fordel er lave kostnader. Ulempen er den lave penetreringsdybden i reservoaret.
• Polymerløsninger (guar og dets derivater PPG, CMHPG; cellulosehydroksyetyleter, karboksymetylcellulose, xantangummi). B, Cr, Ti, Zr og andre metaller brukes til tverrbinding av molekyler. Når det gjelder kostnader, tilhører polymerer den midterste kategorien. Ulempen med slike væsker er den høye risikoen for negative endringer i reservoaret. Fordelene inkluderer større penetrasjonsdybde.
• Emulsjoner som består av en hydrokarbonfase (diesel, olje, gasskondensat) og vann (mineralisert eller fersk).
• Hydrokarbongeler.
• Methanol.
• Fortykket karbondioksid.
• skumsystemer.
• Skumgeler, bestående av tverrbundne geler, nitrogen- eller karbondioksidskum. De har en høy kostnad, men påvirker ikke kvaliteten på samleren. Andre fordeler er høy bæreevne for proppmiddel og selvdestruksjon med lite væskerester.

For å forbedre funksjonene til disse forbindelsene, brukes ulike teknologiske tilsetningsstoffer:

• surfactants;
• emulgatorer;
• væskefriksjonsreduserende ledd;
• foamers;
• tilsetningsstoffer som endrer surhet;
• termiske stabilisatorer;
• bakteriedrepende og antikorrosive tilsetningsstoffer og andre.

Hovedegenskapene til hydrauliske fraktureringsvæsker inkluderer:

• dynamisk viskositet kreves for å åpne en sprekk;
• infiltrasjonsegenskaper som bestemmer væsketap;
• evne til å bære proppant uten at det løser seg ut av løsningen for tidlig;
• skjær- og temperaturstabilitet;
• kompatibilitet med andre reagenser;
• korrosiv aktivitet;
• grønt og trygt.

Væsker med lav viskositet krever injeksjon av et større volum for å oppnå det nødvendige trykket i reservoaret, og væsker med høy viskositet krever mer trykk utviklet av pumpeutstyr, siden det oppstår betydelige tap i hydraulisk motstand. Mer viskøse væsker er også preget av lavere filtrerbarhet i bergarter.

Propping Materials

De mest brukte proppants, eller proppants, er:

• Kvartssand. Et av de vanligste naturlige materialene, og derfor er kostnadene lave. Fikser sprekker i ulike geologiske forhold (universell). Størrelsen på sandkorn for hydraulisk frakturering velges 0,5-1 mm. Konsentrasjonen i sandbærevæsken varierer mellom 100-600 kg/m3. I bergarter preget av sterk oppsprekking kan materialforbruket nå flere titalls tonn per 1 brønn.
• Bauxitter (aluminiumoksid Al₂O_{3). Fordelen med denne typen proppemiddel er dens større styrke sammenlignet med sand. Laget avknusing og steking av bauxittmalm.}
• Zirkoniumoksid. Den har egenskaper som ligner den forrige typen proppant. Mye brukt i Europa. En vanlig ulempe med slike materialer er de høye kostnadene.
• Keramiske granulat. For hydraulisk frakturering brukes granulat i størrelse fra 0,425 til 1,7 mm. De tilhører middels sterke proppemidler. Vis høy økonomisk effektivitet.
• Glasskuler. Tidligere brukt til dype brønner, nå nesten fullstendig erstattet av billigere bauxitter.

Acid fracturing

Essensen av syrehydraulisk frakturering er at i det første trinnet blir et brudd kunstig opprettet (akkurat som i konvensjonell hydraulisk fraktureringsteknologi), og deretter pumpes syre inn i det. Sistnevnte reagerer med bergarten, og skaper lange kanaler som øker permeabiliteten til reservoaret i bunnhullssonen. Som et resultat øker oljeutvinningsfaktoren fra brønnen.

Denne typen hydraulisk fraktureringsprosess er spesielt effektiv for karbonatformasjoner. Ifølge forskere er mer enn 40 % av verdens oljereserver knyttet til denne typen reservoarer. Teknikken og teknologien for hydraulisk frakturering i dette tilfellet skiller seg litt fra de som er beskrevet ovenfor. Utstyret er produsert i syrefast design. Inhibitorer (formalin, unikol, urotropin og andre) brukes også for å beskytte maskiner mot korrosjon.

Typer syrebrudd er to-trinns behandlinger med materialer som:

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

Som sure løsningsmidler brukes en 15 % s altsyreløsning, samt spesielle sammensetninger (SNPKh-9010, SNPKh-9633 og andre).

Typer syrebrudd er to-trinns behandlinger med materialer som:

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

Som sure løsningsmidler brukes en 15 % s altsyreløsning, samt spesielle sammensetninger (SNPKh-9010, SNPKh-9633 og andre).