Hydraulisch breken: soorten, berekening en technologisch proces

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Hydraulic fracturing (HF) is een van de meest effectieve geologische en technische maatregelen, met als doel de stroom van formatievloeistof naar productieputten te intensiveren. Het gebruik van deze technologie maakt het niet alleen mogelijk om het herstel van reserves binnen de afwateringsstraal van de put te vergroten, maar ook om dit gebied uit te breiden, waardoor de uiteindelijke oliewinning van het reservoir wordt vergroot. Gezien deze factor kan het ontwerp voor veldontwikkeling worden uitgevoerd met de opstelling van een schaarser putpatroon.

Korte beschrijving

De essentie van hydraulisch breken wordt beschreven door het volgende proces:

• reservoir staat onder overmatige druk (het verbruik van procesvloeistof is veel groter dan het kan worden geabsorbeerd door stenen);
• druk in het boorgat neemt toe totdat deze de interne spanningen in het verdeelstuk overschrijdt;
• stenen worden gescheurd in het vlak met de minste mechanische sterkte (meestal in een schuine richting of verticaal);
• opnieuwgevormd en oude scheuren nemen toe, hun verbinding met het natuurlijke poriënsysteem verschijnt;
• een zone met verhoogde permeabiliteit nabij de put neemt toe;
• speciale korrelige proppants (proppants) worden in de geëxpandeerde breuken gepompt om ze in de open toestand te fixeren nadat de druk op de formatie is verwijderd;
• weerstand tegen beweging van formatievloeistof wordt bijna nul, als resultaat neemt de bronstroomsnelheid meerdere keren toe.

De lengte van breuken in rotsen kan enkele honderden meters zijn, en de bodem van de put wordt verbonden met afgelegen gebieden van het reservoir. Een van de belangrijkste factoren voor de effectiviteit van deze behandeling is de fixatie van de scheur, waardoor een filtratiekanaal kan worden gecreëerd. De putproductiviteit kan echter niet oneindig toenemen naarmate de breukgrootte toeneemt. Er is een maximale lengte waarboven het debiet niet intensiever wordt.

Toepassingsgebied

Deze technologie wordt zowel gebruikt voor productie (verbeterde oliewinning) als injectie (verhoogde injectiviteit), horizontale en verticale putten. De volgende toepassingsgebieden van hydraulisch breken worden onderscheiden:

• intensivering van de productiesnelheid van putten met een verontreinigde bodemgatzone in reservoirs met verschillende permeabiliteit;
• ontwikkeling van heterogene afzettingen;
• verbetering van de hydrodynamische verbinding van de put met het natuurlijke breuksysteem in het reservoir;
• uitbreiding van de vloeistofinstroomzone van het reservoir;
• ontwikkeling van reservoirs met lage doorlaatbaarheid enputten met lage marge;
• verandering in kwelstromen in injectieputten;
• herstel van putparameters die niet worden beïnvloed door andere methoden.

De limieten voor hydrofractureringstechnologie zijn gasoliezones, die worden gekenmerkt door de volgende kenmerken:

• fast coning (formatiewater naar de bodem van de put trekken);
• plotselinge doorbraken van water of gas in de boorput;
• lege reservoirs met lage reserves, met olie verzadigde lenzen van klein volume (vanwege economische onrendabiliteit).

Hydraulisch breken wordt meestal gebruikt als stimulatiemethode voor reservoirs met gemiddelde en hoge permeabiliteit. Voor hen is de belangrijkste factor bij het vergroten van de instroom van reservoirvloeistof de lengte van de gevormde breuk, en in afzettingen met een lage rotspermeabiliteit, de breedte ervan.

hydraulisch breken: voor- en nadelen

De voordelen van hydraulisch breken zijn:

• van toepassing op gebieden met diverse geologische structuur;
• impact zowel op het hele reservoir als op het gedeelte ervan;
• effectieve vermindering van hydraulische weerstand in de bodem van het gat;
• gemeenschap van slecht gedraineerde aangrenzende gebieden;
• goedkope werkvloeistof (water);
• hoge winstgevendheid.

Nadelen zijn onder meer:

• de behoefte aan grote voorraden water, zand, extra chemicaliën;
• ongecontroleerd proces van het maken van een scheur in de rots, onvoorspelbaarheid van het mechanismekraken;
• wanneer putten met een hoog debiet in gebruik worden genomen na hydraulisch breken, kan steunmiddel uit breuken worden verwijderd, wat resulteert in een afname van de mate van opening en een afname van het debiet in de eerste maanden na de start van operatie;
• risico op ongecontroleerd spuiten en milieuvervuiling.

Procesvariaties

Breekmethoden verschillen in het type breukvorming, het volume van de geïnjecteerde vloeistof en stutmiddelen en andere kenmerken. De belangrijkste soorten hydraulisch breken zijn de volgende:

• Volgens het impactgebied op de formatie: lokaal (breuklengte tot 20 m) - de meest voorkomende; diep doordringend (breuklengte 80-120 m); massa (1000 m en meer).
• By naaddekking: enkel (impact op alle naden en tussenlagen); meerdere (voor putten die 2 of meer lagen hebben geopend); interval (voor een specifiek reservoir).
• Speciale methoden: zuur breken; TSO-technologie - vorming van korte breuken om hun verspreiding naar het water-oliecontact te voorkomen en het volume van de injectie van steunmiddel te verminderen (deze methode vertoont een hoog rendement in zandige reservoirs); impuls (creatie van verschillende radiaal divergerende breuken in gesteenten met gemiddelde en hoge permeabiliteit om het skin-effect te verminderen - de verslechtering van de poriepermeabiliteit als gevolg van hun verontreiniging met deeltjes in de filterende formatievloeistof.

Meerderekloof

Meervoudig hydraulisch breken wordt op verschillende manieren uitgevoerd:

1. Eerst wordt een scheur gemaakt met behulp van conventionele technologie. Daarna wordt het tijdelijk verstopt door het injecteren van stoffen (granulair naftaleen, plastic ballen en andere) die de perforaties sluiten. Daarna wordt hydraulisch breken elders gedaan.
2. Scheiding van zones wordt uitgevoerd met behulp van packers of hydraulische poorten. Voor elk van de intervallen wordt hydraulisch breken uitgevoerd volgens het traditionele schema.
3. Gefaseerd hydraulisch breken met isolatie van elke onderliggende zone met een zandplug.

In kleisecties is het meest effectief het creëren van verticale breuken, omdat ze productieve olie- en gastussenlagen met elkaar verbinden. Dergelijke breuken worden veroorzaakt door de werking van niet-filtreerbare vloeistoffen of door een snelle toename van de injectiesnelheid.

Voorbereiding voor hydraulisch breken

Hydraulische reservoirtechnologie bestaat uit verschillende fasen. Het voorbereidende werk is als volgt:

1. Onderzoek van de put voor de instroom van formatievloeistof, het vermogen om de werkvloeistof te absorberen en de druk te bepalen die nodig is voor hydraulisch breken.
2. Reiniging van de bodem van zand- of kleikorst (wassen met water onder druk, behandeling met zoutzuur, hydro-zandstraalperforatie en andere methoden).
3. De put controleren met een speciaal sjabloon.
4. Daal af in de boorputleidingen om de werkvloeistof toe te voeren.
5. Installatie van drukpakking en hydraulische ankers om de behuizing te beschermen.
6. Installatie van putkopapparatuur (verdeelstuk, smeerunit en andere apparaten) voor het aansluiten van pompeenheden op injectiepijpleidingen en het afdichten van de put.

Het hoofddiagram van de leidingen van procesapparatuur tijdens hydraulisch breken wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Breekvolgorde

Techniek en technologie van hydraulisch breken bestaat uit de volgende procedures:

1. De injectieleidingen worden geleverd met een werkvloeistof (meestal olie voor een productieput of water voor een injectieput).
2. Verhoog de druk van de breekvloeistof tot de maximale ontwerpwaarde.
3. Controleer de dichtheid van de pakker (er mag geen overloop van vloeistof uit de annulus zijn).
4. Proppant wordt aan de werkvloeistof toegevoegd nadat hydraulisch breken heeft plaatsgevonden. Dit wordt beoordeeld aan de hand van een sterke toename van de putinjectiviteit (drukval in de pompen).
5. Radioactieve isotopen zijn opgenomen in de laatste batch proppant voor latere verificatie van de verlieszone met behulp van nucleaire logging.
6. Lever de persvloeistof met de hoogste druk voor betrouwbare scheurondersteuning.
7. Verwijderen van de breekvloeistof van de bodem om de instroom van formatievloeistof in de boorput te verzekeren.
8. Procesapparatuur demonteren.
9. De put wordt in gebruik genomen.

Als de put relatief ondiep is, mag de werkvloeistof worden toegevoerd via mantelbuizen. Het is ook mogelijk om hydraulisch breken uit te voeren zonderpacker - door buisleidingen en annulus. Dit vermindert hydraulische verliezen voor zeer viskeuze vloeistoffen.

Machines en mechanismen voor hydraulisch breken

Hydraulische breekapparatuur omvat de volgende soorten apparatuur:

• Machines en apparaten op de grond: pompeenheden (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 en andere); zandmenginstallaties op autochassis (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong en anderen); tankwagens voor het transport van vloeistoffen (ATsN-8S en 14S, ATK-8, Sanji, Xishi en andere); putmondleidingen (verdeelstuk, putmond, afsluiters, distributie- en drukverdeelstukken met terugslagkleppen, manometers en andere apparatuur).
• Hulpmiddelen: aggregaten voor uitschakelwerkzaamheden; lieren; controle- en controlestations; pijpwagens en ander materieel.
• Ondergrondse apparatuur: verpakkers om de formatie waarin hydrofracturering is gepland te isoleren van een ander deel van de productieketen; ankers om te voorkomen dat ondergrondse apparatuur door hoge druk wordt opgetild; slang string.

Het type apparatuur en het aantal apparaten wordt bepaald op basis van de ontwerpparameters van het hydraulisch breken.

Ontwerpkenmerken

De volgende basisformules worden gebruikt om hydrofracturering te berekenen:

1. BHP (MPa) voor hydraulisch breken met behulp van een gefilterde vloeistof: p=10^-2KL_c, waarbij K een coëfficiënt is die is geselecteerd uit het waardenbereik 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – lengte van de put, m.}
2. Injectiedruk van vloeistof met zand (voor breuksteun): p_p =p - ρgL_c + p_t, waarbij ρ de dichtheid is van de zanddragervloeistof, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – drukverlies door wrijving van de zanddragende vloeistof. De laatste indicator wordt bepaald door de formule: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – binnendiameter buis.
3. Aantal pompunits: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, waarbij p_p de bedrijfsdruk van de pomp is, Q_p de toevoer is bij een gegeven druk, K T- coëfficiënt van de technische staat van de machine (geselecteerd binnen 0,5-0,8).
4. Hoeveelheid verdringingsvloeistof: V=0, 785d_B²L_c.

Als hydraulisch breken optreedt met zand als steunmiddel, wordt aangenomen dat de hoeveelheid per 1 bewerking 8-10 ton is, en de hoeveelheid vloeistof wordt bepaald door de formule:

V=Q_sC_s, waarbij Q_s de hoeveelheid zand is, t, C_s – concentratie van zand in 1 m^{3 vloeistof.}

Berekening van deze parameters is belangrijk, omdat bij een te hoge drukwaarde tijdens hydraulisch breken vloeistof in het reservoir wordt geperst, ongelukken gebeuren inproductie kolom. Anders, als de waarde te laag is, moet het hydraulisch breken worden gestopt vanwege het onvermogen om de vereiste druk te bereiken.

Breukontwerp wordt als volgt gedaan:

1. Selectie van putten volgens het bestaande of geplande veldontwikkelingssysteem.
2. Bepaling van de beste breukgeometrie, rekening houdend met verschillende factoren: rotspermeabiliteit, bronrooster, nabijheid van olie-watercontact.
3. Analyse van de fysische en mechanische eigenschappen van gesteenten en de keuze van een theoretisch model voor de vorming van een scheur.
4. Bepaling van type steunmiddel, hoeveelheid en concentratie.
5. Een breekvloeistof selecteren met geschikte reologische eigenschappen en het volume ervan berekenen.
6. Berekening van andere technologische parameters.
7. Definitie van economische efficiëntie.

Frac Vloeistoffen

Werkvloeistoffen (verdringing, breuk en zanddrager) zijn een van de belangrijkste elementen van hydraulisch breken. De voor- en nadelen van hun verschillende typen houden voornamelijk verband met reologische eigenschappen. Als voorheen alleen viskeuze samenstellingen op oliebasis werden gebruikt (om hun absorptie door het reservoir te verminderen), dan heeft een toename van het vermogen van pompeenheden het nu mogelijk gemaakt om over te schakelen naar vloeistoffen op waterbasis met een lage viscositeit. Hierdoor zijn de putmonddruk en hydraulische weerstandsverliezen in de buisstreng afgenomen.

In de wereldpraktijk, het volgende:belangrijkste soorten hydraulische breekvloeistoffen:

• Water met en zonder proppants. Het voordeel is lage kosten. Het nadeel is de lage penetratiediepte in het reservoir.
• Polymeeroplossingen (guar en zijn derivaten PPG, CMHPG; cellulosehydroxyethylether, carboxymethylcellulose, xanthaangom). B, Cr, Ti, Zr en andere metalen worden gebruikt voor het verknopen van moleculen. Qua kosten behoren polymeren tot de middencategorie. Het nadeel van dergelijke vloeistoffen is het grote risico op negatieve veranderingen in het reservoir. Voordelen zijn onder meer een grotere penetratiediepte.
• Emulsies bestaande uit een koolwaterstoffase (dieselbrandstof, olie, gascondensaat) en water (gemineraliseerd of vers).
• Hydrocarbon gels.
• Methanol.
• Verdikte kooldioxide.
• Schuimsystemen.
• Foam gels, bestaande uit cross-linked gels, stikstof of kooldioxide schuimen. Ze hebben hoge kosten, maar hebben geen invloed op de kwaliteit van de verzamelaar. Andere voordelen zijn een hoog draagvermogen van het steunmiddel en zelfvernietiging met weinig resterende vloeistof.

Om de functies van deze verbindingen te verbeteren, worden verschillende technologische additieven gebruikt:

• surfactants;
• emulgatoren;
• vloeibare wrijving verminderende gewrichten;
• schuimers;
• additieven die de zuurgraad veranderen;
• thermische stabilisatoren;
• bactericide en anticorrosieve additieven en andere.

De belangrijkste kenmerken van hydraulische breekvloeistoffen zijn:

• dynamische viscositeit vereist om een scheur te openen;
• infiltratie-eigenschappen die het vloeistofverlies bepalen;
• mogelijkheid om steunmiddel te dragen zonder dat het voortijdig uit de oplossing komt;
• afschuif- en temperatuurstabiliteit;
• compatibiliteit met andere reagentia;
• corrosieve activiteit;
• groen en veilig.

Vloeistoffen met een lage viscositeit vereisen injectie van een groter volume om de vereiste druk in het reservoir te bereiken, en vloeistoffen met een hoge viscositeit vereisen meer druk die wordt ontwikkeld door pompapparatuur, omdat er aanzienlijke verliezen in hydraulische weerstand optreden. Meer viskeuze vloeistoffen worden ook gekenmerkt door een lagere filtreerbaarheid in gesteenten.

Propping Materialen

De meest gebruikte proppants, of proppants, zijn:

• Kwartszand. Een van de meest voorkomende natuurlijke materialen en daarom zijn de kosten laag. Repareert scheuren in verschillende geologische omstandigheden (universeel). De grootte van zandkorrels voor hydraulisch breken is 0,5-1 mm geselecteerd. De concentratie in de zanddragervloeistof varieert tussen 100-600 kg/m3. In gesteenten die worden gekenmerkt door sterke breuken, kan het materiaalverbruik enkele tientallen tonnen per putje bereiken.
• Bauxieten (aluminiumoxide Al₂O_{3). Het voordeel van dit type steunmiddel is de grotere sterkte in vergelijking met zand. Gemaakt doorbauxieterts pletten en roosteren.}
• Zirkoniumoxide. Het heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met het vorige type steunmiddel. Veel gebruikt in Europa. Een veelvoorkomend nadeel van dergelijke materialen zijn hun hoge kosten.
• Keramische korrels. Voor hydraulisch breken worden korrels gebruikt die in grootte variëren van 0,425 tot 1,7 mm. Ze behoren tot middelsterke proppants. Toon hoge economische efficiëntie.
• Glazen knikkers. Voorheen gebruikt voor diepe putten, nu bijna volledig vervangen door goedkopere bauxieten.

Zuur breken

De essentie van zuur hydraulisch breken is dat in de eerste fase een breuk kunstmatig wordt gecreëerd (net als bij conventionele hydraulisch breken) en dan wordt er zuur in gepompt. Dit laatste reageert met het gesteente, waardoor lange kanalen ontstaan die de doorlaatbaarheid van het reservoir in de bodem van de put vergroten. Als gevolg hiervan neemt de olieterugwinningsfactor uit de put toe.

Dit type hydraulisch breekproces is vooral effectief voor carbonaatformaties. Volgens onderzoekers is meer dan 40% van 's werelds oliereserves geassocieerd met dit type reservoir. De techniek en technologie van hydraulisch breken verschilt in dit geval enigszins van de hierboven beschreven. De apparatuur is vervaardigd in een zuurbestendige uitvoering. Remmers (formaline, unikol, urotropine en andere) worden ook gebruikt om machines tegen corrosie te beschermen.

Soorten zuurbrekende behandelingen zijn tweetrapsbehandelingen met materialen zoals:

• polymeerverbindingen (PAA, PVC, gipan enanderen);
• latexverbindingen (SKMS-30, ARC);
• styreen;
• harsen (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Als zure oplosmiddelen wordt een 15% zoutzuuroplossing gebruikt, evenals speciale samenstellingen (SNPKh-9010, SNPKh-9633 en andere).

Soorten zuurbrekende behandelingen zijn tweetrapsbehandelingen met materialen zoals:

• polymeerverbindingen (PAA, PVV, gipan en andere);
• latexverbindingen (SKMS-30, ARC);
• styreen;
• harsen (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Als zure oplosmiddelen wordt een 15% zoutzuuroplossing gebruikt, evenals speciale samenstellingen (SNPKh-9010, SNPKh-9633 en andere).