Hydraulic fracturing: mga uri, kalkulasyon at teknolohikal na proseso

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2024-01-02 14:03

Ang Hydraulic fracturing (HF) ay isa sa pinakamabisang geological at teknikal na hakbang, ang layunin nito ay palakasin ang daloy ng formation fluid sa production well. Ang paggamit ng teknolohiyang ito ay nagbibigay-daan hindi lamang upang madagdagan ang pagbawi ng mga reserba sa loob ng radius ng pagpapatapon ng balon, kundi pati na rin upang palawakin ang lugar na ito, pagtaas ng panghuling pagbawi ng langis ng reservoir. Dahil sa kadahilanang ito, maaaring isagawa ang disenyo ng field development sa pamamagitan ng pag-aayos ng isang sparser well pattern.

Maikling paglalarawan

Ang esensya ng hydraulic fracturing ay inilalarawan ng sumusunod na proseso:

• Ang reservoir ay sumasailalim sa labis na presyon (ang pagkonsumo ng likido sa proseso ay higit na mas malaki kaysa sa maa-absorb ng mga bato);
• downhole pressure ay tumataas hanggang sa lumampas ito sa panloob na stress sa manifold;
• bato ay napunit sa eroplano na hindi gaanong lakas ng makina (madalas sa pahilig na direksyon o patayo);
• muliang mga nabuo at lumalabas na mga bitak, lumalabas ang kanilang koneksyon sa natural na pore system;
• isang zone ng tumaas na permeability malapit sa balon ay tumataas;
• mga espesyal na butil na proppants (proppants) ay ibinubomba sa pinalawak na mga bali upang ayusin ang mga ito sa bukas na estado pagkatapos alisin ang presyon sa pormasyon;
• resistance sa formation fluid movement ay nagiging halos zero, bilang resulta, ang daloy ng balon ay tumataas ng ilang beses.

Ang haba ng mga bali sa mga bato ay maaaring ilang daang metro, at ang ilalim ng balon ay nagiging konektado sa mga malalayong lugar ng reservoir. Ang isa sa pinakamahalagang salik sa pagiging epektibo ng paggamot na ito ay ang pag-aayos ng crack, na nagpapahintulot sa paglikha ng isang channel ng pagsasala. Gayunpaman, ang mahusay na produktibo ay hindi maaaring tumaas nang walang katiyakan habang ang laki ng bali ay tumataas. Mayroong maximum na haba, kung saan hindi nagiging mas intensive ang flow rate.

Saklaw ng aplikasyon

Ang teknolohiyang ito ay ginagamit kapwa para sa produksyon (pinahusay na pagbawi ng langis) at pag-iniksyon (increased injectivity), pahalang at patayong mga balon. Ang mga sumusunod na lugar ng aplikasyon ng hydraulic fracturing ay nakikilala:

• intensification ng production rate ng mga balon na may kontaminadong bottomhole zone sa mga reservoir na may iba't ibang permeability;
• pag-unlad ng magkakaibang mga deposito;
• pagpapabuti ng hydrodynamic na koneksyon ng balon sa natural na fracture system sa reservoir;
• pagpapalawak ng reservoir fluid inflow zone;
• pagbuo ng mga reservoir na may mababang permeability atmga balon na may mababang margin;
• pagbabago sa mga daloy ng seepage sa mga balon ng iniksyon;
• pagpapanumbalik ng mga parameter ng balon na hindi apektado ng ibang mga pamamaraan.

Ang mga limitasyon para sa teknolohiya ng hydraulic fracturing ay mga gas-oil zone, na nailalarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na feature:

• fast coning (paghila ng formation water sa ilalim ng balon);
• biglang paglabas ng tubig o gas sa wellbore;
• mga naubos na reservoir na may mababang reserba, mga oil-saturated lens na maliit ang volume (dahil sa economic unprofitability).

Kadalasan ang hydraulic fracturing ay ginagamit bilang isang paraan ng pagpapasigla para sa medium at mataas na permeability reservoir. Para sa kanila, ang pangunahing kadahilanan sa pagtaas ng pag-agos ng reservoir fluid ay ang haba ng nabuong fracture, at sa mga deposito na may mababang rock permeability, ang lapad nito.

Hydraulic fracturing: mga pakinabang at disadvantages

Ang mga bentahe ng hydraulic fracturing ay:

• naaangkop sa mga lugar na may magkakaibang geological structure;
• epekto kapwa sa buong reservoir at sa seksyon nito;
• epektibong pagbabawas ng hydraulic resistance sa bottomhole zone;
• komunyon ng mga katabing lugar na hindi gaanong pinatuyo;
• murang working fluid (tubig);
• mataas na kakayahang kumita.

Kasama ang mga disadvantages:

• ang pangangailangan para sa malalaking suplay ng tubig, buhangin, karagdagang mga kemikal;
• hindi nakokontrol na proseso ng paggawa ng bitak sa bato, hindi mahuhulaan ng mekanismocrack;
• kapag ang mga balon na may mataas na daloy ng daloy ay pinaandar pagkatapos ng hydraulic fracturing, ang proppant ay maaaring gawin sa mga bali, na nagreresulta sa pagbaba sa antas ng pagbubukas ng mga ito at pagbaba sa daloy ng daloy sa mga unang buwan pagkatapos ng simula ng pagpapatakbo;
• panganib ng hindi nakokontrol na pagbubuga at polusyon sa kapaligiran.

Mga Pagkakaiba-iba ng Proseso

Naiiba ang mga paraan ng fracture sa uri ng pagbuo ng fracture, dami ng likido at proppants na na-inject, at iba pang katangian. Kabilang sa mga pangunahing uri ng hydraulic fracturing ang sumusunod:

• Ayon sa lugar ng epekto sa pagbuo: lokal (haba ng bali hanggang 20 m) - ang pinakalat; malalim na pagtagos (haba ng bali 80-120 m); massed (1000 m at higit pa).
• By seam coverage: single (epekto sa lahat ng seams at interlayer); maramihang (para sa mga balon na nagbukas ng 2 o higit pang mga layer); interval (para sa isang partikular na reservoir).
• Mga espesyal na paraan: acid fracturing; Teknolohiya ng TSO - pagbuo ng mga maikling bali upang maiwasan ang kanilang pagpapalaganap sa kontak ng tubig-langis at bawasan ang dami ng proppant injection (ang pamamaraang ito ay nagpapakita ng mataas na kahusayan sa mga sandy reservoir); impulse (paglikha ng ilang radially divergent fractures sa medium- at high-permeability na mga bato upang mabawasan ang epekto sa balat - ang pagkasira ng pore permeability dahil sa kanilang kontaminasyon sa mga particle na nasa filtering formation fluid.

Maramigap

Isinasagawa ang maramihang hydraulic fracturing sa pamamagitan ng ilang paraan:

1. Una, nagagawa ang isang crack gamit ang kumbensyonal na teknolohiya. Pagkatapos ay pansamantalang barado ito sa pamamagitan ng pag-inject ng mga substance (granular naphthalene, plastic balls, at iba pa) na nagsasara ng mga butas. Pagkatapos nito, ang hydraulic fracturing ay ginagawa sa ibang lugar.
2. Ang paghihiwalay ng mga zone ay isinasagawa gamit ang mga packer o hydraulic gate. Para sa bawat isa sa mga pagitan, ang hydraulic fracturing ay isinasagawa ayon sa tradisyonal na pamamaraan.
3. Phased hydraulic fracturing na may paghihiwalay ng bawat underlying zone na may sand plug.

Sa mga clay section, ang pinaka-epektibo ay ang paggawa ng vertical fractures, habang nag-uugnay ang mga ito sa productive na oil at gas interlayer. Ang ganitong mga bali ay nabubuo sa pamamagitan ng pagkilos ng mga hindi na-filter na likido o ng mabilis na pagtaas ng rate ng pag-iniksyon.

Paghahanda para sa hydraulic fracturing

Ang teknolohiya ng hydraulic reservoir ay binubuo ng ilang yugto. Ang gawaing paghahanda ay ang mga sumusunod:

1. Pag-aaral ng balon para sa formation fluid inflow, ang kakayahang sumipsip ng working fluid at matukoy ang pressure na kinakailangan para sa hydraulic fracturing.
2. Paglilinis ng bottomhole mula sa buhangin o clay crust (paghuhugas gamit ang tubig sa ilalim ng pressure, paggamot gamit ang hydrochloric acid, hydro-sandblasting perforation at iba pang paraan).
3. Pagsusuri sa balon gamit ang isang espesyal na template.
4. Bumaba sa mga tubo ng wellbore upang matustusan ang working fluid.
5. Pag-install ng pressure packer at hydraulic anchor para protektahan ang casing.
6. Pag-install ng wellheadkagamitan (manifold, lubricator at iba pang device) para sa pagkonekta ng mga pumping unit sa mga injection pipeline at pag-seal sa balon.

Principal diagram ng process equipment piping sa panahon ng hydraulic fracturing ay ipinapakita sa figure sa ibaba.

Fracturing sequence

Ang diskarte at teknolohiya ng hydraulic fracturing ay binubuo ng mga sumusunod na pamamaraan:

1. Ang mga injection pipe ay binibigyan ng gumaganang fluid (kadalasan ay langis para sa production well o tubig para sa injection well).
2. Taasan ang fracturing fluid pressure sa maximum na halaga ng disenyo.
3. Suriin ang higpit ng packer (dapat walang overflow ng fluid mula sa annulus).
4. Idinaragdag ang propant sa working fluid pagkatapos mangyari ang hydraulic fracturing. Ito ay hinuhusgahan ng isang matalim na pagtaas sa well injectivity (pagbaba ng presyon sa mga pump).
5. Ang mga radioactive isotopes ay kasama sa huling batch ng proppant para sa kasunod na pag-verify ng loss zone gamit ang nuclear logging.
6. Magbigay ng pinakamataas na pressure squeezing fluid para sa maaasahang crack propping.
7. Pag-alis ng fracturing fluid mula sa ibaba upang matiyak ang pag-agos ng formation fluid sa wellbore.
8. I-dismantle ang process equipment.
9. Isinasagawa na ang balon.

Kung ang balon ay medyo mababaw, kung gayon ang gumaganang likido ay pinapayagang maibigay sa pamamagitan ng mga tubo ng pambalot. Posible rin na magsagawa ng hydraulic fracturing nang walangpacker - sa pamamagitan ng tubing pipe at annulus. Binabawasan nito ang pagkalugi ng haydroliko para sa napakalapot na likido.

Mga makina at mekanismo para sa hydraulic fracturing

Hydraulic fracturing equipment ay kinabibilangan ng mga sumusunod na uri ng kagamitan:

• Mga ground machine at device: pumping units (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 at iba pa); mga halaman ng paghahalo ng buhangin sa chassis ng kotse (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong at iba pa); mga trak ng tangke para sa transportasyon ng mga likido (ATsN-8S at 14S, ATK-8, Sanji, Xishi at iba pa); wellhead piping (manifold, wellhead, shutoff valves, distribution at pressure manifold na may mga check valve, pressure gauge at iba pang kagamitan).
• Mga pantulong na kagamitan: mga pinagsama-samang para sa mga operasyong tripping; winch; mga istasyon ng pagsubaybay at kontrol; mga pipe truck at iba pang kagamitan.
• Underground equipment: mga packer para ihiwalay ang formation kung saan ang hydraulic fracturing ay binalak mula sa ibang bahagi ng production string; mga anchor upang maiwasan ang pag-angat ng mga kagamitan sa ilalim ng lupa dahil sa mataas na presyon; tubing string.

Ang uri ng kagamitan at ang bilang ng mga piraso ng kagamitan ay tinutukoy batay sa mga parameter ng disenyo ng hydraulic fracturing.

Mga katangian ng disenyo

Ang mga sumusunod na pangunahing formula ay ginagamit upang kalkulahin ang hydraulic fracturing:

1. BHP (MPa) para sa hydraulic fracturing gamit ang na-filter na fluid: p=10^-2KL_c, kung saan ang K ay isang coefficient na pinili mula sa hanay ng mga value 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – haba ng balon, m.}
2. Injection pressure ng fluid na may buhangin (para sa fracture propping): p_p =p - ρgL_c + p_t, kung saan ang ρ ay ang density ng sand carrier liquid, kg/m³, g=9.8 m/s², p _t – pagkawala ng presyon dahil sa friction ng sand-carrying fluid. Ang huling indicator ay tinutukoy ng formula: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – tubing inner diameter.
3. Bilang ng mga pumping unit: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, kung saan ang p_p ay ang operating pressure ng pump, Q_p ang supply nito sa ibinigay na pressure, K T- koepisyent ng teknikal na kondisyon ng makina (pinili sa loob ng 0.5-0.8).
4. Halaga ng displacement fluid: V=0, 785d_B²L_c.

Kung nangyayari ang hydraulic fracturing gamit ang buhangin bilang proppant, ang halaga nito sa bawat 1 operasyon ay ipinapalagay na 8-10 tonelada, at ang dami ng fluid ay tinutukoy ng formula:

V=Q_sC_s, kung saan ang Q_s ay ang dami ng buhangin, t, C_s – konsentrasyon ng buhangin sa 1 m^{3 likido.}

Ang pagkalkula ng mga parameter na ito ay mahalaga, dahil sa isang labis na mataas na halaga ng presyon sa panahon ng hydraulic fracturing, ang likido ay napipiga sa reservoir, nangyayari ang mga aksidente sahanay ng produksyon. Kung hindi, kung ang halaga ay masyadong mababa, ang hydraulic fracturing ay kailangang ihinto dahil sa kawalan ng kakayahan na maabot ang kinakailangang presyon.

Fracturing design ay ginagawa gaya ng sumusunod:

1. Pagpipili ng mga balon ayon sa umiiral o nakaplanong field development system.
2. Pagpapasiya ng pinakamahusay na geometry ng bali, na isinasaalang-alang ang ilang salik: rock permeability, well grid, malapit sa oil-water contact.
3. Pagsusuri ng pisikal at mekanikal na katangian ng mga bato at ang pagpili ng isang teoretikal na modelo para sa pagbuo ng isang bitak.
4. Pagpapasiya ng uri ng proppant, dami at konsentrasyon.
5. Pagpili ng fracturing fluid na may angkop na rheological properties at pagkalkula ng volume nito.
6. Pagkalkula ng iba pang mga teknolohikal na parameter.
7. Kahulugan ng kahusayan sa ekonomiya.

Frac Fluids

Working fluid (displacement, fracturing at sand carrier) ay isa sa pinakamahalagang elemento ng hydraulic fracturing. Ang mga pakinabang at disadvantage ng kanilang iba't ibang uri ay pangunahing nauugnay sa mga rheological na katangian. Kung dati ay mga malapot lamang na komposisyon na nakabatay sa langis ang ginamit (upang bawasan ang kanilang pagsipsip ng reservoir), kung gayon ang pagtaas ng lakas ng mga pumping unit ay naging posible na ngayong lumipat sa mga likidong nakabatay sa tubig na may mababang lagkit. Dahil dito, bumaba ang presyon ng wellhead at pagkawala ng hydraulic resistance sa tubing string.

Sa pagsasanay sa mundo, ang mga sumusunodmga pangunahing uri ng hydraulic fracturing fluid:

• Tubig na may at walang proppants. Ang kalamangan nito ay mababang gastos. Ang kawalan ay ang mababang lalim ng pagtagos sa reservoir.
• Mga polymer solution (guar at mga derivatives nito na PPG, CMHPG; cellulose hydroxyethyl ether, carboxymethyl cellulose, xanthan gum). B, Cr, Ti, Zr at iba pang mga metal ay ginagamit para sa crosslinking molecules. Sa mga tuntunin ng gastos, ang mga polimer ay nabibilang sa gitnang kategorya. Ang kawalan ng naturang mga likido ay ang mataas na panganib ng mga negatibong pagbabago sa reservoir. Kasama sa mga bentahe ang mas malalim na pagtagos.
• Mga emulsyon na binubuo ng hydrocarbon phase (diesel fuel, oil, gas condensate) at tubig (mineralized o fresh).
• Hydrocarbon gels.
• Methanol.
• Makapal na carbon dioxide.
• Mga foam system.
• Mga foam gel, na binubuo ng mga cross-linked na gel, nitrogen o carbon dioxide foam. Mayroon silang mataas na gastos, ngunit hindi nakakaapekto sa kalidad ng kolektor. Ang iba pang mga pakinabang ay mataas na proppant carrying capacity at pagsira sa sarili na may kaunting natitirang likido.

Upang mapabuti ang mga function ng mga compound na ito, ginagamit ang iba't ibang teknolohikal na additives:

• surfactants;
• emulsifier;
• fluid friction na nagpapababa ng mga joints;
• foamers;
• mga additives na nagbabago ng kaasiman;
• thermal stabilizer;
• bactericidal at anticorrosive additives at iba pa.

Ang mga pangunahing katangian ng hydraulic fracturing fluid ay kinabibilangan ng:

• dynamic na lagkit na kailangan para magbukas ng crack;
• mga katangian ng infiltration na tumutukoy sa pagkawala ng likido;
• kakayahang magdala ng proppant nang hindi ito maagang nag-aayos sa solusyon;
• paggugupit at katatagan ng temperatura;
• compatibility sa iba pang reagents;
• nakakaagnas na aktibidad;
• berde at ligtas.

Ang mga low-viscosity fluid ay nangangailangan ng pag-iniksyon ng mas malaking volume upang makamit ang kinakailangang presyon sa reservoir, at ang mga high-viscosity na fluid ay nangangailangan ng mas maraming pressure na binuo ng pumping equipment, dahil ang mga makabuluhang pagkalugi sa hydraulic resistance ay nangyayari. Ang mas malapot na likido ay nailalarawan din ng mas mababang kakayahang i-filter sa mga bato.

Propping Materials

Ang pinakakaraniwang ginagamit na proppants, o proppants, ay:

• Quartz sand. Isa sa mga pinaka-karaniwang likas na materyales, at samakatuwid ang gastos nito ay mababa. Inaayos ang mga bitak sa iba't ibang geological na kondisyon (unibersal). Ang laki ng mga butil ng buhangin para sa hydraulic fracturing ay pinili 0.5-1 mm. Ang konsentrasyon sa sand carrier fluid ay nag-iiba sa pagitan ng 100-600 kg/m3. Sa mga batong nailalarawan sa pamamagitan ng malakas na pagkabali, ang pagkonsumo ng materyal ay maaaring umabot ng ilang sampu-sampung tonelada bawat 1 balon.
• Bauxites (aluminum oxide Al₂O_{3). Ang bentahe ng ganitong uri ng proppant ay ang mas malaking lakas nito kumpara sa buhangin. Ginawa nipagdurog at pag-iihaw ng bauxite ore.}
• Zirconium oxide. Mayroon itong mga katangian na katulad ng nakaraang uri ng proppant. Malawakang ginagamit sa Europa. Ang isang karaniwang disbentaha ng mga naturang materyales ay ang kanilang mataas na halaga.
• Mga ceramic na butil. Para sa hydraulic fracturing, ginagamit ang mga butil na may sukat mula 0.425 hanggang 1.7 mm. Nabibilang sila sa medium-strength proppants. Magpakita ng mataas na kahusayan sa ekonomiya.
• Glass marbles. Dati ginagamit para sa mga malalim na balon, ngayon ay halos napalitan na ng mas murang mga bauxite.

Acid fracturing

Ang esensya ng acid hydraulic fracturing ay na sa unang yugto ang isang bali ay artipisyal na nilikha (tulad ng sa maginoo na hydraulic fracturing na teknolohiya), at pagkatapos ay ang acid ay pumped dito. Ang huli ay tumutugon sa bato, na lumilikha ng mahahabang channel na nagpapataas ng permeability ng reservoir sa bottomhole zone. Dahil dito, tumataas ang oil recovery factor mula sa balon.

Ang ganitong uri ng proseso ng hydraulic fracturing ay lalong epektibo para sa mga carbonate formation. Ayon sa mga mananaliksik, higit sa 40% ng mga reserbang langis sa mundo ay nauugnay sa ganitong uri ng reservoir. Ang pamamaraan at teknolohiya ng hydraulic fracturing sa kasong ito ay bahagyang naiiba sa mga inilarawan sa itaas. Ang kagamitan ay ginawa sa acid-resistant na disenyo. Ginagamit din ang mga inhibitor (formalin, unikol, urotropin at iba pa) para protektahan ang mga makina mula sa kaagnasan.

Ang mga uri ng acid fracturing ay dalawang yugto ng paggamot gamit ang mga materyales gaya ng:

• polymer compounds (PAA, PVC, gipan atiba pa);
• latex compounds (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• resins (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Bilang mga acidic solvent, ginagamit ang 15% hydrochloric acid solution, pati na rin ang mga espesyal na komposisyon (SNPKh-9010, SNPKh-9633 at iba pa).

Ang mga uri ng acid fracturing ay dalawang yugto ng paggamot gamit ang mga materyales gaya ng:

• polymer compounds (PAA, PVV, gipan at iba pa);
• latex compounds (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• resins (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Bilang mga acidic solvent, ginagamit ang 15% hydrochloric acid solution, pati na rin ang mga espesyal na komposisyon (SNPKh-9010, SNPKh-9633 at iba pa).