Szczelinowanie hydrauliczne: rodzaje, obliczenia i proces technologiczny

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Szczelinowanie hydrauliczne (HF) jest jednym z najskuteczniejszych geologiczno-technicznych środków, którego celem jest zintensyfikowanie przepływu płynu złożowego do otworów produkcyjnych. Zastosowanie tej technologii pozwala nie tylko na zwiększenie wydobycia rezerw w promieniu odpływu odwiertu, ale również na poszerzenie tego obszaru, zwiększając ostateczną wydobycie ropy ze złoża. Biorąc pod uwagę ten czynnik, projekt zagospodarowania pola można przeprowadzić z układem rzadszego wzorca odwiertu.

Krótki opis

Istotę szczelinowania hydraulicznego opisuje następujący proces:

• zbiornik jest poddawany nadmiernemu ciśnieniu (zużycie płynu procesowego jest znacznie większe niż może być wchłonięte przez skały);
• ciśnienie w odwiercie wzrasta, aż przekroczy wewnętrzne naprężenia w kolektorze;
• skały są rozrywane w płaszczyźnie o najmniejszej wytrzymałości mechanicznej (najczęściej w kierunku skośnym lub pionowo);
• ponownienarastają uformowane i stare pęknięcia, pojawia się ich połączenie z naturalnym systemem porów;
• zwiększa się strefa o zwiększonej przepuszczalności w pobliżu studni;
• specjalne ziarniste propanty (proppanty) są pompowane do rozszerzonych szczelin w celu utrwalenia ich w stanie otwartym po usunięciu nacisku na formację;
• odporność na ruch płynu formacyjnego staje się prawie zerowa, w wyniku czego prędkość przepływu w studni wzrasta kilkakrotnie.

Długość pęknięć w skałach może sięgać kilkuset metrów, a dno studni łączy się z odległymi rejonami zbiornika. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na skuteczność tego zabiegu jest utrwalenie pęknięcia, które pozwala na stworzenie kanału filtracyjnego. Jednak wydajność odwiertu nie może wzrastać w nieskończoność wraz ze wzrostem rozmiaru szczeliny. Istnieje maksymalna długość, powyżej której natężenie przepływu nie staje się bardziej intensywne.

Zakres zastosowania

Ta technologia jest wykorzystywana zarówno do produkcji (zwiększone odzyskiwanie ropy), jak i wstrzykiwania (zwiększona iniekcyjność), odwiertów poziomych i pionowych. Wyróżnia się następujące obszary zastosowania szczelinowania hydraulicznego:

• intensyfikacja tempa produkcji studni ze skażoną strefą denną w zbiornikach o różnej przepuszczalności;
• zagospodarowanie złóż niejednorodnych;
• poprawa hydrodynamicznego połączenia studni z systemem naturalnych szczelin w zbiorniku;
• rozszerzenie strefy dopływu płynu do zbiornika;
• rozbudowa zbiorników o niskiej przepuszczalności istudnie niskomarżowe;
• zmiana przepływów przesączania w studniach wstrzykiwania;
• przywrócenie parametrów studni, na które nie mają wpływu inne metody.

Granice technologii szczelinowania hydraulicznego to strefy olejowo-gazowe, które charakteryzują się następującymi cechami:

• szybkie stożkowanie (wyciąganie wody z formacji na dno studni);
• nagłe przebicia wody lub gazu do odwiertu;
• wyczerpane zbiorniki z niskimi rezerwami, soczewki nasycone olejem o małej objętości (ze względu na nieopłacalność ekonomiczną).

Najczęściej szczelinowanie hydrauliczne jest stosowane jako metoda stymulacji zbiorników o średniej i wysokiej przepuszczalności. Dla nich głównym czynnikiem zwiększającym dopływ płynu złożowego jest długość powstałego pęknięcia, a w złożach o małej przepuszczalności skał jego szerokość.

Szczelinowanie hydrauliczne: zalety i wady

Zaletami szczelinowania hydraulicznego są:

• dotyczy obszarów o zróżnicowanej budowie geologicznej;
• wpływ zarówno na cały zbiornik, jak i na jego część;
• skuteczne zmniejszenie oporów hydraulicznych w strefie dna;
• komuna słabo odwodnionych obszarów przyległych;
• tanie płyn roboczy (woda);
• wysoka rentowność.

Wady obejmują:

• potrzeba dużych zapasów wody, piasku, dodatkowych środków chemicznych;
• niekontrolowany proces powstawania pęknięcia w skale, nieprzewidywalność mechanizmupękanie;
• w przypadku oddania do eksploatacji studni o dużym natężeniu przepływu po szczelinowaniu hydraulicznym, ze szczelin można przeprowadzić podsadzkę, co skutkuje zmniejszeniem stopnia ich otwarcia i zmniejszeniem natężenia przepływu w pierwszych miesiącach po uruchomieniu operacji;
• ryzyko niekontrolowanego pryskania i zanieczyszczenia środowiska.

Odmiany procesu

Metody szczelinowania różnią się rodzajem formowania szczeliny, objętością wstrzykiwanego płynu i propantów oraz innymi cechami. Główne rodzaje szczelinowania hydraulicznego to:

• Zgodnie z obszarem oddziaływania na formację: lokalny (długość pęknięcia do 20 m) - najbardziej rozpowszechniony; głęboka penetracja (długość złamania 80-120 m); zmasowane (1000 m i więcej).
• Według pokrycia szwów: pojedynczy (wpływ na wszystkie szwy i warstwy pośrednie); wielokrotne (dla studzienek, które otworzyły 2 lub więcej warstw); interwał (dla konkretnego zbiornika).
• Metody specjalne: szczelinowanie kwasem; Technologia TSO - tworzenie krótkich szczelin w celu uniemożliwienia ich propagacji do kontaktu wodno-olejowego i zmniejszenia objętości iniekcji proppantu (metoda ta wykazuje wysoką skuteczność w zbiornikach piaszczystych); impuls (tworzenie kilku promieniowo rozbieżnych szczelin w skałach średnio- i wysokoprzepuszczalnych w celu ograniczenia efektu naskórkowości - pogorszenia przepuszczalności porów na skutek ich zanieczyszczenia cząsteczkami zawartymi w płynie formacji filtracyjnej.

Wieleprzerwa

Wielokrotne szczelinowanie hydrauliczne wykonuje się kilkoma metodami:

1. Po pierwsze, pęknięcie jest tworzone przy użyciu konwencjonalnej technologii. Następnie zostaje czasowo zatkany poprzez wstrzykiwanie substancji (granulat naftalenu, kulki plastikowe i inne), które zamykają perforacje. Następnie szczelinowanie hydrauliczne odbywa się w innym miejscu.
2. Oddzielenie stref odbywa się za pomocą pakerów lub bram hydraulicznych. Dla każdego z przedziałów szczelinowanie hydrauliczne odbywa się według tradycyjnego schematu.
3. Stopniowe szczelinowanie hydrauliczne z izolacją każdej strefy leżącej poniżej za pomocą korka piaskowego.

Na odcinkach gliniastych najskuteczniejsze jest tworzenie pęknięć pionowych, ponieważ łączą one produktywne międzywarstwy ropy naftowej i gazu. Takie pęknięcia powstają w wyniku działania niefiltrowalnych płynów lub gwałtownego wzrostu prędkości wtrysku.

Przygotowanie do szczelinowania hydraulicznego

Technologia zbiorników hydraulicznych składa się z kilku etapów. Prace przygotowawcze są następujące:

1. Badanie odwiertu pod kątem dopływu płynu do formacji, zdolności do wchłonięcia płynu roboczego i określenia ciśnienia wymaganego do szczelinowania hydraulicznego.
2. Oczyszczanie otworu dennego z piasku lub gliny (mycie wodą pod ciśnieniem, traktowanie kwasem solnym, hydropiaskowanie perforacji i inne metody).
3. Sprawdzenie studni za pomocą specjalnego szablonu.
4. Zejście do rur odwiertu w celu dostarczenia płynu roboczego.
5. Instalacja pakera ciśnieniowego i kotew hydraulicznych w celu ochrony obudowy.
6. Instalacja głowicyosprzęt (kolektor, smarownica i inne urządzenia) do łączenia zespołów pompowych z rurociągami iniekcyjnymi i uszczelniania studni.

Główny schemat orurowania urządzeń procesowych podczas szczelinowania hydraulicznego pokazano na poniższym rysunku.

Sekwencja szczelinowania

Technika i technologia szczelinowania hydraulicznego składa się z następujących procedur:

1. Rury wtryskowe są zasilane płynem roboczym (najczęściej olej do odwiertu produkcyjnego lub woda do odwiertu wtryskowego).
2. Zwiększ ciśnienie płynu szczelinującego do maksymalnej wartości projektowej.
3. Sprawdź szczelność pakera (nie powinno być przelewu płynu z pierścienia).
4. Proppant jest dodawany do płynu roboczego po wystąpieniu szczelinowania hydraulicznego. Jest to oceniane na podstawie gwałtownego wzrostu iniekcyjności odwiertu (spadek ciśnienia w pompach).
5. Izotopy radioaktywne są zawarte w ostatniej partii proppantu w celu późniejszej weryfikacji strefy strat za pomocą rejestrowania jądrowego.
6. Dostarcz płyn do wyciskania o najwyższym ciśnieniu, aby zapewnić niezawodne zabezpieczenie pęknięć.
7. Usunięcie płynu szczelinującego z dna, aby zapewnić dopływ płynu formacyjnego do odwiertu.
8. Demontaż sprzętu procesowego.
9. Odwiert jest uruchamiany.

Jeśli studnia jest stosunkowo płytka, wówczas płyn roboczy może być dostarczany przez rury osłonowe. Możliwe jest również wykonanie szczelinowania hydraulicznego bezpaker - przez rury rurowe i pierścienie. Zmniejsza to straty hydrauliczne płynów o dużej lepkości.

Maszyny i mechanizmy do szczelinowania hydraulicznego

Sprzęt do szczelinowania hydraulicznego obejmuje następujące typy sprzętu:

• Maszyny i urządzenia naziemne: jednostki pompujące (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 i inne); mieszalniki piasku na podwoziach samochodowych (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong i inne); autocysterny do przewozu płynów (ATsN-8S i 14S, ATK-8, Sanji, Xishi i inne); orurowanie głowicy (kolektor, głowica, zawory odcinające, rozdzielacze i kolektory ciśnieniowe z zaworami zwrotnymi, manometrami i innym wyposażeniem).
• Sprzęt pomocniczy: agregaty do operacji wyzwalania; wciągarki; stacje monitoringu i kontroli; ciężarówki do przewozu rur i inny sprzęt.
• Sprzęt podziemny: pakery do izolowania formacji, w której planowane jest szczelinowanie hydrauliczne, od innej części ciągu produkcyjnego; kotwy zapobiegające podnoszeniu urządzeń podziemnych z powodu wysokiego ciśnienia; przewód rurowy.

Rodzaj sprzętu i liczba elementów wyposażenia są określane na podstawie parametrów projektowych szczelinowania hydraulicznego.

Cechy projektu

Do obliczania szczelinowania hydraulicznego używane są następujące podstawowe wzory:

1. BHP (MPa) dla szczelinowania hydraulicznego przy użyciu przefiltrowanego płynu: p=10^-2KL_c, gdzie K jest współczynnikiem wybranym z zakresu wartości 1,5-1,8 MPa/m, L _{c – długość studni, m.}
2. Ciśnienie wtrysku płynu z piaskiem (do podpierania pęknięć): p_p =p - ρgL_c + p_t, gdzie ρ jest gęstością cieczy nośnej piasku, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – strata ciśnienia na skutek tarcia płynu przenoszącego piasek. Ostatni wskaźnik określa wzór: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – średnica wewnętrzna przewodu.
3. Liczba jednostek pompujących: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, gdzie p_p jest ciśnieniem roboczym pompy, Q_p jest jej zasilaniem przy danym ciśnieniu, K T- współczynnik stanu technicznego maszyny (wybierany w przedziale 0,5-0,8).
4. Ilość płynu wypierającego: V=0,785d_B²L_c.

Jeżeli do szczelinowania hydraulicznego stosuje się piasek jako materiał podsadzkowy, przyjmuje się, że jego ilość na 1 operację wynosi 8-10 ton, a ilość płynu jest określana wzorem:

V=Q_sC_s, gdzie Q_s to ilość piasku, t, C_s – stężenie piasku w 1 m^{3 cieczy.}

Obliczanie tych parametrów jest ważne, ponieważ przy zbyt dużej wartości ciśnienia podczas szczelinowania hydraulicznego, płyn jest wtłaczany do zbiornika, wkolumna produkcyjna. W przeciwnym razie, jeśli wartość jest zbyt niska, szczelinowanie hydrauliczne będzie musiało zostać zatrzymane z powodu niemożności osiągnięcia wymaganego ciśnienia.

Projektowanie szczelinowania odbywa się w następujący sposób:

1. Wybór studni zgodnie z istniejącym lub planowanym systemem zagospodarowania pola.
2. Określenie najlepszej geometrii szczeliny, biorąc pod uwagę kilka czynników: przepuszczalność skał, siatka odwiertów, bliskość kontaktu ropa-woda.
3. Analiza właściwości fizycznych i mechanicznych skał oraz wybór modelu teoretycznego powstawania pęknięcia.
4. Określenie rodzaju, ilości i stężenia środka do podsadzki.
5. Dobór płynu szczelinującego o odpowiednich właściwościach reologicznych i obliczenie jego objętości.
6. Obliczanie innych parametrów technologicznych.
7. Definicja efektywności ekonomicznej.

Płyny do Frac

Płyny robocze (przemieszczenie, szczelinowanie i nośnik piasku) są jednym z najważniejszych elementów szczelinowania hydraulicznego. Zalety i wady ich różnych typów związane są przede wszystkim z właściwościami reologicznymi. Jeśli wcześniej stosowano wyłącznie lepkie kompozycje na bazie oleju (w celu zmniejszenia ich wchłaniania przez zbiornik), to wzrost mocy jednostek pompujących umożliwił teraz przejście na płyny na bazie wody o niskiej lepkości. Z tego powodu zmniejszyły się straty ciśnienia w głowicy i oporu hydraulicznego w ciągu przewodów rurowych.

W praktyce światowej, następującegłówne rodzaje płynów do szczelinowania hydraulicznego:

• Woda z propantami i bez. Jego zaletą jest niski koszt. Wadą jest mała głębokość penetracji zbiornika.
• Roztwory polimerów (guar i jego pochodne PPG, CMHPG; eter hydroksyetylowy celulozy, karboksymetyloceluloza, guma ksantanowa). B, Cr, Ti, Zr i inne metale są używane do sieciowania cząsteczek. Pod względem kosztów polimery należą do średniej kategorii. Wadą takich płynów jest duże ryzyko negatywnych zmian w zbiorniku. Zalety to większa głębokość penetracji.
• Emulsje składające się z fazy węglowodorowej (olej napędowy, olej, kondensat gazowy) i wody (zmineralizowanej lub świeżej).
• Żele węglowodorowe.
• Metanol.
• Zagęszczony dwutlenek węgla.
• Systemy piankowe.
• Piankowe żele, składające się z usieciowanych żeli, pianek z azotu lub dwutlenku węgla. Mają wysoki koszt, ale nie wpływają na jakość kolektora. Inne zalety to wysoka nośność środka do podsadzki i samozniszczenie przy niewielkiej ilości resztkowej cieczy.

W celu poprawy funkcji tych związków stosuje się różne dodatki technologiczne:

• środki powierzchniowo czynne;
• emulgatory;
• przeguby redukujące tarcie płynu;
• pianki;
• dodatki zmieniające kwasowość;
• stabilizatory termiczne;
• dodatki bakteriobójcze, antykorozyjne i inne.

Główne cechy płynów do szczelinowania hydraulicznego obejmują:

• lepkość dynamiczna wymagana do otwarcia pęknięcia;
• właściwości infiltracyjne, które determinują utratę płynów;
• możliwość przenoszenia środka podsadzkowego bez przedwczesnego wytrącania się z roztworu;
• stabilność ścinania i temperatury;
• kompatybilność z innymi odczynnikami;
• działanie korozyjne;
• zielone i bezpieczne.

Płyny o niskiej lepkości wymagają wtrysku większej objętości, aby osiągnąć wymagane ciśnienie w zbiorniku, a płyny o wysokiej lepkości wymagają większego ciśnienia wytwarzanego przez sprzęt pompujący, ponieważ występują znaczne straty oporu hydraulicznego. Bardziej lepkie ciecze charakteryzują się również mniejszą filtrowalnością w skałach.

Materiały podpierające

Najczęściej używane środki do podsadzki to:

• Piasek kwarcowy. Jeden z najpopularniejszych materiałów naturalnych, dlatego jego koszt jest niski. Naprawia pęknięcia w różnych warunkach geologicznych (uniwersalne). Wielkość ziaren piasku do szczelinowania hydraulicznego dobiera się 0,5-1 mm. Stężenie w płynie nośnym piasku waha się między 100-600 kg/m3. W skałach charakteryzujących się silnym spękaniem zużycie materiału może sięgać kilkudziesięciu ton na 1 odwiert.
• Boksyty (tlenek glinu Al₂O_{3). Zaletą tego typu propantu jest jego większa wytrzymałość w porównaniu z piaskiem. Wyprodukowano przezkruszenie i prażenie rudy boksytu.}
• Tlenek cyrkonu. Posiada właściwości zbliżone do poprzedniego rodzaju środka podsadzającego. Szeroko stosowany w Europie. Powszechną wadą takich materiałów jest ich wysoka cena.
• Granulat ceramiczny. Do szczelinowania hydraulicznego stosuje się granulki o wielkości od 0,425 do 1,7 mm. Należą do podsadzek o średniej mocy. Pokaż wysoką efektywność ekonomiczną.
• Szklane kulki. Wcześniej stosowany do studni głębinowych, obecnie prawie całkowicie zastąpiony tańszymi boksytami.

Kwasowe pękanie

Istota kwasowego szczelinowania hydraulicznego polega na tym, że na pierwszym etapie szczelina jest sztucznie tworzona (tak jak w konwencjonalnej technologii szczelinowania hydraulicznego), a następnie wpompowywany jest do niej kwas. Ten ostatni reaguje ze skałą tworząc długie kanały zwiększające przepuszczalność zbiornika w strefie dennej. W rezultacie wzrasta współczynnik odzyskiwania ropy z odwiertu.

Ten rodzaj procesu szczelinowania hydraulicznego jest szczególnie skuteczny w przypadku formacji węglanowych. Według naukowców ponad 40% światowych zasobów ropy naftowej jest związanych z tego typu złożem. Technika i technologia szczelinowania hydraulicznego w tym przypadku różni się nieznacznie od opisanych powyżej. Sprzęt wykonany jest w wykonaniu kwasoodpornym. Inhibitory (formalina, unikol, urotropina i inne) są również stosowane do ochrony maszyn przed korozją.

Rodzaje szczelinowania kwasem to dwuetapowe zabiegi z użyciem materiałów takich jak:

• związki polimerowe (PAA, PVC, gipan iinne);
• związki lateksowe (SKMS-30, ARC);
• styren;
• żywice (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Jako kwaśne rozpuszczalniki stosuje się 15% roztwór kwasu solnego, a także specjalne kompozycje (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i inne).

Rodzaje szczelinowania kwasem to dwuetapowe zabiegi z użyciem materiałów takich jak:

• związki polimerowe (PAA, PVV, gipan i inne);
• związki lateksowe (SKMS-30, ARC);
• styren;
• żywice (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Jako kwaśne rozpuszczalniki stosuje się 15% roztwór kwasu solnego, a także specjalne kompozycje (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i inne).