Fracturare hidraulică: tipuri, calcul și proces tehnologic

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 14:01

Fracturarea hidraulică (HF) este una dintre cele mai eficiente măsuri geologice și tehnice, al cărei scop este intensificarea fluxului de fluid de formare către puțurile de producție. Utilizarea acestei tehnologii permite nu numai creșterea recuperării rezervelor în raza de drenaj al sondei, ci și extinderea acestei zone, crescând recuperarea finală de petrol a rezervorului. Având în vedere acest factor, proiectarea dezvoltării câmpului poate fi realizată cu aranjarea unui model de puț mai rar.

Scurtă descriere

Esența fracturării hidraulice este descrisă prin următorul proces:

• rezervorul este supus unei presiuni excesive (consumul de fluid de proces este mult mai mare decât poate fi absorbit de roci);
• presiunea din fund crește până când depășește tensiunile interne din colector;
• roci sunt rupte în planul cu cea mai mică rezistență mecanică (cel mai adesea în direcție oblică sau vertical);
• din nouformate si se cresc fisurile vechi, apare legatura lor cu sistemul natural de pori;
• o zonă de permeabilitate crescută în apropierea puțului crește;
• agenți de susținere granulare speciali (agenți de susținere) sunt pompați în fracturile expandate pentru a le fixa în stare deschisă după ce presiunea asupra formațiunii este îndepărtată;
• rezistența la mișcarea fluidului de formare devine aproape zero, ca urmare, debitul sondei crește de câteva ori.

Lungimea fracturilor în roci poate fi de câteva sute de metri, iar fundul puțului devine conectat cu zone îndepărtate ale rezervorului. Unul dintre cei mai importanți factori în eficacitatea acestui tratament este fixarea fisurii, care permite crearea unui canal de filtrare. Cu toate acestea, productivitatea puțului nu poate crește la infinit pe măsură ce dimensiunea fracturii crește. Există o lungime maximă, peste care debitul nu devine mai intens.

Domeniul de aplicare

Această tehnologie este utilizată atât pentru producție (recuperare îmbunătățită a petrolului), cât și pentru injecție (injectivitate crescută), puțuri orizontale și verticale. Se disting următoarele domenii de aplicare a fracturării hidraulice:

• intensificarea ratei de producție a puțurilor cu o zonă de fund contaminată în rezervoare cu permeabilitate diferită;
• dezvoltarea depozitelor eterogene;
• îmbunătățirea conexiunii hidrodinamice a sondei cu sistemul natural de fracturi din rezervor;
• extinderea zonei de intrare a lichidului din rezervor;
• dezvoltarea rezervoarelor cu permeabilitate scăzută șipuțuri cu marjă mică;
• schimbarea debitelor de infiltrație în puțurile de injecție;
• restaurarea parametrilor puțului care nu sunt afectați de alte metode.

Limitele pentru tehnologia de fracturare hidraulică sunt zonele cu motorină, care se caracterizează prin următoarele caracteristici:

• coning rapid (tragerea apei de formare pe fundul puțului);
• penetrări bruște de apă sau gaz în sondă;
• rezervoare epuizate cu rezerve reduse, lentile saturate cu ulei de volum mic (din cauza nerentabilității economice).

De cele mai multe ori fracturarea hidraulică este utilizată ca metodă de stimulare pentru rezervoarele cu permeabilitate medie și în altă. Pentru ei, principalul factor de creștere a fluxului de fluid din rezervor este lungimea fracturii formate, iar în depozitele cu permeabilitate scăzută a rocii, lățimea acesteia.

Fracturare hidraulică: avantaje și dezavantaje

Avantajele fracturării hidraulice sunt:

• aplicabil zonelor cu structură geologică diversă;
• impact atât asupra întregului rezervor, cât și asupra secțiunii acestuia;
• reducerea eficientă a rezistenței hidraulice în zona de fund;
• comuniunea zonelor adiacente prost drenate;
• fluid de lucru ieftin (apă);
• profitabilitate ridicată.

Dezavantajele includ:

• nevoia de rezerve mari de apă, nisip, substanțe chimice suplimentare;
• proces necontrolat de creare a unei fisuri în stâncă, imprevizibilitatea mecanismuluicracare;
• când puțurile cu debite mari sunt puse în funcțiune după fracturarea hidraulică, suportul poate fi efectuat în fracturi, rezultând o scădere a gradului de deschidere a acestora și o scădere a debitului în primele luni de la începere. de funcționare;
• risc de scurgeri necontrolate și de poluare a mediului.

Variații de proces

Metodele de fracturare diferă în funcție de tipul de formare a fracturii, volumul de fluid și agenți de susținere injectat și alte caracteristici. Principalele tipuri de fracturare hidraulică includ următoarele:

• După zona de impact asupra formațiunii: local (lungimea fracturii de până la 20 m) - cea mai răspândită; pătrundere adâncă (lungimea fracturii 80-120 m); masiv (1000 m și mai mult).
• După acoperirea cusăturii: singur (impact asupra tuturor cusăturilor și straturilor intermediare); multiple (pentru sondele care au deschis 2 sau mai multe straturi); interval (pentru un anumit rezervor).
• Metode speciale: fracturare acidă; Tehnologia TSO - formarea de fracturi scurte pentru a preveni propagarea lor la contactul apă-ulei și pentru a reduce volumul de injectare a agentului de susținere (această metodă arată o eficiență ridicată în rezervoarele nisipoase); impuls (crearea mai multor fracturi radial divergente în roci cu permeabilitate medie și în altă pentru a reduce efectul pielii - deteriorarea permeabilității porilor din cauza contaminării acestora cu particule conținute în fluidul formației filtrante.

Multiplegap

Fracturarea hidraulică multiplă se realizează prin mai multe metode:

1. În primul rând, o fisură este creată folosind tehnologia convențională. Apoi este înfundat temporar prin injectarea de substanțe (naftalină granulară, bile de plastic și altele) care închid perforațiile. După aceea, fracturarea hidraulică se face în altă parte.
2. Separarea zonelor se realizează cu ajutorul packerelor sau porților hidraulice. Pentru fiecare dintre intervale se efectuează fracturarea hidraulică conform schemei tradiționale.
3. Fracturare hidraulică în etape cu izolarea fiecărei zone subiacente cu un dop de nisip.

În secțiunile de argilă, cea mai eficientă este crearea de fracturi verticale, deoarece acestea conectează straturile intermediare productive de petrol și gaze. Astfel de fracturi sunt produse prin acțiunea fluidelor nefiltrabile sau printr-o creștere rapidă a vitezei de injectare.

Pregătire pentru fracturarea hidraulică

Tehnologia rezervorului hidraulic constă din mai multe etape. Lucrările pregătitoare sunt după cum urmează:

1. Studiul sondei pentru fluxul de fluid de formare, capacitatea de a absorbi fluidul de lucru și determinarea presiunii necesare fracturării hidraulice.
2. Curățarea fundului de nisip sau crusta de argilă (spălare cu apă sub presiune, tratare cu acid clorhidric, perforare prin hidro-sablare și alte metode).
3. Verificarea puțului cu un șablon special.
4. Coborâre în conductele de sondă pentru a furniza fluidul de lucru.
5. Instalarea dispozitivului de ambalare sub presiune și a ancorelor hidraulice pentru a proteja carcasa.
6. Instalarea capului puțuluiechipamente (colector, lubrifiator și alte dispozitive) pentru conectarea unităților de pompare la conductele de injecție și etanșarea puțului.

Diagrama principală a conductelor echipamentului de proces în timpul fracturării hidraulice este prezentată în figura de mai jos.

Secvență de fracturare

Tehnica și tehnologia fracturării hidraulice constă în următoarele proceduri:

1. Conductele de injecție sunt furnizate cu un fluid de lucru (cel mai adesea ulei pentru un puț de producție sau apă pentru un puț de injecție).
2. Crește presiunea fluidului de fracturare la valoarea maximă de proiectare.
3. Verificați etanșeitatea garniturii (nu trebuie să existe un preaplin de lichid din inela).
4. Proppant este adăugat la fluidul de lucru după ce apare fracturarea hidraulică. Acest lucru este apreciat de o creștere bruscă a injectivității puțului (căderea presiunii în pompe).
5. Izotopii radioactivi sunt incluși în ultimul lot de agent de susținere pentru verificarea ulterioară a zonei de pierdere folosind înregistrarea nucleară.
6. Furnizați fluidul de stoarcere la cea mai mare presiune pentru sprijinirea sigură a fisurilor.
7. Înlăturarea fluidului de fracturare din partea inferioară pentru a asigura intrarea fluidului de formare în sondă.
8. Demontați echipamentele de proces.
9. Fântâna este în curs de punere în funcțiune.

Dacă puțul este relativ puțin adânc, atunci fluidul de lucru poate fi furnizat prin conducte de tubaj. De asemenea, este posibil să se efectueze fracturare hidraulică fărăpacker - prin țevi și inelare. Acest lucru reduce pierderile hidraulice pentru fluide foarte vâscoase.

Mașini și mecanisme pentru fracturare hidraulică

Echipamentele de fracturare hidraulică includ următoarele tipuri de echipamente:

• Mașini și dispozitive de sol: unități de pompare (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 și altele); instalații de amestecare a nisipului pe șasiu auto (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong și altele); cisterne pentru transportul lichidelor (ATsN-8S și 14S, ATK-8, Sanji, Xishi și altele); țevile capului sondei (colector, cap de sondă, supape de închidere, colectoare de distribuție și presiune cu supape de reținere, manometre și alte echipamente).
• Echipamente auxiliare: agregate pentru operațiuni de declanșare; trolii; statii de monitorizare si control; camioane cu țevi și alte echipamente.
• Echipamente subterane: packer pentru izolarea formațiunii în care se preconizează fracturarea hidraulică din altă parte a șirului de producție; ancore pentru prevenirea ridicării echipamentelor subterane din cauza presiunii ridicate; șir de tuburi.

Tipul de echipament și numărul de echipamente sunt determinate pe baza parametrilor de proiectare ai fracturării hidraulice.

Caracteristici de proiectare

Următoarele formule de bază sunt utilizate pentru a calcula fracturarea hidraulică:

1. BHP (MPa) pentru fracturarea hidraulică folosind un fluid filtrat: p=10^-2KL_c, unde K este un coeficient selectat din intervalul de valori 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – lungimea puțului, m.}
2. Presiunea de injectare a fluidului cu nisip (pentru sprijinirea fracturilor): p_p =p - ρgL_c + p_t, unde ρ este densitatea lichidului purtător de nisip, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – pierderea de presiune din cauza frecării fluidului care transportă nisipul. Ultimul indicator este determinat de formula: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – diametrul interior al tubului.
3. Numărul de unități de pompare: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, unde p_p este presiunea de funcționare a pompei, Q_p este alimentarea acesteia la o anumită presiune, K T- coeficientul stării tehnice a mașinii (selectat între 0,5-0,8).
4. Cantitatea de fluid de deplasare: V=0, 785d_B²L_c.

Dacă se produce fracturarea hidraulică folosind nisip ca agent de susținere, atunci se presupune că cantitatea acestuia pentru 1 operație este de 8-10 tone, iar cantitatea de fluid este determinată de formula:

V=Q_sC_s, unde Q_s este cantitatea de nisip, t, C_s – concentrația de nisip în 1 m^{3 lichid.}

Calculul acestor parametri este important, deoarece la o valoare a presiunii excesiv de mare în timpul fracturării hidraulice, fluidul este strecurat în rezervor, apar accidente încoloana de producție. În caz contrar, dacă valoarea este prea mică, fracturarea hidraulică va trebui oprită din cauza incapacității de a atinge presiunea necesară.

Proiectarea fracturării se face după cum urmează:

1. Selectarea puțurilor în funcție de sistemul de dezvoltare a câmpului existent sau planificat.
2. Determinarea celei mai bune geometrii de fractură, ținând cont de mai mulți factori: permeabilitatea rocii, grila sondei, apropierea de contactul ulei-apă.
3. Analiza caracteristicilor fizice și mecanice ale rocilor și alegerea unui model teoretic pentru formarea unei fisuri.
4. Determinarea tipului, cantității și concentrației agentului de susținere.
5. Selectarea unui fluid de fracturare cu proprietăți reologice adecvate și calcularea volumului acestuia.
6. Calculul altor parametri tehnologici.
7. Definiția eficienței economice.

Lichide Frac

Lichidele de lucru (deplasare, fracturare și purtător de nisip) sunt unul dintre cele mai importante elemente ale fracturării hidraulice. Avantajele și dezavantajele diferitelor lor tipuri sunt legate în primul rând de proprietățile reologice. Dacă anterior erau utilizate numai compoziții vâscoase pe bază de ulei (pentru a reduce absorbția acestora de către rezervor), atunci o creștere a puterii unităților de pompare a făcut acum posibilă trecerea la fluide pe bază de apă cu vâscozitate scăzută. Din acest motiv, pierderile de presiune din capul puțului și de rezistență hidraulică din șirul de tuburi au scăzut.

În practica mondială, următoareleprincipalele tipuri de fluide hidraulice de fracturare:

• Apă cu și fără substanțe de susținere. Avantajul său este costul scăzut. Dezavantajul este adâncimea scăzută a pătrunderii în rezervor.
• Soluții polimerice (guar și derivații săi PPG, CMHPG; hidroxietil eter de celuloză, carboximetil celuloză, gumă xantan). B, Cr, Ti, Zr și alte metale sunt utilizate pentru reticulare a moleculelor. Din punct de vedere al costului, polimerii aparțin categoriei de mijloc. Dezavantajul unor astfel de fluide este riscul ridicat de modificări negative în rezervor. Avantajele includ adâncime de penetrare mai mare.
• Emulsii formate dintr-o fază de hidrocarburi (combustibil diesel, ulei, gaz condensat) și apă (mineralizată sau proaspătă).
• geluri cu hidrocarburi.
• Metanol.
• Dioxid de carbon îngroșat.
• Sisteme cu spumă.
• Geluri de spumă, constând din geluri reticulate, spume de azot sau dioxid de carbon. Au un cost ridicat, dar nu afectează calitatea colectorului. Alte avantaje sunt capacitatea mare de transport a agentului de susținere și autodistrugerea cu puțin lichid rezidual.

Pentru a îmbunătăți funcțiile acestor compuși, se folosesc diverși aditivi tehnologici:

• surfactanți;
• emulgatori;
• articulații de reducere a frecării fluide;
• foamers;
• aditivi care modifică aciditatea;
• stabilizatori termici;
• aditivi bactericide și anticorozivi și alții.

Principalele caracteristici ale fluidelor hidraulice de fracturare includ:

• vâscozitate dinamică necesară pentru a deschide o fisură;
• proprietăți de infiltrare care determină pierderea de lichid;
• abilitatea de a transporta agent de susținere fără ca acesta să se deconteze prematur din soluție;
• stabilitate la forfecare și temperatură;
• compatibilitate cu alți reactivi;
• activitate corozivă;
• verde și sigur.

Lichidele cu vâscozitate scăzută necesită injectarea unui volum mai mare pentru a atinge presiunea necesară în rezervor, iar fluidele cu vâscozitate ridicată necesită mai multă presiune dezvoltată de echipamentele de pompare, deoarece apar pierderi semnificative de rezistență hidraulică. Lichidele mai vâscoase sunt, de asemenea, caracterizate prin filtrabilitate mai scăzută în roci.

Materiale de sprijin

Cele mai frecvent utilizate elemente de susținere, sau elemente de susținere, sunt:

• Nisip de cuarț. Unul dintre cele mai comune materiale naturale și, prin urmare, costul său este scăzut. Remediază fisuri în diverse condiții geologice (universale). Dimensiunea granulelor de nisip pentru fracturarea hidraulică este selectată 0,5-1 mm. Concentrația în fluidul purtător de nisip variază între 100-600 kg/m3. În rocile caracterizate prin fracturare puternică, consumul de material poate ajunge la câteva zeci de tone la 1 sondă.
• Bauxite (oxid de aluminiu Al₂O_{3). Avantajul acestui tip de suport este rezistența sa mai mare în comparație cu nisipul. Produs dezdrobirea și prăjirea minereului de bauxită.}
• Oxid de zirconiu. Are proprietăți similare cu tipul anterior de agent de susținere. Folosit pe scară largă în Europa. Un dezavantaj comun al unor astfel de materiale este costul lor ridicat.
• Granule ceramice. Pentru fracturarea hidraulică se folosesc granule cu dimensiuni cuprinse între 0,425 și 1,7 mm. Ei aparțin agenților de susținere cu rezistență medie. Afișați o eficiență economică ridicată.
• Bile de sticlă. Folosit anterior pentru puțuri adânci, acum aproape complet înlocuit cu bauxite mai ieftine.

Fracturarea acidului

Esența fracturării hidraulice acide este că, în prima etapă, o fractură este creată artificial (la fel ca în tehnologia convențională de fracturare hidraulică), iar apoi acidul este pompat în ea. Acesta din urmă reacționează cu roca, creând canale lungi care măresc permeabilitatea rezervorului în zona de fund. Ca urmare, factorul de recuperare a petrolului din sondă crește.

Acest tip de proces de fracturare hidraulică este eficient în special pentru formațiunile carbonatice. Potrivit cercetătorilor, peste 40% din rezervele de petrol ale lumii sunt asociate cu acest tip de rezervor. Tehnica și tehnologia fracturării hidraulice în acest caz diferă ușor de cele descrise mai sus. Echipamentul este fabricat într-un design rezistent la acizi. Inhibitorii (formalină, unikol, urotropină și alții) sunt, de asemenea, utilizați pentru a proteja mașinile împotriva coroziunii.

Tipurile de fracturare acidă sunt tratamente în două etape care utilizează materiale precum:

• compuși polimerici (PAA, PVC, gipan și altele);
• compuși latex (SKMS-30, ARC);
• stiren;
• rășini (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Ca solvenți acizi, se folosește o soluție de acid clorhidric 15%, precum și compoziții speciale (SNPKh-9010, SNPKh-9633 și altele).

Tipurile de fracturare acidă sunt tratamente în două etape care utilizează materiale precum:

• compuși polimerici (PAA, PVV, gipan și alții);
• compuși latex (SKMS-30, ARC);
• stiren;
• rășini (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Ca solvenți acizi, se folosește o soluție de acid clorhidric 15%, precum și compoziții speciale (SNPKh-9010, SNPKh-9633 și altele).