Hydraulisk sprickning: typer, beräkning och teknisk process

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 14:03

Hydraulisk sprickbildning (HF) är en av de mest effektiva geologiska och tekniska åtgärderna, vars syfte är att intensifiera flödet av formationsvätska till produktionsbrunnar. Användningen av denna teknik gör det inte bara möjligt att öka utvinningen av reserver inom brunnens dräneringsradie, utan också att utöka detta område, vilket ökar reservoarens slutliga oljeutvinning. Med tanke på denna faktor kan fältutvecklingsdesign utföras med ett glesare brunnsmönster.

Kort beskrivning

Kärnan i hydraulisk sprickbildning beskrivs genom följande process:

• reservoaren utsätts för för högt tryck (processvätskeförbrukningen är mycket större än den kan absorberas av stenar);
• trycket i hålet ökar tills det överstiger de inre spänningarna i grenröret;
• stenar rivs i planet med minsta mekaniska styrka (oftast i sned riktning eller vertik alt);
• igenbildas och gamla sprickor ökar, deras koppling till det naturliga porsystemet visas;
• en zon med ökad permeabilitet nära brunnen ökar;
• speciella granulära proppmedel (proppmedel) pumpas in i de expanderade sprickorna för att fixera dem i öppet tillstånd efter att trycket på formationen har avlägsnats;
• motståndet mot formationsvätskans rörelse blir nästan noll, som ett resultat av detta ökar brunnsflödeshastigheten flera gånger.

Längden på sprickor i bergarter kan vara flera hundra meter, och botten av brunnen blir ansluten till avlägsna delar av reservoaren. En av de viktigaste faktorerna för effektiviteten av denna behandling är fixeringen av sprickan, vilket gör det möjligt att skapa en filtreringskanal. Brunnsproduktiviteten kan dock inte öka i det oändliga eftersom sprickstorleken ökar. Det finns en maximal längd, över vilken flödeshastigheten inte blir mer intensiv.

Tillämpningsomfattning

Denna teknik används både för produktion (förbättrad oljeutvinning) och injektion (ökad injektivitet), horisontella och vertikala brunnar. Följande användningsområden för hydraulisk sprickbildning särskiljs:

• intensifiering av produktionshastigheten för brunnar med en förorenad bottenhålszon i reservoarer med olika permeabilitet;
• utveckling av heterogena fyndigheter;
• förbättra den hydrodynamiska kopplingen mellan brunnen och det naturliga spricksystemet i reservoaren;
• expansion av reservoarvätskans inflödeszon;
• utveckling av reservoarer med låg permeabilitet ochbrunnar med låg marginal;
• förändring av sippflöden i injektionsbrunnar;
• återställning av brunnsparametrar som inte påverkas av andra metoder.

Gränserna för hydraulisk sprickteknik är gasoljezoner, som kännetecknas av följande egenskaper:

• snabb konning (drar formationsvatten till botten av brunnen);
• plötsliga genombrott av vatten eller gas i borrhålet;
• uttömda reservoarer med låga reserver, oljemättade linser med liten volym (på grund av ekonomisk olönsamhet).

Hydraulisk sprickning används oftast som en stimuleringsmetod för reservoarer med medelhög och hög permeabilitet. För dem är huvudfaktorn för att öka inflödet av reservoarvätska längden på den bildade sprickan, och i avlagringar med låg bergpermeabilitet, dess bredd.

Hydraulisk spräckning: fördelar och nackdelar

Fördelarna med hydraulisk sprickbildning är:

• gäller områden med olika geologisk struktur;
• påverkan både på hela reservoaren och på dess sektion;
• effektiv minskning av hydrauliskt motstånd i bottenhålszonen;
• gemenskap av dåligt dränerade angränsande områden;
• billig arbetsvätska (vatten);
• hög lönsamhet.

Nackdelar inkluderar:

• behovet av stora förråd av vatten, sand, ytterligare kemikalier;
• okontrollerad process för att skapa en spricka i berget, oförutsägbarhet i mekanismenspricker;
• när brunnar med höga flödeshastigheter tas i drift efter hydraulisk sprickbildning, kan proppant tas ut från sprickor, vilket resulterar i en minskning av graden av deras öppning och en minskning av flödeshastigheten under de första månaderna efter starten drift;
• risk för okontrollerad sprutning och miljöföroreningar.

Processvarianter

Sprickmetoder skiljer sig åt i typen av sprickbildning, volymen av vätska och proppmedel som injiceras och andra egenskaper. De viktigaste typerna av hydraulisk sprickbildning inkluderar följande:

• Enligt området för påverkan på formationen: lokal (spricklängd upp till 20 m) - den mest utbredda; djupt penetrerande (spricklängd 80-120 m); samlad (1000 m och mer).
• Med sömtäckning: enkel (påverkan på alla sömmar och mellanskikt); multipel (för brunnar som har öppnat 2 eller fler lager); intervall (för en specifik reservoar).
• Specialmetoder: sur frakturering; TSO-teknik - bildande av korta sprickor för att förhindra deras utbredning till vatten-olja-kontakten och minska volymen av proppantinjektion (denna metod visar hög effektivitet i sandiga reservoarer); impuls (skapande av flera radiellt divergerande sprickor i bergarter med medel- och högpermeabilitet för att minska hudeffekten - försämringen av porpermeabiliteten på grund av deras kontaminering med partiklar som finns i filtreringsvätskan.

Fleragap

Multipel hydraulisk frakturering utförs på flera sätt:

1. Först skapas en spricka med hjälp av konventionell teknik. Sedan täpps det till tillfälligt genom att injicera ämnen (granulärt naftalen, plastkulor och andra) som stänger perforeringarna. Därefter görs hydraulisk sprickbildning på annat håll.
2. Separation av zoner utförs med packare eller hydrauliska grindar. För vart och ett av intervallen utförs hydraulisk frakturering enligt det traditionella schemat.
3. Faserad hydraulisk sprickning med isolering av varje underliggande zon med en sandplugg.

I lersektioner är det mest effektiva skapandet av vertikala sprickor, eftersom de förbinder produktiva olje- och gasmellanskikt. Sådana frakturer produceras genom inverkan av icke-filtrerbara vätskor eller genom en snabb ökning av injektionshastigheten.

Förberedelse för hydraulisk frakturering

Hydraulisk reservoarteknik består av flera steg. Det förberedande arbetet är som följer:

1. Studier av brunnen för inflöde av formationsvätska, förmågan att absorbera arbetsvätskan och bestämma det tryck som krävs för hydraulisk sprickbildning.
2. Rengöring av bottenhålet från sand eller lerskorpa (tvättning med vatten under tryck, behandling med s altsyra, hydrosandblästring av perforering och andra metoder).
3. Kontrollerar brunnen med en speciell mall.
4. Gå ner i borrhålsrören för att tillföra arbetsvätskan.
5. Installation av tryckpackare och hydrauliska ankare för att skydda hölje.
6. Installation av brunnshuvudutrustning (grenrör, smörjanordning och andra enheter) för att ansluta pumpenheter till injektionsrörledningar och täta brunnen.

Huvuddiagram över processutrustningens rörledningar under hydraulisk frakturering visas i figuren nedan.

Bräckningssekvens

Teknik och teknik för hydraulisk sprickbildning består av följande procedurer:

1. Insprutningsrören är försedda med en arbetsvätska (oftast olja för en produktionsbrunn eller vatten för en injektionsbrunn).
2. Öka sprickvätsketrycket till maxim alt designvärde.
3. Kontrollera packarens täthet (det ska inte finnas något överflöde av vätska från ringen).
4. Proppmedel tillsätts till arbetsvätskan efter att hydraulisk sprickbildning inträffar. Detta bedöms av en kraftig ökning av brunnens injektivitet (tryckfall i pumparna).
5. Radioaktiva isotoper ingår i den sista satsen av proppant för efterföljande verifiering av förlustzonen med hjälp av kärnkraftsloggning.
6. Tillföra pressvätska med högsta tryck för pålitlig sprickstöd.
7. Ta bort sprickvätskan från botten för att säkerställa inflödet av formationsvätska in i borrhålet.
8. Demontera processutrustning.
9. Brunnen tas i drift.

Om brunnen är relativt grund, får arbetsvätskan tillföras genom höljesrör. Det går även att utföra hydraulisk frakturering utanpackare - genom rörrör och ringrum. Detta minskar hydrauliska förluster för högviskösa vätskor.

Maskiner och mekanismer för hydraulisk frakturering

Hydraulisk spräckningsutrustning inkluderar följande typer av utrustning:

• Markmaskiner och enheter: pumpenheter (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 och andra); sandblandningsanläggningar på bilchassier (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong och andra); tankbilar för transport av vätskor (ATsN-8S och 14S, ATK-8, Sanji, Xishi och andra); brunnshuvudrör (grenrör, brunnshuvud, avstängningsventiler, distributions- och tryckgrenrör med backventiler, tryckmätare och annan utrustning).
• Hjälputrustning: aggregat för utlösningsoperationer; vinschar; övervaknings- och kontrollstationer; rörbilar och annan utrustning.
• Utrustning under jord: packare för att isolera formationen där hydraulisk sprickbildning planeras från en annan del av produktionssträngen; ankare för att förhindra lyft av underjordisk utrustning på grund av högt tryck; slangsträng.

Utrustningstypen och antalet utrustningsdelar bestäms baserat på designparametrarna för den hydrauliska sprickningen.

Designegenskaper

Följande grundformler används för att beräkna hydraulisk sprickbildning:

1. BHP (MPa) för hydraulisk frakturering med en filtrerad vätska: p=10^-2KL_c, där K är en koefficient vald från värdeintervallet 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – brunnslängd, m.}
2. Insprutningstryck av vätska med sand (för sprickstöd): p_p =p - ρgL_c + p_t, där ρ är densiteten för sandbärarvätskan, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – tryckförlust på grund av friktion hos den sandbärande vätskan. Den sista indikatorn bestäms av formeln: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – slangens inre diameter.
3. Antal pumpenheter: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, där p_p är pumpens drifttryck, Q_p är dess tillförsel vid ett givet tryck, K T- koefficient för maskinens tekniska skick (vald inom 0,5-0,8).
4. Mängd förträngningsvätska: V=0, 785d_B²L_c.

Om hydraulisk sprickbildning inträffar med sand som proppant, antas dess mängd per 1 operation vara 8-10 ton, och mängden vätska bestäms av formeln:

V=Q_sC_s, där Q_s är mängden sand, t, C_s – koncentration av sand i 1 m^{3 vätska.}

Beräkning av dessa parametrar är viktig, eftersom vid ett alltför högt tryckvärde under hydraulisk sprickbildning pressas vätska in i reservoaren, olyckor inträffar iproduktionskolumn. Annars, om värdet är för lågt, kommer den hydrauliska sprickningen att behöva stoppas på grund av oförmågan att nå det önskade trycket.

Sprickdesign görs enligt följande:

1. Val av brunnar enligt befintligt eller planerat fältutvecklingssystem.
2. Bestämning av bästa sprickgeometri, med hänsyn till flera faktorer: bergpermeabilitet, brunnsnät, närhet till olje-vattenkontakt.
3. Analys av de fysiska och mekaniska egenskaperna hos bergarter och valet av en teoretisk modell för bildandet av en spricka.
4. Bestämning av proppmedelstyp, mängd och koncentration.
5. Välja en sprickvätska med lämpliga reologiska egenskaper och beräkna dess volym.
6. Beräkning av andra tekniska parametrar.
7. Definition av ekonomisk effektivitet.

Frac Fluids

Arbetsvätskor (deplacement, sprickbildning och sandbärare) är en av de viktigaste delarna av hydraulisk sprickbildning. Fördelarna och nackdelarna med deras olika typer är i första hand relaterade till reologiska egenskaper. Om tidigare endast viskösa oljebaserade kompositioner användes (för att minska deras absorption av reservoaren), så har en ökning av kraften hos pumpenheter nu gjort det möjligt att byta till vattenbaserade vätskor med låg viskositet. På grund av detta har brunnshuvudets tryck och hydrauliska motståndsförluster i rörsträngen minskat.

I praktiken i världen, följandehuvudtyper av hydrauliska sprickvätskor:

• Vatten med och utan proppmedel. Dess fördel är låg kostnad. Nackdelen är det låga penetrationsdjupet i reservoaren.
• Polymerlösningar (guar och dess derivat PPG, CMHPG; cellulosahydroxietyleter, karboximetylcellulosa, xantangummi). B, Cr, Ti, Zr och andra metaller används för tvärbindning av molekyler. När det gäller kostnad hör polymerer till mellankategorin. Nackdelen med sådana vätskor är den höga risken för negativa förändringar i behållaren. Fördelarna inkluderar större penetrationsdjup.
• Emulsioner som består av en kolvätefas (dieselbränsle, olja, gaskondensat) och vatten (mineraliserat eller färskt).
• Kolvätegeler.
• Metanol.
• Förtjockad koldioxid.
• Skumsystem.
• Skumgeler, bestående av tvärbundna geler, kväve- eller koldioxidskum. De har en hög kostnad, men påverkar inte kvaliteten på samlaren. Andra fördelar är hög bärförmåga för proppmedel och självdestruktion med lite kvarvarande vätska.

För att förbättra funktionerna hos dessa föreningar används olika tekniska tillsatser:

• ytaktiva ämnen;
• emulgatorer;
• vätskefriktionsreducerande leder;
• foamers;
• tillsatser som ändrar surhet;
• termiska stabilisatorer;
• bakteriedödande och korrosionsskyddande tillsatser och andra.

De viktigaste egenskaperna hos hydrauliska sprickvätskor inkluderar:

• dynamisk viskositet krävs för att öppna en spricka;
• infiltrationsegenskaper som bestämmer vätskeförlust;
• förmåga att bära proppant utan att det löser sig i förtid;
• skjuvning och temperaturstabilitet;
• kompatibilitet med andra reagenser;
• frätande aktivitet;
• grönt och säkert.

Lågviskösa vätskor kräver insprutning av en större volym för att uppnå det erforderliga trycket i behållaren, och högviskösa vätskor kräver mer tryck utvecklat av pumputrustning, eftersom betydande förluster i hydrauliskt motstånd inträffar. Mer trögflytande vätskor kännetecknas också av lägre filtrerbarhet i bergarter.

Propping Materials

De vanligaste proppants, eller proppants, är:

• Kvartssand. Ett av de vanligaste naturmaterialen, och därför är kostnaden låg. Fixar sprickor i olika geologiska förhållanden (universell). Storleken på sandkorn för hydraulisk frakturering väljs 0,5-1 mm. Koncentrationen i sandbärarvätskan varierar mellan 100-600 kg/m3. I bergarter som kännetecknas av stark sprickbildning kan materialåtgången uppgå till flera tiotals ton per brunn.
• Bauxiter (aluminiumoxid Al₂O_{3). Fördelen med denna typ av proppan är dess större styrka jämfört med sand. Tillverkad avkrossa och rosta bauxitmalm.}
• Zirkoniumoxid. Den har egenskaper som liknar den tidigare typen av proppan. Används flitigt i Europa. En vanlig nackdel med sådana material är deras höga kostnad.
• Keramiska granulat. För hydraulisk frakturering används granulat i storlek från 0,425 till 1,7 mm. De tillhör medelstarka proppmedel. Visa hög ekonomisk effektivitet.
• Glaskulor. Tidigare användes för djupa brunnar, nu nästan helt ersatt av billigare bauxiter.

Acid frakturering

Kynen med sur hydraulisk sprickning är att i det första steget skapas en spricka på konstgjord väg (precis som i konventionell hydraulisk sprickteknik), och sedan pumpas syra in i den. Den senare reagerar med berget och skapar långa kanaler som ökar permeabiliteten för reservoaren i bottenhålszonen. Som ett resultat ökar oljeutvinningsfaktorn från brunnen.

Denna typ av hydraulisk spräckningsprocess är särskilt effektiv för karbonatformationer. Enligt forskare är mer än 40 % av världens oljereserver förknippade med denna typ av reservoar. Tekniken och tekniken för hydraulisk sprickbildning i detta fall skiljer sig något från de som beskrivs ovan. Utrustningen är tillverkad i syrafast design. Inhibitorer (formalin, unikol, urotropin och andra) används också för att skydda maskiner från korrosion.

Typer av sur frakturering är tvåstegsbehandlingar med material som:

• polymerföreningar (PAA, PVC, gipan ochandra);
• latexföreningar (SKMS-30, ARC);
• styren;
• harts (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Som sura lösningsmedel används en 15 % s altsyralösning, samt speciella sammansättningar (SNPKh-9010, SNPKh-9633 m.fl.).

Typer av sur frakturering är tvåstegsbehandlingar med material som:

• polymerföreningar (PAA, PVV, gipan och andra);
• latexföreningar (SKMS-30, ARC);
• styren;
• harts (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Som sura lösningsmedel används en 15 % s altsyralösning, samt speciella sammansättningar (SNPKh-9010, SNPKh-9633 m.fl.).