Hydraulické štěpení: druhy, výpočet a technologický postup

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 13:51

Hydraulické štěpení (HF) je jedním z nejúčinnějších geologických a technických opatření, jehož účelem je zintenzivnění proudění formovací tekutiny k těžebním vrtům. Použití této technologie umožňuje nejen zvýšit těžbu zásob v okruhu odvodnění vrtu, ale také rozšířit tuto oblast a zvýšit konečnou těžbu ropy z nádrže. Vzhledem k tomuto faktoru lze návrh rozvoje pole provést s uspořádáním řidšího vzoru studní.

Krátký popis

Podstata hydraulického štěpení je popsána následujícím procesem:

• nádrž je vystavena nadměrnému tlaku (spotřeba procesní kapaliny je mnohem větší, než ji mohou absorbovat kameny);
• tlak ve vrtu se zvyšuje, dokud nepřekročí vnitřní pnutí v potrubí;
• kameny se trhají v rovině nejmenší mechanické pevnosti (nejčastěji v šikmém směru nebo svisle);
• znovuvzniklé a staré trhliny přibývají, objevuje se jejich spojení s přirozeným systémem pórů;
• zóna zvýšené propustnosti v blízkosti studny se zvětšuje;
• speciální granulované propanty (propanty) se pumpují do roztažených zlomenin, aby je fixovaly v otevřeném stavu po odstranění tlaku na formaci;
• odolnost vůči formování pohybu tekutiny se stává téměř nulovou, v důsledku toho se průtok studnou několikrát zvýší.

Délka zlomů ve skalách může být několik set metrů a dno studny se propojí s odlehlými oblastmi nádrže. Jedním z nejdůležitějších faktorů účinnosti této úpravy je fixace trhliny, která umožňuje vytvoření filtračního kanálu. Produktivita vrtu se však nemůže zvyšovat donekonečna, jak se zvětšuje velikost zlomu. Existuje maximální délka, při jejímž překročení se průtok nezvýší.

Rozsah použití

Tato technologie se používá jak pro těžbu (vylepšené získávání ropy), tak pro injektáž (zvýšená injektivita), horizontální a vertikální vrty. Rozlišují se následující oblasti použití hydraulického štěpení:

• intenzifikace těžby vrtů s kontaminovanou spodní zónou v nádržích s různou propustností;
• vývoj heterogenních ložisek;
• zlepšení hydrodynamického propojení vrtu s přirozeným puklinovým systémem v nádrži;
• rozšíření zóny přítoku kapaliny v nádrži;
• vývoj nádrží s nízkou propustností astudny s nízkou marží;
• změna průsakových průtoků v injekčních vrtech;
• obnovení parametrů vrtu, které nejsou ovlivněny jinými metodami.

Limity pro technologii hydraulického štěpení jsou zóny plyn-olej, které se vyznačují následujícími vlastnostmi:

• rychlé coning (tahání vody z formace na dno studny);
• náhlé průniky vody nebo plynu do vrtu;
• vyčerpané nádrže s nízkými zásobami, čočky nasycené olejem malého objemu (kvůli ekonomické nerentabilnosti).

Hydraulické štěpení se nejčastěji používá jako stimulační metoda pro nádrže se střední a vysokou propustností. Pro ně je hlavním faktorem zvýšení přítoku rezervoárové tekutiny délka vytvořeného zlomu a v ložiskách s nízkou propustností hornin jeho šířka.

Hydraulické štěpení: výhody a nevýhody

Výhody hydraulického štěpení jsou:

• platí pro oblasti s různorodou geologickou strukturou;
• dopad jak na celou nádrž, tak na její část;
• efektivní snížení hydraulického odporu v zóně dna;
• společenství špatně odvodněných přilehlých oblastí;
• levná pracovní kapalina (voda);
• vysoká ziskovost.

Mezi nevýhody patří:

• potřeba velkých zásob vody, písku, dalších chemikálií;
• nekontrolovaný proces vytváření trhliny ve skále, nepředvídatelnost mechanismupraskání;
• když jsou vrty s vysokým průtokem uvedeny do provozu po hydraulickém štěpení, může být propant vynášen z puklin, což má za následek snížení stupně jejich otevření a snížení průtoku v prvních měsících po zahájení provozu;
• riziko nekontrolovaného chrlení a znečištění životního prostředí.

Varianty procesu

Metody lámání se liší typem tvorby lomu, objemem vstřikované tekutiny a propantů a dalšími charakteristikami. Mezi hlavní typy hydraulického štěpení patří následující:

• Podle oblasti dopadu na formaci: místní (délka zlomeniny do 20 m) - nejrozšířenější; hluboce pronikající (délka lomu 80-120 m); hmotnostní (1000 m a více).
• Podle pokrytí švu: jednoduché (dopad na všechny švy a mezivrstvy); vícenásobné (pro jamky, které otevřely 2 nebo více vrstev); interval (pro konkrétní nádrž).
• Speciální metody: kyselé štěpení; Technologie TSO - tvorba krátkých zlomů k zamezení jejich šíření ke kontaktu voda-olej a snížení objemu vstřiku propantu (tato metoda vykazuje vysokou účinnost v písčitých nádržích); impuls (vytvoření několika radiálně se rozbíhajících puklin ve středně a vysoce propustných horninách za účelem snížení kožního efektu - zhoršení propustnosti pórů v důsledku jejich kontaminace částicemi obsaženými ve filtrační formační tekutině.

Vícenásobnémezera

Vícenásobné hydraulické štěpení se provádí několika metodami:

1. Nejprve se pomocí konvenční technologie vytvoří trhlina. Poté se dočasně ucpe vstřikováním látek (granulovaný naftalen, plastové kuličky a další), které perforace uzavřou. Poté se hydraulické štěpení provádí jinde.
2. Oddělení zón se provádí pomocí pakrů nebo hydraulických vrat. Pro každý z intervalů se hydraulické štěpení provádí podle tradičního schématu.
3. Fázové hydraulické štěpení s izolací každé spodní zóny pískovou zátkou.

V hliněných úsecích je nejúčinnější vytváření vertikálních zlomů, protože spojují produktivní mezivrstvy ropy a plynu. Takové zlomeniny vznikají působením nefiltrovatelných kapalin nebo rychlým zvýšením rychlosti vstřikování.

Příprava na hydraulické štěpení

Technologie hydraulické nádrže se skládá z několika stupňů. Přípravné práce jsou následující:

1. Studie vrtu pro přítok formovací tekutiny, schopnost absorbovat pracovní tekutinu a určit tlak potřebný pro hydraulické štěpení.
2. Čištění dna od písku nebo hliněné krusty (omytí vodou pod tlakem, ošetření kyselinou chlorovodíkovou, perforace vodním pískováním a další metody).
3. Kontrola studny pomocí speciální šablony.
4. Sestup do potrubí vrtu pro zásobování pracovní kapalinou.
5. Instalace tlakového pěchu a hydraulických kotev pro ochranu pláště.
6. Instalace ústí vrtuzařízení (rozdělovač, maznice a další zařízení) pro připojení čerpacích jednotek k injekčnímu potrubí a utěsnění vrtu.

Hlavní schéma potrubí procesního zařízení během hydraulického štěpení je znázorněno na obrázku níže.

Zlomení sekvence

Technika a technologie hydraulického štěpení se skládá z následujících postupů:

1. Vstřikovací trubky jsou dodávány s pracovní kapalinou (nejčastěji olej pro těžební vrt nebo voda pro injektážní vrt).
2. Zvyšte tlak štěpné kapaliny na maximální návrhovou hodnotu.
3. Zkontrolujte těsnost pakru (nemělo by docházet k přetečení kapaliny z mezikruží).
4. Propant se přidává do pracovní kapaliny poté, co dojde k hydraulickému štěpení. To se posuzuje podle prudkého zvýšení injektivity vrtu (pokles tlaku v čerpadlech).
5. Radioaktivní izotopy jsou zahrnuty v poslední dávce propantu pro následné ověření zóny ztráty pomocí jaderné protokolování.
6. Dodávejte stlačovací kapalinu s nejvyšším tlakem pro spolehlivé podepření trhlin.
7. Odstranění štěpné tekutiny ze dna, aby se zajistil přítok formační tekutiny do vrtu.
8. Demontujte procesní zařízení.
9. Vrt je uváděn do provozu.

Je-li studna relativně mělká, je povoleno přivádět pracovní kapalinu přes pažnicové potrubí. Je také možné provádět hydraulické štěpení bezpakr - průchozí trubkové trubky a mezikruží. To snižuje hydraulické ztráty u vysoce viskózních kapalin.

Stroje a mechanismy pro hydraulické štěpení

Zařízení na hydraulické štěpení zahrnuje následující typy zařízení:

• Pozemní stroje a zařízení: čerpací jednotky (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 a další); míchačky písku na podvozky automobilů (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong a další); cisternové vozy pro přepravu kapalin (ATsN-8S a 14S, ATK-8, Sanji, Xishi a další); potrubí ústí vrtu (rozdělovací potrubí, ústí vrtu, uzavírací ventily, rozvodné a tlakové potrubí se zpětnými ventily, tlakoměry a další vybavení).
• Pomocné vybavení: agregáty pro vypínání; navijáky; monitorovací a kontrolní stanice; potrubní vozíky a další vybavení.
• Podzemní zařízení: pakry k izolaci formace, ve které se plánuje hydraulické štěpení, od jiné části výrobního řetězce; kotvy zabraňující zvedání podzemních zařízení v důsledku vysokého tlaku; hadicový provázek.

Typ zařízení a počet kusů zařízení jsou určeny na základě konstrukčních parametrů hydraulického štěpení.

Charakteristiky designu

K výpočtu hydraulického štěpení se používají následující základní vzorce:

1. BHP (MPa) pro hydraulické štěpení pomocí filtrované kapaliny: p=10^-2KL_c, kde K je koeficient vybraný z rozsahu hodnot 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – délka studny, m.}
2. Vstřikovací tlak tekutiny s pískem (pro podepření zlomeniny): p_p =p - ρgL_c + p_t, kde ρ je hustota pískové nosné kapaliny, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – ztráta tlaku v důsledku tření kapaliny přenášející písek. Poslední ukazatel je určen vzorcem: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – vnitřní průměr hadičky.
3. Počet čerpacích jednotek: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, kde p_p je provozní tlak čerpadla, Q_p je jeho přívod při daném tlaku, K T- koeficient technického stavu stroje (volí se v rozmezí 0,5-0,8).
4. Množství vytěsňovací kapaliny: V=0, 785d_B²L_c.

Pokud dojde k hydraulickému štěpení za použití písku jako propantu, pak se jeho množství na 1 operaci předpokládá 8-10 tun a množství tekutiny je určeno vzorcem:

V=Q_sC_s, kde Q_s je množství písku, t, C_s – koncentrace písku v 1 m^{3 kapaliny.}

Výpočet těchto parametrů je důležitý, protože při příliš vysoké hodnotě tlaku během hydraulického štěpení je kapalina vytlačována do nádrže, dochází k nehodámvýrobní kolona. V opačném případě, pokud je hodnota příliš nízká, bude nutné hydraulické štěpení zastavit kvůli nemožnosti dosáhnout požadovaného tlaku.

Design lámání se provádí následovně:

1. Výběr vrtů podle stávajícího nebo plánovaného systému rozvoje terénu.
2. Určení nejlepší geometrie zlomu s přihlédnutím k několika faktorům: propustnost horniny, mřížka vrtu, blízkost kontaktu oleje a vody.
3. Analýza fyzikálních a mechanických charakteristik hornin a výběr teoretického modelu pro vznik trhliny.
4. Určení typu, množství a koncentrace propantu.
5. Výběr štěpící kapaliny s vhodnými reologickými vlastnostmi a výpočet jejího objemu.
6. Výpočet dalších technologických parametrů.
7. Definice ekonomické efektivity.

Frac Fluids

Pracovní kapaliny (výtlak, štěpení a nosič písku) jsou jedním z nejdůležitějších prvků hydraulického štěpení. Výhody a nevýhody jejich různých typů se týkají především reologických vlastností. Pokud se dříve používaly pouze viskózní kompozice na bázi oleje (pro snížení jejich absorpce zásobníkem), pak zvýšení výkonu čerpacích jednotek nyní umožnilo přejít na kapaliny na vodní bázi s nízkou viskozitou. V důsledku toho se tlak v ústí vrtu a ztráty hydraulického odporu v potrubí snížily.

Ve světové praxi platí následujícíhlavní typy kapalin pro hydraulické štěpení:

• Voda s a bez propantů. Jeho výhodou je nízká cena. Nevýhodou je malá hloubka průniku do nádrže.
• Polymerní roztoky (guar a jeho deriváty PPG, CMHPG; hydroxyethylether celulózy, karboxymethylcelulóza, xanthanová guma). Pro zesíťování molekul se používají B, Cr, Ti, Zr a další kovy. Z hlediska nákladů patří polymery do střední kategorie. Nevýhodou takových kapalin je vysoké riziko negativních změn v nádrži. Mezi výhody patří větší hloubka průniku.
• Emulze skládající se z uhlovodíkové fáze (nafta, olej, plynový kondenzát) a vody (mineralizované nebo čerstvé).
• Uhlovodíkové gely.
• Metanol.
• Zahuštěný oxid uhličitý.
• Pěnové systémy.
• Pěnové gely sestávající ze zesíťovaných gelů, dusíkatých nebo oxidových pěn. Mají vysokou cenu, ale neovlivňují kvalitu kolektoru. Dalšími výhodami jsou vysoká nosnost propantu a samodestrukce s malým množstvím zbytkové kapaliny.

Pro zlepšení funkcí těchto sloučenin se používají různé technologické přísady:

• povrchově aktivní látky;
• emulgátory;
• klouby snižující tekuté tření;
• foamers;
• aditiva, která mění kyselost;
• tepelné stabilizátory;
• baktericidní a antikorozní přísady a další.

Hlavní vlastnosti kapalin pro hydraulické štěpení zahrnují:

• dynamická viskozita potřebná k otevření trhliny;
• vlastnosti infiltrace, které určují ztrátu tekutin;
• schopnost nosit propant, aniž by se předčasně usadil z roztoku;
• stabilita ve smyku a teplotě;
• kompatibilita s jinými reagenciemi;
• žíravá činnost;
• zelené a bezpečné.

Kapaliny s nízkou viskozitou vyžadují vstřikování většího objemu, aby se dosáhlo požadovaného tlaku v zásobníku, a kapaliny s vysokou viskozitou vyžadují vyšší tlak vyvinutý čerpacím zařízením, protože dochází ke značným ztrátám hydraulického odporu. Viskóznější kapaliny se také vyznačují nižší filtrovatelností v horninách.

Podpěrné materiály

Nejběžněji používané propanty neboli propanty jsou:

• Křemenný písek. Jeden z nejběžnějších přírodních materiálů, a proto je jeho cena nízká. Fixuje trhliny v různých geologických podmínkách (univerzální). Velikost zrn písku pro hydraulické štěpení se volí 0,5-1 mm. Koncentrace v nosné kapalině písku se pohybuje mezi 100-600 kg/m3. V horninách vyznačujících se silným lámáním může spotřeba materiálu dosáhnout několika desítek tun na 1 vrt.
• Bauxity (oxid hlinitý Al₂O_{3). Výhodou tohoto typu propantu je jeho větší pevnost ve srovnání s pískem. Vyrobenodrcení a pražení bauxitové rudy.}
• Oxid zirkoničitý. Má vlastnosti podobné předchozímu typu propantu. Široce používaný v Evropě. Společnou nevýhodou těchto materiálů je jejich vysoká cena.
• Keramické granule. Pro hydraulické štěpení se používají granule o velikosti od 0,425 do 1,7 mm. Patří mezi středně silné propanty. Ukažte vysokou ekonomickou efektivitu.
• Skleněné kuličky. Dříve používané pro hluboké vrty, nyní téměř zcela nahrazeny levnějšími bauxity.

Kyselinové štěpení

Podstata kyselého hydraulického štěpení spočívá v tom, že v první fázi se uměle vytvoří lom (stejně jako u konvenční technologie hydraulického štěpení) a poté se do něj načerpá kyselina. Ten reaguje s horninou a vytváří dlouhé kanály, které zvyšují propustnost nádrže v zóně dna. V důsledku toho se zvyšuje faktor obnovy ropy z vrtu.

Tento typ procesu hydraulického štěpení je zvláště účinný pro karbonátové formace. Podle výzkumníků je více než 40 % světových zásob ropy spojeno s tímto typem nádrží. Technika a technologie hydraulického štěpení se v tomto případě mírně liší od výše popsaných. Zařízení je vyrobeno v kyselinovzdorném provedení. K ochraně strojů před korozí se používají také inhibitory (formalin, unikol, urotropin a další).

Typy kyselého štěpení jsou dvoustupňové ošetření za použití materiálů, jako jsou:

• polymerní sloučeniny (PAA, PVC, gipan aostatní);
• latexové sloučeniny (SKMS-30, ARC);
• styren;
• pryskyřice (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Jako kyselá rozpouštědla se používá 15% roztok kyseliny chlorovodíkové a také speciální kompozice (SNPKh-9010, SNPKh-9633 a další).

Typy kyselého štěpení jsou dvoustupňové ošetření za použití materiálů, jako jsou:

• polymerní sloučeniny (PAA, PVV, gipan a další);
• latexové sloučeniny (SKMS-30, ARC);
• styren;
• pryskyřice (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Jako kyselá rozpouštědla se používá 15% roztok kyseliny chlorovodíkové a také speciální kompozice (SNPKh-9010, SNPKh-9633 a další).