Hydraulic Fracturing: Arten, Berechnung und technologischer Prozess

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Hydraulic Fracturing (HF) ist eine der effektivsten geologischen und technischen Maßnahmen, deren Zweck es ist, den Fluss von Formationsflüssigkeit zu Förderbohrungen zu intensivieren. Der Einsatz dieser Technologie ermöglicht es nicht nur, die Gewinnung von Reserven innerhalb des Entwässerungsradius des Bohrlochs zu erhöhen, sondern auch diesen Bereich zu erweitern, wodurch die endgültige Ölförderung der Lagerstätte erhöht wird. Unter Berücksichtigung dieses Faktors kann das Feldentwicklungsdesign mit der Anordnung eines spärlicheren Bohrlochmusters durchgeführt werden.

Kurzbeschreibung

Das Wesen des Hydraulic Fracturing wird durch den folgenden Prozess beschrieben:

• Reservoir wird zu hohem Druck ausgesetzt (Verbrauch der Prozessflüssigkeit ist viel größer als sie von Gestein aufgenommen werden kann);
• Bohrlochdruck steigt, bis er die inneren Spannungen im Verteiler übersteigt;
• Steine werden in der Ebene der geringsten mechanischen Festigkeit zerrissen (meistens in schräger Richtung oder vertikal);
• wiedergebildet und alte Risse nehmen zu, ihre Verbindung mit dem natürlichen Porensystem tritt hervor;
• eine Zone mit erhöhter Durchlässigkeit in der Nähe des Brunnens nimmt zu;
• spezielle körnige Stützmittel (Proppants) werden in die erweiterten Brüche gepumpt, um sie im offenen Zustand zu fixieren, nachdem der Druck auf die Formation entfernt wurde;
• Widerstand gegen die Bewegung des Formationsfluids wird fast null, als Ergebnis erhöht sich die Bohrlochdurchflussrate um ein Vielfaches.

Die Länge der Brüche in den Felsen kann mehrere hundert Meter betragen, und der Boden des Bohrlochs wird mit abgelegenen Bereichen des Reservoirs verbunden. Einer der wichtigsten Faktoren für die Wirksamkeit dieser Behandlung ist die Fixierung des Risses, wodurch ein Filterkanal geschaffen werden kann. Die Bohrlochproduktivität kann jedoch nicht unbegrenzt steigen, wenn die Bruchgröße zunimmt. Es gibt eine maximale Länge, oberhalb der die Strömungsgeschwindigkeit nicht intensiver wird.

Geltungsbereich

Diese Technologie wird sowohl für die Produktion (verbesserte Ölförderung) als auch für die Injektion (erhöhte Injektivität), horizontale und vertikale Bohrungen verwendet. Folgende Anwendungsgebiete des Hydraulic Fracturing werden unterschieden:

• Intensivierung der Förderrate von Bohrungen mit kontaminierter Sohlenzone in Lagerstätten mit unterschiedlicher Durchlässigkeit;
• Erschließung heterogener Lagerstätten;
• Verbesserung der hydrodynamischen Anbindung des Brunnens an das natürliche Kluftsystem im Reservoir;
• Erweiterung der Flüssigkeitszuflusszone des Reservoirs;
• Entwicklung von Stauseen mit geringer Durchlässigkeit undBohrlöcher mit geringer Marge;
• Änderung der Sickerströme in Schluckbrunnen;
• Wiederherstellung von Brunnenparametern, die durch andere Methoden nicht beeinflusst werden.

Die Grenzen der Hydraulic Fracturing Technologie sind Gasölzonen, die sich durch folgende Merkmale auszeichnen:

• fast coning (Ziehen von Formationswasser auf den Boden des Brunnens);
• plötzlicher Durchbruch von Wasser oder Gas in das Bohrloch;
• erschöpfte Lagerstätten mit geringen Reserven, ölgetränkte Linsen mit geringem Volumen (wegen wirtschaftlicher Unrentabilität).

Am häufigsten wird Hydraulic Fracturing als Stimulationsmethode für Lagerstätten mit mittlerer und hoher Permeabilität verwendet. Für sie ist der Hauptfaktor für die Erhöhung des Zuflusses von Lagerstättenflüssigkeit die Länge des gebildeten Bruchs und bei Lagerstätten mit geringer Gesteinsdurchlässigkeit seine Breite.

Hydraulic Fracturing: Vor- und Nachteile

Die Vorteile von Hydraulic Fracturing sind:

• anwendbar auf Gebiete mit unterschiedlicher geologischer Struktur;
• Auswirkung sowohl auf den gesamten Stausee als auch auf seinen Abschnitt;
• effektive Reduzierung des hydraulischen Widerstandes in der Sohlenzone;
• Zusammenschluss schlecht entwässerter angrenzender Gebiete;
• billiges Arbeitsmittel (Wasser);
• hohe Rentabilität.

Nachteile sind:

• der Bedarf an großen Vorräten an Wasser, Sand und zusätzlichen Chemikalien;
• unkontrollierter Prozess der Erzeugung eines Risses im Felsen, Unvorhersehbarkeit des MechanismusKnacken;
• wenn Bohrlöcher mit hohen Durchflussraten nach dem hydraulischen Brechen in Betrieb genommen werden, kann Stützmittel aus Brüchen ausgetragen werden, was zu einer Verringerung des Öffnungsgrades und einer Verringerung der Durchflussrate in den ersten Monaten nach dem Start führt Betrieb;
• Gefahr des unkontrollierten Ausspritzens und der Umweltverschmutzung.

Prozessvariationen

Bruchmethoden unterscheiden sich in der Art der Bruchbildung, dem Volumen der injizierten Flüssigkeit und Stützmittel und anderen Merkmalen. Zu den Hauptarten des Hydraulic Fracturing gehören:

• Nach dem Einflussbereich auf die Formation: lokal (Bruchlänge bis zu 20 m) - am weitesten verbreitet; tief eindringend (Bruchlänge 80-120 m); massiert (1000 m und mehr).
• Nach Nahtabdeckung: einzeln (Wirkung auf alle Nähte und Zwischenlagen); mehrfach (für Brunnen, die 2 oder mehr Schichten geöffnet haben); Intervall (für ein bestimmtes Reservoir).
• Spezielle Methoden: Acid Fracturing; TSO-Technologie – Bildung von kurzen Brüchen, um ihre Ausbreitung zum Wasser-Öl-Kontakt zu verhindern und das Volumen der Stützmittelinjektion zu reduzieren (diese Methode zeigt eine hohe Effizienz in sandigen Lagerstätten); Impuls (Schaffung mehrerer radial divergierender Brüche in Gesteinen mit mittlerer und hoher Permeabilität, um den Skin-Effekt zu verringern - die Verschlechterung der Porendurchlässigkeit aufgrund ihrer Kontamination mit Partikeln, die in der filternden Formationsflüssigkeit enth alten sind.

MehrereLücke

Multiple Hydraulic Fracturing wird mit verschiedenen Methoden durchgeführt:

1. Zunächst wird mit herkömmlicher Technik ein Riss erzeugt. Dann wird es vorübergehend verstopft, indem Substanzen (granuliertes Naphthalin, Plastikkugeln und andere) injiziert werden, die die Perforationen schließen. Danach wird das hydraulische Brechen an anderer Stelle durchgeführt.
2. Die Zonentrennung erfolgt mit Packern oder hydraulischen Toren. Für jedes der Intervalle wird das hydraulische Fracking nach dem traditionellen Schema durchgeführt.
3. Phasenweises hydraulisches Fracking mit Isolierung jeder darunter liegenden Zone mit einem Sandpfropfen.

In Tonabschnitten ist die Schaffung vertikaler Brüche am effektivsten, da sie produktive Öl- und Gaszwischenschichten verbinden. Solche Frakturen entstehen durch die Einwirkung nicht filtrierbarer Flüssigkeiten oder durch eine schnelle Erhöhung der Injektionsrate.

Vorbereitung zum hydraulischen Brechen

Hydraulikspeichertechnik besteht aus mehreren Stufen. Die Vorarbeiten sehen wie folgt aus:

1. Untersuchung des Bohrlochs für den Zufluss von Formationsflüssigkeit, die Fähigkeit, die Arbeitsflüssigkeit aufzunehmen und den für das hydraulische Brechen erforderlichen Druck zu bestimmen.
2. Säubern des Bohrlochs von Sand- oder Tonkrusten (Waschen mit Wasser unter Druck, Behandlung mit Salzsäure, Hydro-Sandstrahlen, Perforation und andere Methoden).
3. Prüfung des Brunnens mit einer speziellen Schablone.
4. Abstieg in die Bohrlochrohre, um die Arbeitsflüssigkeit zuzuführen.
5. Einbau von Druckpackern und hydraulischen Ankern zum Schutz der Verrohrung.
6. Installation des BohrlochkopfesAusrüstung (Verteiler, Öler und andere Geräte) zum Anschließen von Pumpeinheiten an Injektionsleitungen und zum Abdichten des Bohrlochs.

Das prinzipielle Diagramm der Rohrleitungen der Prozessausrüstung während des hydraulischen Brechens ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Fraktursequenz

Technik und Technologie des hydraulischen Brechens besteht aus den folgenden Verfahren:

1. Die Injektionsrohre werden mit einer Arbeitsflüssigkeit versorgt (meistens Öl für eine Produktionsbohrung oder Wasser für eine Injektionsbohrung).
2. Fracking-Fluiddruck auf den maximalen Auslegungswert erhöhen.
3. Überprüfen Sie die Dichtheit des Packers (es darf keine Flüssigkeit aus dem Ringraum überlaufen).
4. Stützmittel wird der Arbeitsflüssigkeit zugesetzt, nachdem hydraulisches Brechen auftritt. Dies wird durch einen starken Anstieg der Brunneninjektivität (Druckabfall in den Pumpen) beurteilt.
5. Radioaktive Isotope sind in der letzten Stützmittelcharge enth alten, um die Verlustzone anschließend durch Nuklearprotokollierung zu überprüfen.
6. Liefern Sie Quetschflüssigkeit mit dem höchsten Druck für eine zuverlässige Rissunterstützung.
7. Entfernen der Fracturing-Flüssigkeit vom Boden, um den Zufluss von Formationsflüssigkeit in das Bohrloch sicherzustellen.
8. Prozessausrüstung demontieren.
9. Der Brunnen wird in Betrieb genommen.

Wenn das Bohrloch relativ flach ist, darf das Arbeitsfluid durch Mantelrohre zugeführt werden. Es ist auch möglich, Hydraulic Fracturing ohne durchzuführenPacker - durch Rohrleitungen und Ringraum. Dadurch werden hydraulische Verluste bei hochviskosen Flüssigkeiten reduziert.

Maschinen und Mechanismen zum hydraulischen Brechen

Hydraulikbruchgeräte umfassen die folgenden Arten von Geräten:

• Bodenmaschinen und -geräte: Pumpeinheiten (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 und andere); Sandmischanlagen auf Autochassis (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong und andere); Tankwagen für den Transport von Flüssigkeiten (ATsN-8S und 14S, ATK-8, Sanji, Xishi und andere); Bohrlochkopfverrohrung (Verteiler, Bohrlochkopf, Absperrventile, Verteilungs- und Druckverteiler mit Rückschlagventilen, Manometern und anderen Geräten).
• Hilfsgeräte: Aggregate für Auslösevorgänge; Winden; Überwachungs- und Kontrollstationen; Rohrwagen und andere Ausrüstung.
• Untertageausrüstung: Packer, um die Formation, in der hydraulische Frakturierung geplant ist, von einem anderen Teil des Produktionsstrangs zu isolieren; Anker, um ein Anheben von unterirdischen Geräten aufgrund von hohem Druck zu verhindern; Schlauchstrang.

Die Art der Ausrüstung und die Anzahl der Ausrüstungsteile werden basierend auf den Auslegungsparametern des hydraulischen Brechens bestimmt.

Konstruktionsmerkmale

Folgende Grundformeln werden zur Berechnung von Hydraulic Fracturing verwendet:

1. BHP (MPa) für Hydraulic Fracturing mit einer gefilterten Flüssigkeit: p=10^-2KL_c, wobei K ein aus dem Wertebereich 1, 5-1, 8 MPa/m, L ausgewählter Koeffizient ist _{c – Brunnenlänge, m.}
2. Injektionsdruck von Flüssigkeit mit Sand (für Bruchsicherung): p_p =p - ρgL_c + p_t, wobei ρ die Dichte der Sandträgerflüssigkeit ist, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – Druckverlust durch Reibung der sandführenden Flüssigkeit. Der letzte Indikator wird durch die Formel bestimmt: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – Schlauchinnendurchmesser.
3. Anzahl Pumpwerke: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, wobei p_p der Betriebsdruck der Pumpe ist, Q_p ihre Zufuhr bei einem gegebenen Druck, K T- Koeffizient des technischen Zustands der Maschine (ausgewählt zwischen 0,5 und 0,8).
4. Menge der Verdrängungsflüssigkeit: V=0, 785d_B²L_c.

Falls hydraulische Frakturierung unter Verwendung von Sand als Stützmittel auftritt, wird angenommen, dass seine Menge pro Vorgang 8-10 Tonnen beträgt, und die Flüssigkeitsmenge wird durch die Formel bestimmt:

V=Q_sCs_{, wobei Q}s _{die Sandmenge ist, t, C}s _{– Sandkonzentration in 1 m}3 ^{Flüssigkeit.}

Die Berechnung dieser Parameter ist wichtig, da bei einem zu hohen Druckwert beim Hydraulic Fracturing Flüssigkeit in die Lagerstätte gedrückt wird, in der es zu Unfällen kommtProduktionssäule. Andernfalls, wenn der Wert zu niedrig ist, muss das hydraulische Brechen gestoppt werden, da der erforderliche Druck nicht erreicht werden kann.

Fracking-Design wird wie folgt durchgeführt:

1. Auswahl der Bohrungen nach bestehendem oder geplantem Feldentwicklungssystem.
2. Bestimmung der besten Bruchgeometrie unter Berücksichtigung mehrerer Faktoren: Gesteinsdurchlässigkeit, Bohrlochgitter, Nähe zum Öl-Wasser-Kontakt.
3. Analyse der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Gesteinen und Auswahl eines theoretischen Modells für die Rissbildung.
4. Bestimmung von Proppant-Typ, -Menge und -Konzentration.
5. Auswahl einer Fracturing-Flüssigkeit mit geeigneten rheologischen Eigenschaften und Berechnung ihres Volumens.
6. Berechnung anderer technologischer Parameter.
7. Definition der Wirtschaftlichkeit.

Frac-Flüssigkeiten

Arbeitsflüssigkeiten (Verdrängung, Frakturierung und Sandtransport) sind eines der wichtigsten Elemente des hydraulischen Frackings. Die Vor- und Nachteile ihrer verschiedenen Typen hängen hauptsächlich mit den rheologischen Eigenschaften zusammen. Wurden früher nur zähflüssige Zusammensetzungen auf Ölbasis verwendet (um deren Aufnahme durch die Lagerstätte zu verringern), so ermöglicht eine Leistungssteigerung der Pumpaggregate nun den Umstieg auf wasserbasierte Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität. Dadurch haben sich der Bohrlochdruck und die hydraulischen Widerstandsverluste im Rohrstrang verringert.

In der Weltpraxis folgendesHauptarten von hydraulischen Fracking-Flüssigkeiten:

• Wasser mit und ohne Stützmittel. Sein Vorteil sind niedrige Kosten. Der Nachteil ist die geringe Eindringtiefe in das Reservoir.
• Polymerlösungen (Guar und seine Derivate PPG, CMHPG; Cellulosehydroxyethylether, Carboxymethylcellulose, Xanthangummi). B, Cr, Ti, Zr und andere Metalle werden zum Vernetzen von Molekülen verwendet. Polymere gehören preislich in die Mittelklasse. Der Nachteil solcher Flüssigkeiten ist das hohe Risiko negativer Veränderungen im Reservoir. Zu den Vorteilen gehört eine größere Eindringtiefe.
• Emulsionen bestehend aus einer Kohlenwasserstoffphase (Dieselkraftstoff, Öl, Gaskondensat) und Wasser (mineralisiert oder frisch).
• Kohlenwasserstoffgele.
• Methanol.
• Verdicktes Kohlendioxid.
• Schaumsysteme.
• Schaumgele, bestehend aus vernetzten Gelen, Stickstoff- oder Kohlendioxidschäumen. Sie haben hohe Kosten, beeinträchtigen jedoch nicht die Qualität des Kollektors. Weitere Vorteile sind eine hohe Stützmitteltragfähigkeit und Selbstzerstörung mit geringer Restflüssigkeit.

Um die Funktionen dieser Verbindungen zu verbessern, werden verschiedene technologische Zusatzstoffe verwendet:

• Tenside;
• Emulgatoren;
• Flüssigkeitsreduzierende Gelenke;
• Schäumer;
• Zusätze, die den Säuregeh alt verändern;
• thermische Stabilisatoren;
• bakterizide und antikorrosive Zusätze und andere.

Zu den Hauptmerkmalen von hydraulischen Fracking-Flüssigkeiten gehören:

• dynamische Viskosität erforderlich, um einen Riss zu öffnen;
• Infiltrationseigenschaften, die den Flüssigkeitsverlust bestimmen;
• Fähigkeit, Stützmittel zu tragen, ohne dass es sich vorzeitig aus der Lösung absetzt;
• Scher- und Temperaturstabilität;
• Verträglichkeit mit anderen Reagenzien;
• Ätzwirkung;
• grün und sicher.

Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität erfordern die Einspritzung eines größeren Volumens, um den erforderlichen Druck im Reservoir zu erreichen, und Flüssigkeiten mit hoher Viskosität erfordern mehr Druck, der von der Pumpausrüstung entwickelt wird, da erhebliche Verluste im hydraulischen Widerstand auftreten. Viskosere Flüssigkeiten zeichnen sich auch durch eine geringere Filtrierbarkeit in Gesteinen aus.

Stützmaterialien

Die am häufigsten verwendeten Proppants oder Proppants sind:

• Quarzsand. Eines der häufigsten natürlichen Materialien, daher sind seine Kosten gering. Behebt Risse in verschiedenen geologischen Bedingungen (universal). Die Größe der Sandkörner für das hydraulische Brechen wird mit 0,5–1 mm gewählt. Die Konzentration in der Sandträgerflüssigkeit variiert zwischen 100-600 kg/m3. In Gesteinen, die durch starke Brüche gekennzeichnet sind, kann der Materialverbrauch mehrere zehn Tonnen pro Bohrloch erreichen.
• Bauxite (Aluminiumoxid Al₂O_{3). Der Vorteil dieser Art von Proppant ist die größere Festigkeit im Vergleich zu Sand. Hergestellt vonBrechen und Rösten von Bauxiterz.}
• Zirkonoxid. Es hat ähnliche Eigenschaften wie die vorherige Art von Stützmittel. Weit verbreitet in Europa. Ein allgemeiner Nachteil solcher Materialien sind ihre hohen Kosten.
• Keramikgranulat. Beim Hydraulic Fracturing werden Granulate mit einer Größe von 0,425 bis 1,7 mm verwendet. Sie gehören zu den mittelstarken Proppants. Hohe Wirtschaftlichkeit zeigen.
• Glasmurmeln. Früher für Tiefbrunnen verwendet, jetzt fast vollständig durch billigere Bauxite ersetzt.

Säurebruch

Das Wesentliche beim sauren hydraulischen Fracking ist, dass in der ersten Stufe ein Riss künstlich erzeugt wird (genau wie bei der herkömmlichen hydraulischen Fracking-Technologie) und dann Säure hineingepumpt wird. Letzteres reagiert mit dem Gestein, wodurch lange Kanäle entstehen, die die Durchlässigkeit des Reservoirs in der Sohlenzone erhöhen. Dadurch erhöht sich der Ölrückgewinnungsfaktor aus der Quelle.

Diese Art des hydraulischen Fracking-Prozesses ist besonders effektiv für Karbonatformationen. Laut Forschern sind mehr als 40 % der weltweiten Ölreserven mit dieser Art von Lagerstätten verbunden. Die Technik und Technologie des hydraulischen Brechens unterscheidet sich in diesem Fall leicht von den oben beschriebenen. Das Gerät ist in säurefester Ausführung gefertigt. Inhibitoren (Formalin, Unikol, Urotropin und andere) werden auch verwendet, um Maschinen vor Korrosion zu schützen.

Arten des Säurebruchs sind zweistufige Behandlungen mit Materialien wie:

• Polymerverbindungen (PAA, PVC, Gipan uandere);
• Latexverbindungen (SKMS-30, ARC);
• Styrol;
• Harze (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Als saure Lösungsmittel wird eine 15%ige Salzsäurelösung sowie spezielle Zusammensetzungen (SNPKh-9010, SNPKh-9633 und andere) verwendet.

Arten des Säurebruchs sind zweistufige Behandlungen mit Materialien wie:

• Polymerverbindungen (PAA, PVV, Gipan und andere);
• Latexverbindungen (SKMS-30, ARC);
• Styrol;
• Harze (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Als saure Lösungsmittel wird eine 15%ige Salzsäurelösung sowie spezielle Zusammensetzungen (SNPKh-9010, SNPKh-9633 und andere) verwendet.