Хидравлично разбиване: видове, изчисление и технологичен процес

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Хидравличното разбиване (HF) е една от най-ефективните геоложки и технически мерки, чиято цел е да интензифицира притока на пластов флуид към производствените кладенци. Използването на тази технология позволява не само да се увеличи извличането на запаси в радиуса на дренаж на кладенеца, но и да се разшири тази площ, като се увеличи крайната нефтодобив на резервоара. Като се има предвид този фактор, проектирането на разработката на полето може да се извърши с подреждане на по-рядък модел на кладенец.

Кратко описание

Същността на хидравличното разбиване се описва чрез следния процес:

• резервоарът е подложен на прекомерно налягане (консумацията на технологична течност е много по-голяма, отколкото може да се абсорбира от скалите);
• налягането в ствола се увеличава, докато надвиши вътрешните напрежения в колектора;
• скалите се разкъсват в равнината с най-малка механична якост (най-често в наклонена посока или вертикално);
• отновообразуваните и старите пукнатини се увеличават, появява се връзката им с естествената система на порите;
• зона на повишена пропускливост в близост до кладенеца се увеличава;
• специални гранулирани пропанти (пропанти) се изпомпват в разширените пукнатини, за да ги фиксират в отворено състояние след отстраняване на натиска върху формацията;
• съпротивлението при движение на пластовия флуид става почти нулево, в резултат на което дебитът на кладенеца се увеличава няколко пъти.

Дължината на пукнатините в скалите може да бъде няколкостотин метра, а дъното на кладенеца се свързва с отдалечени зони на резервоара. Един от най-важните фактори за ефективността на това лечение е фиксирането на пукнатината, което позволява създаването на филтрационен канал. Въпреки това, производителността на кладенеца не може да се увеличава безкрайно с увеличаване на размера на пукнатината. Има максимална дължина, над която скоростта на потока не става по-интензивна.

Обхват на приложение

Тази технология се използва както за добив (подобрено извличане на нефт), така и за инжектиране (повишена инжекционност), хоризонтални и вертикални кладенци. Различават се следните области на приложение на хидравличното разбиване:

• интензификация на дебита на кладенци със замърсена дънна зона в резервоари с различна пропускливост;
• разработване на хетерогенни депозити;
• подобряване на хидродинамичната връзка на кладенеца с естествената система за разбиване в резервоара;
• разширяване на зоната за вливане на течност в резервоара;
• разработване на резервоари с ниска пропускливост икладенци с нисък марж;
• промяна на просмукващите потоци в инжекционните кладенци;
• възстановяване на параметри на кладенеца, които не се влияят от други методи.

Границите за технологията за хидравлично разбиване са газ-нафтови зони, които се характеризират със следните характеристики:

• бърз конус (издърпване на формационна вода до дъното на кладенеца);
• внезапни пробиви на вода или газ в сондажа;
• изчерпани резервоари с ниски запаси, наситени с масло лещи с малък обем (поради икономическа нерентабилност).

Най-често хидравличното разбиване се използва като метод за стимулиране за резервоари със средна и висока пропускливост. За тях основният фактор за увеличаване на притока на резервоарен флуид е дължината на образуваната пукнатина, а при находища с ниска скална пропускливост - нейната ширина.

Хидравлично разбиване: предимства и недостатъци

Предимствата на хидравличното разбиване са:

• приложимо за райони с разнообразна геоложка структура;
• въздействие както върху целия резервоар, така и върху неговия участък;
• ефективно намаляване на хидравличното съпротивление в долната зона;
• общение на лошо дренирани съседни зони;
• евтина работна течност (вода);
• висока рентабилност.

Недостатъците включват:

• нуждата от големи запаси от вода, пясък, допълнителни химикали;
• неконтролиран процес на създаване на пукнатина в скалата, непредсказуемост на механизманапукване;
• когато кладенци с високи дебити се пуснат в експлоатация след хидравлично разбиване, пропантът може да се изведе от пукнатини, което води до намаляване на степента на тяхното отваряне и намаляване на дебита през първите месеци след началото на операция;
• риск от неконтролирано изливане и замърсяване на околната среда.

Варианти на процеса

Методите за фрактуриране се различават по вида на образуването на фрактура, обема на инжектирания флуид и пропанти и други характеристики. Основните видове хидравлично разбиване включват следното:

• Според зоната на въздействие върху формацията: локална (дължина на счупването до 20 m) - най-разпространена; дълбоко проникване (дължина на счупването 80-120 m); масиран (1000 m и повече).
• По покритие на шева: единично (въздействие върху всички шевове и междинни слоеве); множество (за кладенци, които са отворили 2 или повече слоя); интервал (за конкретен резервоар).
• Специални методи: киселинно разбиване; TSO технология - образуване на къси пукнатини за предотвратяване на разпространението им до контакта вода-нефт и намаляване на обема на впръскване на пропант (този метод показва висока ефективност в пясъчни резервоари); импулс (създаване на няколко радиално разминаващи се пукнатини в скали със средна и висока пропускливост за намаляване на скин ефекта - влошаване на пропускливостта на порите поради тяхното замърсяване с частици, съдържащи се във филтриращата образуваща течност.

Множествопразнина

Множественото хидравлично разбиване се извършва по няколко метода:

1. Първо се създава пукнатина с помощта на конвенционална технология. След това временно се запушва чрез инжектиране на вещества (гранулиран нафталин, пластмасови топчета и други), които затварят перфорациите. След това хидравличното разбиване се извършва другаде.
2. Разделянето на зоните се извършва с помощта на пакери или хидравлични порти. За всеки от интервалите се извършва хидравлично разбиване по традиционната схема.
3. Поетапно хидравлично разбиване с изолиране на всяка подлежаща зона с пясъчна запушалка.

В глинените участъци най-ефективно е създаването на вертикални пукнатини, тъй като те свързват продуктивни нефтени и газови междинни слоеве. Такива фрактури се получават от действието на нефилтриращи течности или от бързо увеличаване на скоростта на инжектиране.

Подготовка за хидравлично разбиване

Технологията на хидравличния резервоар се състои от няколко етапа. Подготвителната работа е както следва:

1. Проучване на кладенеца за приток на пластов флуид, способността да абсорбира работния флуид и определяне на налягането, необходимо за хидравлично разбиване.
2. Почистване на дънната дупка от пясъчна или глинеста кора (измиване с вода под налягане, обработка със солна киселина, хидропясъкоструйна перфорация и други методи).
3. Проверка на кладенеца със специален шаблон.
4. Слизане в тръбите на сондажа за подаване на работния флуид.
5. Монтаж на пакер под налягане и хидравлични анкери за защита на корпуса.
6. Монтаж на кладенецоборудване (колектор, лубрикатор и други устройства) за свързване на помпени агрегати към инжекционни тръбопроводи и запечатване на кладенеца.

Основна диаграма на тръбопроводите на технологичното оборудване по време на хидравлично разбиване е показана на фигурата по-долу.

Последователност на фрактуриране

Техника и технология на хидравлично разбиване се състои от следните процедури:

1. Инжекционните тръби се доставят с работен флуид (най-често масло за производствен кладенец или вода за инжекционен кладенец).
2. Увеличете налягането на флуида за разбиване до максимална проектна стойност.
3. Проверете херметичността на пакера (не трябва да има преливане на течност от пръстена).
4. Пропантът се добавя към работния флуид след настъпване на хидравлично разбиване. Това се преценява по рязко увеличение на инжекционността на сондажа (спад на налягането в помпите).
5. Радиоактивните изотопи са включени в последната партида пропант за последваща проверка на зоната на загуба с помощта на ядрен каротаж.
6. Доставете течност за изстискване с най-високо налягане за надеждно закрепване на пукнатини.
7. Отстраняване на флуида за разбиване от дъното, за да се осигури притока на пластов флуид в сондажа.
8. Демонтирайте технологичното оборудване.
9. Складенецът се въвежда в експлоатация.

Ако кладенецът е сравнително плитък, тогава работният флуид може да се подава през обсадни тръби. Възможно е също така да се извърши хидравлично разбиване безпакер - през тръбни тръби и пръстен. Това намалява хидравличните загуби за силно вискозни течности.

Машини и механизми за хидравлично разбиване

Оборудването за хидравлично разбиване включва следните видове оборудване:

• Наземни машини и устройства: помпени агрегати (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 и други); Инсталации за смесване на пясък на автомобилни шасита (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong и други); автоцистерни за превоз на течности (ATsN-8S и 14S, ATK-8, Sanji, Xishi и други); тръбопроводи на главата на кладенеца (колектор, кладенец, спирателни вентили, разпределителни и напорни колектори с възвратни клапани, манометри и друго оборудване).
• Спомагателно оборудване: агрегати за операции по изключване; лебедки; станции за наблюдение и контрол; тръбни камиони и друго оборудване.
• Подземно оборудване: пакери за изолиране на формацията, в която се планира хидравлично разбиване, от друга част от производствената колона; котви за предотвратяване на повдигане на подземно оборудване поради високо налягане; тръбна струна.

Видът на оборудването и броят на оборудването се определят въз основа на проектните параметри на хидравличното разбиване.

Дизайн характеристики

Следните основни формули се използват за изчисляване на хидравлично разбиване:

1. BHP (MPa) за хидравлично разбиване с помощта на филтрирана течност: p=10^-2KL_c, където K е коефициент, избран от диапазона от стойности 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – дължина на кладенеца, m.}
2. Налягане на инжектиране на флуид с пясък (за подпора на счупване): p_p =p - ρgL_c + p_t, където ρ е плътността на пясъчната течност, кг/м³, g=9,8 m/s², p _t – загуба на налягане поради триене на течността, носеща пясък. Последният индикатор се определя по формулата: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – вътрешен диаметър на тръбата.
3. Брой помпени агрегати: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, където p_p е работното налягане на помпата, Q_p е нейното захранване при дадено налягане, K T- коефициент на техническото състояние на машината (избира се в рамките на 0,5-0,8).
4. Количество на изместваща течност: V=0, 785d_B²L_c.

Ако се осъществи хидравлично разбиване с пясък като пропант, тогава неговото количество за 1 операция се приема за 8-10 тона, а количеството течност се определя по формулата:

V=Q_sC_s, където Q_s е количеството пясък, t, C_s – концентрация на пясък в 1 m^{3 течност.}

Изчисляването на тези параметри е важно, тъй като при прекалено висока стойност на налягането по време на хидравлично разбиване, течността се изстисква в резервоара, възникват аварии впроизводствена колона. В противен случай, ако стойността е твърде ниска, хидравличното разбиване ще трябва да бъде спряно поради невъзможност да се достигне необходимото налягане.

Проектирането на фрактуриране се извършва по следния начин:

1. Избор на кладенци според съществуващата или планирана система за разработване на находище.
2. Определяне на най-добрата геометрия на пукнатината, като се вземат предвид няколко фактора: пропускливост на скалите, решетка на кладенеца, близост до контакт масло-вода.
3. Анализ на физико-механичните характеристики на скалите и избор на теоретичен модел за образуване на пукнатина.
4. Определяне на типа пропант, количество и концентрация.
5. Избор на флуид за разбиване с подходящи реологични свойства и изчисляване на неговия обем.
6. Изчисляване на други технологични параметри.
7. Определение за икономическа ефективност.

Frac Fluids

Работните течности (изместване, разбиване и пясъконосител) са един от най-важните елементи на хидравличното разбиване. Предимствата и недостатъците на различните им видове са свързани преди всичко с реологичните свойства. Ако преди се използваха само вискозни състави на маслена основа (за намаляване на абсорбцията им от резервоара), тогава увеличаването на мощността на помпените агрегати сега направи възможно преминаването към течности на водна основа с нисък вискозитет. Поради това, загубите на налягането и хидравличното съпротивление в тръбната колона са намалели.

В световната практика, следнотоосновни видове течности за хидравлично разбиване:

• Вода със и без пропанти. Предимството му е ниската цена. Недостатъкът е ниската дълбочина на проникване в резервоара.
• Полимерни разтвори (гуар и неговите производни PPG, CMHPG; целулозен хидроксиетилов етер, карбоксиметил целулоза, ксантанова гума). B, Cr, Ti, Zr и други метали се използват за омрежване на молекули. По отношение на цената, полимерите принадлежат към средната категория. Недостатъкът на такива течности е високият риск от негативни промени в резервоара. Предимствата включват по-голяма дълбочина на проникване.
• Емулсии, състоящи се от въглеводородна фаза (дизелово гориво, масло, газов кондензат) и вода (минерализирана или прясна).
• Въглеводородни гелове.
• Метанол.
• Уплътнен въглероден диоксид.
• Системи от пяна.
• Пяна гелове, състоящи се от омрежени гелове, пяна с азот или въглероден диоксид. Те имат висока цена, но не влияят на качеството на колектора. Други предимства са висок капацитет на пропант и саморазрушаване с малко остатъчна течност.

За подобряване на функциите на тези съединения се използват различни технологични добавки:

• повърхностноактивни вещества;
• емулгатори;
• флуидни съединения за намаляване на триенето;
• пенообразуватели;
• добавки, които променят киселинността;
• термични стабилизатори;
• бактерицидни и антикорозионни добавки и други.

Основните характеристики на флуидите за хидравлично разбиване включват:

• необходим е динамичен вискозитет за отваряне на пукнатина;
• свойства на инфилтрация, които определят загубата на течност;
• способност за пренасяне на пропант без той преждевременно да се утаи от разтвора;
• стабилност на срязване и температура;
• съвместимост с други реагенти;
• корозионна активност;
• зелено и безопасно.

Флуидите с нисък вискозитет изискват инжектиране на по-голям обем, за да се постигне необходимото налягане в резервоара, а течностите с висок вискозитет изискват по-голямо налягане, развивано от помпено оборудване, тъй като възникват значителни загуби в хидравличното съпротивление. По-вискозните течности също се характеризират с по-ниска филтрируемост в скалите.

Подпорни материали

Най-често използваните пропанти или пропанти са:

• Кварцов пясък. Един от най-разпространените естествени материали и поради това цената му е ниска. Фиксира пукнатини в различни геоложки условия (универсално). Размерът на пясъчните зърна за хидравлично разбиване е избран 0,5-1 мм. Концентрацията в пясъчния носещ флуид варира между 100-600 kg/m3. В скалите, характеризиращи се със силно раздробяване, разходът на материал може да достигне няколко десетки тона на 1 кладенец.
• Боксити (алуминиев оксид Al₂O_{3). Предимството на този тип пропант е по-голямата му якост в сравнение с пясъка. Произведен оттрошене и печене на бокситна руда.}
• Циркониев оксид. Той има свойства, подобни на предишния тип пропант. Широко използван в Европа. Често срещан недостатък на такива материали е тяхната висока цена.
• Керамични гранули. За хидравлично разбиване се използват гранули с размери от 0,425 до 1,7 mm. Принадлежат към пропанти със средна сила. Покажете висока икономическа ефективност.
• Стъклени топчета. Използван преди за дълбоки кладенци, сега почти напълно заменен от по-евтини боксити.

Киселинно фрактуриране

Същността на киселинното хидравлично разбиване е, че на първия етап изкуствено се създава пукнатина (точно както при конвенционалната технология за хидравлично разбиване), а след това в нея се изпомпва киселина. Последният реагира със скалата, създавайки дълги канали, които увеличават пропускливостта на резервоара в зоната на дъното. В резултат на това коефициентът на добив на нефт от кладенеца се увеличава.

Този тип процес на хидравлично разбиване е особено ефективен за карбонатни образувания. Според изследователи повече от 40% от световните нефтени запаси са свързани с този тип резервоар. Техниката и технологията на хидравличното разбиване в този случай се различават малко от описаните по-горе. Оборудването е произведено в киселинноустойчив дизайн. Инхибитори (формалин, уникол, уротропин и други) също се използват за защита на машините от корозия.

Видове киселинно фрактуриране са двуетапни обработки, използващи материали като:

• полимерни съединения (PAA, PVC, gipan идруги);
• латексни съединения (SKMS-30, ARC);
• стирол;
• смоли (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Като киселинни разтворители се използва 15% разтвор на солна киселина, както и специални състави (SNPKh-9010, SNPKh-9633 и други).

Видове киселинно фрактуриране са двуетапни обработки, използващи материали като:

• полимерни съединения (PAA, PVV, gipan и други);
• латексни съединения (SKMS-30, ARC);
• стирол;
• смоли (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Като киселинни разтворители се използва 15% разтвор на солна киселина, както и специални състави (SNPKh-9010, SNPKh-9633 и други).