Fracturació hidràulica: tipus, càlcul i procés tecnològic

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2024-01-02 13:51

La fracturació hidràulica (HF) és una de les mesures geològiques i tècniques més efectives, la finalitat de la qual és intensificar el flux de fluid de formació als pous de producció. L'ús d'aquesta tecnologia permet no només augmentar la recuperació de reserves dins del radi de drenatge del pou, sinó també ampliar aquesta zona, augmentant la recuperació definitiva de petroli de l'embassament. Tenint en compte aquest factor, el disseny del desenvolupament del camp es pot dur a terme amb la disposició d'un patró de pou més dispers.

Descripció breu

L'essència de la fracturació hidràulica es descriu amb el procés següent:

• el dipòsit està sotmès a una pressió excessiva (el consum de fluid de procés és molt més gran del que pot ser absorbit per les roques);
• la pressió de fons del forat augmenta fins que supera les tensions internes al col·lector;
• les roques es trenquen en el pla de menor resistència mecànica (la majoria de vegades en direcció obliqua o vertical);
• de noues formen i augmenten les esquerdes velles, apareix la seva connexió amb el sistema de porus natural;
• una zona de permeabilitat augmentada prop del pou augmenta;
• Els puntals granulars especials (apuntals) es bombegen a les fractures expandides per fixar-les en estat obert després d'eliminar la pressió sobre la formació;
• la resistència al moviment del fluid de formació es torna gairebé nul·la, com a resultat, el cabal del pou augmenta diverses vegades.

La longitud de les fractures a les roques pot ser de diversos centenars de metres i el fons del pou es connecta amb zones remotes de l'embassament. Un dels factors més importants en l'eficàcia d'aquest tractament és la fixació de l'esquerda, que permet crear un canal de filtració. Tanmateix, la productivitat del pou no pot augmentar indefinidament a mesura que augmenta la mida de la fractura. Hi ha una longitud màxima, per sobre de la qual el cabal no es fa més intens.

Àmbit d'aplicació

Aquesta tecnologia s'utilitza tant per a la producció (recuperació millorada del petroli) com per a la injecció (augment de la injectivitat), pous horitzontals i verticals. Es distingeixen les següents àrees d'aplicació de la fracturació hidràulica:

• intensificació del ritme de producció de pous amb zona de fons contaminada en embassaments amb diferent permeabilitat;
• desenvolupament de jaciments heterogenis;
• millorar la connexió hidrodinàmica del pou amb el sistema de fractura natural de l'embassament;
• expansió de la zona d'entrada de fluid del dipòsit;
• desenvolupament d'embassaments amb baixa permeabilitat ipous de baix marge;
• canvi en els fluxos de filtració als pous d'injecció;
• restauració de paràmetres de pou que no es veuen afectats per altres mètodes.

Els límits de la tecnologia de fracturació hidràulica són les zones de gasoil, que es caracteritzen per les característiques següents:

• coning ràpid (estirant aigua de formació al fons del pou);
• avenços sobtats d'aigua o gas al pou;
• dipòsits esgotats amb reserves baixes, lents saturats d'oli de petit volum (a causa de la manca de rendibilitat econòmica).

La fractura hidràulica s'utilitza més sovint com a mètode d'estimulació per a dipòsits de permeabilitat mitjana i alta. Per a ells, el principal factor a l'hora d'augmentar l'entrada de fluid del dipòsit és la longitud de la fractura formada, i en els dipòsits amb baixa permeabilitat de la roca, la seva amplada.

Fracturació hidràulica: avantatges i desavantatges

Els avantatges de la fracturació hidràulica són:

• aplicable a zones amb estructura geològica diversa;
• impacte tant a tot l'embassament com a la seva secció;
• reducció efectiva de la resistència hidràulica a la zona del fons del forat;
• comunió de zones adjacents mal drenades;
• fluid de treball barat (aigua);
• alta rendibilitat.

Els desavantatges inclouen:

• la necessitat de grans subministraments d'aigua, sorra i productes químics addicionals;
• procés incontrolat de creació d'una esquerda a la roca, impredictibilitat del mecanismetrencament;
• quan els pous amb cabals elevats es posen en funcionament després de la fractura hidràulica, es pot dur a terme el puntal de les fractures, el que resulta en una disminució del grau d'obertura i una disminució del cabal en els primers mesos després de l'inici. d'operació;
• risc de vessament incontrolat i contaminació ambiental.

Variacions del procés

Els mètodes de fracturació es diferencien pel tipus de formació de fractura, el volum de fluid i de suports injectats i altres característiques. Els principals tipus de fracturació hidràulica inclouen els següents:

• Segons l'àrea d'impacte a la formació: local (longitud de la fractura de fins a 20 m) - la més estesa; penetració profunda (longitud de la fractura 80-120 m); massificat (1.000 m i més).
• Per cobertura de costura: únic (impacte en totes les costures i capes intercalades); múltiples (per als pous que han obert 2 o més capes); interval (per a un dipòsit específic).
• Mètodes especials: fracturació àcida; Tecnologia TSO: formació de fractures curtes per evitar la seva propagació al contacte aigua-oli i reduir el volum d'injecció de suport (aquest mètode mostra una alta eficiència en dipòsits sorrencs); impuls (creació de diverses fractures radialment divergents en roques de permeabilitat mitjana i alta per reduir l'efecte pell - el deteriorament de la permeabilitat dels porus a causa de la seva contaminació amb partícules contingudes en el fluid de formació filtrant.).

Múltiplegap

La fracturació hidràulica múltiple es realitza mitjançant diversos mètodes:

1. Primer, es crea un crack amb tecnologia convencional. Després s'obstrueix temporalment injectant substàncies (naftalè granular, boles de plàstic, i altres) que tanquen les perforacions. Després d'això, la fractura hidràulica es fa en un altre lloc.
2. La separació de zones es realitza mitjançant packers o portes hidràuliques. Per a cadascun dels intervals, la fracturació hidràulica es realitza segons l'esquema tradicional.
3. Fracturació hidràulica en fases amb aïllament de cada zona subjacent amb un tap de sorra.

En els trams d'argila, el més efectiu és la creació de fractures verticals, ja que connecten capes productives de petroli i gas. Aquestes fractures es produeixen per l'acció de fluids no filtrables o per un ràpid augment de la velocitat d'injecció.

Preparació per a la fracturació hidràulica

La tecnologia de dipòsits hidràulics consta de diverses etapes. El treball preparatori és el següent:

1. Estudi del pou per a l'entrada del fluid de formació, la capacitat d'absorbir el fluid de treball i determinar la pressió necessària per a la fracturació hidràulica.
2. Neteja del fons del forat de sorra o escorça d'argila (rentat amb aigua a pressió, tractament amb àcid clorhídric, perforació amb hidrosorra i altres mètodes).
3. Comprovació del pou amb una plantilla especial.
4. Descens a les canonades del pou per subministrar el fluid de treball.
5. Instal·lació d'envasadora a pressió i ancoratges hidràulics per protegir la carcassa.
6. Instal·lació del cap de pouequips (colector, lubricador i altres dispositius) per connectar unitats de bombeig a canonades d'injecció i segellar el pou.

El diagrama principal de les canonades de l'equip de procés durant la fracturació hidràulica es mostra a la figura següent.

Seqüència de fractura

La tècnica i tecnologia de fracturació hidràulica consisteix en els procediments següents:

1. Les canonades d'injecció es subministren amb un fluid de treball (la majoria de les vegades oli per a un pou de producció o aigua per a un pou d'injecció).
2. Augmentar la pressió del fluid de fractura fins al valor màxim de disseny.
3. Comproveu l'estanquitat de l'empaquetador (no hi hauria d'haver cap desbordament de líquid de l'anell).
4. El propant s'afegeix al fluid de treball després que es produeixi una fractura hidràulica. Això es jutja per un fort augment de la injectivitat del pou (caiguda de pressió a les bombes).
5. Els isòtops radioactius s'inclouen a l'últim lot de suport per a la verificació posterior de la zona de pèrdua mitjançant el registre nuclear.
6. Subministreu el fluid de pressió més alta per a un recolzament fiable de les esquerdes.
7. Retirada del fluid de fractura de la part inferior per assegurar l'entrada de fluid de formació al pou.
8. Desmuntar l'equip de procés.
9. El pou s'està posant en funcionament.

Si el pou és relativament poc profund, es pot subministrar el fluid de treball a través de canonades de tub. També és possible realitzar fracturació hidràulica senseempacador - a través de canonades i anell. Això redueix les pèrdues hidràuliques per a fluids altament viscosos.

Màquines i mecanismes de fracturació hidràulica

L'equip de fracturació hidràulica inclou els tipus d'equip següents:

• Màquines i dispositius de terra: unitats de bombeig (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 i altres); plantes de mescla de sorra en xassís de cotxes (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong i altres); camions cisterna per al transport de líquids (ATsN-8S i 14S, ATK-8, Sanji, Xishi i altres); canonades del cap de pou (colector, cap de pou, vàlvules de tancament, col·lectors de distribució i pressió amb vàlvules de retenció, manòmetres i altres equips).
• Equipaments auxiliars: àrids per a operacions d'engegada; cabrestants; estacions de seguiment i control; camions de canonades i altres equips.
• Equipaments soterrats: empaquetadores per aïllar la formació en què es preveu la fracturació hidràulica d'una altra part de la cadena de producció; ancoratges per evitar l'aixecament d'equips subterranis per alta pressió; corda de tubs.

El tipus d'equip i el nombre d'equips es determinen en funció dels paràmetres de disseny de la fracturació hidràulica.

Característiques del disseny

Les fórmules bàsiques següents s'utilitzen per calcular la fracturació hidràulica:

1. BHP (MPa) per a la fracturació hidràulica mitjançant un fluid filtrat: p=10^-2KL_c, on K és un coeficient seleccionat entre el rang de valors 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – llargada del pou, m.}
2. Pressió d'injecció de fluid amb sorra (per apuntalar fractures): p_p =p - ρgL_c + p_t, on ρ és la densitat del líquid portador de sorra, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – pèrdua de pressió a causa de la fricció del fluid que transporta la sorra. L'últim indicador ve determinat per la fórmula: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B: diàmetre interior del tub.
3. Nombre d'unitats de bombeig: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, on p_p és la pressió de funcionament de la bomba, Q_p és el seu subministrament a una pressió determinada, K T- coeficient de l'estat tècnic de la màquina (seleccionat entre 0,5 i 0,8).
4. Quantitat de fluid de desplaçament: V=0, 785d_B²L_c.

Si es produeix una fractura hidràulica utilitzant sorra com a suport, se suposa que la seva quantitat per 1 operació és de 8-10 tones i la quantitat de fluid es determina amb la fórmula:

V=Q_sC_s, on Q_s és la quantitat de sorra, t, C_s – concentració de sorra en 1 m^{3 líquid.}

El càlcul d'aquests paràmetres és important, ja que a un valor de pressió excessivament alt durant la fractura hidràulica, el fluid s'esprem al dipòsit, es produeixen accidents encolumna de producció. En cas contrari, si el valor és massa baix, caldrà aturar la fractura hidràulica a causa de la impossibilitat d'assolir la pressió requerida.

El disseny de fracturació es fa de la següent manera:

1. Selecció de pous segons el sistema de desenvolupament de camp existent o previst.
2. Determinació de la millor geometria de fractura, tenint en compte diversos factors: permeabilitat de la roca, quadrícula del pou, proximitat al contacte petroli-aigua.
3. Anàlisi de les característiques físiques i mecàniques de les roques i elecció d'un model teòric per a la formació d'una esquerda.
4. Determinació del tipus, la quantitat i la concentració de suport.
5. Selecció d'un fluid de fracturació amb propietats reològiques adequades i càlcul del seu volum.
6. Càlcul d' altres paràmetres tecnològics.
7. Definició d'eficiència econòmica.

Fluids de Frac

Els fluids de treball (desplaçament, fracturació i transportador de sorra) són un dels elements més importants de la fracturació hidràulica. Els avantatges i els inconvenients dels seus diferents tipus estan relacionats principalment amb les propietats reològiques. Si abans només s'utilitzaven composicions viscoses a base d'oli (per reduir-ne l'absorció pel dipòsit), aleshores un augment de la potència de les unitats de bombeig ha permès passar ara a fluids a base d'aigua amb baixa viscositat. A causa d'això, la pressió del cap de pou i les pèrdues de resistència hidràulica a la cadena de tubs han disminuït.

A la pràctica mundial, el següentprincipals tipus de fluids de fracturació hidràulica:

• Aigua amb i sense suports. El seu avantatge és el baix cost. El desavantatge és la poca profunditat de penetració a l'embassament.
• Solucions de polímers (guar i els seus derivats PPG, CMHPG; hidroxietil èter de cel·lulosa, carboximetil cel·lulosa, goma xantana). B, Cr, Ti, Zr i altres metalls s'utilitzen per reticular molècules. Pel que fa al cost, els polímers pertanyen a la categoria mitjana. El desavantatge d'aquests fluids és l' alt risc de canvis negatius al dipòsit. Els avantatges inclouen una major profunditat de penetració.
• Emulsions formades per una fase d'hidrocarburs (combustible dièsel, petroli, gas condensat) i aigua (mineralitzada o fresca).
• Gels d'hidrocarburs.
• Metanol.
• Diòxid de carboni espessit.
• Sistemes d'escuma.
• Gels d'escuma, formats per gels reticulats, escumes de nitrogen o diòxid de carboni. Tenen un cost elevat, però no afecten la qualitat del col·lector. Altres avantatges són l' alta capacitat de suport del suport i l'autodestrucció amb poc líquid residual.

Per millorar les funcions d'aquests compostos, s'utilitzen diversos additius tecnològics:

• tensioactius;
• emulsionants;
• juntes reductores de fricció de fluids;
• foamers;
• additius que canvien l'acidesa;
• estabilitzadors tèrmics;
• additius bactericides i anticorrosius i altres.

Les principals característiques dels fluids de fracturació hidràulica inclouen:

• viscositat dinàmica necessària per obrir una esquerda;
• propietats d'infiltració que determinen la pèrdua de líquid;
• capacitat de transportar el puntal sense que s'acabi prematurament de la solució;
• estabilitat de cisalla i temperatura;
• compatibilitat amb altres reactius;
• activitat corrosiva;
• verd i segur.

Els fluids de baixa viscositat requereixen una injecció d'un volum més gran per aconseguir la pressió requerida al dipòsit, i els fluids d' alta viscositat requereixen més pressió desenvolupada per l'equip de bombeig, ja que es produeixen pèrdues importants de resistència hidràulica. Els líquids més viscosos també es caracteritzen per una menor filtrabilitat a les roques.

Materials de suport

Els apuntalaments més utilitzats són:

• Sorra de quars. Un dels materials naturals més comuns, i per tant el seu cost és baix. Arregla esquerdes en diverses condicions geològiques (universal). La mida dels grans de sorra per a la fracturació hidràulica es selecciona 0,5-1 mm. La concentració en el fluid portador de sorra varia entre 100 i 600 kg/m3. A les roques caracteritzades per una forta fractura, el consum de material pot arribar a diverses desenes de tones per 1 pou.
• Bauxites (òxid d'alumini Al₂O_{3). L'avantatge d'aquest tipus de suport és la seva major resistència en comparació amb la sorra. Fabricat pertrituració i torrat de mineral de bauxita.}
• Òxid de zirconi. Té propietats semblants a l'anterior tipus de suport. Molt utilitzat a Europa. Un desavantatge comú d'aquests materials és el seu alt cost.
• Grànuls de ceràmica. Per a la fracturació hidràulica, s'utilitzen grànuls de mida que oscil·len entre 0,425 i 1,7 mm. Pertanyen a puntals de força mitjana. Mostra una alta eficiència econòmica.
• Marbres de vidre. Abans s'utilitzava per a pous profunds, ara gairebé completament substituït per bauxites més barates.

Fracturació àcida

L'essència de la fracturació hidràulica àcida és que en la primera etapa es crea artificialment una fractura (igual que en la tecnologia de fracturació hidràulica convencional) i després s'hi bombeja àcid. Aquest últim reacciona amb la roca, creant llargs canals que augmenten la permeabilitat de l'embassament a la zona del fons del forat. Com a resultat, el factor de recuperació del petroli del pou augmenta.

Aquest tipus de procés de fracturació hidràulica és especialment eficaç per a formacions carbonatades. Segons els investigadors, més del 40% de les reserves mundials de petroli estan associades a aquest tipus d'embassament. La tècnica i tecnologia de fracturació hidràulica en aquest cas difereix lleugerament de les descrites anteriorment. L'equip està fabricat amb un disseny resistent als àcids. També s'utilitzen inhibidors (formalina, unikol, urotropina i altres) per protegir les màquines de la corrosió.

Els tipus de fracturació àcida són tractaments en dues etapes que utilitzen materials com ara:

• compostos polimèrics (PAA, PVC, gipan i altres);
• compostos de làtex (SKMS-30, ARC);
• estirè;
• resines (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Com a dissolvents àcids, s'utilitza una solució d'àcid clorhídric al 15%, així com composicions especials (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i altres).

Els tipus de fracturació àcida són tractaments en dues etapes que utilitzen materials com ara:

• compostos polimèrics (PAA, PVV, gipan i altres);
• compostos de làtex (SKMS-30, ARC);
• estirè;
• resines (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Com a dissolvents àcids, s'utilitza una solució d'àcid clorhídric al 15%, així com composicions especials (SNPKh-9010, SNPKh-9633 i altres).