Hydraulické štiepenie: druhy, výpočet a technologický postup

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Hydraulické štiepenie (HF) je jedným z najefektívnejších geologických a technických opatrení, ktorého účelom je zintenzívniť tok formovacej tekutiny do ťažobných vrtov. Použitie tejto technológie umožňuje nielen zvýšiť ťažbu zásob v rámci okruhu odvodňovania vrtu, ale aj rozšíriť túto oblasť, čím sa zvýši konečná ťažba ropy z nádrže. Vzhľadom na tento faktor môže byť návrh rozvoja poľa vykonaný s usporiadaním redšieho vzoru studní.

Krátky popis

Podstata hydraulického štiepenia je opísaná nasledujúcim procesom:

• zásobník je vystavený nadmernému tlaku (spotreba procesnej tekutiny je oveľa väčšia, ako ju dokážu absorbovať kamene);
• tlak v otvore sa zvyšuje, kým neprekročí vnútorné napätie v potrubí;
• kameny sa trhajú v rovine najmenšej mechanickej pevnosti (najčastejšie v šikmom smere alebo zvisle);
• znovavznikajúce a pribúdajú staré trhliny, objavuje sa ich spojenie s prirodzeným systémom pórov;
• zóna so zvýšenou priepustnosťou v blízkosti studne sa zvyšuje;
• špeciálne granulované propanty (propanty) sa pumpujú do rozšírených zlomenín, aby ich fixovali v otvorenom stave po odstránení tlaku na formáciu;
• odolnosť voči pohybu tekutiny pri tvorbe sa stáva takmer nulovou, výsledkom čoho je niekoľkonásobné zvýšenie prietoku vrtu.

Dĺžka puklín v skalách môže byť niekoľko stoviek metrov a dno studne sa spája s odľahlými oblasťami nádrže. Jedným z najdôležitejších faktorov účinnosti tejto úpravy je fixácia trhliny, ktorá umožňuje vytvorenie filtračného kanála. Produktivita vrtu sa však nemôže zvyšovať donekonečna so zväčšovaním veľkosti zlomu. Existuje maximálna dĺžka, pri prekročení ktorej sa prietok nezvyšuje.

Rozsah aplikácie

Táto technológia sa používa na ťažbu (zvýšená ťažba ropy) a vstrekovanie (zvýšená injektivita), horizontálne a vertikálne vrty. Rozlišujú sa tieto oblasti použitia hydraulického štiepenia:

• intenzifikácia produkčnej rýchlosti vrtov s kontaminovanou spodnou zónou v nádržiach s rôznou priepustnosťou;
• vývoj heterogénnych ložísk;
• zlepšenie hydrodynamického prepojenia studne s prirodzeným puklinovým systémom v nádrži;
• rozšírenie zóny prívodu tekutiny do zásobníka;
• vývoj nádrží s nízkou priepustnosťou astudne s nízkou maržou;
• zmena priesakových prietokov v injekčných vrtoch;
• obnovenie parametrov vrtu, ktoré nie sú ovplyvnené inými metódami.

Hranice pre technológiu hydraulického štiepenia sú zóny plynového oleja, ktoré sa vyznačujú nasledujúcimi vlastnosťami:

• rýchle kužeľovanie (ťahanie formačnej vody na dno studne);
• náhly prienik vody alebo plynu do vrtu;
• vyčerpané nádrže s nízkymi zásobami, olejom nasýtené šošovky malého objemu (kvôli ekonomickej nerentabilnosti).

Hydraulické štiepenie sa najčastejšie používa ako stimulačná metóda pre nádrže so strednou a vysokou priepustnosťou. Pre nich je hlavným faktorom zvyšovania prítoku rezervoárovej tekutiny dĺžka vytvorenej pukliny a v ložiskách s nízkou priepustnosťou hornín jej šírka.

Hydraulické štiepenie: výhody a nevýhody

Výhody hydraulického štiepenia sú:

• platí pre oblasti s rôznorodou geologickou štruktúrou;
• vplyv na celú nádrž aj na jej časť;
• účinné zníženie hydraulického odporu v zóne dna;
• spoločenstvo nedostatočne odvodnených priľahlých oblastí;
• lacná pracovná kvapalina (voda);
• vysoká ziskovosť.

Nevýhody zahŕňajú:

• potreba veľkých zásob vody, piesku, ďalších chemikálií;
• nekontrolovaný proces vytvárania trhliny v skale, nepredvídateľnosť mechanizmupraskanie;
• keď sú studne s vysokým prietokom uvedené do prevádzky po hydraulickom štiepení, propant môže byť vynesený z puklín, čo vedie k zníženiu stupňa ich otvorenia a zníženiu prietoku v prvých mesiacoch po spustení prevádzky;
• riziko nekontrolovaného chrlení a znečistenia životného prostredia.

Variácie procesu

Metódy lámania sa líšia typom vzniku lomu, objemom vstrekovanej tekutiny a propantov a ďalšími charakteristikami. Medzi hlavné typy hydraulického štiepenia patria:

• Podľa oblasti vplyvu na formáciu: lokálne (dĺžka zlomeniny do 20 m) - najrozšírenejšie; hlboko prenikajúce (dĺžka zlomeniny 80-120 m); hmotnosť (1000 m a viac).
• Podľa pokrytia švom: jednoduché (vplyv na všetky švy a medzivrstvy); viacnásobné (pre jamky, ktoré otvorili 2 alebo viac vrstiev); interval (pre konkrétnu nádrž).
• Špeciálne metódy: štiepenie kyselinou; Technológia TSO - tvorba krátkych zlomov, aby sa zabránilo ich šíreniu do kontaktu voda-olej a znížil sa objem vstrekovania propantu (táto metóda vykazuje vysokú účinnosť v piesočnatých nádržiach); impulz (vytvorenie niekoľkých radiálne divergentných puklín v stredne a vysokopriepustných horninách na zníženie kožného efektu - zhoršenie priepustnosti pórov v dôsledku ich kontaminácie časticami obsiahnutými vo filtračnej formačnej tekutine.

Viacnásobnémedzera

Viacnásobné hydraulické štiepenie sa vykonáva niekoľkými metódami:

1. Najprv sa pomocou konvenčnej technológie vytvorí trhlina. Potom sa dočasne upchá vstrekovaním látok (granulovaný naftalén, plastové guľôčky a iné), ktoré uzatvárajú perforácie. Potom sa hydraulické štiepenie vykonáva inde.
2. Separácia zón sa vykonáva pomocou pakrov alebo hydraulických brán. Pre každý z intervalov sa hydraulické štiepenie vykonáva podľa tradičnej schémy.
3. Fázové hydraulické štiepenie s izoláciou každej spodnej zóny pomocou pieskovej zátky.

V hlinených úsekoch je najefektívnejšie vytváranie vertikálnych puklín, pretože spájajú produktívne medzivrstvy ropy a plynu. Takéto zlomeniny vznikajú pôsobením nefiltrovateľných tekutín alebo rýchlym zvýšením rýchlosti vstrekovania.

Príprava na hydraulické štiepenie

Technológia hydraulického zásobníka pozostáva z niekoľkých etáp. Prípravné práce sú nasledovné:

1. Štúdium vrtu na prítok formovacej tekutiny, schopnosť absorbovať pracovnú tekutinu a určiť tlak potrebný na hydraulické štiepenie.
2. Čistenie vrtu od piesku alebo hlinenej kôry (umývanie vodou pod tlakom, úprava kyselinou chlorovodíkovou, dierovanie hydropieskovaním a iné metódy).
3. Kontrola studne pomocou špeciálnej šablóny.
4. Zostup do potrubia vrtu na zásobovanie pracovnej tekutiny.
5. Inštalácia tlakového pakra a hydraulických kotiev na ochranu plášťa.
6. Inštalácia ústia vrtuzariadenia (rozdeľovač, maznica a iné zariadenia) na pripojenie čerpacích jednotiek k vstrekovacím potrubiam a utesnenie vrtu.

Hlavná schéma potrubia procesného zariadenia počas hydraulického štiepenia je znázornená na obrázku nižšie.

Zlomená sekvencia

Technika a technológia hydraulického štiepenia pozostáva z nasledujúcich postupov:

1. Vstrekovacie potrubia sú dodávané s pracovnou kvapalinou (najčastejšie olej pre ťažobný vrt alebo voda pre injektážny vrt).
2. Zvýšte tlak lámacej kvapaliny na maximálnu konštrukčnú hodnotu.
3. Skontrolujte tesnosť pakru (nemalo by dôjsť k pretečeniu tekutiny z medzikružia).
4. Propant sa pridáva do pracovnej tekutiny po výskyte hydraulického štiepenia. To sa posudzuje podľa prudkého zvýšenia vstrekovania vrtu (pokles tlaku v čerpadlách).
5. Rádioaktívne izotopy sú zahrnuté v poslednej dávke propantu na následné overenie zóny straty pomocou jadrovej ťažby.
6. Dodávajte stláčaciu kvapalinu s najvyšším tlakom na spoľahlivé podopretie trhlín.
7. Odstránenie štiepnej tekutiny zospodu, aby sa zabezpečil prítok formačnej tekutiny do vrtu.
8. Demontáž technologického zariadenia.
9. Vrt sa uvádza do prevádzky.

Ak je studňa relatívne plytká, potom je dovolené privádzať pracovnú kvapalinu cez plášťové rúry. Je tiež možné vykonávať hydraulické štiepenie bezpaker - cez rúrkové rúrky a prstenec. To znižuje hydraulické straty pre vysoko viskózne kvapaliny.

Stroje a mechanizmy na hydraulické štiepenie

Zariadenia na hydraulické štiepenie zahŕňajú nasledujúce typy zariadení:

• Pozemné stroje a zariadenia: čerpacie jednotky (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 a iné); miešačky piesku na podvozkoch automobilov (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong a iné); cisterny na prepravu kvapalín (ATsN-8S a 14S, ATK-8, Sanji, Xishi a iné); potrubie ústia vrtu (rozdeľovacie potrubie, ústie vrtu, uzatváracie ventily, rozvodné a tlakové potrubia so spätnými ventilmi, tlakomery a iné vybavenie).
• Prídavné vybavenie: agregáty na vypínanie; navijaky; monitorovacie a kontrolné stanice; potrubné vozíky a ďalšie vybavenie.
• Podzemné zariadenia: pakry na oddelenie formácie, v ktorej sa plánuje hydraulické štiepenie, od inej časti výrobného reťazca; kotvy na zabránenie zdvíhania podzemných zariadení v dôsledku vysokého tlaku; hadicová šnúra.

Typ zariadenia a počet kusov zariadenia sú určené na základe konštrukčných parametrov hydraulického štiepenia.

Charakteristiky dizajnu

Na výpočet hydraulického štiepenia sa používajú tieto základné vzorce:

1. BHP (MPa) pre hydraulické štiepenie s použitím filtrovanej kvapaliny: p=10^-2KL_c, kde K je koeficient vybraný z rozsahu hodnôt 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – dĺžka studne, m.}
2. Vstrekovací tlak tekutiny s pieskom (na podopretie zlomenín): p_p =p - ρgL_c + p_t, kde ρ je hustota pieskovej nosnej kvapaliny, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – strata tlaku v dôsledku trenia kvapaliny nesúcej piesok. Posledný ukazovateľ je určený vzorcom: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – vnútorný priemer hadičky.
3. Počet čerpacích jednotiek: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, kde p_p je prevádzkový tlak čerpadla, Q_p je jeho prívod pri danom tlaku, K T- koeficient technického stavu stroja (zvolený v rozmedzí 0,5-0,8).
4. Množstvo výtlačnej kvapaliny: V=0, 785 d_B²L_c.

Ak dôjde k hydraulickému štiepeniu s použitím piesku ako propantu, potom sa jeho množstvo na 1 operáciu predpokladá 8-10 ton a množstvo tekutiny je určené vzorcom:

V=Q_sC_s, kde Q_s je množstvo piesku, t, C_s – koncentrácia piesku v 1 m^{3 kvapaliny.}

Výpočet týchto parametrov je dôležitý, pretože pri príliš vysokej hodnote tlaku počas hydraulického štiepenia sa kvapalina stláča do zásobníka, dochádza k nehodámvýrobný stĺpec. V opačnom prípade, ak je hodnota príliš nízka, bude potrebné hydraulické štiepenie zastaviť z dôvodu neschopnosti dosiahnuť požadovaný tlak.

Design lámania sa vykonáva takto:

1. Výber studní podľa existujúceho alebo plánovaného systému rozvoja terénu.
2. Určenie najlepšej geometrie pukliny, pričom sa berie do úvahy niekoľko faktorov: priepustnosť hornín, mriežka vrtu, blízkosť kontaktu oleja a vody.
3. Analýza fyzikálnych a mechanických vlastností hornín a výber teoretického modelu pre vznik trhliny.
4. Určenie typu, množstva a koncentrácie propantu.
5. Výber štiepnej kvapaliny s vhodnými reologickými vlastnosťami a výpočet jej objemu.
6. Výpočet ďalších technologických parametrov.
7. Definícia ekonomickej efektívnosti.

Frac Fluids

Pracovné kvapaliny (výtlak, štiepenie a nosič piesku) sú jedným z najdôležitejších prvkov hydraulického štiepenia. Výhody a nevýhody ich rôznych typov súvisia predovšetkým s reologickými vlastnosťami. Ak sa predtým používali iba viskózne kompozície na báze oleja (na zníženie ich absorpcie zásobníkom), potom zvýšenie výkonu čerpacích jednotiek teraz umožnilo prejsť na kvapaliny na báze vody s nízkou viskozitou. V dôsledku toho sa tlak v ústí vrtu a straty hydraulického odporu v potrubí znížili.

Vo svetovej praxi platí nasledovnéhlavné typy tekutín na hydraulické štiepenie:

• Voda s propantmi a bez nich. Jeho výhodou je nízka cena. Nevýhodou je malá hĺbka prieniku do nádrže.
• Polymérne roztoky (guar a jeho deriváty PPG, CMHPG; hydroxyetyléter celulózy, karboxymetylcelulóza, xantánová guma). Na zosieťovanie molekúl sa používajú B, Cr, Ti, Zr a ďalšie kovy. Z hľadiska nákladov patria polyméry do strednej kategórie. Nevýhodou takýchto tekutín je vysoké riziko negatívnych zmien v nádrži. Medzi výhody patrí väčšia hĺbka prieniku.
• Emulzie pozostávajúce z uhľovodíkovej fázy (nafta, olej, plynový kondenzát) a vody (mineralizovanej alebo čerstvej).
• Uhľovodíkové gély.
• Metanol.
• Zahustený oxid uhličitý.
• Penové systémy.
• Penové gély pozostávajúce zo zosieťovaných gélov, peny s dusíkom alebo oxidom uhličitým. Majú vysoké náklady, ale neovplyvňujú kvalitu kolektora. Ďalšími výhodami sú vysoká nosnosť propantu a samodeštrukcia s malým množstvom zvyškovej kvapaliny.

Na zlepšenie funkcií týchto zlúčenín sa používajú rôzne technologické prísady:

• povrchovo aktívne látky;
• emulgátory;
• kĺby znižujúce trenie;
• foamers;
• aditíva, ktoré menia kyslosť;
• tepelné stabilizátory;
• baktericídne a antikorózne prísady a iné.

Hlavné charakteristiky tekutín na hydraulické štiepenie zahŕňajú:

• dynamická viskozita potrebná na otvorenie trhliny;
• vlastnosti infiltrácie, ktoré určujú stratu tekutín;
• schopnosť nosiť propant bez toho, aby sa predčasne usadil z roztoku;
• stabilita v šmyku a teplote;
• kompatibilita s inými činidlami;
• korozívna činnosť;
• zelené a bezpečné.

Kvapaliny s nízkou viskozitou vyžadujú vstrekovanie väčšieho objemu, aby sa dosiahol požadovaný tlak v zásobníku, a kvapaliny s vysokou viskozitou vyžadujú väčší tlak vyvíjaný čerpacím zariadením, pretože dochádza k výrazným stratám hydraulického odporu. Viskóznejšie kvapaliny sa vyznačujú aj nižšou filtrovateľnosťou v horninách.

Podperné materiály

Najbežnejšie používané propanty alebo propanty sú:

• Kremenný piesok. Jeden z najbežnejších prírodných materiálov, a preto je jeho cena nízka. Fixuje trhliny v rôznych geologických podmienkach (univerzálne). Veľkosť zŕn piesku pre hydraulické štiepenie sa volí 0,5-1 mm. Koncentrácia v kvapaline nosiča piesku sa pohybuje medzi 100-600 kg/m3. V horninách charakterizovaných silným lámaním môže spotreba materiálu dosiahnuť niekoľko desiatok ton na 1 vrt.
• Bauxity (oxid hlinitý Al₂O_{3). Výhodou tohto typu propantu je jeho väčšia pevnosť v porovnaní s pieskom. Vyrábadrvenie a praženie bauxitovej rudy.}
• Oxid zirkónia. Má vlastnosti podobné predchádzajúcemu typu propantu. Široko používaný v Európe. Spoločnou nevýhodou takýchto materiálov je ich vysoká cena.
• Keramické granule. Na hydraulické štiepenie sa používajú granuly s veľkosťou od 0,425 do 1,7 mm. Patria k stredne silným propantom. Ukážte vysokú ekonomickú efektívnosť.
• Sklenené guľôčky. Predtým používané pre hlboké vrty, teraz takmer úplne nahradené lacnejšími bauxitmi.

Kyselinové lámanie

Podstatou kyslého hydraulického štiepenia je, že v prvej fáze sa umelo vytvorí lom (rovnako ako pri konvenčnej technológii hydraulického štiepenia) a následne sa do neho načerpá kyselina. Ten reaguje s horninou a vytvára dlhé kanály, ktoré zvyšujú priepustnosť nádrže v zóne dna. V dôsledku toho sa zvyšuje faktor získavania ropy z vrtu.

Tento typ procesu hydraulického štiepenia je obzvlášť účinný pre karbonátové formácie. Podľa výskumníkov je viac ako 40 % svetových zásob ropy spojených s týmto typom zásobníkov. Technika a technológia hydraulického štiepenia sa v tomto prípade mierne líši od vyššie opísaných. Zariadenie je vyrobené v kyselinovzdornom prevedení. Na ochranu strojov pred koróziou sa používajú aj inhibítory (formalín, unikol, urotropín a iné).

Typy kyslého štiepenia sú dvojstupňové úpravy s použitím materiálov ako:

• polymérne zlúčeniny (PAA, PVC, gipan aostatné);
• latexové zlúčeniny (SKMS-30, ARC);
• styrén;
• živice (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Ako kyslé rozpúšťadlá sa používa 15% roztok kyseliny chlorovodíkovej, ako aj špeciálne kompozície (SNPKh-9010, SNPKh-9633 a iné).

Typy kyslého štiepenia sú dvojstupňové úpravy s použitím materiálov ako:

• polymérové zlúčeniny (PAA, PVV, gipan a iné);
• latexové zlúčeniny (SKMS-30, ARC);
• styrén;
• živice (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Ako kyslé rozpúšťadlá sa používa 15% roztok kyseliny chlorovodíkovej, ako aj špeciálne kompozície (SNPKh-9010, SNPKh-9633 a iné).