Fratturazione idraulica: tipologie, calcolo e processo tecnologico

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 13:57

La fratturazione idraulica (HF) è una delle misure geologiche e tecniche più efficaci, il cui scopo è quello di intensificare il flusso del fluido di formazione ai pozzi di produzione. L'uso di questa tecnologia consente non solo di aumentare il recupero delle riserve all'interno del raggio di drenaggio del pozzo, ma anche di ampliare quest'area, aumentando il recupero finale di petrolio del giacimento. Dato questo fattore, la progettazione dello sviluppo del campo può essere eseguita con la disposizione di un modello di pozzo più sparso.

Breve descrizione

L'essenza della fratturazione idraulica è descritta dal seguente processo:

• il serbatoio è sottoposto a una pressione eccessiva (il consumo di fluido di processo è molto maggiore di quello che può essere assorbito dalle rocce);
• la pressione di fondo del pozzo aumenta fino a superare le sollecitazioni interne al collettore;
• le rocce vengono strappate nel piano di minor resistenza meccanica (il più delle volte in direzione obliqua o verticale);
• di nuovole crepe formate e vecchie aumentano, appare la loro connessione con il sistema naturale dei pori;
• aumenta una zona di maggiore permeabilità vicino al pozzo;
• Gli speciali proppants granulari (proppants) vengono pompati nelle fratture espanse per fissarle allo stato aperto dopo che la pressione sulla formazione è stata rimossa;
• la resistenza al movimento del fluido di formazione diventa quasi nulla, di conseguenza la portata del pozzo aumenta più volte.

La lunghezza delle fratture nelle rocce può essere di diverse centinaia di metri e il fondo del pozzo si collega con aree remote del bacino. Uno dei fattori più importanti nell'efficacia di questo trattamento è la fissazione della fessura, che consente di creare un canale di filtrazione. Tuttavia, la produttività del pozzo non può aumentare indefinitamente all'aumentare della dimensione della frattura. Esiste una lunghezza massima, oltre la quale la portata non diventa più intensa.

Ambito di applicazione

Questa tecnologia viene utilizzata sia per la produzione (recupero avanzato del petrolio) che per l'iniezione (aumento dell'iniettività), pozzi orizzontali e verticali. Si distinguono le seguenti aree di applicazione della fratturazione idraulica:

• intensificazione del tasso di produzione di pozzi con una zona di fondo pozzo contaminata in giacimenti a diversa permeabilità;
• sviluppo di depositi eterogenei;
• migliorare il collegamento idrodinamico del pozzo con il sistema di frattura naturale nel giacimento;
• espansione della zona di afflusso del fluido di giacimento;
• sviluppo di giacimenti a bassa permeabilità epozzi a basso margine;
• cambiamento dei flussi di infiltrazione nei pozzi di iniezione;
• ripristino dei parametri del pozzo che non sono influenzati da altri metodi.

I limiti per la tecnologia di fratturazione idraulica sono le zone gasolio, caratterizzate dalle seguenti caratteristiche:

• cono rapido (tirando l'acqua di formazione sul fondo del pozzo);
• Sfondamenti improvvisi di acqua o gas nel pozzo;
• Serbatoi esauriti con basse riserve, lenti saturate di olio di piccolo volume (a causa della non redditività economica).

Molto spesso la fratturazione idraulica viene utilizzata come metodo di stimolazione per serbatoi a media e alta permeabilità. Per loro, il fattore principale nell'aumentare l'afflusso del fluido di giacimento è la lunghezza della frattura formata e, nei depositi con bassa permeabilità alla roccia, la sua larghezza.

Fratturazione idraulica: vantaggi e svantaggi

I vantaggi della fratturazione idraulica sono:

• applicabile ad aree con diversa struttura geologica;
• impatto sia sull'intero invaso che sulla sua sezione;
• efficace riduzione della resistenza idraulica nella zona del fondo pozzo;
• comunione di aree adiacenti scarsamente drenate;
• fluido di lavoro economico (acqua);
• alta redditività.

Gli svantaggi includono:

• la necessità di grandi scorte di acqua, sabbia, sostanze chimiche aggiuntive;
• processo incontrollato di creazione di una crepa nella roccia, imprevedibilità del meccanismocracking;
• quando i pozzi con portate elevate vengono messi in funzione dopo la fratturazione idraulica, il proppante può essere estratto dalle fratture, con conseguente diminuzione del grado della loro apertura e diminuzione della portata nei primi mesi dopo l'inizio di operazione;
• rischio di spruzzi incontrollati e inquinamento ambientale.

Variazioni di processo

I metodi di frattura differiscono per il tipo di formazione della frattura, il volume del fluido e dei propanti iniettati e altre caratteristiche. I principali tipi di fratturazione idraulica includono:

• Secondo l'area di impatto sulla formazione: locale (lunghezza frattura fino a 20 m) - il più diffuso; penetrazione profonda (lunghezza frattura 80-120 m); ammassato (1000 m e più).
• Copertura per cucitura: singola (impatto su tutte le cuciture e gli intercalari); multiplo (per pozzi che hanno aperto 2 o più strati); intervallo (per un serbatoio specifico).
• Metodi speciali: fratturazione acida; Tecnologia TSO - formazione di brevi fratture per impedirne la propagazione al contatto acqua-olio e ridurre il volume di iniezione di proppante (questo metodo mostra un'elevata efficienza nei bacini sabbiosi); impulso (creazione di numerose fratture radialmente divergenti in rocce a media e alta permeabilità per ridurre l'effetto pelle - il deterioramento della permeabilità dei pori a causa della loro contaminazione con le particelle contenute nel fluido di formazione filtrante.

Multiplogap

La fratturazione idraulica multipla viene eseguita con diversi metodi:

1. In primo luogo, viene creata una crepa utilizzando la tecnologia convenzionale. Quindi viene temporaneamente ostruito dall'iniezione di sostanze (naftalene granulare, palline di plastica e altre) che chiudono le perforazioni. Successivamente, la fratturazione idraulica viene eseguita altrove.
2. La separazione delle zone viene effettuata mediante packer o saracinesche idrauliche. Per ciascuno degli intervalli, la fratturazione idraulica viene eseguita secondo lo schema tradizionale.
3. Fratturazione idraulica in fasi con isolamento di ciascuna zona sottostante con un tampone di sabbia.

Nelle sezioni in argilla, la più efficace è la creazione di fratture verticali, poiché collegano intercalari produttivi di petrolio e gas. Tali fratture sono prodotte dall'azione di fluidi non filtrabili o da un rapido aumento della velocità di iniezione.

Preparazione alla fratturazione idraulica

La tecnologia del serbatoio idraulico consiste in diverse fasi. Il lavoro preparatorio è il seguente:

1. Studio del pozzo per l'afflusso del fluido di formazione, la capacità di assorbire il fluido di lavoro e determinare la pressione richiesta per la fratturazione idraulica.
2. Pulizia del fondo da sabbia o crosta argillosa (lavaggio con acqua in pressione, trattamento con acido cloridrico, perforazione con idrosabbiatura e altri metodi).
3. Controllo del pozzo con una sagoma speciale.
4. Discesa nei tubi del pozzo per fornire il fluido di lavoro.
5. Installazione di packer a pressione e ancoraggi idraulici a protezione dell'involucro.
6. Installazione della testa pozzoapparecchiature (collettore, lubrificatore e altri dispositivi) per collegare le unità di pompaggio alle tubazioni di iniezione e sigillare il pozzo.

Il diagramma principale delle tubazioni dell'attrezzatura di processo durante la fratturazione idraulica è mostrato nella figura seguente.

Sequenza di frattura

La tecnica e la tecnologia di fratturazione idraulica consiste nelle seguenti procedure:

1. I tubi di iniezione sono forniti con un fluido di lavoro (il più delle volte olio per un pozzo di produzione o acqua per un pozzo di iniezione).
2. Aumenta la pressione del fluido di frattura al valore massimo di progetto.
3. Controllare la tenuta del packer (non deve esserci tracimazione di fluido dall'anello).
4. Proppant viene aggiunto al fluido di lavoro dopo che si è verificata la fratturazione idraulica. Ciò è giudicato da un forte aumento dell'iniettività del pozzo (caduta di pressione nelle pompe).
5. Gli isotopi radioattivi sono inclusi nell'ultimo lotto di proppante per la successiva verifica della zona di perdita utilizzando la registrazione nucleare.
6. Fornire il fluido di spremitura alla massima pressione per un puntellamento affidabile delle crepe.
7. Rimuovere il fluido di frattura dal fondo per garantire l'afflusso del fluido di formazione nel pozzo.
8. Smontare le apparecchiature di processo.
9. Il pozzo è in fase di messa in servizio.

Se il pozzo è relativamente poco profondo, il fluido di lavoro può essere fornito attraverso tubi di rivestimento. È anche possibile eseguire la fratturazione idraulica senzapacker - tubi passanti e anello. Ciò riduce le perdite idrauliche per fluidi altamente viscosi.

Macchine e meccanismi per la fratturazione idraulica

Le apparecchiature di fratturazione idraulica includono i seguenti tipi di apparecchiature:

• Macchine e dispositivi di terra: unità di pompaggio (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 e altri); impianti di miscelazione della sabbia sui telai delle auto (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong e altri); autocisterne per il trasporto di liquidi (ATsN-8S e 14S, ATK-8, Sanji, Xishi e altri); tubazioni di testa pozzo (collettore, testa pozzo, valvole di intercettazione, collettori di distribuzione e di pressione con valvole di ritegno, manometri e altre apparecchiature).
• Attrezzature ausiliarie: aggregati per operazioni di intervento; argani; stazioni di monitoraggio e controllo; camion per tubi e altre attrezzature.
• Attrezzature sotterranee: imballatrici per isolare la formazione in cui è prevista la fratturazione idraulica da un' altra parte della catena di produzione; ancoraggi per impedire il sollevamento di apparecchiature sotterranee a causa dell' alta pressione; stringa di tubi.

Il tipo di attrezzatura e il numero di pezzi di attrezzatura sono determinati in base ai parametri di progettazione della fratturazione idraulica.

Caratteristiche del design

Le seguenti formule di base vengono utilizzate per calcolare la fratturazione idraulica:

1. BHP (MPa) per la fratturazione idraulica utilizzando un fluido filtrato: p=10^-2KL_c, dove K è un coefficiente selezionato dall'intervallo di valori 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – lunghezza del pozzo, m.}
2. Pressione di iniezione del fluido con sabbia (per puntello alla frattura): p_p =p - ρgL_c + p_t, dove ρ è la densità del liquido trasportatore di sabbia, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – perdita di pressione dovuta all'attrito del fluido che trasporta la sabbia. L'ultimo indicatore è determinato dalla formula: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – diametro interno del tubo.
3. Numero di unità di pompaggio: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, dove p_p è la pressione di esercizio della pompa, Q_p è la sua alimentazione ad una data pressione, K T- coefficiente delle condizioni tecniche della macchina (selezionato tra 0,5-0,8).
4. Quantità di fluido di spostamento: V=0, 785d_B²L_c.

Se si verifica una frattura idraulica utilizzando la sabbia come propante, si presume che la sua quantità per 1 operazione sia di 8-10 tonnellate e la quantità di fluido è determinata dalla formula:

V=Q_sC_s, dove Q_s è la quantità di sabbia, t, C_s – concentrazione di sabbia in 1 m^{3 liquido.}

Il calcolo di questi parametri è importante, poiché a un valore di pressione eccessivamente alto durante la fratturazione idraulica, il fluido viene schiacciato nel giacimento, si verificano incidenti incolonna di produzione. In caso contrario, se il valore è troppo basso, la fratturazione idraulica dovrà essere interrotta per l'impossibilità di raggiungere la pressione richiesta.

La progettazione della frattura viene eseguita come segue:

1. Selezione dei pozzi in base al sistema di sviluppo del campo esistente o pianificato.
2. Determinazione della migliore geometria di frattura, tenendo conto di diversi fattori: permeabilità della roccia, griglia del pozzo, vicinanza al contatto olio-acqua.
3. Analisi delle caratteristiche fisiche e meccaniche delle rocce e scelta di un modello teorico per la formazione di una fessura.
4. Determinazione del tipo, della quantità e della concentrazione di propante.
5. Selezione di un fluido fratturante con adeguate proprietà reologiche e calcolo del suo volume.
6. Calcolo di altri parametri tecnologici.
7. Definizione di efficienza economica.

Fluidi Frac

I fluidi di lavoro (spostamento, fratturazione e trasporto di sabbia) sono uno degli elementi più importanti della fratturazione idraulica. I vantaggi e gli svantaggi dei loro vari tipi sono principalmente legati alle proprietà reologiche. Se in precedenza venivano utilizzate solo composizioni viscose a base di olio (per ridurne l'assorbimento da parte del giacimento), un aumento della potenza delle unità di pompaggio ha ora reso possibile il passaggio a fluidi a base acquosa a bassa viscosità. A causa di ciò, la pressione di testa pozzo e le perdite di resistenza idraulica nella stringa di tubi sono diminuite.

Nella pratica mondiale, quanto segueprincipali tipi di fluidi di fratturazione idraulica:

• Acqua con e senza proppants. Il suo vantaggio è il basso costo. Lo svantaggio è la bassa profondità di penetrazione nel serbatoio.
• Soluzioni polimeriche (guar e suoi derivati PPG, CMHPG; etere idrossietilico di cellulosa, carbossimetilcellulosa, gomma di xantano). B, Cr, Ti, Zr e altri metalli sono usati per reticolare le molecole. In termini di costo, i polimeri appartengono alla categoria media. Lo svantaggio di tali fluidi è l' alto rischio di cambiamenti negativi nel serbatoio. I vantaggi includono una maggiore profondità di penetrazione.
• Emulsioni costituite da una fase idrocarburica (gasolio, olio, gas condensato) e acqua (mineralizzata o fresca).
• Gel di idrocarburi.
• Metanolo.
• Anidride carbonica densa.
• Sistemi in schiuma.
• Gel di schiuma, costituiti da gel reticolati, schiume di azoto o anidride carbonica. Hanno un costo elevato, ma non influiscono sulla qualità del collezionista. Altri vantaggi sono l'elevata capacità di carico e l'autodistruzione con poco liquido residuo.

Per migliorare le funzioni di questi composti vengono utilizzati vari additivi tecnologici:

• tensioattivi;
• emulsionanti;
• giunti fluidi che riducono l'attrito;
• schiume;
• additivi che cambiano l'acidità;
• stabilizzatori termici;
• additivi battericidi e anticorrosivi e altri.

Le caratteristiche principali dei fluidi di fratturazione idraulica includono:

• viscosità dinamica richiesta per aprire una fessura;
• proprietà di infiltrazione che determinano la perdita di liquidi;
• capacità di trasportare proppant senza che si stabilisca prematuramente fuori dalla soluzione;
• stabilità al taglio e alla temperatura;
• compatibilità con altri reagenti;
• attività corrosiva;
• verde e sicuro.

I fluidi a bassa viscosità richiedono l'iniezione di un volume maggiore per raggiungere la pressione richiesta nel giacimento e i fluidi ad alta viscosità richiedono una maggiore pressione sviluppata dalle apparecchiature di pompaggio, poiché si verificano perdite significative nella resistenza idraulica. I liquidi più viscosi sono anche caratterizzati da una minore filtrabilità nelle rocce.

Materiali di sostegno

I proppants, o proppants, più comunemente usati sono:

• Sabbia di quarzo. Uno dei materiali naturali più comuni, e quindi il suo costo è basso. Ripara crepe in varie condizioni geologiche (universale). La dimensione dei granelli di sabbia per la fratturazione idraulica è selezionata 0,5-1 mm. La concentrazione nel fluido vettore di sabbia varia tra 100-600 kg/m3. Nelle rocce caratterizzate da forte fratturazione, il consumo di materiale può raggiungere diverse decine di tonnellate per 1 pozzo.
• Bauxiti (ossido di alluminio Al₂O_{3). Il vantaggio di questo tipo di punteruolo è la sua maggiore resistenza rispetto alla sabbia. Fabbricato dafrantumazione e tostatura del minerale di bauxite.}
• Ossido di zirconio. Ha proprietà simili al precedente tipo di proppante. Ampiamente usato in Europa. Uno svantaggio comune di tali materiali è il loro costo elevato.
• Granuli di ceramica. Per la fratturazione idraulica vengono utilizzati granuli di dimensioni comprese tra 0,425 e 1,7 mm. Appartengono a proppants di media forza. Mostra un'elevata efficienza economica.
• Biglie di vetro. Precedentemente utilizzato per pozzi profondi, ora quasi completamente sostituiti da bauxite più economiche.

Fratturazione acida

L'essenza della fratturazione idraulica acida è che nella prima fase viene creata artificialmente una frattura (proprio come nella tecnologia di fratturazione idraulica convenzionale), e quindi l'acido viene pompato al suo interno. Quest'ultimo reagisce con la roccia, creando lunghi canali che aumentano la permeabilità del giacimento nella zona del fondo pozzo. Di conseguenza, il fattore di recupero del petrolio dal pozzo aumenta.

Questo tipo di processo di fratturazione idraulica è particolarmente efficace per le formazioni carbonatiche. Secondo i ricercatori, oltre il 40% delle riserve mondiali di petrolio sono associate a questo tipo di giacimento. La tecnica e la tecnologia della fratturazione idraulica in questo caso differisce leggermente da quelle sopra descritte. L'apparecchiatura è realizzata in un design resistente agli acidi. Gli inibitori (formalina, unikol, urotropina e altri) vengono utilizzati anche per proteggere le macchine dalla corrosione.

I tipi di fratturazione acida sono trattamenti a due stadi che utilizzano materiali come:

• composte polimeriche (PAA, PVC, gipan e altri);
• composti di lattice (SKMS-30, ARC);
• stirene;
• resine (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Come solventi acidi, viene utilizzata una soluzione di acido cloridrico al 15%, nonché composizioni speciali (SNPKh-9010, SNPKh-9633 e altri).

I tipi di fratturazione acida sono trattamenti a due stadi che utilizzano materiali come:

• composti polimerici (PAA, PVV, gipan e altri);
• composti di lattice (SKMS-30, ARC);
• stirene;
• resine (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Come solventi acidi, viene utilizzata una soluzione di acido cloridrico al 15%, nonché composizioni speciali (SNPKh-9010, SNPKh-9633 e altri).