שבר הידראולי: סוגים, חישוב ותהליך טכנולוגי

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 13:54

שבר הידראולי (HF) הוא אחד האמצעים הגיאולוגיים והטכניים היעילים ביותר, שמטרתו להגביר את זרימת נוזל היווצרות לבארות הפקה. השימוש בטכנולוגיה זו מאפשר לא רק להגדיל את התאוששות הרזרבות ברדיוס הניקוז של הבאר, אלא גם להרחיב את השטח הזה, ולהגדיל את שחזור הנפט האולטימטיבי של המאגר. בהתחשב בגורם זה, תכנון פיתוח שדה יכול להתבצע עם סידור של תבנית באר דלילה יותר.

תיאור קצר

מהות השבר הידראולי מתוארת בתהליך הבא:

• המאגר נתון ללחץ מופרז (צריכת נוזלי התהליך גדולה בהרבה ממה שהוא יכול להיספג בסלעים);
• לחץ למטה בבור עולה עד שהוא חורג מהלחצים הפנימיים בסעפת;
• סלעים נקרעים במישור בעל החוזק המכני הנמוך ביותר (לרוב בכיוון אלכסוני או אנכית);
• שובנוצרים ומתרבים סדקים ישנים, הקשר שלהם עם מערכת הנקבוביות הטבעית מופיע;
• אזור של חדירות מוגברת ליד הבאר גדל;
• תמיכות גרגירים (proppants) מיוחדים נשאבים לתוך השברים המורחבים כדי לקבע אותם במצב פתוח לאחר הסרת הלחץ על התצורה;
• ההתנגדות לתנועת נוזל היווצרות הופכת כמעט לאפס, כתוצאה מכך, קצב זרימת הבאר גדל מספר פעמים.

אורך השברים בסלעים יכול להיות כמה מאות מטרים, ותחתית הבאר מתחברת לאזורים מרוחקים של המאגר. אחד הגורמים החשובים ביותר ליעילות טיפול זה הוא קיבוע הסדק המאפשר יצירת תעלת סינון. עם זאת, הפרודוקטיביות של הבאר לא יכולה לעלות ללא הגבלה ככל שגודל השבר גדל. יש אורך מקסימלי, שמעליו קצב הזרימה לא נעשה אינטנסיבי יותר.

היקף היישום

טכנולוגיה זו משמשת הן לייצור (השבת נפט משופרת) והן להזרקה (הזרקה מוגברת), בארות אופקיות ואנכיות. ניתן להבחין בין תחומי היישום הבאים של שבירה הידראולית:

• העצמת קצב ההפקה של בארות עם אזור חור תחתון מזוהם במאגרים עם חדירות שונה;
• פיתוח מרבצים הטרוגניים;
• שיפור החיבור ההידרודינמי של הבאר עם מערכת השברים הטבעית במאגר;
• הרחבת אזור זרימת נוזל המאגר;
• פיתוח מאגרים עם חדירות נמוכה ובארות עם רווחים נמוכים;
• שינוי בזרימות חלחול בבארות הזרקה;
• שחזור של פרמטרי באר שאינם מושפעים משיטות אחרות.

הגבולות לטכנולוגיית שבירה הידראולית הם אזורי גז-שמן, המאופיינים בתכונות הבאות:

• קונוס מהיר (משיכת מי היווצרות לתחתית הבאר);
• פריצות דרך פתאומיות של מים או גז לתוך צינור הבאר;
• מאגרים מדוללים עם רזרבות נמוכות, עדשות רוויות שמן בנפח קטן (בשל חוסר רווחיות כלכלית).

לרוב שבירה הידראולית משמשת כשיטת גירוי עבור מאגרי חדירות בינונית וגבוהה. עבורם, הגורם העיקרי להגברת זרימת נוזל המאגר הוא אורך השבר שנוצר, ובמרבצים בעלי חדירות סלע נמוכה, רוחבו.

שבר הידראולי: יתרונות וחסרונות

היתרונות של שבר הידראולי הם:

• ישים לאזורים בעלי מבנה גיאולוגי מגוון;
• השפעה הן על המאגר כולו והן על החלק שלו;
• הפחתה יעילה של התנגדות הידראולית באזור החור התחתון;
• קהילה של אזורים סמוכים עם ניקוז גרוע;
• נוזל עבודה זול (מים);
• רווחיות גבוהה.

החסרונות כוללים:

• הצורך באספקה גדולה של מים, חול, כימיקלים נוספים;
• תהליך בלתי מבוקר של יצירת סדק בסלע, חוסר חיזוי של המנגנוןפיצוח;
• כאשר בארות בעלות ספיקות גבוהות מופעלות לאחר שבירה הידראולית, ניתן לבצע דחיסה משברים, וכתוצאה מכך ירידה במידת פתיחתן וירידה בקצב הזרימה בחודשים הראשונים לאחר ההתחלה של הפעולה;
• סיכון של זרימה בלתי מבוקרת וזיהום סביבתי.

וריאציות תהליך

שיטות השבר נבדלות בסוג היווצרות השבר, בנפח הנוזלים והחומרים המוזרקים ובמאפיינים נוספים. הסוגים העיקריים של שבר הידראולי כוללים את הדברים הבאים:

• לפי אזור ההשפעה על התצורה: מקומי (אורך שבר עד 20 מ') - הנפוצה ביותר; חודר עמוק (אורך שבר 80-120 מ'); המוני (1000 מ' ויותר).
• לפי כיסוי תפר: יחיד (השפעה על כל התפרים והשכבות הביניים); מרובה (עבור בארות שנפתחו 2 שכבות או יותר); מרווח (עבור מאגר ספציפי).
• שיטות מיוחדות: שבר חומצה; טכנולוגיית TSO - היווצרות שברים קצרים למניעת התפשטותם למגע מים-שמן והפחתת נפח הזרקת הדחף (שיטה זו מראה יעילות גבוהה במאגרים חוליים); דחף (יצירת מספר שברים מתפצלים רדיאלית בסלעים בעלי חדירות בינונית וגבוהה כדי להפחית את אפקט העור - הידרדרות חדירות הנקבוביות עקב זיהוםם בחלקיקים הכלולים בנוזל היווצרות המסנן.

מרובהפער

שבירה הידראולית מרובת מבוצעת במספר שיטות:

1. ראשית, נוצר סדק באמצעות טכנולוגיה קונבנציונלית. ואז הוא נסתם זמנית על ידי הזרקת חומרים (נפטלין גרגירי, כדורי פלסטיק ואחרים) שסוגרים את הנקבים. לאחר מכן, השבר הידראולי נעשה במקום אחר.
2. הפרדת אזורים מתבצעת באמצעות אורזים או שערים הידראוליים. עבור כל אחד מהמרווחים, השבר הידראולי מתבצע לפי התוכנית המסורתית.
3. שבירה הידראולית מדורגת עם בידוד של כל אזור בסיס עם פקק חול.

בחלקי חימר, היעיל ביותר הוא יצירת שברים אנכיים, מכיוון שהם מחברים בין שכבות בין נפט וגז יצרניות. שברים כאלה נוצרים על ידי פעולתם של נוזלים שאינם ניתנים לסינון או על ידי עלייה מהירה בקצב ההזרקה.

הכנה לשבר הידראולי

טכנולוגיית המאגר הידראולי מורכבת ממספר שלבים. עבודת ההכנה היא כדלקמן:

1. לימוד הבאר לזרימת נוזל היווצרות, היכולת לספוג את נוזל העבודה ולקבוע את הלחץ הנדרש לשבר הידראולי.
2. ניקוי החור התחתון מחול או קרום חרס (שטיפה במים בלחץ, טיפול בחומצה הידרוכלורית, ניקוב הידרו-התזת חול ושיטות נוספות).
3. בודק את הבאר עם תבנית מיוחדת.
4. ירידה לתוך צינורות הבאר כדי לספק את נוזל העבודה.
5. התקנה של אורז לחץ ועוגנים הידראוליים להגנה על מעטפת.
6. התקנה של ראש בארציוד (סעפת, סיכה והתקנים אחרים) לחיבור יחידות שאיבה לצינורות הזרקה ואיטום הבאר.

תרשים עיקרי של צנרת ציוד תהליך במהלך שבירה הידראולית מוצג באיור למטה.

רצף שברים

טכניקה וטכנולוגיה של שבירה הידראולית מורכבת מההליכים הבאים:

1. צינורות ההזרקה מסופקים עם נוזל עבודה (לרוב שמן לבאר הפקה או מים לבאר הזרקה).
2. הגדל את לחץ הנוזל השבר לערך עיצוב מקסימלי.
3. בדוק את אטימות האריזה (לא צריכה להיות הצפת נוזלים מהטבעת).
4. Proppant מתווסף לנוזל העבודה לאחר מתרחשת שבירה הידראולית. זה נשפט לפי עלייה חדה בהזרקת הבאר (ירידה בלחץ במשאבות).
5. איזוטופים רדיואקטיביים כלולים באצווה האחרונה של הדחף לצורך אימות עוקב של אזור האובדן באמצעות רישום גרעיני.
6. ספק את נוזל הסחיטה בלחץ הגבוה ביותר להנחת סדק אמין.
7. הסרת נוזל השבירה מלמטה כדי להבטיח את זרימת נוזל היווצרות לתוך קידוח הבאר.
8. פרק ציוד תהליך.
9. הבאר מופעלת.

אם הבאר רדודה יחסית, אזי מותר לספק את נוזל העבודה דרך צינורות מעטפת. אפשר גם לבצע שבר הידראולי ללאאורז - דרך צינורות וטבעת. זה מפחית הפסדים הידראוליים לנוזלים בעלי צמיג גבוה.

מכונות ומנגנונים לשבר הידראולי

ציוד שבירה הידראולי כולל את סוגי הציוד הבאים:

• מכונות והתקני קרקע: יחידות שאיבה (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 ואחרות); מפעלי ערבוב חול על שלדות מכוניות (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong ואחרים); משאיות טנקים להובלת נוזלים (ATsN-8S ו-14S, ATK-8, Sanji, Xishi ואחרים); צנרת ראש באר (סעפת, ראש באר, שסתומי סגירה, סעפות הפצה ולחץ עם שסתומי סימון, מדי לחץ וציוד אחר).
• ציוד עזר: אגרגטים לפעולות מעידה; כננות; תחנות ניטור ובקרה; משאיות צינור וציוד אחר.
• ציוד תת-קרקעי: אורזים לבידוד המערך שבו מתוכנן שבר הידראולי מחלק אחר של מחרוזת הייצור; עוגנים למניעת הרמת ציוד תת קרקעי עקב לחץ גבוה; מחרוזת צינורות.

סוג הציוד ומספר חלקי הציוד נקבעים על סמך פרמטרי התכנון של השבר ההידראולי.

מאפייני עיצוב

הנוסחאות הבסיסיות הבאות משמשות לחישוב שבר הידראולי:

1. BHP (MPa) עבור שבירה הידראולית באמצעות נוזל מסונן: p=10^-2KL_c, כאשר K הוא מקדם שנבחר מטווח הערכים 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – אורך הבאר, מ.}
2. לחץ הזרקת נוזל עם חול (להנחת שבר): p_p =p - ρgL_c + p_t, כאשר ρ היא הצפיפות של נוזל נושא החול, kg/m³, g=9.8 m/s², p _t – אובדן לחץ כתוצאה מחיכוך של הנוזל נושא החול. המחוון האחרון נקבע על ידי הנוסחה: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – קוטר פנימי של צינורות.
3. מספר יחידות השאיבה: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, כאשר p_p הוא לחץ הפעולה של המשאבה, Q_p הוא האספקה שלה בלחץ נתון, K T- מקדם המצב הטכני של המכונה (נבחר בתוך 0.5-0.8).
4. כמות נוזל העקירה: V=0, 785d_B²L_c.

אם מתרחשת שבירה הידראולית תוך שימוש בחול כחומר תומך, מניחים שכמותו לכל פעולה אחת היא 8-10 טון, וכמות הנוזל נקבעת לפי הנוסחה:

V=Q_sC_s, כאשר Q_s היא כמות החול, t, C_s – ריכוז חול בנוזל של 1 m^3.

חישוב של פרמטרים אלה חשוב, מאחר ובערך לחץ גבוה מדי במהלך שבירה הידראולית, נוזל נסחט לתוך המאגר, תאונות מתרחשות בעמודת ייצור. אחרת, אם הערך נמוך מדי, יהיה צורך להפסיק את השבר ההידראולי עקב חוסר היכולת להגיע ללחץ הנדרש.

עיצוב השבר נעשה באופן הבא:

1. בחירת בארות בהתאם למערכת פיתוח השדות הקיימת או המתוכננת.
2. קביעת גיאומטריית השבר הטובה ביותר, תוך התחשבות במספר גורמים: חדירות סלע, רשת באר, קרבה למגע שמן-מים.
3. ניתוח המאפיינים הפיזיים והמכאניים של סלעים ובחירת מודל תיאורטי להיווצרות סדק.
4. קביעת סוג, כמות וריכוז של הדחף.
5. בחירת נוזל שבירה בעל תכונות ריאולוגיות מתאימות וחישוב נפחו.
6. חישוב של פרמטרים טכנולוגיים אחרים.
7. הגדרה של יעילות כלכלית.

Frac Fluids

נוזלי עבודה (עקירה, שבירה ומוביל חול) הם אחד המרכיבים החשובים ביותר של שבירה הידראולית. היתרונות והחסרונות של סוגיהם השונים קשורים בעיקר לתכונות ריאולוגיות. אם בעבר השתמשו רק בתכשירים המבוססים על שמן צמיג (כדי להפחית את ספיגתם במאגר), הרי שעלייה בכוחן של יחידות השאיבה אפשרה כעת לעבור לנוזלים על בסיס מים עם צמיגות נמוכה. בשל כך, הלחץ של ראש הבאר והפסדי ההתנגדות ההידראולית במיתר הצינורות ירדו.

בתרגול בעולם, הבאסוגים עיקריים של נוזלי שבירה הידראוליים:

• מים עם ובלי תומכים. היתרון שלו הוא בעלות נמוכה. החיסרון הוא עומק החדירה הנמוך למאגר.
• תמיסות פולימר (גואר ונגזרותיו PPG, CMHPG; תאית הידרוקסיאתיל תאית, תאית קרבוקסימטיל, קסנתן גאם). B, Cr, Ti, Zr ומתכות אחרות משמשות להצלבת מולקולות. מבחינת עלות, פולימרים שייכים לקטגוריה האמצעית. החיסרון של נוזלים כאלה הוא הסיכון הגבוה לשינויים שליליים במאגר. היתרונות כוללים עומק חדירה גדול יותר.
• אמולסיות המורכבות מפאזה פחמימנית (סולר, נפט, עיבוי גז) ומים (מינרליים או טריים).
• ג'ל פחמימנים.
• מתנול.
• פחמן דו חמצני מעובה.
• מערכות קצף.
• ג'ל קצף, המורכב מג'לים מוצלבים, קצף חנקן או פחמן דו חמצני. יש להם עלות גבוהה, אבל לא משפיעים על איכות האספן. יתרונות נוספים הם כושר נשיאת תומך גבוה והרס עצמי עם מעט נוזלים.

כדי לשפר את הפונקציות של תרכובות אלה, נעשה שימוש בתוספים טכנולוגיים שונים:

• חומרי שטח;
• מתחלבים;
• מפרקים המפחיתים חיכוך נוזלים;
• foamers;
• תוספים שמשנים חומציות;
• מייצבים תרמיים;
• תוספים קוטלי חיידקים ואנטי קורוזיבי ואחרים.

המאפיינים העיקריים של נוזלי שבירה הידראוליים כוללים:

• נדרשת צמיגות דינמית לפתיחת סדק;
• מאפייני הסתננות שקובעים אובדן נוזלים;
• היכולת לשאת מטען מבלי שייחלץ בטרם עת מהפתרון;
• יציבות גזירה וטמפרטורה;
• תאימות עם ריאגנטים אחרים;
• פעילות קורוזיבית;
• ירוק ובטוח.

נוזלים בעלי צמיגות נמוכה דורשים הזרקה של נפח גדול יותר כדי להשיג את הלחץ הנדרש במאגר, ונוזלים בעלי צמיגות גבוהה דורשים יותר לחץ שפותח על ידי ציוד שאיבה, שכן מתרחשים הפסדים משמעותיים בהתנגדות הידראולית. נוזלים צמיגים יותר מאופיינים גם ביכולת סינון נמוכה יותר בסלעים.

חומרי תמיכה

התומכים הנפוצים ביותר הם:

• חול קוורץ. אחד החומרים הטבעיים הנפוצים ביותר, ולכן עלותו נמוכה. מתקן סדקים בתנאים גיאולוגיים שונים (אוניברסלי). גודל גרגרי חול לשבר הידראולי נבחר 0.5-1 מ"מ. הריכוז בנוזל נושא החול נע בין 100-600 ק"ג/מ"ר3. בסלעים המאופיינים בשבר חזק, צריכת החומר יכולה להגיע לכמה עשרות טונות לבאר 1.
• באקסיטים (תחמוצת אלומיניום Al₂O_{3). היתרון של סוג זה של תומך הוא החוזק הגדול יותר שלו בהשוואה לחול. מיוצר על ידיריסוק וצלייה של עפרות בוקסיט.}
• תחמוצת זירקוניום. יש לו מאפיינים דומים לסוג הקודם של הפרופפט. בשימוש נרחב באירופה. חסרון נפוץ של חומרים כאלה הוא העלות הגבוהה שלהם.
• גרגירי קרמיקה. עבור שבירה הידראולית משתמשים בגרגירים בגודל שבין 0.425 ל-1.7 מ"מ. הם שייכים לתומכים בעוצמה בינונית. הצג יעילות כלכלית גבוהה.
• גולות זכוכית. שימש בעבר לבארות עמוקות, וכעת הוחלפו כמעט לחלוטין בבוקסיטים זולים יותר.

שבירה חומצה

מהות השבר הידראולי בחומצה היא שבשלב הראשון נוצר שבר באופן מלאכותי (בדיוק כמו בטכנולוגיית שבירה הידראולית קונבנציונלית), ואז נשאבת לתוכו חומצה. האחרון מגיב עם הסלע, ויוצר תעלות ארוכות המגבירות את החדירות של המאגר באזור התחתון. כתוצאה מכך, מקדם שחזור הנפט מהבאר עולה.

סוג זה של תהליך שבירה הידראולי יעיל במיוחד עבור תצורות קרבונט. לדברי חוקרים, יותר מ-40% ממאגרי הנפט בעולם קשורים למאגר מסוג זה. הטכניקה והטכנולוגיה של שבירה הידראולית במקרה זה שונות מעט מאלה שתוארו לעיל. הציוד מיוצר בעיצוב עמיד לחומצה. מעכבים (פורמלין, unikol, urotropin ואחרים) משמשים גם כדי להגן על מכונות מפני קורוזיה.

סוגי שבר חומצה הם טיפולים דו-שלביים באמצעות חומרים כגון:

• תרכובות פולימר (PAA, PVC, gipan ואחרים);
• תרכובות לטקס (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• resins (BNI-5, TSD-9, TS-10).

כממיסים חומציים, נעשה שימוש בתמיסת חומצה הידרוכלורית של 15%, כמו גם בהרכבים מיוחדים (SNPKh-9010, SNPKh-9633 ואחרים).

סוגי שבר חומצה הם טיפולים דו-שלביים באמצעות חומרים כגון:

• תרכובות פולימר (PAA, PVV, gipan ואחרות);
• תרכובות לטקס (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• resins (BNI-5, TSD-9, TS-10).

כממיסים חומציים, נעשה שימוש בתמיסת חומצה הידרוכלורית של 15%, כמו גם בהרכבים מיוחדים (SNPKh-9010, SNPKh-9633 ואחרים).