Gãy thủy lực: chủng loại, tính toán và quy trình công nghệ

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-02 14:05

Nứt gãy thủy lực (HF) là một trong những biện pháp kỹ thuật và địa chất hiệu quả nhất, mục đích là tăng cường dòng chảy của chất lỏng hình thành đến các giếng sản xuất. Việc sử dụng công nghệ này không chỉ cho phép tăng khả năng thu hồi trữ lượng trong bán kính thoát nước giếng, mà còn mở rộng diện tích này, tăng khả năng thu hồi dầu cuối cùng của vỉa. Với yếu tố này, thiết kế phát triển hiện trường có thể được thực hiện với sự sắp xếp của một mô hình giếng thưa hơn.

Mô tả ngắn

Bản chất của đứt gãy thủy lực được mô tả bằng quy trình sau:

• bể chứa phải chịu áp suất quá mức (lượng chất lỏng tiêu thụ trong quá trình lớn hơn nhiều so với lượng chất lỏng có thể bị đá hấp thụ);
• áp suất lỗ thoát tăng cho đến khi vượt quá ứng suất bên trong ống góp;
• đá bị xé theo mặt phẳng có độ bền cơ học kém nhất (thường xuyên nhất theo hướng xiên hoặc thẳng đứng);
• lạihình thành và các vết nứt cũ tăng lên, kết nối của chúng với hệ thống lỗ chân lông tự nhiên xuất hiện;
• khu vực tăng độ thẩm thấu gần giếng tăng lên;
• proppants dạng hạt đặc biệt (proppants) được bơm vào các vết đứt gãy mở rộng để cố định chúng ở trạng thái mở sau khi loại bỏ áp lực lên thành hình;
• khả năng chống chuyển động của chất lỏng gần như bằng không, do đó, tốc độ dòng chảy của giếng tăng lên nhiều lần.

Chiều dài của các vết đứt gãy trong đá có thể lên tới vài trăm mét, và đáy giếng trở nên thông với các khu vực hẻo lánh của hồ chứa. Một trong những yếu tố quan trọng nhất làm nên hiệu quả của phương pháp xử lý này là sự cố định của vết nứt, cho phép tạo ra một kênh lọc. Tuy nhiên, năng suất giếng không thể tăng vô hạn khi kích thước vết nứt tăng lên. Có độ dài tối đa, trên đó tốc độ dòng chảy không trở nên sâu hơn.

Phạm vi áp dụng

Công nghệ này được sử dụng cho cả sản xuất (tăng cường thu hồi dầu) và phun (tăng khả năng bị thương), giếng ngang và giếng đứng. Các lĩnh vực ứng dụng của bẻ gãy thủy lực sau đây được phân biệt:

• tăng cường tỷ lệ sản xuất của các giếng có vùng đáy bị ô nhiễm trong các hồ chứa có độ thấm khác nhau;
• sự phát triển của các khoản tiền gửi không đồng nhất;
• cải thiện kết nối thủy động lực học của giếng với hệ thống đứt gãy tự nhiên trong hồ chứa;
• mở rộng vùng dòng chất lỏng trong bể chứa;
• phát triển của các hồ chứa có độ thấm thấp vàgiếng lợi nhuận thấp;
• thay đổi dòng thấm trong giếng phun;
• phục hồi các thông số giếng không bị ảnh hưởng bởi các phương pháp khác.

Các giới hạn đối với công nghệ nứt vỡ thủy lực là vùng khí-dầu, được đặc trưng bởi các đặc điểm sau:

• coning nhanh (kéo nước hình thành đáy giếng);
• đột phá đột ngột của nước hoặc khí vào giếng;
• hồ chứa cạn kiệt với trữ lượng thấp, thấu kính bão hòa dầu có thể tích nhỏ (do kinh tế không khả quan).

Thông thường nứt vỡ thủy lực được sử dụng như một phương pháp kích thích cho các hồ có độ thấm trung bình và cao. Đối với họ, yếu tố chính làm tăng dòng chảy của chất lỏng vỉa là chiều dài của vết nứt được hình thành, và trong các mỏ có độ thấm đá thấp, chiều rộng của nó.

Vỡ thủy lực: ưu nhược điểm

Ưu điểm của bẻ gãy thủy lực là:

• áp dụng cho các khu vực có cấu tạo địa chất đa dạng;
• tác động lên toàn bộ hồ chứa và mặt cắt của nó;
• giảm hiệu quả lực cản thủy lực ở vùng đáy;
• thông các khu vực lân cận thoát nước kém;
• chất lỏng làm việc rẻ tiền (nước);
• sinh lời cao.

Nhược điểm bao gồm:

• nhu cầu cung cấp lớn nước, cát, hóa chất bổ sung;
• quá trình không kiểm soát tạo ra vết nứt trên đá, không thể đoán trước được cơ chếnứt;
• khi các giếng có tốc độ dòng chảy cao được đưa vào vận hành sau khi bị nứt vỡ thủy lực, thì giá thể có thể bị đứt gãy, dẫn đến giảm mức độ mở của chúng và giảm tốc độ dòng chảy trong những tháng đầu tiên sau khi bắt đầu. hoạt động;
• nguy cơ phun trào không kiểm soát và ô nhiễm môi trường.

Biến thể Quy trình

Phương pháp bẻ gãy khác nhau ở dạng hình thành gãy xương, thể tích chất lỏng và chất bổ sung được tiêm vào, và các đặc điểm khác. Các dạng nứt thủy lực chính bao gồm:

• Theo khu vực tác động đến hệ tầng: cục bộ (chiều dài đứt gãy lên đến 20 m) - phổ biến nhất; xuyên sâu (chiều dài đứt gãy 80-120 m); khối lượng lớn (1000 m trở lên).
• Theo phạm vi bao phủ của đường may: đơn (tác động lên tất cả các đường nối và lớp xen kẽ); nhiều (đối với giếng đã mở từ 2 lớp trở lên); khoảng thời gian (đối với một hồ chứa cụ thể).
• Phương pháp đặc biệt: bẻ gãy axit; Công nghệ TSO - hình thành các vết đứt gãy ngắn để ngăn chặn sự lan truyền của chúng đến sự tiếp xúc với nước và dầu và giảm khối lượng phun chất bổ sung (phương pháp này cho thấy hiệu quả cao trong các hồ chứa cát); xung lực (tạo ra một số vết đứt gãy phân kỳ hướng tâm trong đá có độ thẩm thấu cao và trung bình để giảm hiệu ứng da - sự suy giảm tính thấm của lỗ chân lông do chúng bị nhiễm bẩn với các hạt chứa trong chất lỏng hình thành lọc.

Nhiềukhoảng cách

Nhiều phương pháp bẻ gãy thủy lực được thực hiện bằng một số phương pháp:

1. Đầu tiên, một vết nứt được tạo ra bằng công nghệ thông thường. Sau đó, nó bị tắc tạm thời bằng cách tiêm các chất (naphthalene dạng hạt, bóng nhựa, và những chất khác) để đóng các lỗ thủng. Sau đó, quá trình bẻ gãy thủy lực được thực hiện ở nơi khác.
2. Việc phân chia khu vực được thực hiện bằng cách sử dụng máy đóng gói hoặc cổng thủy lực. Đối với mỗi khoảng thời gian, bẻ gãy thủy lực được thực hiện theo sơ đồ truyền thống.
3. Đập vỡ thủy lực theo giai đoạn với sự cô lập của từng vùng bên dưới bằng một nút cát.

Trong các phần đất sét, hiệu quả nhất là tạo ra các vết đứt gãy dọc, vì chúng kết nối các lớp dầu và khí sản xuất. Những vết gãy như vậy được tạo ra do tác động của chất lỏng không lọc được hoặc do tốc độ tiêm tăng nhanh.

Chuẩn bị cho nứt thủy lực

Công nghệ hồ chứa thủy lực bao gồm nhiều giai đoạn. Công việc chuẩn bị như sau:

1. Nghiên cứu giếng về dòng chảy của chất lỏng hình thành, khả năng hấp thụ chất lỏng làm việc và xác định áp suất cần thiết cho quá trình nứt vỡ thủy lực.
2. Làm sạch lỗ đáy khỏi cát hoặc lớp vỏ đất sét (rửa bằng nước dưới áp lực, xử lý bằng axit clohydric, lỗ thủng bằng phun cát hydro và các phương pháp khác).
3. Kiểm tra giếng bằng một mẫu đặc biệt.
4. Đi xuống ống giếng để cung cấp chất lỏng hoạt động.
5. Lắp đặt bộ đóng gói áp suất và neo thủy lực để bảo vệ vỏ.
6. Lắp đặt đầu giếngthiết bị (ống góp, bộ bôi trơn và các thiết bị khác) để kết nối các đơn vị bơm với đường ống phun và làm kín giếng.

Sơ đồ chính của đường ống thiết bị xử lý trong quá trình nứt vỡ thủy lực được thể hiện trong hình bên dưới.

Bẻ gãy chuỗi

Kỹ thuật và công nghệ bẻ thủy lực bao gồm các quy trình sau:

1. Các đường ống phun được cung cấp chất lỏng hoạt động (thường là dầu cho giếng sản xuất hoặc nước cho giếng phun).
2. Tăng áp suất chất lỏng đứt gãy đến giá trị thiết kế tối đa.
3. Kiểm tra độ kín của bộ đóng gói (không được tràn chất lỏng từ vành khuyên).
4. Proppant được thêm vào chất lỏng làm việc sau khi xảy ra hiện tượng đứt gãy thủy lực. Điều này được đánh giá là do sự gia tăng mạnh về khả năng gây thương tích của giếng (giảm áp suất trong máy bơm).
5. Đồng vị phóng xạ được bao gồm trong lô vật chất cuối cùng để xác minh vùng tổn thất tiếp theo bằng cách sử dụng khai thác hạt nhân.
6. Cung cấp chất lỏng ép áp suất cao nhất để tạo vết nứt đáng tin cậy.
7. Loại bỏ chất lỏng nứt nẻ từ đáy để đảm bảo dòng chất lỏng hình thành vào lòng giếng.
8. Tháo dỡ thiết bị xử lý.
9. Giếng đang được vận hành.

Nếu giếng tương đối nông, thì chất lỏng làm việc được phép cung cấp qua các đường ống có vỏ. Cũng có thể thực hiện bẻ gãy thủy lực mà không cầnngười đóng gói - thông qua các đường ống ống và vòng đệm. Điều này làm giảm tổn thất thủy lực đối với chất lỏng có độ nhớt cao.

Máy và cơ cấu bẻ gãy thủy lực

Thiết bị bẻ gãy thủy lực bao gồm các loại thiết bị sau:

• Máy và thiết bị mặt đất: thiết bị bơm (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 và các loại khác); trạm trộn cát trên khung gầm ô tô (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong và những loại khác); xe bồn để vận chuyển chất lỏng (ATsN-8S và 14S, ATK-8, Sanji, Xishi và những loại khác); đường ống đầu giếng (ống góp, đầu giếng, van ngắt, ống phân phối và áp suất với van kiểm tra, đồng hồ áp suất và các thiết bị khác).
• Thiết bị phụ trợ: tổng hợp cho các hoạt động vấp ngã; tời kéo; các trạm giám sát và điều khiển; xe chở ống và các thiết bị khác.
• Thiết bị ngầm: thiết bị đóng gói để cô lập hệ thống trong đó nứt vỡ thủy lực được lên kế hoạch từ một phần khác của dây chuyền sản xuất; neo để chống nâng thiết bị ngầm do áp lực lớn; chuỗi ống.

Loại thiết bị và số lượng thiết bị được xác định dựa trên các thông số thiết kế của nứt thủy lực.

Đặc điểm thiết kế

Các công thức cơ bản sau được sử dụng để tính toán nứt vỡ thủy lực:

1. BHP (MPa) cho bẻ gãy thủy lực sử dụng chất lỏng lọc: p=10^-2KL_c, trong đó K là hệ số được chọn từ phạm vi giá trị 1, 5-1, 8 MPa / m, L_{c- chiều dài giếng, m.}
2. Áp suất phun của chất lỏng với cát (để chống đứt gãy): p_p=p - ρgL_c+ p_t, trong đó ρ là khối lượng riêng của chất lỏng mang cát, kg / m³, g=9,8 m / s², p_t- tổn thất áp suất do ma sát của chất lỏng mang cát. Chỉ số cuối cùng được xác định theo công thức: p_t=8λQ²ρL_c/ (πd B ₎2^B- đường kính trong của ống.
3. Số đơn vị bơm: n=pQ / (p_pQ_pK_T) + 1, trong đó p_plà áp suất hoạt động của máy bơm, Q_plà nguồn cung cấp của nó ở một áp suất nhất định, K T - hệ số tình trạng kỹ thuật của máy (được chọn trong khoảng 0,5-0,8).
4. Lượng chất lỏng dịch chuyển: V=0, 785d_B²L_c.

Nếu nứt vỡ thủy lực xảy ra bằng cách sử dụng cát làm vật nâng, thì khối lượng của nó trên 1 lần vận hành được giả định là 8-10 tấn và lượng chất lỏng được xác định theo công thức:

V=Q_sC_s, trong đó Q_slà lượng cát, t, C_s- nồng độ của cát trong 1 m^3lỏng.

Việc tính toán các thông số này rất quan trọng, vì ở giá trị áp suất quá cao trong quá trình bẻ gãy thủy lực, chất lỏng bị ép vào bể chứa, tai nạn xảy ra trongcột sản xuất. Nếu không, nếu giá trị quá thấp, quá trình bẻ gãy thủy lực sẽ cần phải dừng lại do không thể đạt được áp suất cần thiết.

Thiết kế đứt gãy được thực hiện như sau:

1. Lựa chọn giếng theo hệ thống phát triển hiện trường hoặc theo kế hoạch.
2. Xác định hình dạng đứt gãy tốt nhất, có tính đến một số yếu tố: độ thấm của đá, lưới giếng, vị trí tiếp xúc dầu-nước.
3. Phân tích các đặc tính vật lý và cơ học của đá và lựa chọn mô hình lý thuyết cho sự hình thành vết nứt.
4. Xác định loại, số lượng và nồng độ của proppant.
5. Lựa chọn chất lỏng nứt nẻ với các đặc tính lưu biến phù hợp và tính toán thể tích của nó.
6. Tính toán các thông số công nghệ khác.
7. Định nghĩa về hiệu quả kinh tế.

Frac Fluids

Chất lỏng làm việc (dịch chuyển, đứt gãy và chất mang cát) là một trong những yếu tố quan trọng nhất của nứt vỡ thủy lực. Ưu điểm và nhược điểm của các loại khác nhau chủ yếu liên quan đến các đặc tính lưu biến. Nếu trước đây chỉ sử dụng các chế phẩm gốc dầu nhớt (để giảm sự hấp thụ của chúng bởi bể chứa), thì hiện nay việc tăng công suất của các bộ phận bơm đã giúp chúng ta có thể chuyển sang sử dụng chất lỏng gốc nước có độ nhớt thấp. Do đó, tổn thất áp suất đầu giếng và lực cản thủy lực trong dây ống đã giảm.

Trong thực tế thế giới, những điều saucác loại chất lỏng bẻ gãy thủy lực chính:

• Nước có và không có chất lót. Ưu điểm của nó là giá thành rẻ. Điểm bất lợi là độ sâu xâm nhập vào hồ chứa thấp.
• Dung dịch polyme (guar và các dẫn xuất của nó PPG, CMHPG; cellulose hydroxyethyl ete, carboxymethyl cellulose, xanthan gum). B, Cr, Ti, Zr và các kim loại khác được sử dụng để liên kết chéo giữa các phân tử. Về giá thành, polyme thuộc vào loại trung bình. Nhược điểm của các chất lỏng như vậy là nguy cơ cao gây ra những thay đổi tiêu cực trong bể chứa. Ưu điểm bao gồm độ sâu thâm nhập lớn hơn.
• Nhũ tương bao gồm pha hydrocacbon (nhiên liệu diesel, dầu, khí ngưng tụ) và nước (khoáng hoặc mới).
• Gel hydrocacbon.
• Metanol.
• Carbon dioxide đậm đặc.
• Hệ thống bọt.
• Gel tạo bọt, bao gồm gel liên kết chéo, bọt nitơ hoặc carbon dioxide. Chúng có giá thành cao, nhưng không ảnh hưởng đến chất lượng của người thu mua. Các ưu điểm khác là khả năng chuyên chở cao và tự hủy với ít chất lỏng còn sót lại.

Để cải thiện chức năng của các hợp chất này, các chất phụ gia công nghệ khác nhau được sử dụng:

• chất hoạt động bề mặt;
• chất nhũ hoá;
• chất lỏng giảm ma sát khớp;
• foamers;
• phụ gia thay đổi độ chua;
• ổn định nhiệt;
• phụ gia diệt khuẩn và chống ăn mòn và các chất phụ gia khác.

Các đặc tính chính của chất lỏng nứt vỡ thủy lực bao gồm:

• độ nhớt động lực cần thiết để mở vết nứt;
• tính chất thẩm thấu quyết định sự thất thoát chất lỏng;
• khả năng mang chất dự trữ mà không cần giải quyết sớm;
• ổn định cắt và nhiệt độ;
• khả năng tương thích với các thuốc thử khác;
• hoạt động ăn mòn;
• xanh và an toàn.

Chất lỏng có độ nhớt thấp yêu cầu bơm một thể tích lớn hơn để đạt được áp suất cần thiết trong bình chứa và chất lỏng có độ nhớt cao yêu cầu áp suất cao hơn do thiết bị bơm phát triển, vì xảy ra tổn thất đáng kể về lực cản thủy lực. Các chất lỏng nhớt hơn cũng được đặc trưng bởi khả năng lọc trong đá thấp hơn.

Vật liệu chế tạo

Các proppants hay còn gọi là proppants thường được sử dụng nhất là:

• Cát thạch anh. Một trong những vật liệu tự nhiên phổ biến nhất, và do đó giá thành của nó thấp. Sửa chữa các vết nứt trong các điều kiện địa chất khác nhau (phổ quát). Kích thước hạt cát làm nứt vỡ thủy lực được chọn 0,5-1 mm. Nồng độ trong chất lỏng mang cát thay đổi trong khoảng 100-600 kg / m3. Ở những loại đá có đặc điểm là đứt gãy mạnh, mức tiêu hao vật liệu có thể lên tới vài chục tấn trên 1 giếng.
• Bauxit (nhôm oxit Al₂O_{3). Ưu điểm của loại vật liệu này là độ bền lớn hơn so với cát. Sản xuất bởinghiền và rang quặng bôxít.}
• Zirconi oxit. Nó có các đặc tính tương tự như loại proppant trước đó. Được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu. Một nhược điểm chung của những vật liệu này là giá thành cao.
• Hạt gốm. Đối với nứt vỡ thủy lực, các hạt có kích thước từ 0,425 đến 1,7 mm được sử dụng. Chúng thuộc về những người ủng hộ sức mạnh trung bình. Cho thấy hiệu quả kinh tế cao.
• Bi thủy tinh. Trước đây được sử dụng cho các giếng sâu, bây giờ gần như được thay thế hoàn toàn bằng các loại bôxít rẻ hơn.

Bẻ gãy axit

Bản chất của đứt gãy thủy lực bằng axit là ở giai đoạn đầu tiên, vết nứt được tạo ra một cách nhân tạo (giống như trong công nghệ bẻ gãy thủy lực thông thường), sau đó axit được bơm vào. Chất sau phản ứng với đá, tạo ra các kênh dài làm tăng tính thấm của bể chứa trong vùng đáy. Do đó, hệ số thu hồi dầu từ giếng tăng lên.

Loại quá trình nứt vỡ thủy lực này đặc biệt hiệu quả đối với các thành tạo cacbonat. Theo các nhà nghiên cứu, hơn 40% trữ lượng dầu trên thế giới có liên quan đến loại vỉa này. Kỹ thuật và công nghệ bẻ gãy thủy lực trong trường hợp này hơi khác so với những gì đã mô tả ở trên. Thiết bị được sản xuất theo thiết kế chống axit. Các chất ức chế (formalin, unikol, urotropin và các chất khác) cũng được sử dụng để bảo vệ máy móc khỏi bị ăn mòn.

Loại đứt gãy axit là phương pháp điều trị hai giai đoạn sử dụng các vật liệu như:

• hợp chất polyme (PAA, PVC, gipan vànhững người khác);
• hợp chất latex (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• nhựa (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Là dung môi có tính axit, dung dịch axit clohydric 15% được sử dụng, cũng như các chế phẩm đặc biệt (SNPKh-9010, SNPKh-9633 và các loại khác).

Loại đứt gãy axit là phương pháp điều trị hai giai đoạn sử dụng các vật liệu như:

• hợp chất polyme (PAA, PVV, gipan và các hợp chất khác);
• hợp chất latex (SKMS-30, ARC);
• styrene;
• nhựa (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Là dung môi có tính axit, dung dịch axit clohydric 15% được sử dụng, cũng như các chế phẩm đặc biệt (SNPKh-9010, SNPKh-9633 và các loại khác).