Fraturamento hidráulico: tipos, cálculo e processo tecnológico

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 14:01

O fraturamento hidráulico (HF) é uma das medidas geológicas e técnicas mais eficazes, cujo objetivo é intensificar o fluxo do fluido de formação para os poços produtores. A utilização desta tecnologia permite não só aumentar a recuperação das reservas dentro do raio de drenagem do poço, mas também expandir esta área, aumentando a recuperação final de óleo do reservatório. Dado este fator, o projeto de desenvolvimento de campo pode ser realizado com o arranjo de um padrão de poço mais esparso.

Descrição curta

A essência do fraturamento hidráulico é descrita pelo seguinte processo:

• reservatório está sujeito a pressão excessiva (o consumo de fluido do processo é muito maior do que pode ser absorvido pelas rochas);
• pressão de fundo de poço aumenta até exceder as tensões internas no coletor;
• rochas são rasgadas no plano de menor resistência mecânica (na maioria das vezes na direção oblíqua ou vertical);
• novamenteformadas e rachaduras antigas aumentam, sua conexão com o sistema natural de poros aparece;
• aumenta uma zona de permeabilidade aumentada perto do poço;
• propantes granulares especiais (propantes) são bombeados nas fraturas expandidas para fixá-las no estado aberto após a remoção da pressão na formação;
• resistência ao movimento do fluido de formação torna-se quase zero, como resultado, a vazão do poço aumenta várias vezes.

O comprimento das fraturas nas rochas pode ser de várias centenas de metros, e o fundo do poço se conecta com áreas remotas do reservatório. Um dos fatores mais importantes na eficácia deste tratamento é a fixação da fissura, que permite criar um canal de filtração. No entanto, a produtividade do poço não pode aumentar indefinidamente à medida que o tamanho da fratura aumenta. Existe um comprimento máximo, acima do qual a vazão não se torna mais intensa.

Escopo de aplicação

Esta tecnologia é utilizada tanto para produção (recuperação avançada de petróleo) quanto para injeção (injetividade aumentada), poços horizontais e verticais. Distinguem-se as seguintes áreas de aplicação do fraturamento hidráulico:

• intensificação da taxa de produção de poços com zona de fundo de poço contaminada em reservatórios com permeabilidades diferentes;
• desenvolvimento de depósitos heterogêneos;
• melhorar a ligação hidrodinâmica do poço com o sistema de fratura natural no reservatório;
• expansão da zona de entrada de fluido do reservatório;
• desenvolvimento de reservatórios com baixa permeabilidade epoços de baixa margem;
• mudança nos fluxos de infiltração em poços de injeção;
• restauração de parâmetros de poços que não são afetados por outros métodos.

Os limites para a tecnologia de fraturamento hidráulico são as zonas gasóleo, que se caracterizam pelas seguintes características:

• coning rápido (puxar a água de formação para o fundo do poço);
• descobertas repentinas de água ou gás no poço;
• reservatórios esgotados com baixas reservas, lentes saturadas de óleo de pequeno volume (por f alta de rentabilidade econômica).

Na maioria das vezes, o fraturamento hidráulico é utilizado como método de estimulação para reservatórios de média e alta permeabilidade. Para eles, o principal fator para aumentar a entrada de fluido do reservatório é o comprimento da fratura formada, e em depósitos com baixa permeabilidade da rocha, sua largura.

Fraturamento hidráulico: vantagens e desvantagens

As vantagens do fraturamento hidráulico são:

• aplicável a áreas com estrutura geológica diversa;
• impacto tanto em todo o reservatório quanto em sua seção;
• redução efetiva da resistência hidráulica na zona do fundo do poço;
• comunhão de áreas adjacentes mal drenadas;
• fluido de trabalho barato (água);
• alta lucratividade.

As desvantagens incluem:

• necessidade de grandes suprimentos de água, areia, produtos químicos adicionais;
• processo descontrolado de criação de uma rachadura na rocha, imprevisibilidade do mecanismorachando;
• quando poços com altas vazões são colocados em operação após o fraturamento hidráulico, o propante pode ser retirado das fraturas, resultando em diminuição do grau de abertura e diminuição da vazão nos primeiros meses após o início de operação;
• risco de esguicho descontrolado e poluição ambiental.

Variações de Processo

Os métodos de fraturamento diferem no tipo de formação da fratura, no volume de fluido e propantes injetados e em outras características. Os principais tipos de fraturamento hidráulico incluem o seguinte:

• De acordo com a área de impacto na formação: local (comprimento da fratura até 20 m) - o mais difundido; penetrante profundo (comprimento da fratura 80-120 m); concentrado (1000 m e mais).
• Por cobertura de costura: simples (impacto em todas as costuras e interlayers); múltiplo (para poços que abriram 2 ou mais camadas); intervalo (para um reservatório específico).
• Métodos especiais: fraturamento ácido; Tecnologia TSO - formação de fraturas curtas para evitar sua propagação ao contato água-óleo e reduzir o volume de injeção de propante (esse método apresenta alta eficiência em reservatórios arenosos); impulso (criação de várias fraturas radialmente divergentes em rochas de média e alta permeabilidade para reduzir o efeito pelicular - a deterioração da permeabilidade dos poros devido à sua contaminação com partículas contidas no fluido de formação filtrante.

Múltiplolacuna

O fraturamento hidráulico múltiplo é realizado por vários métodos:

1. Primeiro, uma rachadura é criada usando tecnologia convencional. Em seguida, ele é temporariamente obstruído por substâncias injetáveis (naftaleno granulado, bolas de plástico e outros) que fecham as perfurações. Depois disso, o fraturamento hidráulico é feito em outro lugar.
2. A separação das zonas é feita por packers ou comportas hidráulicas. Para cada um dos intervalos, o fraturamento hidráulico é realizado de acordo com o esquema tradicional.
3. Fraturamento hidráulico faseado com isolamento de cada zona subjacente com um tampão de areia.

Em seções de argila, o mais eficaz é a criação de fraturas verticais, pois conectam camadas produtivas de óleo e gás. Tais fraturas são produzidas pela ação de fluidos não filtráveis ou por um rápido aumento na taxa de injeção.

Preparação para fraturamento hidráulico

A tecnologia de reservatórios hidráulicos consiste em várias etapas. O trabalho preparatório é o seguinte:

1. Estudo do poço para a entrada do fluido de formação, capacidade de absorção do fluido de trabalho e determinação da pressão necessária para fraturamento hidráulico.
2. Limpar o fundo do poço de areia ou crosta argilosa (lavagem com água sob pressão, tratamento com ácido clorídrico, perfuração com hidrojateamento e outros métodos).
3. Verificando o poço com um modelo especial.
4. Descida nos tubos do poço para fornecer o fluido de trabalho.
5. Instalação de empacotador de pressão e âncoras hidráulicas para proteção da carcaça.
6. Instalação da cabeça do poçoequipamentos (manifold, lubrificador e outros dispositivos) para conectar unidades de bombeamento às tubulações de injeção e vedação do poço.

O diagrama principal da tubulação do equipamento de processo durante o fraturamento hidráulico é mostrado na figura abaixo.

Sequência de fratura

Técnica e tecnologia de fraturamento hidráulico consiste nos seguintes procedimentos:

1. Os tubos de injeção são fornecidos com um fluido de trabalho (na maioria das vezes óleo para um poço de produção ou água para um poço de injeção).
2. Aumentar a pressão do fluido de fraturamento para o valor máximo do projeto.
3. Verifique a estanqueidade do obturador (não deve haver transbordamento de fluido do anel).
4. Propante é adicionado ao fluido de trabalho após ocorrer fraturamento hidráulico. Isso é julgado por um aumento acentuado na injetividade do poço (queda de pressão nas bombas).
5. Isótopos radioativos são incluídos no último lote de propante para verificação subsequente da zona de perda usando perfilagem nuclear.
6. Forneça o fluido de compressão da mais alta pressão para um suporte confiável de trincas.
7. Remoção do fluido de fraturamento do fundo para garantir a entrada do fluido de formação no poço.
8. Desmontagem do equipamento de processo.
9. O poço está sendo comissionado.

Se o poço for relativamente raso, então o fluido de trabalho pode ser fornecido através de tubos de revestimento. Também é possível realizar o fraturamento hidráulico sempacker - através de tubos de tubulação e anular. Isso reduz as perdas hidráulicas para fluidos altamente viscosos.

Máquinas e mecanismos para fraturamento hidráulico

Os equipamentos de fraturamento hidráulico incluem os seguintes tipos de equipamentos:

• Máquinas e dispositivos de terra: unidades de bombeamento (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 e outros); usinas de mistura de areia em chassis de automóveis (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong e outras); caminhões tanque para transporte de líquidos (ATsN-8S e 14S, ATK-8, Sanji, Xishi e outros); tubulação de cabeça de poço (coletor, cabeça de poço, válvulas de fechamento, coletores de distribuição e pressão com válvulas de retenção, manômetros e outros equipamentos).
• Equipamento auxiliar: agregados para manobras; guinchos; estações de monitoramento e controle; caminhões de tubos e outros equipamentos.
• Equipamentos subterrâneos: packers para isolar a formação na qual o fraturamento hidráulico está planejado de outra parte da cadeia de produção; âncoras para evitar o levantamento de equipamentos subterrâneos devido à alta pressão; corda de tubulação.

O tipo de equipamento e o número de equipamentos são determinados com base nos parâmetros de projeto do fraturamento hidráulico.

Características de design

As seguintes fórmulas básicas são usadas para calcular o fraturamento hidráulico:

1. BHP (MPa) para fraturamento hidráulico usando um fluido filtrado: p=10^-2KL_c, onde K é um coeficiente selecionado do intervalo de valores 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – comprimento do poço, m.}
2. Pressão de injeção de fluido com areia (para escoramento de fratura): p_p =p - ρgL_c + p_t, onde ρ é a densidade do líquido transportador de areia, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t – perda de pressão devido ao atrito do fluido transportador de areia. O último indicador é determinado pela fórmula: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – diâmetro interno da tubulação.
3. Número de unidades de bombeamento: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, onde p_p é a pressão de operação da bomba, Q_p é sua alimentação em uma determinada pressão, K T- coeficiente da condição técnica da máquina (selecionada entre 0,5-0,8).
4. Quantidade de fluido de deslocamento: V=0, 785d_B²L_c.

Se o fraturamento hidráulico ocorrer usando areia como propante, então sua quantidade por 1 operação é considerada de 8-10 toneladas, e a quantidade de fluido é determinada pela fórmula:

V=Q_sC_s, onde Q_s é a quantidade de areia, t, C_s – concentração de areia em 1 m^{3 líquido.}

O cálculo desses parâmetros é importante, pois em um valor de pressão excessivamente alto durante o fraturamento hidráulico, o fluido é espremido no reservatório, acidentes ocorrem emcoluna de produção. Caso contrário, se o valor for muito baixo, o fraturamento hidráulico precisará ser interrompido devido à incapacidade de atingir a pressão necessária.

O projeto de fratura é feito da seguinte forma:

1. Seleção de poços de acordo com o sistema de desenvolvimento de campo existente ou planejado.
2. Determinação da melhor geometria de fratura, levando em consideração diversos fatores: permeabilidade da rocha, grade do poço, proximidade do contato óleo-água.
3. Análise das características físicas e mecânicas das rochas e escolha de um modelo teórico para a formação de uma trinca.
4. Determinação do tipo de propante, quantidade e concentração.
5. Seleção de um fluido de fraturamento com propriedades reológicas adequadas e cálculo de seu volume.
6. Cálculo de outros parâmetros tecnológicos.
7. Definição de eficiência econômica.

Fluidos Frac

Os fluidos de trabalho (deslocamento, fraturamento e transportador de areia) são um dos elementos mais importantes do fraturamento hidráulico. As vantagens e desvantagens de seus vários tipos estão principalmente relacionadas às propriedades reológicas. Se anteriormente eram usadas apenas composições à base de óleo viscoso (para reduzir sua absorção pelo reservatório), então um aumento na potência das unidades de bombeamento tornou possível a mudança para fluidos à base de água com baixa viscosidade. Devido a isso, a pressão da cabeça do poço e as perdas de resistência hidráulica na coluna de tubulação diminuíram.

Na prática mundial, o seguinteprincipais tipos de fluidos de fraturamento hidráulico:

• Água com e sem propantes. Sua vantagem é o baixo custo. A desvantagem é a baixa profundidade de penetração no reservatório.
• Soluções poliméricas (guar e seus derivados PPG, CMHPG; celulose hidroxietil éter, carboximetilcelulose, goma xantana). B, Cr, Ti, Zr e outros metais são usados para reticulação de moléculas. Em termos de custo, os polímeros pertencem à categoria intermediária. A desvantagem de tais fluidos é o alto risco de alterações negativas no reservatório. As vantagens incluem maior profundidade de penetração.
• Emulsões constituídas por uma fase de hidrocarboneto (combustível diesel, óleo, condensado de gás) e água (mineralizada ou fresca).
• Géis de hidrocarboneto.
• Metanol.
• Dióxido de carbono engrossado.
• Sistemas de espuma.
• Géis de espuma, constituídos por géis reticulados, espumas de nitrogênio ou dióxido de carbono. Eles têm um custo alto, mas não afetam a qualidade do coletor. Outras vantagens são alta capacidade de transporte de propante e autodestruição com pouco líquido residual.

Para melhorar as funções desses compostos, vários aditivos tecnológicos são usados:

• surfactantes;
• emulsificantes;
• juntas redutoras de atrito do fluido;
• espumantes;
• aditivos que alteram a acidez;
• estabilizadores térmicos;
• aditivos bactericidas, anticorrosivos e outros.

As principais características dos fluidos de fraturamento hidráulico incluem:

• viscosidade dinâmica necessária para abrir uma rachadura;
• propriedades de infiltração que determinam a perda de fluido;
• capacidade de transportar propante sem que ele se desfaça prematuramente da solução;
• estabilidade de cisalhamento e temperatura;
• compatibilidade com outros reagentes;
• atividade corrosiva;
• verde e seguro.

Os fluidos de baixa viscosidade requerem injeção de um volume maior para atingir a pressão necessária no reservatório, e os fluidos de alta viscosidade requerem mais pressão desenvolvida pelos equipamentos de bombeamento, pois ocorrem perdas significativas na resistência hidráulica. Líquidos mais viscosos também são caracterizados por menor filtrabilidade em rochas.

Materiais de escoramento

Os propantes mais usados, ou propantes, são:

• Areia de quartzo. Um dos materiais naturais mais comuns e, portanto, seu custo é baixo. Corrige fissuras em várias condições geológicas (universais). O tamanho dos grãos de areia para fraturamento hidráulico é selecionado 0,5-1 mm. A concentração no fluido transportador de areia varia entre 100-600 kg/m3. Em rochas caracterizadas por forte fraturamento, o consumo de material pode chegar a várias dezenas de toneladas por 1 poço.
• Bauxitas (óxido de alumínio Al₂O_{3). A vantagem deste tipo de propante é sua maior resistência em relação à areia. Fabricado poresmagamento e torrefação do minério de bauxita.}
• Óxido de zircônio. Possui propriedades semelhantes ao tipo anterior de propante. Amplamente utilizado na Europa. Uma desvantagem comum de tais materiais é seu alto custo.
• Grânulos cerâmicos. Para fraturamento hidráulico, são usados grânulos que variam em tamanho de 0,425 a 1,7 mm. Eles pertencem a propantes de força média. Mostrar alta eficiência econômica.
• Mármores de vidro. Anteriormente usado para poços profundos, agora quase totalmente substituído por bauxitas mais baratas.

Fraturamento ácido

A essência do fraturamento hidráulico ácido é que, no primeiro estágio, uma fratura é criada artificialmente (assim como na tecnologia de fraturamento hidráulico convencional), e então o ácido é bombeado para ela. Este último reage com a rocha, criando longos canais que aumentam a permeabilidade do reservatório na zona do fundo do poço. Como resultado, o fator de recuperação de óleo do poço aumenta.

Este tipo de processo de fraturamento hidráulico é especialmente eficaz para formações carbonáticas. Segundo pesquisadores, mais de 40% das reservas mundiais de petróleo estão associadas a esse tipo de reservatório. A técnica e tecnologia de fraturamento hidráulico neste caso difere ligeiramente das descritas acima. O equipamento é fabricado em design resistente a ácidos. Inibidores (formalina, unikol, urotropina e outros) também são usados para proteger as máquinas contra corrosão.

Os tipos de fraturamento ácido são tratamentos de dois estágios usando materiais como:

• compostos poliméricos (PAA, PVC, gipan eoutros);
• compostos de látex (SKMS-30, ARC);
• estireno;
• resinas (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Como solventes ácidos, é utilizada uma solução de ácido clorídrico a 15%, além de composições especiais (SNPKh-9010, SNPKh-9633 e outras).

Os tipos de fraturamento ácido são tratamentos de dois estágios usando materiais como:

• compostos poliméricos (PAA, PVV, gipan e outros);
• compostos de látex (SKMS-30, ARC);
• estireno;
• resinas (BNI-5, TSD-9, TS-10).

Como solventes ácidos, é utilizada uma solução de ácido clorídrico a 15%, além de composições especiais (SNPKh-9010, SNPKh-9633 e outras).