Fractura hidráulica: tipos, cálculo y proceso tecnológico

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 13:53

La fracturación hidráulica (HF) es una de las medidas geológicas y técnicas más efectivas, cuyo propósito es intensificar el flujo de fluido de formación hacia los pozos de producción. El uso de esta tecnología permite no solo aumentar la recuperación de reservas dentro del radio de drenaje del pozo, sino también ampliar esta área, aumentando la recuperación final de petróleo del yacimiento. Dado este factor, el diseño del desarrollo del campo se puede llevar a cabo con la disposición de un patrón de pozo más disperso.

Breve descripción

La esencia de la fracturación hidráulica se describe mediante el siguiente proceso:

• el depósito está sujeto a una presión excesiva (el consumo de fluido del proceso es mucho mayor de lo que pueden absorber las rocas);
• la presión de fondo de pozo aumenta hasta que supera las tensiones internas en el colector;
• las rocas se rompen en el plano de menor resistencia mecánica (la mayoría de las veces en dirección oblicua o verticalmente);
• otra vezCrecen las grietas formadas y viejas, aparece su conexión con el sistema natural de poros;
• aumenta una zona de mayor permeabilidad cerca del pozo;
• Se bombean apuntalantes granulares especiales (apuntalantes) en las fracturas expandidas para fijarlas en estado abierto después de eliminar la presión sobre la formación;
• la resistencia al movimiento del fluido de formación se vuelve casi cero, como resultado, el caudal del pozo aumenta varias veces.

La longitud de las fracturas en las rocas puede ser de varios cientos de metros, y el fondo del pozo se conecta con áreas remotas del yacimiento. Uno de los factores más importantes en la eficacia de este tratamiento es la fijación de la fisura, que permite crear un canal de filtración. Sin embargo, la productividad del pozo no puede aumentar indefinidamente a medida que aumenta el tamaño de la fractura. Hay una longitud máxima por encima de la cual el caudal no se vuelve más intenso.

Ámbito de aplicación

Esta tecnología se utiliza tanto para producción (recuperación mejorada de petróleo) como para inyección (mayor inyectividad), pozos horizontales y verticales. Se distinguen las siguientes áreas de aplicación de la fracturación hidráulica:

• intensificación de la tasa de producción de pozos con zona de fondo de pozo contaminada en yacimientos con diferente permeabilidad;
• desarrollo de yacimientos heterogéneos;
• mejorar la conexión hidrodinámica del pozo con el sistema de fractura natural en el yacimiento;
• expansión de la zona de entrada de fluidos del yacimiento;
• desarrollo de yacimientos de baja permeabilidad ypozos de bajo margen;
• cambio en los flujos de filtración en pozos de inyección;
• restauración de los parámetros del pozo que no se ven afectados por otros métodos.

Los límites para la tecnología de fracturación hidráulica son las zonas de gas-petróleo, que se caracterizan por las siguientes características:

• conificación rápida (jalar agua de formación al fondo del pozo);
• penetraciones repentinas de agua o gas en el pozo;
• yacimientos agotados con reservas bajas, lentes saturados de petróleo de pequeño volumen (debido a la f alta de rentabilidad económica).

La fracturación hidráulica se utiliza con mayor frecuencia como método de estimulación para yacimientos de mediana y alta permeabilidad. Para ellos, el factor principal para aumentar la entrada de fluido del yacimiento es la longitud de la fractura formada, y en depósitos con baja permeabilidad de la roca, su ancho.

Fractura hidráulica: ventajas y desventajas

Las ventajas de la fracturación hidráulica son:

• aplicable a áreas con estructura geológica diversa;
• repercusión tanto en todo el embalse como en su sección;
• reducción efectiva de la resistencia hidráulica en la zona de fondo de pozo;
• comunión de áreas adyacentes mal drenadas;
• líquido de trabajo económico (agua);
• alta rentabilidad.

Las desventajas incluyen:

• la necesidad de grandes suministros de agua, arena, productos químicos adicionales;
• proceso incontrolado de creación de una grieta en la roca, imprevisibilidad del mecanismoagrietamiento;
• cuando se ponen en funcionamiento pozos con caudales elevados después de la fracturación hidráulica, se puede extraer apuntalante de las fracturas, lo que provoca una disminución del grado de apertura y una disminución del caudal en los primeros meses después del inicio de funcionamiento;
• riesgo de vertido incontrolado y contaminación ambiental.

Variaciones del proceso

Los métodos de fracturamiento difieren en el tipo de formación de la fractura, el volumen de fluido y apuntalante inyectado, y otras características. Los principales tipos de fracturamiento hidráulico incluyen los siguientes:

• Según el área de impacto en la formación: local (longitud de fractura de hasta 20 m) - la más extendida; penetración profunda (longitud de fractura 80-120 m); en masa (1000 m y más).
• Por cobertura de costura: simple (impacto en todas las costuras y entrecapas); múltiple (para pozos que han abierto 2 o más capas); intervalo (para un depósito específico).
• Métodos especiales: fracturamiento con ácido; Tecnología TSO: formación de fracturas cortas para evitar su propagación al contacto agua-petróleo y reducir el volumen de inyección de apuntalante (este método muestra alta eficiencia en yacimientos arenosos); impulso (creación de varias fracturas radialmente divergentes en rocas de permeabilidad media y alta para reducir el efecto piel - el deterioro de la permeabilidad de los poros debido a su contaminación con partículas contenidas en el fluido de formación filtrado.

Múltiplebrecha

La fracturación hidráulica múltiple se realiza mediante varios métodos:

1. Primero, se crea una grieta usando tecnología convencional. Luego se tapona temporalmente inyectando sustancias (naftalina granular, bolitas de plástico y otras) que cierran las perforaciones. Después de eso, la fracturación hidráulica se realiza en otro lugar.
2. La separación de zonas se realiza mediante packers o compuertas hidráulicas. Para cada uno de los intervalos se realiza la fracturación hidráulica según el esquema tradicional.
3. Fracturación hidráulica por fases con aislamiento de cada zona subyacente con un tapón de arena.

En las secciones arcillosas, lo más efectivo es la creación de fracturas verticales, ya que conectan capas intermedias productivas de petróleo y gas. Dichas fracturas se producen por la acción de fluidos no filtrables o por un rápido aumento de la velocidad de inyección.

Preparación para fracturación hidráulica

La tecnología de yacimientos hidráulicos consta de varias etapas. El trabajo preparatorio es el siguiente:

1. Estudio del pozo para el ingreso del fluido de formación, la capacidad de absorber el fluido de trabajo y determinar la presión requerida para la fracturación hidráulica.
2. Limpieza del fondo de pozo de arena o costra arcillosa (lavado con agua a presión, tratamiento con ácido clorhídrico, perforación con hidroarenado y otros métodos).
3. Comprobación del pozo con una plantilla especial.
4. Descenso a las tuberías del pozo para suministrar el fluido de trabajo.
5. Instalación de empacador de presión y anclajes hidráulicos para protección de casing.
6. Instalación de boca de pozoequipo (colector, lubricador y otros dispositivos) para conectar las unidades de bombeo a las tuberías de inyección y sellar el pozo.

El diagrama principal de las tuberías del equipo de proceso durante la fracturación hidráulica se muestra en la siguiente figura.

Secuencia de fracturamiento

Técnica y tecnología de fracturación hidráulica consta de los siguientes procedimientos:

1. Las tuberías de inyección se alimentan con un fluido de trabajo (por lo general, aceite para un pozo de producción o agua para un pozo de inyección).
2. Aumentar la presión del fluido de fracturamiento al valor máximo de diseño.
3. Compruebe la estanqueidad del obturador (no debe haber desbordamiento de fluido del anillo).
4. Se agrega apuntalante al fluido de trabajo después de que ocurre la fracturación hidráulica. Esto se juzga por un fuerte aumento en la inyectividad del pozo (caída de presión en las bombas).
5. Se incluyen isótopos radiactivos en el último lote de apuntalante para la posterior verificación de la zona de pérdida mediante registro nuclear.
6. Suministre el fluido exprimidor de mayor presión para un apuntalamiento confiable de grietas.
7. Retirar el fluido de fracturamiento del fondo para garantizar la entrada de fluido de formación en el pozo.
8. Desmantelar el equipo de proceso.
9. El pozo está siendo comisionado.

Si el pozo es relativamente poco profundo, se permite que el fluido de trabajo se suministre a través de tuberías de revestimiento. También es posible realizar la fracturación hidráulica sinempacador - a través de tubos de tubería y espacio anular. Esto reduce las pérdidas hidráulicas para fluidos altamente viscosos.

Máquinas y mecanismos para fracturación hidráulica

El equipo de fracturamiento hidráulico incluye los siguientes tipos de equipo:

• Máquinas y aparatos terrestres: grupos de bombeo (ANA-105, 2AN-500, 3AN-500, 4AN-700 y otros); plantas mezcladoras de arena sobre chasis de automóviles (ZPA, 4PA, USP-50, Kerui, Lantong y otras); camiones cisterna para transporte de líquidos (ATsN-8S y 14S, ATK-8, Sanji, Xishi y otros); tuberías de cabeza de pozo (colector, cabeza de pozo, válvulas de cierre, colectores de distribución y presión con válvulas de retención, manómetros y otros equipos).
• Equipos auxiliares: agregados para operaciones de disparo; cabrestantes; estaciones de monitoreo y control; camiones de tuberías y otros equipos.
• Equipos subterráneos: empacadores para aislar la formación en la que se planea fracturar hidráulicamente de otra parte de la sarta de producción; anclajes para evitar el levantamiento de equipos subterráneos debido a la alta presión; cuerda de tubería.

El tipo de equipo y la cantidad de equipos se determinan en función de los parámetros de diseño de la fracturación hidráulica.

Características del diseño

Las siguientes fórmulas básicas se utilizan para calcular la fracturación hidráulica:

1. BHP (MPa) para fracturamiento hidráulico utilizando un fluido filtrado: p=10^-2KL_c, donde K es un coeficiente seleccionado del rango de valores 1, 5-1, 8 MPa/m, L _{c – longitud del pozo, m.}
2. Presión de inyección de fluido con arena (para apuntalamiento de fracturas): p_p =p - ρgL_c + p_t, donde ρ es la densidad del líquido portador de arena, kg/m³, g=9,8 m/s², p _t: pérdida de presión debido a la fricción del fluido que transporta arena. El último indicador está determinado por la fórmula: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B – diámetro interior del tubo.
3. Número de unidades de bombeo: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1, donde p_p es la presión de funcionamiento de la bomba, Q_p es su suministro a una presión dada, K T- coeficiente del estado técnico de la máquina (seleccionado entre 0,5 y 0,8).
4. Cantidad de fluido de desplazamiento: V=0, 785d_B²L_c.

Si la fracturación hidráulica se produce utilizando arena como apuntalante, se supone que su cantidad por 1 operación es de 8 a 10 toneladas, y la cantidad de fluido se determina mediante la fórmula:

V=Q_sC_s, donde Q_s es la cantidad de arena, t, C_s – concentración de arena en 1 m^{3 líquido.}

El cálculo de estos parámetros es importante, ya que a un valor de presión excesivamente alto durante la fracturación hidráulica, el fluido se comprime en el yacimiento, se producen accidentes encolumna de producción. De lo contrario, si el valor es demasiado bajo, será necesario detener la fracturación hidráulica debido a la imposibilidad de alcanzar la presión requerida.

El diseño de fracturamiento se realiza de la siguiente manera:

1. Selección de pozos de acuerdo con el sistema de desarrollo de campo existente o planificado.
2. Determinación de la mejor geometría de fractura, teniendo en cuenta varios factores: permeabilidad de la roca, rejilla del pozo, proximidad al contacto agua-petróleo.
3. Análisis de las características físicas y mecánicas de las rocas y elección de un modelo teórico para la formación de una fisura.
4. Determinación del tipo de apuntalante, cantidad y concentración.
5. Selección de un fluido de fracturamiento con propiedades reológicas adecuadas y cálculo de su volumen.
6. Cálculo de otros parámetros tecnológicos.
7. Definición de eficiencia económica.

Fluidos de fracturación

Los fluidos de trabajo (desplazamiento, fracturamiento y transporte de arena) son uno de los elementos más importantes de la fracturación hidráulica. Las ventajas y desventajas de sus diversos tipos se relacionan principalmente con las propiedades reológicas. Si antes solo se utilizaban composiciones viscosas a base de aceite (para reducir su absorción por el yacimiento), ahora un aumento en la potencia de las unidades de bombeo ha permitido cambiar a fluidos a base de agua con baja viscosidad. Debido a esto, la presión en boca de pozo y las pérdidas de resistencia hidráulica en la sarta de tubería han disminuido.

En la práctica mundial, lo siguientetipos principales de fluidos de fracturación hidráulica:

• Agua con y sin apuntalantes. Su ventaja es el bajo costo. La desventaja es la poca profundidad de penetración en el yacimiento.
• Soluciones poliméricas (guar y sus derivados PPG, CMHPG; hidroxietiléter de celulosa, carboximetilcelulosa, goma xantana). B, Cr, Ti, Zr y otros metales se utilizan para entrecruzar moléculas. En términos de costo, los polímeros pertenecen a la categoría intermedia. La desventaja de tales fluidos es el alto riesgo de cambios negativos en el yacimiento. Las ventajas incluyen una mayor profundidad de penetración.
• Emulsiones compuestas por una fase hidrocarbonada (combustible diésel, petróleo, gas condensado) y agua (mineralizada o fresca).
• Geles de hidrocarburo.
• Metanol.
• Dióxido de carbono espesado.
• Sistemas de espuma.
• Geles de espuma, que consisten en geles reticulados, espumas de nitrógeno o dióxido de carbono. Tienen un alto costo, pero no afectan la calidad del colector. Otras ventajas son la alta capacidad de transporte de apuntalante y la autodestrucción con poco líquido residual.

Para mejorar las funciones de estos compuestos se utilizan diversos aditivos tecnológicos:

• tensioactivos;
• emulsionantes;
• juntas reductoras de fricción de fluidos;
• espumantes;
• aditivos que modifican la acidez;
• estabilizadores térmicos;
• aditivos bactericidas, anticorrosivos y otros.

Las principales características de los fluidos de fracturamiento hidráulico incluyen:

• viscosidad dinámica requerida para abrir una fisura;
• propiedades de infiltración que determinan la pérdida de fluidos;
• capacidad de transportar apuntalante sin que se separe prematuramente de la solución;
• estabilidad al corte y a la temperatura;
• compatibilidad con otros reactivos;
• actividad corrosiva;
• verde y seguro.

Los fluidos de baja viscosidad requieren la inyección de un volumen mayor para lograr la presión requerida en el yacimiento, y los fluidos de alta viscosidad requieren más presión desarrollada por el equipo de bombeo, ya que se producen pérdidas significativas en la resistencia hidráulica. Los líquidos más viscosos también se caracterizan por una menor filtrabilidad en las rocas.

Materiales de apoyo

Los apuntalantes o apuntalantes más utilizados son:

• Arena de cuarzo. Uno de los materiales naturales más comunes y, por lo tanto, su costo es bajo. Repara grietas en diversas condiciones geológicas (universal). El tamaño de los granos de arena para la fracturación hidráulica se selecciona de 0,5 a 1 mm. La concentración en el fluido portador de arena varía entre 100-600 kg/m3. En rocas caracterizadas por fracturamiento fuerte, el consumo de material puede alcanzar varias decenas de toneladas por 1 pozo.
• Bauxitas (óxido de aluminio Al₂O_{3). La ventaja de este tipo de apuntalante es su mayor resistencia en comparación con la arena. Fabricado portrituración y tostado de mineral de bauxita.}
• Óxido de circonio. Tiene propiedades similares al tipo anterior de apuntalante. Ampliamente utilizado en Europa. Una desventaja común de estos materiales es su alto costo.
• Gránulos de cerámica. Para la fracturación hidráulica, se utilizan gránulos que varían en tamaño de 0,425 a 1,7 mm. Pertenecen a apuntalantes de resistencia media. Mostrar alta eficiencia económica.
• Canicas de vidrio. Anteriormente utilizado para pozos profundos, ahora reemplazado casi por completo por bauxitas más baratas.

Fractura ácida

La esencia de la fracturación hidráulica ácida es que en la primera etapa se crea artificialmente una fractura (al igual que en la tecnología de fracturación hidráulica convencional), y luego se bombea ácido en ella. Este último reacciona con la roca creando largos canales que aumentan la permeabilidad del yacimiento en la zona de fondo de pozo. Como resultado, el factor de recuperación de petróleo del pozo aumenta.

Este tipo de proceso de fracturación hidráulica es especialmente eficaz para las formaciones carbonatadas. Según los investigadores, más del 40% de las reservas mundiales de petróleo están asociadas a este tipo de yacimientos. La técnica y tecnología de la fracturación hidráulica en este caso difiere ligeramente de las descritas anteriormente. El equipo está fabricado con un diseño resistente a los ácidos. Los inhibidores (formalina, unikol, urotropina y otros) también se utilizan para proteger las máquinas de la corrosión.

Los tipos de fracturamiento con ácido son tratamientos en dos etapas que utilizan materiales como:

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

Como disolventes ácidos se utiliza una solución de ácido clorhídrico al 15%, así como composiciones especiales (SNPKh-9010, SNPKh-9633 y otras).

Los tipos de fracturamiento con ácido son tratamientos en dos etapas que utilizan materiales como:

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

Como disolventes ácidos se utiliza una solución de ácido clorhídrico al 15%, así como composiciones especiales (SNPKh-9010, SNPKh-9633 y otras).