Proiectarea unei operatii de stimulare prin fisurare hidraulica

Proiectarea unei operatii de stimulare prin fisurare hidraulica

Sa se determine presiunea de pompare pentru alegerea agregatelor de pompare in cazul aplicarii unei operatii de fisurare hidraulica realizata la o sonda la care se cunosc urmatoarele date :

Caracteristicile de echipare ale sondei :

-diametrul coloanei de exploatare : D_c = 5 3/4 in

-diametrul tevilor de extractie : d_t = 2 7/8 in

-diametrul interior al tevilor de extractie : d_i = 62 mm

-diametrul exterior al tevilor de extractie : d_e = 73 mm

a)     Caracteristicile stratului productiv :

-inaltimea stratului productiv : h = 18 m

-adancimea sondei pana la capul perforaturilor : H_p = 2200 + 10*n m n = 3

-coeficientul de porozitate al rocilor stratului productiv : m = 0,2

b)     Proprietatile fluidului de fisurare :

-densitatea fluidului de fisurare: ρ_fl.fis = ρ_gel = 920 kg/m³

-vascozitatea fluidului de fisurare: μ_gel = 42 cP

-debitul de injectie :  q_inj = 2,7 m³/min

d) Caracteristicile fisurii :

-lungimea fisurii :  L = 88 m

-grosimea fisurii :  w = 3 mm

-coeficientul lui Poisson : 

-densitatea medie a rocilor traversate : _mr = 2620 kg/m³

-porozitatea nisipului din fisura :  m_n = 0,24

-volumul fluidului se fisurare :

V_fl.fis = 100 + n m³ ; n =3 ; V_fl.fis = 100 + 3 = 103 m³

-densitatea nisipului care umple fisura : _n = 2600 kg/m³

1.ASPECTE GENERAL

Prin fisurarea hidraulica a unui strat se intelege crearea unor fisuri sau deschiderea si extinderea unor fisuri naturale, prin pomparea in strat a unui fluid cu presiune ridicata, ce depaseste rezistenta rocilor care formeaza scheletul mineral solid.

Fisurarea hidraulica este un proces fizic in care stratul cedeaza pe planurile de minima rezistenta sub efectul presiunii fluidului pompat in sonda.

Scopul tratamentului prin fisurare hidraulica este de a realiza o marire a afluxului de fluid in zona de strat din jurul gaurii de sonda pe o anumita raza echivalenta cu raza fisurii create.

Aceste tratamente se aplica in urmatoarele situatii :

la sonde de titei in strate constituite din roci consolidate (gresii, calcare, dolomite, conglomerate) cu permeabilitate mica;

la sondele de injectie, pentru marirea receptivitatii stratelor;

pentru reusita cimentarii stratelor acvifere.

Prin realizarea unei fisuri in strat se produc schimbari atat in sistemul de curgere prin distributia liniilor de curent, cat si in alura curbei de variatie a presiunii in jurul gaurii de sonda.

Se mentioneaza faptul ca inaintea aplicarii fisurarii hidraulice ca metoda controlata de fisurare a stratelor, se observase in practica de santier producerea accidentala a acestui fenomen in timpul forajului, a cimentarii sondelor sau in timpul injectiei de apa in zacamant.

2.FLUIDE DE FISURARE

Rolul fluidelor de fisurare este de a transmite presiunea necesara asupra stratului care urmeaza a fi tratat prin fisurare si de a transporta agentul de sustinere in fisura.

Prin proprietatile sale, un fluid de fisurare trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

• stabilitate buna la variatii de temperatura si presiune
• vascozitate adecvata pentru a transporta matirialul pentru sustinerea fisurii in strat;
• sa nu reactioneze cu mineralele din rocile colectoare sau cu fluidele care satureaza aceste roci, din care sa rezulte compusi insolubili;
• sa nu formeze emulsii in strat;
• posibilitatea de indepartare din strat fara dificultati, dupa terminarea operatiei.

Dintre proprietatile fluidelor de fisurare cele mai importante sunt vascozitatea si filtratia.

Fluidele cu vascozitate mare au o capacitate buna de transport si de mentinere in suspensie a materialului de sustinere si nu necesita debite mari de pompare.

Dezavantajul unor astfel de fluide consta in faptul ca necesita presiuni mari de pompare, deoarece pierderile de presiune prin frecare prin tevi sunt mari. Fluidele mai vascoase se elimina mai greu din formatiune, fiind necesare caderi mari de presiune intre strat si sonda.

Fluidele de fisurare pot fi clasificate din punct de vedere al componentului de baza in patru categorii:

a)     Fluide pe baza de hidrocarburi:

produse petroliere vascoase (uleiuri rafinate);

produse petroliere mai usoare (motorina sau petrol lampant):

-ingrosate;

-gelificate: cu un sapun al unui metal;

titeiuri brute: simple si ingrosate.

b)     Fluide pe baza de apa:

apa gelificata: - geluri liniare (nereticulate)

- geluri reticulate.

- solutii acide pentru fisurare acida.

Compozitia unui fluid de fisurare pe baza de apa sau apa cu 2% KCl, est urmatoarea:

agent de gelificare ;

agent de reticulare;

aditivi

c)     Fluide de tipul emulsiilor

petrol lampant

apa in petrol

Stabilitatea sistemului este mentinuta prin adaugarea unui emulgator, care are si rol de spargere a emulsiei la intrarea in strat.

d)     Fluide tip spume (dispersii lichid – gaz):

pe baza de azot (N₂);

pe baza de dioxid de carbon (CO₂).

Faza dispersa este gazul (N₂ sau CO₂) ce reprezunta 60 – 80% din volum;

Faza dispersata este un lichid (apa, amestec de apa cu metanol, solutie acida sau titei) ce reprezinta 20 – 40% din volumul de fluid.

Din punct de vedere al compozitiei fluidele de fisurare pot fi:

• neutre (apa si titeiul sub forma de emulsii sau geluri);
• acide (obtinute prin gelificarea sau emulsionarea acizilor organici sau anorganici) pentru tratamente de fisurare acida.

Criterii de alegere a fluidelor de fisurare

Alegerea tipului de fluid de fisurare este conditionata de constitutia litologica a formatiunii tratate si de calitatile hidrocarburilor care sunt cantonate in rocile colectoare.Principalele criterii care trebuie avute in vedere la alegerea unui fluid pentru o operatie de fisurare sunt:

• tipul sondei;
• temperatura si presiunea din formatiunea productiva;
• sensibilitatea la apa arocilor colectoare.

3.MATERIALE DE SUSTINERE A FISURII

a)     Tipuri de materiale de sustinere

Una dintre etapele deosebit de importante in proiectarea unei operatii de fisurare este alegerea corecta a materialului de sustinere. Tipul de material de sustinere a fisurii si dimensiunea particulelor utilizate au o influenta deosebit de mare asupra conductivitatii fisurii si a patrunderii acestui material in fisura.

Firmele specializate in operatii de stimulare prin fisurare folosesc urmatoarele tipuri de materiale de sustinere:

• nisipuri;
• nisipuri acoperite cu rasini;
• materiale de sustinere cu rezistenta mecanica intermediara (ISP);
• bauxita sinterizata;
• materiale de sustinere pe baza de zirconiu.

b)     Proprietatile materialului de sustinere

Principalele proprietati ale materialelor de sustinere testate in laborator pentru incadrarea lor in limitele cuprinse in STAS sunt:

densitatea in gramada si absoluta;

distributia granulometrica;

rotunjimea si sfericitatea;

solubilitatea in acizi;

testul de turbiditate;

rezistenta mecanica la strivire;

asezarea materialului de sustinere;

testul de conductivitate.

4.PRESIUNEA DE TRATARE SI PRESIUNEA DE POMPARE

Calcularea presiunii de pompare la suprafata este necesara pentru a stabili numarul de agregate pentru desfasurarea operatiei de fisurare hidraulica.

Pentru a determina presiunea de pompare la suprafata se parcurg urmatorii pasi:

Se determina presiunea de tratare cu relatia lui Crittendon:

P_tr = k · p_lit,

P_lit = H · ρ_rmed · g,

unde:- p_lit este presiunea litostatica data de apasarea rocilor aflate  deasupra formatiunii productive;

- H este adancimea stratului productiv ce va fi fisurat;

- _rmed este densitatea medie a rocilor care alcatuiesc pachetele de strate aflate deasupra stratului productiv tratat

- k este un coeficient de proportionalitate stabilit de Crittendon

k =

in care: ν este coeficientul lui Poisson; ν = 0,18-0,27;

φ este unghiul pe care il face planul fisurii cu planul orizontal;

pentru fisura verticala:

φ = 90s cos2φ = -1 k_v = p_fisv = · p_{lit .}

p_lit = H · ρ_rmed · g = 2230 · 2620 · 9,81 ·10^-5 = 573,159 bar

ν = 0

p_fisv = p_tr = 0,564 · 573,159 = 323,262 bar

Se determina densitatea amestecului de fluid de fisurare (gel + material de sustinere a fisurii):

Ρ_am = G_am/V_am;

Pentru a stabili cantitatea de nisip ce se adauga la 1 m³ de fluid de fisurare simplu (gel), trebuie cunoscut volumul fisurii si cantitatea totala de nisip ce va umple fisura.

Se considera o fisura verticala si se determina:

Volumul fisurii verticale:

V_fis = 2 · L · h · w

in care: L este lungimea fisurii; L = 88 m

h – inaltimea fisurii,considerata egala cu grosimea stratului productiv; h = 18 m

w – grosimea fisurii; w = 3 mm

V_fis = 2 · 88 · 18 · 3 · 10^-3 = 9,504 m³

Cantitatea de material de sustinere (nisip) pentru umplerea fisurii:

G_n = (1-m_n) · V_fis · ρ_n ,

unde: ρ_n este densitatea nisipului ce va umple fisura; ρ_n = 2600 kg/m³

m_n – coeficientul de porozitate al nisipului din fisura; m_n = 0,24

G_n = (1-0 ) · 9,504 · 2600 = 18780 kg

Cantitatea de nisip ce revine la 1 m³ fluid de fisurare:

G_n^* = =182 kg/m³

Determinarea densitatii amestecului pompat prin tevile de extractie:

ρ_am = 1030 kg/m³

Determinarea pierderilor de presiune prin tevile de extractie in timpul pomparii amestecului de fluid cu nisip:

p_fr = ;

unde: v este viteza de deplasare a amestecului de fluid in tevile de extractie:

v = = 14,9 m/s

λ – coeficientul de frecare determinat functie de numarul Reynolds

Re = = 22660

Re = 22370 > 2300 = 0,026

p_fr = = 1069bar

Determinarea presiunii hidrostatice:

p_h = H · ρ_am · g = 2230 · 1030 · 9,81 ·10^-5 = 225,33 bar

Determinarea presiunii de pompare la suprafata:

p_p = p_tr + p_fr – p_h = 323,262+1069 – 225,33 = 1167 bar

Deoarece presiunea de pompare la suprafata depaseste presiunea maxima de pompare a agregatelor de cimentare fisurare (p_max = 1050 bar), se procedeaza la marirea diametrului tevilor de extractie de la d_te = 2^7/8” la d_te= 3^1/2”.

d_i = 76 mm

v = = 9,92 m/s

Re = =18490

= 0,027

p_fr = = 386,6 bar

p_p = p_tr + p_fr – p_h = 323,262 + 386,6 – 225,33 = 484,532 bar

In functie de presiunea de pompare la suprafata, din tabelul cu performantele agregatelor de cimentare si fisurare, se alege agregatul 2ACF-1050E (regim intermitent) cu urmatoarele caracteristici:

diametrul plungerelor: 100 mm;

presiunea maxima de lucru: 505 bar;

debitul teoretic: 531 l/min;

viteza: I;

turatia motorului: 1000 rot/min;

numarul de curse duble pe minut la pompa: 94 .

Determinarea numarului de agregate de pompare:

n_a = n_a = 7 agregate