Proiectarea unei operatii de stimulare prin acidizare cu solutie de acid clorhidric (HCl₂)

Parametrii necesari ptentru efectuarea unei operati de acidizare:

a)     Caracteristicile de echipare ale sondei :

-diametrul coloanei de exploatare : D_c=5 3/4 in = 146mm

-grosimea peretelui coloanei de exploatare : t=6 mm

- diametrul interior al coloanei de exploatare: D_i D_c - 2t = 146-12 = 134mm

-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

b)     Caracteristicile stratului productiv :

-presiunea in strat(presiunea statica in dreptul formatiunii productive) :

p_str (p_c)=110 bar

-inaltimea stratului productiv : h=18 m

-adancimea sondei pana la capul perforaturilor :

H_p=2200+10*n=2200+30=2230 m

n=3

-inaltimea de la talpa sondei la baza perforaturilor : h_sac=6 m

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

c)     Proprietatile solutiei de tratare :

-densitatea solutiei acide de tratare :  _str(15% HCl)=1074,8 kg/m³

-densitatea solutiei de acid concentrat (acid tehnic) : _sac(32% HCl)=1162,8 kg/m³

-diluarea se face cu apa sarata cu densitatea : _sd=1050 kg/m³

d)     Proprietatile fluidului ales pentru impingerea solutiei acide in strat :

- densitatea titeiului :  _t=840 kg/m³

- vascozitatea titeiului : _t=3 cP

e)     Alte caracteristici :

-volumul specific de solutie de tratare(cantitatea pe metru perforat) :

a=1,25 m³_15%HCl/m_strat

-timpul de reactie :  t_r=20 min

-debitul de injectie :  q_inj=1,2 m³/min

1.PRINCIPII GENERALE

Acidizarea matricei este definita ca operatia de injectare a unei solutii acide in stratul degradat (contaminat) la o presiune mai mica decat presiunea de fisurare a rocilor colectoare.

Rolul solutiei acide este acela de a dizolva produsele solide de invazie sau de precipitare depuse in sistemul poros al rocii (particule solide din fluidul de foraj sau din pasta de ciment,particule fine de nisip sau de argile,saruri) si de a largi canalele de curgere existente sau de a crea altele noi prin dizolvarea unor minerale din rocile colectoare.

Compatibilitatea fluidului de tratare cu roca si fluidele continute de aceasta este un factor important in realizarea unui tratament de stimulare eficient.Sensibilitatea rocii la actiunea fluidului de tratare este determinata de compozitia chimica si constitutia petrografica a acesteia.

Acidizarea se practica in formatiunile cu permeabilitate de la valori medii pana la valori mari,alcatuite din calcare,dolomite gresii cu continut de carbonati peste 20%,sau nisipuri consolidate al caror ciment este constituit din carbonati de calciu sau magneziu.

Prin stimularea stratelor prin acidizare se poate realiza :

-anularea efectului pelicular rezultat din depunerea turtei din fluidele de foraj,din depunerea de saruri sau a crustelor de ciment de pe peretii gaurii de sonda in dreptul stratului productiv ;

-largirea si extinderea canalelor de curgere existente ;

-formarea de noi canale de curgere in stratele productive ,care asigura o curgere mai activa a fluidelor din strat in sonda ;

-marirea diametrului gaurii de sonda ,cand stratul productiv este netubat ;

Pentru tratarea chimica a rocilor colectoare carbonatice se utilizeaza frecvent solutii de acid clorhidric (in mod obisnuit 12%,15% sau 28% HCl).

Acidizarea se efectueaza in mod diferit de la un zacamant la altul si chiar de la o sonda la alta din cauza :

-diversitatii litologice a zacamintelor ;

-proprietatilor fizice diferite ale zacamintelor (presiune si temperatura) ;

-compozitiei chimico-mineralogice si distributiei variate a mineralelor in rocile colectoare;

-anizotropiei permeabilitatii rocii magazin ;

-naturii si compozitiei fluidelor acumulate in porii rocilor .

Obiectivul tehnic al stimularii formatiunii productive il constituie obtinerea unui factor skin post operatoriu neglijabil sau negativ ,ce corespunde cazului indepartarii eficiente a obstructiilor survenite in sistem .

Obiectivul economic se considera atins atunci cand s-a imbunatatit afluxul de fluide din strat in sonda si productivitatea sondei a crescut .Scurtarea timpului de realizare a operatiei de stimulare proiectate si implicit reducerea timpului aferent intreruperii din productie sunt elemente importante din punct de vedere economic .

2.FLUIDE PENTRU OPERATIILE DE ACIDIZARE

2.1Solutii acide si neacide

Pentru stimularea prin acidizare a rocilor carbonatice se folosesc solutii de acid clorhidric ,acid acetic sau amestecuri acide :acid clorhidric si acizi organici , acid clorhidric si alcooli , acid clorhidric si tenside .

Din cercetarile de laborator s-a constatat ca ,in conditii asemanatoare ,

acizii organici reactioneaza mult mai incet decat acidul clorhidric.

In functie de natura blocajului creat la nivelul formatiunilor productive pot fi folosite diferite solutii acide sau solventi si dezemulsionanti.

Pentru tratarea prin acidizare a rocilor carbonatice ,in functie de compozitia mineralogica a acestora, de distributia mineralelor in roca, de proportia mineralelor carbonatice, de natura depunerilor din porii rocilor si de temperatura, in afara acidului clorhidric de concentratii diferite, intre 8%-15% HCl, sau 28% HCl se pot folosi si alte sisteme acide.

2.2 Aditivi

Solutiile acide ce urmeaza sa se injecteze in stratul productiv, inafara de acizii necesari (clorhidric,fluorhidric,acetic etc.) mai contin diferiti aditivi cum ar fi: inhibitori de coroziune, stabilizatori pentru controlul metalului, stabilizatori ai argilei, intarzietori de reactie, intensificatori, solventi, alcooli, agenti termici, gaze energizante care au rolul de a anihila efectele negative ale solutiilor acide din sonda si strat.

Cunoasterea structurii si a mecanismului de actionare a fiecarui aditiv utilizat contribuie la selectarea si dozarea corecta a acestora pe baza testelor de laborator.

a)     Inhibitori de coroziune

Scopul inhibitorilor este sa previna sau sa reduca reactiile de coroziune a materialului metalic prin care circula solutia acida.

Inhibitori de coroziune romanesti pentru combaterea coroziunii acide:

Formaldehida CH₂O (aldehida formica), ACOR-21, ACOR-22, ACOR-42, CORED-22, CORED-95, COSINTAM-86,

b)     Stabilizatori (sechestranti)

Rolul stabilizantilor este de a impiedica depunerea unor compusi ai fierului si aluminiului (hidroxizi) care precipita sub forma unui sediment voluminos si de a mentine pH-ul solutiei acide consumate intre 4-4,5.

Tipuri de stabilizatori :

Acid acetic in proportie de 0,8-3% din volumul solutiei de tratare,eficient pana la temperatura de 70sC;

Acid citric in cantitate de 20 kg/m³ solutie 15% HCl, eficient pana la temperatura de 90sC;

Amestec de acid citric (6 kg/m³) si acid acetic (11 kg/m³), foarte eficient pana la temperatura de 65sC;

Acid gluconic in cantitate de 42 kg/m³ solutie 15% HCl, eficient pana la temperatura de 65sC, cost ridicat;

Acid lactic in cantitate de 23 kg/m³ solutie 15% HCl, eficienta moderata la temperatura de 40sC;

Acid etilendiaminotetraacetic in cantitate de 36 kg/m³, eficient la temperatura de 90sC, cost ridicat;

Acid nitriloacetic (NTA) in cantitate de 23 kg/m³ solutie 15% HCl, temperatura de 90sC, cost ridicat.

c)     Stabilizatori pentru argile – sunt substante tensioactive capabile sa fixeze si sa protejeze mineralele argiloase sau sa creasca viteza de curgere a fluidului necesara sa antreneze particulele de argila.

Sunt utilizate frecvent urmatoarele cloruri : clorura de amoniu NH₄Cl, clorura de potasiu KCl, clorura de calciu CaCl, clorura da alumuniu AlCl_3.

NaCl evita hidratarea argilelor numai la concentratie mai mare de 15%.

d)     Iintensificatori (dezemulsionanti)

Sunt substante tensioactive, care se adauga in solutia acida in proportie de 0,5 – 1% (uneori 2 – 3%) din volumul acesteia cu scopul:

de a micsora tensiunea superficiala;

de a asigura o patrundere mai usoara a solutiei acide in canalele fine ale stratului productiv.

Substantele tensioactive cu rol de intensificatori pot fi:

de tip anionic (alchilarilsulfonat) D5,RAG-27;

de tip neionic (alchili, fenoli polietixilati, acizi grasi etoxilati E-96, S2-350, STN-7;

de tip cationic (amine organice).

e)     Intarzietori de reactie

Scopul intarzietorilor de reactie este incetinirea reactiei solutiei acide cu roca, astfel ca acidul neconsumat sa patrunda pe o distanta mai mare in stratul productiv.

Tipuri de intarzietori de reactie:

Surfactanti anionici de tip alchilarilsulfonati;

Surfactanti cationici care au si proprietati de inhibitori de coroziune;

Surfactanti neionici.

f)      Alcoolii – sunt fluide cu tensiune superficiala scazuta datorita proprietatilor de vaporizare rapida.

Rolul alcoolilor este de a recupera integral fluidele uzate si de a imbunatati permeabilitatea fata de gaze prin reducerea saturatiei in apa.

Tipuri de alcooli utilizati in amestecurile acide de tratare:

Izopropanol CH₃-CHOHCH₃ folosit in concentratie de 20%;

Metanol CH₃OH folosit in concentratie de 30 - 40%.

g)     Gaze energizante

Gazele energizante sunt azotul si dioxidul de carbon comprimate sau in stare lichida. Datorita caracterului lor de a fi miscibile cu hidrocarburile sunt folosite pentru marirea eficientei operatiilor de acidizare a formatiunilor care contin titei remanent bogat in fractii grele.

Variantele de injectie a gazelor energizante la operatia de acidizare sunt:

Inaintea efectuarii tratamentului acid de stimulare;

Simultan cu solutia acida;

Dupa introducerea solutiei acide;

Odata cu solutia acida complexa sub forma de spuma.

3.TEHNOLOGIA DE TRATARE CU ACID CLORHIDRIC

A ROCILOR CARBONATICE

La programarea operatiei de stimulare prin acidizare se tine seama de obiectivul urmarit: baie acida pentru deblocare si/sau acidizare conventionala.In functie de aceste obiective variaza cantitatea si compozitia solutiei acide ca si programul hidraulic.

La sondele echipate cu packer de coloana de tip permanent nu se pot executa bai acide pentru deblocarea formatiunii;se pot executa numai acidizari si fisurari acide.

Pentru a realiza o acidizare cu solutie de acid clorhidric la o sonda fara packer trebuie sa se execute urmatoarele operatii:

a)     pregatirea sondei;

b)     prepararea solutiei acide;

c)     introducerea solutiei acide in strat.

A) Pregatirea sondei

Aceasta pregatire consta indeosebi in curatarea zonei talpii sondei si a filtrului sondei de orice depuneri (fluid de foraj, oxizi, parafina) printr-o baie de acid.Operatia consta in introducerea in sonda a unei solutii de acid clorhidric de concentratie 8-12%, la care se adauga un inhibitor de coroziune si dupa caz o solutie de concentratie 2-5% acid fluorhidric.In unele cazuri se utilizeaza compozitii mixte de acizi si substante tensioactive.Scopul acestei bai este de a preveni neutralizarea solutiei acide la trecerea ei prin zona cu depuneri, fapt care ar provoca scaderea eficientei acidizarii propriu-zise.

B) Prepararea solutiei acide

Prepararea solutiei acide se face prin amestecarea acidului tehnic de concentratie 32-35% HCl cu apa si o serie de aditivi, acestia din urma cu rol de a anihila efectele nedorite ale solutiei acide in sonda si strat.

La alegerea concentratiei solutiei acide se tine seama de faptul ca o concentratie mai mica presupune injectarea unui volum mai mare de solutie pentru dizolvarea unei cantitati date de roca si necesita apoi extragerea din sonda a unei cantitati mai mari de solutie uzata.Utilizarea unei solutii acide de concentratie mare conduce la cresterea cantitatii de CaCl₂ si MgCl₂ ,ceea ce mareste densitatea si vascozitatea solutiei uzate, creand dificultati la eliminarea acesteia din strat si in plus cresc costurile pentru protectia echipamentului din sonda.

Dupa stabilirea cantitatii de acid ce revine pe metru perforat si a concentratiei solutiei acide, se trece la prepararea in habe a solutiei acide necesare pentru tratare.

O solutie acida de concentratie dorita se poate prepara din apa si acid tehnic sau dintr-o solutie de o concentratie mai slaba decat cea aleasa pentru tratare si acid tehnic.Valoarea concentratiei acidului tehnic este trecuta in buletinul de analiza ce insoteste acidul.

Determinarea volumului de apa si de acid tehnic necesar pentru prepararea volumului de solutie acida de tratare 15% HCl

Daca se cunosc densitatile solutiilor acide ρ_s se poate determina cantitatea de acid pur G_s continuta de 1 m³ solutie de concentratie data C_s conform relatiei:

G_s=V_s ρ_s C_s

Pentru a obtine 1 m³ solutie acida de tratare de concentratie dorita trebuie cunoscuta cantitatea de acid clorhidric pur continuta de 1 m³ acid tehnic (concentrat) G_sc si cantitatea de acid clorhidric pur continuta de 1 m³ solutie de diluare, G_sd.Notand cu X fractia zecimala de solutie acida concentrata dintr-un m³ de solutie de tratare (V_sc=X) si cunoscand:

V_st=V_sc+V_sd,

V_st=1 m³ ,

V_sd=1-X ,

Se pot determina cantitatile de acid tehnic concentrat si apa exprimate volumetric pentru a prepara 1 m³ solutie de tratare cu relatia:

X·G_sc + (1-X)·G_sd = G_st·1 ,

(1) ,

unde: G_st este cantitatea de acid clorhidric pur continuta intr-un m³ solutie acida de tratare

G_sd este cantitatea de acid clorhidric pur continuta intr-un m³ solutie acida de diluare;

G_sc este cantitatea de acid clorhidric pur continuta intr-un m³ solutie acida

concentrata (acid tehnic).

Volumul de solutie acida de tratare HCl 15% se determina cu relatia:

V_st=a·h,

unde: a=volumul solutiei acide pe metru perforat,

a=1,25 m³_15%HCl/m strat,

h=grosimea stratului productiv ce va fi acidizat,

h=18 m .

rezulta: V_st = 1,25·18 = 22,5 m³ solutie acida 15% HCl

Tinand seama ca diluarea se face cu apa sarata, deci cantitatea de acid pur continuta este G_sd = 0,formula (1) devine:

.

Densitatile celor doua solutii fiind:

-ρ_st = 1074,9 kg/m³,

-ρ_sc = 1162,8 kg/m³,

si aplicand de doua ori regula de trei simpla, rezulta:

100 kg………………..15 kg HCl

1074,9 kg………….……x_15%

X_15%==161,24 kg

100 kg 32 kg HCl

1168 kg……………………..x_33%

x_32% =1168kg……………………..x_33%

Deci, fractia zecimala de solutie acida concentrata dintr-un m³ de solutie de tratare va fi :

X = 161,24/372,1 = 0,43,

Rezulta ca volumul de solutie acida concentrata HCl 32% folosit pentru prepararea a 19,5 m3 de solutie acida de tratare HCl 15% este :

V_sc = 22,5·0,43 = 9,675 m³ HCl 32%,

Iar volumul de apa sarata folosit pentru diluare va fi :

V_sd = 22,5 – 9,675 = 12,825 m³ apa NaCl .

Cantitatile de acid tehnic si de apa (exprimate in litri pentru a obtine 1 m³ solutie de tratare de concentratie data) se pot determina aproximativ, cand nu se cunosc densitatile solutiilor acide, prin :

-metoda analitica ;

-metoda grafica cu regula paralelogramului .

a) Metoda analitica estimativa consta in aplicarea urmatoarei relatii :

A = B·

Unde : A = cantitatea de acid tehnic;

B = cantitatea de solutie acida de tratare:

C_st = concentratia solutiei de tratare;

C_sc = concentratia acidului tehnic.

Rezulta :

V_{HCl 33%} = 22,5·15/32 = 10,546 m³ sol. acida de tratare HCl 32%,

Respectiv :

V_{HCl 15%} = 22,5-10,546= 11,954m³ sol. acida de tratare HCl 15% .

b) Prin metoda paralelogramului :

15

15

0 17

La un m³ de solutie avem:

Deci: Vsc = 9,675 m³(sol HCl 32%) ;

Vsd = 12,825 m³(sol diluanta – apa sarata) :

Vst= 22,5 m³(sol de tratare HCl 15%);

Solutia de tratare se prepara la sonda sau la o baza speciala, acolo unde se justifica acest lucru (cand mai multe sonde sunt supuse frecvent la tratamente cu solutii acide).

In majoritatea cazurilor, ordinea de adaugare a componentelor solutiei acide este urmatoarea:

apa in cantitatea necesara pentru obtinerea volumului de solutie acida de concentratia dorita;

inhibitorul de coroziune adecvat;

acidul clorhidric tehnic in cantitatea stabilita;

stabilizatorul in proportia stabilita;

clorura de bariu, daca este cazul;

intensificatorul si se agita.

Dupa o pauza de limpezire a solutiei acide, prin sedimentarea sulfatului de bariu, se va incepe pomparea acestuia in sonda.In situatia in care solutia acida nu se trateaza cu clorura de bariu, dupa adaugarea tuturor aditivilor se incepe pomparea acesteia in strat intr-un timp cat mai scurt, mai ales in cazul sondelor la care se intalnesc temperaturi ridicate, fiindca eficienta aditivilor se micsoreaz sub actiunea acestui factor.

C) Pomparea solutiei acide in strat

Solutia acida se pompeaza cu ajutorul agregatelor prin interiorul tevilor de extractie in stratul productiv.

Daca distanta intre baza perforaturilor si talpa sondei este de cativa metri, aceasta zona numita sacul sondei se va izola cu o solutie de clorura de calciu, pentru a nu consuma o cantitate mai mare de solutie acida decat cea necesara introducerii in strat.

Dupa realizarea circulatiei de titei in sonda (fig.a) se fixeaza tevile de extractie cu 1 – 2 m deasupra talpii.

-se pompeaza in sacul sondei un volum corespunzator de solutie de clorura de calciu (fig.b):

Se pompeaza un volum de titei (B+C) pentru aducerea solutiei izolatoare in sac, unde:

• B = volumul tevilor de extractie ,

L_t = lungimea tevilor de extractie ,

L_t = 2200 + 10 · 3 + 18 = 2248 m

• C = volumul conductei de amestec
• L_ca = 20 m

B + C = 6,787 + 0,041 = 6,828 m³

Se ridica tevile de extractie putin deasupra bazei perforaturilor si se pompeaza un volum de solutie acida de tratare (A+B+C) astfel incat nivelul acesteia poate depasi numai cu 2 m capul perforaturilor ,unde:

• A = volumul coloanei in dreptul stratului ,

h = inaltimea stratului , h = 18 m

A + B + C = 0,254 + 6,787 + 0,041 = 7,082 m³

Se inchide ventilul la coloana de exploatare (fig.c) si se introduce in continuare sub presiune restul de solutie acida.

Se pompeaza o cantitate de titei ce corespunde cu volumul A + B pentru a asigura introducerea solutiei acide in strat (fig.d).

A + B = 0,254 +6,787 = 7,041 m³

Se lasa sonda inchisa pentru reactie cateva ore (nu mai mult de 12 ore ) si apoi se procedeaza la extragerea solutiei din strat, respectiv la repunerea sondei in functiune.

- Planul de pompare (fazele unei operatii de acidizare cu izolarea sacului sondei)

D) Distanta de patrundere a solutiei acide in strat

Se presupune formatiunea productiva omogena si penetrarea in strat a solutiei acide uniforma si radiala.Adancimea (raza ) de patrundere a solutiei acide in strat rezulta dintr-o relatie de egalitate intre volumul de solutie acida injectat si volumul de pori invadat de aceasta solutie:

q_i · t_r = · h · m · (R² – r_s²),

unde: q_i este debitul de injectie al solutiei acide;

t_r-timpul de reactie al solutiei acide;

R-raza de patrundere a solutiei acide in strat, cu efect de dizolvare;

r_s-raza sondei;

h-grosimea stratului productiv;

m-coeficientul de porozitate al rocii.

efect de dizolvare:

R_a =

iar raza de invazie a solutiei acide in strat:

R_i =

unde: t_i este timpul de injectie a solutiei acide de tratare:

t_i = t_i = = = 18,75 min

unde: r_s = (D_c - 2· t)/2 = 82,5 mm

t_i < t_r = 18,75 min,

si nu se mai calculeaza raza de invazie.

Daca t_i > t_r inseamna ca nu tot volumul de solutie acida de tratare pompat in strat are efect de dizolvare, ci numai volumul pompat in timpul echivalent timpului de reactie.

Pentru a realiza R_i = R_a, adica intreaga cantitate de solutie acida de tratare sa aiba efect de dizolvare in strat, se poate actiona pe doua cai:

• adaugarea de intarzietori de reactie pentru a incetini viteza de reactie a acidului cu roca:
• marirea debitului de injectie:

q_i = V_st/t_r .

E) Determinarea presiunii de pompare

in conditiile pomparii in sonda a solutiei acide de tratare;

in conditiile pomparii titeiului prin tevile de extractie pentru impingerea solutiei acide in strat.

p_p = p_inj + p_fr - p_h

unde: p_p este presiunea de pompare la suprafata:

p_inj - presiunea de injectie la nivelul stratului productiv, a carei valoare trebuie sa fie mai mica decat presiunea de fisurare;

p_fr – pierderile de presiune prin frecare in tevile de extractie a fluidelor pompate in timpul operatiei de tratare prin acidizare;

p_h – presiunea hidrostatica a coloanei de fluid din tevile de extractie.

p_fr = ,

p_h = L · ρ · g

λ – coeficientul de frecare calculat cu relatia (pentru regim turbulent):

unde numarul Reynolds se poate determina cu relatia:

Re =

ρ – densitatea fluidului circulat prin tevile de extractie;

v – viteza de deplasare a fluidului in tevile de extractie;

L – lungimea tevilor de extractie;

d – diametrul interior al tevilor de extractie;

μ – vascozitatea fluidului care circula prin tevile de extractie.

p_fr – pierderile de presiune prin frecare in tevile de extractie a fluidelor pompate in timpul operatiei de tratare prin acidizare

p_inj – presiunea de injective la nivelul stratului productive

p_h – presiunea hidrostatica a coloanei de fluid din tevile de extractive

F) Alegerea agregatelor de pompare

In functie de presiunea de pompare p_p se alege din tabelul cu performantele agregatelor de cimentare si perforare valoarea presiunii maxime de lucru, care corespunde unui diametru de plunger.Din coloana de debite teoretice, corespunzator acestui diametru de plunger se alege o valoare a debitului teoretic, care poate fi realizata cu o turatie a motorului de antrenare,n_m si un numar de curse duble pe minut la pompa n_p.

Tinand seama de faptul ca presiunea de pompare este p_p = 50,6 bar, s-a ales agregatul AC-350 A cu urmatoarele caracteristici:

diametrul plungerelor: 115 mm;

presiunea maxima de lucru: 60 bar;

debitul teoretic: 920 l/min;

viteza: III;

turatia motorului: 1600 rot/min;

numarul de curse duble pe minut la pompa: 147,6 .

G) Calculul numarului de agregate

Numarul de agregate necesar unei operatii de acidizare se calculeaza cu formula:

n_a = q_inj/q_a + 1 ,

unde: n_a este numarul de agregate de pompare;

q_a – debitul teoretic al agregatului de pompare.

n_a = 1,2/0,820 + 1 = 2,46

n_a = 3 agregate .

H) Schema de pompare