Proppemiddelbevegelse i Frac-foringsrør har blitt spikret, men hvor viktig er det egentlig for skiferbrønner?

Proppemiddel består av partikler på størrelse med sand injisert med frac-væske under en fracking-operasjon. I skiferolje- og gassbrønner er frac-væsken vanligvis vann med noe friksjonsreduserende middel (som såpe) tilsatt for å senke frac-pumpetrykket. Formålet med proppant er å stoppe de induserte bruddene i reservoaret fra å lukke seg etter at fracking stopper og det forhøyede trykket forsvinner.

I skiferolje- og skifergassbrønner er proppemiddelet som brukes en blanding av 100 mesh sand og 40-70 mesh sand, og disse kornene er begge mindre enn en millimeter i diameter. Slike små sandpartikkelstørrelser er nødvendige for at sand skal føres gjennom trange sprekker i et bruddnettverk skapt av fracking-operasjonen. Større sand ville plugge nettverket og ikke være injiserbart - det ble funnet ut i de tidlige dagene av skiferrevolusjonen.

Vanligvis er horisontale brønner i skifer to mil lange og pumpes med 40 separate fracking-operasjoner eller trinn. Hvert trinn er omtrent 250 fot langt og metallhuset inneholder 10-20 klynger med perforeringer, med flere perforeringer i hver klynge. Ideelt sett er den horisontale brønnen grundig perforert med disse hullene.

Strømningsveien til et proppantkorn er unnvikende. Først må kornet lage en rett vinkel bøy for å komme fra å flyte langs foringsrøret inn i en perforering. Deretter står den overfor en kompleks bruddgeometri - kanskje et hovedbrudd som forgrener seg til subsidiære brudd, som en trestamme sprer seg til grener og deretter kvister.

Vil proppemiddelkornet kunne komme inn i alle disse bruddene eller er noen av dem for smale? Et 100 mesh sandkorn kan kanskje klemme seg inn i et smalere brudd når et 40-70 korn ikke kan.

En forbedring i olje- og gassproduksjonen ved å bruke proppemidler med kornstørrelse mindre enn 100 mesh har blitt dokumentert, og foreslår at det er verdt å få til og med bittesmå proppemiddelkorn i mindre brudd for å holde dem åpne for flyt av olje- eller gassmolekyler. Et slikt proppemiddel kalles DEEPROP.

Nye tester av proppantstrøm ut av foringsrøret.

Nylig noen nye tester har blitt gjort som undersøker flyt av proppant gjennom selve foringsrøret, noe som betyr en kort lengde med horisontal foringsrør som er perforert for å slippe ut frac-væsken. Det er ikke en underjordisk test - rørene ligger på et kar ved overflaten og karet samler opp proppant og væske som kommer ut av perforeringene.

Et stort antall operatører har støttet dette prosjektet der en rekke perforeringsklynger med forskjellige perforeringsladninger, design og orienteringer har blitt brukt. Ulike pumpehastigheter, proppantstørrelser og sandkvalitet er studert.

Testmaskinvaren var så realistisk som mulig. Foringsrøret var 5.5 tommer standard som var perforeringsdiametre. Pumpehastigheter var så høye som 90 bpm (fat per minutt), som aldri hadde vært brukt i testing av proppantbevegelser før.

Et enkelt fraktureringstrinn ble testet ved å perforere forskjellige klynger langs et rør på omtrent 200 fot. Hver perf-klynge hadde sitt eget deksel som ledet oppfanget væske og proppemiddel inn i sin egen tank, slik at de kunne måles.

Resultater ble presentert for to forskjellige sett med klynger: 8 klynger i et stadium med 6 perfs i hver klynge, eller 13 klynger i et stadium med 3 perfs i hver klynge. Testerne brukte enten 40-70 mesh sand eller 100 mesh sand båret av glatt vannvæske pumpet med 90 bpm.

Disse SPE-papirene rapporterer at proppant-flukten gjennom perf-klyngene og inn i karene er ujevn:

· Noen proppantartikler, spesielt de større maskestørrelsene som 40-70 mesh, seiler forbi de første klyngeperforeringene og kommer ikke inn i formasjonen før videre på det stadiet. Disse større partiklene har mer fart.

· Mindre proppepartikler, for eksempel 100-mesh, kommer mer jevnt inn i klyngeperforeringene.

· Design med begrenset inngang er utviklet med kun én perforering per klynge på toppen av foringsrøret.

· Spesielt for større proppemiddel tiltrekker perforeringer i bunnen av foringsrøret for mye proppemiddel (tyngdekraftseffekt), og kan forstørres av erosjon, slik at mindre proppemiddel kommer til å gruppere perforeringer lenger langs frac-stadiet.

Proppemiddelutgangen fra foringsrøret er ujevn.

Alle testene avdekket ujevn proppant-utgangsfordeling. Tabellen viser forholdet mellom største proppemiddel som kommer ut av en klynge: minste proppemiddel som kommer ut av en klynge (dvs. maksimum proppemiddel: minimum proppemiddel), samt nest største proppemiddel: nest laveste proppemiddel. Disse forholdene er en proxy for ujevnheter - et større forhold betyr mer ujevn fordeling, og omvendt.

Resultatene viser at 40-70 mesh proppemiddel (større forhold) er mindre jevnt fordelt enn 100 mesh proppemiddel (lavere forhold) – i begge klyngescenarioene.

Tolkningen gitt av rapportene er at mer av 40-70 proppemiddel, som er større og tyngre sandkorn, har en tendens til å bli båret av momentumet forbi de tidligere perf-klyngene før de går ut i de senere perf-klyngene, sammenlignet med 100-mesh-proppantet. .

Dette er ikke så ideelt fordi målet er å få proppemidlet jevnt fordelt over alle perforeringsklyngene i ett trinn av fracking. Men nå til det store spørsmålet om hvor stor forskjell dette utgjør?

Utfordringen er å optimere prosedyrene slik at utgangsfordelingen av proppant blir mer enhetlig. Fra rapportene har testresultater blitt innlemmet i en beregningsmodell for væskedynamikk (SPE 209178). Denne tilnærmingen er bygget inn i et rådgivningsprogram for frakturering, kalt StageCoach.

I mellomtiden sier rapportene at "ujevn strøm av proppemiddel i foringsrøret kan være like viktig som formasjonsvariabilitet og spenningsskygge." La oss se nærmere på dette.

Andre kilder til variasjon i skiferproduksjonen.

Det virkelige spørsmålet er hvor viktig er en ujevn fordeling av proppemiddel for produksjon av skiferolje og -gass?

Den store variasjonen til skiferolje- og gassbrønner har blitt dokumentert. For eksempel viser horisontale brønner i Barnett-skiferen med typisk lengde 4000-5000 fot at de nederste 10 % av brønnene lager mindre enn 600 Mcfd mens de øverste 10 % av brønnene lager mer enn 3,900 Mcfd.

Det er kjent at flere andre faktorer bidrar til den store variasjonen i skiferolje- eller gassstrømningshastigheter.

Hvis horisontal brønnlengde og brønnorientering normaliseres for å fjerne deres variasjon, kan frakturer, proppantstørrelse og proppantmengder betraktes som førsteordenseffekter. Disse første-ordens effektene har blitt prioritert og optimalisert i mer modne skiferspill.

Så er det geologiske egenskaper som naturlige brudd i skiferen, in-situ stress, og bruddbarhet av skiferbergarten. Disse regnes som andre-ordens effekter fordi de er mye vanskeligere å kvantifisere. Forsøk på å minimere disse kildene til variasjon inkluderer logging av den horisontale brønnen, installasjon av optiske kabler eller soniske instrumenter eller mikroseismiske geofoner for å måle sprekkspredning og interaksjon med lokal geologi langs en horisontal brønn.

Mot disse kildene til variasjon ser foringsrørets utgangsfordeling og ensartethet av proppemiddel ut til å være av sammenlignbar betydning med andre andreordens effekter som geologi og spenningsendringer langs en horisontal brønn. Det er ingen måte at ensartet foringsutgang kan forklare produksjonsvariasjoner mellom 600 Mcfd og 3,900 Mcfd som observert i Barnett Shale.

For å si dette på en annen måte, det kritiske er å få proppant ut av de fleste perf-klyngene og inn i de opprettede bruddene. Dette har blitt oppnådd ved å pumpe veldig lite proppemiddel, 100-mesh eller 40-70 mesh (og ofte begge deler) og optimalisere proppantkonsentrasjonen og -mengdene for et bestemt skiferspill.

Dette er 90 % av målet som har blitt oppnådd med bemerkelsesverdig suksess i skiferrevolusjonen de siste 20 årene. Så det er vanskelig å se fra de nye overflatetestene at mindre variasjoner i proppemiddelutganger fra en til en annen perforeringsklynge kan ha en førsteordens effekt på olje- eller gassproduksjon.

Men kanskje resultater fra andre tester, ulike tester, i dette prosjektet vil avdekke mer signifikante effekter på skiferproduksjonen.