Эволюция расклинивающих агентов в операциях гидравлического разрыва пласта

"Научный аспект №5-2024" - Геология

УДК 622.234.573

Мухтаров Тимур Айдарович – студент Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Аннотация: Данная статья рассматривает эволюцию расклинивающих агентов в операциях гидравлического разрыва пласта. Описывается использование традиционных, керамических, легких, наноразмерных, экологически чистых и смешанных расклинивающих агентов. Различные типы агентов обсуждаются с точки зрения их эффективности, экологической безопасности и применимости в различных условиях.

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта, пропант, расклинивающий агент, пласт.

Введение

Гидравлический разрыв пласта, или "фрекинг", является одним из наиболее важных и широко используемых методов в нефтяной и газовой промышленности для увеличения добычи из скважин. Продуктивный пласт заполняется жидкостью для гидроразрыва пласта под высоким давлением для создания выступов, которые затем поддерживаются открытыми с помощью проппантов или расклинивающих агентов. Эти проппанты обеспечивают высокую проницаемость трещины, что гарантирует поступление газа или нефти в скважину [1]. С течением времени, в связи с изменением производственных требований и экологических требований, составы для расклинивания сильно изменились.

Традиционные расклинивающие агенты

Кварцевый песок впервые был использован в качестве связующего. Его превосходная гидропроводность, низкая стоимость и широкая доступность сделали его популярным выбором для проведения ранних операций гидроразрыва пласта [5]. Кроме того, кварцевый песок легко добывается из речных и морских отложений, а также из карьеров, что гарантирует его доступность в больших количествах. Тем не менее, кварцевый песок обладает рядом недостатков, таких как низкая прочность на сжатие, что может привести к повреждению проппанта и снижению проводимости при разрыве при высоком пластовом давлении. Кроме того, кварцевый песок может содержать примеси, такие как глина и железо, которые могут ухудшить его качество [7]. Эти примеси могут вызвать проблемы с совместимостью жидкости для гидроразрыва пласта и снизить прочность и долговечность проппанта.

Керамические расклинивающие агенты

В 1970-х годах были изобретены керамические расклинивающие агенты, которые представляют собой искусственно изготовленные сферические частицы из кремния, оксидов алюминия и других элементов. Керамические проппанты обладают большей химической стойкостью и устойчивостью к сжатию, чем кварцевый песок, что делает их пригодными для использования в суровых и высоконапряженных пластовых средах [3]. Поскольку керамические проппанты очень прочны и устойчивы к разрушению, они могут выдерживать большие нагрузки в трещинах, которые уходят глубоко в пласт, или в породах с высоким пластовым давлением.

Глинозем, или оксид алюминия, обычно смешивают с другими оксидами, такими как оксид кремния, оксид магния и оксид титана, для получения керамических проппантов. Затем из этой смеси формуют круглые гранулы и нагревают до высокой температуры, в результате чего получаются плотные, прочные и округлые частицы проппанта. Возможности по производству керамических проппантов различных размеров и прочности на растяжение позволяют применять их в конкретных условиях пласта при проведении операций гидроразрыва пласта.

Однако широкому внедрению керамических расклинивающих агентов на первом этапе препятствовали их ограниченная доступность и дороговизна производства. Поскольку керамические проппанты намного дороже кварцевого песка, их использование экономически оправдано только в ситуациях, когда прочность и устойчивость к сжатию являются критическими требованиями.

Легкие расклинивающие агенты

Легкие расклинивающие агенты, такие как полимерные шарики и пенокерамика, были популярны в конце 1990-х годов. Эти материалы остаются во взвешенном состоянии в разрывной жидкости при меньших концентрациях и расходах из-за их меньшей плотности по сравнению с традиционными расклинивающими агентами. В дополнение к повышению эффективности транспортировки проппанта в трещины, это снижает пороговое давление закачки [4].

Пенокерамические проппанты изготавливаются путем вспенивания оксида алюминия или другого керамического материала с газообразующими добавками, что приводит к пористой структуре низкой плотности. С другой стороны, полимерные шарики образуются из легких полимерных материалов, таких как поликарбонат, полиметилметакрилат или полипропилен. Эти материалы могут быть вспененными или иметь полые сферические структуры для снижения плотности.

Легкие проппанты широко используются при проведении операций гидроразрыва пласта в горизонтальных скважинах, где требуется эффективное распределение проппанта на большие расстояния. Из-за их низкой плотности их можно транспортировать далеко от скважины, обеспечивая более равномерное распределение проппантов в трещинах. Кроме того, легкие проппанты можно использовать с другими типами проппантов для максимального перемешивания и снижения общей плотности.

Наноразмерные расклинивающие агенты

В последнее время было проведено большое количество исследований наноразмерных расклинивающих агентов, таких как углеродные нанотрубки, наночастицы оксида кремния и нанолистовые материалы. Исключительные механические свойства этих материалов и огромная удельная поверхность делают их потенциально чрезвычайно привлекательными для использования в качестве проппантов при проведении операций гидроразрыва пласта [8].

Например, наночастицы оксида кремния обладают превосходной прочностью на сжатие и могут выдерживать большой вес, не разрушаясь. И наоборот, углеродные нанотрубки характеризуются уникальной структурой и исключительными механическими свойствами, такими как высокий модуль упругости и предел прочности при растяжении. Более того, материалы из наночастиц, такие как гексагональный нитрид бора или графен, обладают удивительными механическими свойствами и могут найти применение в качестве проппантов.

Однако широкому коммерческому использованию наноразмерных расклинивающих добавок по-прежнему препятствуют значительные препятствия, такие как высокая стоимость их производства и потенциальные экологические риски. Чтобы узнать больше о том, как эти материалы реагируют в пластовых условиях и взаимодействуют с жидкостями для гидроразрыва, необходимы дальнейшие исследования.

Экологически чистые расклинивающие агенты

Потребность в экологически приемлемых расклинивающих химикатах возросла в связи с растущими опасениями по поводу последствий операций гидроразрыва пласта, особенно в отношении потенциального загрязнения подземных вод. Керамзит, вермикулит, перлит и биоразлагаемые полимеры - это лишь некоторые из соединений на основе природных компонентов, которые были созданы для замены традиционных проппантов [6].

Керамзит – это пористый керамический материал, который изготавливается из обожженной глины. Он подходит для использования в качестве проппанта благодаря своей превосходной прочности на сжатие и низкой плотности. При нагревании минеральные компоненты, известные как вермикулит и перлит, расширяются и образуют пористую структуру. Это также доступные легкие проппанты, которые практически не влияют на окружающую среду.

Биоразлагаемые полимеры, такие как полимолочная кислота (ПМК) и полигидроксибутират (ПГБ), являются еще одной категорией экологически приемлемых расклинивающих веществ. Эти материалы могут быть сконструированы для постепенного биологического разложения в пластовых условиях после использования в качестве проппанта, что уменьшит их долгосрочное воздействие на окружающую среду.

Экологически чистые расклинивающие агенты могут использоваться для проведения операций гидроразрыва пласта в чувствительных зонах, таких как водоохранные зоны или места, где загрязнение грунтовых вод вызывает опасения.

Смешанные расклинивающие агенты

Для достижения оптимальной трещиностойкости и экономической эффективности иногда используются различные типы расклинивающих агентов. Например, добавление легких проппантов может улучшить транспортировку и диспергирование в трещинах, но сочетание высокой электропроводности и прочности на сжатие может быть достигнуто при использовании кварцевого песка и керамических проппантов [2].

Состав и соотношение компонентов смеси проппантов тщательно подбираются с учетом индивидуальных условий пласта, требований к трещиностойкости и экономических соображений. Например, в пластах с высокими напряжениями для обеспечения высокой прочности при сжатии может быть использована комбинация с большим количеством керамических проппантов; в пластах с умеренными напряжениями было бы выгодно использовать смесь с высоким содержанием кварцевого песка для экономии затрат.

Для обеспечения оптимального распределения в трещинах можно создавать смеси проппантов. Например, для начальной транспортировки и заполнения трещин могут быть использованы легкие проппанты, а позже могут быть использованы более плотные проппанты, такие как кварцевый песок или керамика, для увеличения проводимости трещин и обеспечения их стабильности.

На выбор конкретной комбинации проппанта влияют многие аспекты, в том числе геологические условия, эксплуатационные цели, экономические ограничения и экологические ограничения окружающей среды. Оптимальный состав смеси и ее поведение в определенных пластовых условиях обычно определяются лабораторными испытаниями и моделированием. 

Заключение

Разработка смачивающих агентов для операций гидроразрыва пласта была обусловлена постоянным стремлением повысить производительность скважин и решить экологические проблемы. Промышленность постоянно стремится к разработке более эффективных и экологичных материалов, подходящих для различных пластовых условий и экологических требований, начиная от традиционного кварцевого песка и заканчивая современными керамическими, легкими, наноразмерными, экологически чистыми пропантами. По мере развития технологий гидроразрыва пласта для удовлетворения растущего спроса на энергоресурсы можно ожидать дальнейших разработок смачивающих агентов.

Список литературы

1. Экономидес, М.Дж. Гидравлический разрыв пласта и устройства для этого / М.Дж. Экономидес, Р. Олайни, П.П. Валько. - Москва : Вильямс, 2002. - 272 с.
2. Brumley, J.L., Harris, P.K., & Wenzell, R.L. (2007). Hybrid proppants for hydraulic fracturing. US Patent No. 7,275,596.
3. Carrier, H.N. Ceramic proppants for hydraulic fracturing / H.N. Carrier, V.M. Malhotra. - Richardson, TX : SPE, 1991. - 10 p.
4. Hunton, A.M. Lightweight proppants for hydraulic fracturing / A.M. Hunton, J.J. Frippiat, A. Aimoni. - Richardson, TX : SPE, 2004. - 9 p.
5. Kaufman, P.B. Sand for hydraulic fracturing / P.B. Kaufman, S.P. Pillitteri, J.D. Brighton, M.T. Rappert. - Richardson, TX : SPE, 2003. - 16 p.
6. Kehler, J.L., Cavanaugh, D.D., & Mooney, M.E. (2012). Environmentally friendly proppants for hydraulic fracturing. SPE.
7. Palish, T.J. Analysis of proppants for hydraulic fracturing / T.J. Palish, R.A. Durr, E.F. Ikard, B.M. Walker // Journal of Petroleum Technology. - 2010. - Vol. 62, No. 04. - P. 63-67.
8. Sang, H.K., Lee, D.S., & Choi, D.S. (2016). Nanoparticle proppants for hydraulic fracturing. Journal of Nanotechnology, 28(6), 2001.