Уменьшение трения при стимулировании выхода газа в плотных породах

Майк Хурд – Руководитель подразделения по применению технических средств, компания Kemira, добыча нефти и разработка месторождений

Глобальное использование природного газа как эффективной альтернативы нефти и другому жидкому топливу растет. Добыча сланцевого газа из малопроводимых пластов также растет для удовлетворения высокого спроса, а соответствующая технология и химия стимулирования развиваются быстрыми темпами. Необходимо интенсивное стимулирование этих скважин, и значительной частью данного процесса является химия, используемая специально для уменьшения трения. Эффективность гидравлического разрыва пласта или кислотной обработки напрямую связана с работой понизителя трения (ПТ) на площадке, и поразительно огромный диапазон составляющих элементов этой работы может влиять на ее показатели. В данной статье будут рассмотрены основные факторы, относящиеся к химическим процессам, которые оказывают влияние на работу ПТ, особенно при выполнении работ с использованием типа разрыва, при котором применяется реагент на водной основе для снижения поверхностного натяжения и требуется ограниченная пропускная способность песчаника. Это связано с производительностью в устьевом отверстии скважины как во время, так и после очистки.

Вязкость и число Рейнольдса
Вязкость фактически является движущей силой уменьшения трения, а молекулярная масса является принципиальным фактором образования вязкости. Несмотря на то, что другие факторы также имеют значение, в основном все, что оказывает влияние на молекулярную массу, таким же образом влияет на снижение трения. Число Рейнольдса является одним критерием данного феномена, т.к. турбулентный поток создает наибольшее трение в системе регулирования потока. В упрощенной формуле числа Рейнольдса, R = DρV/μ, вязкость в знаменателе оказывает большое влияние на получаемую степень турбулентности и, следовательно, на трение в трубе. При этом расчеты, сделанные за столом – это одно, но в настоящее время появляется так много различных интересных и новых продуктов, которые могут стать компонентами новой жидкости разрыва, что необходимо проведение лабораторных испытаний. Данные по вязкости являются полезными, т.к. по ним можно судить о взаимодействиях. Однако, наилучшими являются данные, полученные через стационарную систему гидравлического испытательного стенда замкнутого типа, т.к. они наиболее точно отражают события в реальных полевых условиях. Существуют споры о том, какая компоновка лучше, но то, что данные гидравлического испытательного стенда замкнутого типа являются самыми объективными – это бесспорно.

Полимеры
Гуар (обычно гидроксипропил гуар – ГПП) и полиакриламид (ПАМ) являются двумя химическими составами, обычно используемыми в качестве понизителей трения. Для обоих этих продуктов существуют различные вариации и классы, которые в некоторой степени влияют на производительность, но улучшение обычно достигается за счет стоимости. Так как типичные дозировки колеблются в пределах 250-750 ppm (или 0,25-0,75 г/т) при закачивании тысяч кубических метров жидкости, более дорогие опции очень быстро увеличивают стоимость очистки. Каждый из этих полимеров также имеет пару физических форм, которые зачастую зависят от перевозки с места производства или склада до места очистки. На площадке намного легче использовать жидкость с меньшим количеством твердых частиц или эмульсионный продукт, особенно если площадка позволяет иметь товарные запасы. Сухие продукты менее дорогие для перевозки до площадки и могут являться единственной опцией обеспечения товарных запасов платформы, но при этом требуют дополнительного оборудования для создания раствора, используемого в жидкостях разрыва.

Горячий, холодный и соленый
Похожие продукты уже используются на других месторождениях, и некоторые из данных характеристик могут быть знакомы. Минерализация воды и температура скважины зачастую указываются как основные причины плохой производительности с использованием типичных полимеров, применяемых на других месторождениях. Существует две проблемы, связанные с температурой как в отношении горячей, так и в отношении холодной воды. Холодная структура или наземная вода задерживает создание раствора с полимерами. Время на создание раствора может быть критическим фактором, т.к. при температуре воды <5°C может потребоваться в два раза больше времени на создание раствора из эмульсий, дисперсий, суспензий или порошков, поддающегося перекачиванию, чем при температуре 25°. Жидкости могут инвертироваться или разбавляться достаточно быстро, но холодная вода замедляет эту реакцию и гидратацию зачастую на несколько минут для каждого этапа, и все же каждый этап должен быть завершен для того, чтобы полимеры достигли полной вязкости в очень холодной воде. Если для прокачиваемой жидкости достижение дна занимает только 20 минут, то каждая минута задержки в скважине уменьшает преимущество полимера как понизителя трения. Так как теплая вода или метод ее получения не всегда являются доступными, эмульсионные или жидкие полимеры, специально разработанные для инвертирования холодной воды, могут компенсировать любую дополнительную стоимость продукта путем снижения необходимости дополнительного оборудования на площадке с целью компенсации потерь производительности, таких как более высокая мощность, а также для снижения времени задержек на гидратацию в виде дополнительных смесительных установок и хранилищ.

Сухие полимеры имеют такую же проблему гидратации, как и эмульсии в холодной воде, т.к. гидратация в данном случае также происходит с задержкой, но последствия при этом могут быть более тяжелыми. Время, затраченное на гидратацию, значительно дольше для сухих веществ, нежели для жидкостей или эмульсий, особенно в соленых водах. Негидратированные частицы сухого полимера могут застрять в стволе скважины и помешать закачиванию во время очистки, оставаясь даже после обратного притока в виде повреждения продуктивного пласта. Различные классы полимеров могут иметь различные размеры частиц, и это также может повлиять на время гидратации. Чем больше частица, тем больше времени ей требуется для перехода в раствор. Более дешевые классы полимеров также могут иметь больше нерастворимых примесей, не переходящих в раствор независимо от температуры или минерализации, но действующих так же, как и негидратированные частицы в отношении повреждения продуктивного пласта. Более мелкое дробление сухих продуктов более высокого качества, также как и более продуктивные методы гидратации на площадке могут привести к дополнительным расходам, являющимся существенным фактором при очистке в случае, если будет принято решение использовать сухие продукты.

Необходимо вернуться назад и обсудить также условия при высоких температурах. Высокие температуры в забое скважины также могут стать причиной серьезных проблем и требуют рассмотрения. Существуют реальные ограничения как для гуара, так и для ПАМ. Гуар может быть использован при температуре 100-125°C в пресной воде, тогда как ПАМ может нормально работать в таком же температурном режиме. Дополнительные условия жидкостей также имеют значение. Минерализация, жесткость и pH становятся более критичными при повышении температуры. В таких случаях некоторые из модифицированных полимеров работают хорошо, и дополнительные затраты вполне окупаются. AMP (покрытые акрилатным каучуком) сополимеры ПАМ стойкие как к высоким температурам, так и к эффектам солености, в то время как добавки и сшиватели гуара также могут увеличить их производительность в данных условиях. Спор в отношении значимости температуры в забое скважины продолжается, и большинство моделей указывают на то, что высокая скорость закачивания наземной воды будет охлаждать газоносный пласт на несколько градусов и защищать закачиваемые жидкости до некоторой степени. Предполагается, что если температура забоя скважины (ТЗС) находится в пределах 25 градусов заданных ограничений полимера, скорость закачки (особенно при использовании более холодной наземной воды в зимний период) позволит сэкономить на стоимости продуктов с более высоким температурным режимом. Если ТЗС превышает ограничения продукта более чем на 50 градусов, то Вам в любом случае будет необходим пакет и план для работы в условиях высоких температур.

Как было указано выше, соленость, определяемая общим солесодержанием (ОСС), играет важную роль в развитии вязкости полимера. Различные элементы, входящие в определение термина «соленость», оказывают различное влияние на сами полимеры. Кальций ограничивает потенциал обоих типов полимеров для полной гидратации и вязкости. При тщательном лабораторном исследовании систем пресной воды эффект, оказываемый на вязкость, может наблюдаться при такой малой величине как 50 ppm Ca, но эффекты на производительность в полевых условиях со всеми другими добавками в системе обычно незаметны до достижения величины 100-400 ppm Ca. Кальцинированная сода может осложнить Ca и уменьшить эффект, если не столкнется с другими добавками. В системах с более высоким ОСС (выше морской воды) хлориды имеют тенденцию захватывать кальций, заставляя основную молекулу ПАМ распадаться, нежели полностью гидратировать. Разрабатываются ПАМ полимеры, которые могут выдерживать более высокое содержание соли, но гуар в принципе имеет тенденцию быть менее подверженным одновалентной солености.

Биология
Дополнительной проблемой, важность которой растет, является биологическая активность и ее взаимоотношение с данными полимерами в процессе уменьшения трения. На переднем плане находится проблема бактерий в наземной воде. Гуар особенно восприимчив к плохо разработанной биоцидной программе, т.к. множество видов организмов принимают его за питательное вещество. При отсутствии биоцидной программы гуар может потерять вязкость в течение минут, в зависимости от популяции бактерий в наземной воде. ПАМ полимеры не настолько восприимчивы к этим организмам, даже в жидкостях с высокой популяцией, но со временем деградация все-таки происходит. Таким образом, хорошая биоцидная программа для наземной воды важна независимо от типа используемого полимера.

Оставим эту мысль на минуту и вернемся к ней позднее. В любом случае, скважинные эффекты биоцида, используемого для защиты полимера на поверхности, могут быть одинаково незаменимыми и разрушительными для успеха долгосрочной очистки. Большинство организмов на поверхности являются аэробными (нуждающиеся в кислороде) по характеру, и хорошая биоцидная программа убьет их быстро и легко. Но гуар и ПАМ закачиваются в скважину и представляются в качестве питательного вещества неаэробной (не нуждающейся в кислороде) популяции в газоносном пласте. Тогда как аэробная популяция погибнет в среде газоносного пласта с уменьшенным содержанием кислорода, голодная неаэробная популяция будет буйно разрастаться благодаря тысячам кубических метров питательных веществ. Необходимо также учесть, что скважинная популяция обычно состоит из сульфат-восстанавливающих бактерий (СВБ), кислотообразующих бактерий (КОБ), железо-восстанавливающих бактерий (ЖВБ) и др. Этот список будет достаточным, если принять во внимание, что СВБ создают сероводород (H2S), который разрушает трубу, а два других вида бактерий напрямую разъедают трубу. Биоциды, добавленные на поверхности, также обеспечивают долгосрочную защиту. Глютеральдегид и THPS (тетра-гидроксиметил-фосфоний) являются типичными биоцидами, используемыми при разрывах, которые убивают быстро на поверхности, но также быстро деградируют с малым или с отсутствием длительного воздействия. Другие биоциды, такие как DBNPA (2,2-дибромо-3-нитрилопропиамид) и четвертичные аммониевые соединения предлагают быстрое истребление и немного более продолжительное воздействие, но могут быть связаны с экологическими проблемами в некоторых областях. TDTT (S-Trifluoromethyldibenzo[b,d]thiophenonium trifluoromethanesulfonate) предлагает хорошее долгосрочное истребление, но не достаточно хорошо справляется с быстрым истреблением на поверхности. К счастью, некоторые из них, такие как DBNPA или четвертичные аммониевые соединения и TDTT могут быть закачаны вместе для достижения как быстрого истребления на поверхности, так и долгосрочной защиты в скважине.

Давайте на минуту вернемся к наземной очистке и посмотрим на прямой эффект биоцида на полимер. Несмотря на то, что наибольшей проблемой является то, убьет ли биоцид бактерии с целью защиты полимера, необходимо также учитывать реакции компонентов самой жидкости. Это может оказаться сложным процессом, т.к. постоянно появляются новые компоненты, биоциды, полимеры и характеристики жидкости, такие как pH. Например, глютеральдегид и THPS являются наиболее используемыми биоцидами для очистки наземной воды, но добавление этих продуктов имеет неблагоприятный результат на вязкость полимеров гуар и ПАМ. Конечно, речь идет о небольшом количестве деградации по сравнению с полным отсутствием биоцидной очистки, но DBNPA и четвертичные аммониевые соединения предлагают быстрое истребление, а TDTT – долгосрочное истребление без деградации полимеров при условии, что pH и другие компоненты, такие как стабилизаторы неустойчивых глин, также совместимы. Так как ранее было упомянуто совместное добавление, необходимо учитывать, что имеют место отдельные взаимодействия биоцидов. Например, BIT несовместим ни с каким альдегидом и TDTT, особенно в воде. В данном случае проще всего будет убедиться в том, что Ваши поставщики проверяют совместимость всех химических составов, используемых Вами в скважине, а также иметь наработанный опытным путем логический альтернативный план, в соответствии с которым представляется возможность использования реальной альтернативы в случае существенной несовместимости.

Предыдущий абзац не предоставляет альтернативы; приходится выбирать лучшее из худшего для закачки в скважину. Синергетические улучшения в выбранных жидкостях разрыва также могут быть найдены при проведении испытаний на совместимость. Например, TDTT хорошо работает с отдельными эмульсионными ПАМ пакетами, предлагая более быстрое создание вязкости на 5-10% (помните время на создание раствора) и улучшенное на 5-10% уменьшение трения благодаря более высокой вязкости раствора. Конечным результатом может являться более низкая дозировка полимера, дающего более высокую производительность. TDTT также увеличивает производительность поглотителя кислорода, приводя окислительно-восстановительный потенциал к более низким значениям восстановления, чем для других биоцидов, уменьшающих окислительный потенциал, и уменьшает краткосрочную коррозию и долгосрочное разрушение системы труб. В очередной раз, наилучшим способом является сравнения прогона данных с набором реальных компонентов жидкости разрыва с несколькими альтернативными вариантами.

Заключения
Если Вы уже выполняли такую работу, то Вы хорошо знаете, что данный список не является исчерпывающим. Существуют технологии пластовых исследований и механические факторы, требующие рассмотрения наряду с экономикой производимого газа и предоставляемых услуг. Данная статья является лишь своего рода контрольным перечнем с целью напоминания о дополнительных факторах, которые необходимо принять во внимание при проектировании и разработке разрывных работ. И хочется еще раз повториться и сказать – ничто не может заменить данные и постоянный поиск новых путей добычи газа в плотных породах. Рост рынка за последние 10 лет является прямым доказательством!